Személyi szellőző berendezés fejlesztése a Debreceni Egyetem Épületgépészeti és Létesítménymérnöki Tanszékén

A cikk a Magyar Épületgépészet 2016/4. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke itt letölthető.

1. Bevezetés

Számos kutatás bizonyítja, hogy a hőérzet és a belső levegő minősége szoros kapcsolatban áll a munkatermelékenységgel. A hőérzeti szempontból nem megfelelő környezet-, illetve a rossz levegő minőség esetében a termelékenység csökken. Az emberek hőérzeti igényei viszont eltérőek lehetnek és számos tényező is befolyásolja ennek a szubjektív érzésnek a kialakulását. Az „egy méret mindenkinek” elv ebben az esetben sem működik. Egy adott tér esetében rendkívül nehéz minden egyes pontban biztosítani az éppen ott tartózkodó személy hőérzeti igényeit. A személyi szellőző rendszerek lehetővé teszik, hogy a felhasználók a saját igényeik szerint válasszák ki és állítsák be a mikrokörnyezetük paramétereit. Így egy adott tér minden egyes pontjában eltérő hőérzeti viszonyokat alakíthatunk ki.

A Debreceni Egyetem Épületgépészeti és Létesítménymérnöki Tanszékén egy újszerű személyi szellőző berendezést fejlesztettünk ki, amelynek a lényege az, hogy a személy körül több irányból is érkezhet a légáram és ez az irány igény szerint változtatható. A működési elv és hatás hasonló egy egyszerű legyező működési elvével. A légáram hol jobbról, hol szemből, hol balról érkezik. A légsebesség, a légáram áramlási iránya, az áramlási irány változásának a frekvenciája igény szerint beállítható. Ugyanazt a hűtőhatást is tapasztaljuk, mint az egyszerű legyező esetében, még akkor is, ha csak a tér levegőjét forgatjuk az egyén körül (nem hűtjük a levegőt). Ezzel a megoldással természetesen hűtési energiát takaríthatunk meg.

A hőérzetet befolyásoló paraméterek közül csak a légsebesség vektor: olyan mennyiség, amelynek nagysága mellett iránya is van. A léghőmérséklet, a közepes sugárzási hőmérséklet és a relatív nedvességtartalom is skalármennyiség. Természetesen a sugárzás érkezhet egyik vagy másik oldalról, de a sugárzás irányát változtatni néhány másodperc leforgása alatt technikailag nem lenne egyszerű.

A cikkben bemutatásra kerül a DEnergia munkacsoport által kidolgozott eljárás és műszaki megoldás, amely a Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatalánál 229951 lajstromszámon szabadalmat kapott.

2. Légzés és metabolizmus

A metabolizmus (anyagcsere) egy orvosi és biokémiai fogalom, amely az élő szervezetekben végbemenő anyag-, energia- és információáramlást jelenti. Az anyagcsere lehet építő vagy lebontó. Az építő anyagcsere esetében (bioszintézis, anabolizmus) az egyszerű anyagból összetett lesz. Ehhez a folyamathoz energiára van szükség (például fotoszintézis, fehérje szintézis). A lebontó anyagcsere esetében (katabolizmus) az összetett anyagok lebontódnak egyszerű anyagokra és ezzel energia szabadul fel. Ez az energia (katabolitikus energia) a sejtekben átalakul munkavégzési és tartalékenergiává, és egy része felszabadul, mint hőenergia. Mind az anabolizmusnál, mind a katabolizmusnál egyaránt szükséges az oxigén. A katabolitikus anyagcsere folyamatok során a szükséges oxigén mennyisége, a felszabaduló energia-, illetve szén-dioxid mennyiség függ a lebontandó anyagtól (1. táblázat), lásd a következő oldalon [1].

1. táblázat. Különböző anyagok lebontásához szükséges oxigén, illetve a felszabaduló energia és szén-dioxid

Ha összeadjuk egy-egy grammnyi szénhidrát, a zsír és a fehérje energiatartalmát, akkor összesen 72,86 kJ energiamennyiséget kapunk, aminek az „elégetéséhez” összesen 3,71 liter oxigénre van szükség. Ez azt jelenti, hogy 1 liter oxigén felhasználásával átlagosan 19,639 kJ energiához jutunk. Nyugalmi állapotban egy átlagos ember oxigénfogyasztása 16 l/h, [2]. Ennek megfelelően egy átlagos emberben, nyugalmi állapotban, az anyagcsere során 314,22 kJ/h energia szabadul fel, ami 87,28 W teljesítményt jelent.

Az alapanyagcsere (BMR, Basal Metabolic Rate) az a minimális energiafogyasztás, amelyet nyugalomban levő, nem alvó, gyógyszeresen nem befolyásolt emberben mérhetünk. A nyugalmi anyagcsere (RMR, Resting Metabolic Rate) viszont a nap bármely időszakában mérhető, 3-4 órával az utolsó étkezést követően. A nyugalmi anyagcsere az alapanyagcserénél kb. 3-5%-kal nagyobb értéket mutat, [3].

Az alapanyagcserének biztosítania kell az alap életfunkciókat, azaz a szívműködést, a légzést, a testhőmérsékletet, az izomtónust, az iontranszportot, idegi működéseket. Ez a teljes energiaszükséglet kb. 60-70%-a. Az agy, ami a teljes testtömeg mindössze 2%-a, az alapanyagcseréből 20%-ot felhasznál a működéséhez. A szív, ami mindössze kb. 30 dkg, azaz a testtömeg fél százaléka, 9%-ot igényel az alapanyagcseréből, [3].

A légvételek kiváltója a vér szén-dioxid nyomásának az emelkedése. A légzőközpont, a szén-dioxid emelkedésének érzékelésekor növeli a belégzéseket, míg csökkenés esetén nem ad ingerületet a belégzésre, szünetet tart (apnoe), [4].

Nyugodt légzéskor egy egészséges felnőtt ember 1 perc alatt 14-16-szor vesz levegőt. Egy levegővétel során a belélegzett levegő térfogata 0,5 liter, azaz a légzési perctérfogat 7-8 liter. Erőltetett légzés során akár 2,5 liter levegőt is belélegezhetünk.

Kétféle légzést különböztetünk meg: külső légzést és belső légzést. A külső légzés a tüdőhólyagocskák falán létrejövő oxigén- és szén-dioxid-csere. A belső légzés során a vér leadja az oxigént a sejteknek és széndioxidot vesz fel. A légzési folyamatban nem a teljes légzési levegő vesz részt, mivel annak egy része holttérben marad.

Az ember számára alapvető életfeltétel tehát a megfelelő minőségű és mennyiségű oxigéndús levegő.

A belélegzett levegő 78% nitrogént, 21% oxigént, 0,93% argont, a környezetben nyomokban előforduló gázokat, 0,03% szén-dioxidot és a légköri nedvességnek megfelelően bizonyos mennyiségű vízpárát tartalmaz. A légzés folyamán ez az összetétel megváltozik, először a külső légköri levegő és a belső, tüdőben rekedt maradék levegő keveredése következtében. Az oxigén szintje 16%-ra csökken és a korábban alig jelenlévő szén-dioxid mennyisége 4,6%-ra nő, [5].

Egy átlagos ember szén-dioxid-kibocsátása nyugalmi állapotban tehát 19-22 l/h. Azokban a terekben, ahol nincs folyamatos gépi szellőzés, a széndioxid a szellőztetési időpontok között feldúsulhat, [8-10].

Max von Pettenkofer a XIX. század közepén vizsgálta a komfortterek levegőjét és megállapította, hogy a 0,1 tf% (1000 ppm) a „jó levegő” kritériuma.

A szén-dioxid hatása, különböző koncentráció mellett, [6, 7]:
0,1 tf% Pettenkofer-szám
2,5 tf% Nincs még hatás
3 tf% Erős, mély légzés
4 tf% Órákon át fejfájást, fülzúgást, szédülést okoz
5 tf% 0,5-1 órán át halált okozhat
8-10 tf% Azonnali halál

3. A kontaminációs fok és a szellőzés hatásossága

A friss levegő biztosítására különböző légvezetési rendszereket alkalmaznak. A megfelelő légvezetési rendszer kiválasztása az Archimédész-kritérium függvényében történik [11]:

ahol:

(1)

q (W/m2) – fajlagos hőáram, a helyiség padlófelületére számított hőterhelés;
n (1/h) – légcsereszám;
Tb (K) – az előírt belső abszolút hőmérséklet;
ρ (kg/m3) – az áramló levegő sűrűsége;
cp (J/kg,K) – az áramló levegő állandó nyomáson vett fajhője;
H (m) – a helyiség belmagassága.

A légvezetési rendszer hatására alakul ki a tartózkodási zóna friss levegővel történő átöblítése vagy átöblítetlensége. A légvezetési rendszerek (LVR) fajtái:

• Elárasztásos légvezetési rendszer
Jellemzői:
– a beáramló levegő egyenletesen, kis sebességgel áramlik keresztül a helyiségen,
– a fő áramlási irányra merőleges légmozgások elkerülésére törekszünk,
– izoterm vagy kis hőfok-különbségű hűtőlevegő.

• Hígításos légvezetési rendszer
Jellemzői:
– keveredik a befújt levegő és a helyiség levegője,
– indukcióra törekszünk,
– a gyors, hatékony keveredés a cél.

A hígításos légvezetési mód típusai:
– Sugár LVR
– Érintőleges LVR
– Diffúz LVR
– Mikroklíma LVR
– Kiszorításos LVR

A kontaminációs fok azt fejezi ki, hogy a helyiség adott pontjában milyen mértékben szennyeződött a levegő a szellőző és a távozó levegő szennyezettségét figyelembe véve.

A kontaminációs fok (μ) számítása, [6]:

(2)

Ahol c a belső levegő minősége, az 1. ábra szerint.

1. ábra. A kontaminációs fok számításának a magyarázata

A kontaminációs fok reciproka a szellőztetés hatásossága, [6]:

(3)

Ideális hígításos szellőzés esetén: μ = ε = 1. Minden más esetben μ < 1 és ε > 1.

A levegővezetés módján kívül a szellőző és távozó levegő hőmérséklete is befolyásolja a szellőztetés hatásosságát. Levegőminőségi szempontból az a célszerű, ha a kontaminációs fok minél kisebb, illetve a szellőztetés hatásossága minél nagyobb.

Olesen szerint [12] a szellőztetés hatásossága különböző rendszerek esetében a a 2. táblázat szerint alakul.

2. táblázat. A szellőztetés hatásossága, [12]

A táblázat szerint megállapítható, hogy személyi szellőzés esetén a szellőzés hatásossága jóval nagyobb, mint a hagyományos rendszerek esetében.

A Dán Műszaki Egyetemen Fanger mellett Melikov volt, aki a számos kísérletet végzett (2. ábra) a személyi szellőzéssel kapcsolatosan, [13-16].

2. ábra. Kísérletek a Dán Műszaki Egyetemen

Kísérleteik alapján az Exhausto cég [17] kifejlesztette a jelenleg számos helyen alkalmazott légbefúvó berendezést (3. ábra).

3. ábra. Az Exhausto cég személyi szellőztető berendezése [17]

Egy zárt térben még a kisebb alapterületek esetében sem lehet biztosítani a megfelelő hőérzetet általánosan meghatározott mikroklíma paraméterekkel, hiszen az igények eltérőek lehetnek a tér egyes pontjaiban. Az azonos értékű mikroklíma paraméterek biztosítása vezet a helyi diszkomfort fellépéséhez. Az eltérő mikroklíma igények elsősorban az üvegezett felületeknek és az alkalmazott fűtési rendszereknek köszönhetők. A személyi szellőzés egyik legfontosabb kérdése az, hogy milyen turbulencia alakul ki a fej körül és ez generál-e huzatérzetet. Az első ilyen jellegű vizsgálatokat Fanger és társai végezték [16], és méréseik alapján kerültek kidolgozásra a ma is érvényes szabványokban a léghőmérséklet, légsebesség és huzathatás kapcsolatát leíró diagramok [18].

A friss levegőt a személyi szellőztető berendezéshez különböző módon lehet eljuttatni. A Princeton Engineering Services a padlóba szerelt légcsatornákat alkalmazza, a Dán Műszaki Egyetemen álmennyezetben elhelyezett légcsatornákkal kísérleteztek.

4. asztal és eljárás egyedi munkahely lokális, személyi klimatizációjára

A fentiek alapján látható, hogy a személyi szellőzés a rögzített munkahelyek esetében mind a friss levegő biztosítása, mind energetikai szempontból előnyös. Találmányunk alapötlete az a felismerés volt, hogy az ember az állandó mikroklíma paraméterek esetében megszokja a környezetet és máshogy értékeli azt, mint egy folyamatosan változó mikroklímát. Ez alapján olyan személyi szellőző berendezést fejlesztettünk ki, amely több irányból lehetővé teszi a légbefúvást és az üzemidő alatt ezek az irányok a felhasználó igénye szerinti időközökben változtathatók.

A munkaasztal bármilyen légtechnikai rendszerre csatlakoztatható, egyszerű leágazással. Az munkaasztal rendelkezik egy érintőképernyős vezérlőegységgel, amelynek segítségével a felhasználó magának beállíthatja az általa optimálisnak ítélt térfogatáramot, illetve a befúvási irány változási idejét.

Az asztal kialakítása

Az asztal munkalapja 1200 x 700 mm-es munkateret biztosít (4. ábra). Mivel a személy pozícióját nehéz optimális helyen tartani, ezért a munkalapon íves bemélyedést alakítottunk ki. Így a kezelő kényelmes távolságban tud elhelyezkedni a munkalaptól, automatikusan középre kerül, és optimális pozíciót foglal el a befúvási pontoktól.

4. ábra. Fent: a munkaasztal terve, lent: a megvalósult munkaasztal

Az asztal a munkalapra felépített két további szinttel rendelkezik. Ezek magassága a kívánt befúvási magasság szempontja szerint 1000 illetve 1200 mm. A két szintet perforált lemez köti össze, amely egyben pozícióban tartja a légtechnika befúvási pontjait. A perforált lemezen a befúvó könyök mind magasságban (1050 – 1100 – 1150 mm), mind vízszintes pozícióban elmozdítható. A könyök kilépő átmérője 50 mm. Rögzítése a perforált lemezre tapadó neodímium mágnesekkel történik, amelyek rezgésmentes, stabil megfogást adnak. A könyök az asztallapokon áthaladó csövezéshez flexibilis csövekkel csatlakozik. Az áthaladó csövek egyben a szintek stabil pozícióját is biztosítják. Az áthaladó csövek szintén flexibilis csövekkel vannak összekötve a szabályozó és elosztó dobozzal. A dobozban kapott helyet a ventilátor és a befúvási pontok váltását végző szeleprendszer. A lapok és a csövek fém karimákkal vannak egymáshoz rögzítve. Ezek sérülés nélkül szétszerelhetőek a későbbiekben. Útmutatásaink alapján a berendezést az Energotest Kft. építette meg. A berendezést füstgenerátorral teszteltük (5. ábra).

5. ábra. A berendezése tesztelése füstgenerátorral

A Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala az eljárásra és a berendezésre vonatkozóan 229951 lajstromszámon szabadalmat adott.

5. Összefoglalás

A klímakamrában végzett mérések bizonyítják, hogy a hagyományos szellőzési rendszerekhez viszonyítva az emberek a dinamikusan változó befúvási irányok esetében a mikrokörnyezetet hidegebbnek érezték [19, 20]. Ez azt is feltételezi, hogy nyári viszonyok között, amikor szükséges a klimatizálás, a berendezés további energia-megtakarítást eredményez azáltal, hogy a befújt levegőt kevésbé kell lehűteni, mint a hagyományos rendszereknél.

A berendezés kialakításánál a műszaki paraméterek mellett elsődleges szempont volt a megfelelő, belső környezetbe befogadható design. Ezért olyan anyagokat és kialakítást választottunk, amelyek irodai, oktatási (általában rögzített munkahelyet feltételező) környezetben járatosak és elfogadottak. A kialakított asztal felületében, magasságában, az elhelyezhető eszközök méretében hasonló adottságokkal rendelkezik, mint egy általános íróasztal. A beépített gépészet és elektronika nem zavarja a munkát. A rendszeren belüli légtechnikát autonóm vezérlőegység szolgálja ki, amely gondoskodik a befúvó nyílások váltásáról, a légsebesség beállításáról, a kommunikációról és a kezelői felület működtetéséről.

Köszönetnyilvánítás
Az eljárás kidolgozásában és a berendezés fejlesztésében a DEnergia kutatócsoport munkatársai vettek részt. A kutatócsoport munkáját a TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0007 sz. „A felsőoktatás minőségének javítása a kutatás-fejlesztés-innováció-oktatás fejlesztésén keresztül a Debreceni Egyetemen” c. projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával és az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
A kutatók köszönetüket fejezik ki Zentai Tamás ügyvezető igazgató úrnak (Energotest Kft.) a támogatásáért, illetve Loósz Gyula kollégának a lelkiismeretes, precíz munkáért.

Felhasznált szakirodalom
[1] Nelson Ph.: Biological Physics, W. H. Freeman, 2004.
[2] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/biology/metab.html
[3] http://www.vital.hu/anyagcsere-metabolizmus
[4] http://tudasbazis.sulinet.hu/hu/termeszettudomanyok/biologia/emberi-test/legzoszervek/a-legzes
[5] http://ujszo.com/cimkek/egeszsegunkre/2006/10/07/a-legzes-kemiaja
[6] Bánhidi L., Kajtár L.: Komfortelmélet, Tankönyvkiadó, Budapest, 2000.
[7] Herczeg L.: Irodaterek belső levegő minőségének értékelése. A szén-dioxid-koncentráció hatása az ember közérzetére és az irodai munka teljesítményére, Magyar Épületgépészet LVIII. évf. 2009/5, p. 3-7.
[8] Kalmár F., Nagy Á.: Szén-dioxid-koncentráció alakulásának vizsgálata egy oktatási épületben, Magyar Installateur, 42, p. 39-42.
[9] Csáky I.: Szellőztetés hatása a széndioxid koncentrációra lakóépületekben, 15th Building Services, Mechanical and Building Industry Days, Debrecen, 2009.10.15 – 2009.10.16., p. 115-122.
[10] Csáky I.: Szennyező anyagok a belső környezet levegőjében, I. Alpok-Adria Passzívház Konferencia, Pécs, 2009.09.04 – 2009.09.05., p. 357-359.
[11] Magyar T.: A helyiség-átöblítés szerepe a légtechnika energiatudatos tervezésében, Magyar Épületgépészet, LVI. évf. 2007/5, p. 7-11
[12] Olesen B., Revision of EN 15251: Indoor Environmental Criteria, REHVA Journal – August 2012, p. 6-12.
[13] Kaczmarczyk J., Melikov A. and Sliva D.: Avoiding draught discomfort with personalized ventilation used at the low range of comfortable room air temperature Indoor Air 2008, 17-22 August, Copenhagen.
[14] Melikov A., Kaczmarczyk J., and Sliva D.: Impact of air movement on perceived air quality at different level of relative humidity, Indoor Air 2008, 17-22 August, Copenhagen.
[15] Yang B., Melikov A. and Sekhar C.: Cooling effect of ceiling mounted personalized ventilation system, Indoor Air 2008, 17-22 August, Copenhagen.
[16] Fanger P. O., Melikov A. K., Hanzawa H., Ring J.: Air Turbulence and Sensation of Draught Energy and Buildings 12 (1988) p. 21-39.
[17] http://www.exhausto.com/~/media/Global/PDF/Products/broc_PV_GB.ashx
[18] ISO 7730-2005: Ergonomics of the thermal environment — Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria.
[19] Kalmár, F., Kalmár T. (2013): Alternative personalized ventilation, Energy Buildings, 65, 37–44.
[20] Kalmár F. (2015) Innovative method and equipment for personalized ventilation, Indoor Air, 25, 297-306.

Abstract
Providing comfortable and healthy indoor environment in buildings is the most important goal of architects and building service engineers. Well being is in strong correlation with the work performance, so in closed spaces discomfort can lead to the decrease of the productivity. The comfort sensation is subjective and depends on a series of physical and physiological factors, so similar micro environmental parameters are perceived by the occupants in different mode. Advanced personalized ventilation systems can provide different micro-environments in the same space. Moreover, the utilization of these systems can lead to energy saving. At the University of Debrecen, Department of Building Services and Building Engineering, the ALTAIR, innovative personalized ventilation equipment was developed. The novelty of this system is the changing of the airflow direction during the operation. The air velocity and the frequency of air direction changing can be set by the user.

Dr. Kalmár Ferenc f. tanár, tanszékvezető