A világ számos egyetemén és kutatóközpontjában folynak kísérletek a helyiségek levegővel történő ellátásával, illetve ezek huzatmentes átöblítésével kapcsolatban. Ennek a felfokozott érdeklődésnek több oka is van, ezek közül csak néhány:
• a belső építészek által használt újfajta falszerkezeti elemek;
• a helyiségek tartózkodási zónáinak egyre szigorodóbb követelményei.
Az újfajta szerkezeti elemek között említhetők például a különböző kialakítású függönyfalak, mozgatható térelválasztók, amelyek utólagos behelyezésükkel a többfunkciós terek létrehozását segítik elő. Ide sorolható a belsőépítészek által használt lépcsős álmennyezet is, amely a helyiség esztétikai élményét növelheti. A felsorolt elemek egyrészt akadályt jelentenek a szellőző levegő áramlásában, és megváltoztathatják a helyiség tervezett légvezetési rendszerét. Másrészt, a beépített anemosztátok garantált tervezési adatai már nem vonatkoznak ezekre az esetekre.
A helyiségek tartózkodási zónáinak követelményrendszere a komfortelméleti kutatásoknak köszönhetően egyre jobban bővül és szigorodik. A legújabb kutatások rávilágítottak arra, hogy a komfortzónák légtechnikai kritériuma – a huzatkritérium – legalább három légtechnikai paraméter függvénye:
Lényeges, hogy a DR huzatkritérium alkalmazásának feltételei a következők:
19 < tlev < 27 [°C],
0,05 < u < 0,35 [m/s],
0 < Tu < 70 [%].
Tehát a
DR = F (tlev; u; Tu) % ,
azaz a légmozgással elégedetlenek százalékos értéke függ a léghőmérséklettől (tlev; °C), az áramló levegő átlagsebességétől (u; m/s) és a testet ért légáramlás turbulencia fokától (Tu; %). Ezt a tényt tartalmazza a hazánkban is érvényben lévő európai uniós szabvány (MSZ CR 1752). Ma már a huzatkritérium figyelembevétele nélkül nem lehet légtechnikai berendezést tervezni, ugyanis a tervezési szerződés megkötésekor rögzíteni kell a tervezési kategóriát, ami az elérendő huzatkritérium (DR) függvénye.
A tudományterület jelenlegi állása szerint, a DR huzatkritérium még nem számolható analitikusan és gyorsan, mivel nem ismert az, hogy a légvezetési rendszerben pontosan hogyan változik a turbulencia fok. A gyakorlati tervezés jelenleg – a szabvány ajánlása szerint – felvett értékkel számol.
A helyiségeket kiszolgáló légtechnikai rendszernek alkalmazkodnia kell a változó peremfeltételekhez. Következésképpen, a zárt terek légátöblítésének méretezéséhez további olyan kísérletek szükségesek, amelyek a változó feltételek mellett is kielégítő megoldást nyújtanak.
Az említett jelenségek korrekt tanulmányozására jött létre a BME Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszékének Légtechnikai Laboratóriumában a légvezetési rendszereket vizsgáló kamra, amelyet az 1. ábrán mutatunk be.
1. ábra. Légvezetési rendszer vizsgáló mérőkamra
Az érintőleges légvezetési rendszerek főbb jellegzetességei
A komfort épületgépészetben és a gépészeti eljárástechnikában is széles körben alkalmazott érintőleges légvezetési rendszerek (LVR-k) egyik leggyakrabban alkalmazott légbevezető eleme a résbefúvó anemosztát. Mint ismeretes, a résbefúvóból a levegő többnyire sík szabadsugárként lép be a térbe (2. ábra).
A tangenciális levegő-bevezetés következtében azonban ez a sík szabadsugár érintkezésbe kerül egy meghatározott felülettel, így a kezdeti szabadsugárból egy korlátozott fali légsugarat kapunk. Ennek eredményeként a felületen jelentkezik a Coanda-effektus, amelynek hatására a bevezetett síksugár feltapad a felületre, majd azon „kúszva” növeli a szellőzés hatásosságát. Azt a pontot, ahol a Coanda-hatás jelentkezik, és a tapadás létrejön, tapadási pontnak nevezzük. Általános elvárás, hogy a tapadási pont minél közelebb kerüljön a befúvás síkjához, hiszen így nagyobb a levegő kúszva megtett távolsága az adott felületen, ezzel a szellőzés hatásossága is jobb lesz. A fentieknek megfelelően tehát lényeges ismernünk a tapadási pont befúváshoz viszonyított pozícióját és annak változását, valamint e jelenség kihatását a komfort zónára a szellőzési paraméterek (térfogatáram, légsebesség, hőmérséklet stb.) függvényében.
A tapadási pont helyzetének vizsgálata
A Magyar Épületgépészet 2011/11. számában már foglalkoztunk a tapadási pont méréses vizsgálatával (3. ábra, felül). A mérési eredmények alapján megállapítottuk, hogy a befúvási térfogatáram csökkentésével a tapadási pont közeledik a befúváshoz, tehát javul a szellőzés hatásossága.
A mérés térfogatáram-tartományát kiterjesztve és a mérési pontok számát növelve azonban a 3. ábra alsó diagramján azt látjuk, hogy ez a tendencia csak egy meghatározott térfogatáram-tartományban érvényes. Ezen a tartományon kívül a tapadási pont sztochasztikus változása tapasztalható. Ennek egyik legvalószínűbb oka a fali nyírórétegben kialakuló Reynolds-csúsztatófeszültségek hatása a légsugárra. Ebben az esetben ugyanis a fali légsugárban megjelenő nyírórétegek az áramlás hatására elcsúsznak, ez pedig hatással lehet a tapadási pont kialakulására is.
A feltevés igazolásához szükség lesz az áramló levegő fluktuáló sebességkomponenseinek mérésére, amiből számítható a Reynolds-csúsztatófeszültség, és vizsgálható a tapadási pontra gyakorolt esetleges hatása.
A vizsgált helyiségben kialakuló légáramlás kvalitatív vizsgálatához CFD modellt készítettünk az Ansys Fluent szoftver segítségével. Az alkalmazott numerikus módszer a véges térfogatok módszere, hiszen az áramlástani feladatokban és az épületgépészetben egyaránt ez szolgáltatja a pontosabb eredményt.
3. ábra. A tapadási pont vizsgálatának eredményei alapján
A helyiség geometriájának elkészítését követően a numerikus hálózásnál figyelembe kell venni, hogy a szűk keresztmetszetekben (jelen esetben a résbefúvónál) legalább négy cellasor alkalmazása javasolt annak érdekében, hogy minél pontosabb eredményt kapjunk az áramlásról. Szintén lényeges szempont a falfelület légsugárra gyakorolt hatásának a figyelembevétele az alkalmazott turbulencia-modell kiválasztásánál. Mint ismeretes, a falfelület közelében kialakuló áramlások esetében a nyomás-gradiens meredeken változik. Ennek megfelelően a fali csúsztatófeszültségek légsugárra gyakorolt hatását is figyelembe vevő Reynolds-átlagolt SST (Shear-Stress Transport = Nyíró-feszültség transzport) k – omega turbulencia modell alkalmazása célszerű.
A 4. ábrán a helyiségben kialakuló áramképen megfigyelhető a primer áramlás által indukált szekunder áramlás a befúvás közelében, valamint a sarokzónákban. Látható a fali légsugárban kialakuló tapadási pont, azonban a pontos helyzetének meghatározásához a numerikus modell további vizsgálatára van szükség.
4. ábra. A helyiségben kialakuló áramkép
A tartózkodási zónában kialakuló áramlás vizsgálata
Mint azt a bevezetésben már bemutattuk, a zárt terek egyik legfontosabb légtechnikai kritériuma a légmozgással elégedetlenek százalékos értéke (DR), ami három paraméter függvénye: a sebesség, a hőmérséklet és a turbulencia-fok. E huzatkritérium meghatározása érdekében a légvezetési rendszer vizsgáló mérőszobában az 5. ábrán (lásd fent) látható pontokban mértük a légtechnikai paramétereket.
5. ábra. Mérési pontok a huzatkritérium vizsgálatához
A méréseket egy meghatározott, állandó térfogatáram mellett forró-gömbös anemométer (Dantec 54R10) segítségével végeztük el, időben állandósult, izotermikus befúvásra, az MSZ EN ISO 5167-1:2003 és az MSZ EN 24006:2002 szabványoknak megfelelően. A forró-gömbös mérőszondával mérhető az áramló levegő száraz hőmérséklete, a sebesség magnitúdója (u), a fluktuáló sebességkomponens (u’), majd az utóbbi két mennyiség hányadosából számítható a turbulencia-fok (Tu), vagyis:
A mérési eredményeket feldolgozva, egy választott magasságban a 6/a. ábrán a sebesség magnitúdójának változását ábrázoltuk a komfortzónában. Jól látható, hogy a befúvástól távolodva a levegő sebessége fokozatosan csökken (0,3 [m/s]-ról), majd a tartózkodási zóna alsó harmadában közel állandó értékű. Ennek oka az, hogy a padló torlasztó hatására a fali levegősugár fő áramlási iránya megváltozik, s a talajon „kúszik” tovább, majd az elszíváshoz érve elvégzi a helyiség átöblítését.
A turbulencia-fok változását vizsgálva a 6/b. ábrán az látható, hogy a befújt légsugárban (IV. sík, „a” pozíció) a Tu turbulencia fok értéke jóval kisebb, mint a főzónában, illetve az elszívás közelében (I–IV. sík, b-g. pozíció). Mint ismeretes, a helyiségbe bevezetett (primer) levegő karakterisztikus mozgásba hozza a zárt tér álló levegőjét, ami szekunder áramlásokat indukál. A szekunder áramlásokban növekszik a sebesség fluktuáló komponenseinek az értéke, ezáltal a Tu-fok is nagyobb lesz, mint a primer áramlásban.
A DR huzatkritériumot vizsgálva, a 6/c. ábrán megfigyelhető, hogy a befúvás közelében az értéke nagyobb, míg a tartózkodási zónában jóval kisebb. Ez az érintőleges légvezetési rendszerek lényeges tulajdonsága, hiszen a résbefúvó anemosztátot általában a tartózkodási zónán kívül helyezzük el, így nagyobb mennyiségű levegő bevezetésére nyílik lehetőség. Emiatt ezekben a pontokban a DR értéke is nagyobb lesz, míg a komfortzónában az alacsony sebességérték miatt kisebb.
6. ábra. A jellemzők változása a komfortzónában: a) sebesség, b) Tu-fok, c) DR
Összefoglalás
A cikkben bemutattuk az érintőleges légvezetési rendszerek vizsgálatának szükségességét. A légvezetési rendszerek vizsgálata két meghatározó részre tagolódik, amelyek egymással szoros kapcsolatban vannak. Az első a befúvás és környezetének vizsgálata. Korábban ismertettük a tapadási pont meghatározásának módját (ld. Magyar Épületgépészet 2011/11. szám) és változását a térfogatáram függvényében. Az elsődleges vizsgálati eredmények alapján szükségesnek találtuk a fali légsugárban a Reynolds-csúsztatófeszültségek mérését a tapadási pont változásának pontosabb meghatározása érdekében.
A légvezetési rendszerek vizsgálatának másik fő része a tartózkodási zónában kialakuló légáramlás vizsgálata. Ez legfőképpen a DR huzatkritérium meghatározását foglalja magában, a sebesség, a hőmérséklet és a Tu-fok mérésén keresztül. Bemutattuk, hogy a befúváshoz közelebb nagyobb az átlagos légsebesség nagysága, míg a tartózkodási zónában már a légsebesség fluktuáló komponenseinek a jelenléte a domináns. A légsebesség összetevői – átlag- és fluktuáló sebesség – és ezek egymáshoz való viszonya determinálja az adott pontban a várható légmozgással elégedetlenek százalékos értékét, s ezzel az elérhető komfortbesorolást.
Távolabbi célkitűzésünk a cikkben bemutatott vizsgálatok elvégzése több mérési sorozatban (a térfogatáram és a belső hőterhelés változtatásával). Ennek eredményeként várhatóan vizsgálható lesz a DR huzatkritérium változása a szellőzési paraméterek függvényében.
Abstract
The application of tangential air supply systems in HVAC and food industry significantly determines the efficiency of ventilation and the level of comfort supplied. Air from the slot diffuser goes like a planar free jet, but it contacts a surface to its tangential introduction. Near the surface a so-called point of adhesion can be defined, where the Coanda effect is demonstrated, after which the air jet adheres to the surface and improves the efficiency of ventilation by “creeping” along it. The relative position of the point of adhesion to the point of air inlet is therefore an important parameter from the perspective of the efficiency of ventilation.
It is very important to ventilate closed spaces without draught. There are many standards for design ventilation systems and air supply systems, but we have to consider the effect of the room’s features to the air supply systems. Because of these fact, we should investigate the most significant comfort parameters (air velocity; turbulence intensity, etc.) by using measurement method.
Irodalom
Dr. Magyar Tamás: Légtechnikai rendszerek. BME előadás jegyzet (kézirat), Budapest 2012.
Dr. Magyar Tamás, Goda Róbert, Both Balázs: Laboratóriumi kísérletek az érintőleges légvezetési rendszerek síksugaraival. Magyar Installateur, 2013. május.
Both Balázs, Goda Róbert: Résbefúvó anemosztátok méréses vizsgálata érintőleges légvezetési rendszer alkalmazása esetén. Magyar Épületgépészet, LX. évfolyam, 2011/11. szám.
Jean Moureh, Denis Flick: Wall air–jet characteristics and airflow patterns within a slot ventilated enclosure. International Journal of Thermal Sciences 42 (2003), p.703–711.
Joel H. Ferziger, Milovan Peric: Computational Methods for Fluid Dynamics, 3rd edition. Springer -Verlag, 2002.
Lajos Tamás, Dr.: Az áramlástan alapjai 4. kiadás. Budapest, Lajos Tamás, 2008.
Goda Róbert egyetemi tanársegéd, Both Balázs 1. évfolyamos PhD hallgató, BME Épületgépészeti és Gépé
Szóljon hozzá
A hozzászóláshoz be kell jelentkezni.