Säästä energiaa 20 % EU-tavoitteiden mukaisesti kerrostavan ilmanvaihdon avulla

Uudenlainen tutkimus ja kehitys näyttää tietä energiatehokkaampaan ilmanvaihtoon, lämmitykseen ja jäähdyttämiseen. Tämä artikkeli kuvaa etenemistä kohti uutta ilmanvaihtotekniikkaa.

Miksi tuloilmaa tuodaan ylhäältä päin?

Näin tehdessämme me pystymme saavuttamaan vain 30-40-prosenttisen hyötysuhteen lämmittäessä tai jäähdyttäessä ilmanvaihdolla. Tuloilma sekoittuu hallitsemattomasti huoneilmaan ja siinä oleviin epäpuhtauksiin. Siksi tätä ilmanvaihtotapaa kutsutaan sekoittavaksi ilmanvaihdoksi.

Miksi sekoittavan ilmanvaihdon teho on niin alhainen?

Tuloilma häiritsee lämmön ja epäpuhtauksien poistoa. Sen lisäksi ilmanvaihto ja jäähdytys kohdistuvat koko huoneeseen - niihinkin tiloihin jotka eivät ole ihmisten käytössä.
Jos lämmitämme huoneilman samalla tavalla, katon rajassa olevasta ilmasta tulee paljon lämpimämpää kuin mitä se on lattiatasolla jolla ihmiset oleskelevat.

Kuva 1.
Ylhäältä tuotava tuloilma sekoittaa ja pyörittää tuloilmaa ja käytettyä ilmaa huoneessa miten tahansa. Tämän tuloksena syntyy sekoittava ilmanvaihto, joka vaatii turhan paljon energiaa ja tuottaa teholtaan heikkoa ilmanvaihtoa."

Selitys sekoittavan ilmanvaihdon alhaiseen tehoon on melko yksinkertainen, jos ajattelemme mitä tapahtuu kun huoneen ilmanvaihto ja jäähdytys tapahtuu ylhäältä tulevalla tuloilmalla.

1. Ihmisten ja muiden lämmönlähteiden lämmittämä käytetty ilma pyrkii aina luonnostaan ylös kohti kattoa poistuakseen huoneesta..
2. Jos me tuomme huoneeseen alaspäin suuntautuvaa tuloilmaa ylhäältä päin, lämmin käytetty ilma työntyy osaksi takaisin kohti lämmönlähteitä. Tuloilman lämmittää silloin jatkuvasti takaisin työntynyt poistoilma.
3. Tämän tahattoman lämmittämisen jäähdyttämiseksi on huoneeseen jatkuvasti tuotava lisää jäähdytysenergiaa.
4. Myös ihmisten ympäröimään ilmaan sekoittuvat jatkuvasti ylhäältä tulevat epäpuhtaudet.
5. Jotta ilmasta tulisi hengityskelpoista, siihen on koko ajan lisättävä tuloilmaa koko huoneeseen.
6. Huoneilman ja tuloilman välistä lämmön ja epäpuhtauksien sekoittumista tapahtuu kaikkialla huoneessa, sen sijaan että se keskittyisi ihmisiin ja muihin lämmönlähteisiin.

Lisäksi: Ihmisen uloshengitys tuottaa epäpuhtauksia yli puoli miljoonaa tunnissa.Useimmat ovat vaarattomia, mutta eivät kaikki. Jos yritämme poistaa nämä sekoittavalla ilmanvaihdolla, saasteet leviävät hallitsemattomasti huoneessa olevien ihmisten vartalolle, suuhun ja nenään.
Tämä ilmanvaihtotapa on aina teholtaan alhainen ja vaatii turhan paljon energiaa.

Muutama vuosi sitten Computational Fluid Dynamics - CFD - laskentaohjelma mahdollisti sekoittavan ilmanvaihdon alhaisen tehon toteamisen. Tämä inspiroi sellaisten vaihtoehtojen etsimiseen joilla saavutetaan tehokkaammat lämmön ja epäpuhtauksien vaihtoarvot. Nyt löytyi sellainen vaihtoehto: ilmanvaihtotekniikka joka hyödyntää huoneen luonnollista termiikkiä ja aikaansaa kestävän, tehokkaasti toimivan kerrostavan huoneilman vaihdon ilman sekoittavaa vaikutusta! Luonnollisella ja energiaa säästävällä tavalla.

Syrjäyttävä ilmanvaihto - syrjähyppy oikeaan suuntaan

Ylhäältä tulevan korvausilman aiheuttamat haittavaikutukset ovat kauan olleet tiedossa. Tämä johti muutama vuosikymmen sitten lisääntyneeseen kiinnostukseen uusvanhaa ilmanvaihtomenetelmää kohtaan, jonka tarkoitus oli lämpimän ilman ja epäpuhtauksien poistaminen alhaalta päin aikaansaamatta sekoittumista ja tehon laskua.

Tutkimukset osoittivat, että huoneilma kerrostui siten että enemmän puhdasta ilmaa muodostui lattiatasolla oleville ihmisille, ja saastuneempaa lämmintä ilmaa korkeammalla tasolla.

Kun tämä tapahtui, korkeammalla oleva käytetty ilma pääsi poistumaan huoneesta tuloilman häiritsemättä sen poistumista. Ilmanvaihdon tehokkuus saattoi silloin kasvaa sekoittavan ilmastoinnin maksimaalista 50 %:n tehoa suuremmaksi.

Laajamittaisesti markkinoimalla tätä menetelmää - jota virheellisesti kutsuttiin syrjäyttäväksi ilmanvaihdoksi - herätettiin toiveita siitä, että sekoittavan ilmanvaihdon peli oli pelattu. Kehitys kuitenkin muutti suuntaansa useiden seurausten myötävaikutuksesta:

• Jäähdytetty tuloilma suoraan huoneessa oleviin ihmisiin suunnattuna aiheuttaa usein ongelmia vetoisuuden ja "kylmien jalkojen" muodossa. Kokemukset osoittavat että termisen laadun uhka on ilmeinen, jos huoneesta tällä tavalla poistetaan enemmän lämpöä kuin 35-40 wattia lattianeliömetriä kohti.
• Vetoisuuden riskin pienentämiseksi tuloilma tuodaan pienellä nopeudella, jonka seurauksena sen virtaus on alhainen. Kun tuloilma ei pysty vastaamaan huoneilman termiseen voimaan, huoneilma ottaa vallan tuloilman leviämisestä. Näin käy usein huoneissa, joissa on useita ja liikkuvia lämmönlähteitä, esimerkiksi toimisto- ja luokkahuoneissa. Tavoiteltu ilman kerrostaminen muodostuu sen sijaan enemmän tai vähemmän sekoittavaksi, jota nimenomaan tuli välttää.

Kuva 2.
Myös piennopeuslaitteilla aikaansaatu syrjäyttävä ilmanvaihto on teholtaan heikkoa. Kylmän ilman seurauksena on vetoisuus ja kylmät jalat. Tuloilman virtausnopeus on niin alhainen että ihmisten liikkuminen huoneessa tekee ilmanvaihdon sekoittavaksi.€

• Jos sen sijaan yrittää lämmittää esimerkiksi teollisuus- ja urheiluhalleja piennopeuslaitteilla, tuloilma lämmittää luonnollisista syistä kattoa enemmän kuin ihmisiä. Näin toimivat tuloilmalaitteet ovat tästä syystä lämmityskäyttöön täysin sopimattomia.
• Asennuksista tulee usein sekä tilaa että kustannuksia vaativia.

Useiden tekijöiden tuloksena sekoittavat tuloilmalaitteet ja kattoon asennettavat jäähdytyspalkit ovat jälleen hallitsevassa asemassa markkinoilla - alhaisesta tehostaan huolimatta.


Syrjäyttävästä ilmanvaihdosta muodostui "uuden ilmanvaihtoajattelun" vauhdittaja

Kuva 3. Periaate on yksinkertainen: Kylmä ilma laskeutuu, lämmin ilma nousee. Ilmanvaihdon tulee hyödyntää huoneen luonnollista termiikkaa.

Periaate oli oikea: Kylmä ilma laskeutuu, lämmin ilma nousee.
Toimintatapa oli väärä: pieni virtausnopeus johtaa ilman sekoittumiseen Eikö luonnonlakien yksinkertaisten periaatteiden pitäisi päteä ilmastoinnissakin?  €œ

• Ilmanvaihdon tärkein tehtävä on ylimääräisen lämmön ja epäpuhtauksien poistaminen lämmönlähteistä ja huoneista - eikä ilman tuomista huoneeseen miten tahansa.
• Onko mahdollista saavuttaa tehokkaampi lämmönvaihto ja epäpuhtauksien poisto muilla tavoin kuin ylhäältä tuotavalla tuloilmalla?
• Tehostuuko lämmönlähteiden ympärillä tapahtuvan lämmön vaihto samassa määrin kuin epäpuhtauksien vaihto, kun ilmanvaihtoa ei häiritse sekoittava toimintatapa? Siinä tapauksessa tätä asiaa tulisi pitää hyvinkin tärkeänä tulevaa energiankäyttöämme ajatellen!

Aikaisemmin on ollut lähes mahdotonta mitata, kuinka paljon energiaa voidaan säästää sekoittavaa ilmanvaihtoa tehokkaammalla lämmönvaihdolla. Siksi kaikki lämmönvaihto tapahtuukin nykyään tällä tehottomalla tavalla. Viime vuosien aikana tapahtuneen Computational Fluid Dynamics - CFD - laskentaohjelman nopean kehityksen ansiosta tiedämmekin nyt, että tilojen lämmönvaihto noudattelee ilmanvaihtoa jokseenkin hyvin. Tämä johtaa todella jännittävään asiaan: Jos me voimme tuloilmalla aikaansaada pysyvän kerrostavan ilmanvaihdon, voimme saavuttaa saman lämpötilan alhaisemmalla energian käytöllä!


€œ

Kuva 4.
Ilmanvaihto toimii vain siinä missä sitä tarvitaan ja keskittyy viilentämään lämmönlähteitä."

Huoneilman pysyvän kerrostumisen aikaansaamiseksi tarvitaan huomattavasti suurempaa tuloilman lähtönopeutta kuin tämän päivän perinteisillä tuloilmalaitteilla saavutettava nopeus. Tämän vuoksi kehitimme uuden suuremmalla ilmanlähtönopeudella toimivan tuloilmalaitesarjan, joka mahdollisti tuloilman virtauksen laitteesta lukemattomien pienten ilmasuihkujen muodossa. Mutta sen sijaan että ilmasuihkut suunnattaisiin huoneeseen me suuntaammekin suihkut sen eri pinnoille Impinging Jet Ventilation-tekniikan ("Pintoihin törmäävä ilmanjakojärjestelmä") mukaisesti. Tämän ansiosta ilmasuihkut muuttuvat hiljaiseksi ja vedottomaksi tuloilmaksi, joka virtaa huoneeseen aikaansaaden huoneilman vakaan kerrostumisen.

Uusien tuloilmalaitteiden testien tulokset olivat niin mielenkiintoisia, että lisätutkimukset ja optimointi siirrettiin Englantiin University of Reading'iin vuonna 2003.

Readingin tutkijat saattoivat mittavien tutkimusten tuloksena täsmentää seuraavat uuden ilmanvaihtotekniikan perusasiat. Tekniikka, joka aina kerrostaa huoneilman ja joka aina tuottaa toivoton tuloksen pienemmissä toimistohuoneissa.

€œKuva 5.
Kerrostava ilmanvaihto aikaansaa huoneilman vakaan kerrostumisen ja hallitun ilmanvaihdon vähäisellä energiakulutuksella ja suurella teholla."

Uuden ilmanvaihtotekniikan - tutkijoiden Wall Confluent Jets Ventilation - tekniikaksi nimittämän tekniikan - tutkimukset tuottivat seuraavan tuloksen:

• Lämmönvaihdon ja epäpuhtauksien poiston teho oli kauttaaltaan 65 prosenttia suurempi. Tämä osoittaa että huoneeseen tuotavaa jäähdytysenergiaa voidaan vähentää 20-30-prosenttisesti sekoittavaan ilmanvaihtoon verrattuna.
• Kaikissa tutkimuksissa todettiin, että konvektioilma suuntautui lämmönlähteistä ylöspäin. Missään vaiheessa lämmön ja epäpuhtauksien poistoa ei häirinnyt ilman sekoittuminen eikä alhainen teho.
• Ilman terminen laatu oli kaikissa tutkimuksissa parempi verrattuna sekoittavan ja syrjäyttävän ilmanvaihdon aikaisempiin tutkimuksiin.

Kutsumme tätä tekniikkaa Kerrostavaksi, suurta ilman nopeutta käyttäväksi ilmanvaihdoksi.

Tutkimustulokset olivat niin myönteisiä, että päätettiin tutkia tekniikan toimivuutta huoneessa, jossa vakaata ilman kerrostumista ei ollut koskaan aikaisemmin saavutettu - käytössä olevassa luokkahuoneessa. Nämä tutkimukset osoittivat että:

• Kaikki ihmisten ympärillä oleva epäpuhdas ilma liikkui ylöspäin ja tuli korvatuksi uudella alhaalta tulevalla ilmalla. Huoneilman kerrostuminen jäi vakaaksi, silloinkin kun huoneeseen tuotiin tuulettimia, joilla ilmaa yritettiin sekoittaa!
• Keskimääräinen Local air exchange index - ilmanvaihdon teho ihmisten ympärillä - oli 26 prosenttia korkeampi kuin mihin yltäisi sekoittava ilmanvaihto, ja 60 prosenttia korkeampi kuin sekoittavan ilmanvaihdon keskimääräinen teho.

Tutkijat esittelivät tutkimusten tulokset syyskuussa 2004 Portugalin Coimbrassa pidetyssä ROOMVENT 2004 konferenssissa. Täydentävää tietoa julkistettiin Kiinan Pekingissä pidetyssä Indoor Air 2005- konferenssissa ja lisätutkimuksia esiteltiin World Renewable Energy Congress IX:ssa Italian Firenzessä elokuussa 2006.

Yhteenveto vuoden 2007 helmikuuhun mennessä Kerrostavan, suurta ilmanlähtönopeutta käyttävän ilmanvaihdon tutkimuksista ja niistä saaduista kokemuksista

Sekoittavaan ilmanvaihtoon verrattuna saavutetaan seuraavat tulokset:

• Lämmitys kuluttaa 30-50 prosenttia vähemmän lämmitysenergiaa.
• Ilmanvaihto kuluttaa 20-60 prosenttia vähemmän jäähdytysenergiaa.
• Ilmanvaihdon hyötysuhde on aina 60-80 prosentin luokkaa.
• Tuloilmalaitteet eivät muodosta mitään heittopituuksia eivätkä lähivyöhykkeitä huoneessa. Laitteiden oma äänenvaimennusteho on myös suuri.
• Ihmisistä peräisin oleva ylimääräinen lämpö ja epäpuhtaudet poistuvat häiriintymättä.

Kerrostavalla ilmanvaihdolla saadaan yleisesti ottaen parempi sisäilma ja viihtyvyys pienemmällä energiankäytöllä ja ympäristövaikutuksella kuin millään muulla tunnetulla ilmastointiperiaatteella.

€œKuva 6. Perinteinen ilmalämmitys-tekniikka lämmittää kattoa enemmän kuin lattiaa.


Kuva 7. Kerrostavan ilmanvaihdon päätelaitteilla lämmitetään ensisijaisesti ihmisiä ja saavutetaan sama lämpötila koko huoneessa.€

Teollisuustoimitiloihin painottuvat kerrostavan, suurta ilmannopeutta käyttävän ilmanvaihdon käynnissä olevat tutkimukset

Teollisuustoimitilojen lämmittämisen, tosiasioihin perustuvat tutkimukset osoittavat, että katon rajassa olevan ilman lämpötila laskee keskimäärin yli viisi astetta kun sekoittavat tuloilmalaitteet korvataan suurta ilmanlähtönopeutta laitteilla. Tämä indikoi että uusi ilmanvaihtotekniikka tulee olemaan tärkeä tulevaa energiankäyttöämme ajatellen. Sen vuoksi tehdäänkin juuri nyt syventäviä tutkimuksia menetelmän käytöstä teollisuusympäristössä professori Bahram Moshfeghin johdolla. Kesällä 2007 esitellään uusimmat tulokset Roomvent 2007 tapahtumassa Helsingissä.

Tämän tiedotusmateriaalin on koonnut Bengt Sellö helmikuussa 2007.

Lisätietoa kerrostavasta suurta ilmannopeutta käyttävästä ilmanvaihdosta osoitteessa www.stravent.fi


Kuvitukset: Hans Sandqvist, Bildinfo (+358-46-8-88 52 30)