Ventilatia Si Conditionarea Aerului - Brujan Emil Alexandru

E.A. Brujan - Ventilaia i condiionarea aerului

4

1. Definiii i noiuni fundamentale de tehnica ventilaiei i decondiionare a aerului

1.1. Definirea noiunilor de ventilaie i de condiionare a aerului

Prin ventilaie se nelege introducerea de aer din atmosfer indeprtarea aerului din interiorul incintelor n cantiti suficiente pentruasigurarea confortului (Santamouris i Asimakopoulos, 1996). Ventilaiaeste una din principalele tehnici de ndeprtare a excesului de cldur dininteriorul incintelor nchise sau de extindere n interiorul acestora acondiiilor termice favorabile ale mediului exterior.

Condiionarea aerului implic crearea i meninerea unui mediu nanumite condiii de temperatur, umiditate, circulaie a aerului i puritateastfel nct acesta s produc efectele dorite asupra ocupanilor unei incintesau a materialelor depozitate (McQuiston i Parker, 1982). Condiionareaaerului este independent de timp sau sezon i trebuie s funcioneze ncondiii meteorologice extreme. Termenul "condiionarea aerului" a fostutilizat pentru prima dat n legtur cu practica umidificrii aerului nfabricile de textile pentru a controla efectele statice ale electricitii i aevita astfel ruperea firelor (Jennings, 1978). Creterea umiditii aerului(umidificare) poate fi uor realizat prin introducerea de vapori de ap naer, dar ndeprtarea surplusui de vapori de ap (deumidificare) este multmai dificil. O prim metod de a realiza deumidificarea aerului const nfolosirea materialelor desicante care trebuie, ns, reactivate periodic. Multmai frecvent, deumidificarea este realizat prin scderea temperaturaaerului la o valoare suficient pentru ca vaporii de ap n exces s poat findeprtai prin condensare. Indeprtarea vaporilor din aer prin condensareeste sugestiv ilustrat prin formarea picturilor pe peretele unui pahar cuap foarte rece.

1.2. Clasificarea sistemelor de ventilaie i de condiionare a aerului

Dup natura procesului exist ventilaie natural i ventilaie forat.

Ventilaia natural este cauzat de diferena de presiune dintreinteriorul i exteriorul unei incinte ca rezultat al aciunii vntuluisau a gradienilor de temperatur. Ventilaia nocturn i turnurilede rcire sunt principalele tehnici de ventilaie natural. Eficienaventilaiei naturale poate fi sensibil crescut printr-o canalizare i


5

recirculare corespunztoare a curenilor de aer n interiorulincintei.

Ventilaia forat este realizat cu mijloace mecanice, folosindventilatoare pentru a induce i controla curentul de aer.Ventilatoarele de tavan sau ventilatoarele portabile sunt cele maides folosite n acest scop.

Sistemele de condiionare a aerului sunt grupate n dou categoriiprincipale, i anume, uniti centrale i uniti independente.

Sistemele centrale de condiionare a aerului sunt folosite nprincipal n cldirile mari. Unitatea principal a acestor sistemeeste amplasat ntr-o camer mecanic i, de regul, la distanmare de spaiul care urmeaz a fi condiionat. Unitatea centraleste conectat printr-o reea de conducte la unitile individualecare sunt amplasate n spaiul supus condiionrii. Aerul dinatmosfer este aspirat de unitatea central de condiionare iamestecat cu o anumit cantitate de aer recirculat. Amestecultrece apoi prin filtre pentru a ndeprta praful sau alte particulesolide i este condiionat n funcie de modul de operare alsistemului (rcire sau nclzire). Atunci cnd este necesarscderea temperaturii unei incinte, aerul este rcit i, dac estecazul, deumidificat. Atunci cnd este necesar ridicareatemperaturii n interiorul incintei, aerul este pre-nclzit,umidificat prin adugarea de vapori de ap i, n final, nclzitfolosind aburi sau ap fierbinte. Aerul este apoi transportatfolosind ventilatoare (la viteze cuprinse ntre 5 i 15 m/s), cel maifrecvent, la nivelul superior al incintei de unde este difuzat irecirculat n interiorul incintei. In cazul n care este necesar cadiferite spaii ale unei incinte s fie condiionate separat sefolosesc mai multe sisteme independente de conducte. In acestmod, aerul distribuit n fiecare spaiu al incintei poate fi controlatindependent pentru a satisface cerinele impuse de confort.

Sistemele independente de condiionare a aerului pot fiamplasate n orice spaiu fr a mai fi nevoie de o unitatecentral. Sunt n principal folosite n cldirile n care ocupaniidoresc s foloseasc sistemele de condiionare numai n anumitespaii sau atunci cnd costul instalrii unui sistem central decondiionare este nejustificat. Exist dou tipuri de sisteme:monobloc i uniti separate. Unitile monobloc sunt amplasate


6

n aceeai incint, n peretele exterior al incintei sau la fereastr.Unitile separate nu necesit schimbri majore n construciaincintei. O parte a unitii este amplasat n afara incintei (prilemecanice grele - compresor sau ventilator) n timp ce a douaparte, care conine vaporizatorul i prile mecanice uoare, esteamplasat n interiorul incintei. Cele dou uniti sunt conectateprin dou conducte de diametru mic care transport aerul. Nivelulde zgomot n timpul funcionrii este foarte sczut deoareceprile mecanice sunt situate n exteriorul incintei.

1.3. Tendine actuale n tehnica ventilaiei i condiionrii aerului

Arhitectura modern a cldirilor a redus la minim infiltraia aeruluin interiorul acestora cu scopul de a diminua efectele negative asuprancrcrii termice a cldirilor. In particular, construcia cldirilor n caredeschiderea ferestrelor nu este posibil a eliminat practic posibilitatearealizrii ventilaiei naturale. Tehnologiile avansate permit acumconstrucia de sisteme de condiionare a aerului cu randament ridicat icosturi sczute astfel nct folosirea acestor sisteme pare justificat. Totui,chiar i cele mai performante sisteme de condiionare a aerului sunt mariconsumatoare de energie i, n plus, poluante pentru c funcioneaz cuageni de refrigerare nocivi. Este clar, n aceste condiii, c tehnicile deventilaie natural trebuie revitalizate i adaptate noilor tendinearhitecturale. Cel mai important factor care limiteaz aplicarea ventilaieinaturale l constituie umiditatea aerului. Valorile foarte mari ale umiditiiinflueneaz negatic confortul termic. In acest caz, folosirea sistemelor decondiionare a aerului deumidificare este inevitabil iar ventilaia naturaltrebuie evitat. O reducere substanial a consumului de energie asistemelor de condiionare a aerului existente poate fi realizat prinmeninerea adecvat a acestora ce implic alegerea optim a debitului deaer circulat i a agentului refrigerant.

Bibliografie

Jennings, B.H., 1978 The Thermal Environment: Conditioning andControl. Harper & Row, New York.

McQuiston, F.C., Parker, J.D., 1982 Heating, Ventilating and AirConditioning. John Wiley & Sons, New York.

Santamouris, M., Asimakopoulos, D., 1996 Passive Cooling of Buildings.James & James Science Publishers, London.


7

2. Confortul termic

Incintele nchise trebuie s asigure parametrii optimi ai condiiilortermice (temperatur, umiditate, micarea aerului), condiiilor vizuale(iluminare corespunztoare, mediu plcut), condiiilor acustice (nivelsczut al zgomotului) i de calitate a aerului (aer proaspt, control almirosurilor i poluanilor). Obiectivul major este de a asigura condiiilemenionate astfel nct ocupanii incintei s fie n total confort (termic,vizual, acustic) ntr-un mediu sntos.

Confortul termic uman este definit ca totalitatea condiiilor pentrucare o persoan nu ar prefera un mediu diferit (Santamouris iAsimakopoulos, 1996). Este un concept complex deoarece depinde de oserie de parametrii fizici, organici i externi.

2.1. Parametrii confortului termic

Parametrii care influeneaz confortul termic pot fi grupai n treicategorii (Markus i Morris, 1980):

1. Parametrii fizici care includ: temperatura aerului temperatura medie radiant a pereilor incintei umiditatea relativ a aerului viteza relativ a aerului n interiorul incintei presiunea atmosferic intensitatea luminii nivelul zgomotului

2. Parametrii organici care includ: vrsta sexul caracteristicile naionale ale ocupanilor

3. Parametrii externi care includ: nivelul activitii umane tipul mbrcmintei condiiile sociale

Dintre acetia, cea mai mare influen asupra confortului termic oau:

temperatura aerului umiditatea relativ viteza aerului presiunea barometric


8

mbrcmintea activitatea lucrativ

Confortul termic poate fi atins prin diferite combinaii ale acestorparametrii. Efectul pozitiv sau negativ al unui parametru poate fimbuntit sau contrabalansat de un alt parametru. Este ns de preferat caatingerea confortului termic s se fac cu consum minim de energie.Imbrcmintea este parametrul cel mai uor de modificat pentrumeninerea confortului termic. Micarea aerului n jurul corpului poate, deasemenea, influena confortul pentru c determin schimbul convectiv decldur al corpului i influeneaz capacitatea de evaporare a apei n aer.Vitezele mari de micare a aerului determin creterea vitezei de evaporarea transpiraiei - consecutiv, apariia senzaiei de rece - i, n plus, reduceefectul negativ al umiditii ridicate.

O privire de ansamblu asupra modalitilor prin care se poate atingeconfortul termic uman este dat de echilibrul termic al corpului uman carereprezint bilanul ntre cldura produs ca rezultat al metabolismului icldura pierdut prin convecie, conducie, radiaie i evaporare. Ecuaia debilan termic poate fi exprimat sub forma (Fanger, 1970):

crLevapdifM QQQQQQ += (2.1)

n care:QM: cldura produs prin metabolismQdif: cldura pierdut prin difuzia vaporilor de ap prin pieleQevap: cldura pierdut prin evaporarea transpiraieiQL: cldura latent de evaporare a transpiraieiQr: pierderea radiativ de cldur de la suprafaa exterioar ambrcminteiQc: cldura cedat mediului ambiant prin transfer convectiv

de unde rezult c evaporarea transpiraiei este mecanismul principal deajustare termic a corpului uman.

2.2. Estimarea confortului termic

2.2.1. Modelul FangerCel mai folosit model de estimare cantitativ a confortului termic a

fost sugerat de Fanger (1970). Ecuaia propus de Fanger se poate scriesub forma:


9

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )[ ]( )aSIci

mrSIii

SICUa

CU

M

vCU

M

CU

tvCU

CU

M

ttcf

ttfIttt

AQ

pAQ

AQpt

AQ

+

++=

=

448

53

2732731096,3155,0

340014,0

58001072,1)3370256(106,21

(2.2)unde:

QM: cldura generat prin metabolism (kcal/h)ACU: suprafaa total a corpului uman (valorile medii pentru adulisunt cuprinse ntre 1,65 i 2 m2)QM /ACU: viteza metabolismului (vezi tabelul 2.1): randamentul activitii umane (vezi tabelul 2.2)tCU: temperatura corpului uman (oC)pv: presiunea vaporilor de ap (mm Hg)Qt: cldura disipat prin transpiraie (kcal/h)ta: temperatura mediului ambiant (oC)tSI: temperatura la suprafaa mbrcmintei (oC)Ii: insulaia mbrcmintei (indic, n general, capacitatea de areduce transferul de cldur) (vezi tabelul 2.2)fi: factorul mbrcmintei (indic creterea relativ de cldur acorpului n raport cu corpul nembrcat) (vezi tabelul 2.2)tmr: temperatura radiant medie (oC)cc: coeficientul transferului convectiv de cldur (Wm-2 oC) (vezitabelul 2.2)

Tabelul 2.1Activitate Viteza

metabolismului(kcal/h/m2)

Randamentulactivitii

cc (Wm-2 oC) Viteza relativa aerului (m/s)

Somn 35 0 0 0Inactiv 60 0 3,1 0

Activitate uoar 100 0,1 6,0 0,2Activitate grea 200 0,1 7,7 0,5

Tabelul 2.2Tipul

mbrcminteiIi (m2 oC/W) fi

ort 0,01 1,0Uoar de var 0,05 1,1

Costum 0,1 1,15Grea de iarn 0,3 1,3


10

Atunci cnd ecuaia de echilibru termic Fanger este satisfcut,cldura generat de corpul uman este astfel disipat nct nu exist ocretere sau o scdere a temperaturii corpului.

Un parametru recent folosit pentru estimarea confortului termic esteindicele PMV (Predicted Mean Vote) definit n ISO-7730. Asociat acestuiparametru este indicele PPD (Predicted Percent of Dissatisfaction) careindic procentul din ocupanii unei incinte aflai n disconfort termic.Indicele PMV este descris de ecuaia:

( )

( )

( ) ( ) ( )( ) ( )[ ] ( )]aSIcimrSIi

aCU

Mv

CU

M

CU

M

vCU

M

CU

M

CU

M

ttcfttf

tAQp

AQ

AQ

pAQ

AQ

AQPMV

++

+=

448 273273104,3

340014,0440023,050142,0

1061,04335,0

1032,0042,0exp352,0

(2.3)

cu:

( )[ ( ) ( )[ ] ( )]aSIcimrSIii

CU

MSI

ttcfttfI

AQt

+++

=

448 273273104,3181,0

1032,07,35 (2.4)

n care semnificaia termenilor este identic cu cea din relaia (2.2).Valorile indicelui PMV sunt cuprinse ntre -3 i 3. Valorile negative indicdisconfort datorat senzaiei de frig, n timp ce valorile pozitive indicdisconfort datorat senzaiei de prea cald. Valoarea zero reprezint starea deconfort termic pentru ocupanii incintei.

Indicele PPD este descris de ecuaia:

( )[ ]24 1297,003353,0exp95100 PMVPMVPPD += (2.5)


11

O valoare de 10% a indicelui PPD corespunde unui interval de valori PMVcuprins ntre -0,5 i +0,5. Chiar i pentru PMV = 0, aproximativ 5% dinocupanii incintei sunt n disconfort.

Este foarte dificil de a obine confortul termic pentru toi ocupaniiunei incinte atta timp ct acetia au diferite niveluri de activitate, vitezeale metabolismului sau diferite influene fiziologice. Obiectivul este, ns,de a crea confortul termic pentru majoritatea ocupanilor unui spaiu. Inconsecin, valori cuprinse n intervalul -0,5 < PMV < 0,5 i valori PPD 25oC iar valoarea temperaturiiaerului este egal cu temperatura medie radiant.

2.4. Msurarea confortului termic

Principalele instrumente folosite pentru msurarea parametrilor careinflueneaz confortul termic sunt descrise n aceast seciune.

Temperatura aerului poate fi msurat folosind diferite tipuri determometre. Plasate n interiorul unei incinte, senzoriinregistreaz o valoare a temperaturii cuprins ntre temperaturaaerului i temperatura medie radiant. Pentru a reduce eroareaintrodus prin radiaie senzorului termometrului trebuie s fie ctmai mic posibil. Avantajul suplimentar al senzorului mic estevaloarea sczut a constantei de timp a termometrului.

Viteza aerului n interiorul incintelor neventilate forat este, deobicei, sczut cu valori cuprinse ntre 0 i 0,5 m/s. Din cauzafluctuaiilor de vitez ale aerului, msurtorile ntr-un anumitpunct trebuie realizate pe o perioad de 3 sau 5 minute pentru aobine o valoare medie rezonabil. Cel mai folosit instrument esteanemometrul termic.

Temperatura medie radiant poate fi msurat cu un termometruVernon. Instrumentul const dintr-o sfer cu diametrul de 152mm acoperit cu un strat de vopsea neagr i avnd n centru untermometru sau un termocuplu sferic. Temperatura globului laechilibru este dat de bilanul ntre cantitatea de cldur ctigatsau pierdut prin radiaie i convecie.

Umiditatea aerului poate fi msurat ntr-un singur loc dininteriorul incintei pentru c presiunea vaporilor de ap poate ficonsiderat uniform n toat incinta. Aparatul folosit pentrumsurarea umiditii este psihrometrul.

Cnd toi aceti parametrii sunt msurai, se poate determina efectullor combinat asupra ocupanilor unei incinte folosind indicii de confortprezentai anterior.


18

Bibliografie

Fanger, P.O., 1970 Thermal Comfort-Analysis and Applications inEnvironmental Engineering. McGraw Hill, New York.

Fanger, P.O., 1988 Introduction of the olf and the decipol units to quantifyair pollution perceived by humans indoors and outdoors. Energy andBuildings 12, 1-6.

Givoni, B., 1963 Estimation of the effect of climate on man: develpomentof a new thermal index. Research Report to Unesco, BuildingResearch Station, Technion, Haifa, Israel.

Givoni, B., 1976 Man, Climate and Architecture. Applied SciencePublishers, London.

Humphreys, M.A., 1981 The dependence of comfortable temperaturesupon indoor and outdoor climates. In Bioengineering, ThermalPhysiology and Comfort (Eds: K. Cena, S.A. Clark). Elsevier,Amsterdam.

Markus, T.A., Morris, E.N., 1980 Buildings, Climate and Energy. Pitman,London.

McQuiston, F.C., Parker, J.D., 1982 Heating, Ventilating and AirConditioning. John Wiley & Sons, New York.

Santamouris, M., Asimakopoulos, D., 1996 Passive Cooling of Buildings.James & James Science Publishers, London.

E.A. Brujan Ventilaia i condiionarea aerului

19

3. Ventilaia natural

Ventilaia incintelor nchise, att cea natural ct i cea mecanic,induce un control asupra calitii aerului n scopul asigurrii confortuluitermic. Dup cum a fost discutat n capitolul precedent, confortul termicdepinde de temperatura aerului din interiorul incintei, de umiditatea relativ aaerului i viteza aerului n incint. Micarea aerului n incint poate aadar sasigure viteze suficiente ale aerului pentru ndeplinirea confortului termicchiar i atunci cnd condiiile de umiditate i temperatur din interiorulincintei nu sunt complet satisfcute. Mai mult, recircularea aerului prinventilaie reprezint o metod convenabil de ndeprtare a poluanilor dininteriorul incintei.

Atunci cnd condiiile exterioare o permit, ventilaia natural sedovedete a fi o metod cu un consum redus de energie pentru asigurareaconfortului termic i meninerea unui mediu sntos n interiorul unei incinte.Ventilaia natural este asigurat prin introducerea de aer din exteriorulincintei printr-o serie de deschideri din anvelopa incintei (ui, ferestre) iprintr-o folosire adecvat a acestor deschideri. Aerul este introdus saundeprtat din incint ca rezultat al diferenei de presiune n lunguldeschiderii, diferen de presiune care este datorat aciunii combinate avntului i a gradienilor de temperatur. Ventilaia natural poate fi folositnu numai pentru a asigura ocupanilor incintei aer proaspt, necesar pentru amenine un nivel acceptabil al calitii aerului, dar i pentru scdereatemperaturii n interiorul spaiului atunci cnd condiiile climaterice permitacest lucru.

3.1. Caracteristicile micrii aerului n jurul incintelor

Proiectarea incintelor ventilate natural necesit o bun nelegere aspectrului curgerii aerului n jurul acestora. Scopul principal este de a asiguraventilaia unui spaiu ct mai mare din interiorul incintei.

Figura 3.1 ilustreaz spectrul curgerii aerului, indus de aciuneavntului, n jurul unei incinte fr deschideri. In zona din amonte a incinteiapare o suprapresiune in timp ce n apropierea pereilor n lungul incintei sedezvolt dou zone de depresiune ca rezultat al curgerii accelerate a aerului.In spatele incintei se observ formarea a dou vrtejuri care produc o uoarsuciune a aerului n aceast zon.


20

FIGURA 3.1. Spectrul curgerii aerului n jurul unei incinte fr deschideri

Figura 3.2 ilustreaz un caz de ventilaie transversal produs de doudeschideri plasate pe faa amonte i aval a unei incinte. Ventilaia transversaleste considerabil mbuntit dac dou deschideri de arie total egal cu ceaa deschiderii de intrare n incint sunt practicate pe pereii laterali ai incintei(Figura 3.3).

FIGURA 3.2. Ventilaia transversal produs prin folosirea a dou deschideri realizate npereii amonte i aval ai unei incintei


21

FIGURA 3.3. Ventilaia transversal produs prin folosirea a dou deschideri realizate npereii laterali ai unei incintei

Spectrele de curgere prezentate anterior se pot modifica substanial nprezena incintelor nvecinate. In plus, mrimea zonei din avalul incinteidepinde de forma cldirii i de direcia vntului.

3.2. Micarea aerului prin deschiderile incintei

In ventilaia natural fora care genereaz micarea aerului este datoratdiferenei de presiune n lungul deschiderilor practicate n pereii incintei. Infuncie de dimensiunea deschiderii exist dou cazuri distincte:

deschideri mici (limea deschiderii mai mic de 10 mm) deschideri mari (limea deschiderii mai mare de 10 mm)In cazul deschiderilor mici, debitul de aer ce parcurge deschiderea, Q, este

dat de relaia:( )npkLQ = (3.1)

unde k este coeficientul de debit al deschiderii, L este lungimea deschideriiiar n este exponentul curgerii. Valoarea exponentului n depinde de regimulde curgere i variaz de la valoarea 0,5 n cazul curgerii turbulente lavaloarea 1,0 pentru curgerea laminar. In practic, valorile tipice utilizatesunt cuprinse ntre 0,6 i 0,7. Coeficientul de debit k este funcie de


22

geometria deschiderii. Valorile tipice utilizate n practic sunt cuprinse ntre0,5 i 0,6.

Debitul de aer care parcurge o deschidere mare se poate calcula curelaia:

( )/2 pAcQ d = (3.2)n care cd este coeficientul de debit al deschiderii, A este aria transversal adeschiderii iar este densitatea medie a aerului n direcia curgerii.Coeficientul de debit al deschiderii este, n acest caz, funcie de diferena detemperatura dintre cele dou fee ale deschiderii, viteza vntului i nlimeadeschiderii. Pentru deschideri cu limea apropiat de valoarea 10 mm,valoarea reprezentativ a coeficientului de debit este 0,65 n timp ce pentrudeschideri a cror lime este egal cu nalimea valoarea coeficientului dedebit este 1.

Gradientul de presiune n lungul deschiderii este rezultatul combinat adou mecanisme:

gradient de presiune indus de aciunea vntului. Suprapresiune estecreat pe peretele incintei supus aciunii vntului n timp ce odepresiune este generat pe pereii laterali i pe peretele opus aiincintei. Rezultatul este generarea unei depresiuni n interiorul incintei,suficient pentru a antrena introducerea de aer n interiorul incinteiprin deschiderile acesteia.

gradient de presiune indus de diferenele de temperatur din interiorulincintei. Micarea aerului este generat de diferena de temperaturdintre diferitele zone din interiorul incintei. Aerul mai cald dintr-oanumit zon a incintei este antrenat n micare vertical ascendentiar aerul din zonele cu temperatur mai sczut este antrenat n micaredescendent. Mecanismul este prezent n cldirilor nalte.

Presiunea exercitat de aciunea vntului n fat sau n spatele unei suprafeeeste dat de relaia:

2

2vcp pv

= (3.3)

unde cp este coeficientul de presiune iar v este viteza vntului. Viteza vntuluieste calculat n funcie de msurtorile efectuate la o nlime de 10 m fade nivelul solului sau de datele meteorologice. Valoarea vitezei vntului sedetermin adoptnd un anumit profil de viteze:


23

legea puterii (Awbi, 1991). Valoarea vitezei vntului la cota x, vx,este dat de relaia:

ax kxvv

=

10 (3.4)

n care coeficienii k i a depind de rugozitatea terenului unde este amplasatincinta. Valori tipice pentru cei doi coeficieni sunt date n tabelul 3.1.

logaritmic (Liddament, 1986).

=

m

mm

l

ll

m

l

m

l

zdz

zdz

vv

vv

,0

,0

*,

*,

ln

ln

(3.5)

unde:1,0

,0

,0

*,

*,

=

m

l

m

l

zz

vv

(3.6)

i vm este viteza vntului din datele meteorologice (m/s), v* viteza atmosferei(m/s), z0 rugozitatea terenului (m) iar d este lungimea terenului considerat(m). Valorile coeficienilor z0 i d sunt date n tabelul 3.1.

modelul LBL (Awbi, 1991).( )( ) mgmm

g

m

l

zz

vv

10/10/

= (3.7)

unde i g sunt constante care depind de caracteristicile terenului pe care esteamplasat incinta (tabelul 3.1).

Tabelul 3.1. Valorile coeficienilor care depind de caracteristicile terenului (h estenlimea incintei)

Teren K a z0 d gRural deschis 0,68 0,17 0,03 0 1 0,15

Rural 0,5 0,7h 0,85 0,2Urban 0,35 0,25 1,0 0,8h 0,67 0,25

Centrul oraului 0,21 0,33 2,0 0,8h 0,47 0,35


24

Hussein i Lee (1980) i Akins i Cermak (1976) au dezvoltat un modelparametric de calcul al coeficientului de presiune. Modelul const ntr-unnumr de relaii ntre coeficientul de presiune al unei incinte rectangulare iun numr de parametrii influeni grupai in trei categorii:

parametrii climatici, n care intr coeficientul profilului de vitez (a)i unghiul de incinden al vntului ().

parametrii ambientali, n care intr raportul ntre aria incintei i ariaterenului unde este amplasat incinta (ait) i nlimea relativ aincintei (iri). Inlimea relativ a incintei reprezint raportul ntrenlimea incintei i nlimea medie a cldirilor din vecintateaincintei.

parametrii incintei, n care intr raportul aspectului frontal alincintei (raf), raportul aspectului lateral (ral), poziionarea verticala incintei (pv) i poziionarea orizontal a incintei (po).

Profilele de referin ale coeficientului de presiune n funcie depoziionarea vertical a incintei sunt date de relaia:

nnrefp pvapvaapvc )(....)()( 1

210, +++= (3.8)

unde n = 3 pentru faada amonte a incintei i n = 5 pentru faada aval. Acesteprofile de referina sunt definite pentru urmtoarele valori ale parametrilor:

a = 0,22 = 0o (pentru faada amonte a incintei) = 180o (pentru faada aval a incintei)ait = 0iri = 1raf = 1ral = 1

Celelalte valori ale coeficientului ale coeficientului de presiune au fostnormalizate pentru oricare alt parametru la valoarea cp corespunztoare valoriide referin a acelui parametru. Valoarea cp normalizat pentru valorile n, m it a parametrilor i, j i d este:


25

)(,

)(,,,,

refdmjnip

tdmjnip

tdmjninormp c

cc = (3.9)

3.2.1. Efectul gradientului de temperaturO component suplimentar care controleaz micarea aerului n

interiorul unei incinte este diferena de temperatur ntre dou zone adiacente.Dac temperatura ntr-o anumit zon este mai mare dect cea a mediuluinconjurtor atunci aerul cald se ridic antrenat ntr-o micare ascendent ntimp ce aerul mai rece este antrenat ntr-o micare descendent.

Dac p0 este presiunea static la baza zonei atunci presiunea la o cot zeste dat de relaia:

gzpps = 0 (3.10)

n care p0 i ps sunt presiunile la baza incintei i, respectiv, la cota z iar estedensitatea aerului la temperatura din interiorul incintei.

In ipoteza c aerul se comport ca un gaz ideal, densitatea poate ficalculat cu relaia:

TT0

0 = (3.11)

cu T0 = 273,15 K i 0 = 1,29 kg/m3.Diferena de presiune la cota z ntre dou zone izoterme ale unei incinte

care sunt conectate printr-o deschidere (u sau fereastr) este dat de relaia:

( )gzppps 210,20,1 += (3.12)unde p1,0 i p2,0 sunt presiunile la baza fiecarei zone a incintei iar 1 i 2 suntdensittile aerului n zonele 1 i 2.

Un model mult mai complex a fost propus de Lane-Serff .a. (1987)pentru a reprezenta curgerea aerului prin deschiderile mari. Acest model ineseama de stratificarea temperaturii i efectele turbulenei presupunnd:

curgerea permanent i incompresibil a unui fluid ideal stratificarea liniar a densitii pe ambele pri ale deschiderii


26

Considernd o stratificare liniar a densitii sub forma:zbz iii += 0)( (3.13)

i o variaia liniar a diferenei de presiune pentru a simula efectul turbuleneizbpp tii += 0 (3.14)

se obine n cazul unei curgeri gravitaionale:

zbpzbzzbzgppp tts ++

+

+= 0

22

02

21

010,20,1 22 (3.15)

n timp ce viteza aerului la cota z va fi:

[ ]

)()(2)( 21 zpzpzv = . (3.16)

3.2.2. Aciunea combinat a vntului i a diferenei de temperaturPentru calculul diferenei totale de presiune n lungul deschiderii,

termenii de presiune dinamic trebuie adugai celor indui de gradientul detemperatur. Rezult:

( )gzvcvcppp pp 212222

2111

0,20,1 22

++= (3.17)

unde v1 i v2 sunt vitezele aerului la cele dou fee ale deschiderii.

3.2.3. Planul neutruCurgerea aerului prin deschiderile mari este bidirecional. In cazul

general, aerul rece intr n incint prin partea inferioar a deschiderii iar aerulmai cald iese din incint prin partea superioar a deschiderii. Figura 3.4prezint schematic profilul vertical de vitez peste o deschidere.

FIGURA 3.4. Curgerea bidimensional a aerului printr-o deschidere cu ilustrarea planuluineutru

Planul neutru

Hn

p , T1 1 p , T2 2


27

Viteza aerului devine nul la o nlime Hn msurat de la baza incintei. Laaceast cot, numit planul neutru, diferena de presiune peste deschidere estezero.

Poziia planului neutru poate fi determinat din ecuaia (3.17) pentruP = 0. Pentru o deschidere situat ntre dou tone pentru care T1 T2, poziiaplanului neutru este dat de relaia:

12

222

2

211

10,20,1 22

+=

vcvcppH

pp

n (3.18)

Figura 3.5 prezint cazul unei curgeri gravitaionale. Localizarea celor douplanuri neutre poate fi determinat folosind ecuaia (3.17) pentru P = 0.

FIGURA 3.5. Un model al curgerii gravitaionale printr-o deschidere mare

3.3. Metode de calcul pentru estimarea debitului de aer vehiculat nventilaia natural

Trei metode simplificate, bazate pe date empirice, sunt descrise n acestparagraf pentru estimarea debitului de aer ventilat n incintele nchise n cazulventilaiei naturale. Prima metod prezentat este metoda standarduluibritanic (British Standard 5925, 1980), urmat de metoda NORMA(Santamouris, 1993) care constituie un model teoretic simplificat al curgeriiaerului prin deschiderile unei incinte. Ultima metod prezentat este metodaPHAFF (Santamouris i Asimakopoulos, 1996).


28

3.3.1. Metoda standardului britanicStandardul britanic propune urmtoarele formule pentru calcularea

debitului de aer vehiculat prin deschiderile incintelor n cazul ventilaieinaturale. Sunt prezentate formule de calcul att pentru ventilaia pe o singurfa a incintei (Tabelul 3.2) ct i pentru ventilaia transversal (Tabelul 3.3).

Tabelul 3.2. Formule de calcul pentru debitul de aer vehiculat n cazul ventilaiei pe osingur fa a incintei

Q este debitul de aer vehiculat prin deschiderea incintei, v este viteza vntului, A este ariadeschiderii, TE este temperatura n exteriorul incintei.

3.3.2. Metoda NORMAModelul NORMA furnizeaz metode de calcul a debitului de aer

vehiculat n cazul ventilaiei pe o singur fa a incintei sau n cazul ventilaieitransversale. In ventilaia pe o singur fa a incintei micarea aerului datoratdiferenei de temperatur este dominant. In ventilaia transversal, micarea

H

TE

A1

A2

T+TE

H

A

v

Ventilaie datorat aciunii vntului:

AvQ 025.0=

Ventilaie datorat diferenei detemperatur cu dou deschideri:

( )( )2/1

2/1211

2

++

=

Ed T

TgHAcQ

2121 , / AAAAA +==

Ventilaie datorat diferenei detemperatur cu o deschidere:

2/1

3

=

Ed T

TgHAcQ


29

aerului depinde de diferena de presiune peste deschiderile incintei i, aadar,dificultatea principal n estimarea debitului de aer ventilat este cauzat deincertitudinea asupra estimrii corecte a valorilor coeficientului de presiune adeschiderilor.

A. Ventilaia pe o singur fa a incinteiSe disting dou cazuri:

ventilaie pe o singur fa a incintei cu deschideri la aceeai nlime ventilaie pe o singur fa a incintei cu deschideri la nlimi diferite

Tabelul 3.3. Formule de calcul pentru debitul de aer vehiculat n cazul ventilaieitransversale.

Q este debitul de aer vehiculat prin deschiderea incintei, v este viteza vntului, A estearia deschiderii, TE este temperatura n exteriorul incintei, Ti este temperatura n interiorulincintei, cp este coeficientul de presiune amonte (indicele 1) i aval (indicele 2) de incint.

TE

A1

A2

TI

H

v

A1

A2 A4

A3

Cp1 Cp2

A3

A4

Cp1 Cp2

TETI

v

Ventilaie datorat numai aciuniivntului:

pvdv cvAcQ =

( ) ( )2432212111

AAAAAv ++

+=

Ventilaie datorat numai diferenei detemperatur:

( )THgTAcQ tdt /2=

( ) ( )2422312111

AAAAAt ++

+=

( )iE TTT += 5,0Ventilaie datorat aciunii vntului idiferenei de temperatur:

( )( )[ ] 5,0//26,0/ pt. ptvt cHAATvQQ =

Ei TTT =


30

In ambele cazuri, curgerea aerului este datorat diferenei de temperaturntre interiorul i exteriorul incintei.

Ventilaia datorat diferenei de temperatur cu deschideri la aceeainlime. Diferena de temperatur ntre interiorul i exteriorul incintei induceo diferena de presiune care genereaz micarea aerului prin deschidereaincintei. Cnd temperatura n interiorul incintei este mai mare dect cea dinexterior, aerului rece ptrunde prin partea inferioar a deschiderii n timp ceaerul mai cald iese din incint pe la partea superioar a deschiderii. Direciacurgerii este inversat cnd temperatura n exteriorul incintei este mai maredect cea din interior. Parametrii principali care influeneaz curgerea aeruluisunt:

aria deschiderii A diferena de temperatur ntre interiorul i exteriorul incintei T nlimea deschiderii h

Relaia propus pentru determinarea debitului de aer vehiculat n acest cazeste:

mTTwhQ /7905,1 = (3.19)

n care w este limea deschiderii, iar Tm este media ntre temperatura dinexteriorul i interiorul incintei. In aceast relaie dimensiunile deschiderii suntn metri, temperaturile n grade Celsius i se obine debitul n m3/h.

Se prezint n continuare dou exemple de calcul a debitului de aervehiculat n ventilaia natural pe o singur fa a incintei.

Exemplul 3.1: S se calculeze debitul de aer vehiculat printr-o deschidere cunlimea h = 1,2 m, limea w = 1,4 m pentru ventilarea unei incinte cuvolumul V = 50 m3. Temperatura n exteriorul incintei este Text = 29,4 oC iartemperatura dorit n interiorul incintei este Tint = 27 oC.Temperatura medie ntre interiorul i exteriorul incintei este

CTTT oextm 2,282int

=

+= .


31

Diferena de temperatur ntre interiorul i exteriorul incintei este

CTTT oext 4,2int == .

Rezult debitul de aer vehiculat prin deschidere:

Q = 424 m3/h,

iar viteza de schimbare a aerului n incint n intervalul de timp de timp de 1or este:

48,8/ == VQVSA .

Exemplul 3.2: S se calculeze debitul de aer ce trebuie vehiculat pentruventilarea unei incinte cu volumul V = 65 m3 folosind trei deschideri cuurmtoarele caracteristici:

Deschiderea 1: nlime: 0,8 m; lime: 1m,Deschiderea 2: nlime: 1,2 m; lime: 0,8m,Deschiderea 3: nlime: 1,3 m; lime: 1,2m.

Temperatura n exteriorul incintei este 29,4 oC iar temperatura dorit ninteriorul incintei este 28 oC. Rezulatatele se prezint n tabelul alturat.

Mrimea Deschiderea1

Deschiderea2

Deschiderea3

Total

Temperatura medie ntreinteriorul i exteriorul incintei

Tm = (Text + Tint) / 2 (oC)

28,7

Diferena de temperatur ntreinteriorul i exteriorul incintei

T = |Tint - Text| (oC)1,4

Debitul de aer vehiculat prinfiecare deschidere (m3/h)

124,3 182,1 308,6

Debitul total de aer vehiculatQtot = Q1 + Q2 + Q3 (m3/h)

615

Viteza de schimbare a aerului ntimp de 1 or

VSA = Qtot / V

9,46


32

Ventilaia datorat diferenei de temperatur cu deschideri la nlimidiferite. Diferena de temperatur ntre interiorul i exteriorul unei incintecreaz o diferen de densitate care produce o diferen de presiune igenereaz micarea aerului prin deschiderile incintei. Dup cum a fostmenionat anterior, atunci cnd temperatura n interiorul incintei este maimare dect cea n exterior, aerul rece ptrunde n incint prin deschiderileaflate la partea inferioar iar aerul mai cald iese din incint prin deschiderileaflate la partea superioar a incintei. O schimbare a direciei curgerii seobserv atunci cnd temperatura exterioar incintei este mai mare dect ceadin interior.

Cea mai mare influen asupra procesului de ventilaie n acest caz oau:

diferena de temperatur ntre interiorul i exteriorul incintei T distana pe vertical ntre cele dou deschideri ale incintei H aria celor dou deschideri A1 i A2

Relaia care descrie debitul de aer ventilat este:

( ) HTTAAKQ m/1590 21 += (3.20)n care K este un coeficient de corecie funcie de raportul ariilor celor doudeschideri (0,65 < K < 0,71). Valorile Q se obin n m3/h dac lungimile suntintroduse n metri iar temperaturile n oC.

Un exemplu de calcul pentru acest caz este prezentat n continuare.

Exemplu 3.3: S se calculeze debitul de aer ventilat prin deschiderile uneiincinte cu volumul V = 90 m3. Aria deschiderii aflate la partea inferioar aincintei este A1 = 5 m2 iar cea a deschiderii aflate la partea superioar aincintei este A2 = 7 m2. Diferena de cot ntre cele dou deschideri este H =2,5 m. Temperatura n exteriorul incintei este Text = 29 oC n timp cetemperatura dorit n interiorul incintei este Tint = 26 oC. Coeficientul decorecie are valoarea K = 0,7.Temperatura medie ntre interiorul i exteriorul incintei este

CTTT oextm 5,272int=

+= .


33

Diferena de temperatur ntre interiorul i exteriorul incintei este

CTTT oext 3int == .

Rezult debitul de aer vehiculat prin deschidere:Q = 6934 m3/h,

iar viteza de schimbare a aerului n incint n intervalul de timp de timp de 1or este:

3,77/ == VQVSA .

B. Ventilaia transversalIn ventilaia transversal micarea aerului depinde direct de diferena de

presiune peste deschideri incintei. Parametrii cei mai importani careinflueneaz micarea aerului sunt:

aria deschiderilor incintei viteza i direcia vntului diferena de temperatur ntre interiorul i exteriorul incintei poziia relativ a deschiderilor

Micarea aerului este datorat aciunii vntului. Relaiile care exprimdebitul de aer ventilat, Qv (m3/h), sunt:

pentru 0 < (aria deschiderilor de intrare a aerului n incint / ariadeschiderilor de ieire a aerului din incint) 1

pv cvBQ = 02,11620 (3.21)

pentru 1 < (aria deschiderilor de intrare a aerului n incint / ariadeschiderilor de ieire a aerului din incint) 2

pv cvBQ = 07,11512 (3.22)

unde:


34

22

21/1 AAB += , (3.23)

v este viteza vntului (m/s), cp diferenta ntre valorile coeficienilor depresiune pe faa amonte i aval a incintei, A1 aria deschiderii de pe faaamonte a incintei i A2 aria deschiderii de pe faa aval a incintei (m2).

Micarea aerului este datorat gradienilor de temperatur. Pentru calcululdebitului de aer ventilat, Qt (m3/h), se folosete relaia:

( ) HTTAAKQ mt /1590 21 += (3.24)n care semnificaia mrimilor este identic cu cea din relaia ().

Micarea total a aerului. Debitul total de aer ventilat este dat de relaia:

22tvTOT QQQ += . (3.25)

Un exemplu de calcul pentru acest caz este prezentat n continuare.

Exemplu 3.4: Se consider o incint caracterizat supus ventilrii nurmtoarele condiii: viteza vntului v = 2,2 m/s, temperatura dorit ninteriorul incintei Tint = 27 oC, temperatura n exteriorul incintei Text = 32 oC,coeficientul de presiune pe faa amonte a incintei cp1 = 0,7, coeficientul depresiune pe faa amonte a incintei cp2 = -0,5, volumul incintei V = 500 m3, ariadeschiderii pe faa amonte a incintei A1 = 6 m2, aria deschiderii pe faa aval aincintei A2 = 4 m2, diferena de cot ntre deschideri H = 5 m. Valoareacoeficientului de corecie este K = 0,7. S se calculeze debitul total de aerventilat.

Debitul de aer ventilat datorat aciunii vntului, pentru 0 < A1 / A2 1, este:

h/m 301661620 302,1 == pv cvBQ .

Debitul de aer ventilat datorat gradientului de presiune ntre interiorul iexteriorul incintei este:


35

( ) h/m 10271/1590 321 =+= HTTAAKQ mt .Rezult, debitul total de aer ventilat:

h/m 31843 322 =+= tvTOT QQQ ,

n timp ce viteza de schimbare a aerului n incint n intervalul de timp detimp de 1 or este:

7,63/ == VQVSA TOT .

3.3.3. Metoda PHAFFConform acestei metode, debitul de aer ventilat printr-o deschidere

depinde de diferena de temperatur ntre interiorul i exteriorul incintei,viteza vntului i de fluctuaiile presiunii datorate turbulenei. Relaia careexprim debitul de aer ventilat are forma:

322

121 CTHCUCAQ met ++= (3.26)

n care Umet este viteza vntului obinut din date meteorologice, H estenlimea deschiderii iar A este aria deschiderii. Comparaia cu dateleexperimentale disponibile a artat c valorile optime ale constantelor sunt C1= 0,001, C2 = 0,0035 i C3 = 0,01.

3.4. Convecia natural a cldurii i transferul de mas prin deschideriledin interiorul unei incintei

Cnd suprafaa deschiderii din interiorul unei incinte este mult maimic dect aria seciunii transversale a zonei din avalul deschiderii, transferulde cldur i mas ntre zonele adiacente deschiderii este, aproape nntregime, generat prin convecie natural.

Exist dou mecanisme majore responsabile pentru micarea aeruluiindus prin convecie natural ntre dou zone ale unei incinte:


36

curgerea gravitaional, generat de diferena de temperatur ntrezonele calde i cele reci

curgerea indus de pompajul stratului limit, care apare n vecintateasuprafeelor nclzite i rcite

Scopul acestui paragraf este de a parcurge cele mai importante rezultateasupra curgerii aerului prin deschiderile aflate n interiorul unei incinte i depreciza limitele de valabilitate ale acestor rezultate.

3.4.1. Curgerea gravitaionalA. Modelul unidimensionalPlanul neutru situat la mijlocul deschiderii - zone izoterm. In ipotezaincompresibilitii fluidului i neglijnd efectul viscozitii viteza de curgere aaerului printr-o deschidere practicat ntre dou zone ale unei incinte este datde relaia:

( ) ( )[ ]

ypypcv d 21122

= (3.27)

unde cd este coeficientul debit al deschiderii iar p1,2 (y) sunt presiunile la cotay n zonele 1, respectiv 2, ale incintei (Figura 3.6).

FIGURA 3.6. Dou zone ale unei incinte care comunic printr-o deschidere de nlimenlime Ym.

Considernd

( ) ( )= y ii gdyypyp 001 (3.28)i

12

12

21

21

TTTT

+

=

+

(3.29)

Zona 1 Zona 2

Ym


37

n care poi este presiunea la cota 0 a zonei i iar i i Ti sunt valorile medii aledensitii i temperaturii zonei i. Prin nlocuirea ultimelor dou relaii nexpresia vitezei rezult:

TTgycv d

= 212 . (3.30)

Dac planul neutru este situat la cota Yx situat la mijlocul deschiderii atuncitransferul de mas prin deschidere poate fi determinat din ecuaia decontinuitate scris sub forma:

=

xY vdAm0 (3.31)

unde Yx = Ym / 2, A este aria deschiderii iar Ym este nlimea deschiderii. Prinintegrare se obine:

5,0

32

= xxd YT

TgwYcm (3.32)

unde w este limea deschiderii.Limitele acestui model sunt date de faptul c micarea aerului nu este

unidimensional, efectul viscozitii fluidului nu poate fi ignorat iar planulneutru poate s nu coincid cu mijlocul deschiderii.

Planul neutru nu este situat la mijlocul deschiderii - zone izoterme. Cnddistana ntre planul neutru i mijlocul deschiderii este Y (Y = Yx - Ym / 2),viteza de curgere a aerului prin deschidere este (Mahajan, 1987):

( ) 1pentru 25,0

11


38

cu Y = Yx / 2.

Prin integrarea relaiei (3.31) i folosind ultimele dou relaii se obine:

( )

( ) 5,05,0

22

5,05,0

11

232

232

YYTTgwc

YYTTgwcm

x

x

+

=

=

. (3.35)

Din ultima relaie rezult:

+

=

11

xYY (3.36)

unde

3/2

12

213/2

11

22

=

=

cTcT

cc

. (3.37)

Planul neutru nu este situat la mijlocul deschiderii - zone stratificate. Sepresupune c distribuia de temperatur n fiecare zon i este liniar i estedescris de relaia

( ) ybTyT iii += 0 (3.38)unde Toi este temperatura la cota 0 a zonei i, iar distribuia densitii nfiecare zon are forma

( ) ( )[ ] TTyTy ii /1 , 00 == . (3.39)In aceste condiii, viteza de curgere a aerului din zona 1 n zona 2 este (Hill,Kirkpatrick i Burns, 1986):


39

( ) ( ) ( ) ( )5,02

210201020112 222

++=

ybbyTTgppcyv d (3.40)

cu p0i presiunea la cota y = 0 n zona i.Cota la care este situat planul neutru, Yx, este cota la care viteza aerului

prin deschidere este nul. Cota la care se afl planul neutru se obine egalndultima relaie cu zero i rezolvnd aceast ecuaie pentru y = Yx:

5,0

21

02012

21

0201

21

0201 2)(

=

bbpp

gbbTT

bbTTYx . (3.41)

Prin integrarea ecuaiei (3.31) folosind expresia vitezei dat de (3.40) i cotade dispunere a planului neutru (3.41) ca una din limitele de integrare ddebitul masic de aer vehiculat prin deschidere.

B. Modelul bidimensionalIn acest caz, viteza aerului, V, este caracterizat prin dou componente u i v(Figura 3.7).

FIGURA 3.7. Componentele vitezei n curgerea bidimensional

Atunci:

cos , cos VvVu == (3.42)

Dac Y este distana ntre mijlocul deschiderii i planul neutru (Y = -Yx +Ym / 2), atunci componentele vitezei de intrare se obin sub forma:

Vv

u


40

( )2

, 1 , cos25,0

11m

xx

YYYY

YYYY

TTgcu =


41

3.4.2. Transferul cldurii prin convecie naturalCantitatea de cldur schimbat deasupra i sub planul neutru Zn poate

fi calculat cu relaia:

=nz

dpnz dyyTyuywccQ 0 00,0 )()()( (3.49)

Boardman, Kirkpatrick i Anderson (1989) au artat c pentru valori mici alegradientului de temperatur

( )ip bTcmQ 34,0+= (3.50)iar Brown i Solvason (1962) obin

ThATcmQ p == (3.51)

cu h nlimea deschiderii iar A aria deschiderii.Dac planul neutru este situat la jumtatea nlimii deschiderii se

definete numrul Nusselt

PrGrNu 5,0c= (3.52)

unde c = cd / 3 iar Gr este numrul Grashof i Pr este numrul Prandtl:

2

3Gr , /Pr

THgkcp == . (3.53)

O alt expresie pentru numrul Nusselt a fost propus de Brown .a.(1963) sub forma:

46,0GrPrNu c= (3.54)

unde coeficientul c are valorile 0,29 i 0,41 pentru Ym/H = 0,82 i, respectiv,1.

Cokroft (1979) propune relaia:


42

[ ]

=

t

badm

p

ccccY

kc 2/32/35,02

32Nu

(3.55)

cu

tm

rat

m

ra cY

HppcppcYHc =+

= )( , )(1 2121 (3.56)

( )1211 0 = TTRYgpc mt (3.57)

Hr este nlimea de referin la care p1 i p2 sunt msurate iar p0 estepresiunea atmosferic.

3.5. Ventilaia nocturn

Ventilaia natural realizat n timpul zilei asigur cantitatea de aerproaspt necesar pentru a menine n interiorul unei incinte un nivelacceptabil al confortului. Ventilaia natural poate, de asemenea, s asigurecondiiile necesare pentru rcirea unei incinte dac temperatur din exteriorulincintei este mai mic dect cea din interior. Acesta este cazul ventilaieinocturne.

Succesul ventilaiei nocturne depinde de diferena de temperatur ntreexteriorul i interiorul unei incinte. Cu ct temperatura n exteriorul incinteieste mai mic cu att este mai pronunat potenialul ventilaiei nocturne. Este,de asemenea, necesar s se obin o ct mai bun circulaie n interiorulincintei a aerului introdus din exterior. Cldura pierdut prin convecie dinmasa incintei crete substanial atunci cnd viteza relativ a aerului pestesuprafeele incintei are valori ridicate. Acest proces poate fi facilitat prinfolosirea ventilatoarelor de tavan, care mbuntesc micarea aerului ninteriorul incintei i, consecutiv, amplific transferul convectiv de cldurntre diferitele suprafee ale incintei i aerul ventilat.

3.5.1. Modelul ventilaiei nocturneSe consider o incint cu dou deschideri, cea de intrare a aerului

amplasat la partea inferioar a incintei iar cea de ieire la cota H. Dac ariile


43

celor dou deschideri sunt Ain i, respectiv, Ae i diferena de temperatur ntreinteriorul i exteriorul incintei este Tin - Te atunci viteza de ieire a aerului dinincint este (ASHRAE Handbook, 1985):

( )( )[ ]ine

eine AA

HT

TTgcv/1

21 +

= (3.58)

unde c1 este coeficientul de debit al deschiderii de ieire (o valoare tipic aacestui coeficient este 0,6) iar T este temperatura medie ntre cea din exteriori cea din interiorul incintei.

Se consider c exist un singur plan neutru situat ntre cele doudeschideri. Acest model implic c nlimea deschiderilor este mult mai micdect diferena de cot ntre ele (H) i c ariile deschiderilor (Ain i, respectiv,Ae) sunt n acelai ordin de mrime.

Debitul de aer ventilat este:

eevAV = (3.59)

iar, pentru un anumit debit, capacitatea de ndeprtare a cldurii din interiorulincintei (viteza de rcire) este

)( einp TTdvcF = (3.60)

Se consider n continuare c incinta este n echilibru termic nainte caprocesul de ventilaie s nceap iar pierderea radiativ de cldur prindeschiderile incintei este neglijabil. Dac Si este suprafaa interioar total aincintei, ecuaia de bilan termic se scrie:

)( inpicinin TTScFdtdTc += (3.61)

n care cin este capacitatea termic a volumului de aer ventilat, cc estecoeficientul transferului convectiv de cldur (valoarea tipic a acestuicoeficient este cc = 6 W m-2 K-1) iar Tp este temperatura pereilor incintei.


44

In absena ventilaiei, diferena ntre temperatura pereilor itemperatura n interiorul incintei este

ciinp cS

FTT = . (3.62)

Cnd procesul de ventilaie pornete, diferena ntre temperatura pereilor icea din interiorul incintei crete aproape exponenial la valoarea:

ciinp cSc

FtTT2

exp1

=

(3.63)

unde c2 este un coeficient care ine seama c numai o parte a peretelui incinteieste activ n procesul de transfer de cldur i este o constant de timp

ic

in

Scc

= , (3.64)

cu valoari tipice de cteva minute pentru incinte nemobilate. Pentru perioadede timp foarte mari termenul exp(-t / ) poate fi neglijat.

Variaia n timp a temperaturii peretelui incintei este dat de relaia:

tbS

FTtTtTi

ppp 2)0()()( == (3.65)

n care b este efuzivitatea termic a materialului peretelui, definit ca rdcinaptrat a produsului ntre conductivitatea termic c, densitatea i clduraspecific (van der Maas i Roulet, 1991).Bibliografie

Akins, R.E., Cermak, J.E., 1976 Wind pressure on buildings. CER76-77EA-JEC15, Fluid Dynamics and Diffusion Laboratory, Colorado StateUniversity.

ASHRAE Handbook, 1985 Fundamentals. ASHRAE, Atlanta.Awbi, H.B., 1991 Ventilation of Buildings. Chapman and Hall, London.


45

Boardman, C.R., Kirkpatrick, A., Anderson, R., 1989 Influence of apertureheight and width on interzonal natural convection in a full scale air filledenclosure. Journal of Solar Energy Engineering 111, 278-285.

British Standard 5925, 1980 Code of practice for design of buildings:ventilation principles and designing for natural ventilation. British stadardsInstitution, London.

Brown, W.G., Solvason, K.R., 1962 Natural convection through rectangularopenings in partitions. International Journal of Heat and Mass Transfer 8,859-868.

Brown, W.G., Wilson, A.G., Solvason, K.R., 1963 Heat and moisture flowthrough openings by convection. ASHRAE Journal 5, 49-54.

Cockroft, J.P., 1979 Heat transfer and air flow in buildings. PhD thesis,University of Glasgow, Scotland.

Hill, D., Kirkpatrick, A., Burns, P., 1986 Analysis and measurements ofinterzonal natural convection heat transfer in buildings. Journal of SolarEnergy Engineering 108, 178-184.

Hussein, M., B.E. Lee, 1980 An investigation of wind forces on threedimensional roughness elements in a simulated atmospheric boundarylayer, BS55, University of Sheffield, UK.

Lane-Serff, G.F., Linden, J.F., Simpson, J.E., 1987 Transient flow throughdoorways produced by temperature differences. Proceedings on RoomVentilation 87, 22-34.

Liddament, M.W., 1986 International Energy Agency Air InfiltrationCalculation Techniques - An Applications Guide. Air Infiltration andVentilation Centre (AIVC).

Mahajan, B.M., 1987 Measurement of air velocity components of naturalconvective interzonal airflow. Journal of Solar Energy Engineering 109,267-273.

Prahl, J., Emmons, H.W., 1975 Fire induced flow through an opening.Combustion and Flames 25, 369-385.

Santamouris, M., 1993 NORMA - A method to calculate the thermalperformance of passively cooled buildings, Cooling Load of Buildings,University College of Dublin, Ireland.

Stecker, K.D., Baum, H.R., Quintiere, J.A., 1984 Five induced flows throughroom openings - Flow coefficients. National Bureau of Standards InternalReport NBSIR-83-2801.

Van der Maas, K.J., Roulet, C.A., 1991 Nightime ventilation by stack effect.ASHRAE Technical Data Bulletin 7, 32-40.


46

4. Instalaii de ventilaie i de condiionare a aerului

Cu excepia cazurilor n care radiaia direct este folosit pentrumodificarea parametrilor de confort termic n interiorul unei incinte, celemai des folosite metode n acest scop se bazeaz pe distribuirea de aer nprealabil tratat n incint. In acest capitol se prezint schema de baz a uneiinstalaii de condiionare a aerului precum i elementele globale de calculale unei instalaii de acest tip.

4.1. Schema de baz a unei instalaii de condiionare a aerului

Figura 4.1 prezint organizarea de baz a elementelor specifice uneiinstalaii de condiionare a aerului (Jennings, 1978).

FIGURA 4.1. Schema de baz a unei instalaii de condiionare a aerului

Aerul din exteriorul incintei este aspirat de ventilator i parialprenclzit dac temperatura n exteriorul incintei este foarte sczut.Clapetele de reglaj porioneaz volumul de aer supus prenclzirii. Aerulaspirat din exterior este amestecat cu o parte din aerul provenit dininteriorul incintei. Volumul total de aer este apoi filtrat, umidificat ieventual rcit dac temperatura n exteriorul incintei este foarte mare.


47

Aerul este apoi renclzit i distribuit n interiorul incintei. Procesul serepet pn cnd condiiile n interiorul incintei sunt cele dorite. In acestmoment sistemul este oprit i repornit numai atunci cnd valoarea unuiparametru care descrie confortul termic n interiorul incintei scade subvaloarea impus.

Sursele poteniale de distrugere a confortului termic n interiorulunei incinte sunt:

transmisia cldurii prin barierele incintei (ui, ferestre, perei,tavan, podea) cauzat de diferena de temperatur pe cele doufee ale barierei

efectul nclzirii solare. In aceast categorie intr: cldura transmis prin radiaie prin geamul ferestrelor

incintei i absorbit de suprafeele i furniturile dininteriorul incintei

cldura absorbit de pereii i tavanul unei incinte expuseradiaiei solare

infiltraia aerului prin zonele neizolate perfect din anvelopaincintei care conduce la modificarea temepraturii i umiditii ninteriorul incintei

cldura provenit de la ocupanii incintei cldura provenit de la echipamentele i aparatele din interiorul

incintei

4.2. Construcia elementelor de admisie i distribuie a aerului

Cteva din elementele de baz folosite pentru admisia i distribuiaaerului sunt prezentate n Figura 4.2. Materialul cel mai des folosit pentruconstrucia conductelor sunt foile de oel galvanizat, dar i foi de oelcarbon, aluminu, oel inoxidabil i chiar cupru sunt folosite. Conductele culungime mare (peste 1 m) trebuie ranforsate pentru a evita apariiavibraiilor. Pe de alt parte, aluminiul are un coeficient mai mare deexpansiune termic i n consecin trebuie folosit n cazurile n care existvariaii mari de temperatur ale aerului vehiculat. De asemenea, trebuienotat c, de cele mai multe ori, sistemul de conducte folosit pentrudistribuia aerului nu este perfect etan. Se recomand n acest caz ocretere cu 10% a debitului de aer vehiculat de ventilator pentru acompensa pierderile de aer atunci cnd sistemul de distribuie esteamplasat n afara incintei. Pentru unele din echipamentele din construciasistemului de condiionare cum ar fi nclzitoarele sau filtrele modificrile


48

brute ale dimensiunii conductelor trebuie evitate. Acestea pot producezgomot i pierderi de sarcin suplimentare pe traseul hidraulic.

FIGURA 4.2. Construcia conductelor pentru admisia i distribuia aerului

4.3. Distribuia aerului

Aerul trebuie distribuit n incinta supus condiionrii n anumitezone la temperatura i viteza dorit fr ca ocupanii incintei s simt acestproces. Diferenele de temperatur ntre diferitele zone ale unei incintei nutrebuie s depeasc 2oC n timp ce valoarea maxim a vitezei aerului njurul ocupanilor incintei trebuie s nu depeasc 1 m/s.

Se definete lungimea de penetrare a curentului de aer n interiorulunei incinte ca distana de la seciunea de ieire din sistemul decondiionare pentru care caracteristicile hidrodinamice ale curentului deaer nu se modific. La o distana mai mare dect lungimea de penetrare


49

aerul este antrenat n micare ascendent sau descendent n funcie detemperatur. Cnd aerul distribuit n incint este mai cald dect cel dininteriorul incintei este antrenat ntr-omicare vertical ascendent. Aceastmicare antreneaz la rndul ei tot aerul din interiorul incintei iarmomentul original al curentului de aer introdus n incint este diminuatprin accelerarea ntregii cantiti de aer din incint. Acest proces, numitinducie, genereaz difuzia curentului de aer original n volumul incintei.Inducia aerului ntr-o incint crete la mrirea perimetrului seciuniitransversale a zonei de evacuare a aerului din sistemul de condiionare.

FIGURA 4.3. Localizarea surselor de distribuie a aerului n interiorul incinte

Cteva sisteme convenionale de distribuie a aerului n incinte suntprezentate n Figurile 4.3 - 4.5. Trebuie evitat distribuia direct a aeruluiasupra pereilor sau tavanului pentru a preveni formarea de zone murdareca urmare a depunerii microparticulelor din curentul de aer care nu au fostoprite de filtre. Sistemul de ejectare al aerului n interiorul incintei trebuieastfel poziionat nct traseul de evacuare al aerului din incint s fieamplasat n apropierea podelei sau n lungul pereilor. Distribuia aerului lapartea superioar a incintei este recomandat atunci cnd la suprafattavanului nu exist obstrucii. Figura 4.4. prezint cazul distribuiei aeruluin incintele cu tavan fr obstrucii n timp ce Figura 4.5 prezint un caz dedistribuie al aerului n interiorul unei incinte n care tavanul prezintdiferite obstrucii. Se observ c n ambele cazuri circulaia la parteainferioar a incintei este similar. Curentul de aer trebuie direcionat pe ctposibil nspre podea i nu n lungul podelei incintei.


50

FIGURA 4.4. Distribuia aerului n incintele cu tavan fr obstrucii

FIGURA 4.5. Distribuia aerului n incintele cu tavan cu obstrucii

4.3.1. Metode de distribuie a aeruluiExist n prezent mai multe metode de distribuie a aerului

condiionat n interiorul unei incinte (Ashrae, 1972):

difuzoare de aer. Sunt folosite pentru presiuni ale aeruluicondiionat cuprinse ntre 20 i 100 mm c. H2O i este cel maifolosit metod pentru ndeplinirea condiiilor de confort att petimp de var ct i pe timp de iarn.

distribuie folosind dou trasee pneumatice. In acest caz sefolosesc dou conducte de distribuie, una care asigur furnizareade aer rece iar cea de-a doua care furnizeaz aer cald n interiorulincintei. Debitele de aer rece i cald sunt ajustate folosind ventilepneumatice comandate de un termostat. In interiorul sistemului


51

exist un dispozitiv de amestecare a aerului rece cu cel caldamplasat ntr-o cutie realizat dintr-un material cu proprietiabsorbante ale zgomotelor.

uniti de distribuie liniar a aerului. Sunt folosite n cazulspaiilor mari supuse condiionrii. Aceste sisteme sunt amplasatedeasupra unor tavane false iar fiecare sistem este dotat cudispozitive de direcionare a aerului n interiorul spaiului.

perforri n tavan. In multe incinte se folosesc dispozitive careconstau din plci din metal perforate uniform pe ntreagasuprafa care sunt alimentate dintr-un camer de amestecamplasat deasupra plcilor. Intr-un montaj corespunztormicarea descendent a aerului n interiorul incintei este att delent nct nu este simit de ocupani. Este posibil distribuiaunei cantiti foarte mari de aer n interiorul incintei deoareceefectul de difuzie al curentului de aer induce o amestecare rapidcu aerului din incint.

sisteme de distribuie cu uniti de inducie a aerului. Cele maimulte sisteme de condiionare a aerului asigur nu numaidistribuia aerului dar i evacuarea unei pri a aerului dininteriorul unei incinte. Presiunile de lucru n acest caz suntcuprinse ntre 30 i 150 mm c. H2O. In cazul sistemelor centralede condiionare se prevd att conducte de alimentare ct iconducte de evacuare ale aerului, n general amplasate n tavanefalse sau n cutii verticale care strbat diferite cote ale incintei.

4.4. Calculul global al unui sistem de condiionare a aerului

Acest calcul urmrete determinarea cantitii de cldur n excesdin interiorul incintei i a volumului de aer care trebuie distribuit ninteriorul acesteia. Se stabilesc, de asemenea, ecuaia de bilan termic aschimbtoarelor de cldur i intensitatea procesului de umidificare aaerului vehiculat n sistemul de condiionare (Erokhin i Makhanko, 1979).

4.4.1. Cldura n exces din interiorul incinteiCldura provenit din funcionarea mainii se calculeaz cu relaia:

kNQm = (4.1)


52

n care N este puterea echipamentului electric iar k este un coeficient careine seama de puterea consumat de main (k =0,25 pentru N < 3kW i k= 0,1 - 0,15 pentru N > 3 kW).

Cldura cedat prin barierele incintei este:

( )=

=

n

iextibib ttAkQ

1int (4.2)

unde kbi este coeficientul de transfer de cldur prin cele n bariere aleincintei iar Ai este aria transversal a fiecrei bariere.

Cldura eliberat de ocupanii incintei se calculeaz cu relaia:

zqQo = (4.3)

n care z sunt numrul de persoane din incint iar q este cldura eliberatde fiecare persoan. Valorile lui q sunt cuprinse ntre 80 i 120 W nfuncie de activitatea ocupanilor incintei i umiditatea aerului dininteriorul incintei.

Cldura total n exces n interiorul incintei este:

sobm QQQQQ +++= (4.4)

unde Qs este cldura suplimentar care provine din procesele tehnologicecare implic cedare de cldur suprafeelor conductelor de admisie idistribuie a aerului.

Volumul de aer care trebuie distribuit n incint pentru a pstra oanumit temperatur este:

)( int spt ttc

QV

= (4.5)

n care cp este cldura specific a aerului (aproximativ egal cu 1kJ/(kgK))iar ts este temperatura aerului distribuit.

Volumul de aer necesar pentru a modifica umiditatea relativ aaerului n interiorul incintei este dat de relaia:

su dd

WV

=

int

1000 (4.6)


53

unde dint este umiditatea relativ a aerului n interiorul incintei [%], ds esteumiditatea relativ a aerului distribuit n incint [%] i W este cantitatea devapori de ap ndeprtai sau adugai aerului [kg/s]:

om WWW += (4.7)

cu Wm cantitatea de vapori de ap produi n echipamentul mecanic (5 -10%) iar Wo cantitatea de vapori de ap eliberai de ocupanii incintei (30 -95% n funcie de activitatea ocupanilor incintei).

Pentru incinte al cror volum este mai mic de 20 m3, 30 m3/h trebuieasigurai pentru fiecare persoan n timp ce pentru incinte cu volumulcuprins ntre 20 i 40 m3, 20 m3/h sunt necesari pentru fiecare persoan.Pentru incintele publice n care fumatul este interzis debitul de aer ventilattrebuie s fie de minim 25 m3/h iar pentru incintele ocupate de copiidebitul de aer ventilat trebuie s fie mai mare de 15 m3/h.

Exemplu: S se calculeze debitul i temperatura aerului proaspt furnizatn amestec cu aerul recirculat unei incinte cu suprafaa de 225 m2 pentru amenine o temperatur interioar tint = 25oC i o umiditate relativ int =60% cunoscnd parametrii din exteriorul incintei text = 35oC i ext = 40%.Numrul ocupanilor incintei este 40. Coeficientul de transfer de cldur alpereilor incintei este k = 1,16 W/(m2K). Cantitatea de cldur datoratradiaiei solare este aproximativ 30% din totalul cldurii furnizate incintei.Se cere s se determine cantitatea de umezeal care trebuie ndeprtat nprocesul de condiionare.Cantitatea de cldur furnizat incintei fr a considera radiaia solar este:

MJ/h 61,610040)2535(22516,1)( int =+=+= zqttkFQ extp

Considernd i cldura furnizat de radiaia solar, se obine:

MJ/h 45,970100

== QQ

Debitul de aer proaspt este

)( 'int spt ttc

QV

=


54

unde st este temperatura aerului nainte de a fi amestecat cu aerulrecirculat.Se adopt st = 14oC i rezult

kg/h 8601425

9450=

=tV

Cantitatea de umezeal generat de ocupanii incintei (n ipoteza c opersoan genereaz wp = 50 g/h) este

kg/h 2== pzwW

Folosind diagrama i-d (vezi Anexa), se determin coninutul de umezealdint = 12,3 g/kg pentru starea aerului din interiorul incintei. Pentru andeprta aceast cantitate, coninutul de umezeal al aerului comprimatfurnizat de sistemul de condiionare la temperatura st este

g/kg 98,986020003,12int ===

ts V

Wdd

Cnd aerul este rcit de la text = 35oC la st = 14oC, coninutul su deumezeal devine aproximativ egal cu cel luat n calcule.Cantitatea de umezeal care trebuie ndeprtat din aerul exterior n timpulrcirii n sistemul de condiionare este

kg/h 44,3)1014(860)( === sextet ddVW

4.4.2. Bilanul termic al schimbtorului de cldurEcuaia de bilan termic a schimbtoarului de cdur are form:

( ) ( )22221111 ttcmttcmQ pp == (4.8)n care m1 i m2 sunt debitele masice ale celor doi ageni (cald i rece) aischimbtorului , cp1 i cp2 sunt cldurile specifice la presiune constant aleagenilor i t1 i t2 sunt temperaturile celor doi ageni (cu prim s-a notatseciunea de intrare n schmbtor iar cu secund seciunea de ieire dinschimbtor). Din relaia (4.8) rezult c:


55

1

2

11

22

11

11

EE

cmcm

tttt

p

p==

(4.9)

Cldura transferat ntre cei doi ageni termici este:

tAkQ = (4.10)

cu A suprafaa comun ntre cei doi ageni, t cderea de temperatur peschimbtor iar k coeficientul de transfer de cldur.

Cderea de temperatur pe schimbtor se calculeaz cu relaia:

min

max

minmax

log3,2ttttt

= (4.11)

n care tmax i tmin este diferena maxim, respectiv, minim detemperatur a agenilor. Pentru curgerea n acelai sens a celor doi ageni:

21min21max , tttttt == (4.12)

iar pentru curgerea n contracurent a agenilor (dac E1 < E2):

21min21max , tttttt == (4.13)

Temperatura final a celor doi ageni este dat de relaia:

222

111 , E

QttEQtt == (4.14)

Debitul masic al agenilor termici, m1 i m2, se calculeaz cu relaia(4.8) dac nu exist o traziie de faz a agenilor. In cazul n care exist otranziie de faz a unuia din cei doi ageni atunci debitul agentului secalculeaz cu relaia:

( )ii

ttcmm p

=2222

1 (4.15)

unde i este entalpia agentului n seciunea de intrare i, respectiv, de ieiredin schimbtor.


56

4.4.3. Intensitatea procesului de umidificareIntensitatea procesului de evaporaie la suprafaa liber a unui lichid

este:

( )tumtus ttrJ =

(4.16)

cu coeficientul transferului convectiv de cldur, r cldura de evaporarea lichidului iar ttus i ttum sunt temperatura termometrului uscat i, respectiv,a termometrului umed.

Cantitatea de cldur necesar pentru evaporarea lichidului secalculeaz cu relaia:

maif tciilr = )( (4.17)

n care l este cantitatea de aer necesar pentru evaporarea uni kilogram deap, ca = 4,19 kJ/(kgK) este cldura specific a apei iar tm este temperaturaapei n procesul de umidificare. if i ii sunt entalpia aerului nainte i dupumidificare.

4.5. Funcionarea ventilatoarelor n reea

4.5.1. Funcionarea ventilatoarelor ntr-o reea simplExist mai multe metode de racordare a unui ventilator ntr-un

sistem de condiionare a aerului:

aerul este adus la ventilator printr-o conduct legat la racordulde aspiraie. Din ventilator, aerul iese direct n incinta supuscondiionrii. In acest caz, ventilatorul se numete de aspiraie.Presiunea la intrarea n ventilator este mai mic dect presiunean mediul de aspiraie.

ventilatorul aspir aerul din atmosfer. Din ventilator, aerul treceprintr-o conduct n incinta supus condiionrii. Presiunea laintrarea n racordul de aspiraie al ventilatorului este egal cupresiunea atmosferic. In acest caz, ventilatorul se numete derefulare.


57

Aerul este adus la ventilator printr-o conduct din atmosfer, iardin ventilator, printr-o conduct, trece n incint. Reeaua constdintr-o linie de aspiraie i dintr-o linie de refulare. Presiunea laintrarea n ventilator este mai joas dect cea atmosferic, iarpresiunea total la ieirea din ventilator este mai mare dect nincint.

Funcionarea ventilatorului ntr-o reea cu linie de aspiratie i linie derefulare. Pentru generalizare vom admite c presiunile n spaiile deaspiraie i de refulare nu sunt egale cu presiunea atmosferic.

Presiunea total la intrarea n ventilator este:

2

2a

aIcpp += . (4.18)

Presiunea total la ieirea din ventilator este:

2

2r

rIIcpp += , (4.19)

n care pa este presiunea absolut la intrarea n ventilator, pr este presiuneaabsolut la ieirea din ventilator, ca este viteza aerului la intrarea nventilator i cr este viteza aerului la ieirea din ventilator.

Creterea presiunii totale este:

2

22ar

arIIItccppppp +== . (4.20)

Creterea energiei poteniale (presiunii) n ventilator se determinprin diferena presiunilor absolute la intrarea i ieirea din ventilator:

ar ppp = . (4.21)

In anumite cazuri, cnd cr = ca, energia transmis curentului nventilator se transform n ntregime n presiune. Dac cr > ca, atunci o

parte din energia specific transmis curentului, 2

22ar cc , iese din

ventilator sub form de energie cinetic. Dac ns cr < ca, nu se transform


58

n presiune numai energia transis curentului n canalele rotorului, ci i o

parte din energia cinetic 2

2ac cu care curentul a intrat n ventilator.

Avnd n vedere c (vezi Figura 4.6):

( )aaaa hhpcp +=+ 02

2 (4.22)

( )22

22R

rrRr

rchhpcp +++=+ (4.23)

se obine presiunea total sub forma:

( )

( )

+++=+++

++=

+==

arR

rtstR

ar

arRar

art

hhcHchh

hhppccppHp

22

)(2

2

,

2

0

22

(4.24)

n care ha sunt pierderile pe linia de aspiraie a ventilatorului, hrpierderile pe linia de refulare, hr i ha sunt nlimile geodezice la aspiraiei refulare iar Hast,rt este presiunea static n reea.

Expresia cuprins n prima parantez reprezint diferena depresiune din spaiile de aspiraie i refulare. Expresia cuprins n cea de-adoua parantez reprezint presiunea egal cu distana pe vertical de laflana de aspiraie la cea de refulare, din care se scade h.

Expresia din a treia parantez reprezint pierderea n reea

( )arw hhh += . (4.25)


59

FIGURA 4.6. Schema unei reele simple

Avnd n vedere c vitezele sunt proporionale cu debitul, ecuaia(4.24) pentru H, se poate transcrie n forma urmtoare:

rtrtrtst HQHH =+=2

, (4.26)n care Hrt este presiunea total n reea iar rt = const.

Ecuaia (4.26) prezint relaia dintre presiune i debit n reea i esteecuaia caracteristic a reelei. In cazul cnd Hst,rt = 0, caracteristica reeleitrece prin originea coordonatelor

2QH rtrt = (4.27)Ecuaia (4.24) incorporez i nlimile geodezice de aspiraie i

refulare. Dac exist nlimi geodezice, acestea trebuie luate nconsiderare. S admitem c rageod hhh += = 5 m.c. de aer. Atunci, cu =1,2 kgf/m3, hgeod corespunde cu 6 mm c. de ap, ceea ce, la o presiunetotal a ventilatorului de H = 1000 mm c. de ap este egal cu 6%.

x

x

0

1

2

3

A, Po

R, PR

h

ha

hr


60

La construirea caracteristicii reelei se ine seama de toate pierderilehidraulice, printre care i pierderile n obturator n poziia complet deschis.Un ventilator cu o linie de aspiraie sau cu una de refulare reprezint uncaz special al cazului general examinat. Ecuaiile obinute pentru unventilator cu linie de aspiraie i de refulare sunt valabile i atunci cnd unadintre linii lipsete, dac n aceste ecuaii se nlocuiesc valorilecorespunztoare ale presiunilor i vitezelor.

La ieirea din ventilator, curentul duce energia cinetic specific

gcr2

2

. Instalnd imediat dup ventilator un difuzor cu un unghi de conicitate

mic, se poate transforma o parte din aceast energie specific n energie depresiune cu pierderi minime.

4.5.2. Funcionarea ventilatoarelor ntr-o reea complexReeaua examinat anterior nu are ramificaii i de aceea se numete

reea simpl. S examinm funcionarea unui ventilator ntr-o reeacomplex, care const din dou ramificaii (Figura 4.7).

FIGURA 4.7. Funcionarea unu ventilator ntr-o reea complex

Debitul n punctul M, care este comun pentru ambele ramificaii alereelei, este egal cu suma debitelor n ramificaii, adic

21 QQQ += . (4.28)

C B A

1

2

l

e kig k

1

H

Q

NM

L

E

12

Qc Qb Qa


61

In cazul general, presiunile la ieirea din ramificai sunt diferite. Inramificaii se stabilesc cderi inegale de presiune, dar n fiecare ramificaiese stabilete o cdere de temperatur, la care n punctul M se producepresiunea pM corespunztoare debitului total Q.

In timpul studierii funcionrii unui ventilator n reeaua complexsunt posibile dou cazuri:

Pierderile n poriunea de conduct EM care unete punctul M cuventilatorul , sunt mici i pot fi neglijate, din care cauz se poateconsidera c ventilatorul este racordat la reea n punctul M.

Pierderile n sectorul EM sunt importante i ele nu pot fineglijate.

Pierderile n poriunea de conduct EM sunt mici. Cderea de presiune nramificaii se scrie n felul urmtor:

n ramificaia ML:

2111 QH rt= (4.29)

n ramificaia MN:

2222 QH rt= (4.30)

Ecuaiile (4.29) i (4.30) reprezint caracteristicileramificaiilor(Figura 4.7). s construim o caracteristic total, adic locul geometric alregimurilor n punctul M.

Pentru construirea caracteristicii totale, trasm linia ek1, paralel cuaxa absciselor. Segmentul de dreapt ei, la scara diagramei, determindebitul n ramificaia 1 (ML), iar segmentul de dreapt eg - debitul nramificaia 2 (MN). Debitul n punctul M, la scara diagramei, este egal cuek = ei + eg. Punctul K este punctul caracteristicii totale. Analog se poateconstrui o serie de puncte ale caracteristicii totale Okl.

Caracteristica ventilatorului se taie cu caracteristica total n punctulA. Ventilatorul debitez QA de aer, din care QB se debiteaz n ramificaia1 iar QC n ramificaia 2.

Pierderile n poriunea de conduct EM sunt importante. In cazul acesta sepoate folosi construcia dat n Figura 4.8.


62

S presupunem c poriunea de conduct EM reprezint prelungirearacordului de refulare al ventilatorului. Atunci pierderile n poriunea EMtrebuie privite ca pierderi interioare n ventilator; presiunea la ieirea dinventilator se va micora corespunztor cu mrimea acestor pierderi. Seconstruiete curba OO1 de pierderi n poriunea EM i scdem ordonateleacestei curbe din ordonatele caracteristicii aKM1 a ventilatorului. CurbaaK1M1' obinut poe aceast cale reprezint caracteristica ventilatoruluiraportat la punctul M. Avnd caracteristica total a reelei i caracteristicaraportat a ventilatorului, se poate stabili funcionarea ventilatorului nreeaua complex.

FIGURA 4.8. Construire caracteristicii unui ventilator ntr-o reea complex

4.6. Reglarea dispozitivelor din componena unui sistem decondiionare a aerului

4.6.1. Reglarea ventilatoruluiSe prezint numai procedeul de reglare prin obturare al

ventilatorului realizat prin instalarea unei vane sau clapete.Cantitatea cea mai mare de aer o debiteaz n reea un ventilator cu

obturatorul complet deschis, iar reglarea este posibil numai n sendulmicorrii debitului. Pierderea de presiune n timpul trecerii aerului prinobturare este:

2Qh obob = (4.31)

unde Q este debitul prin obturator iar ob este coeficientul pierderii localede sarcin a obturatorului. Valoarea numeric a coeficientului ob estefuncie de gradul de deschidere al obturatorului i, prin urmare:

A1

A

k1

H

Q

K

A

A1

O

O1

M1

M1


63

),( Qfh obob = (4.32)

La o anumit deschidere a obturatorului, ob = ct. Pentru toaterandamentele. Mrimea pierderii se reprezint grafic printr-o parabolptrat, care trece prin originea coordonatelor. Pentru fiecare deschidere aobturatorului se poate construi o parabol corespunztoare. Acesteparabole se numesc curbe de obturare. Fiecare dintre ele poate fi privit cao caracteristic a obturatorului la o deschidere dat (Figura 4.9).

FIGURA 4.9. Curbe de obturare

Reglarea cu obturator la refulare. Montarea unui obturator la refulare nuinflueneaz cinematica curentului ntr-un ventilator i, de aceea,caracteristica ventilatorului rmne neschimbat. Obturatorul montat larefulare mrete doar pierderile n reea.

Dac obturatorul este complet deschis, caracteristicile ventilatoruluii ale reelei se taie n punctul A (Figura 4.10).

FIGURA 4.10. Reglarea unui ventilator centrifugal cu obturator la refulare

3/8

ho b

Q

5/8

8/8

M

B

A

k

H

QQB

QA

B1

O


64

Debitul maxim al ventilatorului este n acest caz egal cu QA, iar cetereapresiunii cu HA. Presupunem c trebuie s se asigure n reea regimul QA -QB. Obturnd treptat seciunea evii, se mresc piederile n ea, ceea ce esteechivalent cu deplasarea punctului activ pe caracteristica ventilatorului.

Se ine obturatorul nchis pn cnd punctul activ ajunge n B1,ventilatorul asigur debitul n reea QB, dar la o pierdere de presiune nreea egal cu HB1.

La trecerea debitului de aer QB prin reea, cu obturatorul completdeschis, se consum HB. Prin urmare, pierderea de presiune n obturatoreste egal cu BBob HHh = 1 i pierderea corespunztoare de putere

( )102

1 BBBob

HHQP = (4.33)

unde este randamentul ventilatorului n regimul QB - HB1.Puterea necesar pentru acionarea ventilatorului, la deplasarea

punctului din A n B1 se micoreaz. Dar, deoarece pierderile n obturatorsunt mari, economia obinut prin reglare este mic. Randamentul reglriise poate determina n modul urmtor:

( )

=

=

1

1

1

1 1BB

obBob H

BBH

HH . (4.34)

In funcie de panta caracteristicii ventilatorului, se poate asigura undebit QB constant la diferite deschideri ale obturatorului, adic la oricepierdere de presiune n obturator. Pierderile de presiune n obturator crescla creterea pantei caracteristicii. Caracteristicile abrupte Q - H se obine launghiuri mici de ieire ale curentului din rotor. Prin urmare, la reglarea cuobturatorul la refulare pierderile de presiune mai mici se obin nventilatoarele cu palete curbate nainte.

Reglarea cu obturatorul la aspiraie. Obturatorul poate fi amplasat laracordul de aspiraie al unui ventilator, dar, i n cazul acesta, pierderile nobturator sunt foarte mari. Totui, reglarea cu obturatorul la aspiraieprezint unele avantaje n comparaie cu reglarea la refulare.

Din cauza pierderilor de presiune la trecerea curentului prinobturator, presiunea i greutatea specific naintea obturatorului sunt maimari dect dincole de el. De aceea, la unul i acelai debit volumetric al


65

ventilatorului, creterea presiunii este mai mare cnd obturatorul estecomplet deschis dect atunci cnd el este deschis parial.

Cu obturatorul deschis n diferite poziii i debitul Q1 constant,creterea presiunii n ventilator, lund n consideraie pierderile nobturator, se detrmin prin punctele a1, b1, c1, etc., la debitul Q2 prinpunctele a2, b2, c2, etc., la debitul Q3 prin punctele a3, b3, c3, etc. (Figura4.11).

FIGURA 4.11. Caracteristici de obturare la diferite deschideri ale obturatorului

Unind prin linii continue puncte ai, punctele bi, corespunztoare aceleaideschideri a obturatorului, se obin un grup de caracteristici aleventilatorului, fiecare dintre ele corespunznd unei anumite poziii aobturatorului n reea. Toate caracteristicile de obturator obinute n acestmod au un punct comun pe axa ordonatelor.

La reglarea unui ventilator cu ajutorul unui obturator instalat laaspiraie scade caracteristica ventilatorului. Rezult o pierdere de presiunemai mic dect atunci cnde reglarea se face cu obturatorul la refulare.

Puterea absorbit de ventilator este proporional cu greutateaspecific. Fiecrei poziii a obturatorului i corespunde deci o anumitcurb Q - P. Firete c pierderea de putere la reglarea cu obturatorul laaspiraie este mai mic dect n cazul cnd reglarea se face la refulare.

Avnd caracteristica ventilatorului la regimul nominal (cuobturatorul complet deschis) i curbele de obturator, se pot condtrui graficcaracteristicile de obturator.

S presupunem (Figura 4.12) c DAE este caracteristicaventilatorului la regimul nominal, O1B'd este curba de obturator i DA'E'este caracteristica de obturator corespunztoare. Presiunile la aspiraie irefulare: nainte de reglare pa i pr, dup reglare pa' i pr'. Debitele

Q1

H

QO Q2

Q3

a3

b3

c3

a2

b1

b2

c2

a1

c1


66

ventilatorului calculate la presiunea pa, nainte i dup reglare sunt QA iQA'.

Din OAC i OA'C', precum i din OBC i OB'C' urmeaz c

BOOBCOOCCAAC = :::: (4.35)

de unde

.ctQQ

pp

pp

A

A

a

a

r

r=

=

=

(4.36)

Debitele QA i QA' sunt luate arbitrar. Relaia obinut ntre presiunieste deci valabil pentru toate valorile debitelor. Cu ajutorul ei se poateconstrui caracteristica de debit.

FIGURA 4.12. Construirea unei caracteristici de debit

P

d

H

QQA QA

E

O

P1

PP

1

AE

E

A

BB

BO

1

D

C C

Pa

Pr

Pa

Pr


67

Toate debitele trasate pe axa absciselor sunt raportate la pa i lagreutatea specific a. De accea, QA' este debitul nainte de obturator saucantitatea de aer care intr n obturator. Cantitatea volumetric de aer careintr n ventilator este mai mare dect QA' i este egal cu

Aa

aA

a

aA QQp

pQQ =

=

=

. (4.37)

Creterea presiunii n ventilator este egal cu A'B', pierderea nobturator cu B'B''. Obturnd refularea, creterea presiunii n ventilator esteegal cu E''B''.

Din figura 4.12 se observ c

'' , '''' BAABABEB >> (4.38)

prin urmare

'''''' EBBA < , (4.39)

adic obturarea aspiraiei este nsoit de pierderi mai mici dect obturarearefulrii.

Raionamentele i concluziile anterioare sunt juste dac cinematicacurentului n ventilator nu se schimb odat cu instalarea obturatorului. Inrealitate, existena obturatorului la aspiraie denatureaz cmpul de vitezela intrarea n ventilator i, prin urmare, ntr-o oarecare msur modificcinematica curentului n main. Acestea depind de tipul obturatorului ide distana de la locul unde este instalat nainte de intrarea n ventilator.

Obturnd la aspiraie, viteza curentului la intrarea n ventilatorcrete. Se mrete se asemenea viteza relativ. Mrirea vitezei relative,atunci cnd paletele sunt curbate napoi, este nsoit de micorarea puterii;dac paletele sunt curbate nainte, mrirea vitezei relative duce la mrireaputerii.

4.6.2. Reglarea bateriei de nclzireReglarea unei instalaii de condiionare a aerului poate fi simitor

influenat de neomogenitatea nclzirii aerului n bateria de nclzire. Labateriile care funcioneaz cu ap cald sau ap supranclzit, parteasuperioar a bateriei poate fi la temperatura turului, iar cea inferioar latemperatura returului. In acest caz, curentul de aer va fi nclzit inegal, iardefectul se face i mai simitor atunci cnd diferena de temperatur ntretur i retur este mare. (Figura 4.13).


68

In figur este redat variaia temperaturii aerului n cazul alimentriicu ventilul complet deschis i, de asemenea, variaia temperaturii aeruluicu ventilul nchis parial. Elementul sensibil s al termometrului va fi expusla temperaturi diferite i nu la o temperatur medie a aerului. Pentru oreglare corect este necesar a plasa elementul sensibil la nlimea care sdea rezultate corecte. In acest scop, n timpul operaiei de reglare,elementul sensibil va fi aezat succesiv la diferite nlimi, iar n cazulreglrii automate se va controla efectul aciunii sale asupra mecanismuluide acionare a clapetelor pentru amestecul aerului.

La bateriile de nclzire cu abur, reglarea trebuie s urmreasc iscurgerea corect a condensatului care nu trebuie s se acumuleze nbaterii. In cazul unei scurgeri incorecte a condensatului, partea de baterieumplut cu ap condensat este mult mai rece dect partea plin cu abur iva transmite aerului mult mai puin cldur, iar curba temperaturiloraerului va avea o sinuozitate mare, mult deprtat de o variaie constant(Figura 4.14).

FIGURA 4.13. Verificarea efectului de clzire al bateriilor: a - ventil complet deschis;b - ventil parial nchis.

FIGURA 4.14. Bateria de nclzire cu abur cu acumulare de condensat

Elementul sensibil s nu va mai arta temperatura medie real aaerului, ceea ce va influena defavorabil funcionarea ins

Ventilatia Si Conditionarea Aerului - Brujan Emil Alexandru

Documents

Transcript of Ventilatia Si Conditionarea Aerului - Brujan Emil Alexandru