<sup>dr inż. Agnieszka Isańska-Ćwiek*
dr inż. Anna Napiórkowska*

*Katedra Klimatyzacji i Ciepłownictwa
 Wydział Inżynierii Środowiska
 Politechnika Wrocławska</sup>

Zadaniem nawiewników powietrza jest nie tylko dostarczenie do pomieszczenia odpowiedniego strumienia powietrza wentylującego lub klimatyzującego, ale również dystrybucja powietrza w sposób gwarantujący prawidłowy przepływ powietrza w całym pomieszczeniu. W wentylacji (albo klimatyzacji) projektowanej pod kątem zapewnienia komfortu cieplnego przebywającym w pomieszczeniu osobom, powietrze nawiewane powinno stale i równomiernie przepływać przez całą strefę przebywania ludzi, przy czym prędkość i temperatura powietrza powinny być dobrane w sposób nie wywołujący odczucia chłodu, gorąca lub przeciągu. Powietrze wentylujące powinno być usunięte z pomieszczenia dopiero po całkowitym wykorzystaniu jego właściwości asymilacyjnych.

Nieprawidłowy dobór nawiewników (typu i/albo liczby) prowadzi do powstawania w pomieszczeniu tzw. stref martwych (czyli takich, w których nie zachodzi wymiana powietrza) oraz stref, w których przekroczone są dopuszczalne prędkości, temperatury i wilgotności powietrza.

LOKALIZACJA NAWIEWNIKÓW POWIETRZA

Prawidłowa lokalizacja nawiewników powietrza jest bardzo istotna z uwagi na poprawność funkcjonowania całego systemu wentylacyjnego w pomieszczeniu. Usytuowanie nawiewników podyktowane jest wieloma kryteriami, między innymi takimi jak: kształt pomieszczenie, jego wysokość, wyposażenie, lokalizacja drzwi i okien, usytuowanie wywiewników czy istniejące przeszkody budowlane. Nawiewniki powietrza powinny być tak umieszczone, aby strumień powietrza z nich wypływający nie natrafiał na całej swojej drodze przez pomieszczenie, aż do osiągnięcia strefy przebywania ludzi, na żadne przeszkody typu oprawy oświetleniowe, podciągi, kolumny (słupy) itp. mogące zakłócić jego swobodny przepływ. Również ważna jest odległość pomiędzy nawiewnikami jak i od elementów budowlanych. Jeżeli wypływ strumienia powietrza znajduje się w pobliżu ściany czy stropu należy zwrócić uwagę na występowanie efektu Coandy, - polegającym na wydłużeniu zasięgu strumienia poprzez ślizganie się strugi po powierzchni przegrody. Czasami zjawisko to wykorzystywane jest celowo przy doborze rozmieszczenia nawiewników, ale nie uwzględnienie go może prowadzić do powstania zbyt dużych prędkości przepływu powietrza w strefie przebywania ludzi. Nawiewniki nie powinny znajdować się również zbyt blisko wywiewników, aby nie nastąpiło zjawisko tzw. krótkiego spięcia, czyli przepływu strumienia powietrza nawiewanego bezpośrednio do wywiewnika, bez przepływu przez strefę przebywania ludzi i zasymilowania zanieczyszczeń i zysków ciepła.

Nawiewniki powietrza ze względu na usytuowanie można podzielić na:
-ścienne (np. kratki wentylacyjne, dysze, nawiewniki szczelinowe),
-sufitowe (np. anemostaty),
-podłogowe (np. kratki wentylacyjne),
-przyścienne (np. nawiewniki wyporowe),
-specjalne (np. montowane w fotelach, stopniach, posadzce, zintegrowane z elementami wywiewnymi itd.).

Niektóre typy nawiewników charakteryzują się możliwością umieszczenia ich w zróżnicowany sposób (np. ścienne jako sufitowe i odwrotnie), a także producenci dopuszczają pracę pewnych rodzajów nawiewników jako elementy wywiewne.

Proces projektowania instalacji wentylacyjnej należy poprzedzić wykonaniem odpowiednich obliczeń strumienia powietrza wentylującego, a następnie wyborem rodzaju elementów nawiewnych i wywiewnych. Wybór typu nawiewników wynika przede wszystkim z rodzaju i charakterystyki pomieszczenia, w jakim będą one pracować oraz z wyboru ogólnego sposobu wymiany powietrza w systemie mieszającym lub wyporowym (Rys1.).

Rys.1. Przykładowe systemy wentylacji mieszającej i wyporowej.

Wentylacja mieszająca

Wentylacja mieszająca polega na zmieszaniu powietrza nawiewanego z powietrzem w pomieszczeniu, co powoduje wyrównanie pól temperatury, wilgotności i prędkości w całej przestrzeni. Jednocześnie zanieczyszczenia i zyski ciepła emitowane w pomieszczeniu są przejmowane i równomiernie rozcieńczane w całym pomieszczeniu. Najczęściej wentylowane jest całe pomieszczenie, ale bywają specyficzne przypadki, kiedy nie ma konieczności wentylowania całej przestrzeni (np. strefy podstropowej w wysokich i bardzo dużych pomieszczeniach - m.in. hale hipermarketów). Wtedy właściwy system wentylacji (lub klimatyzacji) projektuje się tylko dla strefy przebywania ludzi, bądź przestrzeni nieco większej, a nie dla całego pomieszczenia, zachowując zasady rozprowadzenia powietrza, jak dla kubatury zamkniętej

Wentylacja wyporowa polega na przepływie strumienia powietrza przez przestrzeń wentylowaną z niewielką prędkością powietrza rzędu 0,1 do 0,3m/s. Powietrze nawiewane przemieszczając się w kierunku elementów wywiewnych sprawnie usuwa zanieczyszczenia bez ich rozprzestrzeniania się po pomieszczeniu.
Sposób dystrybucji powietrza wynika z zastosowanego rodzaju przepływu powietrza przez pomieszczenie, który może być:

-tłokowy,
-wyporowy,
-turbulentny.

Rys. 2. Rodzaje dystrybucji powietrza

Przepływ tłokowy (Rys.2) polega na dostarczeniu do pomieszczenia znacznej ilości powietrza poprzez duże płaszczyzny (najczęściej perforowane) obejmujące strefę przebywania ludzi lub znajdujące się wzdłuż tej strefy (np. nawiew przez strop lub ścianę). Powietrze nawiewane z małą prędkością przepływa równomiernie przez całą przestrzeń w kierunku płaszczyzny przeciwległej, przetłaczając powietrze zużyte w kierunku otworów wywiewnych. Taki rodzaj przepływu powietrza ma zastosowanie w pomieszczeniach, w których ze względu na przeznaczenie wymagana jest wysoka czystość powietrza i w pomieszczeniach, w których niedopuszczalne jest krążenie jakichkolwiek zanieczyszczeń. Taka dystrybucja powietrza spotykana jest najczęściej w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, elektronicznym, a także w salach operacyjnych. Duże powierzchnie nawiewu pozwalają na doprowadzenie do pomieszczenia bardzo dużych strumieni powietrza z niewielkim prędkościami i zapewnienie dużych krotności wymian powietrza, co nie byłoby możliwe przy zastosowaniu innego typu nawiewników. Jednak konieczne jest przeznaczenie dużych powierzchni na elementy nawiewne.

Wyporowy przepływ powietrza ma zastosowanie zarówno w wentylacji i klimatyzacji komfortu, jak i w instalacjach przemysłowych. Zasada działania takiego systemu polega na nawiewaniu powietrza bezpośrednio do strefy przebywania ludzi (lub w jej pobliżu) z małymi prędkościami nawiewu (około 0,4 do 0,8m/s [3]), nie generującymi przepływów turbulentnych (Rys.2). Strumień powietrza po przewentylowaniu strefy przebywania ludzi unosi się konwekcyjnie w kierunku elementów wywiewnych, znajdujących się w górnej części pomieszczenia. Przepływ wyporowy po zasymilowaniu zanieczyszczeń może przechodzić w charakterystykę ruchów turbulentnych. Specjalne nawiewniki wyporowe stosuje się, jeżeli zachodzi konieczność dostarczenia znacznych ilości powietrza do strefy przebywania ludzi, przy jednoczesnym zachowaniu komfortowo niskich prędkości powietrza (co jest trudne do zrealizowania typowymi nawiewnikami w niezbyt dużych i niskich pomieszczeniach wymagających dużych krotności wymian powietrza w ciągu godziny). Nierzadko również różne procesy technologiczne wymagają sprawnej wentylacji opartej na dużych strumieniach powietrza i niskich prędkościach przepływu, którą realizuje się poprzez zastosowanie przepływów wyporowych. Dystrybucja wyporowa ma jednak tę wadę, że jest wrażliwa na zakłócenia przepływu powietrza wywołane np. ruchem osób lub urządzeń i dlatego nie zawsze może być polecana do wentylacji pomieszczeń o bardzo wysokich wymaganiach dotyczących czystości powietrza lub stabilności pól prędkości, temperatur i wilgotności. Przepływ wyporowy rzadko jest stosowany przy nawiewaniu powietrza o wyższej temperaturze niz temperatura powietrza w pomieszczeniu ponieważ wówczas powietrze natychmiast unosi sie do góry i może w pełni nie zasymilować zanieczyszczenia ze strefy przebywania ludzi. Dlatego przepływ ten polecany jest szczególnie przy chłodzeniu.

Najczęściej spotykanym system dystrybucji powietrza przy wentylacji komortu jest przepływ turbulentny. Polega on na nawiewaniu powietrza z dużymi prędkościami (nawet do 10m/s [3]) powodującymi intensywne mieszanie się mas powietrza z pomieszczenia z nawiewanymi (chociaż zależy to indywidualnie od zastosowanych nawiewników). Powietrze nawiewane może mieszać się od razu w pobliżu nawiewników, albo z dala od nich już w strefie przebywania ludzi (Rys.2). W przypadku doprowadzania powietrza o wyższej temperaturze niż powietrze w pomieszczeniu ważne jest aby nawiewnik miał możliwość ukierunkowania strugi w dół, lub ogólnie zmiany kierunku wypływu powietrza, tak aby powietrze nawiewane mogło dotrzeć do strefy przebywania ludzi, pomimo przeciwdziałających prądów konwekcyjnych. Niekiedy występuje wspomniane wyżej zjawisko „przyklejenia się” strugi nawiewanej do przegrody budowlanej i ślizgania się po niej, które może zostać wykorzystane do zwiększenia zasięgu, bez zwiększania prędkości wypływu powietrza z nawiewnika. Zaletą przepływów turbulentnych jest niewrażliwość na zakłócenia, a jednocześnie stosowane nawiewniki przeważnie wymagają mniej miejsca do montażu niż w systemach wentylacji wyporowej lub tłokowej. Stosowanie większych prędkości wypływu może być niestety przyczyną większej emisji hałasu i lokalnego przekroczenia prędkości dopuszczalnych w strefie przebywania ludzi. Taki typ wentylacji znajduje także szerokie zastosowanie w przemyśle, jednak nie nadaje się do wentylacji (klimatyzacji) pomieszczeń czystych.

PARAMETRY CHARAKTERYZUJĄCE NAWIEWNIKI POWIETRZA
Po wyborze ogólnego systemu wentylacji lub klimatyzacji, dokonując szczegółowego doboru nawiewników należy wziąć pod uwagę wiele parametrów, między innymi takie jak:
-strumień powietrza nawiewanego,
-zasięg strugi powietrza nawiewanego,
-prędkość zamierania w strudze,
-rozpływ powietrza,
-prędkość efektywna wypływu powietrza z nawiewnika,
-ugięcie strugi nawiewanej,
-stopień indukcji,
-strata ciśnienia powietrza na nawiewniku,
-poziom mocy akustycznej nawiewnika,
-możliwość regulacji kierunku i wartości wypływu strumienia powietrza.

Powyżej wymieniono najważniejsze parametry charakteryzujące pracę nawiewników. Oprócz nich czasami producenci podają również inne parametry, np. różnicę temperatur pomiędzy powietrzem nawiewanym a w strefie przebywania ludzi czy różnicę temperatur w osi strugi w odległości równej zasięgowi a powietrzem w strefie przebywania ludzi itp.

Strumień powietrza nawiewanego wynika z wartości ogólnego strumienia powietrza doprowadzanego pomieszczenia i przyjętej liczby nawiewników, która zależy od kształtu pomieszczenia, projektowanego rozmieszczenia, zasięgów i typu nawiewników. Często w procesie projektowania, po wstępnym doborze urządzeń, dokonuje się korekty liczby nawiewników (np. ze względu na rzeczywiste zasięgi) i zmian poszczególnych wydajności nawiewników.

Zasięg strumienia jest to odległość pozioma lub pionowa, mierzona w osi strumienia, pomiędzy wylotem z nawiewnika a miejscem, w którym prędkość przepływu powietrza w osi strumienia spada do określonej wartości, najczęściej równej 0,5 m/s. Wówczas w tym miejscu średnia prędkość powietrza w strumieniu, tzw. prędkość zamierania, wynosi około 0,2m/s. Wartość taka najczęściej przyjmowana jest dla wentylacji komfortu, ale wzależności od przeznaczenia pomieszczenia mogą być przyjmowane także inne wartości. Zasięg strumienia zależy od:
-wymiarów nawiewnika (powierzchni netto, wymiarów liniowych, proporcji wymiarów),
-ustawienia kierownic wylotowych w nawiewniku,
-prędkości wypływu powietrza z nawiewnika,
-usytuowania nawiewnika i organizacji wymiany powietrza w pomieszczeniu.

Wymagany zasięg strumienia ustala się na podstawie lokalizacji nawiewnika i jeżeli producent nie podaje inaczej można zasięgi określić na podstawie ogólnych schematów przedstawionych na rysunku Rys.3. Zasięg strumienia nawiewanego przyjmuje się więc dla nawiewników [3]:

Rys.3. Zasięg strumienia dla różnie usytuowanych nawiewników.

Rozpływ powietrza jest to parametr określany na podstawie szerokości strugi kształtowanej przez budowę nawiewnika i wynikającej z zasięgu. Rozpływ powietrza wpływa na wzajemne oddziaływanie strug wypływających z nawiewników, jeżeli pokrywają się ich zasięgi.

Wykresy do doboru nawiewników wykonane są najczęściej w odniesieniu do efektywnej prędkości wypływu powietrza ze swobodnej powierzchni przepływu w nawiewniku, przy prostym (równoległym) ustawieniu kierownic na wylocie z nawiewnika. Jest to prędkość nawiewania powietrza odniesiona do powierzchni efektywnej nawiewnika, i wynosi ona:

Zalecana wartość prędkości efektywnej zależy od lokalizacji otworu nawiewnego względem strefy przebywania ludzi oraz rodzaju i przeznaczenia pomieszczenia. Przy jej określaniu  należy brać ponadto pod uwagę hałas generowany przez nawiewnik. Producenci deklarują zakresy wartości prędkości charakterystyczne dla danych typów nawiewników, nie jako wartości sztywne, ale jako wartości możliwe do uzyskania przy różnych strumieniach, spadkach ciśnienia i emisji hałasu.

Tabela 1. Wartości zalecanych prędkości wypływu powietrza z nawiewników [5].

Ugięcie strugi jest to ugięcie osi strugi nieizotermicznej od pierwotne nadanego jej kierunku przy wypływie z nawiewnika wskutek różnicy temperatur pomiędzy powietrzem w strudze a otoczeniem lub odchylenie strugi izotermicznej w wyniku oddziaływania przegród (efekt Coandy), mierzone w odległości od nawiewnika równej zasięgowi L [3]. Jest to parametr szczególnie istotny przy doborze nawiewników o dalekich zasięgach,

Parametrem określającym poziom możliwego zmieszania powietrza nawiewanego z powietrzem w pomieszczeniu jest stopień indukcji. Wyraża on stosunek strumienia powietrza w strudze przy zasięgu L do strumienia powietrza wypływającego z nawiewnika. Zależy on od konstrukcji i uzbrojenia nawiewnika oraz intensywności turbulencji generowanej przez nawiewnik. Strugi o dużym kącie rozwarcia (strugi rozproszone) charakteryzują się dużym stopniem indukcji przy małym zasięgu. Natomiast strugi wypływające równolegle (strugi skupione) mają mniejszy stopień indukcji przy większym zasięgu [3]. Zminimalizowanie stopnia indukcji uzyskuje się przy przepływach laminarnych, a jego wzrost poprzez zastosowanie elementów konstrukcyjnych zwiększających turbulencję.

Strata ciśnienia powietrza w nawiewniku jest to suma strat ciśnienia w wyniku przepływu powietrza przez uzbrojenie nawiewnika wraz z ewentualną przepustnicą. Wielkość ta ma wpływ na wymagany spręż wentylatora,

Poziom mocy akustycznej nawiewnika jest to miara hałasu generowanego przy przepływie powietrza przez nawiewnik. Zależy od wielkości i konstrukcji nawiewnika, prędkości dopływu powietrza do nawiewnika i prędkości efektywnej wypływu. Jest to bardzo istotny parametr w wentylacji komfortu, który nierzadko decyduje o tym, czy dany nawiewnik może być zastosowany w danym pomieszczeniu

Możliwość regulacji sposobu działania nawiewnika wynika z osprzętu i akcesoriów, w jakie może być wyposażony nawiewnik (np. przepustnica do regulacji ilości powietrza, ruchome łopatki i żaluzje do zmian kierunku wypływu, itp.) Korzystne jest stosowanie nawiewników z możliwością regulacji wartości i kierunku wypływu strumienia powietrza, szczególnie konieczne to jest w instalacjach o zmiennych strumieniach powietrza i o zmiennych parametrach. Wielu producentów oferuje także nawiewniki wyposażone w system do pomiaru strumienia powietrza (spadku ciśnienia).

DOBÓR NAWIEWNIKÓW POWIETRZA

Dobór nawiewników w pomieszczeniu polega na przyjęciu ich typu i wymiarów, po wcześniejszym określniu ich liczby i rozmieszczenia w pomieszczeniu. Powinny być one tak dobrane, aby strumień powietrza nawiewany posiadał odpowiedni kierunek i prędkość, zapewniającą przepływ powietrza wentylującego przez całą strefę przebywania ludzi.

Do doboru nawiewników stosuje się charakterystyki nawiewników w postaci nomogramów podawane przez producentów. Nomogramy te przedstawiają zależności podstawowych parametrów nawiewników, które zostały omówione wcześniej.

Dobór i ustalenie zasięgu pojedynczego nawiewnika o swobodnym wypływie jest stosunkowo proste. Problem pojawia się, gdy strumienie powietrza nawiewane przez kilka nawiewników oddziałują na siebie albo mają na nie wpływ przegrody budowlane. Wówczas pomocne staje się specjalne oprogramowanie komputerowe, w którym po wprowadzeniu liczby i rozmieszczenia nawiewników otrzymuje się zasięgi strumieni nawiewanych oraz model przepływu powietrza w pomieszczeniu.
Nawiewnik jest dobrany poprawnie, jeżeli [3]:
-prędkość zamierania nie przekracza dopuszczalnej prędkości w strefie przebywania ludzi,
-różnica temperatur pomiędzy temperaturą powietrza w strudze w odległości równej zasięgowi a powietrzem w strefie przebywania ludzi nie przekracza wartości dopuszczalnej,
-poziom mocy akustycznej nawiewników nie przekracza dopuszczalnego natężenia dźwięku w pomieszczeniu.

Wybór systemu wentylacji lub klimatyzacji pomieszczenia determinuje rodzaj zastosowanych nawiewników. Na rynku istnieje bardzo wiele typów nawiewników o zróżnicowanych konstrukcjach, które mają różne zastosowania np. nawiewniki uniwersalne, stosowane w wentylacji komfortu, czy specjalne projektowane dla pomieszczeń przemysłowych o bardzo specyficznych wymaganiach. Prawidłowy dobór typu i rozmieszczenia nawiewników jest jednym z najistotniejszych zadań przy projektowaniu wentylacji i klimatyzacji, mającym wpływ na ocenę systemu wentylacyjnego bądź klimatyzacyjnego przez użytkowników. Dlatego bardzo istotne jest zwrócenie szczególnej uwagi na ten etap projektowania.

LITERATURA
[1]  Sompoliński M.: Nawiewniki fotelowe dla sal widowiskowych i audytoryjnych. Chłodnictwo&Klimatyzacja, 12/2005
[2]  Szymański T., Wasiluk W., Wentylacja użytkowa, Poradnik, IPPU MASTA 1999
[3] Lipska B., Nawrocki W.: Podstawy projektowania wentylacji – przyklady, Wydawnictwo Politechniki Ślaskiej, Gliwice 1997
[4] 1 Nawiewniki. Katalog techniczny 2005, Fl?kt Bovent Sp. z.o.o.
[5]  Malicki M.: Wentylacja i klimatyzacja, PWN, Warszawa 1980
[6] Recknagel, Sprenger, Hönmann, Schramek: Poradnik. Ogrzewanie i klimatyzacja.EWFE – Wydanie 1, Gdańsk 1994

 Chłodnictwo&Klimatyzacja 3/2007

www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl