Loomulik ventilatsioon

Loomulik ventilatsioon on ruumide õhutamise ehk ventilatsiooni viis, mille korral ei kasutata mehaanilisi süsteeme. Õhuvool läbi õhutatava ruumi on tingitud välis- ja siseõhu rõhkude ning temperatuuride erinevustest ja toimub avatud akende, uste, ventilatsiooniavade ja hoone konstruktsioonis esinevate pilude kaudu. Loomulik ventilatsioon jaguneb kaheks: tuule mõjul toimiv ventilatsioon ja üleslükkejõu (raskusjõu) mõjul toimiv ventilatsioon. Peaaegu kõikides vanades hoonetes toimib õhuvahetus loomuliku ventilatsiooni põhimõttel. Tänapäeval kasutatakse loomulikku ventilatsiooni energiatõhusa ehituse tehnoloogiana, et vähendada hoone energiakasutust mehaaniliste ventilatsioonisüsteemide arvelt. Kuigi loomulik ventilatsioon sõltub ilmastikutingimustest ning maja arhitektuurist ja ehitusest, reguleerib ventilatsiooni intensiivsust ja efektiivsust ka hoonet kasutav inimene. Eestis tegeleb energiatõhusa ehituse tehnoloogiate uurimisega Tartu Ülikooli Tehnoloogiainstituudi energiatõhusa ehituse tuumiklabor. Eristatakse kahte tüüpi tuule mõjul toimivat ventilatsioonisüsteemi: ühepoolne ventilatsioon ning rist-ventilatsioon. Ühepoolse ventilatsiooni puhul käib õhuvahetus ühes seinas olevate õhuavade kaudu, mis asuvad eri kõrgusel. Rist-ventilatsiooni korral saavutatakse tuulutus ruumi või hoone erinevates külgedes olevate õhuavade kaudu. Ühepoolse ventilatsiooni abil saavutatav õhuvahetus on enamasti väiksem kui rist-ventilatsiooni korral. Samas on rist-ventilatsioon tihti raskesti saavutatav, sest õhu liikumist läbi ruumide takistavad seinad, uksed, mööbel ja muud esemed. Rist-ventilatsiooni korral tekitab tuul hoone tuulepealsel küljel suurema rõhu kui tuulealusel küljel, mis paneb õhu läbi hoone seintes asuvate õhuavade liikuma. Nii tekib ruumis õhuvool tuulepealselt küljelt tuulealusele küljele. Hoone projekteerimisel on oluline, et maja vastasseintes asuvate õhuavade vahele ei jääks liialt palju takistusi, nagu uksed ja seinad. Samas toimub ruumis rohkem õhu segunemist ning ventilatsioon on efektiivsem, kui õhutusavad ei asu täpselt üksteise vastas. Levinuim valem õhuvoolu arvutamiseks läbi tuulutusava on järgmine: Q = C d A 2 Δ P ρ {\displaystyle Q=C_{d}A{\sqrt {\frac {2\Delta P}{\rho }}}} , kus Q {\displaystyle Q} – õhuvahetus läbi ava ühikutes m 3 / h {\displaystyle m^{3}/h} ; C d {\displaystyle C_{d}} – voolukoefitsient; A {\displaystyle A} – ava ristlõikepindala; Δ P {\displaystyle \Delta P} – rõhkude vahe ava erinevate poolte vahel; ρ {\displaystyle \rho } – õhu tihedus. Reaalsete hoonete rist-ventilatsiooni modelleerimisel võetakse arvesse ka kahe õhuava vahele jäävaid takistusi ning dimensioonitu ventilatsioonikiirus arvutatakse järgmisest valemist: Q 1 ∗ = 1 A 1 [ C p 1 − C p 2 ζ 1 + ζ i + ζ 2 ] 1 / 2 {\displaystyle Q_{1}^{*}={\frac {1}{A_{1}}}\left[{\frac {C_{p1}-C_{p2}}{\zeta _{1}+\zeta _{i}+\zeta _{2}}}\right]^{1/2}} , kus Q 1 ∗ {\displaystyle Q_{1}^{*}} – dimensioonitu ventilatsioonikiirus; A 1 {\displaystyle A_{1}} – tuulepealese ava ristlõike pindala; C p 1 {\displaystyle C_{p1}} ja C p 2 {\displaystyle C_{p2}} – rõhukoefitsiendid; ζ 1 {\displaystyle \zeta _{1}} ja ζ 2 {\displaystyle \zeta _{2}} – õhuavade takistustegurid; ζ i {\displaystyle \zeta _{i}} – ruumi sisemiste takistuste takistustegurid. Ühepoolse ventilatsiooni korral on õhuvoolu matemaatiline kirjeldamine keerulisem, sest õhuavas esineb vastassuunaline õhu liikumine ning tugevam turbulents. Kuigi tuule mõjul toimivat ventilatsiooni saab mõjutada akende paigutuse ja avatuse reguleerimisega, sõltub õhuvahetuse kiirus ka tuule suunast ja kiirusest. Ilmastikutingimuste muutudes muutub ka siseruumide ventileeritavus. Üleslükkejõu mõjul toimivat ventilatsiooni tekitavad temperatuuri- ja niiskusgradient. Üleslükkejõud tekib õhu tiheduse gradiendist. Soe õhk on hõredam kui külm õhk ning tõuseb seetõttu ruumis kõrgemale. Samuti on niiske õhk kuivast õhust hõredam ning tõuseb ruumis üles. Siseruumis soojenenud ning inimtegevusel süsihappegaasiga saastunud õhk tõuseb seega üles ning väljub hoonest lagedes ja katuses olevates õhutusavadest, korstnast või seinte ülaosas asuvatest akendest. Jahedam värske õhk siseneb ruumi madalamal paiknevatest akendest või ventilatsiooniavadest. Niiviisi saavutatav loomulik ventilatsioon toimib eriti hästi talvel, kui õhutemperatuuride erinevus toas ja õues on maksimaalne. Temperatuurierinevuste tõttu saavutatavat ventilatsiooni kirjeldab valem õhuvoolu jaoks, mis on järgmine: Q T = C d A [ 2 g h ( T i − T o ) T i ] 1 / 2 {\displaystyle Q_{T}=C_{d}A\left[{\frac {2gh(T_{i}-T_{o})}{T_{i}}}\right]^{1/2}} , kus Q T {\displaystyle Q_{T}} – õhuvahetus läbi ava ühikutes m 3 / h {\displaystyle m^{3}/h} ; C d {\displaystyle C_{d}} – voolukoefitsient; A {\displaystyle A} – sisselaske ava ristlõike pindala (eeldusega, et väljalaske ava ristlõike pindalaga on sellega võrdne); g {\displaystyle g} – raskuskiirendus; h {\displaystyle h} – sisse- ja väljalaskeavade kõrguste vahe; T i {\displaystyle T_{i}} – keskmine siseruumi õhutemperatuur ühikutes K; T o {\displaystyle T_{o}} – keskmine välisõhu temperatuur ühikutes K. Valemist võib näha, et mida suurem on kõrguste vahe sisse- ja väljalaskeavade vahel, seda suurem on ventilatsioon. Korrusmajade puhul peaks siis temperatuurigradiendist tuleneva loomuliku ventilatsiooni mõju olema suurem, teisalt tuleb soojenenud ja saastunud õhul katuses olevate väljalaskeavade kaudu väljumiseks läbida pikem vahemaa ning ületada rohkem takistusi ventilatsioonikanalite näol, mis ühtlustab temperatuurigradiendist tuleneva loomuliku ventilatsiooni mõju erinevatel hoone korrustel. Sageli paigutatakse ventilatsioonikanalid, mis õhu katuses olevate väljalaskeavade või korstnani juhivad, kaminate või ahjude suitsulõõride vahetusse lähedusse, et köetud soe õhk ka ventilatsioonikanalites tõusvat õhku soojendaks, selle liikumist kiirendaks ning omakorda ventilatsioonikiirust suurendaks. Kombinatsioonina tuule mõjul toimiva ventilatsiooniga kasutatakse üleslükkejõu mõjul toimivat ventilatsiooni suurtes tööstushoonetes, kus tekkivat liigsoojust ning hoonete kõrgust kasutatakse nende loomulikuks ventileerimiseks, et eemaldada ruumist saastunud õhk. Loomuliku ventilatsioonisüsteemi efektiivseks toimimiseks tuleb nii hoone projekteerimisel, ehitusel kui ka kasutusel arvesse võtta mitmeid juhiseid: Hoone projekteerimisel tuleb arvesse võtta kõiki hoonet ümbritsevaid tuuletakistusi: teised hooned, aiad, haljastus. Suunates hoone suurema külje suviste tuulte teele risti ette, saab soojal aastaajal maksimaalselt tuule mõjul toimuva ventilatsiooni jahutavat efekti kasutada. Kui hoone on pikliku kujuga, on õhumassidel lühem tee ühest seinast teise ning tuule mõjul toimiva loomuliku ventilatsiooni efekt suurem. Kõrgete lagede ja avarate ruumide puhul on üleslükkejõu mõjul toimiva ventilatsiooni mõju suurem. Igas ruumis peaks olema nii õhu sisse- kui ka väljalaskeava või aken, nendevaheline kõrgus ja kaugus peaksid ventilatsiooni suurendamiseks olema maksimaalsed. Tähelepanu tuleb pöörata ka siseruumides paiknevatele õhuvoolu takistustele: mööbel, taimed, seinad, uksed. Oluline on tagada vaba õhuvool õhu sisse- ja väljalaskeavade või akende vahel. Aknad peaksid olema avatavad, et tagada loomuliku ventilatsiooni maksimaalne reguleeritavus. Avarad trepikojad soodustavad loomulikku ventilatsiooni. Päikesekorsten on hoone küljel asuv vertikaalne šaht, mis tumeda värvuse või materjali tõttu soojeneb päikese käes kiirelt. Päikesekorstna soojenenud sein soojendab selles olevat õhku, tekitades üles liikuva õhuvoolu, mis korstna ülaosast väljub. Šahti allosas on toa ja korstna vaheline sisselaskeava, mille kaudu õhk siseruumidest päikesekorstnasse liigub, seal soojeneb ning väljalaskeava kaudu väljub. Korstna sisemised seinad peavad olema piisavalt isoleeritud, et päike toatemperatuuri ebameeldivalt kõrgeks ei tõstaks. Päikesekorsten on kasulik loomuliku ventilatsiooni konstruktsioon just tuulevaikse ilma korral, mil tuule mõjul toimiva ventilatsiooni efekt praktiliselt puudub. Tuulepüüdjate tehnoloogiat kasutati Idamaades hoonete tuulutamiseks juba teisel sajandil eKr. Tänapäeval on sellest saanud levinud energiatõhusa ehituse ning loomuliku ventilatsiooni tehnoloogia. Tuulepüüdja on enamasti hoonest kõrgemale ulatuv šaht, mille avad on suunatud valitseva tuule teele. Šaht jääb puhuva tuule teele ette, püüdes endasse välisõhku ning suunates selle siseruumidesse. Tuulepüüdjal võivad olla avad ka mitmes suunas, et kasutada igast ilmakaarest puhuva tuule ventileerivat efekti. Tuulevaiksetel ning palavatel öödel muutub õhuvoolu suund tuulepüüdjas, soe toaõhk väljub šahti kaudu siseruumidest. Loomuliku ventilatsiooni täpne matemaatiline kirjeldamine kindla objekti puhul on keeruline, sest seda mõjutab hulk erinevaid looduslikke ja inimtekkelisi tegureid. Loomuliku ventilatsiooni parameetrite arvutamine põhineb hüdrodünaamika võrranditel. Enimkasutatavad parameetrid on õhu mahtkiirus ning õhuvahetuse kordsus. Nende parameetrite leidmiseks kindla hoone korral kasutatakse erinevaid meetodeid: empiirilised meetodid võrgumudelid tsoonimudelid arvutuslikud hüdrodünaamika mudelid Eelmainitud meetoditega on küll võimalik ennustada loomuliku ventilatsiooni efektiivsust erinevate hoonekonstruktsioonide korral, kuid looduslike protsesside keerukuse ning inimtegevuse ja ilmastikutingimuste ennustamise piirangute tõttu saab täpseima info ventilatsiooni parameetrite kohta otseste mõõtmiste kaudu. Tavaliselt kasutatakse loomuliku ventilatsiooni mõõtmiseks märgistusgaasi. Ruumi lastakse kindel kogus märgistusgaasi, mille kontsentratsiooni siseõhus seejärel pidevalt mõõdetakse. Märgistusgaasi kontsentratsiooni muutuste abil leitakse loomuliku ventilatsiooni efektiivsust kirjeldavad parameetrid. Natural Ventilation, Andy Walker, National Renewable Energy Laboratory, 2010 A new empirical model for predicting single-sided, wind-driven natural ventilation in buildings, Haojie Wanga, Qingyan Chena; Energy and Buildings, Volume 54, November 2012, Pages 386–394 Wind-driven cross ventilation in long buildings, Chia-Ren Chu, Bo-Fan Chiang; Building and Environment, Volume 80, October 2014, Pages 150–158 Ventilatsiooni alused Feliks Angelstok, 2006 Natural Ventilation in Passive Design Richard Aynsley, 2007 Design with Nature: Windcatcher as a Paradigm of Natural Ventilation Device in Buildings Dr. Abdel-moniem El-Shorbagy; Architecture Department, College of Engineering Effat University, Saudi Arabia, 2010 Natural Ventilation in Buildings: A Design Handbook By Francis Allard, 2002