Jaka powinna być prędkość powietrza w kanałach wentylacyjnych?

Dzisiaj chciałbym powrócić do projektu, który wykonywałem lata temu. Jak się teraz zastanowię, był to jeden z moich pierwszych tematów, w którym Inwestor miał swoje specjalne życzenia oraz wygórowane wymagania. Wymagania te związane były z hałasem w instalacji wentylacji mechanicznej, co z kolei przenosiło się między innymi na odpowiednią prędkość powietrza w kanałach wentylacyjnych.

Temat był bardzo ciekawy, ponieważ chodziło o budynek szkoły muzycznej, a konkretnie o salę koncertową. Oczywiście można się domyślić jak działa instalacja w większości takiego rodzaju pomieszczeń. Zazwyczaj włączana jest tuż przed koncertem oraz w trakcie przerw. W momencie spektakli instalacja taka często jest wyłączana, ponieważ prędkość powietrza w przewodach wentylacyjnych jest na tyle duża, że pojawiający się hałas jest nie do zaakceptowania… Ale oczywiście, żeby nie było zbyt prosto, prędkość powietrza wentylacyjnego nie jest jedynym czynnikiem, który trzeba w takich przypadkach wziąć pod uwagę…

Co wpływa na hałas w instalacji wentylacji mechanicznej?

Na początek chciałbym, abyśmy odpowiedzieli sobie na następujące pytanie – co tak naprawdę generuje hałas w instalacji wentylacji mechanicznej? Zgodnie z tym, o czym powiedziałem Ci na samym początku artykułu, jednym z takich elementów jest właśnie prędkość powietrza w kanałach wentylacyjnych. Oczywiście im prędkość powietrza w takich przewodach będzie większa, tym większy również będzie również hałas.

Kolejny element, który należy bezwzględnie wziąć pod uwagę projektując instalacje wentylacji mechanicznej wyposażoną w centrale wentylacyjne to znajdujące się w takich urządzeniach wentylatory. Jeżeli zależy nam na niskim poziomie hałasu w budynku, to centrala powinna posiadać wentylatory pozwalające na pracę przy zmniejszonej wydajności. Innymi słowy chodzi tutaj o to, aby urządzenia takie nie działały na 100% swojej mocy, ponieważ wtedy będą generować największy hałas.

Czy jest coś jeszcze, na co również powinniśmy zwrócić uwagę? Oczywiście, że tak! 🙂 Jeżeli centrala posiada wymiennik ciepła to także i on nie jest tutaj bez znaczenia. Więcej na temat samych rekuperatorów możesz przeczytać tutaj, ale w tym przypadku głównie chodzi mi o obrotowy wymiennik ciepła. Dlaczego? Ponieważ urządzenie takie posiada wirnik, który się obraca. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej tego wirnika, wzrasta nie tylko jego efektywność, ale również i hałas.

Na koniec musimy jeszcze pamiętać o tym, że także armatura zastosowana w całej instalacji wentylacji mechanicznej wpływa na hałas, który instalacja generuje. Ale jaką tutaj armaturę mam konkretnie na myśli? Prawdę powiedziawszy… każdą. 🙂 Mam tutaj na myśli zarówno kratki wentylacyjne, anemostaty, przepustnice czy nawet czerpnie lub nagrzewnice powietrza. Każdy element zastosowany w takiej instalacji posiada swoją, indywidualną konstrukcje, która nie jest obojętna na hałas jaki system generuje.

Jaka obliczyć prędkość powietrza w przewodach wentylacyjnych?

Zanim przejdziemy do dalszej części artykułu chciałbym, abyśmy sobie przypomnieli, w jaki sposób można obliczyć prędkość powietrza w kanałach wentylacyjnych. Wartość taką możemy obliczyć przy pomocy poniższego wzoru.

    \[ v = \frac{Q}{F} \]

  • v – prędkość powietrza w kanale wentylacyjnym, m/s
  • Q – objętościowy strumień powietrza wentylacyjnego przepływającego przez kanał, m3/s
  • F – pole powierzchni przekroju poprzecznego kanału wentylacyjnego, m2

Ok, skoro znamy już wzór, przy pomocy którego możemy obliczyć prędkość powietrza w przewodach wentylacyjnych, przeanalizujmy sobie dwa, konkretne przypadki. Pierwszy, dla kanału o przekroju poprzecznym prostokątnym, a drugi, dla przewodu okrągłego.

Na początku załóżmy sobie, że chcemy obliczyć prędkość powietrza dla strumienia objętościowego, który wynosi 350 m3/h i który przepływa przez kanał o przekroju poprzecznym prostokątnym o wymiarach 300 x 200 mm.

W tym przypadku, abyśmy mogli obliczyć szukaną wartość, po pierwsze musimy zamienić strumień objętościowy powietrza wentylacyjnego wyrażony w m3/h na m3/s. Możemy to zrobić dzieląc pierwszą wartość przez 3600 sekund. Dlaczego? Ponieważ w jednej godzinie mamy właśnie 3600 sekund. Dodatkowo, aby wynik był wyrażony w poprawnych jednostkach musimy jeszcze wyliczyć pole przekroju poprzecznego naszego kanału tak, aby było ono podane w metrach. Ale tutaj zakładam, że nie będzie już żadnych problemów. 🙂 Zatem zgodnie z powyższym, prędkość powietrza wentylacyjnego w naszym kanale będzie wynosić:

    \[ v = \frac{350 : 3600}{0,3 \cdot 0,2} = 1,62 \  m/s \]

Teraz przejdźmy do kanału o przekroju poprzecznym okrągłym. Abyśmy mogli obliczyć prędkość powietrza wentylacyjnego w takim przewodzie, przyjmijmy identyczne założenia jak powyżej, z tą tylko różnicą, że średnica naszego kanału będzie wynosić 200 mm.

Tutaj również musimy zamienić strumień powietrza wentylacyjnego z m3/h na m3/s. Ponadto, do wyliczenia pola przekroju poprzecznego takiego kanału, będziemy musieli skorzystać z następującego wzoru:

    \[ F = \frac{\pi : d^{2}}{4} \]

  • d – średnica przekroju poprzecznego kanału wentylacyjnego, m

Zatem kiedy przypomnieliśmy sobie już wzór na pole koła, możemy teraz przejść do wyliczenia prędkości powietrza wentylacyjnego w naszym przewodzie. Będzie ona równa:

    \[ v = \frac{350 : 3600}{\frac{3,14 \cdot 0,2^{2}}{4}} = 3,10 \ m/s \]

Jaka powinna być prędkość powietrza w kanałach wentylacyjnych?

Skoro wiemy już w jaki sposób obliczyć prędkość powietrza w przewodach wentylacyjnych, pojawia się kolejne pytanie. Jaka powinna być wartość tej prędkości dla instalacji wentylacji mechanicznej?

Od razu Ci powiem, że nie ma na ten temat jednoznacznych wymagań. Określając prędkość powietrza w takich przewodach, możemy kierować się np. normą PN-B-02151-2:2018-01 Akustyka budowlana – Ochrona przed hałasem w budynkach – Część 2: Wymagania dotyczące dopuszczalnego poziomu dźwięku w pomieszczeniach. Jednak norma ta, jak wskazuje jej nazwa, nie określa maksymalnych prędkości powietrza w przewodach wentylacyjnych, ale dopuszczalne poziomy dźwięku dla poszczególnych pomieszczeń. Zatem może się nią posiłkować tylko pomocniczo.

Ale, żeby nie było tak źle, dobierając przekroje dla poszczególnych przewodów wentylacyjnych możemy posiłkować się wytycznymi, zgodnie z poniższą tabelą[1]M. Malicki, Wentylacja i Klimatyzacja, wydawnictwo PWN, rok 1974..

Wymagany poziom hałasuZalecane prędkości powietrzaMaksymalne prędkości powietrza
Przewód przy wentylatorzePrzewód główny lub rozprowadzający powietrzePrzewód odgałęzienia w pobliżu nawiewnika lub wywiewnikaPrzewód przy wentylatorzePrzewód główny lub rozprowadzający powietrzePrzewód odgałęzienia w pobliżu nawiewnika lub wywiewnika
[ db (A) ][ m/s ][ m/s ][ m/s ][ m/s ][ m/s ][ m/s ]
Niski < 3084 ÷ 53 ÷ 41065
Normalny 30 ÷ 3394 ÷ 54 ÷ 51266
Głośny 33 ÷ 3594 ÷ 75 ÷ 61287
Budynki przemysłowe106 ÷ 95 ÷ 614119
Wyrzutnie powietrza45,5
Czerpnie powietrza2,54,5 ÷ 6
Filtry powietrza1,52
Nagrzewnice powietrza2,53

Jednak tutaj od razu muszę Ci powiedzieć jedną rzecz. Tabela, którą widzisz powyżej dotyczy przede wszystkim budynków użyteczności publicznej oraz budynków przemysłowych. A co w związku z powyższym z budynkami mieszkalnymi?

W budynkach mieszkalnych staram się, aby prędkość powietrza w kanałach wentylacyjnych była nieco niższa. Zazwyczaj dążę do tego, aby prędkość ta w odgałęzieniach, które zasilają bezpośrednio nawiewniki i wywiewniki powietrza wynosiła w granicach 2 lub 2,5 m/s. Dlaczego? Ponieważ dzięki temu hałas będzie pochodzący z instalacji będzie również mniejszy. A zgodzisz się chyba ze mną, że szum powietrza słyszany w nocy, kiedy chcesz zasnąć, nie należy do przyjemnych? 🙂

Jeżeli chodzi o prędkość powietrza w przewodach magistralnych prowadzonych w budynkach mieszkalnych to zakładam, że jeżeli nie będzie ona przekraczać wartości 5 m/s to wszystko powinno być w porządku.

Założenia projektowe

Wróćmy teraz do naszego projektu instalacji wentylacji mechanicznej dla sali koncertowej. Rzeczą, od której rozpocząłem pracę nad tym zadaniem było określenie wymagań, jakie powinny być spełnione. Jednym z tych wymagań było zapewnienie odpowiedniej ilości strumienia powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniu. Natomiast odrębną sprawą było nieprzekraczanie maksymalnego poziomu mocy akustycznej…

No dobra, ale jakiej konkretnie wartości mieliśmy nie przekraczać? Powiem Ci od razu, że tutaj miałem pewien problem… Nigdy wcześniej nie projektowałem instalacji w obiektach, w których cisza była kwestią priorytetową. Przynajmniej zaraz po zapewnieniu odpowiedniej ilości świeżego powietrza dla osób przebywających w pomieszczeniu tak, aby się tam nie podusili. 🙂

Norma, którą przywołałem wcześniej, tzn. norma PN-B-02151-2:2018-01 nie określa niestety wymagań dla sal koncertowych. Są w niej podane wymagania dotyczące sal kinowych oraz teatralnych, które są chyba najbardziej zbliżone do sal koncertowych. Ale wiesz co? Zgodnie z tą normą, wymagania dla takich pomieszczeń w zakresie dopuszczalnego poziomu dźwięku powinny być ustalane… indywidualnie. Prawda, że pomocne? 🙂

Ale to jeszcze nie wszystko! Zauważ, że norma ta pochodzi z 2018 roku. Ja projekt ten sporządzałem kilka lat wcześniej, kiedy ona jeszcze nie istniała. Była co prawda wtedy norma PN-B-02151-02:1987, ale niestety ona również nie okazała się zbyt pomocna.

Uznałem, że najlepiej i najbezpieczniej będzie spotkać się z Dyrektorem szkoły, który posiada tak czułe uszy, że służą mu one za miernik dźwięku. Przedyskutowaliśmy temat i w końcu udało mi się uzyskać wartość, której szukałem przez ostatnie kilka dni. Wynosiła ona tylko… 25 dB!

Jak ograniczyć hałas w instalacji wentylacji mechanicznej?

Jak łatwo zauważyć, wartość na poziomie 25 dB wcale nie jest duża. Wręcz przeciwnie, powiedziałbym, że jest ona bardzo mała. Zatem spełnienie oczekiwań Inwestora wcale nie należało do najłatwiejszych zadań, ale nie należało ono również do zadań niemożliwych.

Na samym początku pomyślałem, że rzeczą najważniejszą będzie dobór odpowiedniej centrali wentylacyjnej. Ale co tutaj miałem konkretnie na myśli? Miałem na myśli dobór takiego urządzenia, którego wentylatory będą mocno przewymiarowane. Dzięki temu będą one mogły pracować na zmniejszonej wydajności, przez co będą oczywiście generować mniejszy hałas.

Kolejną rzeczą, która wydawała się oczywista to zastosowanie odpowiednich tłumików akustycznych, które jeszcze dodatkowo zmniejszą ilość hałasu generowanego przez naszą centralę wentylacyjną. Ale tutaj sprawa nieco się komplikowała. Tłumiki akustyczne mają to do siebie, że im więcej hałasu tłumią, tym spadek ciśnienia powietrza wentylacyjnego, który przez nie przepływa jest zazwyczaj większy. W rezultacie, właśnie z tego powodu, kilka razy musiałem zrezygnować z doboru naprawdę dobrych tłumików akustycznych. Dlaczego? Ponieważ co z tego, że pochłaniały one hałas generowany przez wentylatory, skoro musiały one pracować na zwiększonych obrotach, przez co hałas ten się zwiększał?

W końcu udało mi się rozwiązać ten problem w nieco inny, może dość dyskusyjny sposób… Niemniej jednak, rezultaty miały być widoczne już w najbliższej przyszłości i nie ukrywam, że byłem ich bardzo ciekawy… Co prawda, nie zrezygnowałem z tłumików akustycznych umieszczonych za centralą wentylacyjną, ale postanowiłem zastosować tam takie urządzenia, które nie zwiększą w znaczny sposób oporów. Dodatkowo, postanowiłem zastosować jeszcze indywidualne tłumiki akustyczne przed każdym anemostatem.

Oczywiście w tym przypadku, w odpowiedni sposób dobrałem również nie tylko same anemostaty, ale również przewody wentylacyjne. Dzięki temu prędkość powietrza w kanałach zasilających anemostaty nie przekraczała 2 m/s, a same urządzenia zapewniały dostarczenie powietrza o odpowiedniej prędkości do strefy przebywania ludzi.

Czy prędkość powietrza oraz dobór pozostałych urządzeń w instalacji były prawidłowe?

Na pewno zastanawiasz się teraz, w jaki sposób sprawdzałem poziom hałasu, który miała generować instalacja wentylacji mechanicznej. Przecież z jednej strony dobrałem przewody wentylacyjne tak, aby prędkość powietrza wentylacyjnego była w nich dość niska. Dobrałem również pozostałe urządzenia w instalacji w taki sposób, aby nie generowały znacznej ilości hałasu. Ale skąd u licha miałem mieć pewność, że wartość 25 dB nie zostanie przekroczona?

Kiedy zajmowałem się tym projektem, miałem dostęp do programu CADvent od firmy Lindab. Na całe szczęście, program ten liczył nie tylko spadki ciśnień, nie tylko dobierał odpowiednie nastawy przepustnic, ale również liczyć akustykę w całej instalacji! Dzięki temu byłem w pewnym stopniu spokojny. Dlaczego w pewnym stopniu? Ponieważ nie byłem w stu procentach pewny, czy obliczeniom programu można ufać…

Oczywiście w takim przypadku skontaktowałem się z przedstawicielem firmy Lindab, aby porozmawiać na ten temat. Dowiedziałem się wtedy, że obliczenia powinny odpowiadać rzeczywistości. Podobno zdecydowana większość wykonanych projektów, pokrywała się z obliczeniami programu – tak przynajmniej wtedy usłyszałem.

Z jednej strony nieco mnie to uspokoiło, ale z drugiej, wciąż byłem ciekawy rezultatów końcowych. Prawdę powiedziawszy nie miałem pewności, że wszystko będzie tak, jak być powinno. W końcu osoba, która powiedziała mi, że obliczeniom programu można ufać pracowała dla firmy, która stworzyła ten program. W takim razie co miała powiedzieć, że ich produkt jest wadliwy? No właśnie…

Czas sądu ostatecznego…

Kiedy oddawałem projekt Inwestorowi, program zapewniał, że maksymalny hałas generowany przez instalację nie przekroczy wartości 24 dB. Oczywiście było to rezultatem kilku rzeczy. Prędkość powietrza w przewodach była niska. Wszystkie anemostaty zostały wyposażone w dodatkowe skrzynki rozprężne, które również zapewniały tłumienie hałasu. Przynajmniej w pewnym stopniu. Centrala wentylacyjna została przewymiarowana oraz dodatkowo zastosowano w całym systemie łącznie kilkanaście tłumików akustycznych.

W końcu instalacja wentylacji mechanicznej została wykonana, uruchomiona oraz przede wszystkim poddana ocenie uszom Dyrektora. A miało to miejsce podobno kilkanaście minut wcześniej, zanim Inwestor do mnie zadzwonił…

Będę szczery – trochę obawiałem się tego telefonu. Chciałem, żeby wszystko było tak, jak Inwestor oczekiwał, ale w tamtym czasie nie miałem lepszych narzędzi, które pozwoliłyby mi dodatkowo sprawdzić akustykę instalacji. Polegałem jedynie na obliczeniach programu oraz na słowach przedstawiciela firmy, która ten program stworzyła.

Jednak jak się okazało chwilę później, moje obawy były bezpodstawne. 🙂 Dyrektor był cholernie zadowolony z efektów. Stwierdził, że instalacji prawie nie słychać, a o to mu przede wszystkim chodziło. W końcu po co komu instalacja, która ze względu na zbyt duży hałas nie może pracować wtedy, kiedy powinna?

Nie byłbym sobą, gdybym nie spytał Inwestora czy zgodziłby się, abym zmierzył hałas miernikiem dźwięku. Widać było, że lekko się oburzył… Nie ufam jego uszom? 🙂 Jednak po krótkim wyjaśnieniu, zrozumiał dlaczego mi na tym zależy i wyraził zgodę. A co pokazały pomiary? Pokryły się z obliczeniami programu! 🙂

Przypisy

Przypisy
1 M. Malicki, Wentylacja i Klimatyzacja, wydawnictwo PWN, rok 1974.