Hoofdstuk 18. Luchtverdeling in gebouwen. Inleiding Gedrag van jets XVIII/1

Transcriptie

1 Hoofdstuk 18 Luchtverdeling in gebouwen Inleiding Het belangrijkste doel van een HVAC-installatie is comfort en geschikte IAQ te brengen in de gebruikte zones van een gebouw. Een belangrijke stap in dit proces is lucht toevoeren in een ruimte, op zo een manier dat natuurlijke luchtstromen en stralingseffecten in een ruimte worden tegengewerkt en om er voor te zorgen dat temperatuur, luchtvochtigheid en luchtsnelheden binnen aanvaardbare voorwaarden worden gehouden. Dit wordt voornamelijk gerealiseerd door lucht toe te voegen op optimale locaties met voldoende snelheid, zodat de lucht in het lokaal wordt ingemengd. De menging zal er voor zorgen dat warmte of koude wordt toegevoerd aan de lokaallucht. De jets zorgen ook voor een afvoer van contaminanten in het gebouw. De uitdaging is goede menging te realiseren zonder oncomfortabele tocht te creëren en er voor te zorgen dat er een aanvaardbare uniforme temperatuur in de ruimte heerst. Dit moet gebeuren zonder onaanvaardbare wijzigingen in de lastcondities van de ruimtes. Ontwerp houdt verder ook de selectie in van goede diffusoren en roosters om geluid en drukval te beperken Gedrag van jets Geconditioneerde lucht wordt normaliter toegevoerd aan roosters met snelheden die niet aanvaardbaar zijn????? ruimtes. De luchttemperatuur kan hoger, gelijk of lager zijn dan de kamertemperatuur. Goede luchtverdeling zorgt er voor dat de kamerlucht wordt aangezogen en gemengd in de primaire luchtstroom, wat de temperatuur doet dalen tot aanvaardbare waarden qua comfort. Dit werkt ook de natuurlijke convectie en straling tegen in de ruimte. De luchtworp van vrije ronde openingen, roosters, geperforeerde panelen, plafonddiffusors en andere uitlaten is gerelateerd aan de gemiddelde luchtsnelheid in het vlak van uitlaat. Een vrije jet heeft vier expansiezones en de snelheid op de middellijn is gerelateerd aan de initiële snelheid, zoals getoond in figuur Onafhankelijk van de vorm van opening zal de jet er naar streven rond te zijn. In zone III, de meest belangrijke zone voor luchtverdeling in een ruimte, is het verband tussen de snelheid op de centrale as en de initiële snelheid gegeven door: Vx V0 A0 = K (18.1a) x of Vx = KQ& o A0x (18.1b) XVIII/1

2 met V x = de snelheid op de as (m/s) V 0 = de initiële snelheid (m/s) A 0 = sectie aan de initiële snelheid (m²) x = afstand vanaf de uitlaat (m) Q 0 = luchtdebiet (m³/s) K = constante (-). Figuur Vergelijkingen 18.1a en 18.1b gelden strikt genomen enkel voor vrije jets op een zelfde temperatuur als de kamer. Maar voor de juiste definities van A en K kunnen ze de worp voorspellen voor alle types uitlaten. De worp (E: throw) is de afstand vanaf de uitlaat tot waar de maximale snelheid van de jet is afgenomen tot een zekere waarde (zoals 0.25, 0.5 of 0.75 m/s). De constante K varieert van 6 voor vrije jets tot 1 bij plafonddiffusoren. De jet expandeert door de meesleuring van de kamerlucht. De lucht na zone II is een mengsel van primaire en geïnduceerde lucht. De verhouding van het totale volume van de jet tot het initieel volume van de jet op een zekere afstand van de oorsprong hangt in sterke mate af van de verhouding van de initiële snelheid en de eindsnelheid. De inductieverhouding is gegeven door: Q& x Q& o V = C 0 Vx (18.2) met Q x = luchtdebiet op afstand x van de uitlaat (m³/s) C = meesleuringscoëfficiënt, 2 voor een ronde vrije jet (-). In zone IV, waar de eindsnelheid laag is, geeft vergelijking 11.2 waarden van 20 %. Als een jet wordt geworpen evenwijdig met en dicht tegen een oppervlak, dan is de meesleuring of inductie beperkt aan deze zijde van de jet. Een lage druk zone ontstaat tussen het oppervlak en de jet, waardoor de jet zich aanhecht aan het oppervlak. Dit XVIII/2

3 fenomeen heeft plaats als de uitlaathoek tussen jet en oppervlak kleiner is dan 40 en als de jet zich op minder dan ongeveer 0.3 m van het oppervlak bevindt. Een jet onder een plafond is aangetrokken naar het plafond. Dit zorgt er voor dat de worp langer wordt en de val (E: drop) van horizontale jets afneemt (figuur 18.2). Archimedeskrachten zorgen er voor dat een warme (in vergelijking met de ruimtetemperatuur) jet omhoog buigt en een koude jet naar beneden. Dit zorgt er voor dat de worp korter wordt bij werpsnelheden lager dan 0.76 m/s. De onderste figuur op figuur 18.2 toont de val voor een koude jet. Figuur Algemeen kan gesteld worden dat: 1. oppervlakte-effecten de worp verlengen en de val verlagen in vergelijking tot vrije jets 2. een toegenomen oppervlakte-effect kan bereikt worden door de jet een beetje van het oppervlak te verwijderen, zodat hij na impact beter verdeeld over het oppervlak 3. een beter oppervlakte-effect wordt bekomen als de jet wordt verspreid over het oppervlak bij uitblazen 4. verdelen van de lucht verkleint de worp en de val 5. val hangt vooral af van de luchthoeveelheid en slechts deels van de uitlaatgrootte en snelheid. Het gebruik van meer uitlaten met minder lucht per uitlaat reduceert de val Luchtbeweging in kamers Kamerlucht die wordt meegesleurd in de jet moet worden vervangen door andere. De kamerlucht beweegt dus naar de blaasmonden toe en zet alle ruimtelucht in beweging. Als de gemiddelde luchtsnelheid in de kamer kleiner is dan 0.25 m/s, spelen Archimedeskrachten een rol. In het algemeen zijn 8 tot 10 luchtverversingen per uur (ACH) XVIII/3

4 nodig om stagnatiezones (v < 0.1 m/s) te vermijden. Stagnatiezones zijn echter niet bij definitie een probleem. De algemene aanpak is er voor te zorgen dat de hoge luchtsnelheden van de pulsielucht zich niet in de bewoonde zone bevinden. De zone 0.3 m van de muren en 2 meter van de vloer is hiervoor geschikt. Figuur 18.3 toont de snelheidverdeling voor een hoge zijmuur uitlaat. Vergelijking 18.1a werd gebruikt om de worp en de snelheden te bepalen. Om de luchtsnelheden in termen comfort te interpreteren is het nodig de lokale luchttemperaturen te kennen in functie van de snelheid. Het verband tussen de snelheden op de as en de temperatuurverschillen is bij benadering gegeven door: V t x x = 0.8 to (18.3) V0 met t x en t 0 de temperatuurverschillen tussen lokale luchtstroom en de kamertemperatuur en de uitlaattemperatuur en de kamertemperatuur. Figuur 18.3 toont ook deze temperatuurverschillen. Figuur Basis stromingspatronen Uitlaten of pulsiemonden worden geklasseerd in vijf groepen: Groep A Uitlaten dicht bij het plafond en met horizontale worp Groep B Uitlaten dicht bij de vloer en met verticale worp, niet verspreidend Groep C Uitlaten dicht bij de vloer en met horizontale worp, verspreidend Groep D Uitlaten dicht bij de vloer en met horizontale worp Groep E Uitlaten dicht bij het plafond en met verticale worp. De belangrijkste stromingspatronen zijn getoond in figuren 18.4 tot De hoge snelheids primaire lucht zones zijn grijs gekleurd. Dit zijn zones met een hoge impuls. Natuurlijke convectie-effecten zijn evident in alle gevallen. Merk op dat stagnatiezones steeds een hoge temperatuurgradiënt hebben. Als dit gebeurt in de bewoonde zone, dan moet er lucht in dit deel geworpen worden om menging te bevorderen. Een ideale conditie zou optreden als de luchttemperatuur uniform is vanaf de vloer tot op 2m hoogte. 2 C temperatuurverschil vinden 85 % van de gebruikers echter acceptabel. XVIII/4

5 De omtreksuitlaten zijn getoond in figuur 18.4, groep C. Deze worden in het algemeen als de beste gezien. Dit geldt vooral als de vloer zich boven een niet verwarmde ruimte of zich op de grond bevindt en als er aanzienlijke glasoppervlakken zijn in de muur. Diffusoren met een wijde spreiding zijn het best voor verwarming, omdat de Archimedeskrachten de worp vergroten. Om dezelfde reden is voor koeling een brede spreiding niet goed, omdat de worp dan niet genoeg menging zal veroorzaken. Figuur De omtreksuitlaat van een niet verspreidende uitlaat van groep B is adequaat voor koeling. Figuur 18.5 toont een typische koelingtoepassing. Er wordt getoond dat een niet spreidende jet minder gunstig is voor verwarming, omdat grotere stratificatiezones ontstaan. Er bestaan diffusoren die kunnen worden aangepast van spreidend naar niet spreidend naargelang het seizoen. Figuur Het hoge zijmuur geplaatst type pulsiemond, groep A, is getoond in figuur Deze wordt vaak gebruikt in milde klimaten en op de tweede en hogere verdiepen in gebouwen met meerder verdiepen. Dit type is niet geschikt voor koude klimaten en met niet verwarmde vloeren. Figuur 18.6 toont aan dat een vrij grote temperatuurgradiënt kan bestaan tussen de vloer en het plafond bij verwarming. Voor koeling wordt echter een goede luchtbeweging en uniforme temperatuur bekomen. XVIII/5

6 De plafonddiffusor, groep A, in figuur 18.6 is zeer populair in commerciële toepassingen. De patronen van figuur 18.6 zijn kenmerkend. Omdat de primaire lucht radiaal in alle richtingen wordt geworpen, is het meegesleurde debiet hoog, waardoor de hoge impuls jet snel diffundeert. Deze eigenschap laat toe dat deze pulsiemond hogere debieten bij hogere snelheid kan verwerken dan andere types. Figuur 18.6 toont dat deze plafonddiffusor effectief is voor koeling, maar slecht voor verwarming. Figuur Lineaire T-bar diffusors vallen in groep A en zijn veel gebruikt in VAV applicaties, omdat ze een goede stromingskarakteristiek hebben bij gereduceerde debieten. Dit type pulsiemond is echter niet zo goed voor verwarming. Een tweede systeem vaak in de omtrek zal nodig zijn hiervoor. Groep D diffusoren zijn getoond in figuur 18.7 en zijn voor speciale toepassingen. Groep E in figuur 18.8 zijn neerwaarts geworpen jets en deze zijn eveneens voor bijzondere toepassingen. Aangezien lucht afvoerroosters van alle richtingen en met lage snelheid nadert is de plaatsing van de afvoerroosters van minder belang. Vanuit het standpunt van energiezorg is het best om de koudste lucht naar de verwarmingsbatterij te voeren en de warmste lucht naar de koelbatterij, zodat de stagnatiezone de beste plaats is voor de afvoermond. In hoge ruimtes, atria en ruimtes met hoge verticale glaspartijen en waar de hoogste regionen niet bezet zijn, is luchtstratificatie een veel toegepaste energiezuinige techniek en afvoer zal daar best niet geplaatst worden. De afvoermonden moeten altijd zo geplaatst worden dan kortsluiting van de primaire lucht wordt vermeden. XVIII/6

7 Figuur Figuur XVIII/7