Wpływ wiatru na wentylację i odprowadzenie spalin gazu z mieszkań

Wiatr odgrywa istotną rolę w wentylacji mieszkań i odprowadzeniu spalin gazu z domowych urządzeń spalających gaz (kuchenek, grzejników wody przepływowej z otwartą komorą spalania). Przyjęto, że wentylacją grawitacyjną nazywa się wymianę powietrza pod wpływem różnicy ciśnienia między pomieszczeniem budynku a jego otoczeniem przy bezwietrznej pogodzie, wentylacją naturalną – wentylację grawitacyjną z udziałem oddziaływania wiatru. Do oceny wpływu wiatru niezbędna jest znajomość ciśnienia zewnętrznego, wywieranego przez wiatr na zewnętrzne powierzchnie budynku, jak również ciśnienia w wylotach przewodów wentylacyjnych i spalinowych.

Rys. 1 Rozkład wartości współczynnika ciśnienia zewnętrznego na dachu modelu budynku o podanych proporcjach wymiarów [4]

Graniczna prędkość wiatru wywołująca wsteczny ciąg w kominie

Powietrze jest usuwane z pomieszczeń w wyniku różnicy ciśnienia między pomieszczeniem i kominem a otoczeniem budynku. Ta różnica jest wyrażona wzorem

(1)

w którym: p_e – gęstość powietrza zewnętrznego, napływającego do pomieszczenia, kg/m³; p_i – gęstość powietrza wewnętrznego, usuwanego z pomieszczenia, kg/m³; g – przyspieszenie ziemskie, m/s²; Δh – różnica wysokości między wylotem z przewodu wentylacyjnego a połową wysokości rozpatrywanego pomieszczenia, zwykle połową wysokości okien, m. Wzór 1 przedstawia ciśnienie wyporowe, wynikające z różnicy gęstości powietrza, i wyraża tzw. efekt kominowy, który jest podstawą działania wentylacji grawitacyjnej.

Gęstość powietrza zależy od jego temperatury i ciśnienia. Posługując się równaniem stanu, a także przyjmując, że poszukiwana różnica ciśnienia jest niewielka w stosunku do ciśnienia atmosferycznego, można wzór 1 przekształcić tak, aby występowała w nim temperatura powietrza. Zakładając stałą średnią temperaturę powietrza w przewodzie wentylacyjnym, bez strat ciepła, wzór 1 można zapisać w postaci

(2)

gdzie: T_e i T_i – temperatura powietrza zewnętrznego i wewnętrznego, w skali Kelwina.

Na tę grawitacyjną różnicę ciśnienia Δp_g nakłada się różnica ciśnienia między pomieszczeniem a wylotem komina, wywołana działaniem wiatru. Ciśnienie wywierane przez wiatr na powierzchnię budynku wyraża wzór

(3)

w którym: p_e – gęstość powietrza zewnętrznego, kg/m³; V – prędkość wiatru mierzona daleko przed budynkiem na wysokości 10 m w standardowym terenie otwartym, m/s; C_e(z) – współczynnik ekspozycji; C_p – współczynnik ciśnienia.

Wyrażenie

(4)

przedstawia ciśnienie dynamiczne, nazywane w inżynierii wiatrowej ciśnieniem prędkości wiatru, w odróżnieniu od dynamicznego działania porywów wiatru.

Rys. 2 Rozkład wartości współczynnika ciśnienia zewnętrznego na ścianach modelu budynku o podanych proporcjach wymiarów [4]

Współczynnik ekspozycji określa wpływ rodzaju terenu i wysokości nad nim na ciśnienie prędkości wiatru. Zwykle w obliczeniach dla budynku o stosunku wysokości do szerokości boku nawietrznego H/B ≤ 2 przyjmuje się wartość C_e jak dla wysokości górnej krawędzi dachu (kalenicy). Należy rozróżnić współczynnik ekspozycji wg Eurokodu [9] od współczynnika ekspozycji wg poprzedniej normy polskiej [7], [10]. W obecnej normie oprócz zależności od rodzaju terenu i wysokości nad nim współczynnik ekspozycji ujmuje także przeliczenie ciśnienia prędkości z wartości średniej 10-minutowej na wartość chwilową, 1-3-sekundową. Do obliczeń wentylacji przyjmuje się tu wartość średnią 10-minutową prędkości wiatru. Współczynnik ekspozycji wg [7] należy zatem zastąpić przez kwadrat współczynnika chropowatości, C²_r(z), podanego w Eurokodzie [9]. Współczynnik ciśnienia określa wartość ciśnienia w danym miejscu budowli. Jeżeli jest to powierzchnia zewnętrzna, to współczynnik ciśnienia jest nazywany współczynnikiem ciśnienia zewnętrznego C_p.Jeżeli istnieje możliwość infiltracji powietrza zewnętrznego do wnętrza budynku, to powstaje w nim ciśnienie określone przez wzór 3, w którym jako współczynnik ciśnienia będzie występował współczynnik ciśnienia wewnętrznego C_pk.

Ciśnienie wyporowe wywierane przez wiatr jest określone wzorem

(5)

w którym: C_pe – współczynnik ciśnienia zewnętrznego przy oknie rozpatrywanego pomieszczenia, C_pk – współczynnik ciśnienia wewnętrznego w wylocie komina, C_r(z) – współczynnik chropowatości terenu wg [9].

Współczynnik ekspozycji ze wzoru 3 został tu zastąpiony przez kwadrat współczynnika chropowatości wg [9]. Całkowite ciśnienie wyporowe, z wpływem wiatru, jest określone wzorem

(6)

Warunkiem działania wentylacji naturalnej jest

Δp_c >  0      (7)

Zatrzymanie przepływu w kominie nastąpi przy

Δp_c  =  0     (8)

a cofnięcie przy

Δp_c <  0     (9)

Wartość graniczną prędkości wiatru, przy której nastąpi zatrzymanie przepływu w kominie i powyżej której nastąpi odwrotny przepływ (nawiew), można obliczyć ze wzoru 6, podstawiając Δp_c = 0

  (10)

Wzór 10 może być stosowany, pod warunkiem że

   (11)

Z warunku 11 wynika, że w porze chłodnej, gdy T_e < T_i, warunkiem wystąpienia wstecznego przepływu w kominie jest

C_pe < C_pk      (12)

W porze ciepłej natomiast, gdy T_e > T_i, warunkiem prawidłowego ciągu jest

C_pe > C_pk      (13)

Warunek 12 dotyczy pomieszczeń z oknami po stronie zawietrznej, tam gdzie w czasie wiatru powstaje podciśnienie. Pomieszczenia po stronie nawietrznej, to znaczy tej, na którą wiatr nawiewa, praktycznie będą miały zawsze prawidłowy kierunek ciągu.

Do obliczeń granicznej prędkości wiatru, powyżej której następuje odwrócenie ciągu, konieczna jest znajomość wartości współczynnika ciśnienia na zewnętrznych ścianach budynku oraz w wylocie komina. Podane wzory dotyczą wyznaczenia prędkości wiatru, powyżej której następuje cofanie się przepływu w przewodzie wentylacyjnym i nawiew powietrza zewnętrznego zamiast odprowadzenia powietrza wewnętrznego. Do obliczeń ilości przepływającego powietrza konieczna jest znajomość wartości współczynnika infiltracji powietrza przez okna i drzwi oraz współczynników strat w miejscach infiltracji i w przewodach wentylacyjnych. Obliczenia takie są bardziej skomplikowane. Wzory podane dotyczą przypadku pojedynczego przewodu wentylacyjnego albo spalinowego. W przypadku pomieszczenia z dwoma przewodami, np. z jednym przewodem wentylacyjnym i jednym spalinowym, obliczenia są bardziej skomplikowane i wykonywane zwykle metodami numerycznej mechaniki płynów.

Rys. 3 Rozkład wartości współczynnika ciśnienia zewnętrznego na dachu modelu budynku o kącie spadku dachu 20^o [4]

Współczynniki aerodynamiczne budynku

Wartości współczynnika ciśnienia zewnętrznego uzyskuje się z badań modelowych w tunelu aerodynamicznym. Wartości ciśnienia zmierzone na modelu – różnicę między ciśnieniem w punkcie pomiarowym a ciśnieniem statycznym przed modelem, mierzonym w odległości zapewniającej brak wpływu modelu na pole prędkości przepływu – dzieli się przez ciśnienie dynamiczne wg wzoru 4. Do obliczeń przyjmuje się prędkość przepływu na wybranej wysokości odniesienia, zwykle na wysokości wierzchołka modelu (kalenicy).

W badaniach modelowych muszą być spełnione warunki podobieństwa przepływu i modelu. W przyziemnej warstwie atmosfery prędkość wiatru zmienia się w funkcji odległości od powierzchni ziemi, zmianę przedstawia się za pomocą wzoru logarytmicznego albo potęgowego [3], [10], [11].

Zmieniają się także intensywność turbulencji i jej skale.

Warunek podobieństwa modelu do budynku to zachowanie proporcji wymiarów. W przypadku obiektów bez ostrych krawędzi, o kształtach walcowych lub kulistych wchodzi ponadto w grę trudny, a najczęściej niemożliwy do zachowania warunek równości liczby Reynoldsa, tutaj nieomawiany.

Na rys. 1-4 pokazano rozkłady współczynnika ciśnienia zewnętrznego, przedstawione w procentach [4]. Podane wykresy są także cytowane

w [10]. Są to jedne z pierwszych wyników otrzymanych z badań Jensena z odwzorowaniem wiatru w przyziemnej warstwie atmosfery. Do obliczeń ciśnienia wg wzorów od 5 do 12 należy podane tam wartości podzielić przez 100. Kierunek wiatru oznaczono strzałkami.

Rys. 4 Rozkład wartości współczynnika ciśnienia zewnętrznego na dachu modelu budynku o kącie spadku dachu 45^o [4]

Na przedstawionych wykresach h jest wysokością modelu (budynku), a z₀ – parametrem chropowatości terenu [3], [10], [11]. Przyjmuje się, że w terenie otwartym rolniczym z₀ = 0,05 m, w terenie wielkomiejskim zaś z₀ = 1,0 m [9]. W badaniach modelowych te wartości muszą być zmniejszone do skali modelu. Wpływają one na profil prędkości wiatru. Stosunek h/z₀ nosi obecnie nazwę liczby Jensena. Największe nadciśnienie powstaje na ścianie nawietrznej, na wysokości ok. 75% wysokości budynku. Wartość współczynnika ciśnienia zewnętrznego wynosi tam ok. 0,8. Natomiast na ścianach bocznych i tylnej (zawietrznej) można wyróżnić kilka obszarów podciśnienia. Na ścianach bocznych są to obszary przy krawędziach od strony nawietrznej, a na dachu także obszary przy krawędziach nawietrznych. Największe podciśnienie, określone wartościami współczynnika ciśnienia zewnętrznego od ok. -1,5 nawet do ok. -1,9, występuje na dachu płaskim przy kierunku wiatru na naroże budynku (rys. 1). Stosunek h/z₀ = 16 oznacza w przybliżeniu budynek o wysokości 16 m na terenie miejskim.

Rozkład ciśnienia na dachu zmienia się wraz ze wzrostem pochylenia połaci dachowej (rys. 3 i 4).

W przypadku dachu o kącie spadku 45^o (rys. 4) na połaci nawietrznej występuje nadciśnienie malejące w miarę zbliżania się do kalenicy, na połaci zawietrznej natomiast występuje podciśnienie określone wartością współczynnika ciśnienia zewnętrznego -0,4.

Należy wspomnieć, że rozkłady wartości współczynnika ciśnienia na ścianach budynków są podane w normach oddziaływania wiatru [7], [9]. Jednakże postanowienia normowe dotyczą obciążenia budynków i ich elementów i z tego powodu w normach są podawane wartości maksymalne, uśrednione na pewnych obszarach, często innych, niż wynika to z potrzeb analizy wentylacji mieszkań.

Rys. 5 Linie prądu wokół budynku z dachem o kącie spadku 26,6^o [6]

Kominy

Ważną rolę w wentylacji naturalnej mieszkań i odprowadzeniu spalin gazu odgrywają wyloty kominów, ich położenie ponad dachem oraz nasady kominowe.

Ciśnienie u wylotu komina, wchodzące w postaci współczynnika C_pk do wzorów 5 i 6 oraz 10-13, zależy od jego kształtu, a także od położenia i wysokości wylotu ponad dachem, od kształtu dachu oraz kierunku i prędkości wiatru. W przypadku dachu dwuspadkowego i kierunku wiatru prostopadłego do kalenicy komin na połaci nawietrznej będzie się znajdował w strumieniu powietrza płynącym z dołu do góry, wzdłuż połaci dachowej (rys. 5). Ciśnienie u jego wylotu będzie wynikać z jego kształtu i położenia w stosunku do strumienia powietrza. Nawet przy dużym kącie spadku nie należy oczekiwać nadciśnienia w kominie.

Komin na połaci zawietrznej będzie się znajdował w prądzie powietrza, także płynącego do góry, lecz o stosunkowo małej prędkości. Ciśnienie u jego wylotu będzie takie jak na połaci zawietrznej, określone współczynnikiem ciśnienia zewnętrznego dachu C_pe = -0,4 (rys. 4). Należy tu jednak zauważyć, że pokazany na rys. 5 układ strug powietrza występuje podczas silnego wiatru, a ponadto jest przedstawiony w sposób nieco uproszczony. Wir narysowany za budynkiem wg [6] sięga raczej za wysoko. Przy słabym wietrze układ linii prądu jest inny, zwłaszcza wir po stronie zawietrznej nie jest tak rozległy.

Wymagania dotyczące wysokości kominów domowych, wentylacyjnych, spalinowych i dymowych są podane w normie [8] (rys. 6). Jednakże, jak wynika z rys. 5 (mimo uproszczeń), podany w normie warunek, aby wylot komina sięgał płaszczyzny wyprowadzonej od kalenicy pod kątem 12^o do poziomu, nie ma uzasadnienia. Warunek ten wynika prawdopodobnie z XIX-wiecznych poglądów na opływ budynku przez powietrze podczas wiatru i z troski o bezpieczeństwo częstych wówczas łatwopalnych (słomianych) pokryć dachowych.

Pokazany na rys. 6 warunek wysokości komina ma uzasadnienie tylko w przypadku najbliższego sąsiedztwa pionowej ściany. Jeżeli komin będzie się znajdował po stronie zawietrznej, to będzie w obszarze podciśnienia, jeżeli po stronie nawietrznej, przed ścianą, na którą napływa powietrze, to znajdzie się w obszarze wiru „podkowiastego” tworzącego się u podstawy ściany, podobnie jak w przypadku opływu budynku (rys. 7). W takim przypadku jedynie w najbliższym sąsiedztwie ściany powietrze będzie wtłaczane do komina. Nieco dalej wylot z komina będzie w obszarze zwiększonej prędkości przepływu skierowanej poziomo lub do góry, a zatem zwiększającej podciśnienie w kominie i jego ciąg. Przedstawiony warunek należy zmienić w czasie zamierzonej nowelizacji normy [8] na taki, który będzie zgodny z rzeczywistym obrazem opływu budynku, dachu i znajdujących się na nim przeszkód. Wspomniany warunek wysokości komina sięgającej do płaszczyzny nachylonej pod kątem 12^o obowiązywał w odległości do 10 m od kalenicy. Znany jest przypadek, że po podwyższeniu dachu jednego z budynków podwyższono kominy w jego otoczeniu z wyjątkiem tego, który był oddalony 10,5 m od kalenicy. Komin ten obsługiwał przewód spalinowy; w czasie silnego wiatru zdarzyło się śmiertelne zatrucie w łazience [5].

Wysokość kominów wentylacyjnych obsługujących to samo mieszkanie powinna być taka sama, co będzie zapobiegać wstecznemu ciągowi w przewodach wentylacyjnych, a przynajmniej zmniejszy intensywność i częstość występowania takiego zjawiska. Jednak po włączeniu piecyka gazowego przy szczelnie zamkniętych oknach ciąg wsteczny w przewodach wentylacyjnych wystąpi. Wentylacja naturalna jest złożonym procesem, trudnym do sterowania. Próbą jej usprawnienia jest stosowanie nasad kominowych.

Rys. 6Wymagania normy [8] dotyczące wysokości komina obok przeszkody

Nasady kominowe

Nasady mają służyć do pobudzania ciągu w kominach, chronić przed wstecznym ciągiem, a także przed chwilowym porywem wiatru wpadającym do komina i osłaniać przewód kominowy przed deszczem.

O ile rozkład wartości współczynnika ciśnienia zewnętrznego na budynkach jest dość dobrze udokumentowany, o tyle wartości współczynnika ciśnienia w wylocie komina są mniej znane. Dotyczy to zwłaszcza kominów z bocznymi wylotami z przewodów wentylacyjnych. W przypadku wylotów z przewodów spalinowych można przyjmować C_pk = -0,6 jako wartość bliską współczynnikowi ciśnienia u wylotu z rury walcowej [1] albo jak na płaskim dachu modelu budynku wysokiego [4]. Dotyczy to jednak sytuacji, gdy komin się znajduje nad płaskim dachem lub nad kalenicą i można przyjąć, że strumień powietrza płynie prostopadle do jego osi. Często jednak tak nie jest, wówczas wartości współczynnika ciśnienia są mniejsze. Mniejsze są one również wtedy, gdy z komina wypływa powietrze wentylacyjne albo spaliny. Współczynnik ciśnienia zależy bowiem od stosunku prędkości ośrodka wypływającego z komina do prędkości wiatru [2].

Tę zależność bada się w przypadku nasad kominowych. Analizując wyniki badań w tunelu aerodynamicznym popularnej nasady typu CAGI (rys. 8) [2], można przedstawić współczynnik ciśnienia w nasadzie, przy kierunku wiatru prostopadłym do jej osi (kierunek 2 na rys. 8), w postaci wzoru

z zakresem stosowania

Wewzorze tym w jest prędkością wypływu powietrza lub spalin z komina, a V – prędkością wiatru. Różnice między wynikami pomiarów przy kątach α = +10^o i α = -10^o a kierunkiem α = 0^o wynikają z wpływu stożkowego daszka osłaniającego wnętrze komina przed deszczem.

Formę przedstawienia współczynnika ciśnienia nasad kominowych zastosowaną przez CAGI (rys. 8) należy uznać za podstawową. Tak powinny być przedstawiane wyniki badań.

Rys. 7 Opływ budynku prostopadłościennego podczas silnego wiatru [10]

Ocena prędkości wiatru wywołującej wsteczny ciąg w kominie

Wykonano przykładowe obliczenia granicznej prędkości wiatru, powyżej której wystąpi ciąg wsteczny w przewodzie wentylacyjnym i spalinowym. Przyjęto uproszczenia polegające na tym, że rozpatruje się tylko jeden przewód, raz jako wentylacyjny, a drugi raz jako spalinowy. Ponadto przyjęto, że okno do mieszkania jest uchylone.

Obliczenia wykonano dla budynku pięciokondygnacyjnego, o proporcjach jak na rys. 1 przy kierunku wiatru na narożnik. Współczynnik ciśnienia zewnętrznego w obszarze okien przyjęto o wartości C_pe = -0,6, natomiast u wylotu komina C_pk = -0,4, tak jak na dachu na stronie zawietrznej. Rozpatrując wentylację naturalną, przyjęto temperaturę powietrza zewnętrznego T_e = 0^oC = 273 K, częstą w porze chłodnej, oraz temperaturę powietrza wewnętrznego T_i = 20^oC = 293 K. Obliczenia wykonano dla dwóch pomieszczeń na ostatniej kondygnacji (Δ_h = 3,5 m; minimalna długość przewodu kominowego plus połowa wysokości pomieszczenia) i na parterze (Δ_h = 15,0 m), z oknami na jedną stronę, zawietrzną. Przyjęto, że budynek ma całkowitą wysokość 17 m i znajduje się na terenie niewielkiego miasta lub przedmieścia o luźnej zabudowie, można zatem zakwalifikować teren jako należący do kategorii III wg Eurokodu [9]. Współczynnik chropowatości, umożliwiający przeliczenie prędkości wiatru, średniej 10-minutowej, między wysokością budynku a stacją meteorologiczną jest przedstawiony wzorem podanym w załączniku krajowym do [9]

(15)

i dla z = 17 m wynosi = 0,88 (wartość mniejsza od 1,0 wynika z hamującego wpływu terenu zabudowanego). Prędkość wiatru, średnia 10-minutowa, na wysokości 17 m nad terenem kategorii III wynosi 88% prędkości wiatru na wysokości 10 m nad terenem kategorii II, czyli nad standardowym terenem otwartym typu wiejskiego. Wartość graniczna prędkości wiatru wynosi

– dla ostatniej kondygnacji

– dla parteru

Powtarzając obliczenia dla przypadku odprowadzenia spalin, przyjęto dla najwyższej kondygnacji średnią temperaturę w przewodzie T_i = 140^oC = 413 K, a dla parteru T_i = 40^oC = 313 K [11]. Są to wartości przyjęte arbitralnie, brak bowiem danych doświadczalnych temperatury spalin w przewodach spalinowych. Otrzymano graniczną prędkość wiatru 12,2 m/s dla kondygnacji najwyższej i 15,5 m/s dla parteru.

Są to prędkości wiatru na wysokości 17 m nad terenem podmiejskim. Stanowią one 88% prędkości poza miastem, na wysokości 10 m w standardowym terenie, na którym powinny się znajdować anemometry stacji meteorologicznych. Przeliczając na warunki standardowe, otrzymuje się 6,3 m/s i 12,8 m/s w przypadku wentylacji oraz 13,9 m/s i 17,6 m/s w przypadku odprowadzenia spalin. Dysponując danymi pomiarowymi ze stacji meteorologicznej, można obliczyć czas trwania prędkości wiatru przewyższających wartości graniczne. Dane te można podać w zależności od kierunku wiatru i aproksymować rozkładem prawdopodobieństwa Weibulla [12]. Na większości terytorium Polski są to prędkości wiatru występujące rzadko.

W powyższych obliczeniach przyjęto stosunkowo małą różnicę wartości C_pe – C_pk = -0,2. Z badań modelowych w tunelu aerodynamicznym budynku wielokondygnacyjnego otrzymano C_pe– C_pk = -0,4, a w przypadku oddziaływania budynku sąsiedniego nawet C_pe– C_pk = -0,7 [11]. Mogą się zatem zdarzyć sytuacje, w których graniczna prędkość wiatru cofania powietrza wentylacyjnego albo spalin gazu będzie znacznie mniejsza niż wartości obliczone powyżej.

Jest oczywiste, że ze względu na wysokość przewodu kominowego odwrotny ciąg w przewodzie wentylacyjnym na ostatnim piętrze budynku kilkupiętrowego będzie występował częściej niż w przewodzie wentylacyjnym parteru. Wysoka temperatura spalin z gazowego grzejnika wody przepływowej sprawia, że graniczne prędkości wiatru są wyższe niż w przypadku wentylacji.

Znając wartość granicznej prędkości wiatru można ocenić czas trwania, liczbę godzin w roku występowania niekorzystnych warunków zewnętrznych. Do tego celu potrzebna jest znajomość częstości występowania wiatru o różnych prędkościach i kierunkach [12], a także znajomość temperatury powietrza zewnętrznego.

W wykazach danych meteorologicznych przyjmuje się zwykle podział kierunku wiatru na 8 lub 16 kierunków głównych. W szczegółowych obliczeniach wygodniej jest jednak podzielić kierunki wiatru na 12 sektorów [12] i [13].

Rys. 8 Zależność współczynnika ciśnienia wewnętrznego u wylotu z komina od stosunku prędkości wylotowej w do prędkości wiatru V. Wykres sporządzono na podstawie [2]