ILMANVAIHTOJÄRJESTELMISSÄ

Transkriptio

1 Sisäilmastoseminaari 2013 Helsinki, ILMANVAIHDON TEHOKKUUS ERI ILMANVAIHTOJÄRJESTELMISSÄ, Jorma Heikkinen, Erikoistutkija, Teknologian tutkimuskeskus VTT, Suomi Kai Sirén, Prof. Aalto yliopisto, Suomi

2 Johdanto 1970-luvun energiakriisin jälkeen on pyritty y kehittämään ilmanvaihtojärjestelmiä, j joilla saadaan aikaan samanaikaisesti sekä hyvä sisäilman laatu että lämpöviihtyvyys käyttämättä kuitenkaan liikaa energiaa. Tutkimukset osoittavat, että sisäilman laatu, lämpö-olot, epäpuhtauksien leviäminen ja jopa henkilön tuottavuus riippuvat suuresti ilmanjakolaitteen tuottamasta ilmavirtauksesta. On arvioitu, että huonosta sisäilmasta aiheutuvat sairaudet aiheuttavat Suomessa noin 2,7 miljardin euron kustannukset vuodessa. Ilmanvaihdon määrällinen vaikutus tartuntatautien leviämiseen jäi kuitenkin epäselväksi. Kuitenkin viimeaikainen tutkimus osoittaa, että sairasrakennusoireyhtymästä pääsemiseen tarvitaan hyvin suuria ilmanvaihtomääriä, noin 25 litraa sekunnissa henkilöä kohti.

3 Tavoite Tämän tutkimuksen tavoitteena on analysoida kirjallisuuden perusteella ilmavaihdon tehokkuutta ja tehokkuusindeksejä eri ilmavaihtojärjestelmissä. Tutkimuksessa esitetään myös uusi hengitysvyöhykkeen suojailmanvaihtoperiaate

4 NYKYISET ILMANVAIHTOJÄRJESTELMÄT 1) SEKOITTAVA ILMANVAIHTO (MV, MIXING VENTILATION) Sekoittavan ilmanjaon tarkoitus on johtaa ilmavirta huonetilaan vedottomasti,,jotta termiset olosuhteet ja ilman mahdolliset epäpuhtaudet jakautuvat tasaisesti joko koko tilaan tai valitulle alueelle, esimerkiksi oleskeluvyöhykkeelle. Ilmavirrat määritetään tää lämmönpoiston, kosteudenpoiston tai tilassa vapautuvien epäpuhtauksien poiston perusteella. Kuva 1 Boyle osoitti vuonna 1889 miten sekoittava yläpuolinen ilmajako voi tuoda influenssaan sairastuneen henkilöön hengitysilmaa sekä kynttilöiden palokaasuja oleskelualueelle.

5 ) SYRJÄYTYSILMANVAIHTO (DV, DISPLACEMENT VENTILATION) Kuva 2 Syrjäytysilmanvaihto (REHVA Guidebook) Syrjäytysilmanvaihto pitää oleskeluvyöhykkeen puhtaana ohjaamalla epäpuhtaan ilman huoneen yläosaan (kuva 2). Syrjäyttävässä ilmanvaihdossa käytetään yleensä hyväksi epäpuhtauspäästöihin liittyvää, kuvan 2 osoittamaa ylöspäin suuntautuvaa konvektiovirtausta. Viileä tuloilma ohjataan normaalisti lähelle lattiaa pienellä nopeudella, tyypillisesti alle 0,5 metriä sekunnissa

6 ) Kohdepoistojärjestelmä (LEV, Local Extract Ventilation) Kohdepoisto on erittäin tehokas tiloissa, joissa on paikallisia selvästi tunnistettavia epäpuhtauslähteitä, kuten teollisuustiloissa tai keittiöissä. Normaalisti N lähteen lähellä llä tai yläpuolella l ll on poistoventtiili ttiili tai huppu, joka poistaa epäpuhtaudet ennen niiden leviämistä huoneeseen. 4) Mäntäilmavaihto (PiV, Piston Ventilation) Mäntätyyppinen virtaus saadaan aikaan syöttämällä ilmaa vaakatai pystysuunnassa koko huoneen poikkipinnalle pienellä nopeudella (tyypillisesti 0,2-0,4 m/s) ja pienellä turbulenssilla. Tämä on hyvin tehokas ilmanvaihtotapa, mutta se on myös kallis ja vaatii erittäin suuret ilmavirrat ( vaihtoa tunnissa). Siksi sitä käytetään ää vain tietyissä sovelluksissa, s ssa, kuten puhdastiloissa ssa ja leikkaussaleissa.

7 ) HENKILÖKOHTAINEN ILMANVAIHTO (PV, PERSONALIZED VENTILATION) Kuva 3 Henkilökohtainen ilmavaihto Henkilökohtaisella ilmanvaihdolla (kuva 3) voidaan ohjata laadukasta tuloilmaa suoraan hengitysalueelle. ll Perinteisen PV-ilmanvaihdon yhteenveto osoittaa, että jopa 80% hengitysilmasta voisi koostua henkilökohtaisesta tuloilmasta, jonka ilmavirta on pienempi kuin 3,0 litraa sekunnissa. Henkilökohtainen ilmanvaihto voi säästää jopa 60% energiaa verrattuna sekoittavaan ilmanvaihtoon kylmässä ilmastossa ja 51% vastaavasti kuumassa ilmastossa.

8 ) Hybridi-ilmanjako (HAD, Hybrid Air Distribution) Tehokkuudestaan huolimatta syrjäytysilmanjaolla on kaksi keskeistä puutetta: (1) sitä ei voida käyttää lämmitykseen, (2) tuloilman jako ulottuu rajoitetun matkan päähän huoneessa. Näitä puutteita pyritään korjaamaan hybridiilmanjakojärjestelmässä, mikä yhdistää MV-ja DV-järjestelmän piirteitä. HADperiaatteesta esimerkkejä ovat törmäävän suihkun järjestelmä (IJ, Impinging Jet) sekä yhtyvän suihkun järjestelmä j ä (CJ, Confluent Jet) Kuva 4 Hybridi-ilmavaihto

9 ) Stratum-ilmanvaihto (SV, Stratum Ventilation) Stratum-ilmanvaihdolla pyritään sopeutumaan itäisen Aasian hallitusten pyrkimykseen korottaa sisälämpötiloja. SV-ilmanvaihdon ajatuksena on ohjata raitista ilmaa hengitysvyöhykkeelle ja maksimoida ilmanvaihdon tehokkuus Kuva 5 Stratum-ilmavaihto

10 ) Hengitysvyöhykkeen suojailmanvaihto iht (POV, Protected t Occupied Zone Ventilation) Tähän tarvitaan perusteellista tutkimusta, jossa tavoitteena on hyvä sisäilman laatu, lämpöviihtyisyys sekä energiatehokkuus. Tässä tutkimuksessa on keskitytty etsimään tehokasta ilmanvaihtoa avotoimistoihin ja julkisiin tiloihin käyttämällä tuloilmalaitteita, joilla saadaan tasomainen ilmasuihku. ihk Hengitysvyöhykkeen suojailmanvaihto käsittää kuvan 6 mukaisesti matalan turbulenssin rakohajottimet sekä ylemmän ja alemman poistoilmalaitteen. Avotoimisto on jaettu neljäksi henkilökohtaiseksi työalueeksi ilmaverhoilla jotka samalla tuovat puhdasta ilmaa. Ilmaverhot estävät mahdollisesti saastuneen ilman siirtymisen osa-alueelta toiselle. Kuva 6 POV-ilmavaihto

11 ILMANVAIHTOJÄRJESTELMIEN TEHOKKUUS Ilmanvaihdon tehtävästä riippuen ilmanjakojärjestelmien tehokkuutta on arvioitava erilaisilla indekseillä. Taulukosta nähdään, että useimpia järjestelmiä voidaan arvioida vähintään 2-3 indeksin perusteella. Hengitysvyöhykkeen suojailmanvaihdon tavoitteiden kannalta tärkeintä on suojaus epäpuhtauksilta ja paikallinen ilmanlaatuindeksi. Taulukko 1 Ilmanjakojärjestelmien arviointi eri indekseillä. ILMANVAIHTO EPÄPUHTAUKSIEN POISTO LÄMMÖN POISTO ε ε a e (%) ε t MV (5C<ΔT<0C) (KATTOPOISTO); 99 % /24/ /20/ (0C<ΔT<-5C) (lattiapoisto) /4/ DV /20/ (2<ΔT<0 ) /4/ 121% /24/ HV /LEV /PiV 2 PIV /22/ 123% HV/24/ PV (ΔT=-6C) (ΔT=-3C) (ΔT=-0C) /4/ /25/

12 Lämpötilasta riippuen ilmanvaihdon tehokkuus Kuva 7 Ilmanvaihdon tehokuutta riippuu tulo lämpötilasta Tehokkuus lisääntyy tuloilman lämpötilan noustessa henkilökohtaisella ilmanjaolla sekä sekoittavalla ilmanjaolla, jossa poisto on alhaalla. Vastaavasti tehokkuus pienenee tuloilman lämpötilan noustessa jos poisto on ylhäällä. Samoin tapahtuu myös syrjäyttävällä ilmanjaolla, jolla ilmanvaihdon tehokkuus ylittää ykkösen vasta jäähdytystilanteessa. Henkilökohtaisella ilmanjaolla ilmanvaihdon tehokkuus on kaikissa tilanteissa suurempi kuin 1.

13 Yhteenveto Sekoittavaa ilmanvaihtoa on käytetty yli sata vuotta. Sen haittapuolet ovat edelleen haaste koska puhdas tuloilma sekoittuu sisäilman epäpuhtauksiin. Toimistoissa ilmanvaihdon tarve on noin 10 litraa sekunnissa henkilöä kohti, joidenkin tutkimusten mukaan jopa 25 litraa. Tavanomaiset ilmanjakojärjestelmät eivät kuitenkaan tarjoa riittävää suojaa ilman välityksellä tarttuville epidemioille. Esitetty uusi hengitysvyöhykkeen suojailmanvaihto (POZ) voi parantaa merkittävästi suojaustehokkuutta avotoimistoissa ja yleisissä tiloissa. Järjestelmän toimivuudesta ja soveltuvuudesta käytäntöön tarvitaan kuitenkin lisää tutkimusta. Tärkeimmät ovat paikallinen ilmanlaatuindeksi sekä epäpuhtauksilta suojautumiseen liittyvät indeksit.

14 Erikoistutkija puh Kirjoittajat haluavat a at kiittää Suomen Akademi:tä tutkimuksen tuesta ja rahoituksesta.