Kratki wentylacyjne – metodologia badania oporów miejscowych

W każdym prawidłowo wykonanym budynku możemy spotkać kratki wentylacyjne, które mogą mieć różne kształty i kolory. Wszystkie one mają do spełnienia zadanie – stanowią zakończenie różnego rodzaju kanałów występujących w budynkach. Mogą to być kanały wentylacji grawitacyjnej, kanały nawietrzaków doprowadzających powietrze do budynku, kanały instalacji klimatyzacyjnej lub instalacji dystrybucji gorącego powietrza.

Kratki te są konstrukcyjnie przystosowane do przepuszczania powietrza, ale jak każdy element w instalacji, stawiają przepływającemu powietrzu opór – w tym przypadku mówimy o oporach miejscowych. Jest jeszcze inny rodzaj oporów, który występuje w kanałach  – to opór liniowy. Kratka wentylacyjna umieszczona na drodze płynącego powietrza powoduje miejscowy spadek ciśnienia w tymże strumieniu. Spadek ciśnienia jest tym większy, im większy strumień powietrza płynie przez daną kratkę. Wielkość spadku ciśnienia w funkcji natężenia przepływu jest ważnym parametrem opisującym kratkę. Parametr ten można łatwo  przedstawić na wykresie (jak pokazano na wykresie 1).
Z punktu widzenia przepływów jest to właściwie jedyna informacja, która wystarczy projektantowi instalacji do prawidłowego dobrania kratki wentylacyjnej. Jednak posługiwanie się wykresem w arkuszach kalkulacyjnych i innych programach do obliczeń komputerowych jest niewygodne. W celu ułatwienia obliczeń hydraulicznych instalacji wentylacyjnej, w której dana kratka jest użyta, przedstawiony wykres przybliża się następującym wzorem matematycznym:

pd – strata ciśnienia [Pa]
ζ – współczynnik strat miejscowych
ρ – gęstość powietrza [kg/m3]
v – prędkość powietrza [m/s]

Wzór ten mówi, że wielkość strat ciśnienia jest proporcjonalna do iloczynu współczynnika strat miejscowych, gęstości powietrza i kwadratu prędkości. Prędkość przepływu przez kratkę wynika z ilorazu natężenia przepływu i pola przekroju czynnego.

Q – natężenie przepływu powietrza [m3/s]

S – pole przekroju czynnego kratki [m2]

Wygląda to na dość skomplikowane i takie też jest… Być może jednak zagadnienie to będzie łatwiejsze do zrozumienia, jeśli przedstawi się sposób wyznaczania wspomnianych parametrów dla konkretnej kratki.  Przedmiot badań – nasza kratka – trafia do laboratorium i zostaje zamontowany na stanowisku badawczym. Co oczywiste, badamy kratkę, która nie posiada zanieczyszczeń (takich jak kurz), co – wbrew pozorom – mogłoby bardzo znacząco wpłynąć na wyniki pomiarów.

Stanowisko badawcze – jak pokazane na rys. 1 – składa się głównie z dmuchawy połączonej z kratką za pomocą rur. Między kratką a dmuchawą znajduje się miernik natężenia przepływu oraz króciec pomiaru podciśnienia. Do króćca podciśnienia jest podpięty różnicowy miernik ciśnienia. Kratka jest zamontowana w adaptorze na końcu stanowiska – tak jak będzie montowana na zakończeniu kanału wentylacyjnego. Powietrze wlatuje przez kratkę, przepływa przez instalację stanowiska i jest wysysane przez dmuchawę. Na stanowisku jest mierzone natężenie przepływu powietrza oraz spadek ciśnienia powodowany przez kratkę, czyli różnica ciśnienia powietrza przed kratką i za nią.
Dodatkowo za pomocą sondy łopatkowej jest mierzona prędkość powietrza na powierzchni kratki przewidzianej do przepuszczania powietrza – cel tego pomiaru wyjaśni się w dalszej części artykułu. W badanej kratce powierzchnia przepuszczająca powietrze to prostokąt, w którym są wykonane otwory – jest to powierzchnia czynna kratki. Obliczamy pole tego prostokąta, nie zwracając uwagi na kształt i wielkość otworów. Do tego potrzebna jest nam jeszcze gęstość powietrza, i już możemy zebrać dane oraz dokonać obliczenia współczynnika oporów miejscowych dla badanej kratki. W tabeli 1 przedstawiono rzeczywiste wyniki pomiarów przeprowadzonych w laboratorium (na stanowisku, jak pokazane na rys. 1).
W tabeli znalazły się dwie kolumny prędkości powietrza. Jedna wartość została obliczona na podstawie przyjętego pola czynnego, czyli pola tego prostokąta, w którym są wykonane otworki, a druga wartość prędkości została zmierzona za pomocą sondy łopatkowej, jak było opisane powyżej. Co ciekawe, okazuje się, że w badanym przypadku prędkość obliczona, jak i zmierzona są do siebie bardzo podobne – te niewielkie różnice wynikają z niedokładności pomiaru. Możemy więc powiedzieć, że prawidłowo zostało określone pole czynne kratki. Oznacza to również, że instalator w łatwy sposób – mając prędkość i pole czynne kratki –  może sprawdzić natężenie przepływu powietrza.
Kolejnym parametrem w tabeli jest współczynnik oporów miejscowych. Został on wyliczony na podstawie odpowiednio przekształconych wzorów, które zostały podane na początku. Patrząc na wyniki obliczeń w tabeli 1, zauważymy, że wartość współczynnika oporów miejscowych stabilizuje się na pewnym poziomie dopiero przy większych natężeniach przepływu. Wartość współczynnika podana na dole tabeli jest średnią arytmetyczną z zakresu oznaczonego w tabeli kolorem żółtym, i taką wartość należy przyjąć dla tej kratki w całym zakresie natężenia przepływu. Błąd obliczenia spadku ciśnienia za pomocą tak wyznaczonego współczynnika oporów miejscowych dla małych przepływów będzie pomijalnie mały dla obliczeń instalacji wentylacyjnej. Zostało to zobrazowane na wykresie 1 przez pokazanie dwóch krzywych. Jedna została wyznaczona na podstawie wyników badań, a druga została obliczona za pomocą wyznaczonego współczynnika oporów miejscowych oraz wzorów przedstawionych na początku artykułu. Obie krzywe są zbliżone do siebie, czyli wyznaczony w badaniu współczynnik strat miejscowych oraz pole czynne dobrze charakteryzują kratkę. Wracając do pola czynnego kratki – zostało ono określone jako pole prostokąta bez uwzględnienia kształtu otworków przepuszczających powietrze, ponieważ odzwierciedleniem kształtu tych otworków jest wartość współczynnika oporów miejscowych. Wielkie otwory będą powodowały, że współczynnik strat miejscowych będzie niski, a małe otwory i mechanizmy umieszczone na drodze przepływu powietrza będą powodowały, że współczynnik oporów miejscowych będzie większy.
Wydaje się, że pominięta została tutaj jedna istotna rzecz – na rynku są przecież kratki wyposażone w ruchome żaluzje.  Jak więc je potraktować? Oznacza to, że współczynnik oporów miejscowych będzie się zmieniał w zależności od ustawienia żaluzji. Dla takich kratek określa się współczynnik strat miejscowych przy maksymalnie otwartych żaluzjach. Zamykanie żaluzji powoduje zwiększanie oporów przepływu, czyli zwiększanie współczynnika strat miejscowych. Teoretycznie, gdyby żaluzje były szczelne, współczynnik strat miejscowych rósłby w nieskończoność.
Wracając do tabeli 1 – przy małych przepływach, w zakresie zielonym, występują tak małe spadki ciśnienia, że miernik praktycznie ich nie wykrywa. Prawdopodobnie w tym zakresie występuje już przepływ laminarny, a nie turbulentny, jak w zakresie żółtym. Zakres zaznaczony na niebiesko jest zakresem przejściowym – zmienia się rodzaj przepływu z laminarnego na turbulentny. Zwiększają się też wartości mierzone, przez co błąd względny jest mniejszy – inaczej mówiąc, coraz łatwiej jest zmierzyć natężenie przepływu i spadek ciśnienia.
W tabeli 1 jest również odpowiedź na pytanie, dlaczego ustawodawca w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, w paragrafach dotyczących wentylacji grawitacyjnej, określa tylko wymiary kanałów bądź pole przekroju kanałów. W wentylacji grawitacyjnej występują małe prędkości przepływu – rzędu 1÷1,5 m/s. Jak widać z tabeli 1, wartości te mieszczą się w zakresie zaznaczonym na zielono. Oznacza to, że praktycznie opory stawiane przez kratkę zamontowaną np. na kanale wentylacji grawitacyjnej możemy pominąć, o ile pole powierzchni czynnej kratki będzie zgodne z wymogami Rozporządzenia, lub – inaczej – pole powierzchni czynnej kratki będzie nie mniejsze, niż pole przekroju czynnego kanału. Tak będzie, jeśli dana kratka została prawidłowo zaprojektowana i posiada taki zakres, jak zaznaczony w tabeli 1 kolorem zielonym.
W mechanicznej instalacji wentylacyjnej lub instalacji dystrybucji gorącego powietrza z kominka występują prędkości rzędu 4÷6 m/s, więc w tym przypadku kratkę charakteryzują dwie dane: współczynnik strat miejscowych i pole przekroju czynnego. Wtedy też analizę strat ciśnienia należy przeprowadzić dalece bardziej precyzyjnie.
Podsumowując – kratki osłonowe, oprócz cech dekoracyjnych, spełniają bardzo ważną funkcję jako element różnych instalacji transportujących powietrze. Podstawowym parametrem kratki jest zdolność przepuszczania powietrza, czyli powodowanie jak najmniejszego spadku ciśnienia w strumieniu przepływającego powietrza. Parametrami pochodzącymi od tego podstawowego parametru jest współczynnik oporów miejscowych oraz pole powierzchni czynnej. Współczynnik oporów miejscowych oraz pole powierzchni czynnej są ze sobą wzajemnie powiązane zależnościami, które zostały przedstawione na początku artykułu, i powinny być podawane dla danej kratki wspólnie. Mimo że jako zakończenia wentylacyjne wydają się być mało znaczącym elementem instalacji, warto zadbać o ich prawidłowy dobór oraz przewidzieć ich wpływ na wydajność systemu.

 Tab. 1.

Badanie współczynnika oporów miejscowych na przykładzie kratki osłonowej K2 firmy Darco sp. z o.o. Wymiary pola czynnego kratki: A = 0,135 [m], B = 0,115 [m]. Pole czynne kratki: S = 0,015525 [m²]. Gęstość powietrza: 1,2 [kg/m³]

 mgr inż. Marcin Rokita