e-gépész szaklap

Zöldfal az irodában – a növényzet és a szellőztetés kapcsolata I. rész

Frissítve: 2017. november 29.

Szerző: Both Balázs, Bonyár Miklós, Goda Róbert, Szánthó Zoltán

Hasznos volt Eddig 7 látogatónak tetszett

A belső térben keletkezett széndioxid-koncentráció csökkenthető a megfelelően tervezett, kivitelezett és üzemeltetett légtechnikai rendszerrel. Adódik a kérdés, hogy egy rosszul működő gépi szellőztetés esetén mégis hogyan csökkenthető a szennyezőanyag mennyisége? Egyáltalán, szükséges-e a gépi szellőztetés alkalmazása a szennyezőanyag (jelen esetben ez a szén-dioxid) koncentrációjának a csökkentéséhez? Cikkünkben e kérdésekre keressük a választ egy kisméretű irodahelyiség modelljébe telepített élő zöldfal méréses elemzésével.

A cikk a Magyar Épületgépészet 2017/11. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke itt letölthető.

A világnak bármely részén is tartózkodunk éppen, a külső és belső terek levegője mindig tartalmaz adott mennyiségű és minőségű szennyezőanyagot. Épületgépészeti szempontból a belső komfortterekben leginkább jellemző szennyezőanyag-forrás a szén-dioxid (CO2). Természetesen e gázon kívül egyéb szilárd, illetve gáz halmazállapotú szennyezőanyagok is megtalálhatók a zárt terekben (pl. radon, azbeszt, dohányfüst stb.). Mégis, a szén-dioxid az egyik leginkább vizsgált, meghatározó szennyezőanyag típus. Mindez nem véletlen, hiszen a legtöbb komforttérben az emberi tartózkodás egyik következménye az élettani folyamatok eredményeként kilélegzett szén-dioxid.

A belső térben keletkezett széndioxid-koncentráció csökkenthető a megfelelően tervezett, kivitelezett és üzemeltetett légtechnikai rendszerrel. Adódik a kérdés, hogy egy rosszul működő gépi szellőztetés esetén mégis hogyan csökkenthető a szennyezőanyag mennyisége? Egyáltalán, szükséges-e a gépi szellőztetés alkalmazása a szennyezőanyag (jelen esetben ez a CO2) koncentrációjának a csökkentéséhez? Cikkünkben e kérdésekre keressük a választ egy kisméretű irodahelyiség modelljébe telepített élő zöldfal méréses elemzésével.

Bevezetés

Életünk jelentős részét a mindennapi tevékenységünkből adódóan zárt terekben töltjük. A bennünket körülvevő levegőben a nitrogén, oxigén, argon gázok alkotják a levegő 99,96%-át, a fentmaradó részt pedig egyéb gázok töltik ki kisebb koncentrációban. A belső levegő minőségét (továbbiakban: BLM) nagyban befolyásolják a levegőben lévő szennyező anyagok, mint például a szén-dioxid. A levegőszennyezettség és a BLM közötti kapcsolatot Ole Fanger dán professzor írta le kutatásaiban [1].

A szén-dioxid színtelen, kis koncentrációban szagtalan, légnemű gáz, moláris tömege pedig 44 g/mol. A kilélegzett levegő szén-dioxid tartalma nagyobb, mint a külső levegőé, ezért a zárt tér CO2 koncentrációja az emberi tartózkodás miatt folyamatosan növekszik. A külső levegő átlagosan 400 ppm szén-dioxidot tartalmaz. A ppm mértékegység (part per million) az egész milliomod részét jelenti. 1858-ban a német orvos és természettudós Max von Pettenkofer a BLM-t már a CO2-tartalom alapján értékelte. Kutatásai eredményeként megállapította az 1000 ppm „jó levegő” határt a belső terek széndioxid koncentrációjához. Ezt a számértéket a szakirodalom Pettenkofer-számnak nevezi. Pettenkofer feltevése szerint a külső levegő széndioxid-tartalma átlagosan 500 ppm [2, 3].

A közelmúltban amerikai főiskolákban és egyetemeken vizsgálták a belső levegő széndioxid-koncentrációját több mint 400 teremben [4]. A vizsgálatok során elemezték a széndioxid-koncentráció hatását a hallgatóságra. A kutatás eredménye szerint 1000 ppm feletti belső CO2-koncentráció érezhető hatást gyakorolt a tanórákon való részvételre. A tantermekben tapasztalt magas koncentráció 10 – 20%-kal növelte az órákról való hiányzásokat, éves szinten pedig 0,5 – 0,9 százalékkal csökkent a hallgatók száma az előadásokon. A kutatás során a termek felében 1000 ppm feletti CO2 koncentrációt mértek, míg a helységek 4,5%-ában több 2000 ppm volt a mért érték.

Az irodaépületben a belső levegőminőség tehát jelentősen meghatározza az emberek komfortérzetét és termelékenységét. A BLM értékelése elsősorban objektív, vagyis műszeres mérési módszerrel lehetséges. A levegőminőség értékelése történhet az érzékelhető levegőminőség, illetve az adott szennyezőanyag-koncentrációja alapján. Az előbbi – a nemzetközi gyakorlat alapján – szubjektív érzékeléssel, mérőcsoporttal lehetséges. Az utóbbi esetben a műszeres mérés eredményei képezik a kiértékelés alapját.

Az épületgépészeti gyakorlatban a szén-dioxid koncentrációjának a mérése az infravörös abszorpció elvén működő spektroszkópiai berendezéssel lehetséges, amely folyamatos adatrögzítés mellett a széndioxid-koncentráció változását vizsgálja [5]. Természetesen a szubjektív vizsgálati módszer jelentősége sem alábecsülendő, hiszen a mérőműszerek nem képesek visszaadni a belső levegőminőség érzékelésének szubjektív tényezőit – legalábbis egyelőre.

A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszékén évek óta kutatási téma a szén-dioxid emberekre gyakorolt hatásának elemzése. Ezek alapján a kutatók megállapították, hogy 600 és 3000 ppm koncentráció között az emberek szellemi teljesítőképessége a koncentráció növekedésével arányosan romlik. Mindez természetesen jelentősen függ attól is, hogy az alanyok mennyi időt töltenek az adott helyiségben [6].

A komforttér tetszőleges levegőszennyezőanyag koncentrációja szelektív módon mérhető. A nemzetközi gyakorlatban javasolt határértékek megtalálhatók különböző EU által kiadott cselekvési tervekben. Ebben megadják a szennyezőanyag koncentráció időbeli átlagára vonatkozó értékeket, amelyek azután összehasonlíthatók a mindenkori mérési eredményekkel [7].
A szellőztetett térbe juttatott frisslevegő mennyisége jelentős hatással van az ott kialakuló szén-dioxid – és más egyéb – szennyezőanyag koncentráció értékére. A helyiségben felszabaduló széndioxid-koncentráció alapján a légzés frisslevegő igénye:

   
ahol
KCO2    – a szennyezőanyag tömegárama,
kmeg     – a szennyezőanyag koncentráció megengedett értéke,
kk     – a külső levegő szennyezőanyag koncentrációja.

Ez a frisslevegő igény több tényező függvénye, mint pl. dohányzás, aktivitási szint, egészségi állapot stb. Átlagos értéke a DIN 1946/2 és az MSZ CR 1752 alapján 20 és 100 m3/h/fő között változik.

Célkitűzés

A városi környezetben kénytelenek vagyunk nélkülözni a kert, a zöld természeti környezet közelségét, pedig pszichológiai-élettani szempontból ez a környezet alapvető emberi szükségletünk lenne. Erre a problémára megoldást nyújthat az egyre népszerűbb függőleges kert koncepciója, amely könnyen szerelhető, valamint a kiváló vízkezelési rendszere miatt fenntartása is egyszerű. A növényfal megköti a levegőben lévő port, ezzel is elősegítve a környezet tisztaságát. A zöldfal az épület energiagazdálkodására is jótékony hatással lehet. Az előzetes várakozások szerint a növényfajtától függően akár 10–12% hűtési és fűtési energia-megtakarítás is elérhető lehet. Közismert, hogy nagyobb páratartalom mellett azonos komfortérzet eléréséhez alacsonyabb léghőmérséklet is elegendő lehet; nyáron a növények párologtatása segíthet a gépi hűtési igény csökkentésében.

A térben tartózkodók komfortja és az esetleges energetikai előnyök mellett a zöldfalak terjedését elsősorban a divat indokolja. A szépen karbantartott zöldfalak a reprezentatív helyek központi díszévé váltak szerte a világon. A növényekről köztudott, hogy jótékony hatással vannak a környezetükre. Megkötik a port, világosban megkötik a szén-dioxidot és oxigént termelnek. Tisztítják, egészségesebbé teszik a környezetüket. Az összefüggő növények halmaza sokkal hatékonyabb. Zárt térben kevés lehetőség van hagyományos módszerekkel sok növényt elhelyezni. Erre a legjobb megoldás a függőleges kert, a zöldfal, növényfal. A fejlesztő Greeningcity csapat évek óta telepít zöldfalakat irodába, otthonokba, szállodák közösségi tereibe, egészségügyi intézményekbe, óvodákba, iskolákba az ott élők, dolgozók nagy örömére és megelégedettségére. Több olyan helyen is dolgozott a csapat, ahol nagy terhelésnek van kitéve a zöldfal. Bizonyos helyeken a porterhelést, míg máshol a szén-dioxidot kell jobban megkötni, ugyanakkor van olyan hely is, ahol a dohányfüst megkötésében van nagy szerepe a zöldfalnak.

Hogyan lehet a zöldfal méretének növelése nélkül a hatékonyságát növelni? Annak érdekében, hogy a zöldfalon élő növényzet képes legyen a környezetének levegőjére kedvező hatást gyakorolni, a „rossz” levegőt oda kell „vinni” a zöldfalhoz. A leghatékonyabb, ha a levegőt átáramoltatjuk a zöldfalon. A megoldás, hogy az egész zöldfalat beépítjük egy speciálisan erre a feladatra megépített szekrény ajtajába, a szekrényben pedig elhelyezzük a teljes gépészetet, amely magában foglalja az öntöző rendszert, a levegő mozgatásához szükséges eszközöket, a vezérlést.

A Greeningcity elvégezte a konstrukció fejlesztését. A következő feladat az elkészült termék prototípusának mérése. Számtalan olyan kérdés merül fel, amelyet a szakirodalom tanulmányozása, vagy elméleti megfontolások alapján nem tudunk megválaszolni. Milyen hatással van a növényzetre a rajta keresztüláramoltatott levegő? Hogyan befolyásolja a zöldfal egy kisméretű helyiség mikroklímáját? Milyen a növényzet széndioxid- és szennyeződés-megkötő képessége; hogyan változik mindez és a növényzet párologtatása a légáram hatására? Befolyásolja-e zöldfalon keresztül megvalósuló légáram a helyiség huzatkomfortját?

A kérdések megválaszolására a BME Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék Légtechnika Laboratóriumában található mérőhelyiségben megépült egy ilyen kísérleti zöldfalas szekrény (1. ábra), és méréssorozat indult a hatásosságának minősítésére.  A kutatások során elsősorban arra keressük a választ, hogy számokkal kifejezve milyen mértékű a levegő széndioxid-tartalmának a csökkenése adott feltételek teljesülése esetén. Ehhez biztosítanunk kell a megfelelő szennyezőanyag terhelést a vizsgálat helyszínét képező kisméretű irodahelyiség valós méretű modelljében. Ez a terhelés származhat emberből, cigarettából, szén-dioxid palackból, vagy akár szárazjégből is. A kutatás során változó beállítások mellett mérjük a helyiségben kialakuló széndioxid-koncentráció időbeli változását, a mérési eredményeket felhasználva pedig a műszaki gyakorlat számára hasznos következtetéseket vonhatunk le a zöldfal szellőzésre gyakorolt hatásáról.

1. ábra. Zöldfal a BME ÉPGET Légtechnikai Laboratóriumban

A mérés alkalmas egyben az új konstrukciójú szekrény, a szekrényben való légvezetés, az öntöző rendszer és a vezérlés kipróbálására, a tapasztalatok alapján szükség szerinti módosítására is.

Zárt tér matematikai modellje

Zárt tér matematikai modellje alatt a belső térben kialakuló mindenkori szennyezőanyag koncentráció időbeli változását leíró differenciálegyenlet-rendszert értjük a megfelelő kezdeti- és peremfeltételekkel. A légtechnikai rendszerek üzeme a szellőző levegő térfogatáram szempontjából lehet folyamatos és szakaszos. Folyamatos üzemben a belső levegőt terhelő szennyezőanyag felszabadulása az időbeli lefutást tekintve lehet állandó és adott mennyiségű. A koncentráció változását leíró fizikai modell időben állandó kibocsátású szennyezőanyag forrás esetén a 2. ábrán látható.

2. ábra. Állandó kibocsátású szennyezőanyag forrás fizikai modellje [8]

A helyiségen belüli szennyezőanyag változás mérlegegyenlete folyamatos szellőztetés esetén, állandó térfogatáram mellett [8]:


ahol
K    –     a folyamatosan bepárolgó szennyezőanyag tömeg-
        árama,  
τ     –     az időegység,
Vsz    –     a szellőző levegő térfogatárama,
kk     –     a külső levegőben lévő szennyezőanyag koncentrációja,
VT    –     a távozó levegő térfogatárama,
kT     –     a távozó levegőben található szennyezőanyag koncentráció,
Vh     –     a helyiség légtérfogata és
dk     –     a koncentráció időbeli változása.

A differenciálegyenlet megoldása a változók szétválasztása után integrálással τ = 0 kezdeti feltétel esetén, mellőzve a részlépéseket:

     
ahol
n    –    a normál légcsereszám.

Képezve mindkét oldal integrálját:

 

Alkalmazva a kezdeti feltételt, az integrálási konstans kiszámítható:

Integrálási és logaritmus azonosságokat alkalmazva:

A koncentráció változás határértéke, ha a vizsgálati időtartam végtelen nagy:



A szennyezőanyag koncentráció időbeli lefutását a 3. ábra szemlélteti.

3. ábra. A szennyezőanyag-koncentráció változása az idő függvényében állandó kibocsátás és folyamatos szellőztetés mellett [8]

Adott mennyiségű szennyezőanyag kibocsátása esetén a helyiségben kialakuló koncentráció változását leíró fizikai modellt a következő oldalon látható 4. ábra mutatja [8].

4. ábra. Adott mennyiségű szennyezőanyag kibocsátás fizikai modellje [8]

A folyamatos szellőztetés hatására a szennyezőanyag-koncentráció csökken. Feltételezvén, hogy a szellőztetés folyamatos, a külső levegőben nincs a vizsgált szennyező anyagból, a tér homogén és nincs helyi szennyezőanyag-elszívás, felírható a szennyező anyag mérlegegyenlete:

 

A szennyezőanyag-koncentráció a helyiségben, ha τ = 0, akkor k = k0, és k0 = K / Vh a kezdeti koncentráció értéke. A (8) összefüggésből átrendezés után kapjuk, hogy:

A (9) összefüggésből az adott mennyiségű szennyezőanyag kibocsátása esetén kialakuló koncentráció egyenletét kapjuk az idő függvényében:

A koncentráció változását az időben az 5. ábra mutatja.

5. ábra. A szennyezőanyag koncentráció alakulása az időben, egyszeri kibocsátás és állandó térfogatáramú folyamatos szellőzés mellett [8]

A (10) összefüggésből τ1 és τ2 időpontok között a normál légcsereszám:

Az összefüggés kiválóan alkalmas egy adott helyiségben a légcsereszám meghatározására ismeretlen légtechnikai rendszer esetében.

Mérési terv

A mérési feladat a szennyezőanyag koncentráció időbeli változásának mérése egy kisterű irodahelyiség valós méretű modelljében. A mérési elrendezés sémája a 6. ábrán látható.

6. ábra. Mérési elrendezés szennyezőanyag koncentráció változásának vizsgálatához

Jelmagyarázat:
SZ = mérőszonda; CRAC = precíziós légkezelő berendezés; SZ = légszűrő; F = fojtás; k = szennyezőanyag koncentráció (ppm); t = levegő száraz hőmérséklete (°C); φ = levegő relatív nedvességtartalma (%); Vsz = szellőző levegő térfogatárama (m3/h); s0 = a résbefúvó szerkezet szélessége (m); L0 = a résbefúvó szerkezet hossza (m); h = a résbefúvó szerkezet távolsága a faltól (m)

A helyiség belmagassága 2,7 m, az alapterülete pedig 3 × 3 m. A modellszoba ház a házban kialakítású a BME ÉPGET Légtechnikai Laboratóriumban. A mérésekhez összesen négy műszert használunk fel, amelyek egyenként mérik a levegő száraz hőmérsékletét, relatív páratartalmát és a szennyezőanyag koncentrációt a 6. ábra szerinti elrendezésnek és jelöléseknek megfelelően. A modellhelyiségben folyamatos és kiegyenlített szellőzést alkalmazunk (a befújt és elszívott levegő mennyiségének különbség 5%-on belül van).

A szennyezőanyag forrás a szén-dioxid, amely származhat emberből, cigarettából, szén-dioxid palackból, vagy akár szárazjégből is.

Mérendő mennyiségek:
• a szellőző levegő térfogatárama (0; 20; 30; 60; 90 m3/h térfogatáramok mellett);
• az elszívott levegő térfogatárama;
• a CO2-koncentráció értéke;
• környezeti levegőjellemzők (száraz hőmérséklet, légköri nyomás, relatív nedvességtarta-lom).

Minden mérést folyamatos és kiegyenlített szellőztetés mellett végzünk el. A modellhelyiségben az alábbi beállításokat lehet alkalmazni:

1. Mérés üres, zárt helyiségben szellőztetés nélkül, leragasztott szellőző nyílásokkal, a helyiség természetes filtrációját felhasználva.
2. Mérés üres helyiségben szellőztetéssel.
3. Mérés zöldfal nélkül, szennyezőanyag forrással.
4. Mérés a zöldfallal, szennyezőanyag forrás nélkül.
5. Mérés zöldfallal, szennyezőanyag forrással.

A kutatáshoz szükséges mérések elvégzése várhatóan több hetet is igénybe vehet, tekintettel a vizsgálatok összetett jellegére és a különböző mérési beállításokra. A korszerű, adatgyűjtési és tárolási funkciókkal rendelkező kompakt mérőműszerek lehetővé teszik a folyamatos mintavételezést, illetve a mérési adatok gyors és hatékony kiértékelését. Mindezekre szükség van, hiszen a mérés egyik állomásától a másikba csak úgy juthatunk precízen, ha ismerjük az eddig mért eredmények pontosságát, illetve főbb jellemzőit. Éppen ezért a mérési adatok értékeléséhez nélkülözhetetlen a különböző matematikai statisztikai módszerek alkalmazása. Minden egyes felmerülő kutatási kérdésre választ adhat egy statisztikai próba eredménye. A fent leírtak tükrében, cikkünk második részében bemutatjuk a mérési eredményeket és az azokból levonható főbb következtetéseteket, figyelembe véve azok gyakorlati alkalmazhatóságát.

Irodalom:

[1] P. O. Fanger, J. Lauridsen, P. Bluyssen, G. Clausen: Air pollution sources in offices and assembly halls, quantified by the olf unit. Energy and Buildings, Volume 12, Issue 1, 24 April 1988, pp. 7-19.
[2] Bánhidi L., Kajtár L.: Komfortelmélet. Budapest, 2000. Műegyetemi Kiadó, 436 p. ISBN 963 420 633 6.
[3] W. F. de Gids, TNO, The Netherlands, P. Wouters, BBRI, Belgium: CO2 as indicator for the indoor air quality – General
    principles –: Ventilation Information Paper No33 July 2010.
[4] Shendell, D. G., Prill, R., Fisk, WApte, M. G., Blake, D. and Faulkner: Associations between classroom CO2 concentrations
    and student attendance in Washington and Idaho, Indoor Air, 2004, 14:5, pp. 333–341.
[5] Szabó, J.: Komfort elemzése valószínűség-elméleti alapon. Magyar Épületgépészet, LXII. évfolyam, 2013/3. szám, pp. 13-17.
[6] Kajtár, L., Herczeg, L.: Influence of carbon-dioxide concentration on human well-being and intensity of mental work. Időjárás, 2012, Volume: 116, Issue: 2, pp. 145-169.
[7] European Collaborative Action: Report No. 11, Guidelines for Ventilation Requirements in Buildings, 1992. Forrás: http://www.inive.org/medias/ECA/ECA_Report11.pdf
[8] Kalmár, F.: A belső környezet minősége. TERC Kiadó, Budapest, 2013, pp. 67-122; 127-157; 199-203. ISBN 978-963-9968-58-5.

 


Hasznos volt Eddig 7 látogatónak tetszett

Nyomtatható változat

Hozzászólások:

(Még nem érkezett hozzászólás.)

Hozzászólok a cikkhez:

Új hozzáférés:

Regisztrálok

Meglévő hozzáférés: