Aperis en La Domo n-ro 12 (oktobro 1996) [ISSN 1257-3558].
Fabien J.R. van Mook & Marcel G.L.C. Loomans
Technische Universiteit Eindhoven, fakultato pri Arkitekturo kaj Konstruado, Postbus 513, 5600 MB Eindhoven, Nederlando
Kiam ni estas en domoj, oficejoj kaj laborejoj, ni ŝatas unuflanke senti nin sekuraj kaj komfortaj. Tio signifas ekzemple ke la ĉambroj en kiuj ni troviĝas, devas esti sufiĉe varmaj, aŭ ke ni ne volas aŭdi la paroladon, muzikon kaj kvelerojn de niaj najbaroj, aŭ ke estas lumo por ke ni ne falu. Aliflanke ni volas pli ekologie vivi. Teme pri konstruaĵoj ni ŝatus uzi daŭrajn materialojn por niaj konstruaĵoj, kaj ne malŝpari gason, oleon kaj karbon por la hejtado. Krome gravas ke ekz. pro malsekaĵo ne detruiĝas kaj malfunkciiĝas muroj kaj aliaj konstruaĵaj elementoj.
La fako en kiu oni traktas pri tiaj problemoj, estas nomata la konstru-fiziko. Ĝi staras inter arkitekturo kaj fiziko; kaj ĝiaj temoj estas diversaj [van Mook 1994]. La scioj de la fiziko estas aplikataj en konstruado kaj arkitekturo; kaj la interago de konstruaĵoj, homoj kaj fizikaĵoj estas la specialaĵo de la konstrufizika fako. Kiel la titolo sugestas, tiu ĉi artikolo temas pri aera velocito (rapideco) en ĉambroj kaj ĝia mezurado.
Aeraj velocitoj, kaj do la aerfluo, estas en ĉambroj pro diversaj kialoj. Per aerfluo oni celas forigon de malfreŝa aero, kaj eniron kaj disigon de freŝa aero (en unu vorto: ventolado). Ja gravas por sane kaj komforte vivi ke la aero kiun ni enspiras, enhavas sufiĉe da oksigeno. Aliaj gasoj (en tro granda denseco) povas ĝeni nin ---aŭ eĉ estas danĝeraj. Krome la temperaturo de la aero estas grava faktoro por komforto kaj bonsento.
Dum la ses- kaj sepdekaj jaroj oni faris multajn esporojn pri malkomforto pro la aeraj velocitoj mem. Oni trovis ke ĝenerale aeraj velocitoj de pli ol 12 cm/s preter la nuda haŭto kaŭzas malkomforton (ĉe aera temperaturo de ĉ. 20 gradoj). Lastatempe oni esporis la malkomforton pro fluktuantaj aerfluoj [Fanger 1988].
La grava parametro por proaerflua malkomforto kaj por la ventola efiko estas aera velocito kaj ĝia direkto. Ĝenerale en ĉambroj la aero fluas ege malrapide: inter 0 kaj 30 cm/s. Nur ĉe ventoliloj, malfermitaj fenestroj, kaj ventolilaj kradoj la velocitoj povas atingi 300 cm/s.
Ekzistas du manieroj pritrakti kaj pristudi la aeran fluon: (1) kalkuli per komputilo kaj (2) mezuri en la ĉambro mem. Kompreneble la mezurado estas la plej certa metodo, ĉar ja nur per mezurado en la konkreta situacio oni povas pruvi ĉu velocitoj estas tro grandaj, kaj do malkomfortigaj. Sed bedaŭrinde ---jen la solvinda problemo--- per kutimaj metodoj oni ne povas akurate mezuri aerajn velocitojn de malpli ol 15 cm/s.
La problemo estas do trovi pli bonan mezuran metodon. Unua paŝo en la esporo estis resumi diversajn eblajn mezurajn metodojn. En [Loomans 1995] ni resumis la principojn de multaj eblaj metodoj kaj komparis ilin unu kun la alia. En tiu ĉi artikolo ni ŝatus koncize pritrakti nur unu tradician metodon:
La metodo de la hejtata globeto estas la plej kutima mezura metodo por aeraj velocitoj en la konstru-fiziko. La aparato konsistas el globeto (ĉ. 4 mm) kiu estas elektre hejtata je temperaturo pli alta ol tiu de la ĉirkaŭaĵo. La aero kiu ĉirkaŭe paŝas la globeton, malvarmigas la globeton. La aparato mezuras la kvanton de energio kiun la aero ``forportas''. (Fakte ĝi mezuras la elektran varman energion kiu eniras la globeton, por ke la globeto havu konstantan temperaturon.) Ju pli grandas la aera velocito, des pli grandas de la globeto perdita varmeco. Tio klaras, sed probleme estas trovi tiun malfacilan rilaton. Oni faras tion eksperimente, ekzemple en ventotunelo. Pliaj problemoj estas (1) ke per tiu ĉi metodo oni ne povas mezuri la direkton de la aera velocito, (2) ke oni nur mezuras en unu punkto, tie kie troviĝas la globeto, (3) ke la globeto mem ĝenas la aerfluon kaj (4) ke pro la varmeco ĝi mem kaŭzas eĉ aerfluon --- kiel ekz. flamo faras. Sekve de tiu varmeco velocitoj de malpli ol 5 cm/s certe ne mezureblas!
Avantaĝojn la metodo kompreneble ankaŭ havas: ĝi estas malmultekosta kaj la aparato estas facile portebla kaj aplikebla.
En la antaŭa paragrafo ni provis argumenti kia metodo estas bezonata. La kriterioj estas (a) rekta kaj fidebla mezurado de velocito kaj ĝia direkto, (b) mezurado en multaj punktoj samtempe, (c) ne-ĝeno de la aerfluo, kaj (d) facila apliko. Laŭ la metodo de traceado de vezikoj tiuj kriterioj estas sufiĉe kontentigitaj.
Figuro 1. Supre videblas sapaj vezikoj. La averaĝa diametro estas ĉ. 4 mm. Malsupre estas detalo de la produktilo de la verziko; tra la tri flankaj tubetoj enfluas aero, sapo kaj heliumo. [van Mook 1995]
Tiu ĉi metodo konsistas el kvin paŝoj:
(1.) La unua paŝo estas produkti sapajn vezikojn (figuro 1). Jes, vere temas pri tiaj sapaj balonetoj kiujn ni ĉiuj faris en nia infanaĝo. La diferenco estas ke per produktilo oni povas fari vezikojn kiuj ĉiuj havas la proksimume saman diametron (3 ĝis 4 mm) kaj ke la ena gaso estas heliumo.
(2.) Oni lasas la produktitajn vezikojn en la pristudatan aerfluon. Tie ili devus precize sekvi la aerfluon, kiel senmotoraj boatetoj sekvas la fluon sur la maro. Tial la vezikoj devas esti malgrandaj ---tiel ke la frotaj fortoj ne bremsas iliajn irojn. Plue la gravitaj fortoj ankaŭ ne devus influi iliajn irojn. Tial la ena gaso ne estas aero, sed heliumo: la malpezo de la heliumo ``kompensas'' la pezon de la sap-vezika membrano.
(3.) Gravas ke la ĉambro estas malluma. Per diaprojektoro oni lumigas la parton (la enmezuratan volumenon) de la ĉambro kiun oni volas pristudi. Per videa kamerao oni registras la trajektoriojn (ir-vojojn) de la vezikoj. Pro tia (mal-)lumigo la sapaj vezikoj videblas kiel flugantaj lampetoj.
(4.) Per speciala komputilo kaj programo oni povas analizi la movajn bildojn de la kamerao. Aŭtomate trajektorioj de sapaj vezikoj estas trovataj. Tio ne estas facila tasko por komputilo. Sed, se la vezikoj ne estas tro densaj kaj ili ne tro rapide flugas, la eraroj fare de la komputilo estas minimumaj. La rezulto de tiu ĉi kvara paŝo estas tabelo por ĉiu veziko kun la koordinatoj de ĝia translokiĝo en la volumeno, funkcie de la tempo.
(5.) La lasta paŝo estas kalkulado de velocito de la sapveziko, laŭ la plej facila formulo: velocito egalas al translokiĝa distanco dividite per la tempo de translokiĝado. La direkto de la veziko estas tuj klara pro la translokiĝo.
La paŝojn 3 kaj 4 oni povas resumi en la termino ``traceado''. Detaloj pri la metodo troviĝas en [van Mook 1995] kaj en [Loomans 1996].
La metodo de traceado de sapaj vezikoj ne novas. Antaŭe oni fotis kun tro longa malobturo, tiel ke la sapaj vezikoj kaŭzas striojn sur la negativo. Tiaj strioj fakte estas la trajektorioj de la vezikoj dum la malobturo. De nia metodo nur novas la apliko de speciala komputilo kaj programo, surmerkatigitaj de brita firmao. Danke al la nuntempaj rapidaj kaj fortaj komputaj sistemoj oni povas analizi la trajektoriojn registritajn de videa kamerao. Kaj cetere, tial tiaj optikaj komputaj metodoj pli kaj pli popolariĝas en fizikaj kaj aerodinamikaj esporoj.
Per kelkaj eksperimentoj la metodo de traceado de sapaj vezikoj estis aplikata. En figuro 2 oni vidas la rezulton de mezurado de la aerfluo ĉirkaŭ hejtata cilindro [Dijkhuis 1995]. En la dekstra-suba flanko de la figuro videblas parto de tiu cilindro kun la temperaturo de 38 gradoj (la ĉirkaŭa temperaturo estas 20). La varmeco de la cilindro kaŭzas aerfluon de malsupro al supro. En la figuro la longeco de la sago indikas la grandecon de la velocito. En tiu eksperimento mezureblis velocitoj inter 2 kaj 20 cm/s.
Aliaj eksperimentoj estas pritraktitaj en [van Mook 1995] kaj [Loomans 1996].
Figuro 2. Supre estas foto de la mezurejo (ĉambro) en kiu pendas la hejtata cilindro [Dijkhuis 1995]. Malsupre en tiu foto oni vidas konuson per kiu oni disigas la vezikojn kaj enirigas ilin en la aerfluon ĉirkaŭ la cilindro. Malsupra grafiko estas la rezulto de la vezika traceado. La sagoj indikas grandon kaj direkton de la mezurataj velocitoj en la supera parto ĉirkaŭ la cilindro.
Celo de nia esploro estis eltrovi metodon per kiu eblas mezuri malgrandajn aerajn velocitojn en ĉambroj. Tradiciaj metodoj ne kontentigas diversaj gravaj kriterioj (vidu la komencon de paragrafo 3).
La de ni uzita metodo de traceado de sapaj vezikoj estas taŭga. Avantaĝoj estas ke velocitoj inter 0 kaj 30 cm/s mezureblas, ke la direkto de la aera velocito klare mezureblas, kaj ke oni havas superigardon en volumeno de (en nia apliko:) ĉ. 50x50x4 cm3. Malavantaĝo estas la malpurigado pro la sapaj vezikoj kiuj trafas surfacojn. Alia malavantaĝo estas ke la metodo postulas sufiĉe da labortempo.
Malgraŭ la malavantaĝoj ni esperas per la novigita metodo pligrandigi la sciojn pri aerfluoj ene de ĉambroj. Sekve, per pli bonaj konceptadoj de konstruaĵoj, oni povas pligrandigi la sanon, komforton kaj ventolan efikecon.
[Fanger 1988] P.O. Fanger, A.K. Melikov, H. Hanzawa kaj R. Ring, Air turbulence and sensation of draught, Energy and Buildings, vol. 12, p. 21-39, 1988
[Dijkhuis 1995] Carolien Dijkhuis, Thermisch gedreven stroming rond warmtebronnen, inĝenieriĝa tezo, raporto FAGO 95.49.W, Technische Universiteit Eindhoven, septembro 1995
[Loomans 1995] Marcel Loomans kaj Fabien van Mook, Survey on measuring indoor airflows, raporto FAGO 95.25.W, Technische Universiteit Eindhoven, aprilo 1995
[Loomans 1996] Marcel Loomans, Fabien van Mook kaj Paul Rutten, The introduction of the desk displacement ventilation concept: Measurement of indoor airflows applying the PTV-technique, 5th International Conference on air distribution in rooms, ROOMVENT '96, Yokohama, Japanio, 17-19 julio 1996, vol. 1, p. 99-106
[van Mook 1994] Fabien van Mook, Kio estas konstru-fiziko?, La Domo, n-ro 1, jan. 1994. (ISSN 1257-3558)
[van Mook 1995] Fabien van Mook, Lage luchtsnelheden visualiseren en meten, inĝenieriĝa tezo, raporto FAGO 95.69.W, Technische Universiteit Eindhoven, novembro 1995
Jan Werner tradukis supran artikolon el Esperanto al la ĉeĥa. La traduko aperis en Ateliér izolačních materiálů a povrchových úprav [ISSN 1211-8893] n-ro 5/6, 1998, sub la titolo «Měření pomalého proudění vzduchu v místnostech trasováním pomocí mýdlových bublin».
Reen al mia hejmpaĝo aŭ al tiu de TAKE-TK.
© Fabien van Mook