Wysoko wydajne wolnoobrotowe wentylatory

Przy wyborze systemu wentylacji do zakładu należy rozważyć kilka podstawowych czynników, włączając w to wydajność systemu, analizę kosztów, wielkość zakładu oraz wszystkie zakłócenia, które mogą wystąpić przy przepływie powietrza. Wentylatory kanałowe, sufitowe, osiowe i łopatkowe, wentylatory odśrodkowe lub rewersyjne mogą spełnić wymagania zakładowe w zakresie cyrkulacji powietrza, ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń z wysokimi sufitami. 

Wysoko wydajne wolnoobrotowe wentylatory powstały w wyniku zapotrzebowania na większą cyrkulację powietrza, jako rozwiązanie zapewniające wentylację i cyrkulację powietrza w dużych przestrzeniach zakładowych. Technologia sprawdziła się zarówno pod względem zapewnienia odpowiednich warunków pracy, jak też oszczędności energii i kosztów. 

W pewnym momencie rozwoju technologii wentylatorów inżynierowie skupili się na zwiększeniu prędkości strumienia powietrza przechodzącego przez wentylator (w metrach sześciennych powietrza na minutę), a zaniedbali kilka ważnych fizycznych problemów:

• Wysoka prędkość przepływu powietrza jest zarówno nieprzyjemna, jak i destrukcyjna. 
• Prędkość przepływu powietrza powyżej 6 lub 8 kilometrów na godzinę zazwyczaj daje nieznaczne lub nie daje żadnych dodatkowych korzyści w zakresie chłodzenia. 
• Gdy powietrze w pomieszczeniu jest bardzo gorące, bardzo wolny ruch powietrza chłodzi najlepiej. 
• Wąski strumień powietrzny o dużej prędkości bardzo szybko rozprasza się. 
• Duży słup powietrza będzie wędrował dalej niż niewielki, ponieważ powstająca siła tarcia na metr sześcienny powietrza lub tarcie między powierzchniami styku jest znacznie mniejsze niż przy małym słupie powietrza. Wentylator, który ma średnicę ok. 1 m, wytwarza słup powietrza z powierzchnią tarcia na metr sześcienny ponad 6 razy większą, niż słup powietrza z wentylatora o średnicy 6 m. 

• Duże, wolnoobrotowe wentylatory, właściwie rozmieszczone, są zdolne do uzyskania ciągłych prądów cyrkulujących powietrze, które przenoszą znacznie więcej powietrza niż małe wentylatory szybkoobrotowe.  

   

Wentylatory HVLS

Wykorzystując prawa fizyki w dynamice cieczy, NASA opracowała nowe konstrukcje płata nośnego (łopat) i najnowsze technologie produkcji. Dzięki temu te wysoko wydajne systemy wprawiania powietrza w ruch mogły pojawić się w późnych latach 90. XX wieku. Dziesięciołopatowe wentylatory sufitowe (fot. 1) mają od 2,4 do 7,2 metrów średnicy i wymagają mocy rzędu 1 KM lub mniejszej przy niskich prędkościach.  

Zastosowania 

Układy te początkowo były przeznaczone do generowania zjawiska chłodzenia wskutek odparowania na dużych powierzchniach (do 1800 metrów kwadratowych), używano je także do zapobiegania stratom ciepła w zimniejszych okresach; charakteryzują się łatwiejszą instalacją, mniejszym ciężarem, mniejszymi kosztami niż klimatyzacja, umożliwiają zdrowsze mieszanie powietrza i wentylację oraz nie ingerują w poziom wilgotności i wilgoć.

Zalety 

Grzanie 

• Wentylatory HVLS zapewniają bardziej komfortowe warunki przez przeniesienie ciepłego powietrza uwięzionego pod sufitem w dół do poziomu podłogi, przez co redukują straty ciepła przez wyloty dachowe i świetliki.
• Są znacznie bardziej wydajne niż wysokoobrotowe wentylatory, które tłoczą ciepłe powietrze do dołu, do podłogi. Wentylatory HVLS dają znaczne oszczędności energii (20% i więcej) wskutek destratyfikacji podgrzanego powietrza w pomieszczeniu. 
• Aby wyeliminować miejsca ciepłe i zimne na podłodze i na różnych poziomach w budynku, powietrze jest mieszane. 
• Ilość powietrza, które musi być w sposób ciągły zastępowane zimnym z zewnątrz, aby zapewnić odpowiednią wentylację, jest minimalizowana.
• Ciche i niedrażniące wentylatory są źródłem bezgłośnych strumieni powietrza, o dużych szybkościach przepływu. 

   

  Chłodzenie 

• Wentylatory HVLS są źródłem efektywnego  i energooszczędnego, alternatywnego chłodzenia tam, gdzie stosowanie klimatyzacji nie jest uzasadnione, w takich miejscach, jak niezaizolowane budynki lub budynki z dużymi otwartymi drzwiami lub bokami. 
• Łagodne chłodzenie poprawia komfort i produktywność w środowisku pracy. 
• Stosowane w połączeniu z konwencjonalnymi wytwornicami zimna lub systemami klimatyzacji, wentylatory HVLS równomiernie rozprowadzają zimne powietrze. 
• Wentylatory HVLS obniżają koszty pracy klimatyzacji poprzez niższe zapotrzebowanie mocy i pozwalają na uzyskanie porównywalnego efektu chłodzenia przy niższym koszcie. 

Wentylacja 

• Wchodzące świeże powietrze jest w sposób ciągły mieszane z powietrzem wewnętrznym, przez co uzyskuje się wydajną wentylację i minimalizuje całkowitą ilość wentylowanego powietrza, niezbędnego do osiągnięcia odpowiedniej jakości powietrza. 
• Redukując objętość powietrza niezbędnego do wentylacji, redukuje się liczbę potrzebnych wentylatorów szybkoobrotowych, w niektórych przypadkach wskutek takiej eliminacji zużycie mocy wentylatorów można obniżyć nawet o 90%. 

Mieszanie powietrza w całej jego masie powoduje również większą absorpcję i rozproszenie trujących dymów i szkodliwej wilgoci oraz wilgotności, przez co środowisko pracy jest zdrowsze, suchsze i bezpieczniejsze. Inne zalety to wyeliminowanie ptaków i owadów, jak również obniżenie hałasu i mniejsza podatność na zakłócenia przez inne strumienie powietrzne. 

^{Fot. 1. Typowy wentylator ma średnicę od 6 do 8 metrów}

Te łatwe w montowaniu wentylatory były zaprojektowane do pracy w odpowiednich warunkach środowiskowych, tj. zagrożenia pożarowego lub innych układów, gdzie wymagana jest kontrola bezpieczeństwa. Uzupełniają one istniejące systemy HVAC, czyniąc je bardziej wydajnymi, redukując jednocześnie lub eliminując wiele z ich wad.

Wentylatory w Polsce muszą posiadać znak CE, nadany przez producenta zgodnie z odpowiednimi dyrektywami i przepisami zharmonizowanych norm. 

Podstawowa norma polska dotycząca wentylacji to: PN-83/B-03430/Az3:2000 – Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej – Wymagania. Dla budynków użyteczności publicznej wymagania według tej normy określają: strumień objętości powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniach przeznaczonych na stały i czasowy pobyt ludzi. Według normy powinien on wynosić:

• 20 m³/h dla każdej przebywającej osoby,
• 30 m³/h dla każdej przebywającej osoby, jeżeli dopuszcza się palenie tytoniu,
• 15 m³/h dla każdego dziecka (żłobki i przedszkola).

W klimatyzowanych oraz wentylowanych pomieszczeniach o nieotwieranych oknach strumień objętości powietrza wentylacyjnego powinien wynosić 30 m3/h dla każdej przebywającej osoby, a 50 m3/h, jeżeli dozwolone jest palenie.

Właściwości 

Typowy przemysłowy wysoko wydajny wolnoobrotowy system ma średnicę 6 lub 7,2 metrów. Łopatki są łatwo mocowane do aluminiowej piasty. Jednostka napędowa składa się z jednego silnika o mocy 1 KM, specyficznie połączonego  z reduktorem. Pojedynczy silnik sterujący z napędem o zmiennej częstotliwości umożliwia ustawianie łopatek, włącznie z rewersją. 

^{Rys. 2. Duża, pojedyncza kolumna powietrza może przepuścić taką samą objętość przepływu co 25 mniejszych}Konserwacja 

Okresowa konserwacja wentylatorów HVLS polega na czyszczeniu anodyzowanych łopatek, niewielkim smarowaniu elementów, sporadycznym dokręcaniu śrub i sprawdzaniu wbudowanych układów z zakresu bezpieczeństwa. 

Wymiary i liczba wentylatorów

Do instalacji systemu wentylacji o powierzchni ok. 9230 m2, przy typowej konstrukcji i wyposażeniu, potrzebne będzie od 8 do 12 wentylatorów, aby uzyskać optymalne warunki z systemu wentylatorów HVLS. Podstawowymi czynnikami są lokalizacja, wysokość, rozmiar i liczba występujących przeszkód (rys. 2).

Przy doborze wymiaru, większy jest zwykle lepszy do dużych przestrzeni. Stosując różne wymiary, klient może dostosowywać system do swoich potrzeb. Najlepiej, aby wysokość sufitu wynosiła powyżej 4,5 m. Celem zapewnienia dobrego przepływu powietrza, prześwit nad wentylatorem powinien wynosić co najmniej od 0,9 do 1,5 m; dodatkowo są zalecane nominalne odległości łopat od najbliższego sprzętu i elementów konstrukcyjnych. 

Koszt 

Koszt eksploatacji każdego wentylatora wynosi ok. 5 centów, przy zużyciu energii od dwu do trzech razy większej niż żarówka. 

Przy korzystnej destratyfikacji ciepła (dodatkowy element przy rachunku) uzyskuje się szybki  i znaczny zwrot nakładów inwestycyjnych. Na przykład przy 15-stopniowym gradiencie temperatury od podłogi do sufitu, w jednej z ostatnich analiz instalacyjnych oszacowano roczne oszczędności ciepła rzędu 40%, okres zwrotu 1,4 roku, przy dwuletnim zwrocie nakładów inwestycyjnych (ROI) wynoszącym ponad 40%.  

Artykuł pod redakcją

Haliny Gawrońskiej

Autor: Peter D. Caruso, MacroAir Technologies LLC, USA