KOHTI KERROSTAVAA ILMANVAIHTOA

Transkriptio

1 Helmikuu-2006 KOHTI KERROSTAVAA ILMANVAIHTOA Bengt Sellö Ylhäältä tuodulla tuloilmalla ei voi saavuttaa 50 prosenttia suurempaa ilmanvaihdon poistotehokkuutta. Usein hyötysuhde jää prosentin tasolle. Jos lämmönpoisto huoneesta tapahtuu samalla tekniikalla eli huoneen ilma jäähdytetään teho jää yhtä alhaiselle tasolle. Jos huone vastaavasti lämmitetään samalla tavalla, hyötysuhde muodostuu sitäkin pienemmäksi. Ylhäältä tuodun ilman alhaisesta hyötysuhteesta huolimatta näin tehdään kaikkialla kutsuen tekniikkaa sekoittavaksi ilmanvaihdoksi. Viime vuosien aikana tutkijat ovat kuitenkin kehittäneet menetelmän jolla likaantuneen ilman vaihto- ja lämmitysteho pystytään nostamaan aina runsaaseen 70 prosenttiin, eli kaksinkertaiselle tasolle. Hyvän tuloksen lisäksi uusi menetelmä helpottaa asennustöitä. Tuloilma on vain tuotava huoneisiin toisenlaisella tekniikalla eri tavalla toimivilla tuloilmaelimillä ja jäähdytyspalkeilla. Ymmärtääksemme minkä takia ylhäältä tuodun tuloilman teho jää niin alhaiseksi meidän on myös ymmärrettävä mitä huoneessa tapahtuu, kun sitä tuuletetaan ja jäähdytetään ylhäältä päin tulevalla ilmalla: 1. Lämmin likaantunut lämpölähteistä tuleva konvektioilma nousee kattoa kohti. Jos se olisi saanut poistua huoneesta kattotasolta kaikki olisi ollut hyvin. 2. Mutta tätä ei kylmempi alaspäin suunnattu tuloilma salli. Sen sijaan tuloilma painaa lämpöä ja likaantunutta ilmaa takaisin alaspäin, kohti lämpölähteitä. 3. Lämpölähteitä ympäröivä ilma lämpiää ja likaantuu jatkuvasti entisestään täysin turhaan. 4. Turhan lämmittämisen kompensoimiseksi huoneeseen on jatkuvasti tuotava lisää jäähdytysenergiaa. 5. Ihmisiä ympäröivän likaantuneen ilman saattamiseksi hengitys kelpoiseksi siihen on jatkuvasti lisättävä tuloilmaa. 6. Likaantuneen ilman hallitsematon sekoitus johtaa yhtä hallitsemattomaan hiukkasten sekoittumiseen kaikkien suiden ja nenien välillä. 7. Lämmön ja likaantuneen ilman sekoittuminen tapahtuu kaikkialla huoneessa sen sijaan että se keskittyisi lämpö lähteiden ympärille jossa se optimoituisi.

2 Samalla tavalla ylhäältä tulevalla ilmalla lämmitämme useita tuhansia teollisuustiloja. Koska lämmin ilma aina nousee, kattotasolla oleva ilma tulee aina olemaan lämpimämpää kuin lattiatasolla olevia ihmisiä ympäröivä ilma - yli viiden asteen ero ei ole mitenkään harvinainen. Tämä johtaa siihen että lämmönsiirron tehokkuus tavallisesti laskee edelleen yllä mainittuun esimerkkiin verrattuna. Tuloilman tuonti ylhäältä päin ei siis ole hyvä keino, jos me haluamme vähentää energian tarvettamme ja huolehtia terveydestämme. EIKÖ SITTEN OLE VAIHTOEHTOA SEKOITTAVALLE KUINKA VAAN ILMANVAIHDOLLE? Tietenkin on olemassa vaihtoehtoja ilmiölle joka on ilmiriidassa luonnon lakien kanssa tuhansia vuosia esi-isiemme asumuksissa käytössä olleita ratkaisuja. Tämä oivallus johti muutama vuosikymmen sitten kasvavaan kiinnostukseen uusvanhaa ilmanvaihtomenetelmää kohtaan, jota me virheellisesti kutsuimme syrjäyttäväksi ilmanvaihdoksi. Tämä menetelmä mahdollisti meitä ympäröivän sisäilman kerrostamisen, ja näin ollen likaantuneen ilman poistamisen lähes 70-prosenttisesti vieläpä johtamatta sisäilman hiukkasten turhaan sekoittumiseen. Syrjäyttävän ilmanvaihdon laaja markkinointi iskulauseella vuosisadan loppuun mennessä ilmastointi tulee tapahtumaan kokonaisuudessaan tällä tekniikalla herätti toiveita siitä että saatoimme päästä lopullisesti eroon sekoittavasta ilmanvaihdosta. Monet syyt johtivat kuitenkin siihen että näin ei kuitenkaan käynyt: Lattiaa pitkin tuotava jäähdytetty tuloilma näytti johtavan helposti kylmiin jalkoihin. (Kokemukset osoittavat, että alhaisen viihtyisyyden riski on aina olemassa, jos lämmönpoisto huoneesta ylittää W lattianeliömetriltä.) Kylmien jalkojen välttämiseksi tuloilma on tuotava huoneeseen alhaisella nopeudella. Alhainen nopeus johtaa kuitenkin alhaiseen virtausvoimaan. Kun sitten tämä voima jää heikommaksi kuin sisäilman virtausvoima kokonaisuudessaan, pääsee sisäilman virtaus voimat määräämään ilmanvaihdon toiminnan. Kun näin käy niin kuin helposti tapahtuu tiloissa joissa on useita lämpölähteitä, kuten luokkahuoneissa sisäilman kerrostuminen muuttuu hiukkasten sekoittumiseksi ja olemme palanneet lähtöruutuun. Jos pyritään lämmittämään samalla tavalla esimerkiksi teollisuustiloja, tehokkuus jää tavallisesti vielä alhaisemmaksi kuin sekoittavalla ilmanvaihdolla saavutettava hyötysuhde. Asennukset osoittautuivat usein sekä monimutkaisiksi että kuluja vaativiksi. Monien tekijöiden yhteisvaikutuksen tuloksena sekoittavat tuloilmaelimet ja jäähdytyspalkit ovat taas hallitsevassa asemassa ilmastointialalla alhaisesta tehotasosta ja hiukkasten sekoittumisesta huolimatta. SYRJÄYTTÄVÄ ILMANVAIHTO AVASI TOISENLAISEN JA PAREMMAN TIEN Kiinnostus syrjäyttävää ilmanvaihtoa kohtaan johti siihen, että alalla ruvettiin ymmärtämään, että ilmanvaihdon perustehtävä on likaantuneen ilman poistaminen lämpölähteistä ja huoneista eikä lisäilman tuominen huoneisiin hinnalla millä hyvänsä. Tämä asia mahdollisti sellaisten käsitteiden käyttöön ja huomioon ottamisen, jotka kertovat ilmanvaihdon tehokkuuden. (Gävlessä suoritetut tutkimukset professori Mats Sandbergin johdolla johtivat esimerkiksi tätä nykyä maailmanlaajuisesti käytössä oleviin käsitteisiin kuten local air exchange index ja air exchange effectiveness.)

3 Ilmanvaihdon likaantuneen sisäilman poistamisen hyötysuhde on suhteellisen helposti asiantuntijoiden mitattavissa. Syrjäyttävän ilmanvaihdon tutkimuksissa oli siksi helposti todettavissa, että hyötysuhde saattoi nousta 70-prosenttiseksi, eli kaksinkertaiseksi sekoittavaan ilmastointiin verrattuna. Edellytyksenä oli kuitenkin sisäilman tasainen kerrostaminen. Entä kasvaako hyötysuhde vastaavasti kun lämpöä poistetaan huoneista kerrostavalla ilmanvaihdolla? Tähän kysymykseen ei löytynyt vastausta ennen kuin CFD:n kehittäminen johti läpimurtoon University of Readingissä pari vuotta sitten. On näet erittäin vaikeata kokeellisesti määritellä kuinka paljon vähemmän energiaa huoneeseen pitää tuoda, jos lämmön siirto tapahtuu sekoittavaa ilmanvaihtoa tehokkaammalla tavalla. Mittaamisen ja mittaustulosten vahvistamisen vaikeudet ovat puolestaan johtaneet siihen, että me tätä nykyä oletamme että kaikkinainen lämmön vaihtelu huoneessa aina tapahtuu tehottomalla sekoittavalla ilmanvaihdolla. Uuden työkalun CDF:n ansiosta tutkijat tietävät nyt, että lämmönsiirto ilmastoiduissa huoneissa on pitkälti samaa luokkaa kuin likaantuneen ilman vaihtuvuus. Jos kyetään aikaansaamaan ilman pysyvä kerrostaminen, on jäähdyttämiseen tai lämmittämiseen tarvittavan lisäenergian määrä huomattavasti pienempi kuin sekoittavan ilmanvaihdon vaatima määrä. CFD on myös johtaneet tutkijat oikealle tielle mitä tulee tämän pysyvän kerrostamisen saavuttamiseen. Samojen tutkijoiden monivuotiset aikaisemmat tutkimukset koskien impinging jet ventilation (pintoihin törmäävä ilmavaihto) näyttivät miten suutinvirtausta hidastamalla päästään vedottomaan sisäilmaan oleskelualueella. Kesällä 2003 kaikki palaset loksahtivat paikoilleen Englannin University of Readingissä. Professori Hazim Awbin johdolla sikäläiset tutkijat pystyivät seuraavasti määrittelemään sisäilman vedottoman kerrostamisen perustan: Tuloilma on tuotava huoneeseen useiden yhteisvaikutteisten suutinvirtausten muodossa. Tuloilman virtausnopeutta hidastamalla huoneessa saavutetaan vedoton sisäilmasto oleskelualueella Impinging Jet-tekniikan avulla. Huoneen likaantuneen ilman ja lämmönsiirto on optimoitavissa CFD:n avulla. Tuloilma on tuotava huoneeseen pitkin seiniä.

4 Readingissä suoritettu tutkimustyö koskien uutta ilmastointimenetelmää jolle tutkijat antoivat nimen Wall Confluent Jets Ventilation johti seuraaviin tuloksiin: Ilmanhiukkasten poiston ja lämmönvaihdon hyötysuhde nousi aina korkeammaksi kuin 65 prosenttia. (Tämä tarkoittaa, että tuloilman määrää ja sen jäähdytystehoa voi vähentää ainakin 25 prosentilla ja keskimäärin yli 30 prosenttia sekoittavaan ilmanvaihtoon verrattuna.) Huoneilma kerrostui kaikissa tutkimuksissa lämmönlähteiden ylöspäin suuntautuvat lämpövirtaukset korvattiin siis kokonaisuudessaan alakautta tulevalla puhtaalla ilmalla ja ilman hiukkasten sekoittumista. Viihtyvyystekijät paranivat verrattuna aikaisempiin, syrjäyttävään ja tietenkin sekoittavan ilmanvaihdon tutkimuksiin. Kerrostavan ilmanvaihdon tuloksia esiteltiin syyskuussa 2004 Portugalissa pidetyssä ROOM VENT 2004 konferensissa. Koska nämä tulokset olivat niin huomiota herättäviä, tehtiin päätös uuden ilmanvaihtotekniikan tutkimusten seurannasta todella vaativassa ympäristössä, tavallisessa luokkahuoneessa. Näin tehtiin myös kesällä 2004 BMG - Byggd Miljö Gävlessä. Nämä tutkimukset osoittavat muun muassa seuraavaa: Ne syrjäyttävän ilmanvaihdon tuloilmaelimet, jotka oli asennettu huoneeseen kokeiden alussa, sekoittivat huoneilman ja hiukkaset kaikissa mittauspisteissä 1,2 metrin korkeudella lattian pinnasta sekä korkeammalla. Kun ne korvattiin Wall Confluent Jets Ventilationin mukaan toimivilla laitteilla, sisäilma kerrostui kaikissa kohdissa 1,8 metrin korkeudelle. Kaikki ihmisistä peräisin oleva likaantunut ilma liikkui siis kohtisuoraan ylöspäin ja korvattiin kokonaisuudessaan alakautta tulevalla tuoreella ilmalla ja ilman hiukkasten sekoittumista. Keskimääräinen Local air exchange index eli ilmanvaihdon teho huoneessa olevien ihmisten ympärillä - oli 26 prosenttia korkeampi kuin sekoittavan ilmastoinnin avulla saavutettava teoreettinen ja noin 60 korkeampi kuin sekoittavalla ilmanvaihdolla keskimäärin saavutettava arvo. Tutkimuksissa todettiin myös ettei esiintynyt minkäänlaisia lähialueita, heittopituuksia tai häiritsevää vetoa kauempana kuin 30mm:n päässä seinistä. Edelleen todettiin että huoneen ilma pysyi kerrostuneena senkin jälkeen kun erillinen tuuletin asennettiin huoneeseen sekoittamaan sisäilmaa.

5 Tutkimusten virallinen raportti, Effectiveness of confluent jets ventilation for classrooms, jonka tekijät ovat Taghi Karimipanah, Hazim Awbi, Claes Blomqvist ja Mats Sandberg, esiteltiin hiljattain Indoor Air 2005 Kiinan Beijingissä pidetyn konferenssin yhteydessä. Lähiaikoina se julkaistaan myös ammattilehdessä Journal of Building & Environment. Viime vuosien aikana teollisuustiloissa suoritetut empiiriset tutkimukset osoittavat että katon ja lattian välinen lämpötilan ero pienenee noin puoleen verrattuna sekoittavan ilmanvaihdon normaaliin viidestä seitsemän asteen lämpötilaeroon. TIIVISTELMÄ Wall Confluent Jets Ventilation lämmittää tai jäähdyttää huoneet toivottuun lämpötilaan prosenttia pienemmällä lämpö- tai jäähdytysenergialla. Wall Confluent Jets Ventilation tehostaa vastaavasti likaantuneen ilman poistoa. Tuloilman määrää voidaan siksi vähentää samassa määrin. Tästä huolimatta huoneen ilma muuttuu tuntuvasti paremmaksi ja terveellisemmäksi hengittää ilman hiukkasten sekoittumista.

6 KIITOKSET Monet asiantuntijat ovat osallistuneet Wall Confluent Jets Ventilationin kehittämiseen. Kaikkien asiantuntijoiden panos työn, keskustelujen sekä näkökohtien esittämisen muodossa on ollut välttämätön yhteisen päämärän saavuttamiseksi: tehokkaamman ja terveellisemmän ilmanvaihdon tarjoaminen ihmisille. Professori Hazim Awbi, University of Readingissä Englannissa, on monine työtovereineen yhdessä Tekn. Tohtori Taghi Karimipanahin kanssa tehnyt varsinaisen työn sekä Readingin kokeellisissa tutkimuksissa että CFD:n kanssa suoritetuissa tutkimuksissa. Professori Mats Sandberg Byggd Miljö Gävlestä on tutkinut mittauksia ja analyyseja saaden meidät ymmärtämään, kuinka parempi ja huonompi ilmanvaihto nyt on havainnollistettavissa ja tehtävissä ymmärrettäväksi maallikoillekin. Tekn.lis. Claes Blomqvist on mitannut ja analysoinut mittaustietoja sekä saanut meidät ymmärtämään, kuinka me ihmiset koemme pintoja pitkin virtaavan ilman. Professori Bahram Moshfegh Linköpingin yliopistosta tulee pian joiltakin osin jatkamaan tutkimusten johtamista vastaten Wall Confluent Jets Ventilationin tutkimuksista etenkin teollisuusympäristössä, jossa tämä tekniikka edustaa vähintäinkin mielenkiintoista potentiaalia. Allekirjoittanut, näidenkin rivien kirjoittaja, on monien vuosien aikana hapuillut kohti tehokkaampaa ilmanvaihtoa ikään kuin harhaillen viidakossa yöllä. Kolmenkymmenenviiden vuoden hapuilun jälkeen hän sai ilokseen kokea, että tutkijat ovat onnistuneet tekemään selkeän pesäeron sekoittavaan ilmanvaihtoon. Vasatherm Finland Oy Bengt Sellö V A S A T H E R M S E A I T O J A A L K U P E R Ä I N E N w w w. v a s a t h e r m. f i Vasatherm Finland Oy, Pihatörmä 1 A, Espoo , , Fax VASATHERM POHJOIS-SUOMI Puh Fax VASATHERM LÄNSI-SUOMI Puh Fax VASATHERM ITÄ-SUOMI Puh Fax VASATHERM VIRO Puh Fax