Kas ir gaisa recirkulācijas turbulators?

Gaisa recirkulācijas turbulators (angļu valodā air circulation fan, destratification fan vai horizontal airflow fan, HAF) ir aksiāls ventilators, kas iemontēts cilindriskā vai konusveida korpusā un piekārts pie telpas nesošajām konstrukcijām. Atšķirībā no pieplūdes vai nosūces ventilatoriem, kas apmaina telpas gaisu ar ārējo vidi, turbulators strādā slēgtā kontūrā: tas paņem gaisu no vienas telpas daļas un ar noteiktu ātrumu izpūš to citā virzienā, radot virzītu gaisa strūklu. Ņemot līdzi apkārtējo gaisu (tā sauktā strūklas piesūkšanas jeb entrainment parādība), viena iekārta spēj iekustināt gaisa masu, kas ir 10-20 reizes lielāka par tās nominālo ražību.

Nosaukums "turbulators" cēlies no tā, ka iekārta gaisa plūsmu padara turbulentu, tas ir, pārtrauc mierīgo, slāņaino (lamināro) gaisa stāvokli un liek dažādas temperatūras un mitruma slāņiem sajaukties. Tirgū sastopamas trīs galvenās konstrukcijas: horizontālas plūsmas turbulatori ar cilindrisku apvalku, vertikālas plūsmas destratifikatori, kas siltu gaisu no griestu zonas spiež lejup, un lielas diametra (3-7 m) lēngaitas griestu ventilatori (HVLS - high volume, low speed), ko izmanto ražošanas un loģistikas halles. Siltumnīcās vēsturiski dominējuši horizontālās plūsmas ventilatori, taču pēdējā desmitgadē arvien plašāk izmanto speciāli siltumnīcām izstrādātus vertikālās plūsmas turbulatorus, piemēram, Vācijas ražotāja Doll Wärmetechnik GmbH Doll Turbulator® DV8000, kas siltumu no jumta zonas ar virpuļveidīgu (radiāli-spirālveida) gaisa kustību novada lejup pie augiem, nevis tikai pārvieto to horizontāli.

Fizikālais pamatojums: termiskā stratifikācija

Siltais gaiss ir vieglāks par auksto, tāpēc tas dabiskās konvekcijas ceļā paceļas uz augšu un uzkrājas zem jumta, bet vēsais gaiss nogulst pie grīdas. Šo parādību sauc par termisko stratifikāciju. Neapsaimniekotā augstā telpā temperatūras gradients parasti ir 0,5-1,5 °C uz katru augstuma metru, un 10 m augstā noliktavā starpība starp grīdu un griestiem var sasniegt 8-12 °C. Tas nozīmē vairākus negatīvus efektus vienlaikus. Pirmkārt, siltums tiek uzkrāts tur, kur tas nevienam nav vajadzīgs, un caur jumta konstrukcijām, kuru laukums lielās ēkās ir milzīgs, tas zūd uz āru - siltuma zudumi caur norobežojošām konstrukcijām ir proporcionāli temperatūras starpībai starp iekšpusi un ārpusi. Otrkārt, lai darba zonā (0-2 m no grīdas) sasniegtu komfortablu temperatūru, apkures sistēma spiesta strādāt ar augstāku jaudu. Treškārt, mitrums un gāzes (piemēram, CO₂ siltumnīcās vai izgarojumi ražotnēs) arī sadalās nevienmērīgi.

Turbulatori šo problēmu risina, mehāniski sajaucot gaisa slāņus. Nepārtraukta gaisa kustība ar ātrumu 0,2-1 m/s ir pietiekama, lai gradientu samazinātu līdz 1-2 °C visā augstumā. Svarīgi saprast, ka turbulators pats siltumu nerada un neatņem - tas tikai pārdala to, kas telpā jau ir. Tomēr tieši šī pārdale ļauj apkures sistēmai strādāt ar zemāku iestatīto temperatūru un mazākiem zudumiem, kas praksē dod 10-30 % apkures enerģijas ietaupījumu atkarībā no telpas augstuma un jumta siltumizolācijas kvalitātes.

Gaisa kustības ietekme uz siltuma un masas pārnesi

Otrs fizikālais mehānisms, kas turbulatorus padara vērtīgus, ir robežslāņa samazināšana. Ap jebkuru virsmu - augu lapu, cilvēka ķermeni, saldētu produktu iepakojumu vai iekārtas korpusu - nekustīgā gaisā veidojas plāns gaisa slānis, kas darbojas kā izolators un bremzē siltuma, ūdens tvaika un gāzu apmaiņu. Gaisa kustība šo slāni izjauc: siltuma pārneses koeficients pie 0,5 m/s plūsmas ir aptuveni divas reizes lielāks nekā nekustīgā gaisā. Siltumnīcā tas nozīmē intensīvāku transpirāciju un CO₂ uzņemšanu, ražotnē - labāku iekārtu dzesēšanu un komfortablāku sajūtu strādniekiem, noliktavā - ātrāku produktu temperatūras izlīdzināšanos.

Pielietojums siltumnīcās

Siltumnīcās gaisa cirkulācija ir viena no mikroklimata vadības pamatsastāvdaļām līdzās apkurei, ventilācijai, ēnošanai un CO₂ piegādei. Siltumnīcas šajā ziņā ir īpašs gadījums: augu fizioloģisko vajadzību dēļ pārsegumam jābūt gaismu caurlaidīgam, tāpēc siltumnīcu nevar siltumizolēt tā kā dzīvojamo vai rūpniecisko ēku, un siltuma zudumi caur pārsegumu ir ievērojami lielāki nekā citās būvēs. Siltais gaiss, kas no augiem un apkures caurulēm paceļas uz augšu, zem jumta vai enerģijas ekrāna veido tā saukto "siltā gaisa spilvenu", kas tieši palielina zudumus, bet apakšā pie augiem temperatūra paliek zemāka un nevienmērīga. Tieši tāpēc apkures izmaksas siltumnīcās veido lielāko daļu no kopējām ekspluatācijas izmaksām un tieši tāpēc gaisa recirkulācijai šeit ir vislielākais ekonomiskais svars.

Horizontālas gaisa plūsmas princips (HAF), ko 20. gadsimta 50. gados izstrādāja Konektikutas Lauksaimniecības eksperimentālā stacija ASV, paredz, ka vairāki ventilatori tiek izvietoti rindās 40-60 m attālumā cits no cita pa siltumnīcas garumu, bet blakus rindā - pretējā virzienā, tā veidojot noslēgtu, riņķveida gaisa kustību pa visu siltumnīcas plakni. Šāda "gaisa karuseļa" uzturēšanai nepieciešama neliela enerģija, jo gaisa masai, reiz iekustinātai, jāpārvar tikai berze. Tomēr horizontālā plūsma tikai daļēji atrisina stratifikācijas problēmu - tā izlīdzina temperatūru augu līmenī, bet neatgūst siltumu, kas uzkrājies jumta zonā. Vertikālās plūsmas turbulatori, piemēram, DV8000, ir izstrādāti tieši šim uzdevumam: iekārta ar 830 mm diametru un līdz 8000 m³/h gaisa plūsmu darbojas līdz 12 m rādiusā (darba zonas diametrs 24 m) un ar virpuļveidīgu kustību novada silto gaisu no griestu zonas lejup, neradot caurvēju un neizžāvējot kultūras.

Būtiska mūsdienu turbulatoru iezīme ir reversā funkcija. DV8000 var pārslēgt starp lejupvērstu plūsmu (siltuma atgūšanas režīms ziemā) un augšupvērstu plūsmu, kas vasarā izvada silto gaisu caur jumta ventilāciju un papildus dzesē augus, bet ziemā, pūšot siltu gaisu pret jumtu, veicina sniega kušanu un atslogo siltumnīcas konstrukciju no sniega slodzes. Ātrums un gaisa apjoms abos virzienos ir bezpakāpju regulējams ar 0–10 V vai PWM signālu no klimata datora, kas ļauj iekārtu precīzi pielāgot sezonai un konkrētajai mikroklimata situācijai.

Agronomiskie ieguvumi ir vairāki. Vienmērīga temperatūra visā siltumnīcas laukumā nodrošina vienādu augu attīstības tempu, kas ir svarīgi gan dārzeņu (tomātu, gurķu, salātu), gan puķu un stādu audzēšanā, kur vienmērīga raža un noteikta novākšanas diena ir ekonomiski izšķirīga. Gaisa kustība novērš aukstā, mitrā gaisa uzkrāšanos starp augu lapotni un pie grīdas, kur relatīvais mitrums naktīs var sasniegt 95-100 %. Šādos apstākļos uz lapām kondensējas rasa, kas ir galvenais priekšnosacījums sēņu slimību – pelēkās puves (Botrytis cinerea), miltrasas un lapu plankumainības - attīstībai. Pastāvīga plūsma saglabā lapu virsmu sausu un samazina nepieciešamību pēc fungicīdiem.

Fotosintēzes ziņā gaisa kustība atjauno CO₂ tieši pie lapu atvārsnītēm. Nekustīgā gaisā ap intensīvi fotosintezējošu lapotni CO₂ koncentrācija var nokrist par 100-150 ppm zem apkārtējā līmeņa, kas tieši ierobežo augšanu. Turbulatori šo iztukšoto slāni nepārtraukti aizstāj, un tas ir īpaši būtiski siltumnīcās ar CO₂ piebarošanu, kur katrs pievadītais kilograms gāzes maksā naudu. Mērenā gaisa kustība arī veicina transpirāciju un līdz ar to barības vielu (kalcija, bora) transportu uz augošajām lapām un augļiem, kas samazina fizioloģiskos traucējumus, piemēram, tomātu augļu galotnes puvi.

Ziemas apkures periodā turbulatori strādā kopā ar cauruļu apkuri, izlīdzinot temperatūru starp apkures caurulēm un augu galotnēm, kā arī novēršot siltuma uzkrāšanos zem seguma, kur tas ātri zūd. Vasarā tie papildina ventilāciju: kad lūkas ir atvērtas, horizontālā plūsma palīdz vienmērīgāk izkliedēt ienākošo āra gaisu. Turbulatoru darbību parasti vada klimata dators, ieslēdzot tos pēc temperatūras vai mitruma sensoru rādījumiem vai laika grafika. Praksē novērotais apkures ietaupījums siltumnīcās ir 10-20 % ar horizontālās plūsmas sistēmām, bet vertikālās siltuma atgūšanas turbulatoriem ražotāja termogrāfiskie mērījumi dažāda tipa siltumnīcās uzrāda līdz 30 % siltumenerģijas ietaupījumu ziemas periodā atkarībā no siltumnīcas konstrukcijas, apkures sistēmas veida un ekspluatācijas režīma. Ietaupījums rodas ne tikai no mazākiem zudumiem caur jumtu, bet arī no tā, ka apkures sistēmas ieslēgšanās brīdis tiek atlikts, jo siltā gaisa spilvens tiek izmantots produktīvi. DV8000 gadījumā šo darbību apstiprina neatkarīga CFD plūsmas modelēšana un termogrāfiskie mērījumi (Ingenieurbüro Merkle & Partner, Heidenheima), un tehnoloģija 2013. gadā saņēmusi Vācijas Dārzkopības inovāciju balvu (Deutscher Innovationspreis Gartenbau).

Pielietojums noliktavās

Noliktavas ir klasiskais destratifikācijas piemērs: augstas (8-15 m un vairāk), plašas ēkas ar salīdzinoši nelielu iekšējo siltuma avotu skaitu, kurās darba zona atrodas tikai pie grīdas. Bez gaisa recirkulācijas apkures sistēma faktiski sasilda telpas augšējo daļu, bet cilvēki un preces atrodas aukstākajā slānī. Vertikālas plūsmas destratifikatori, kas piekārti zem griestiem un pūš siltu gaisu lejup, vai HVLS ventilatori ar lielu diametru ļauj samazināt temperatūras gradientu līdz 1-2 °C, un tas dod iespēju pazemināt apkures iestatīto temperatūru par vairākiem grādiem, nepasliktinot komfortu.

Otrs būtisks aspekts ir kondensāts. Kad siltais mitrais gaiss saskaras ar aukstām metāla konstrukcijām, jumta segumu vai no ārpuses ievestām aukstām precēm, uz tām veidojas kondensāts, kas bojā kartona iepakojumu, veicina koroziju un pelējumu. Gaisa kustība izlīdzina temperatūru un mitrumu un ļauj virsmām nožūt. Tas ir īpaši svarīgi pārtikas, papīra, koksnes, mēbeļu, tekstila un elektronikas uzglabāšanā, kur ražotāju prasības bieži paredz noteiktu relatīvā mitruma diapazonu (parasti 40-60 %).

Aukstuma noliktavās un dzesēšanas kamerās turbulatori strādā pretējā virzienā - tie izlīdzina aukstumu, ko rada gaisa dzesētāji, un novērš "siltās kabatas" starp plauktu rindām, tādējādi nodrošinot vienmērīgu produktu temperatūru un samazinot kompresoru darba laiku. Dārzeņu un augļu glabātavās vienmērīga gaisa kustība ap 0,1–0,3 m/s ir viens no glabāšanas tehnoloģijas standarta nosacījumiem.

Pielietojums ražošanas telpās

Ražošanas cehos situācija ir sarežģītāka, jo telpā ir daudz lokālu siltuma avotu – dzinēji, kompresori, krāsnis, metināšanas iekārtas, apgaismojums – un dažādas intensitātes darba vietas. Turbulatori šeit pilda vairākas funkcijas. Ziemā tie, tāpat kā noliktavās, izlīdzina stratifikāciju un ļauj siltuma zonas ap iekārtām izmantot visas telpas apsildei; vairākās ražotnēs iekārtu izdalītais siltums, pareizi izkliedēts, būtiski samazina papildu apkures nepieciešamību.

Vasarā turbulatori uzlabo darbinieku termisko komfortu. Gaisa kustība ar ātrumu 0,5–1,5 m/s rada subjektīvu dzesējošu efektu, kas atbilst 2–4 °C zemākai temperatūrai, kaut arī faktiskā gaisa temperatūra nemainās – tas ir tā sauktā vēja dzesēšanas efekta pamatā esošais paātrinātās iztvaikošanas un konvekcijas mehānisms. Tas bieži ļauj atlikt vai pilnībā izvairīties no dārgu kondicionēšanas sistēmu ierīkošanas lielās hallēs, kur gaisa dzesēšana līdz komfortablai temperatūrai ekonomiski nav pamatota.

Turbulatori uzlabo arī esošās ventilācijas sistēmas efektivitāti: pieplūdes gaiss no dažām difuzoru vietām tiek vienmērīgāk sadalīts pa visu telpu, un lokālie izgarojumi vai putekļi tiek atšķaidīti un novadīti uz nosūces zonām. Jāņem gan vērā, ka telpās ar bīstamiem izgarojumiem vai putekļiem gaisa jaukšana jāsaskaņo ar lokālās nosūces sistēmu, lai neizkliedētu piesārņojumu pa visu telpu, un sprādzienbīstamās zonās jāizmanto atbilstošas ATEX kategorijas iekārtas.

Iekārtu izvēle un projektēšana

Turbulatoru sistēmas projektēšana sākas ar telpas tilpuma, augstuma un plānojuma analīzi. Praksē lieto vairākus orientējošus lielumus. Siltumnīcām ieteicamā ražība ir aptuveni 2–3 m³/h uz katru grīdas kvadrātmetru, ko izpilda tipiski HAF ventilatori ar 30–60 cm diametru un 2000–6000 m³/h ražību, izvietoti 40–60 m attālumā rindā un 10–15 m starp rindām. Noliktavām un cehiem destratifikācijas gadījumā tiecas uz 1–3 pilnu telpas tilpuma apmaiņu stundā (recirkulācijā, nevis ar ārējo gaisu); viens destratifikators parasti apkalpo 100–300 m² grīdas laukuma atkarībā no augstuma, bet HVLS ventilators ar 6–7 m diametru – līdz 1500–2000 m².

Iekārtu jauda ir neliela: siltumnīcu turbulatori patērē 50–250 W, destratifikatori 100–300 W, bet HVLS ventilatori 500–1500 W, pārvietojot ievērojami vairāk gaisa nekā klasiski ventilatori ar vienādu enerģijas patēriņu. Būtiska nozīme ir motora tipam. Iekārtas ar EC (elektroniski komutētiem) motoriem ļauj bezpakāpju ātruma regulēšanu un patērē daudzkārt mazāk elektroenerģijas nekā tradicionālie AC motoru griestu ventilatori: DV8000 ar augstas efektivitātes EC motoru (Doll-EK tehnoloģija) pie 50 % ātruma, kas ir tipiskais darba režīms, patērē tikai aptuveni 30 W (0,13 A) pretstatā aptuveni 400 W, ko patērē salīdzināms AC ventilators; pie 4000 darba stundām gadā tas nozīmē ap 1480 kWh jeb ap 300 € ietaupījumu uz vienu iekārtu (pie 0,20 €/kWh). Mitrā, agresīvā vidē (siltumnīcas, pārtikas ražotnes) svarīga ir korpusa un motora aizsardzības pakāpe (vismaz IP54, ideāli ar papildu motora mitruma aizsardzības sistēmu), plašs darba temperatūru diapazons (DV8000: no –25 līdz +60 °C) un korozijizturīgi materiāli. Siltumnīcām projektējot vertikālās plūsmas turbulatoru sistēmu, orientējošs plānošanas lielums ir aptuveni 140 m² uz vienu iekārtu; vairāki ražotāji piedāvā bezmaksas individuālu izvietojuma plānošanu.

Izvietojot iekārtas, jāievēro, ka gaisa strūklai jāpaliek brīvai no šķēršļiem – gaismekļiem, konstrukcijām, ēnošanas ekrāniem, plauktiem – un tā nedrīkst būt vērsta tieši uz cilvēkiem vai jutīgiem augiem ar ātrumu virs 1 m/s ilgstoši. Vadību vēlams integrēt ēkas vadības sistēmā vai klimata datorā, izmantojot temperatūras sensorus dažādos augstumos: starpība starp griestu un grīdas sensoru ir vienkāršs un uzskatāms ieslēgšanas kritērijs.

Ekonomiskais un ekoloģiskais aspekts

Turbulatori pieder pie energoefektivitātes pasākumiem ar visīsāko atmaksāšanās laiku. Iekārtas izmaksas ir zemas, uzstādīšana vienkārša, bet apkures ietaupījums – 10-30 % - lielās ēkās nozīmē tūkstošus eiro sezonā. Ekonomisko efektu labi ilustrē aprēķina piemērs vidēja lieluma, 1 ha (10 000 m²) siltumnīcai. Pieņemot nozarē tipisku siltumenerģijas patēriņu ap 350 kWh/m² gadā, kopējais patēriņš ir ap 3500 MWh, kas pie siltumenerģijas cenas 0,06 €/kWh nozīmē aptuveni 210 000 € apkures izmaksu gadā. Šādai platībai nepieciešami ap 72 DV8000 tipa turbulatori (ar darba zonu ~140 m² katram). Pie 30 % siltumenerģijas ietaupījuma tas dod līdz 63 000 € gadā, no kā jāatskaita pašu turbulatoru elektroenerģijas patēriņš - 72 iekārtas × 30 W × 4000 h ≈ 8640 kWh jeb ap 1700 € gadā. Neto ietaupījums tādējādi ir aptuveni 61 000 € gadā. Atmaksāšanās periodu aprēķina, dalot kopējās investīciju izmaksas ar gada neto ietaupījumu, un pat pie salīdzinoši augstām iekārtu un uzstādīšanas izmaksām tas parasti iekļaujas 1-3 gadu robežās. Jāuzsver, ka šie skaitļi ir ilustratīvi: precīzam aprēķinam nepieciešami konkrētās siltumnīcas dati - apsildāmā platība, faktiskais siltumenerģijas patēriņš pēdējos periodos, enerģijas tarifs, kā arī individuāls iekārtu izvietojuma plāns un komercpiedāvājums.

Papildu ieguvumi, ko grūtāk izteikt naudā, bet kas praksē bieži ir vēl svarīgāki, ir augstāka un vienmērīgāka raža siltumnīcās ar mazāku izaugsmes izkliedi, veselīgāka un vizuāli pievilcīgāka produkcija ar mazākiem zudumiem realizācijā, mazāk bojātu preču noliktavās, mazāk slimību un līdz ar to mazāks augu aizsardzības līdzekļu patēriņš, kā arī labāki darba apstākļi. Samazināts apkures enerģijas patēriņš tieši nozīmē arī mazāku CO₂ emisiju, kas ir būtiski uzņēmumiem, kuri iesaistās energoefektivitātes atbalsta programmās vai ziņo par savu klimata ietekmi.

Gaisa recirkulācijas turbulatori nav ne apkures, ne ventilācijas aizstājējs, bet gan to papildinājums, kas ļauj esošajām sistēmām strādāt efektīvāk. To darbības pamatā ir vienkārši fizikālie principi - termiskās stratifikācijas novēršana un robežslāņa samazināšana -, taču ieguvumi ir daudzpusīgi: enerģijas ietaupījums, vienmērīgs mikroklimats, veselīgāki augi, drošāka preču uzglabāšana un komfortablāki darba apstākļi. Neatkarīgi no apkures sistēmas veida turbulatori ir viens no izmaksu ziņā efektīvākajiem energoefektivitātes pasākumiem gan jaunās, gan esošās ēkās, un mūsdienu iekārtas ar EC motoriem un reverso funkciju to pielietojumu paplašina arī uz vasaras vēdināšanu un sniega slodzes mazināšanu. Pareizi izvēlēta un izvietota sistēma ir viens no racionālākajiem ieguldījumiem jebkurā augstā, plašā ēkā, kurā gaisa kvalitāte un temperatūra ietekmē ražošanas rezultātu; pirmais solis uz to ir individuāls izvietojuma plāns un komercpiedāvājums, kas ļauj precizēt iekārtu skaitu, investīciju apjomu un konkrēto atmaksāšanās periodu.

SIA "TERMOLAT" ir viens no lielākajiem profesionālo siltumnīcu būvētājiem un tehnisko iekārtu uzstādītājiem Baltijā un oficiālais Doll Turbulator® iekārtu piedāvātājs Latvijā. Mēs nodrošinām pilnu ciklu – no telpas apsekošanas un individuāla iekārtu izvietojuma plāna izstrādes līdz turbulatoru piegādei, uzstādīšanai un integrācijai esošajā klimata vadības sistēmā. Katram objektam sagatavojam aprēķinu, kas balstīts uz jūsu faktisko apsildāmo platību, siltumenerģijas patēriņu un enerģijas tarifu, lai jūs jau pirms lēmuma pieņemšanas zinātu sagaidāmo ietaupījumu un investīciju atmaksāšanās periodu.

Sazinieties ar mums, lai saņemtu bezmaksas konsultāciju, objekta apsekošanu un komercpiedāvājumu: info@termolat.lv