Efekt ciągu termicznego, czyli efekt kominowy

Czym jest ciąg termiczny?

Ciąg termiczny, znany również jako efekt kominowy, to zjawisko fizyczne zachodzące w budynkach, gdy ciepłe powietrze wewnątrz, będąc mniej gęste niż zimne powietrze zewnętrzne, ma tendencję do unoszenia się.

Ten naturalny ruch powietrza wytwarza prąd wznoszący w przestrzeniach zamkniętych, tworząc przepływ powietrza, który można wykorzystać do wentylacji naturalnej budynków. Ciąg termiczny opiera się na zasadach wyporu termicznego, gdzie różnica temperatury między powietrzem wewnętrznym a zewnętrznym wywołuje różnicę ciśnienia. Ta różnica ciśnienia wypycha ciepłe powietrze przez wysoko położone otwory budynku, natomiast zimne powietrze wnika przez otwory położone niżej.

Skuteczność ciągu termicznego zależy od kilku czynników, takich jak wysokość budynku, różnica temperatury między wnętrzem a otoczeniem oraz układ otworów nawiewnych i wywiewnych. Zjawisko to jest szczególnie istotne w wysokościowcach, gdzie może powodować poważne wyzwania w zakresie komfortu cieplnego, zużycia energii, a nawet bezpieczeństwa. Zrozumienie i opanowanie ciągu termicznego jest zatem kluczowe, aby zoptymalizować efektywność energetyczną budynków, ograniczyć straty energii i zapewnić komfortowe i zdrowe środowisko wewnętrzne.

Efekt ciągu termicznego w wysokościowcach

Efekt kominowy

Efekt ciągu termicznego to poważne wyzwanie dla wieżowców, ale bywa też istotnym czynnikiem w budynkach już od dwóch kondygnacji. Konstrukcja działa jak gigantyczny komin, skutecznie kierując ciepłe powietrze w górę, aż ostatecznie opuści ono budynek. Zjawiskom tym sprzyjają zwykle otwarte klatki schodowe, które obsługują wszystkie kondygnacje budynku.

Efekt kominowy występuje, gdy temperatura zewnętrzna jest wyraźnie niższa od temperatury wewnętrznej. Zimne powietrze jest gęstsze od ciepłego: wnikając do budynku dołem, wypiera ciepłe powietrze wyżej. Powstaje przepływ powietrza, który zasysa kolejne porcje zimnego powietrza i wzmaga przeciągi. Im wyższy budynek, tym silniejszy ten przepływ powietrza. Dlatego drzwi obrotowe opracowano niedługo po pierwszych wieżowcach: siła zasysania na poziomie terenu była zimą tak duża, że ludzie mieli trudność z otwarciem drzwi! Zjawisko to spotykamy również dziś w przypadku wind, które czasem łączą dolne części budynku ze strefą dachu w celu wentylacji szachtu. Przy wietrze ciąg staje się jednak tak silny, że drzwi windy mogą się zablokować albo że pojawiają się silne gwizdy w przedsionkach niskich kondygnacji.

Oczywisty problem polega na tym, że przygotowane powietrze wewnętrzne jest tracone, a wraz z nim energia. Drugi czynnik to fakt, że problem może z czasem narastać. Gdy przepływ powietrza jest szczególnie silny, wywiera nacisk na nieszczelności nawiewne: uszczelnienia pękają, tworząc nowe słabe punkty. Pod stałym naciskiem szczeliny te mogą się poszerzać i wydłużać, wzmacniając przepływ powietrza i przyspieszając straty energii.

Efekt kominowy działa, ponieważ ciepłe powietrze musi gdzieś ujść, gdy dotrze na najwyższą kondygnację budynku. W wielu przypadkach uchodzi na poddasze przez pęknięcia w sufitach, nieszczelności instalacji, oprawy wpuszczane w sufit albo po prostu przez zbyt dużą przepuszczalność powietrzną stropu poddasza. Gdy ciepłe powietrze dotrze na najwyższą kondygnację, ucieka na zewnątrz przez najmniejszą napotkaną nieszczelność.

Płaszczyzna ciśnienia neutralnego

Płaszczyzna ciśnienia neutralnego to wyobrażona pozioma płaszczyzna, na której ciśnienie wewnętrzne jest równe ciśnieniu atmosferycznemu na zewnątrz. Na tej wysokości różnica ciśnienia między wnętrzem a otoczeniem jest zerowa: powietrze ani nie wpływa, ani nie wypływa z budynku. Położenie płaszczyzny ciśnienia neutralnego zależy od instalacji HVAC budynku, które nadciśnieniem lub podciśnieniem oddziałują na swoje strefy rozdziału powietrza. Aby ciąg termiczny działał prawidłowo, położenie płaszczyzny ciśnienia neutralnego musi być przeanalizowane z wyprzedzeniem, aby już na etapie projektu ustalić położenie wlotów i wylotów powietrza. Wloty powietrza należy umieścić poniżej płaszczyzny ciśnienia neutralnego, a wyloty powyżej, jak pokazuje poniższy schemat.

Poniżej płaszczyzny ciśnienia neutralnego ciśnienie wewnętrzne jest niższe od ciśnienia zewnętrznego: powietrze wpływa do budynku. Powyżej płaszczyzny ciśnienia neutralnego jest odwrotnie: ciśnienie wewnętrzne jest wyższe od ciśnienia zewnętrznego, a powietrze wypływa z budynku.

Oszacowanie ciągu termicznego w budynku

Definicje i wzory

Wentylacja grawitacyjna wykorzystuje zasady różnicy gęstości powietrza, aby zapewnić skuteczną wymianę powietrza w przestrzeni zamkniętej. Metodę tę można realizować na różne sposoby, w szczególności łącząc wieże chłodnicze i kominy.

Wieże chłodnicze, działające na zasadzie odparowania wody, chłodzą powietrze i dostarczają chłodne powietrze w dolnej części przestrzeni. Gdy to chłodne powietrze zostaje ogrzane przez użytkowników lub inne wewnętrzne źródła ciepła, jego gęstość maleje, staje się lżejsze i zaczyna się unosić. Za pomocą komina to ciepłe i zużyte powietrze jest usuwane na zewnątrz, tworząc przepływ powietrza, który pozwala chłodnemu powietrzu wpływać dalej przez dolne otwory i je zastępować.

Różnica gęstości powietrza zależy od czynników takich jak temperatura i wilgotność. Zimą, gdy różnica temperatury między wnętrzem a otoczeniem jest największa, wentylacja wykorzystująca efekt kominowy działa szczególnie skutecznie. Latem natomiast metoda ta może nie działać skutecznie, ponieważ wymaga, aby wnętrze było cieplejsze niż otoczenie, co w miesiącach upalnych jest zwykle niepożądane.

Wentylacja grawitacyjna, wykorzystująca różnice gęstości powietrza wynikające z temperatury i wilgotności, może więc być skuteczną metodą zapewnienia wentylacji naturalnej i komfortowej w pomieszczeniach, wymaga jednak dostosowania do warunków klimatycznych, aby była w pełni skuteczna.

Wyrażenie na strumień powietrza wentylacyjnego wywołany efektem kominowym można zapisać następująco:

Widać, że strumień jest dodatni, gdy T_i > T_e: ciepłe i zużyte powietrze wypływa z budynku. Latem, gdy T_i < T_e, strumień staje się ujemny: ciepłe powietrze wpływa do budynku, co nie jest pożądanym efektem. Ciąg termiczny nie jest zatem odpowiedni przy wysokich temperaturach zewnętrznych w budynkach mieszkalnych i biurowych. Warto też zwrócić uwagę na przypadek, gdy T_i i T_e są tego samego rzędu wielkości (okresy przejściowe): strumień jest wtedy niemal zerowy, a wentylacja zanika. Dlatego w typowych budynkach ciąg termiczny nie sprawdza się we wszystkich porach roku.

Rzędy wielkości

Weźmy przypadek budynku mieszkalnego zimą z kominem o wysokości 15 m: temperatura wewnętrzna (T_i) wynosi średnio 20 °C, a temperatura zewnętrzna (T_e) wynosi 0 °C. Współczynnik wypływu przyjęto w przybliżeniu równy 0,65, a pole przekroju komina (S) wynosi 0,1 m². Po podstawieniu danych rząd wielkości strumienia powietrza wentylacyjnego wywołanego ciągiem termicznym wynosi: Q = 0,34 m³/s, czyli około 1200 m³/h. Komin tego typu pozwala prawidłowo wentylować (5 wymian na godzinę) przestrzeń o powierzchni 100 m². Podane wartości obowiązują wyłącznie w opisanej wyżej sytuacji.

Współczynnik wypływu

Współczynnik wypływu to parametr opisujący sprawność komina lub przewodu w kontekście ciągu termicznego. Wyraża udział teoretycznego strumienia masowego powietrza, który jest rzeczywiście zasysany przez przewód w wyniku efektu ciągu termicznego.

Współczynnik wypływu zależy od kilku czynników. Są to: geometria komina, chropowatość jego ścianek, temperatura powietrza wewnątrz przewodu, różnica temperatury między wnętrzem a otoczeniem oraz inne zmienne środowiskowe.

Do jego obliczenia można wykorzystać modele empiryczne oparte na doświadczeniach i obserwacjach albo symulacje numeryczne uwzględniające poszczególne zmienne wpływające na wynik. Modele te lub symulacje pozwalają wyznaczyć współczynnik wypływu dla konkretnej konfiguracji komina w danych warunkach.

Zwykle współczynnik wypływu wyraża się wartością z przedziału od 0 do 1, gdzie 1 oznacza ciąg optymalny (całe teoretycznie dostępne powietrze jest rzeczywiście zasysane). Wartość mniejsza od 1 wskazuje na straty lub nieefektywność w procesie ciągu termicznego.

Wkład symulacji CFD

Symulacji CFD (Computational Fluid Dynamics) daje niezaprzeczalną przewagę w wyznaczaniu współczynników wypływu przy ciągu termicznym. Pozwala na dokładne oszacowanie, bardziej dostępne niż tradycyjne metody doświadczalne. Dzięki CFD można wirtualnie analizować zachowanie przepływów powietrza w układzie ciągu termicznego, co daje pogłębione zrozumienie zjawisk konwekcji i turbulencji.

Co więcej, podejście to daje dużą elastyczność w modyfikowaniu i optymalizacji projektu, ponieważ wkracza na wczesnym etapie projektowania, co pozwala uniknąć kosztów i ograniczeń wynikających ze zmian w fazie realizacji. Symulacja CFD bezpośrednio uwzględnia efekty strat ciśnienia: dzięki teoretycznemu wzorowi bez strat (C_d = 1) można wyznaczyć współczynnik wypływu badanego systemu.

Podsumowując, symulacja CFD to narzędzie niezbędne dla skutecznego i zoptymalizowanego projektowania układów ciągu termicznego.

Ciąg termiczny w przemyśle

Wyzwania

W warunkach przemysłowych zjawisko ciągu termicznego ma kluczowe znaczenie. Ciepło do odprowadzenia, generowane często przez urządzenia takie jak piece lub maszyny, charakteryzuje się bardzo wysokimi temperaturami. Takie warunki cieplne wymagają skutecznego zarządzania, ponieważ mogą prowadzić do akumulacji ciepła wewnątrz obiektów przemysłowych.

Co więcej, często temperatura odprowadzanego powietrza jest znacznie wyższa niż temperatura powietrza zewnętrznego, nawet latem: ciąg termiczny działa więc również w czasie upałów. To przesunięcie temperatur pogłębia wyzwania związane z kontrolą temperatury i wentylacją oraz wymaga rozwiązań specjalnych, aby utrzymać optymalne warunki pracy i zapewnić bezpieczeństwo procesów przemysłowych.

Symulacja CFD

Na dwóch poniższych ilustracjach przedstawiono symulację numeryczną wykonaną dla wentylacji obiektu przemysłowego, dla którego trzeba było wykonać dobór wywietrzników grawitacyjnych.

Dobór otworów wentylacji naturalnej zależy w dużym stopniu od koncepcji ciśnienia neutralnego. Chodzi o kluczowy poziom, na którym ciśnienie wewnętrzne przestrzeni równa się ciśnieniu atmosferycznemu na zewnątrz, tworząc umowną poziomą płaszczyznę. Na tym poziomie otwory nawiewne są mało skuteczne; powyżej ciśnienie wewnętrzne przewyższa zewnętrzne, dlatego kluczowe jest umieszczenie tam wylotów powietrza. Natomiast otwory nawiewne umieszcza się zawsze poniżej płaszczyzny neutralnej, ponieważ tworzą strefę podciśnienia. Na etapie projektowania kluczowe jest dokładne ustalenie wysokości płaszczyzny neutralnej oraz rozsądny podział dostępnej różnicy ciśnienia między otwory nawiewne i wywiewne, z uwzględnieniem strat strumienia. Położenie płaszczyzny neutralnej zmienia się wraz z porą roku, co potwierdza poniższy schemat.

Gdy temperatura zewnętrzna jest znacznie niższa od wewnętrznej (zima), płaszczyzna ciśnienia neutralnego leży wyżej . Latem natomiast, gdy różnice temperatury są mniejsze, choć temperatura wewnętrzna pozostaje wyższa, płaszczyzna ciśnienia neutralnego leży niżej. Dlatego, aby ciąg termiczny działał w każdej porze roku, wloty powietrza muszą znajdować się poniżej minimalnego położenia płaszczyzny ciśnienia neutralnego, a wyloty powietrza powyżej jej położenia maksymalnego.

Podsumowanie

EOLIOS oferuje zatem rozwiązania obejmujące dobór kominów, a także otwory otwieralne oraz symulacje numeryczne dotyczące ciągu termicznego. Doświadczenie i wiedza firmy pozwalają oferować precyzyjne i wiarygodne usługi oraz narzędzia modelowania, odpowiadające potrzebom zakładów przemysłowych dbających o efektywność energetyczną oraz bezpieczeństwo swoich instalacji.