Aktualności

Pandemia COVID-19, która wybuchła pod koniec 2019 roku w chińskim mieście Wuhan, nadal dezorganizuje życie społeczno-gospodarcze. Oprócz wciąż kontynuowanych prac nad opracowaniem skutecznych terapii i szczepionek, w celu jej zahamowania niezbędna jest odpowiednia profilaktyka. Istotna jest w tej kwestii m.in. odpowiednia wentylacja pomieszczeń. Wywołujący chorobę wirus SARS-CoV-2 rozprzestrzenia się bowiem m.in. poprzez aerozole, czyli mieszaninę powietrza oraz cząstek stałych i ciekłych, które każdy człowiek emituje w trakcie oddychania i mówienia, nie wspominając o kaszlu czy kichaniu. Taka chmura, zawierająca patogeny, może przez dłuższy czas przemieszczać i utrzymywać się w zatłoczonych i źle wentylowanych pomieszczeniach.

Innowacyjny system oczyszczania powietrza

Inżynierowie z Zespołu Wentylacji i Klimatyzacji Obiektów AGH, który działa na Wydziale Inżynierii Lądowej i Gospodarki Zasobami, postanowili w innowacyjny sposób zmierzyć się z opisanym problemem. Pracują aktualnie nad systemem oczyszczania powietrza, który w odróżnieniu od tych, które aplikuje się w ogólnych systemach wentylacji i klimatyzacji, jest przeznaczony dla pojedynczego człowieka. Testowane rozwiązanie składa się z wentylatora nawiewnego, filtru elektrostatycznego zatrzymującego i neutralizującego drobnoustroje, instalacji nawiewnej oraz dyfuzora sufitowego wykonanego z elastycznego i łatwego do dezynfekcji materiału PET-G. Dyfuzor ma za zadanie wytworzyć strugę nawiewną, która usuwa wydychane powietrze ze strefy pomieszczenia zajmowanej przez użytkownika i jednocześnie nie dopuszcza do zasysania do niej powietrza z zewnątrz.

 

Rys. 1. Schemat działania instalacji, materiały projektu „System oczyszczania powietrza w warunkach narażenia na działanie wirusa Covid-19 do zastosowania na stanowiskach pracy, w tym w górnictwie”

– Pomysł powstał w wyniku naszych obserwacji i potrzeb przemysłu, gdzie istnieje konieczność pracy osób w bliskim kontakcie ze sobą bądź transportu ludzi skupionych na małej przestrzeni, np. w górnictwie. Nie można tam pozwolić sobie na taki komfort, żeby przewozić wagonami pojedyncze osoby. Wytworzenie takiego nawiewu umożliwi zminimalizowanie narażenia ludzi na działanie wirusa w opisanych sytuacjach – tłumaczy dr hab. Marek Borowski, prof. AGH, odpowiedzialny za koordynację prac.

Opracowane przez badaczy z AGH rozwiązanie będzie można przeprojektować, np. stosując inny typ nawiewnika, tak by tworzyło barierę ochronną nie wokół pojedynczego człowieka, ale określonej grupy osób.

Rola skrzynki rozprężnej w systemach HVAC

Wyzwaniem, z którym zmagają się projektanci i producenci systemów HVAC (ang. Heating, Ventilaton and Air-Conditioning) jest zapewnienie optymalnej funkcjonalności urządzeń przy zachowaniu maksymalnego komfortu użytkownika. Na ten ostatni mają wpływ takie parametry jak temperatura, wilgotność, czystość oraz prędkość nawiewanego powietrza. Ten ostatni parametr decyduje o tym, czy w pomieszczeniu odczuwamy nieprzyjemny przeciąg. Wskaźnik PMV (ang. Predicted Mean Vote), który powszechnie stosuje się do określenia komfortu cieplnego użytkownika, zakłada, że prędkość powietrza w strefie pomieszczenia zajmowanej przez ludzi nie powinna przekraczać 0,20 m/s.

Jednym z istotnych elementów instalacji, który ma wpływ na profil strugi powietrza i komfort użytkownika, jest skrzynka rozprężna. To ta część, do której przyłączony jest dyfuzor i przez którą przepływa powietrze tuż przed tym, nim trafi do pomieszczenia.

 

Rys. 2. Schemat umieszczenia w instalacji skrzynki rozprężnej z przyłączem bocznym i górnym, Halibart i in. 2021

– Skrzynka rozpręża strugę powietrza i powoduje, że jej prędkość obniża się, zanim spłynie przez nawiewnik, gdzie poprzez kierownice czy inne odpowiednie elementy nadawany jest jej odpowiedni profil. Ponadto, obniżając prędkość powietrza, redukuje też poziom hałasu – wyjaśnia prof. Borowski. – Dlatego badania nad kształtem skrzynki, kierunkiem skąd doprowadzane jest do niej powietrze oraz jego prędkością są bardzo istotne i prowadzone od wielu lat. Ciągle dążymy do optymalnego kształtu, bo nie zawsze w warunkach zabudowy instalacji istnieje możliwość, żeby można było zastosować idealne rozwiązania.

Badanie przepływu powietrza metodami PIV i CFD

W trakcie prowadzonych prac naukowcy z AGH zbadali, jaki wpływ na profil strugi powietrza ma miejsce, gdzie do skrzynki rozprężnej doprowadzane jest powietrze z instalacji. Przedmiotem ich analizy były dwa rozwiązania – w pierwszym króciec był przyłączony od góry, w drugim od boku. Swoimi ustaleniami dzielą się w publikacji, która ukazała się w magazynie „Energies”.

Żeby odpowiedzieć na postawione pytanie, w pierwszym kroku inżynierowie poddali analizie skrzynkę z przyłączem bocznym. Aby ustalić pole prędkości przepływu powietrza wewnątrz skrzynki, dokonali pomiarów metodą PIV (ang. Particle Image Velocimetry). To nieinwazyjna metoda optyczna, która pozwala śledzić ruch cząsteczek podążających za przepływem. Wykorzystuje ona fakt, iż poruszające się molekuły rozpraszają światło lasera, dzięki czemu ich ruch może być zarejestrowany przez specjalistyczne kamery.

 

Rys. 3. Pole przepływu powietrza w skrzynce rozprężnej z przyłączem bocznym, Halibart i in. 2021

W kolejnym kroku badacze rozpatrzyli tożsamą sytuację, tym razem przeprowadzając symulacje metodą CFD (ang. Computational Fluid Dynamics), wykorzystując sześć różnych modeli matematycznych. Tego typu modele opisują dynamikę przepływu za pomocą układu funkcji, którym można nadać adekwatne do danej sytuacji parametry. Taki skomplikowany układ równań można szybko rozwiązać na komputerze, który wyposażony jest w przeznaczone do tego oprogramowanie.

Walidacja modeli komputerowych

Uzyskane podczas symulacji rozwiązania naukowcy porównali z wcześniejszymi wynikami eksperymentalnymi, co pozwoliło im wskazać model, który dostarczył rozwiązań najbardziej zbieżnych z rzeczywistymi pomiarami.

 

Rys. 4. Porównanie wyników pomiarów wykonanych metodami PIV i CFD, Halibart i in. 2021

– To daje nam podstawę do kolejnych analiz, które możemy szybciej wykonać. Pomiary są bardzo czasochłonne i wymagają koncentracji. Mnóstwo czasu zajmuje również opracowanie wyników, dlatego symulacje są bardzo atrakcyjnym narzędziem. Ale żeby móc na ich podstawie wnioskować, musimy wpierw wykonać pomiary, żeby wiedzieć, czy są zgodne z rzeczywistością – mówi kierownik prac.

Gdzie przyłączyć króciec do skrzynki rozprężnej?

Wybrany model inżynierowie z AGH wykorzystali, żeby sprawdzić, jak będzie kształtował się profil strugi powietrza w przypadku zastosowania w instalacji skrzynki rozprężnej z powietrzem doprowadzonym z góry i z boku. Przeprowadzona metodą CFD analiza wykazała, że sposób przyłączenia króćca ma znaczący wpływ na sposób rozchodzenia się powietrza z nawiewnika. Mimo iż producenci urządzeń z uwagi na ograniczenia przestrzenne najczęściej stosują skrzynki z przyłączem bocznym, uzyskany w ten sposób profil strugi powietrza jest mniej symetryczny niż w przypadku doprowadzenia powietrza od góry.

 

Rys. 5. Porównanie profili strugi powietrza uzyskanych przy zastosowaniu skrzynki rozprężnej z przyłączem bocznym i górnym, Halibart i in. 2021

Badacze wskazują, że częściowym rozwiązaniem tego problemu może być instalacja wewnątrz skrzynki paneli perforowanych, jednak może się to odbyć kosztem spadku ciśnienia oraz wzrostu hałasu generowanego przez urządzenie.

Perspektywy badawcze

Badania nad prototypową instalacją prowadzone są w laboratorium Zespołu Wentylacji i Klimatyzacji Obiektów, które dysponuje niezbędną w tym celu infrastrukturą.

Prof. Borowski opowiada:
– W naszym laboratorium możemy stworzyć warunki panujące w rzeczywistym pomieszczeniu, gdyż mamy podwieszany sufit, który można umieścić na różnej wysokości i zabudować nawiewnikami w różnej konfiguracji. To ma znaczenie, ponieważ przepływy powietrza są również zależne od układu ścian bocznych czy stropu. Powietrze, wykorzystując tzw. efekt Coandy, potrafi się „przykleić” do danej płaszczyzny, dzięki czemu taką strugę możemy przemieścić w pomieszczeniu na większą odległość. Strugi generowane przez sąsiadujące ze sobą nawiewniki również ze sobą oddziałują.

Podczas prac naukowcy skupiają się obecnie na znalezieniu optymalnego kształtu nawiewnika. W tym celu prowadzą dokładne badania prędkości powietrza rozchodzącego się z dyfuzora przy użyciu termoanemometrów. Podczas eksperymentów opierają się na siatce punktów pomiarowych, wyznaczonych wcześniej podczas prób dymowych.

 

Rys. 6. Termoanemometry używane do prowadzenia pomiarów, materiały projektu „System oczyszczania powietrza w warunkach narażenia na działanie wirusa Covid-19 do zastosowania na stanowiskach pracy, w tym w górnictwie”

 

Rys. 7. Próby dymowe w pomieszczeniu testowym,materiały projektu „System oczyszczania powietrza w warunkach narażenia na działanie wirusa Covid-19 do zastosowania na stanowiskach pracy, w tym w górnictwie”

Oprócz prędkości, analizowane są również inne parametry mogące mieć wpływ na komfort użytkownika, jak wilgotność czy temperatura powietrza. Badania obejmują również stężenie pyłów w powietrzu przed i za filtrem elektrostatycznym.

– Wyniki pomiarów powinny być gotowe wraz z końcem roku i wówczas będziemy chcieli opublikować je w czasopismach naukowych – deklaruje koordynator projektu. Dodaje, że planowana jest również komercjalizacja projektowanego rozwiązania i twórcy pozostają w kontakcie z firmami, które są nim zainteresowane.

Projekt pod tytułem System oczyszczania powietrza w warunkach narażenia na działanie wirusa Covid-19 do zastosowania na stanowiskach pracy, w tym w górnictwie sfinansowany został z grantu uczelnianego (I edycja konkursu System grantów uczelnianych na prace badawcze realizowane z udziałem doktorantów – Działanie 4), w ramach programu Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza, AGH 2020–2022, POB-2.