belépés / regisztráció
2020. december 5. szombat
Aktuális lapszám

A turbulencia mérésének jelentősége a huzathatás elemzésekor

A huzathatás olyan diszkomfort tényező, amellyel már szinte mindenki találkozott élete során, így a kellemetlen hatásaival is tisztában vagyunk. A huzathatás jelenléte több szempontból is kedvezőtlen. Egyrészt egészségügyi kockázata van, valamint a huzat általánosan is zavaró, jelentősen csökkentheti a munkateljesítményt. Másodsorban a huzathatás miatt a helyiségben tartózkodók magasabb belső hőmérsékletet igényelhetnek, ezért növekedhet az épület energiafelhasználása.

 

A huzathatást elsősorban három mérhető paraméter határozza meg: a levegőmozgás sebessége, turbulencia- foka és a levegő hőmérséklete. Ezeken kívül természetesen szóba jöhet még a ruházat hőszigetelő képessége, az egyén fizikai-lelki állapota stb.. A huzathatás pontos leírására többféle modell létezik. Európában a legelterjedtebb és legáltalánosabban alkalmazott a Fanger-féle, ún. DR modell. Japánban és az USA-ban főként az ADPI modellt alkalmazzák, míg német területen a DIN szabványokra épülő huzatmodellt, amely a Fanger-féle modell szigorított változata.

Jelen cikkben a Fanger-féle leírási móddal foglalkozunk, melynek alapja a szubjektív huzatérzeti szám, a DR (Draught Rate). Az ISO 7730 szabvány szerint a DR a huzathatással várhatóan elégedetlen emberek százalékos aránya, számítási módja [Fanger et al. 1988]:

(Képlet) (1)

Az (1) egyenletben tá a levegő időbeli átlaghőmérséklete egy adott pontban, vá a levegő időbeli átlagsebessége az adott pontban, míg Tu a levegőmozgás turbulencia-foka. Az egyenlet 34 °C bőrhőmérséklet mellett érvényes.

A levegő sebessége időben folyamatosan változik, ennek a változásnak pedig van időbeli átlagértéke (vá) és szórása (vRMS). Az utóbbi két mennyiség százalékos aránya a turbulencia-fok:

(Képlet) (2)

Az MSZ EN 13779, MSZ EN ISO 7730 szabványok és az MSZ CR 1752 ajánlás szerint a keveredéses (vagy más néven hígításos) légvezetési rendszerek esetében a DR számításához 40%-os turbulencia-fok értéket célszerű felvenni, míg az elárasztásos légvezetési rendszereknél ez az érték 20%. Mivel ezek a rögzített értékek nagyon sok tényezőtől függenek (befúvószerkezet geometriája, elhelyezése, befúvási sebesség stb.), így célszerű a helyszínen, vagy laboratóriumi modellszobában mérni a pontos értéket. Itt azonban felvetődik a kérdés, hogy erre milyen mérőeszköz a legalkalmasabb. A gyakorlatban a két legelterjedtebb műszer a forrógömbös és a hődrótos szonda. Áramlástani szempontból, főleg akkor, ha a turbulencia finom felbontására van szükség légsugarak vizsgálatánál, határréteg leválások elemzésénél stb., a hődrótos mérőszonda javasolt [Schwartz et al. 1961]; [Champagne 1967]; [Nozaki et al. 1979]; [Vad 2008]; [Kadam 2013].

Komfort épületgépészeti alkalmazásoknál, elsősorban a helyiségek komfortjának elemzésekor inkább a forrógömbös mérőszonda alkalmazása jellemző [Olesen 1979]; [Zhang et al. 1986]; [Fanger 1988]; [Koskela 2001]; [Popiolek et al. 2008]; [Goda 2014].

A hődrótos szondák működési elve a konvektív hőveszteségen alapul. Az elektromosan fűtött hődrót hőmérséklete állandó, miközben áramlás hatására nő a hőveszteség. A szabályozó áram feladata a hőszál hőmérsékletének állandó értéken tartása, tehát a szabályozó áram arányos a szondát körüláramló levegő sebességével. A forrógömbös szonda működése egy szál és a rajta lévő gömb elhajlásának optikai érzékelésén alapul. A gömböt körüláramló levegő adott erővel hat a felületére, ami a gömb és az azon lévő szál síkbeli elhajlását eredményezi, így a kihajlás mértéke függ a levegő áramlási sebességétől.

Bizonyos körülmények között a hődrótos szondával mért eredmények pontosabbak lehetnek a forrógömbösnél, mivel ezen műszereknek a kisebb felületüknél fogva a mérési jelre adott válaszidejük is kisebb. Például egy határréteg leválás, vagy repülőgép szárny körüli áramlás vizsgálatánál egyértelműen pontosabb eredményt ad a hődrótos szonda, mivel nagyobb mintavételi sűrűség érhető el vele: kisebb a műszer válaszideje, tehát gyorsabban érzékeli a turbulencia változását, mint a forrógömbös szonda.

A cikk alapvető célkitűzése annak vizsgálata, hogy egy kisméretű irodahelyiség valós méretű modelljében, rögzített peremfeltételek mellett a huzathatás elemzéséhez alkalmazható-e mindkét műszer azonos pontossági követelmény esetén. A vizsgálatokat méréses módszerrel végeztük, az 1. ábrán látható modellhelyiségben.

A mérésekhez egy kisebb válaszidejű irányfüggetlen hődrótos szondát (2. a. ábra) és egy nagyobb válaszidejű, irányfüggetlen forrógömbös szondát (2. b. ábra) alkalmaztunk. Az irányfüggetlenség azt jelenti, hogy a szonda a sebesség nagyságát érzékeli, az irányát nem.

Az irodahelyiség modelljében érintőleges légvezetési rendszert alakítottunk ki egysoros résbefúvó anemosztát alkalmazásával. A befúvási térfogatáram értéke állandó,= 106 m3/h. A befúvás izotermikus, a laborhőmérséklet értéke tk = 23,6 °C, a légnyomás pk = 1 bar, a relatív páratartalom pedig φk = 45% értékű volt. A méréseket ősszel végeztük el, a modellhelyiség pedig ház a házban szerkezetű. A befúvószerkezet hossza L0 = 1000 mm, szélessége s0 = 12 mm a faltól h = 260 mm távolságra. A befúvási hőmérséklet azonos volt a helyiséghőmérséklettel, tehát t0 = 23,6 °C.

A méréseket a jelenleg hatályos nemzetközi szabványok és műszaki ajánlások figyelembevételével végeztük el, melyeket a szabványjegyzékben tüntettünk fel. A mérési elrendezés vázlatrajza a 3. ábrán látható.

A helyiség tartózkodási zónájának geometriai középpontjában elhelyezett forrógömbös és hődrótos szondák egy adatgyűjtővel voltak összekapcsolva. A mintavételezési idő egy turbulencia-fok méréséhez a vonatkozó nemzetközi szabványok ajánlását figyelembe véve 180 másodperc volt. A méréseket egymás után 40-szer végeztük el. A levegő keringtetését a CRAC jelű légkezelő berendezés végezte, a pontos térfogatáramot pedig fojtással állítottuk be; értékét mérőperemmel ellenőriztük.

A hődrótos szondával mért turbulencia-fok értékeket a 4. ábra tartalmazza.

Minden egyes mérésnél a műszer egy 180 másodperces mintavételezési időre vonatkozó időbeli átlag turbulencia- fokot jelzett ki. A 40 mérési ponttal számolva ez 40×180, tehát 7200 másodpercet jelent, ami pontosan kétórányi mért adat. A mérési pontok elhelyezkedéséből az látható a diagramon, hogy a turbulencia-fok időbeli várható értéke (átlaga) állandó. Ennek ellenőrzésére az Abbe próbát alkalmaztuk, amely 95%-os valószínűségi szinten pozitív eredményt adott.

A forrógömbös szondával mért turbulencia-fok értékeket az 5. ábra tartalmazza.

Hasonlóan a hődrótos szondával mért turbulencia-fok értékekhez a várható érték az Abbe-próba alapján itt is állandó lett, 95%-os valószínűségi szintet beállítva.

A kérdés már csak az, hogy van-e jelentős (szignifikáns) különbség a két műszerrel mért turbulencia-fok szórása és átlaga között, amit nem a véletlen hiba okozott? Ha van, akkor nem alkalmazható mindkét műszer ugyanannak a turbulencia- foknak a méréséhez, ha pedig nincs, akkor igen. A kérdés megválaszolásához az F-próbára és a kétmintás t-próbára van szükségünk. Előbbi azt vizsgálja, hogy a két, egymástól független és normális eloszlású minta (most jelen esetben a két műszerrel mért turbulencia-fok adathalmaz) szórása nem tér-e el szignifikánsan egymástól. A kétmintás t-próba pedig ugyanezt elemzi, csak a minták átlagára vonatkozóan.

A szokásos, 95%-os valószínűségi szintet beállítva és a próbákat elvégezve azt az eredményt kaptuk, hogy a két műszerrel mért turbulencia-fok szórása és átlaga között nincs szignifikáns eltérés a fent leírt peremfeltételek alkalmazása mellett. Másképpen fogalmazva, az adott feltételek mellett a turbulencia-fok méréséhez a hődrótos és a forrógömbös műszer is alkalmazható.

Összefoglalva a leírtakat, jelen cikkünkben röviden arra világítottunk rá, hogy a komfort épületgépészetben a huzathatás elemzéséhez, értékeléséhez alapvető fontosságú turbulencia-fok mérhető-e mindkét típusú műszerrel. A vizsgálataink kiinduló pontját az képezte, hogy az áramlástani alkalmazások egy részében a hődrótos mérőszonda pontosabb eredményt ad, mint a forrógömbös. Az épületgépészeti alkalmazásokban azonban lényegesen elterjedtebb az irányfüggetlen, forrógömbös szondával való mérés. A két műszert azonban kisméretű irodahelyiségben, statisztikai alapon ez idáig nem hasonlították össze.

A méréseket a BME ÉPGET Légtechnikai Laboratóriumban végeztük el, az eredmények értékeléséhez pedig különböző statisztikai próbákat alkalmaztunk. Az eredményeink azt mutatták, hogy a hődrótos és forrógömbös szondákkal mért turbulencia-fok szórása és várható értéke 95%-os valószínűséggel azonos. Rögzített peremfeltételek mellett tehát mindkét műszer alkalmas ugyanannak a turbulencia-foknak a méréséhez. Az eredmények újdonságtartalma a korábbi kutatásokhoz képest az, hogy a matematikai statisztika segítségével igazoltuk a két mérőműszer egyenértékűségét a turbulencia- fok méréséhez kisméretű irodahelyiségben.

Az eredmények a gyakorlatban a huzatkomfort elemzésénél hasznosíthatók, hiszen egy forrógömbös szonda adott esetben olcsóbb lehet a hődrótosnál, ráadásul nem biztos, hogy mindkét műszer rendelkezésre áll a szükséges mérések elvégzésekor.

 

Irodalom

Champagne, F. H.; Sleicher, C. A.; Wehrmann, O. H. 1967. Turbulence measurements with inclined hot-wires Part 1. Heat transfer experiments with inclined hot-wire. Journal of Fluid Mechanics, Volume 28, Issue 1, pp. 153-175.
Fanger, P. O.; Melikov, A. K.; Hanzawa, H. 1988. Air turbulence and sensation of draught. Energy and Buildings, 12, pp. 21-39.
Gao, N.; Ewing, D. 2007. Experimental investigation of planar offset attaching jets with small offset distances. Exp. Fluids, vol. 42, pp. 941-954.
Goda, R. 2014. Tartózkodási zóna huzatkomfortjának hatásvizsgálata, különös tekintettel az érintőleges légvezetési rendszerre. Doktori értekezés, BME.
Goda, R. 2014 (1). Turbulence intensity and air velocity characteristics in a slot ventilated space. Periodica Polytechnica-Mechanical Engineering, vol. 58, Issue 1, pp. 1-6.
Kadam, S. M.; Thaker, J. P.; Banerjee, J. 2013. Experimental investigation of low speed turbulence using hot wire anemometer. Proceedings of the Fortieth National Conference on Fluid Mechanics and Fluid Power, December 12-14, 2013, NIT Hamirpur, Himachal Pradesh, India, FMFP2013, Paper No.39, pp. 1-9.
Kemény, S., Deák, A. 2000. Kísérletek tervezése és értékelése. Műszaki Könyvkiadó, Budapest. ISBN 963 16 3073 0.
Magyar, T. 1993. Helyiségek légvezetési rendszerei és a hőérzeti méretezés kapcsolata. Ventilation Symposium, Budapest, May 1993, pp. 16-43. Budapest University of Technology and Economics.
Nozaki, T; Hatta, K; Nakashima, M; Matsumura, H. 1979. Reattachment flow issuing from a finite width nozzle. Bull JSME, vol. 22, pp. 340-347.
Olesen, B. W. 1979. Draught and Air Velocity Measurements. Disa Information No. 24-May 1979, pp. 30-35.
Popiolek, Z.; Jorgensen, F. E.; Melikov, A. K. Silva, M. C. G.; Kierat, W. 2008. Assessment of Uncertainty in Measurements with Low Velocity Thermal Anemometers. International Journal of Ventilation, ISSN /4 73-33/5, Volume 6 No 2, pp. 113-128.
Schwarz, W. H., Cosart, W. P. 1961. The two-dimensional turbulent wall-jet. Journal of Fluid Mechanics, Volume 10, Issue 04, pp. 481-495.
Vad, J. 2008. Advanced Flow Measurements. University lecture note, Műegyetemi Kiadó. ISBN: 978 963 420 951 5.
Zhang, X.; Wang, Y.; Xu, L. 1986. The construction and performance of a hot-sphere-type anemometer. Environment International, Vol. 12, pp. 467-470.

Szabványok és műszaki ajánlások:

CEN CR 1752:2000. Épületek szellőztetése. Épületek belső környezetének tervezési alapjai. CEN műszaki ajánlás.
EN 13182:2002. Épületek szellőztetése. Szellőztetett terek légsebességmérésének műszerezettségi követelményei.
EN 13779:2007. Nem lakóépületek szellőztetése. Helyiségek szellőztető és légkondicionáló rendszereinek teljesítménykövetelményei.
EN ISO 7726:2003. A hőmérsékleti környezet ergonómiája. A fizikai mennyiségek mérőeszközei.
EN ISO 7730:2006. A hőmérsékleti környezet ergonómiája. A hőkomfort analitikus meghatározása és megadása a PMV- és a PPD-index kiszámításával, valamint a helyi hőkomfort kritériumai.

***

1. ábra. Kisméretű irodahelyiség valós méretű modellje a BME ÉPGET Légtechnikai Laboratóriumban
2. a. ábra. Irányfüggetlen hődrótos sebességmérő
2. b. ábra. Irányfüggetlen forrógömbös sebességmérő
3. ábra. Mérési elrendezés a turbulencia-fok elemzéséhez, ahol SZ = szűrő, CRAC = Computer Room Air Conditioning (precíziós klímaszekrény), F = Fojtás
4. ábra. A hődrótos mérőszondával mért turbulencia-fok értékek
5. ábra. A forrógömbös mérőszondával mért turbulencia-fok értékek

Szánthó Zoltán, PhD
egyetemi docens, BME ÉPGET

Both Balázs
tanársegéd, BME Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék

Csábi Krisztina BSc
épületenergetikus hallgató, BME ÉPGET

A szerzõ egyéb cikkei:

  Részlegesen korlátozott légsugár jellemzőinek elemzése

Eseménynaptár

Hirdetés
Kiadja a Média az épületgépészetért Kft.
Szerkesztőség és kiadóhivatal:
H-1112 Budapest, Oltvány u. 43. I/2.
Telefon: +36 (1) 614 5688
E-mail: kiado@magyarinstallateur.hu

 
Előfizetésben terjeszti a Magyar Posta Zrt. Hírlap Igazg.
Előfizetés és reklamáció: +36 (1) 767-8262
E-mail: hirlapelofizetes@posta.hu
 
 
elfelejtettem a jelszavam