CAPITOLUL 12VENTILAREA NATURALĂ

Ventilarea naturală se realizează datorită diferenţei de temperatură dintre exterior şi interior şi acţiunii vântului.

Aceşti factori naturali creează diferenţe de presiune care asigură schimbul de aer. Dacă pentru realizarea schimbului natural de aer se amenajează dispozitive speciale avem de-a face cu ventilarea naturală organizată- V.N.O. .

V.N. se produce chiar dacă nu au fost prevăzute dispozitive speciale în acest scop, prin neetanşeităţile construcţiei (resturi la uşi şi ferestre, precum şi datorită permeabilităţii elementelor de construcţie). Orientativ prin ventilarea naturală neorganizată se produce o împrospătare a aerului de nivelul 15% din volumul încăperii la diferenţă de temperatură de 1 C.

Avantaje: lipsa canalelor de aer; consum de energie practic nul; investiţie mică.Este recomandabil să se aplice oriunde este posibil.

Dezavantaje: Dacă ti=te şi viteza vântului exterior este nulă diferenţa de presiune între interior şi exterior este nulă şi schimbul de aer natural încetează, de asemenea având în vedere variaţia temperaturii exterioare te şi a vitezei vântului v0, debitul de aer este variabil. Din acest motiv nu se foloseşte la încăperi cu degajări de noxe periculoase.

Iarna, în încăperile ventilate natural aerul interior intră cu o temperatură scăzută, deoarece încălzirea acestuia este dificilă din cauza diferenţelor de presiune mici care nu permit montarea unor schimbătoare de căldură.

În cazul încăperilor cu degajări de umiditate, pătrunderea aerului rece provoacă ceaţă. De aceea ventilarea naturală în perioada de iarnă trebuie folosită în încăperi fără degajări de umiditate dar cu surse intense de căldură. Acestea trebuie să fie astfel amplasate încât să încălzească aerul rece pătruns.

Aceste aspecte duc la limitarea utilizării ventilării naturale ca sistem, atât vara cât şi iarna.

12.1 FACTORII CARE INFLUENŢEAZĂ SCHIMBUL NATURAL DE AER.

12.1.1 Acţiunea diferenţei de temperatură

Datorită diferenţei de densitate a aerului din interior, respectiv din exterior, ca urmare a diferenţelor de temperatură, apar diferenţe de presiuni- presiuni tehnice- care duc la intrarea aerului în şi din încăpere.

Fig. 12.1

Considerând o secţiune dintr-o încăpere, fig. 12.1, având temperatura aerului interior ti>te. Se consideră viteza vântului nulă. Practicând orificii mici la mijlocul înălţimii încăperii nu se produce schimb de aer diferenţele de presiune nu există. Planul orizontal O-O’ care are această proprietateplan neutru (zonă neutră). El poate servi ca plan de referinţă pentru determinarea repartiţiei presiunilor termice pe înălţimea încăperii deoarece există aceeaşi presiune pio şi peo la interior şi exterior

egală cu presiunea barometrică B de la niv O-O’. Practicând orificiile (1) şi (2) la înălţimea h1 şi h2 de OO’ se pot determina presiunile pe feţele interioare şi exterioare.

Astfel, pentru orificiul 1:Pe1=B+h1ge; pi1=B+h1ig. (12.1)În ipoteza ti>te i<e rezultă că pi1<pe1 deci prin deschiderea 1 va pătrunde aer din exterior.Pentru orificiul 2:Pe2=B-h2ge; pi2=B-h2ig. (12.2)

în aceleaşi condiţii ti>te pi2>pe2 deci aerul va ieşi din încăpere prin orificiul (2). Diferenţele de presiune:

p1=pe1-pi1=h1g(e-i) (12.3)p2=pi1-pe2=-h2g(e-i) (12.4)

sau în general p=hg.Dacă ti<te în relaţiile de mai sus semnul se schimbă ceea ce înseamnă că prin orificiile de

deasupra planului aerul va intra în încăpere şi va ieşi prin orificiile de sub planul neutru. Relaţiile mai arată că variaţia presiunii pe înălţimea încăperii este liniară.

Fig. 12.2

Dacă ventilarea naturală este combinată cu ventilarea mecanică poziţia planului neutru se modifică, fig. 12.2.

Astfel la introducere mecanică şi evacuare naturală planul neutru coboară iar dacă evacuarea se face mecanic şi introducerea natural, planul neutru se deplasează în sus

12.1.2 Acţiunea vântului

Clădirile constituie obstacole în calea vântului. La colţurile lor apar desprinderi ale stratului limită atmosferic ceea ce duce la formarea unor zone de circulaţie (umbre aerodinamice). Formele şi dimensiunile acestora sunt dependente de dimensiunile şi profilul clădirilor, fig.12.3.

Fig. 12.3În interiorul acestor zone apare o circulaţie a aerului sub formă de vârtejuri care depind de

viteza de curgere în amonte de clădire, şi de direcţia mişcării aerului în raport cu clădirea. Viteza

aerului în aceste zone este mai scăzută însă cu un grad de turbulenţă mai mare. La schimbarea direcţiei vântului aceste zone se modifică.

Ca urmare a acestor fenomene în jurul clădirii apar suprapresiuni şi subpresiuni prin transferul energiei cinetice a vântului în energie potenţială. Aceste presiuni se pot exprima prin relaţia:

Pentru aplicarea ei este necesară cunoaşterea coeficientului aerodinamic kv variabil pe conturul clădirii şi are valori pozitive pe faţa expusă vântului şi negative pe faţa adăpostită. Aceste valori se pot determina experimental pe modele în tunel aerodinamic, fig. 12.4.

Fig. 12.4Dispozitivele de V.N.O. pentru introducere sau evacuare sunt supuse acţiunii combinate a

celor doi factori. Luarea în consideraţie a presiunii vântului alături de presiunea termică duce la dimensionarea economică a dispozitivelor. Pentru aceasta trebuie cunoscute valorile pentru kv. De asemenea trebuie avută în vedere observaţia rezultată din prelucrări statistice că în zilele calde însorite se instalează calmul atmosferic.

De aceea calculul V.N.O. se face luând în consideraţie numai presiunea termică.

12.2 DISPOZITIVE V.N.O.

Ferestre: încăperi mici, cu deschidere-completă -parţială

Ochiuri mobile: încăperi cu volume mari- hale industriale.- avantajoase din puct de vedere economic;-greu de acţionat şi reglat;- acţionare din zona de lucru prin mecanisme (pârghii) servomotoare.

Fig. 12.5Coşuri de ventilare naturală: încăperi fără ferestre spre exterior (băi, WC, cămări, orificii,

etc.) din clădirile de locuit, social culturale, anexe ale clădirilor industriale sau agrozootehnice.Circulaţia aerului prin coşuri, în lipsa vântului, este datorată presiunii termice:p=hg(e-i)

care depinde de: h- înălţimea dintre axele gurii de intrare şi ieşire, respectiv axul unde se racordează gura la coş şi înălţimea gurii de evacuare.

- diferenţa de densităţi datorate diferenţei de temperatură t=ti-te. Ştiind faptul că variaţia lui ti într-un an este de 1015 C ]n raport cu te de ordinul a 45C este evident că presiunea termică este determinată de realizarea schimbului natural de aer. Dacă t e=ti schimbul este nul, în condiţii ti>te se evacuează aer din încăpere şi dacă ti<te situaţie defavorabilă se introduce aer în încăpere.

Posibilităţi de activare a tirajului:- amplasarea la baza coşului a unor elemente de încălzire pentru creşterea diferenţei de

temperatură;- instalarea pe gura de evacuare a coşului a unui deflector ce foloseşte energia cinetică a

vântului pentru activarea tirajului (cea mai economică);- folosirea ventilatoarelor; (consumul de energie, problemele legate de exploatare face

mai avantajoasă prevederea de ferestre).În funcţie de înălţimea clădirii (numărul de intervale) se pot realiza următoarele sisteme:- cu canale individuale, fig. 12.6, la clădiri cu maximum 4 nivele;- cu canal colector, 12.7, la cere se racordează canale individuale (secundare) la clădiri

cu mai mult de 2 nivele, dar obligatoriu peste 4.

Fig. 12.6

Canale individuale, cu secţiune circulară, pătrată sau dreptunghiulară cu raportul 2 la 1,

având 130 cm2 pentru canale netede şi 165 cm2

pentru canale din cărămidă prefabricată.Gura de evacuare amplasată în partea de

sus a încăperii trebuie să aibă o secţiune de 200 cm2 (liberă min. 100 cm2) şi să fie prevăzută cu o grilă reglabilă.

La partea superioară a canalelor individuale se prevăd căciuli de protecţie sau se pot racorda la un singur deflector printr-un singur canal pentru a evita un număr mare de străpungeri ale acoperişului.

Sistemul cu canal colector a fost adoptat pentru reducerea spaţiului necesar coşurilor de V.N. la clădiri cu peste 4 nivele faţă de coşul individual.

Fig. 12.7

La acest canal colector se racordează uni sau bilateral numai canale secundare aferente unor încăperi cu aceeaşi destinaţie, distanţa între gură şi racord fiind de minim 2,20 m. Aria secţiunii canalului colector se ia în funcţie de numărul de canale secundare racordate şi înălţimea activă medie:

(12.5)

Canalele secundare de la ultimul nivel nu se racordează la canalul colector, se execută alăturat acestuia (STAS 6724-76).

Deflectoare, fig. 12.8. Dispozitive montate la partea superioară a coşurilor de ventilare sau pe acoperişul halelor industriale şi au rolul să intensifice schimbul natural de aer folosind energia cinetică a vântului. La gurile coşurilor, sub acţiunea curenţilor de aer se producsuprapresiuni şi subpresiuni din care rezultă în ansamblu o subpresiune care activează tirajul. Se folosesc o serie de tipuri care trebuiesc astfel concepute încât să funcţioneze cu o eficienţă ridicată indiferent de direcţie, cu condiţia ca acestea să fie liber expuse faţă de direcţia vântului. Deflectoarele montate pe acoperişul halelor trebuiesc prevăzute cu clapete de reglare pentru reducerea debitului de aer evacuat în perioada de iarnă.

Fig. 12.8Luminatoare, fig. 12.9. Clădirile industriale monoetajate sunt prevăzute cu luminatoare

drepte sau pătrate care pe lângă iluminare naturală asigură şi evacuarea aerului în cadrul ventilării industriale a încăperilor. Evacuarea se produce datorită presiunii termice. Vântul favorizează evacuarea dacă ferestrele deschizibile sunt pe faţa adăpostită dar au efect defavorabil dacă se schimbă direcţia vântului.

Tipuri constructive:

Fig. 12.9

12.3 CALCULUL VENTILĂRII NATURALE (metoda presiunilor fictive)

12.3.1. Determinarea debitului de aer

După cum s-a arătat în paragraful 12.1,ventilarea naturală organizată se poate aplica pentru încăperi cu degajări importante de căldură unde raza procesului v. În aceste încăperi circulaţia aerului este de jos în sus şi pe înălţime are loc un fenomene stratificare termică. Temperatura aerului evacuat la partea superioară a halei va fi diferită decât cea a zonei de lucru, astfel că debitul de aer se va determina cu relaţia:

(12.6)

în care: Qv - sarcina termică de vară, în kW;

ha, hr - entalpia aerului evacuat respectiv refulat în încăpere, în kJ/kg;cp - căldura specifică a aerului, în kJ/kg 0C;ta, tr - temperatura aerului evacuat, respectiv a aerului refulat, în 0C;Temperatura aerului evacuat se poate determina cu ajutorul gradientului de temperatură

sau coeficientului de preluare a căldurii perceptibile în zone de lucru, m.

tzl -temperatura zonei de lucru, în 0C;t – gredient de temperatură, în 0C/m;H – înălţimea la care se calculează temperatura;hzl – înălţimea zonei de lucru;m – coeficient de preluare a căldurii perceptibil în zona de lucru.

(12.8)

Temperatura aerului în zona de lucru tzl este impusă de STAS 6648/1-82 şi trebuie să verifice condiţia:

pentru q25 W/m2;

pentru q>25 W/m2. (12.9)unde:

q- încărcarea termică a încăperii (W/m2)Temperatura aerului exterior te se determină funcţie de localitatea în care este amplasată

clădirea, conform STAS 6648/1-82.te=tml+Az (0C)

(12.10)în care:

tml –temperatura medie lunară, în 0C,Az amplitudinea oscilaţiei de temperatură (0C).Deoarece aerul refulat în încăpere este aer preluat din exterior:tr=te;

12.3.2 Dispozitive de ventilare naturală.

Dispozitivele utilizate în instalaţiile de VNO industrială sunt:- ferestre mobile, luminatoare, deflectoare şi luminatoare deflectoare.a) Ferestrele mobile sunt dispozitive des utilizate în VNO. Ele se montează atât pe

faţadele clădirilor în şiruri, cât şi la luminatoarele acestora.Se construiesc cu diverse raporturi ale laturilor l/b şi diverse unghiuri de deschidere.Deşi are o construcţie simplă în multe situaţii numărul mare de ferestre face necesară

montarea unor dispozitive de acţionare simultană a acestora care complică instalaţia şi costul acesteia.

b) Deflectoarele sunt dispozitive montate pe coşurile de evacuare sau pe acoperişul halelor. Ele au diverse forme şi mărimi şi transformă energia cinetică în energie potenţială. Curenţii de aer atmosferici creează suprapresiune şi depresiuni din care rezultă în final o depresiune care activează tirajul. Deflectoarele sunt avantajoase pentru că funcţionează cu aceleaşi caracteristici indiferent de direcţia vântului.

c) Luminatoare deflectoareLuminatoarele sunt dispozitive care se utilizează pentru iluminatul natural al halelor şi

pentru evacuarea aerului viciat. Pentru aceasta luminatoarele au fost prevăzute cu ferestre mobile sau rame cu jaluzele prin care aerul este evacuat datorită presiunii termice şi presiunii vântului. Vântul are efect favorabil când ochiurile mobile sunt amplasate pe faţa adăpostită şi nefavorabil când se află pe faţa bătută de vânt. Pentru a se elimina acest dezavantaj au fost create luminatoare- deflectoare.

(12.7)

Calculul VNO pentru o hală cu o singură deschidere prin metoda presiunilor fictive

Metoda presiunilor fictive a fost elaborată de VV Baturin. Aceasta a observat că debitul de aer vehiculat printr-un orificiu depinde de diferenţa de presiune şi nu de presiunile reale. Pentru determinarea presiunii necunoscute Px Baturin consideră în interiorul halei o presiune fictivă astfel ca diferenţa de presiune să fie egală cu cea reală. Metoda este utilizată atât în calculul de proiectare pentru determinarea suprafeţelor orificiilor de introducere şi evacuare, sau pentru calcule de verificare pentru clădiri existente.

Calculul de proiectare

Pentru dimensionarea unei instalaţii de VNO cu metoda presiunilor fictive trebuiesc cunoscute pe lângă caracteristicile clădirii, sarcina termică, tipul şi caracteristicile orificiilor de ventilare. Debitul de aer pentru ventilare se stabileşte cu relaţia 12.6. Parametrii aerului evacuat se determină cu una din relaţiile 12.7 iar temperatura în zona de lucru cu relaţia 12.9. Etapele calculului sunt:

a) Pentru o poziţie dată a orificiilor de introducere şi evacuare se scriu presiunile fictive. În hala industrială a cărei secţiune este dată în fig. 12.9.

Presiunile fictive scrise pentru cele 4 orificii sunt:

Orificiu Presiunea interioară Presiunea exterioară

1 Px Pv1

2 Px Pv2

(12.11)

3 Px Pv3-h3g(e-i)

4 Px Pv4-h4g(e-i)

b) Se stabileşte o ipoteză logică de funcţionare a orificiilor.Pentru hala din fig. 12.10 presupunem că orificiile 1 şi 2 lucrează la introducere şi

orificiile 3 şi 4 la evacuare.

Fig 12.10c) Se stabilesc diferenţele de presiune la orificii şi funcţie de ipoteza de funcţionare a

acestora, condiţiile de existenţă ale lui Px:

(12.12)

d) Se determină domeniul de valabilitate al lui Px rezolvând inecuaţiile 12.12 şi se alege o valoare din acest domeniu pentru Px. Dacă din rezolvarea inegalităţilor 12.12 nu rezultă un domeniu de valabilitate pentru Px, ipoteza de funcţionare a orificiilor nu este corectă şi ea trebuie refăcută.

e) Se calculează diferenţele de presiune pj la cele 4 orificii cu relaţiile 12.12.f) Se face o repartizare a debitelor de aer pe orificiu proporţional cu diferenţele de

presiune calculate anterior. Pentru cazul studiat:(12.13)

g) Se calculează suprafaţa necesară o orificiilor cu relaţia:

, (12.14)

unde: Sj - suprafaţa necesară a orificiului (m2);Lj – debitul repartizat să treacă prin orificiul j(m3/s);Pj – diferenţa de presiune la orificiul j (Pa);a – densitatea aerului egală cu:- pentru orificiile 3 şi 4- pentru orificiile 1 şi 2 (kg/m3).h) Se verifică dacă suprafaţa orificiilor astfel determinată încape pe faţada unde va fi

amplasată, în caz contrar se va reface calculul cu alt Px sau alt tip de orificiu.

Calculul de verificare

Calculul de verificare se utilizează pentru încăperi existente unde se cunosc sarcinile termice, dimensiunile şi tipurile dispozitivelor de VNO şi este necesar să verifice dacă debitul ce poate fi vehiculat prin aceste dispozitive este suficient pentru a prelua căldura din încăpere. Pentru aceasta se efectuează operaţiile ae ca în situaţia precedentă şi după determinarea diferenţei de presiune la orificii se determină debitul de aer vehiculat prin acestea.

Debitul de aer se calculează cu relaţia:

(12.15)

unde: Lj – debitul de aer se vehiculează prin orificiul j celelalte notaţii au semnificaţiile din relaţia ????????. pentru ca instalaţia de VNO să fie eficientă trebuie ca debitul de aer necesar pentru încăperea respectivă, L, calculat cu relaţia 12.6, să satisfacă relaţia:

L1+L2L (12.16)