Klimaatbeheersing (1) E. Gernaat (ISBN 978-90-808907-6-3) Uitgave 2016 1 Introductie klimaatbeheersing Verwarming en koeling als klimaatbeheersing zijn zaken die te maken hebben met het behaaglijkeidsgevoel van de mens. De mens zal een klimaat creëren waarin hij zich comfortabel voelt. Willen we apparatuur ontwikkelen waarmee we het klimaat willen beïnvloeden (verwarmen, koelen, lucht zuiveren) dan zullen we moeten nagaan onder welke klimatologische omstandigheden de mens zich prettig voelt. Het lichaam produceert meer warmte dan nodig is. Om de lichaamstemperatuur op 37 0 C te houden moet in de zomer veel warmte worden afgevoerd. Klimaatbeheersing kan natuurlijk ook belangrijk zijn voor het transport van goederen, denk bijv. aan bloemen. De klimaateisen zullen dan aanzienlijk kunnen verschillen. De thermische behaaglijkheidsleer is het vakgebied dat het klimaat definiëert waarin de mens zich prettig voelt. De beheersing van het micro-klimaat, dat wil zeggen het klimaat in een afgesloten ruimte, betekent dat we de volgende klimaatfactoren willen beïnvloeden: de kwaliteit van de lucht; de luchtsnelheid; de luchtvochtigheid; de luchttemperatuur; de wandtemperatuur. 1.1 De luchtkwaliteit Op druk bereden wegen zal de kwaliteit van de lucht worden aangetast door een onzichtbare hoeveelheid uitlaatgassen, roet en stof. Hoge concentraties van deze bijzonder ongezonde stoffen zullen optreden bij stoplichten en het rijden in files met veel stoppen en wegtrekken. Bij de door de auto veroorzaakte verontreinigingen kunnen we nog de natuurlijke verontreinigingen zoals pollen optellen. Onderzoeken hebben inmiddels aangetoond dat het op de snelwegen gaat om concentraties die gemiddeld 6x hoger zijn dan in gebieden zonder noemenswaardig autoverkeer. Het geheel aan verontreinigingen kan verantwoordelijk zijn voor allerlei soorten longproblemen. In de lente zorgen met name de pollen voor allergische reacties die weer voor een verhoging van het ongevalsrisico zorgen. Het ventilatiesysteem van de auto werkt als een stofzuiger die 1
al deze verontreinigingen aanzuigt en in het interieur van de auto blaast. Het filteren van de aangezogen lucht is dus bittere noodzaak. Het standaard toegepaste interieurfilter staat bekend onder een AC-filter (air cabin) en is gemaakt van een elektrostatisch geladen kunstvezel. Kwalitatief beter is een combifilter waaraan een actieve koolstoflaag is toegevoegd. Dit filter staat bekend onder een ACC-filter (air cabin with activated carbon). Zie fig. 1. De koolstof uit een ACC-filter wordt verkregen uit kokosnootschalen en werkt als een absorbtiefilter dat voor 95% de roetdeeltjes en de schadelijke stoffen als stikstofoxide, zwaveldioxide, ozon en koolwaterstoffen uit het interieur houdt. Het filtergedeelte is in staat om deeltjes kleiner als 0,001 mm tegen te houden. De levensduur van een dergelijk filter wordt gesteld op 1 jaar of 15000 km. Bij de duurdere Figuur 1: Een ACC-filter bestaande uit het deeltjes filter en het aktieve koolfilter voertuigen wordt door een drukverschilmeting de mate van vervuiling van het filter gemeten. Bij een drukverschil van meer dan 20 mbar wordt de bestuurder gewaarschuwd (fig. 2). Fig. 3 laat het verloop van de filterweerstand zien in relatie tot de werkingstijd. 1.2 De luchtsnelheid Omdat we het interieur van de de auto met lucht verwarmen en koelen zal een (kachel)ventilator voor de luchtverplaatsing nodig zijn. Na opwarming of afkoeling bezit de lucht verwarmings- of koelingsenergie. De hoeveelheid verwarmde of afgekoelde lucht hangt af van het aantal m 3 per tijdseenheid. Bij nauwe verwarmingskanalen zullen we dus een grote luchtsnelheid nodig hebben om de vereiste hoeveelheid lucht (energie) te verplaatsen. Een hoge luchtsnelheid wordt al snel als tocht ervaren. In de verwarmingstechniek wordt gesteld dat de luchtsnelheid de 0,25 m/s niet mag overschrijden. 2
Figuur 2: Het drukverschil in het filter is een maat voor de vervuiling. Bij 20 mbar dient het filter te worden vervangen. Figuur 3: Filter 1 en Filter 2 laten de vervangstijd zien van twee filters van verschillende kwaliteit. 3
1.3 De atmosferische luchtvochtigheid We maken onderscheid tussen de absolute en relatieve luchtvochtigheid. Onder de absolute vochtigheid verstaan we de hoeveelheid (massa) waterdamp die 1 m 3 lucht bevat. We drukken dit uit in g/m 3. De maximale hoeveelheid waterdamp die de lucht kan bevatten hangt af van de temperatuur. We spreken dan van de maximale waterdampspanning. De maximale waterdampspanning halen we uit een tabel. Wanneer we de waterdampspanning hebben opgezocht dan kan de maximale hoeveelheid water worden berekend met behulp van de formule: absolute luchtvochtigheid (g/m 3 ) = 2,2 x (p waterdamp (Pa) / T (K)) Als we maximale absolute vochtigheid bij verschillende temperaturen uitrekenen dan kunnen we de waterdampspanningstabel uitbreiden met de maximum absolute vochtigheid. Dit is gedaan in fig. 4. De temperatuur waarbij de maxi- 0 C kpa g/m3 0 C kpa g/m3 0 C kpa g/m3 10 0,287 2,40 6 0,935 7,37 22 2,64 19,69 9 0,310 2,58 7 1,00 7,86 23 2,81 20,89 8 7 0,335 0,362 2,78 2,99 8 9 1,07 1,15 8,38 8,97 24 25 2,98 3,17 22,07 23,40 6 0,390 3,21 10 1,23 9,56 26 3,36 24,72 5 0,422 3,46 11 1,31 10,15 27 3,56 26,11 4 0,455 3,72 12 1,40 10,80 28 3,78 27,63 3 0,489 3,98 13 1,50 11,54 29 4,00 29,14 2 0,527 4,28 14 1,60 12,26 30 4,24 30,79 1 0,568 4,59 15 1,70 12,99 31 4,49 32,49 0 0,611 4,92 16 1,82 13,85 32 4,75 34,26 1 0,656 5,27 17 1,94 14,71 33 5,03 36,16 2 0,705 5,64 18 2,06 15,57 34 5,32 38,12 3 0,757 6,03 19 2,20 16,58 35 5,62 40,14 4 0,813 6,46 20 2,34 17,57 36 5,94 42,29 5 0,872 6,90 21 2,49 18,63 37 6,27 44,50 Figuur 4: De tabel geeft de maximale absolute vochtigheid weer in relatie tot de luchttemperatuur. male absolute vochtigheid optreedt noemt men ook wel de dauwtemperatuur. In de klimaattechniek werken we echter voornamelijk met de relatieve vochtigheid. Een relatieve luchtvochtigheid van 50% wil zeggen dat de lucht 50% van het vocht bevat dat deze bij een bepaalde temperatuur maximaal kan bevatten. We kunnen ook zeggen dat de tabel van fig. 4 een relatieve vochtigheid van 100% weergeeft. Lucht met een lage relatieve vochtigheid kan nog (veel) vocht uit zijn omgeving opnemen. Zowel een te lage als een te hoge relatieve vochtigheid wordt als onaangenaam ervaren. Fig. 5 geeft de relatie tussen temperatuur 4
en relatieve vochtigheid weer. Het gearceerde gebied wordt nog als behaaglijk ervaren. Figuur 5: Binnen het gearceerde gebied wordt het klimaat als aangenaam ervaren. We zien dat bij een lage relatieve vochtigheid hogere temperaturen beter te verdragen zijn (tek. Delphi Diavia). 1.4 De lucht- en wandtemperatuur De luchttemperatuur wordt in veel gevallen als graad voor de behaaglijkheid gebruikt. Behalve de eerder genoemde luchtvochtigheid speelt ook de wandtemperatuur een grote rol in het behaaglijkheidsgevoel. Dit komt omdat de stralingswarmte als het meest aangenaam wordt ervaren. Straling is een vorm van warmtetransport zonder medium. We voelen koude of warmte ook zonder in aanraking te komen met een luchtstroom. De straling van de zon is iedereen bekend. We merken ogenblikkelijk het effect wanneer we uit de zon en in de schaduw gaan. De wandtemperatuur zorgt derhalve voor straling. Er wordt in de verwarmingstechniek wel gesteld dat een wandtemperatuur van 20 0 C in combinatie met een luchttemperatuur van 18 0 C als een ideaal klimaat wordt ervaren. 2 De ideale omgeving Het afvoeren van de lichaamswarmte (in de zomer veel, in de winter weinig) gebeurt door natuurlijke processen. Deze processen gebeuren tegelijkertijd. De processen zijn (fig. 6): 5
stroming of convectie; straling of radiatie; verdamping. Volledigheidshave noemen we ook nog geleiding of conductie van warmte. Deze vorm van warmte-overdracht vindt plaats door de atomen van de stof zelf, denk aan het warm worden en afkoelen van buizen. Wanneer vloeistof (vocht) Figuur 6: De koelingsinvloeden op de behaaglijkheid van de mens. overgaat in damp dan spreken we van verdamping. Voor verdamping is warmte nodig. Wanneer het vocht overgaat in damp dan wordt er warmte aan het oppervlak onttrokken. Het oppervlak wordt dan gekoeld. Wanneer het lichaam transpireert en derhalve afkoelt door verdamping dan wil dat zeggen dat de lichaamskoeling door straling en stroming onvoldoende was. Het constant houden van de lichaamstemperatuur wordt door straling het meest aangenaam ervaren en door verdamping (transpiratie) het minst. De manier waarop warmte wordt afgestaan of opgenomen door het menselijk lichaam hangt af van: de luchttemperatuur; de wandtemperatuur; de luchtvochtigheid; de luchtbeweging (minder dan 0,25 m/s). We zijn nu in staat om het ideale klimaat te definiëren. Omdat straling als aangenaam wordt ervaren zijn warme wanden met een lage luchttemperatuur gunstig. Bijv. lucht van 18 0 C en een wandtemperatuur van 20 0 C. De relatieve luchtvochtigheid mag dan tussen de 30 en 70% liggen. Een hoge luchtsnelheid moet worden vermeden omdat dat al snel als tocht wordt ervaren. Een klimaatbeheersingsinstallatie zorgt voor verwarmen, koelen en lucht ont- of bevochtigen indien gewenst. Het zal duidelijk zijn dat de wandtemperatuur in een auto niet eenvoudig kan worden geregeld. 6
3 Relatie tussen behaaglijkheid en stress Wetenschappelijk is de laatste jaren aangetoond dat wanneer de temperatuur en vochtigheid van het klimaat toenemen, het lichaam hierop reageert met transpiratie en versnelde hartslag. Het menselijk lichaam moet harder werken hetgeen leidt tot vermoeidheid, onbehaaglijkheid en verminderde reactiesnelheid. Fig. 7 geeft deze verbanden weer. Figuur 7: Relatie tussen klimaat en stressfactoren als transpiratie, hartslag en lichaamstemperatuur. 4 Vragen en opgaven Voor de vragen zie het boek. 7