Wstęp

Dwa podstawowe parametry, od których rozpoczyna się dobór centrali wentylacyjnej, to wydajność powietrza i wymagany spręż dyspozycyjny, na przykład 10 000 m³/h i 500 Pa.

Pierwszy określa ilość powietrza, którą centrala ma przetłaczać. Drugi mówi, jakie opory instalacji zewnętrznej urządzenie ma pokonać przy tej wydajności. Aby właściwie zrozumieć ten parametr i dane z karty doboru wentylatora, trzeba rozróżnić ciśnienie statyczne, dynamiczne i całkowite, które omówimy w tym artykule.

Ciśnienie statyczne – ciśnienie panujące w kanale

Ciśnienie statyczne to ciśnienie wywierane przez powietrze na otaczające je powierzchnie, w tym na ścianki kanału. Występuje zarówno w powietrzu nieruchomym, jak i przepływającym.

W wentylacji podajemy je zwykle względem ciśnienia otoczenia. Wynik +300 Pa oznacza nadciśnienie, a −200 Pa – podciśnienie. Pomiar wykonujemy manometrem podłączonym do małego otworu w ściance kanału lub odpowiednią sondą.

Ciśnienie statyczne wykorzystuje się między innymi podczas regulacji i diagnostyki instalacji. Nie uwzględnia ono jednak bezpośrednio energii związanej z prędkością przepływu.

Ciśnienie dynamiczne – energia ruchu powietrza

Ciśnienie dynamiczne zależy od gęstości powietrza i jego prędkości:

pd=ρv22\displaystyle p_d=\frac{\rho v^2}{2}

gdzie:

ρ – gęstość powietrza [kg/m³],

v – prędkość powietrza[m/s].

Np. dla prędkości powietrza 5 m/s i gęstości 1,2 kg/m³ ciśnienie dynamiczne wynosi 15 Pa, a dla prędkości 10 m/s, czyli 2-krotnie większej wynosi już 60 Pa. Podwojenie prędkości przepływu powietrza w kanale wentylacyjnym powoduje więc czterokrotny wzrost ciśnienia dynamicznego.

Dla stałego przepływu powietrza zmniejszenie przekroju kanału powoduje więc wzrost prędkości, a tym samym ciśnienia dynamicznego. Ciśnienie dynamiczne nie jest jednak stratą: gdyż energia ruchu może zostać częściowo zamieniona na ciśnienie statyczne.

Ciśnienie całkowite – suma dwóch składników

Ciśnienie całkowite jest sumą ciśnienia statycznego i dynamicznego:

pt=ps+pd\displaystyle p_t=p_s+p_d

Jeżeli ciśnienie statyczne w kanale wynosi 300 Pa, a dynamiczne 60 Pa, ciśnienie całkowite wynosi 360 Pa.

Wyobraźmy sobie, że pole przekroju poprzecznego kanału się zwiększa, np. 2-krotnie.

Co się dzieje z prędkością powietrza?

Powietrze zwalnia z 10 do 5 m/s.

A co się dzieje wówczas z ciśnieniem statycznym?

Jeoretycznie, gdyby przepływ odbywał się bez strat, całe 45 Pa zostałoby przekształcone we wzrost ciśnienia statycznego. W rzeczywistości jednak podczas przepływu występują straty energii spowodowane tarciem, lepkością powietrza oraz powstającymi zawirowaniami.

Załóżmy, że strata ciśnienia całkowitego na rozszerzeniu wynosi 10 Pa. W takim przypadku z 45 Pa spadku ciśnienia dynamicznego odzyskamy 35 Pa w postaci wzrostu ciśnienia statycznego.

Pozostałe 10 Pa to bezpowrotna strata energii mechanicznej przepływu. Energia ta nie znika, lecz zostaje rozproszona i ostatecznie zamieniona w ciepło.

Zjawisko wzrostu ciśnienia statycznego wskutek zmniejszenia prędkości powietrza nazywamy odzyskiem ciśnienia statycznego (static regain). Im korzystniejsze warunki przepływu przez rozszerzenie, tym mniejsze straty i większy możliwy odzysk.

Czy można odzyskać ciśnienie w instalacji wentylacyjnej? Static Regain w praktyce

Zjawisko odzysku ciśnienia statycznego wykorzystuje się w metodzie projektowania instalacji wentylacyjnych nazywanej Static Regain Method.

W rozbudowanej instalacji nawiewnej powietrze przepływa głównym kanałem, od którego odchodzą kolejne odgałęzienia. Za każdym odgałęzieniem ilość powietrza płynącego głównym kanałem jest mniejsza.

Jeżeli przekrój kanału pozostanie taki sam, prędkość powietrza spadnie, a wraz z nią ciśnienie dynamiczne. Część tej energii może zostać przekształcona w ciśnienie statyczne.

Na tym właśnie opiera się metoda static regain.

Projektant dobiera przekroje kolejnych odcinków kanałów tak, aby wzrost ciśnienia statycznego wynikający ze zmniejszenia prędkości możliwie dokładnie równoważył straty ciśnienia powodowane przez tarcie i opory miejscowe.

W rezultacie ciśnienie statyczne w kolejnych punktach magistrali może utrzymywać się na zbliżonym poziomie, mimo że podczas przepływu powietrza stale występują straty energii.

Dla porównania, popularna metoda stałych jednostkowych strat ciśnienia (Equal Friction Method) polega na dobieraniu przekrojów kanałów tak, aby straty ciśnienia na jednostkę ich długości były w przybliżeniu jednakowe.

Metoda static regain pozwala lepiej wykorzystać energię ruchu powietrza i może ograniczyć różnice ciśnienia między poszczególnymi odgałęzieniami. Dzięki temu można zmniejszyć potrzebę dławienia przepływu na przepustnicach regulacyjnych, a w korzystnych warunkach również zużycie energii przez wentylator.

Nie oznacza to jednak, że instalacja staje się automatycznie wyregulowana. Nadal trzeba uwzględniać opory odgałęzień, wymagane przepływy i przeprowadzić odpowiednią regulację.

Metoda static regain jest znana od dziesięcioleci, nie jest to więc żadna nowa technologia, jednak z uwagi na konieczność dokonywania żmudnych obliczeń, przed erą komputeryzacji nie była w praktyce szerzej wykorzystywana.

Obecnie jest jednym ze sposobów projektowania instalacji, w którym świadomie wykorzystuje się zależność między prędkością powietrza a ciśnieniem statycznym.

Czym jest spręż dyspozycyjny centrali?

W instalacji wentylacyjnej wentylator centrali musi pokonać opory dwóch części układu.

Pierwsza część to sama centrala: filtry, wymienniki, nagrzewnice, chłodnice, przepustnice i opory wynikające z jej konstrukcji.

Druga część to instalacja zewnętrzna: kanały, kształtki, tłumiki, czerpnie, przepustnice regulacyjne i zakończenia wentylacyjne.

Spręż dyspozycyjny to ciśnienie, którym centrala dysponuje na pokonanie oporów instalacji zewnętrznej przy określonym przepływie powietrza.

Zgodnie z normą EN 13053 spręż dyspozycyjny centrali oblicza się, odejmując ciśnienie statyczne na wlocie od ciśnienia statycznego na wylocie.

Nie jest to więc spręż samego wentylatora. Jeśli centrala ma zapewniać 500 Pa sprężu dyspozycyjnego, jej wentylator musi wytworzyć ciśnienie wystarczające zarówno do pokonania tych 500 Pa, jak i strat wewnętrznych urządzenia.

Przykład: centrala 10 000 m³/h i 500 Pa

Załóżmy, że projektowana instalacja wymaga 500 Pa sprężu dyspozycyjnego, a straty wewnątrz centrali przy przepływie 10 000 m³/h wynoszą:

  • filtry – 120 Pa,
  • wymiennik odzysku ciepła – 200 Pa,
  • nagrzewnica – 40 Pa,
  • chłodnica – 200 Pa,
  • pozostałe opory – 40 Pa.

Łącznie daje to 600 Pa strat ciśnienia całkowitego. Łącznie daje to 600 Pa strat ciśnienia całkowitego.

Przyjmijmy również, że prędkość i gęstość powietrza na wlocie i wylocie centrali są jednakowe.

W takich warunkach wymagany spręż całkowity wentylatora wynosi:

Δpt,w=600+500=1100 Pa\displaystyle \Delta p_{t,w}=600+500=1100\ \mathrm{Pa}

Z tych 1100 Pa, 600 Pa przypada na straty wewnętrzne, a 500 Pa odpowiada sprężowi dyspozycyjnemu. Gdy prędkości na przyłączach centrali są różne, w bilansie trzeba dodatkowo uwzględnić różnicę ciśnień dynamicznych między wlotem a wylotem. W naszym przykładzie jest ona równa zeru.

Spręż statyczny wentylatora a spręż dyspozycyjny centrali

W katalogach wentylatorów spotkamy spręż całkowity i statyczny. Spręż statyczny wentylatora jest równy jego sprężowi całkowitemu pomniejszonemu o ciśnienie dynamiczne na wylocie samego wentylatora:

Δps,w=Δpt,w−pd,wyl\displaystyle \Delta p_{s,w}=\Delta p_{t,w}-p_{d,\mathrm{wyl}}

Jeżeli w naszym przykładzie ciśnienie dynamiczne na wylocie wentylatora wynosi 60 Pa, to sprężowi całkowitemu 1100 Pa odpowiada spręż statyczny 1040 Pa.

Mamy więc trzy wartości dla tego samego punktu pracy: 1100 Pa sprężu całkowitego wentylatora, 1040 Pa jego sprężu statycznego i 500 Pa sprężu dyspozycyjnego centrali. Przy porównywaniu danych katalogowych trzeba sprawdzić, którego parametru dotyczy wykres.

Co się stanie, gdy rzeczywiste opory instalacji będą niższe lub wyższe od projektowanych?

Zapis „10 000 m³/h przy 500 Pa” opisuje konkretny punkt pracy. W instalacji o niezmienionej konfiguracji opory zmieniają się w przybliżeniu z kwadratem przepływu.

Jeśli przy 10 000 m³/h wynoszą 500 Pa, to przy 8000 m³/h otrzymamy:

Δp2=500⋅(800010000)2=320 Pa\displaystyle \Delta p_2=500\cdot\left(\frac{8000}{10000}\right)^2=320\ \mathrm{Pa}

320 Pa to opory tej samej instalacji przy mniejszej wydajności.

Co by się jednak stało, gdybyśmy przez tę samą instalację chcieli przepuścić 12 000 m3/h zamiast 10 000?

Sprawdźmy…

Δp2=500⋅(1200010000)2=720 Pa\displaystyle \Delta p_2=500\cdot\left(\frac{12000}{10000}\right)^2=720\ \text{Pa}

Opory instalacji wzrosną z 500 Pa do 720 Pa. Oznacza to, że zwiększenie wydajności o 20% wymaga aż o 44% większego sprężu dyspozycyjnego.

Zależność ta działa również w drugą stronę. Jeżeli rzeczywiste opory instalacji okażą się wyższe od projektowanych, wentylator pracujący ze stałą prędkością obrotową będzie zazwyczaj dostarczał mniej powietrza.

O ile mniej? To zależy od charakterystyki konkretnego wentylatora, która pokazuje, jakie ciśnienie może on wytworzyć przy różnych wydajnościach. Sama informacja o dodatkowych 100 czy 200 Pa nie wystarcza do obliczenia nowego przepływu.

Aby utrzymać wymaganą wydajność pomimo wzrostu oporów, stosuje się regulatory stałego przepływu. Automatyka zwiększa wówczas obroty wentylatora, ale tylko w granicach możliwości wentylatora i jego napędu.

Dlatego podczas doboru centrali warto uwzględnić pewien zapas sprężu, wynikający z możliwych różnic między oporami projektowanymi a rzeczywistymi.

Dlaczego podczas doboru centrali trzeba uwzględnić stan filtrów?

Wróćmy do centrali o stratach wewnętrznych wynoszących 600 Pa. Jeśli wskutek zabrudzenia filtrów ich opory wzrosną ze 120 do 240 Pa, łączne straty wewnętrzne centrali zwiększą się do 720 Pa.

Aby nadal zapewniać wydajność 10 000 m³/h przy sprężu dyspozycyjnym 500 Pa, wentylator będzie potrzebował już 1220 Pa zamiast 1100 Pa sprężu całkowitego – przy zachowaniu pozostałych założeń z naszego przykładu.

Dlatego podczas doboru centrali należy określić, jakie opory filtrów przyjęto do obliczeń. Czy odpowiadają one filtrom czystym, średnio zabrudzonym, czy też maksymalnemu dopuszczalnemu spadkowi ciśnienia tuż przed ich wymianą?

Sama informacja, że wentylator ma „zapas sprężu”, nie zastępuje takiego sprawdzenia.

Co sprawdzić przed zamówieniem centrali?

Projektant określa wymagany przepływ powietrza i opory instalacji zewnętrznej (spręż dyspozycyjny). Producent uwzględnia straty wewnętrzne centrali i dobiera wentylator, który zapewni wymagane parametry.

Trzeba przy tym jednoznacznie ustalić, co należy do centrali, a co do instalacji zewnętrznej. Jeśli tłumik znajduje się już w urządzeniu, jego oporu nie wolno ponownie doliczać do oporów instalacji.

Warto również sprawdzić pobór mocy i zakres regulacji wentylatora – zarówno przy początkowych oporach, jak i przy ich przewidywanym wzroście podczas eksploatacji.

Podsumowanie

Ciśnienie statyczne, dynamiczne i całkowite są ze sobą ściśle powiązane. Zrozumienie zależności między nimi pozwala właściwie interpretować charakterystyki wentylatorów, analizować opory przepływu i prawidłowo określać wymagany spręż dyspozycyjny centrali wentylacyjnej.

Sam spręż dyspozycyjny nie jest wartością stałą, niezależną od przepływu powietrza. Dlatego parametry takie jak 10 000 m³/h i 500 Pa należy zawsze rozpatrywać łącznie, jako określony punkt pracy urządzenia.

Prawidłowy dobór centrali wymaga nie tylko znajomości projektowanych oporów instalacji zewnętrznej, ale również uwzględnienia strat wewnętrznych urządzenia, ich zmian podczas eksploatacji oraz możliwości regulacyjnych zespołu wentylatorowego.

Warto o tym pamiętać zarówno na etapie projektowania i zamawiania centrali, jak i podczas jej późniejszej eksploatacji. Ostatecznie nie chodzi przecież o uzyskanie określonej wartości ciśnienia w dokumentacji, lecz o zapewnienie wymaganej ilości powietrza w rzeczywistych warunkach pracy instalacji.