Hoofdstuk 16
Binnenluchtkwaliteit en vochtige lucht Inleiding Luchtvochtigheid is een belangrijke parameter naast temperatuur om comfort in gebouwen te garanderen. Relatieve luchtvochtigheid en temperatuur zijn sterk met elkaar verbonden. Het is daarom van groot belang dat een HVAC-ingenieur hun onderlinge samenhang begrijpt. Dit stelt hem/haar in staat niet alleen comfort te controleren in gebouwen maar eveneens de nodige apparatuur tot dit doel te ontwerpen. In 1911 werden door Willis H. Carrier de eerste psychometrische curven gepubliceerd. In Technische thermodynamica werd reeds de basis van psychrometrie besproken. In deze cursus zal dit eerst kort worden herhaald en worden ingegaan op de technische realisaties van luchtvochtigheidcontrole.
16.1 Vochtige lucht onder atmosferische condities Vochtige lucht op atmosferische condities is een mengsel van verschillende gassen, van waterdamp en verschillende vervuilende stoffen. Meestal varieert waterdampgehalte en vervuilende dampgehalte zeer sterk, maar is de samenstelling van de gassen nagenoeg constant en meestal enkel afhankelijk van hoogte, tijd en locatie. In 1949 werd een vaste samenstelling voor deze gassen overeengekomen in het International Joint Committee on Psychrometric Data, zoals getoond in tabel 16.1. gas zuurstof O2 stikstof N2 argon Ar koolstofdioxide CO2
moleculaire massa 32.000 28.016 39.944 44.010
Volumefractie 0.2095 0.7809 0.0093 0.0003
Tabel 16.1 : Samenstelling van zuivere lucht
Voor lucht geldt dat de ideale gaswet overeenstemming geeft met de realiteit:
pv =
onder
p = R aT ρ
waarbij de gasconstante voor lucht gegeven is door: Ra = 287 J/Kg K
XVI/1
atmosferische
condities
goede
(16.1)
Voor de meeste situaties wordt lucht gezien als een mengel van gassen met enkel waterdamp. Voor waterdamp mag onder de condities die optreden in vochtige lucht (lage partieeldruk) aangenomen worden dat deze eveneens een ideaal gas is, met als gasconstante: Rv = 462 J/kg K De totale druk van het mengsel kan worden geschreven als:
p = p N2 + pO2 + pCO2 + p Ar + p v
(16.2)
ook wel geschreven als de som van de partieeldruk van alle gassen en deze van waterdamp, omdat de gassen als niet variabel worden beschouwd:
p = pa + p v
(16.3)
Het vochtgehalte of de absolute luchtvochtigheid wordt gedefinieerd als de verhouding van de massa damp in de vochtige lucht, in verhouding tot de massa droge lucht:
ω=
mv ma
(16.4)
Weer wordt hier als referentie de massa droge lucht gebruikt, omdat die meestal niet varieert. De relatieve luchtvochtigheid is de verhouding van de partieeldruk van de waterdamp tot de partieeldruk bij verzadiging:
p / p pv φ= v = ps / p ps
(16.5)
Verzadiging treedt op als de partieeldruk (pv) van waterdamp gelijk wordt aan de verzadigingsdruk van waterdamp bij de temperatuur van de lucht. De relatieve luchtvochtigheid bereikt dan de waarde 1 of 100 %. Gebruik makend van de ideale gaswet kan een verband worden afgeleid tussen absolute en relatieve luchtvochtigheid:
p V p VM v mv = v = v R vT RT
(16.6)
p V p VM a ma = a = a RaT RT
(16.7)
Mvpv Ma pa
(16.8)
18.015p v p = 0.6219 v 28.965p a pa
(16.9)
ω= Dit geeft voor een lucht-waterdamp mengsel:
ω=
XVI/2
zodat
φ=
ωp a 0.6219p s
(16.10)
Het dauwpunt is dan de temperatuur waarbij de saturatiedruk gelijk is aan de partieeldruk van de waterdamp bij dezelfde totale druk en vochtgehalte. Als lucht op constante druk wordt afgekoeld, is het dauwpunt de temperatuur waarbij condensatie optreedt. De enthalpie van vochtige lucht is gedefinieerd ten opzichte van de massa droge lucht (wegens de niet wijzigende hoeveelheid hiervan) zodat:
h = h a + ωh v
(16.11)
Als droge lucht en waterdamp onder atmosferische toestand worden beschouwd als perfecte gassen, is enthalpie enkel functie van temperatuur en zal de warmtecapaciteit constant zijn zodat, mits keuze van 0°C als referentietoestand :
h a = c pa t
(16.12)
h v = h fg + c pv t
(16.13)
hierbij is hfg de verdampingsenthalpie bij 0°C: 2501.3 kJ/kg. De enthalpie van vochtige lucht is dan gegeven door:
h = 1.0t + ω(2501.3 + 1.86t) kJ / kga
(16.14)
waarbij cpa = 1.0 kJ/kg°C en cpv = 1.86 kJ/k°C. Met een psychrometer kan de natte bol temperatuur worden bepaald die vrij dicht overeenstemt met de adiabatische saturatietemperatuur (zie thermodynamica). Met een extra meting van de droge bol temperatuur, komen we tot een verband waaruit de luchtvochtigheid kan worden afgeleid. Richard Mollier was de eerste die een grafische voorstelling produceerde (Mollierdiagram) waarin enthalpie op een as werd geplaatst als functie van de luchtvochtigheid en droge temperatuur. Dit was de eerste psychrometrische kaart. Moderne versies worden door ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, www.ashrae.com) op gelijkaardige principes gerealiseerd. Deze zijn heden ten dage ook beschikbaar in elektronische versie. De droge bol temperatuur (E: dry bulb temperature) staat op de abscis. De lijnen van constante natte bol temperatuur (E: wet bulb temperature) liggen parallel met een lichte helling. Het vochtgehalte (E: humidity ratio) staat op de ordinaat. De saturatielijn is een gekromde lijn aan de bovenzijde van het diagram. Op deze lijn komen droge, natte bol temperatuur en dauwpunttemperatuur samen. Lijnen van constante relatieve luchtvochtigheid hebben een gelijkaardige vorm als de saturatielijn en liggen in het diagram onder deze lijn. Lijnen van constante enthalpie vertrekken aan de linkerzijde van het diagram en eindigen onderaan rechts, via een schuin gehelde rechte. De natte bol temperatuur lijnen lijken ermee parallel te zijn en samen te vallen, maar ze divergeren naar de saturatielijn toe. Tenslotte zijn er lijnen van constant specifiek volume (betrokken opnieuw op de massa droge lucht) getekend, die een sterke helling hebben.
XVI/3
Bovenaan links op het diagram staat nog een zogenaamde protractor. Deze geeft op een schaal de verhouding van de voelbare enthalpieinhoud tot de totale enthalpie en op de andere de verhouding van enthalpie tot vochtgehalte.
16.2 Klassieke luchtbehandelingsprocessen Alle operaties in technieken voor luchtbehandelingen steunen op twee principes: behoud van massa en behoud van energie. In veel gevallen zijn de eigenschappen niet uniform over de stromingssecties, zeker niet in de uitlaten en een aanzienlijke lengte kan nodig zijn om voldoende menging te bekomen. In wat volgt zullen de belangrijkste operaties worden bekeken.
16.2.1 Verwarming of afkoeling van vochtige lucht Als lucht wordt verwarmd, dan wordt het proces in een psychrometrisch diagram voorgesteld door een horizontale lijn, als er geen vochttoevoer of afname is. Het vochtgehalte is dan namelijk constant. Deze processen komen voor als vochtige lucht doorheen een warmtewisselaar stroomt. Als de wand van het warmtewisselende oppervlak op een temperatuur lager dan het dauwpunt staat bij koeling, zal er condensatie optreden. Dan moet met de nodige omzichtigheid worden tewerk gegaan. Figuur 16.1 geeft een schema van een verwarmings- of koelproces.
h1
h2
ω1
ω2=ω1
Figuur 16.1. Verwarming of koeling, controlevolume
Onder stationaire stromingscondities geldt als energiebalans (enthalpiebalans):
& a h 2 + q& = m & a h1 m
(16.15)
De enthalpie van de vochtige lucht in sectie 1 en 2 is respectievelijk gegeven door:
en
h1 = h a1 + ω1h v1
(16.16)
h 2 = h a2 + ω2 h v2
(16.17)
Deze kunnen ook direct worden afgelezen van het psychrometrisch diagram. Figuur 16.2 toont verwarming of koeling.
XVI/4
h
h1 h2 ω1= ω2 ω
Figuur 16.2. Verwarming of koeling in psychrometrisch diagram
Vergelijking (16.15) kan herschreven worden als:
& a cp (t1 − t 2 ) q& s = m
(verwarming)
(16.18)
& a cp (t 2 − t1 ) q& s = m
(koeling)
(16.19)
cp = cpa + ωcpv
met
(16.20)
Verwarming reduceert de relatieve luchtvochtigheid, terwijl koeling deze verhoogt. Als koeling voldoende ver doorgaat, zodat de saturatielijn wordt bereikt, zal condensatie en dus ontvochtiging optreden.
16.2.2 Koeling en ontvochtiging Als vochtige lucht over een oppervlak stroomt dat zich op een temperatuur bevindt die lager is dan het dauwpunt, zal een deel van de waterdamp condenseren en de luchtstroom verlaten. Figuur 16.3 toont een schema van een koel- en ontvochtigingstoestel, terwijl figuur 16.4 het proces in een psychrometrisch diagram toont. Hoewel het eigenlijke procesverloop wordt bepaald door het verloop van de wandtemperatuur, stromingssnelheid en massa- en warmteoverdracht, kan de netto warmte- en massaoverdracht als functie van begin- en eindtoestand worden bepaald, welke geen van beiden op de saturatielijn hoeven te liggen. De energiebalans (figuur 16.3) geeft
& a h1 = q& + m & a h2 + m & whw m
XVI/5
(16.21)
en de massabalans voor water in de lucht is:
& a ω1 = m & w +m & a ω2 m
(16.22)
Dit geeft door vergelijkingen (16.21) en (16.22) te combineren:
& a (h1 − h 2 ) − m & a (ω1 − ω2 )h w q& = m
h1 ω1
(16.23)
h2 ω2 hw
Figuur 16.3. Koeling met ontvochtiging, controlevolume
h1 h3 h2
ω1
h
ω3 ω
Figuur 16.4. Koeling met ontvochtiging, psychrometrisch
Vergelijking 16.23 geeft de totale warmte afgegeven door de lucht. De tweede term is normaliter klein ten opzichte van de eerste term van het rechterlid, en wordt dan ook vaak verwaarloosd. Het koel- en ontvochtigingsproces omvat zowel voelbare als latente warmteoverdracht. De voelbare warmte wordt geassocieerd met een daling van de droge bol temperatuur; de latente warmteoverdracht met de daling in vochtgehalte. Beide delen kunnen worden uitgedrukt als:
& a cp (t1 − t 2 ) q& s = m
XVI/6
(16.24)
& a (ω1 − ω2 )h fg q& l = m
en
(16.25)
Als we kijken naar figuur 16.4 kunnen we latente warmte ook uitdrukken als:
en de voelbare warmte
& a (h1 − h 3 ) q& l = m
(16.26)
& a (h 3 − h 2 ) q& s = m
(16.27)
De energie van het condensaat is dan verwaarloosd. De voelbare warmte factor (E: sensible heat factor SHF) is dan gedefinieerd als q& s / q& . Deze parameter wordt getoond op de schaal van de halve cirkel in het diagram. Merk op dat de SHF negatief kan zijn. We nemen aan dat warmte die wordt toegevoerd aan een systeem een positief teken draagt. In het koel- en ontvochtigingsproces zijn dan qs en ql beide negatief, zodat de SHF positief is. In het geval dat er een grote vochtopname is met een daling van de luchttemperatuur tot gevolg, zal de SHF negatief zijn.
16.2.3 Verwarmen en bevochtigen Een toestel dat vochtige lucht verwarmd en bevochtigd is te zien in figuur 16.5. Dit proces is meestal nodig om comfort gedurende de wintermaanden te realiseren.
h1 ω1
h2 ω2 hw
Figuur 16.5. Verwarmen en bevochtigen, controlevolume
Een energiebalans geeft:
& a h1 + q& + m & whw = m & a h2 m
(16.28)
en de massabalans voor het water
& a ω1 + m &w =m & a ω2 m
(16.29)
Vergelijkingen (16.28) en (16.29) kunnen worden gecombineerd tot
h 2 − h1 q& = + hw & a (ω2 − ω1 ) ω2 − ω1 m
XVI/7
(16.30)
h 2 − h1 q& = + hw &w ω2 − ω1 m
of
(16.31)
Deze vergelijking beschrijft een rechte lijn in het psychrometrisch diagram (figuur 16.6) die de begin- en eindtoestand verbindt.
h2
hχ h
ω2
h1 ω1
Figuur 16.6. Verwarmen en bevochtigen, psychrometrisch
Er kan een grafische procedure worden gebruikt om het verloop van 1 naar 2 te bepalen, die volgt uit het circulair diagram bovenaan links. De verhouding van de enthalpieverandering tot de verandering van het vochtgehalte is gegeven door:
q& ∆h h 2 − h1 = = + hw &w ∆ω ω2 − ω1 m
(16.32)
Dit komt overeen met een lijn parallel aan de protractor lijn met de juiste warmte-input en vochtinput. Alhoewel het proces door één lijn kan worden voorgesteld, is dit in praktijk vaak gerealiseerd door twee processen: verwarming en bevochtiging. Dit kan worden voorgesteld door de combinatie van de twee processen in volle lijn in figuur 16.6 met χ het eindpunt van het verwarmingsproces bij constante luchtvochtigheid. Van χ naar 2 wordt bevochtigd met stoom, zodat de temperatuur licht stijgt.
16.2.4 Adiabatische bevochtiging Als enkel vocht wordt toegevoegd aan de lucht, wordt vergelijking (16.30):
h 2 − h1 ∆h = hw = ω2 − ω1 ∆ω
XVI/8
(16.33)
De protractor toont een schaal van plus oneindig tot min oneindig, omdat de verhouding van de enthalpieverandering tot de verandering in vochtgehalte alle waarden kan aannemen. In theorie betekent dit dat het adiabaat bevochtigingsproces langs vele banen kan plaatsgrijpen, afhankelijk van de enthalpie van het toegevoegde water. In praktijk wordt water gebruikt op 10°C tot waterdamp op 120°C, zodat een praktisch gebied kan worden bepaald zoals getoond op figuur 16.7.
∆h/∆ω
h ω
Figuur 16.7. Adiabatische bevochtiging
16.2.5 Adiabate menging van twee luchtstromen Mengen van twee luchtstromen komt vaak voor in airconditioningsystemen. Menging gebeurt meestal onder stationaire adiabatische condities. Figuur 16.8 illustreert zo een proces. De energiebalans geeft
& a1h1 + m & a2 h 2 = m & a3h 3 m
h1 ω1
(16.34)
h3 ω3
h2 ω2 Figuur 16.8. Adiabate menging, controle volume
De massabalans voor de droge lucht geeft:
& a1 + m & a2 = m & a3 m
XVI/9
(16.35)
De massabalans voor de waterdamp is:
& a1ω1 + m & a2ω2 = m & a3ω3 m
(16.36)
Combineren van vergelijkingen (16.34), (16.35) en (16.36) en eliminatie van ma3 geeft
& h 2 − h 3 ω2 − ω3 m = = a1 & a2 h 3 − h1 ω3 − ω1 m
(16.37)
De toestand van de gemengde stroom (3) ligt op een rechte lijn tussen de ingangstoestand (2) en (3). Volgens vergelijking (16.37) is de lengte van de lijnstukken op vochtgehalte as en de enthalpieas evenredig met de verhouding van de massadebieten droge lucht:
& a1 32 m = , & a2 13 m
& a1 32 m = , & a3 12 m
& a2 32 m = & a3 12 m
(16.38)
Dit kan makkelijk worden aangetoond door vergelijking (16.37) op te lossen naar h3 en ω3:
en
& a1 m h +h & a2 1 2 m h3 = & m 1 + a1 & a2 m
(16.39)
& a1 m ω + ω2 & a2 1 m ω3 = & m 1 + a1 & a2 m
(16.40)
Het is duidelijk dat deze vergelijkingen een rechte lijn voorstellen door 1 en 2 als de massaverhouding constant is. Het is ook duidelijk dat de locatie van 3 bepaald wordt uit de verhouding van ma1/ma3. Dit geeft een zeer eenvoudige grafische procedure om dit probleem aan te pakken.
16.3 Ruimte airconditioning: ontwerpvoorwaarden Een volledig airconditioningproces zal een aantal van de hoger besproken processen bevatten. In de zomer moet gekoelde lucht met een voldoende lage luchtvochtigheid worden toegevoerd aan een gebouw. Dit houdt koeling en ontvochtiging in van de toevoer lucht. In de ruimte wordt dan warmte opgenomen en vocht opgenomen. In een gesloten systeem wordt deze lucht dan weer behandeld. Buitenlucht wordt gemengd met terugkerende lucht, enz … .
16.3.1 Voelbare warmte factor SHF werd reeds gedefinieerd als
SHF =
q& s q& = s q& s + q& l q&
XVI/10
(16.41)
Deze SHF is gerelateerd met de parameter ∆h/∆ω. Een aantal voorbeelden zullen het nut van deze definitie weergeven. Voorbeeld 1 Lucht op 15°C droge bol en 14°C natte bol wordt aan een ruimte toegevoerd met een debiet van 0.5 m³/s. De voelbare warmtefactor van de ruimte is 0.7 en de ruimte moet op 24°C droge bol worden gehouden. Bepaal de voelbare en latente warmtelast van de ruimte.
h1 h2 ω
Figuur 16.9. Voorbeeld 1, psychrometrisch
Met figuur 16.9 kan dit eenvoudig worden opgelost. Neem de lijn met waarde 0.7 op de protractor. Een parallelle lijn wordt dan getekend vanuit de beginsituatie (15°C db, 14°C nb) en het snijpunt met de 24°C db lijn wordt bepaald, wat de finale toestand is. De volledige warmtetoevoer aan het proces is:
& a (h 2 − h1 ) q& = m en de voelbare warmte is dan:
en
&a = m
q& s = (SHF)q& & Q 0.5 = = 0.605 kg / s v1 0.827
h1 en h2 kunnen worden afgelezen van het diagram, zodat
q& = 0.605(52.6 − 39.3) = 8.04 kJ / s = 8.04 kW & q& s = q(SHF) = 8.04(0.7) = 5.63 kW en
q& l = q& − q& s = 2.4 kW
Lijn 1-2 met de verlenging naar links wordt de conditielijn (E: condition line) voor de ruimte genoemd. Als de toestand 2 van de ruimte als vast mag worden beschouwd, zal lucht die wordt ingeblazen met een toestand op deze lijn voldoen aan de belastingsvoorwaarden.
XVI/11
Echter, naargelang de inblaastoestand wordt gewijzigd, zal een verschillend luchtdebiet nodig zijn. Dit zal toenemen als de toestand 1 opschuift naar 2.
Voorbeeld 2 Een geven ruimte moet worden geconditioneerd op 25°C db en 18 °C nb. De totale warmtewinst van de ruimte werd bepaald op 17.6 kW, waarvan voelbare warmte 12.3 kW is. De verse lucht vereist voor de gebruikers is 850 m³/h . De buitenlucht heeft een relatieve luchtvochtigheid van 55 % en een temperatuur van 32°C. Bepaal de hoeveelheid en toestand van de lucht die moet worden toegevoerd en de capaciteit van de koel- en ontvochtigingsinstallatie. Een vereenvoudigd schema is gegeven door figuur 16.10. De SHF is gegeven door
SHF =
12.3 = 0.7 17.6
25 °C 850 m³/h
25 °C 18 °C
17.6 kW 12.3 kW
Figuur 16.10. Voorbeeld 2, schema
De toestand van de binnenkomende lucht (toestand 2) ligt op de lijn d3 op het psychrometrisch diagram in figuur 16.11 en kan hierop ieder punt zijn, bepaald door de uitrusting, de gewenste binnenluchtkwaliteit, en de comforteisen van de gebruikers. Dit wordt later behandeld. Stel nu dat de eis is dat de temperatuur van de ingeblazen lucht (t2) 35 °C lager is dan de ruimtelucht t3. Hierdoor ligt toestand 2 vast. De vereiste luchthoeveelheid volgt dan uit de energiebalans:
& a 2 h 2 + q& = m & a3h 3 m of
en
& a2 (h 3 − h 2 ) q& = m
& a2 = m
q& h3 − h 2
XVI/12
& a2 = m & a3 = m
Met h3 en h2 volgt dat
17.6 kga = 1.08 69.8 − 53.5 s
zodat met het specifiek volume hieruit het luchtdebiet volgt:
m & =m & a 2 v 2 = 0.89 Q 2 s
3
h0
h1
ω0
h3
ω1 h2
ω2 ω3
h
ω
Figuur 16.11. Voorbeeld 2, psychrometrisch
Alvorens het koel en ontvochtigingsproces kan worden bekeken, moet toestand 1 worden bepaald. De massabalans voor menging geeft:
& a0 + m & a4 = m & a1 = m & a2 m & a0 = m
& Q 0 v0
& a 0 = 0.266 m
kg s
De recirculatielucht is dan
& a4 = m & a2 − m & a 0 = 0.814 m
XVI/13
kg s
Uit de grafische techniek volgt:
& 31 m 0.266 = a0 = = 0.246 & a1 1.08 30 m
31 = 0.246(30) zodat toestand 1 dan is: 27,2°C db en 20°C nb. De lijn die 1 en 2 verbindt, stelt dan het proces voor dat in de airconditioningeenheid plaatsgrijpt. De energiebalans geeft
& a1h1 = q& c + m & a2 h 2 m De koeling die moet worden gerealiseerd in de koelbatterij is dan
& a1 (h1 − h 2 ) q& c = m zodat:
q& c = 1.08(75.4 − 53.5) = 23.65 kW
De SHF voor de koeleenheid is dan 0.6 waaruit volgt dat:
q& c = 0.6 (23.65 kW ) = 14.19 kW en
q& cl = 23.65 kW − 14.19 kW = 9.46 kW
De som van qcs en qcl is gekend als de koelbatterij belasting. Omwille van de aanzuiging van de buitenlucht is deze verschillend van de ruimte koelbelasting. In een werkelijk systeem is energie nodig om de lucht voort te bewegen en deze wordt gedissipeerd en toegevoerd aan de lucht. De pulsieventilator bevindt zich net stroomafwaarts van de koelbatterij en de extractieventilator juist stroomopwaarts van de mengkamer. De ventilatorenergie leidt tot een stijging van de voelbare temperatuur. Warmte kan ook worden toegevoerd door de wanden van de leidingen. Deze toenames in temperatuur zijn voorgesteld op figuur 16.12 als proces 1’-1. Alle ventilatorenergie wordt overgebracht van 1 naar 2. Op dezelfde manier wordt warmte toegevoerd van 3 naar 4 en de afvoerventilator zit van 4 naar 4’. Toestandsverandering van 2-3 is dezelfde als voorheen. Proces 1’-1 toont aan dat de capaciteit van de koelbatterij groter moet zijn om extra warmtetoevoer te compenseren. In voorbeeld 2 was de buitenluchttemperatuur warm en vochtig. Dit is niet altijd zo. In zuiderse streken is de lucht vaak warm, maar droog. Hier kan dan eenvoudig een evaporatieve koeling worden gebruikt. Figuur 16.13 toont het werkingsprincipe. De verse lucht stroomt doorheen een adiabate sproeier en wordt tegelijk gekoeld en bevochtigd. De energiebalans toont aan dat h0=h1. Het proces is getoond in figuur 16.14. In het ideale geval stopt het koelproces in 1 op de ruimte conditioneringslijn. De lucht stroomt dan doorheen de ruimte en wordt eruit verwijderd. Er zijn grote luchtdebieten nodig en het systeem werkt niet als de luchtvochtigheid hoog is. Als de luchtvochtigheid te hoog is, kan de lijn 01 niet snijden met de conditioneringslijn.
XVI/14
ω
h
Figuur 16.12. Koelen met opwarming door verliezen
Figuur 16.13. Evaporatieve koeler
h1=h0 ω h
ω0
Figuur 16.14. Evaporatieve koeler, psychrometrisch
XVI/15
Evaporatieve koeling kan ook worden gecombineerd met klassieke koeling. Er zijn een aantal mogelijkheden. Ten eerste, als de buitenlucht wordt gemengd met de retourlucht zonder evaporatieve koeling zal de ideale mengvoorwaarde vóór de koeling, de toestand 1 zijn op het diagram in figuur 16.15. De lucht zal dan enkel nog voelbare warmte moeten afvoeren bij koeling tot 2 op de conditioneringslijn. Ten tweede kan de buitenlucht ook worden gekoeld met evaporatieve koeling tot 0’, en dan worden gemengd met retourlucht tot toestand 1’. De voelbare warmte afgevoerd bij koeling is dan slechts 1’2. Ten derde kan idealiter worden evaporatief gekoeld tot 1”. Dit zal het minste energie vragen om dan voelbare warmte weg te koelen van 1”-2. Er is dan enkel verse luchttoevoer naar het lokaal.
ω h
Figuur 16.15. Adiabate menging, psychrometrisch
16.3.2 Verwarming en bevochtiging Voorbeeld 3 Een ruimte moet worden geconditioneerd op 23,9°C en 50 % relatieve luchtvochtigheid. Warmteverliezen zijn 65,9 kW voelbare en latente 16,5 kW warmte. De latente verliezen ontstaan door infiltratie. De buitenlucht staat op 1,7°C en 80 % RLV. Verse lucht behoefte is 0,472 m3/s. Bepaal de hoeveelheid lucht die moet worden toegeleverd aan 49°C en de afmeting van de ketel en karakteristiek van de bevochtiger. Het schema van deze opstelling is gegeven in figuur 16.16. Eerst en vooral geldt dat:
SHF =
65.9 = 0.80 65.9 + 16.5
De toestand van de toevoerlucht ligt op de rechte doorheen 3, de toestand van de ruimte parallel met deze SHF, zoals getoond in figuur 16.17. 2 ligt dan op het snijpunt van deze lijn en de temperatuur °C.
XVI/16
De energiebalans geeft dan
& a2h2 = q& + m & a3h3 m & a2 (h 2 − h 3 ) q& = m
of
waaruit, uit het psychrometrisch diagram, volgt h2 = 97,7 kJ/kg en h3 = 65,6 kJ/kg, zodat
& a0 = m
q& 82.4 = = 2.6 kg / s h 2 − h 3 97.7 − 65.6
& = 2.6 × 0.93 = 2.4 m3 / s Q 2
of dus
ω h
Figuur 16.16. Voorbeeld 3, schema
h2
ω
ω2
h3
ω3
h1 h
ω1
h0
ω0
Figuur 16.17. Voorbeeld 3, psychrometrisch
XVI/17
Om de toestand van 1 te vinden moet een menging worden uitgevoerd van 0 en 4. De massabalans geeft:
& a0 + m & a4 = m & a1 = m & a2 m
& a4 = m & a2 − m & a0 m
of
& a0 = m
& Q 0 v0
& a0 = m
en v0 = 0.782 m3 / kg 0.472 = 0.604 kg / s 0.782
& a4 = 2.6 − 0.6 = 2 kg / s m De grafische methode levert dan
31 =
& a0 m 0.6 30 = 30 = 0.235 30 & a1 m 2.6
Toestand 1 bevindt zich dan op 18.9°C db en 13.9°C nb. De lijn 12 op figuur 16.17 stelt het gecombineerde verwarmings- en bevochtigingsproces nodig voor de installatie. In praktijk moet dit proces in twee delen worden uitgevoerd. Als nu stoom op saturatie wordt gebruikt voor de bevochtiging, hw = 2665 kJ/kg, dan is de voelbare warmte nodig:
& a cpa (t χ − t1 ) q& 1a = q& s = m
q& s = 2.6 1(48.9 − 18.9) = 76 kW De hoeveelheid waterdamp in de bevochtiger is dan:
&v =m & a (ω2 − ω1 ) m waar ω2 = 0.012 kgv / kga en ω1 = 0.008 kgv / kga zodat
& v = 2.6(0.012 − 0.008) = 0.01 kg / s m
Het is normaliter nodig de lucht voor te verwarmen boven het dauwpunt, door middel van een voorverwarmer, zodat geen condensatie zou optreden. Figuur 16.18 toont dan de opstelling. Figuur 16.19 toont het psychrometrisch diagram. De lucht wordt eerst opgewarmd tot 0’, waarna het wordt gemengd met retourlucht tot toestand 1’. Hierna volgt bevochtiging tot toestand 2.
XVI/18
Figuur 16.18. Voorverwarmer, schema
ω
h
Figuur 16.19. Voorverwarmer, psychrometrisch
16.4 Airconditioning, off-design condities In de vorige paragrafen werd er van uit gegaan dat het systeem onder stationaire condities functioneert. In de praktijk zal het systeem echter zelden werken bij volle capaciteit. Een regelsysteem zal instaan voor de instellingen van het systeem afhankelijk van de behoefte van de ruimte. Zo kan in een VAV systeem het luchtdebiet doorheen de verwarmings- en koelbatterijen worden gevarieerd. Een andere werkwijze is een vaste hoeveelheid lucht toe te voeren naar de ruimte, maar een deel van de retourlucht niet over de batterijen te sturen, en deze te mengen met de luchtstroom langs de batterijen, om zo de gewenste toevoertemperatuur te bekomen. Nog een andere methode is de oppervlaktetemperatuur van de warmtewisselaars wijzigen door de warmte-input of koude-input te variëren. Figuur 16.20a illustreert wat kan gebeuren als de belasting bij een VAV systeem vermindert. De volle lijn toont de vollastcondities, de streeplijn de deellast waarbij het luchtvolumedebiet is gedaald, maar het debiet aan koud water dat door de batterij gaat is gelijk gebleven. Merk op dat de toestand van de buitenlucht naar 0’ is gewijzigd. Door het lager luchtdebiet wordt de lucht gekoeld tot een lagere temperatuur en luchtvochtigheid. De thermostaat zorgt ervoor dat de temperatuur constant blijft, maar dat de luchtvochtigheid daalt.
XVI/19
ω
h
ω
h
ω
h
Figuur 16.20. Deellastgedrag van HVAC
XVI/20
De ruimte SHF kan ook verhogen, waardoor de luchtvochtigheid zelfs meer daalt. Dit toont aan dat de regeling van de watertemperatuur of -debiet wenselijk is. Het waterdebiet doen dalen, zal punt 2’ naar boven en naar rechts verplaatsen, waardoor de ruimtebehandelingscurve dichter bij 3 zal eindigen. Het gedrag van een bypasssysteem wordt getoond in figuur 16.20b. Het ontwerpdebiet komt voor in punten 2, 3 en 3’, maar een lager debiet komt voor in punt 2’ bij het verlaten van de koelbatterij. Lucht op toestanden 2’ en 1’ worden gemengd na de warmtewisselaar om toestand 4 te bekomen. Het volledige ontwerpdebiet en de enthalpieverandering h’3-h4 komen dan overeen met de ruimtebelasting. Merk op dat de vochtigheid van toestand 4 lager is dan nodig, wat er voor zorgt dat 3’ onder de ontwerpconditie 3 ligt. Opnieuw, als de SHF van de ruimte kan toenemen, zal verdere daling van de luchtvochtigheid optreden. Bij zeer kleine ruimtebelastingen kan 4 zeer dicht bij 1’ komen te liggen. In dit geval kan de luchtvochtigheid in de ruimte hoog worden. Dit is een nadeel van het bypasssysteem. Regeling van het koud waterdebiet kan dit oplossen. Een constant luchtdebietsysteem met watertemperatuur of -debietcontrole is voorgesteld in figuur 16.20c. In dit geval zullen zowel temperatuur als vochtigheid van de lucht, die de koelbatterij verlaat, toenemen, en de ruimtebehandelingscurve 2’-3’ zal niet op 3 eindigen. Het kan zelfs voorkomen dat 3’ boven 3 ligt, wat tot discomfort leidt. Vandaar dat waterregeling nooit alleen voorkomt, maar steeds in combinatie met een bypass of VAV systeem. Tenslotte is er het voorbeeld van herverhitting, om deellastregeling te voorzien. Nadat de lucht de koelbatterij in toestand 2 verlaten heeft, wordt hij verwarmd tot toestand 2’ en komt binnen op een hogere temperatuur om aan deellast te voldoen. Een economiser cyclus kan ook worden gebruikt, al moet men zich bewust zijn van diens beperkingen. Bekijken we figuur 16.21, waar een vollastwerking getoond wordt in volle lijn. Bij verschuiven van de buitencondities naar 0’, zal de mengtoestand 1’ gelegen zijn ergens tussen 0’-3. De lucht moet worden gekoeld en ontvochtigd tot 2. De wandtemperatuur (op dauwpunt) van de koelbatterij mag niet te laag liggen, om nog economisch te kunnen werken. Als toestand 1’ dichter bij 0’ komt te liggen, zal de wandtemperatuur van de koelbatterij snel verlagen, en zal snel een situatie bereiken waarbij de proceslijn de natte bol temperatuurlijn niet meer snijdt, wat een onmogelijke situatie is. Het is duidelijk dat er minder energie nodig is om de lucht te koelen van 1’ naar 2, dan van 1 naar 2.
h1 h1’ h2
h
ω
Figuur 16.21. Herverhitting in deellast
XVI/21
16.5 Comfort en gezondheid Inleiding Comfort is de belangrijkste zorg in de HVAC-industrie. Ervaring leert echter dat niet iedereen ten volle kan worden tevreden gesteld door een enkele instelling van een groep van parameters. Methodieken worden ontwikkeld om te bepalen welke voorwaarden moeten worden voldaan om zo veel mogelijk mensen tevreden te stellen. Comfort houdt controle in van de temperatuur, luchtvochtigheid, luchtbeweging, en stralingsbronnen die interageren met de gebruikers. Geuren, stof, geluid en trillingen zijn bijkomende factoren die discomfort kunnen veroorzaken. Goed ontworpen HVAC-systemen slagen erin deze parameters binnen grenzen te houden die worden opgelegd door de gebruiker, gebouwenstandaarden en goed ingenieursaanvoelen. Zaken als kledij van de gebruikers en activiteit moeten worden in aanmerking genomen. De klant is zich meer en meer bewust van comfort van de gebruikers van het gebouw en de ingenieur wordt gevraagd om zo veel mogelijk gebruik te maken van de informatie en methodes ter zijner beschikking om deze eisen te realiseren. In het begin van het HVAC ontwerp was een redelijk comfort tegen een redelijke prijs de enige eis. Een comfortabele omgeving werd gelijkgesteld aan een gezonde omgeving. In de jaren 1970 leidde de oliecrisis tot meer luchtdichte gebouwen, met minder ventilatie van buitenlucht. Het belang van vochtigheidscontrole werd genegeerd, en nieuwe materialen en technieken werden geïnstalleerd in gebouwen. De activiteiten in een gebouw veranderden sterk en installaties werden vaak slecht onderhouden. Al deze factoren droegen bij tot incidenten waarbij de gezondheid van de gebruikers in gevaar kwam. Rechtszaken, publieke bewustwording, economische factoren en regelgeving droegen er toe bij dat iedereen betrokken raakte bij de nood aan binnenluchtkwaliteit (E: indoor air quality IAQ) en het meer veralgemeende begrip binnenomgevingkwaliteit (E: indoor environmental quality IEQ). Gezondheid van de gebruikers is even belangrijk geworden als comfort.
16.5.1 Psychologische factoren De hoeveelheid warmte die het menselijk lichaam afgeeft, hangt in sterke mate af van de uitgeoefende activiteit, leeftijd, alsook afmetingen en geslacht. Het menselijk lichaam beschikt over een complex systeem om de lichaamstemperatuur op ongeveer 36.9°C te houden, wat ook de omgevingsvoorwaarden of activiteiten zijn. De meeste volwassen gezonde personen voelen zich comfortabel als ze er eenvoudig in slagen de thermische balans met de omgeving te bewaren. De factoren die de thermische balans van mensen, en dus het thermisch comfort beïnvloeden zijn: • • • •
de droge luchttemperatuur van de omgevende lucht de luchtvochtigheid van de omgevende lucht de relatieve snelheid van de omgevende lucht de temperatuur van alle oppervlakken die in de directe gezichthoek van een deel van het lichaam staan, zodat ze straling kunnen uitwisselen.
De bijkomende persoonlijke variabelen zin: kledij en activiteit. De belangrijkste mechanismen die het lichaam gebruikt om lichaamstemperatuur te controleren zijn metabolisme, bloedcirculatie dicht bij de huid, ademhaling en zweten. Metabolisme bepaald de mate waarin energie wordt omgezet van de chemische vorm naar de thermische vorm in het lichaam. Mannen hebben bijvoorbeeld een sneller metabolisme dan vrouwen. De bloedcirculatie bepaalt de snelheid waarmee deze warmte wordt getransporteerd naar de huid. Ademhaling brengt lucht op kamertemperatuur in het lichaam, die dan het lichaam weer verlaat bij bijna saturatievoorwaarden en lichaamstemperatuur.
XVI/22
Zweten heeft een grote invloed op de energieflux die kan worden afgevoerd van de huid door warmte- en massaoverdracht. De energie die wordt geproduceerd door het metabolisme hangt sterk af van de activiteit van een persoon. Een eenheid om de metabolische productie is de met, gedefinieerd als de metabolische productie van een zittende persoon: 1 met = 58.2 W/m². Voor verschillende activiteiten is de warmteproductie gegeven in tabel 16.2.
Tabel 16.2. Metabolisme van de mens bij verschillende activiteiten
XVI/23
De gemiddelde volwassene heeft een effectieve warmtewisselende oppervlakte van 1.82 m² en zal dus gemiddeld 106 W produceren als hij/zij neerzit op een rustige manier. Ten tweede is er dus de hoeveelheid en het type kledij die een persoon draagt. De isolatie van kledij is meestal beschreven als één enkele equivalente laag die het hele lichaam bedekt. De isolatiewaarde is uitgedrukt in clo: 1 clo = 0.155 m²°C/W. Een typisch tweedelig maatpak heeft een waarde van 1 clo, terwijl een short typisch overeenstemt met 0.05 clo. De werkingstemperatuur en clo waarden die overeenstemmen met optimaal comfort bij 80 % aanvaardbaarheid zijn gegeven in figuur 16.22.
Figuur 16.22. Invloed van kledij op comfort
16.5.2 Indicatoren van omgevingscomfort De vier omgevingsfactoren die comfort beïnvloeden werden in vorige paragraaf aangehaald. De eerste is de droge luchttemperatuur die eenvoudig kan worden gemeten met een thermometer. De tweede factor is de luchtvochtigheid die, zoals hoger besproken, gemeten kan worden via droge en natte bol temperatuur en berekend worden hieruit. De derde factor is de luchtsnelheid, die kan worden gemeten, zij het niet op eenvoudige wijze. Ze kan ook worden afgeleid uit de wetten van de stromingsmechanica. De vierde factor is de hoeveelheid straling tussen een mens en zijn omgeving. Koude muren of ramen kunnen een persoon een koud gevoel geven, ook al staat de omgevende temperatuur op een aanvaardbaar comfortniveau. Zo ook kan zonnestraling of straling van een direct vuur, zoals in een haard of houtvuur, een persoon een gevoel van warmte bezorgen. Normaliter omgeven deze oppervlakken niet volledig een persoon, maar zijn ze aan 1 kant geplaatst. Exacte beschrijving van de voorwaarde is moeilijk en er moet ook geweten zijn hoe goed een oppervlak zichtbaar is voor het lichaam. Berekening moet gebeuren via hoekfactoren zoals bij stralingswarmteoverdracht.
XVI/24
De belangrijkste indicator die wordt gebruikt om de stralingscondities in een ruimte te beschrijven is de gemiddelde stralingstemperatuur: de gemiddelde temperatuur van de individuele blootgestelde oppervlakken van de omgeving. De meest gebruikte meter voor de bepaling van de gemiddelde stralingstemperatuur is de Vernon bolthermometer, die bestaat uit een holle zwarte bol waarin in het middelpunt een thermometer is geplaatst. De evenwichtstemperatuur in de bol (de boltemperatuur) ontstaat uit het evenwicht tussen de convectieve en stralingswarmteoverdracht tussen de bol en zijn omgeving. Meting van de boltemperatuur, de luchttemperatuur en de luchtsnelheid leiden tot een praktische manier om de gemiddelde stralingstemperatuur te bepalen: 4 Tmrt = Tg4 + CV1/ 2 (Tg − Ta )
(16.42)
met Tmrt Tg Ta V C
= gemiddelde stralingstemperatuur = de boltemperatuur = de luchttemperatuur = de luchtsnelheid = 0.247 109.
Andere indicatoren werden ontwikkeld die eenvoudige beschrijving toelaten en twee of meerder comfortparameters in acht nemen. Deze indicatoren vallen uiteen in twee groepen: rationele indicatoren die bepaald zijn op theoretische inzichten en empirische indicatoren die steunen op experimentele ervaring. Een veel voorkomende parameter is de effectieve temperatuur ET. Dit is de temperatuur waarbij bij 50 % luchtvochtigheid dezelfde totale warmteafvoer van het lichaam kan worden gerealiseerd als bij de werkelijke ruimtetemperatuur. Deze indicator combineert temperatuur en luchtvochtigheid, zodat twee ruimten met dezelfde effectieve temperatuur hetzelfde comfort geven hoewel ze niet op dezelfde temperatuur en vochtigheid staan. Omdat kledij deze indicator ook beïnvloed, is deze niet eenduidig te berekenen. Er werden daarom standaardcondities gedefinieerd voor de berekening. De werkingstemperatuur is de gemiddelde stralings- en luchttemperatuur gewogen door de respectievelijke warmteoverdrachtscoëfficiënten. Hier worden dus ook twee comfortparameters gecombineerd. De vochtigheidswerkingstemperatuur is de temperatuur waarbij een persoon bij 100 % luchtvochtigheid evenveel warmte afvoert als in de werkelijke condities. Deze indicator gebruikt drie comfortparameters. Een gelijkaardige indicator is de adiabate equivalente temperatuur, die de temperatuur is waarbij een persoon bij 0 % luchtvochtigheid evenveel warmte afvoert als in de werkelijke condities. De warmte stress factor (E: Heat stress factor, HSF) is de verhouding van de totale evaporatieve warmteafvoer nodig voor thermisch evenwicht tot de maximale evaporatieve warmteafvoer die mogelijk is in de omgeving, vermenigvuldigd met 100, bij een constante huidtemperatuur van 35°C. Tabel 16.3 geeft een aantal waarden. De wind koude factor (E: wind chill factor WCF) voor het combineren van het effect van koude temperatuur en windsnelheid. Voor snelheden lager dan 80 km/h is deze index een goede maat voor subjectief discomfort door koude.
XVI/25
Tabel 16.3. Waarden van de warmtestressindex
16.5.3 Comfortvoorwaarden ASHRAE geeft als richtlijn voor de indicatie van comfort een schaal die de thermische gewaarwording in verband brengt met een quotering, de thermische gewaarwordingschaal (E: thermal sensation scale). Deze is: +3 +2 +1 0 -1 -2 -3
hot warm slightly warm neutral slightly cool cool cold
XVI/26
ISO norm 7730 bevat computer berekeningsmethodes om de Predicted Mean Vote (PMV) index te bepalen op basis van energiebalansen. De PMV voorspelt het gemiddelde antwoord van een grote groep mensen op de gewaarwordingschaal van ASHRAE. De PMV kan gebruikt worden om de Predicted Percent Dissatisfied (PPD) te bepalen. In figuur 16.23 worden aanvaardbare gebieden gegeven voor bedrijfstemperatuur en luchtvochtigheid in typische zomer- en winterkledij gedurende lichte en zittende activiteit (<1.2 met). De waarden werden bepaald op een 10 % dissatisfactie criterium. De comfortzones zijn gegeven door: WINTER bedrijfstemperatuur tussen 20°C en 23.5°C bij 18°C natte bol bedrijfstemperatuur, en t tussen 20.5°C en 24.5°C bij dauwpunt op 2°C. De zijwaartse grenzen liggen tussen 20°C en 23.5°C effectieve temperatuur en zijn lijnen die de meetkundige plaats zijn voor constant comfort. ZOMER bedrijfstemperatuur tussen 22.5 °C en 26 °C bij natte bol temperatuur 20 °C en bedrijfstemperatuur tussen 23.5 en 27 °C bij 2° C dauwpunt. De zijwaartse grenzen liggen tussen 23 °C en 26 °C effectieve temperatuur.
Figuur 16.23. Comfortvoorwaarden
In figuur 16.23 zijn de grenzen voor luchtvochtigheid gebaseerd op overweging van droge huid, oogirritatie, vlotte ademhaling, bacteriegroei en andere vochtgerelateerde fenomenen. Er moet over gewaakt worden dat condensatie op gebouwenoppervlakken en materialen zou optreden, door deze wand op voldoende hoge temperatuur te houden. Het is duidelijk dat zomer- en winterzones overlappen. In deze zone hebben mensen in zomerkledij een licht koud gevoel, terwijl mensen in winterkledij een lichte warm gevoel
XVI/27
zullen hebben. In realiteit mogen deze grenzen niet als scherp afgelijnd worden gezien, omdat mensen onderling verschillen in comfortgewaarwordingen. Tabel 16.4 geeft de bedrijfstemperatuur voor zittende personen in minimale kledij zoals ondergoed. De waarden in de tabel voor luchtsnelheid liggen lager dan 0.15 m/s en de luchtvochtigheid is 50 %.
Tabel 16.4. Werkingstemperatuur voor zittende personen bij 50 % RV
Voor zittende personen moet tocht ten allen tijde vermeden worden, maar actieve personen zijn minder gevoelig. Figuur 16.24 toont het gecombineerde effect van luchtsnelheid en temperatuur op de comfort zone van figuur 16.23. Het is duidelijk dat luchttemperaturen hoger kunnen zijn in de zomer als luchtsnelheden toenemen.
Figuur 16.24. Luchtsnelheid nodig om temperatuurstoename te compenseren
XVI/28
Acceptabele bedrijfstemperaturen kunnen ook worden berekend (voor 1.2 < met < 3) met:
t o,active = t o,sedentary − 3.0(1 + clo)(met − 1.2)C
(16.43)
in graden Celcius. De minimale bedrijfstemperatuur voor deze vergelijkingen is 15°C. Met niveaus volgen uit tabel 16.2. Het gecombineerde effect van bedrijfstemperatuur, activiteit en kledij is getoond in figuur 16.25. Men mag verwachten dat mensen een deel van hun kledij uitdoen als ze zware activiteiten beoefenen.
Figuur 16.25. Optimale bedrijfstemperaturen voor mensen in lage luchtsnelheidsomgeving
In figuur 16.26 wordt de toelaatbare luchtsnelheid als functie van de droge luchttemperatuur en de turbulente intensiteit van de luchtstroom getoond. Turbulente intensiteit kan variëren tussen 30 en 60 % in conventionele geventileerde lokalen. In kamers met displacement ventilatie of zonder ventilatie kan deze lager zijn. Deze figuur is gebaseerd op een 15 % aanvaardingsniveau en het gevoel op hoofd- en voetniveau, waar mensen het meest gevoelig zijn. Hogere luchtsnelheden kunnen aanvaardbaar zijn als de gebruikers zelf controle hebben over de luchtsnelheid. Mensen met een hogere activiteit kunnen een grotere mate van temperatuur niet uniformiteit aanvaarden, dan mensen die zitten.
Figuur 16.26. Luchtsnelheid als functie van luchttemperatuur en turbulente intensiteit
XVI/29
16.5.4 De belangrijkste bezorgdheden van IAQ ASHRAE definieert aanvaardbare binnenluchtkwaliteit als lucht waarin er geen bekende verontreinigingen aanwezig zijn met concentraties hoger dan toegelaten door de bevoegde autoriteiten en waarin een grote meerderheid van de mensen (80 % of meer) die zich erin bevinden hun ongenoegen uiten. In omgevingen met aanvaardbare IAQ, zijn de gebruikers niet alleen comfortabel maar hun omgeving is ook vrij van hinderlijke geuren en schadelijke concentraties van verontreinigende stoffen. Thermisch comfort verzorgen is niet alleen wenselijk om productieve werkomgeving te creëren, maar in vele gevallen heeft dit ook een directe invloed op de gezondheid van de gebruikers. Andere factoren die door een HVACinstallatie moeten worden verzorgd zijn ook zuiver, gezond en geurvrij binnenklimaat. Deze factoren worden vaak als IAQ aangeduid. Goede IAQ bewaken betekent gasvormige en deeltjes bevuiling beneden aanvaardbare niveaus te houden. Deze stoffen bevatten onder andere: koolstofdioxide, koolstofmonoxide, andere gassen en dampen, radioactieve materialen, micro-organismen, virussen allergenen en gesuspendeerde deeltjes (stof). Luchtvervuiling is in de meeste gevallen veroorzaakt door mensen en dieren, door vrijstelling van contaminanten in de ruimte door meubels en processen in de ruimtes, en door het binnenbrengen ervan door buitenlucht. Contaminanten kunnen zeer duidelijk waarneembaar zijn zoals bij grote deeltjes en geuren of ze kunnen enkel detecteerbaar zijn met meetapparatuur of door het effect dat ze hebben op personen. Symptomen zoals hoofdpijn, misselijkheid en irritaties van ogen en neus kunnen aantonen dat er iets mis is met de IAQ. Gebouwen die een ongewoon hoog aantal gebruikers hebben die fysieke problemen of gezondheidsproblemen vertonen, worden aangeduid als gebouwen met het Sick Building Syndrom (SBS). De nadruk op goed comfort en gezondheid op het werk en de toegenomen regelgeving en gerechtszaken leggen een grote verantwoordelijkheid bij bouwheren, architecten, aannemers werknemers en HVAC-ingenieurs. Deze moeten goed ingelicht en opgeleid, technisch competent en ethisch verantwoordelijk zijn. Goede IAQ kost namelijk meestal veel geld en soms komen economische belangen op de eerste plaats. Dergelijke besluiten leiden dan vaak tot menselijk lijden en veel grotere kosten achteraf.
16.5.5 Veel voorkomende verontreinigende stoffen 16.5.5.1 Koolstofdioxide en andere gassen Koolstofdioxide is een nevenproduct van het metabolisme van de mens (en alle zoogdieren) en daardoor zijn CO2-concentraties hoger in gebruikte binnenruimte dan in de buitenlucht. In dichtbevolkte ruimtes (zoals auditoria) is CO2-concentratie een belangrijke zorg. Dit is niet omdat er een direct gezondheidsrisico is, maar omdat CO2 een eenvoudig te meten indicator van de effectiviteit van de ventilatie is. Hierdoor geeft dit op zijn minst een indicatie van de concentratie van ander gassen; het Environmental Protection Agency (EPA) raadt een maximaal niveau van 1000 ppm voor continue CO2 blootstelling aan, voor scholen en residentiële lokalen en ook als richtlijn voor ander gebouwen. CO2 draagt in belangrijke mate bij aan de concentratie van mensen. Onvolledige verbranding van fossiele brandstoffen en tabaksrook zijn twee belangrijke bronnen van CO. Gebouwen met parkeergarages hebben bijvoorbeeld een hoger CO aanwezigheid. HVAC-installaties die verse lucht op grondniveau aanzuigen in starten met grote verkeersdrukte kunnen onaanvaardbare CO concentraties veroorzaken. Slecht geventileerde fornuizen, ketels, warmwaterboilers zijn vaak de oorzaak van CO productie. CO is een giftig gas en concentraties hoger dan 15 ppm kunnen de lichaamschemie sterk beïnvloeden. Reacties van mensen op CO zijn zeer verschillend en effecten kunnen vaak cumulatief zijn. Hoofdpijn en misselijkheid zijn veel voorkomende symptomen.
XVI/30
Zwaveloxides zijn het gevolg van de verbranding van brandstoffen die zwavel bevatten kunnen in het gebouw binnentreden door luchtaanzuiging en lekken verbrandingssystemen in het gebouw. Als ze gemengd worden met water, vormen zwavelig zuur dat voor de meeste slijmvliezen irriterend is, en ademhalingsmoeilijkheden astmatische aanvallen kan veroorzaken.
en in ze en
Stikstofoxides worden geproduceerd door verbranding met lucht op hoge temperatuur. Ze komen meestal het gebouw binnen via luchtverversing, waarbij ze buiten werden geproduceerd in verbrandingsmotoren en industriële processen. Maar ook interne verbranding kan tot de productie ervan in een gebouw leiden. Er bestaan verschillende opvattingen over de schadelijkheid ervan, maar zolang er geen duidelijke uitspraak is, gebiedt het voorzichtigheidsbeginsel dat hoge concentraties moeten vermeden worden. Radon is een natuurlijk voorkomend radioactief element, dat voorkomt van het verval van radium en het heeft de laatste tijd veel aandacht gekregen. Het grote gevaar van Radon is dat het longkanker kan veroorzaken. Radon kan een gebouw binnendringen vanuit de grond via barsten in de vloer en keldermuren, via het grondwater of leidingwater of via bouwmaterialen die uranium of thorium bevatten. Het indringdebiet hangt af van de drukverschillen, waardoor het bewaren van een overdruk in een ruimte een methode is om toevoer te vermijden. Andere maatregelen zijn de ventilatie kruipkelder en het dichten van barsten in ondergrondse ruimtes. Voor de veiligheid van personen zal de concentratie laag genoeg moeten worden gehouden om de blootstelling aan mensen tot beneden 4 picocurries per liter lucht te beperken.
16.5.5.2 Vluchtige Organische Componenten (E; Volatile Organic Compounds) VOCs Een veelheid aan organische chemische componenten komen voor in een modern gebouw komende van verbrandingsbronnen, pesticiden, bouwmaterialen, afwerkingslagen, reinigingsproducten, solventen en planten en dieren. Gelukkig komen ze meestel voor in concentraties die lager liggen dan aanvaarde normen. Sommige gebruikers zijn echter overgevoelig voor bepaalde chemische elementen en dus is een binnenruimte voor hen soms een probleem. Formaldehyde gas, een veel voorkomend product als gevolg van allerlei lijmen en verven, is irriterend voor ogen en slijmvliezen. Het is verantwoordelijk voor een aantal astmatische en immunoneurologische reacties en wordt beschouwd als kankerverwekkend. Formaldehyde, gebruikt in tapijten, vezelplaat, isolatie, textiel, papierproducten, cosmetica, shampoo’s en phenolhoudende plastics komt vooral via deze producten een gebouw binnen. Deze producten ademen gedurende lange tijd formaldehyde uit, doch vooral gedurende het eerste jaar van gebruik. Aanvaardbare concentraties liggen op 1 ppm als een tijdsgewogen acht uur gemiddeld, en voor woningen lijkt 0.1 ppm een voorzichtige bovenlimiet.
16.5.5.3 Deeltjes Een typisch staal van buitenlucht bevat roet, rook, zand, klei, vergane deeltjes van planten en dieren, pluizen en plantenvezels, schimmelsporen, bacteriën, planten pollen en andere levende organismen. De afmetingen van deze deeltjes kunnen sterk variëren van minder dan 0.01 µm tot de afmetingen van bladeren en insecten. Figuur 16.27 toont een breed spectrum van deeltjes en mogelijke gasreinigingstechnieken die er effectief voor kunnen zijn. Als de deeltjes gesuspendeerd zijn in de lucht, spreekt men van airosollen. Als buitenlucht wordt binnengebracht, zal deze bijkomend worden bevuild door menselijke bronnen en activiteiten, meubels en toestellen en huisdieren. Microben en besmettelijke organismen kunnen zelfs overleven en vermenigvuldigen in gunstige binnencondities.
XVI/31
Figuur 16.27. Eigenschappen van deeltjes
Tabaksrook is een van de grootste problemen om goede luchtkwaliteit te bewaren en de bezorgdheid hieromtrent is toegenomen nu vaststaat dat dit een grote invloed heeft op longziektes en kanker in het bijzonder. Allergieën komen veelvuldig voor in onze moderne maatschappij. Binnenlucht kan veel deeltjes bevatten waarvoor mensen allergieën zijn, zowel komende uit de buitenlucht en deze veroorzaakt binnen zoals vezels, schimmel en stof komende van tapijten en bedlinnen.
XVI/32
16.5.6 Methodes ter controle van verontreinigingen Er zijn 4 methodes om een goede IAQ te bekomen in een gebouw: 1 2 3 4
eliminatie van bronnen of wijziging ervan gebruik van buitenlucht verdeling van lucht over de ruimte lucht reinigen.
16.5.6.1 Bron eliminatie en wijziging Deze methode is vaak de meest effectieve voor de verwijdering van verontreinigingen die niet direct door menselijke activiteit worden veroorzaakt. Voor nieuwe gebouwen wordt exact gedefinieerd welke soort materialen voor vloerbekleding mag worden gebruikt, welk type meubels, …. In een bestaand gebouw betekent dit bij verbouwingen de bouwdelen nagaan die VOC’s uitstoten en als deze niet essentieel zijn voor de functies van het gebouw, deze verwijderen. Een rookverbod is intussen een algemeen aanvaarde maatregel in openbare gebouwen. In sommige gebouwen wordt aan rokers vaak een aparte ruimte ter beschikking gesteld, die dan afzonderlijk wordt geventileerd. Opslag van verven, solventen, reinigingsproducten, en andere vluchtige componenten in een gebouw of dicht bij een gebouw, kan vaak een sterke invloed hebben op de VOC concentraties in het gebouw. Vaak worden deze materialen dan ook opgeslagen in apart geventileerde kasten of containers.
16.5.6.2 Gebruik van buitenlucht In figuur 16.28 worden de verschillende luchtstromen die in een gebouw voorkomen weergegeven. Pulsielucht (E: supply air) is de lucht die wordt toegevoerd aan de geconditioneerde ruimte, en wordt gebruikt voor ventilatie, verwarming, koeling, bevochtiging of ontvochtiging. Ventilatielucht (E: ventilation air) is dat deel van de pulsielucht dat bestaat uit buitenlucht gemengd met recirculatielucht die werd behandeld om te voorzien in voldoende binnenluchtkwaliteit (hygiënische ventilatiedebiet). Ruimtes die gedurende enige tijd in gebruik zijn, moeten worden voorzien van een zekere hoeveelheid buitenlucht om de luchtkwaliteit te bewaren. Aangezien buitenlucht normaliter moet worden behandeld voordat die wordt ingeblazen in de ruimte, leggen economische beschouwingen op dat een minimum aan verse lucht wordt gebruikt. Enkel bij gunstige buitenluchtcondities zal meer buitenlucht worden gebruikt als deel van de koeling. In vele gevallen zal het pulsiedebiet groter zijn dan het ventilatiedebiet, omdat ook comfort moet worden verzekerd (thermisch en vochtigheid). Soms legt echter het hygiënisch ventilatiedebiet een minimum op aan dit pulsiedebiet. Buitenlucht (E: outdoor air) is lucht onttrokken aan de omgeving en werd dus nog niet gecirculeerd door het gebouw. Een deel van de buitenlucht komt binnen door infiltratie (E: infiltration) doorheen barsten en openingen tussen bouwdelen, zoals vloeren, muren en plafonds. Het grootste deel van buitenlucht is in geconditioneerde gebouwen echter afkomstig van de HVAC installatie. Er wordt normaliter aangenomen dat buitenlucht geen contaminanten bevat, maar dit is niet steeds zo. Er bestaan richtlijnen voor aanvaarde concentraties in de buitenlucht. Tabel 16.5 geeft waarden die door de United States Environmental Protection Agency (EPA) worden gegeven. Recirculatielucht (E: recirculation air) is lucht die wordt afgezogen uit de geconditioneerde ruimte en bedoeld is voor hergebruik als pulsielucht. Deze verschilt enkel van de extractielucht (E: return air) met een fractie die wordt afgevoerd naar de omgeving (afblaaslucht, E: exhaust of relief air). De compensatie of suppletielucht (E: make-up air) is de lucht die wordt toegeleverd om de afblaaslucht en de exfiltratie te compenseren.
XVI/33
Figuur 16.28. Luchtdebieten in een HVAC installatie
Tabel 16.5. Buitenluchtkwaliteitnorm van USEPA
Exfiltratielucht is het deel van de lucht die naar buiten lekt door barsten en openingen tussen bouwdelen. Exfiltratie en/of infiltratie hangen af van de drukverschillen tussen binnen en buiten en de drukverliescoëfficiënten van de openingen. Soms wordt ook nog lucht direct uit de ruimte verwijderd via een afzuigventilator. Er zal steeds een evenwicht bestaan tussen de hoeveelheid lucht die binnentreedt in de ruimte en deze die buitentreedt. Zo ook voor de lucht die het luchtbehandelingssysteem in en uittreedt. Voor de verontreiniging gelden eveneens de massabalansen. Via figuur 4-7 kan de balans voor de concentraties van de respectievelijke verontreinigingen worden gemaakt. Dit wordt: & C +N & C & =Q Q (16.44) t e t s
XVI/34
met Qt het debiet waarmee de lucht binnen en buitengaat uit het lokaal Cs de concentratie van een component in de ruimte N de productie van een component in de ruimte Ce de concentratie van de component in de intredelucht. In de meeste HVAC-systemen ligt de nadruk op het behouden van uniforme condities in de bewoonde ruimte. De bewoonde ruimte (E: occupied zone) is dat deel van de ruimte gelegen tussen de vloer en 1.8 m boven de vloer en 0.6 m verwijderd van de muren en vaste airconditioningelementen. In de meeste gevallen echter is de menging in de zone niet volmaakt, waardoor een deel S van de pulsielucht wordt kortgesloten en niet in de bewoonde zone terecht komt (figuur 16.29). Hierdoor zal een deel van de buitenlucht niet nuttig worden gebruikt en onmiddellijk weer worden afgeblazen zonder de nuttige reductie van verontreinigingen te hebben gerealiseerd. De effectiviteit van het gebruik van de buitenlucht kan worden gedefinieerd als:
E oa =
& −Q & Q o oe & Q o
(16.45)
met Q0 het debiet aan verse buitenlucht dat wordt aangezogen Q0e het debiet aan buitenlucht dat ongebruikt wordt uitgeblazen.
Figuur 16.29. Luchtverdeelsysteem
Uit figuur 16.29 volgt, met R de fractie van de extractielucht die wordt gerecirculeerd, dat het debiet aan buitenlucht dat wordt toegeleverd aan de ruimte is:
& =Q & + RSQ & Q os o os
(16.46)
Het deel buitenlucht dat niet gebruikt wordt en weer wordt afgezogen is:
& = (1 − R)SQ & Q oe os Dit geeft dan:
E oa =
1− S 1 − RS
(16.47)
(16.48)
Vergelijking (16.48) geeft dus de effectiviteit aan waarmee de buitenlucht wordt gebruikt als functie van de stratificatiefactor S en de recirculatiefactor R. Als de menging volmaakt is, zal
XVI/35
S = 0, waardoor Eoa = 1. Als het afblaasdebiet klein wordt, zal R 1 benaderen, waardoor Eoa eveneens dicht bij 1 komt te liggen. Om het hygiënische ventilatiedebiet te bepalen wordt uitgegaan van richtlijnen en normen. Hierin wordt het minimaal debiet vastgelegd dat nodig is voor verschillende types van lokalen en ventilatiesystemen. Tabel 16.6 geeft een opsomming van dergelijke condities. Bijkomend worden ook aanwijzingen gegeven voor reiniging en inblaassystemen. De benodigde debieten worden gegeven in l/h/persoon als de mens verantwoordelijk is voor de verontreiniging en voor de rest in liter/h/m². Een andere methode is het opleggen van beperkingen aan de toegelaten concentraties aan stoffen in de ruimte. Op basis van de hoger besproken massabalansen kan dan het ventilatiedebiet worden bepaald. Een voorbeeld hiervan is de maximaal toegelaten CO2 van 1000 ppm.
16.5.6.3 Luchtverdeling over de ruimte In sommige gevallen, zoals in een industriële, omgeving is het wenselijk menging van de lucht in de bewoonde zone te bepreken. Dit kan worden gerealiseerd door een of ander vorm van displacement ventilation (verplaatsingsventilatie). Hierbij worden lucht op een weinig lagere temperatuur dan de ruimte met lage snelheid toegevoerd dicht bij de vloer. De afvoerroosters zijn dicht bij het plafond geplaatst. De stroming van de ventilatielucht is in essentie vertikaal georiënteerd in het lagere gedeelte van de ruime en wordt gerecirculeerd in de bovenste zone. Er ontstaat een verticale temperatuursgradiënt over de bewoonde ruimte die bij goed ontwerp tot 3°C beperkt blijft. In sommige gespecialiseerde ruimtes zoals clean rooms wordt vaak een uni-directioneel stroming opgelegd. In dit geval wordt bijvoorbeeld lucht toegevoerd door het plafond en door de vloer afgezogen, of van de ene zijde naar de andere geblazen. Lokale ventilatie wordt toegepast om ventilatie, verwarming en koeling te voorzien op een werkplek, zoals een lastoestel, chemische analyse bank, …. De gebruikers wordt vaak controle gegeven over het aan/uit schakelen van de afzuiging, of het regelen van het debiet. Als contaminanten zeer lokaal worden vrijgegeven zullen deze worden afgevoerd voor ze de rest van de ruimte bereiken. Dit wordt gedaan door het realiseren van drukverschillen met een afzuigventilator, of door zorgvuldig plaatsen van inlaat- en afzuigroosters. Er moet mee rekening gehouden worden dat de richting van de luchtstroming moeilijk te controleren is door afzuiging alleen. Ook kan afzuiging vaak niet voorkomen dat de VOC’s langs de gebruikers stromen voor ze het lokaal verlaten.
16.5.6.4 Luchtreiniging Verse buitenlucht is steeds nodig om een gebouw van voldoende zuurstof te voorzien en om CO2 en andere gassen geproduceerd door de gebruikers af te voeren. Buitenlucht dient echter vaak zelf gereinigd te worden omdat deze zoals hoger beschreven zelf verontreinigingen bevat. Reiniging wordt dan ook steeds gebruikt samen met de hoger besproken methodes.
XVI/36
XVI/37
XVI/38
XVI/39
Tabel 16.6. Luchtverversingsdebieten voor typische gebouwen
Gasverwijdering Schadelijke componenten kunnen worden verwijderd door absorptie, fysische adsorptie, chemisorptie, catalyse en verbranding. In sommige gevallen kunnen op deze wijze ook deeltjes worden verwijderd. Absorbers worden het meest gebuikt in ruimtetuigen en duikboten. Vaste en vloeibare absortiestoffen nemen CO2 en CO op en geven zuurstof weer af aan de geconditioneerde ruimte. Gaswassers met water die worden gebruikt om temperatuur en luchtvochtigheid te regelen, verwijderen tegelijk deeltjes en gassen door absorptie in het water. Er kunnen ook additieven worden toegevoegd voor de verwijdering van specifieke componenten. Gaswassing kan ook gebeuren met ander vloeistoffen dan water. Deze moeten wel reukloos zijn en niet terecht komen in de luchtstroom. Adsorptie is de adhesie van moleculen aan een oppervlak van een vaste stof (de adsorber), terwijl absorptie de oplossing is in een vloeistof. Adsorbers moeten een grote vrijgestelde oppervlakte hebben, en ze zijn vaak poreus. Actieve koolstof is een veelgebruikte stof. De actieve koolstof is minst effectief voor de lichtere componenten (zoals ammoniak en ethyleen) maar zeer effectief voor zwaardere gassen. Andere stoffen worden geïmpregneerd op de koolstof om specifieke componenten vast te houden. Chemisorptie is gelijkaardig als fysische adsorptie. Het verschil is dat de moleculen nu worden chemisch gebonden op het oppervlak, waardoor enkel zeer specifieke componenten kunnen worden verwijderd. Bij catalyse treden ook chemische reacties op aan het oppervlak van de catalysator. De gasvormige polluent reageert echter niet stochïometrisch met de catalysator zelf. Aangezien de catalysator niet wordt verbruikt, heeft deze methode een langere levensduur (langere tijd tussen vervanging) dan bij de vorige methodes. Als zuurstof door de catalysator reageert met de polluenten, dan spreken we van catalytische verbranding. Vaak worden geuren als oncomfortabeler ervaren dan de aanwezigheid van de gassen zelf. Deze geuren verdwijnen echter vaak niet als polluenten worden verwijderd. In dat geval is de enige maatregel het maskeren van de geuren. Dit gebeurt door injectie van stoffen die aangenaam ruiken en niet schadelijk zijn.
XVI/40
Deeltjesverwijdering – filteren Zoals eerder besproken bevindt er zich een grote variatie aan deeltjes in zowel binnen- als buitenlucht. Het is dan ook niet mogelijk een toestel te bouwen dat voor alle deeltjes geschikt is. Voor clean-rooms in de elektronica is er een veel strengere eis aan de toelaatbare deeltjes gesteld dan in kantoren of hospitalen. De belangrijkste kenmerken van deeltjes die de prestatie van een luchtreiniger beïnvloeden zijn: • afmeting en vorm • gewicht • concentratie • elektrische eigenschappen. Deeltjesreinigers verschillen sterk in afmeting, vorm, installatiekost en bedrijfskost. De belangrijkste ontwerpparameters is de graad van zuiverheid die moet worden bereikt. Voor verschillende types kunnen volgende parameters worden gebruikt om ze onderling te vergelijken: • effectiviteit • stromingsweerstand • stofcapaciteit. Effectiviteit is de mate waarin een filter in staat is deeltjes uit een luchtstroom te halen. Figuur 16.30 toont de effectiviteit voor vier verschillende high performance filters in functie van de afmeting van de deeltjes. Kleine deeltjes zijn het moeilijkst om uit te filteren. Als toepassingen worden gebruikt met droge filters en lage stof concentraties moet de initiële effectiviteit worden gebruikt bij ontwerp, omdat over de tijd toeneemt met de hoeveelheid stof die werd opgenomen.
Figuur 16.30. Filtereffectiviteit
XVI/41
De stromingsweerstand is het ladingsverlies bij een gegeven debiet. Dit is een belangrijke parameter voor de operationele kost. De stofcapaciteit is de hoeveelheid stof die een filter kan bevatten onder een geven luchtdebiet, waarbij de drukval onder een bepaalde waarde blijft of de effectiviteit hoog genoeg blijft. Gegevens over de filter uit figuur 16.30 staan in tabel 16.7. De mechanismen waarmee de filters werken zijn te onderscheiden als: • • • • •
zeven directe interceptie neerslaan diffusie elektrostatisch.
De veelvoorkomende filters kunnen worden opgedeeld in 4 groepen: • • • •
vezelachtige materialen filters vernieuwbare media filters elektrische filters combinatie filters.
Luchtreiniging is reeds jaren in gebruik om de luchtkwaliteit van verse lucht in een gebouw te verbeteren, om onderdelen, zoals warmtewisselaars, te beschermen, en om verontreinigingen te verwijderen die door recirculatie zouden worden geïntroduceerd. Door de toegenomen aandacht voor IAQ zijn er veel nieuwe technieken in gebruik genomen. Modern HVAC design legt niet enkel de nadruk op de uitfilteren van deeltjes, maar ook op het voorkomen van VOC en de vernietiging ervan.
XVI/42
Tabel 16.7. Filtereigenschappen
XVI/43
