Priroda strujanja vazduha (poglavlje prvo)

Ovaj rad bavi se prostornim koncepima primene temperaturnih razlika vazduha kao i samim strujanjem vazduha u cilju iskorišćavanja prirodne ventilacije radi temperiranja objekata, ili pak razlikama u pritisku, koje su opet, uslovljene varijacijama temperatura.

šema strujanja vazduha, izvor: www.actiflow.com

U četiri poglavlja objašnjeni su fenomeni nastajanja vazdušnog kretanja, prikazani su i analizirani primeri izgrađenih „energetski efikasnih“ objekata i arhitektonsko-prostorni elementi koji im najviše pogoduju.

Ovaj tekst je druga od pet celina seminarskog rada studenta arhitekture Vladimira Simovića na temu Klimatizacije objekata. Na ovoj stranici dato je prvo poglavlje – Priroda strujanja vazduha (linkovi ka ostalim delovima u žutom polju).

1. PRIRODA STRUJANJA VAZDUHA

1.1 proces nastajanja raspodele pritisaka u prirodi

Stoga, da bismo razumeli koji su to prostorni elementi i koncepti koji nam mogu doprineti u projektovanju, najpre moramo razumeti sam uzrok nastanka strujanja vazduha.

Strujanje vazduha se javlja pod dejstvom raspodele pritisaka, to je proces koji je intenzivno zastupljen u prirodi. Može se posmatrati kao pojava na nivou Zemlje kao planete, zatim na nivou sredine, tj. okruženja, i naravno na nivou urbane strukture i objekta kao njenog sastavnog dela.

Usled delovanja sunčevog zračenja, dolazi do zagrevanja Zemljine površine. Zbog različitih prirodnih uslova i apsorbcionih karakteristika njene površine, nastaje neujednačeno zagrevanje njenih pojedinih delova, tj. vazdušnih masa u neposrednom kontaktu. „...kako je topliji vazduh manje gustine, a hladniji veće, to dolazi do prirodnog strujanja vazduha po vertikali – efekta dimnjaka, što takođe uslovljava horizontalna vazdušna strujanja iz oblassti višeg, ka oblasti nižeg pritiska – efekat vetrova.

Ovaj osnovni princip nastajanja raspodele pritisaka u prirodi, jeste primenljiv i u svakoj drugoj situaciji, tj. i u zatvorenom prostoru.“ (4) Kasnije ćemo videti da je gore pomenuti efekat dimnjaka vrlo bitan element pri projektovanju, budući da se može dovesti u vezu sa atrijumskim objektima, budući da se atrijum oduvek koristio kao graditeljski oblik.

1.2 Proces nastajanja raspodele pritisaka u objektu

Kada se radi o zatvorenom prostoru kao i objektima, raspodela pritisaka na omotaču zgrade nastaje usled razlika u gustini vazduha unutrašnjeg i spoljašnjeg prostora uslovljene temperaturnom razlikom, dejstvom vetra, kao i funkcionisanjem sistema klimatizacije i veštačke ventilacije. Ona deluje po principu težnje ka uravnoteženju, te tako nastaje kretanje vazduha višeg pritiska, ka vazduhu nižeg pritiska. „Na taj način dolazi do izjednačavanja prometa vazduha,  tj. ukupna masa vazduha koja ulazi u zgradu biće jedanka masi koja istrujava iz nje, pod pretpostavkom da su gustine vazduha identične.“ (5)

1.3 proces nastajanja raspodele pritisaka usled uticaja vetra

Na gore pomenute procese nastajanja pritisaka treba dodati jedan faktor, koji je manje ili više unutar kontrole ljudske delatnosti, radi se o uticaju vetra. Uticaj vetra predstavlja bitnu komponentu u raspodeli pritisaka. „...njegov stvarni efekat na zgradu zavisi od niza faktora koji ga definišu, karakteristika posmatranog objekta, kao i celokupnog okruženja. Delovanjem uticaj vetra na raspodelu pritisaka na i u samom objektu je kompleksan proces, a takođe i komplikovan za tačno određivanje. Da bi se čitav efekat sagledao u realnim okvirima, kretanje vetra će se definisati kao strujanje idealnog fluida.“ (6)

U svom slobodnom neometanom kretanju, bez promene visine i gubitka pritiska, strujanje vetra se može definisati Bernulijevom jednačinom:

• p + pv2 / 2= const.    (7)

gde je p statički pritisak, jedinica Pa, a pv²/2 je dinamički pritisak, jedinica Pa.

Nailaskom na prepreku (objekat) dolazi do raspodele statičkog pritiska po objektu, što zavisi od njegove brzine, pravca i samog okruženja.

Ako nema temperaturnih razlika spoljašnjeg i unutrašnjeg vazduha, niti prinudne cirkulacije, onda se razlika pritisaka na omotaču određuje pomoću statičkog pritiska unutrašnjeg vazduha:

• Dp = po + pw – pi    (8)

Gde su:

• dp– razlika između spoljašnjeg i unutrašnjeg pritiska na datom mestu,
• po – statički pritisak zavisan od visine u neometanom strujanju,
• pw – pritisak vetra na datom mestu,
• pi – unutrašnji pritisak na datoj visini.

Na otvorenoj strani objekta dolazi do nagomilavanja vazdušne mase i povećanja statičkog pritiska u neuznemirenoj putanji (povišeni atmosferski pritisak):

• Pv = Cp ρ v² / 2    (9)

Gde su:

• Pv - pritisak na površini u odnosu na statički pritisak u neometanom stanju,
• ρ - gustina vazduha,
• v - brzina vetra,
• Cp - koeficijent pritiska površine.

Istovremeno na zaklonjenoj strani, bočno i na krovu dolazi do razređivanja vazduha. Ova pojava nastaje usled povećanja brzine strujanja vazduha nad krovom i bočnim ravnima, što dovodi do povećanja dinamičkog, a smanjenja statičkog pritiska (snižen atmosferki pritisak). Strujanje vetra oko bokova i nad vrhom zgrade ubrzava se zbog manje zone preseka po kojoj vetar struji.

Uticaj lokalnih parametara je od presudnog značaja za određivanje konačnog uticaja vetra. Njegova brzina, gustina i pravac direktno zavise od posmatrane visine, temperature spoljne sredine, kao i samog okruženja, te se redukcije globalnih parametara moraju uzeti u obzir u konkretnom slučaju. Na primer, za nadmorsku visinu od 1500 m, ili promenu temperature vazduha od -30 stepeni do 20 stepeni celzijusa, gustina vazduha će opasti za oko 20%. Ako se ove promene visine i temperature dešavaju istovremeno, gustina vazduha će opasti za oko 45%.

Iznosi razlika pritisaka na površinama zgrada se drastično menjaju sa vremenom zbog vrtložnog talasanja vetra (10). U stambenim zgradama, nivo razlika pritisaka u prosečnih za preko 20 min. retko prelazi plus – minus 5Pa pod karakterističnim uslovima. U mnogim slučajevima, proseci su manji od plus – minus 2,5 Pa.    (11)