Kurtyny powietrzne to od dawna znane i powszechnie stosowane urządzenia służące do odgrodzenia strumieniem powietrza środowiska wewnętrznego od zewnętrznego. Struga powietrza o dużym impulsie, tworząc barierę ciśnieniową pomiędzy strefami o różnych temperaturach, chroni pomieszczenie przed wdzieraniem się powietrza z zewnątrz, ewentualnie wydostawaniem się go na zewnątrz. Niewątpliwie jest rozwiązaniem pożądanym zarówno ze względów energetycznych, jak i z uwagi na zapewnienie komfortu termicznego użytkownikom pomieszczeń.

Projektowanie strefy wejściowej do budynków handlowych i użyteczności publicznej to często spore wyzwanie, ponieważ trzeba wówczas uwzględnić (pogodzić) zróżnicowane wymagania z co najmniej trzech obszarów. Przede wszystkim chodzi o:

• zapewnienie atrakcyjności wizualnej i funkcjonalnej oraz spójności architektonicznej – wejście do budynku powinno być możliwie duże i otwarte, łatwe do pokonania dla często tłumnie przechodzących ludzi; należy mu nadać reprezentacyjny wygląd, dopasowując go do architektury budynku;
• zadbanie o komfort termiczny – duże i otwarte wejścia do budynku są problematyczne w okresach zimowych (sezon grzewczy) pod względem komfortu termicznego, ponieważ bez dodatkowej ochrony do pomieszczenia wnika zimne powietrze, które płoży się po podłodze powodując lokalny przeciąg; zjawisko to jest mniej odczuwalne dla osób wchodzących z zewnątrz, gdyż są one odpowiednio ubrane, ale dla osób pracujących w budynku i przebywających w pobliżu wejścia może być wyjątkowo dokuczliwe;
• minimalizację strat energii – wnikanie powietrza zewnętrznego powiązane jest ze stratą ciepłego powietrza wewnętrznego; w celu zminimalizowania strat ciepła otwarcie wejścia powinno być zatem zoptymalizowane, a samo wejście odpowiednio uszczelnione.

Jak kształtują się strumienie powietrza w wejściu do budynku?
Otwarte wejście do budynku łączy otoczenie zewnętrzne z wewnętrznym. Prowadzi to do wzajemnego oddziaływania tych dwóch klimatów, przynajmniej w okolicy wejścia, oraz wpływa na warunki komfortu odczuwanego przez użytkowników znajdujących się w strefie oddziaływania. Zależnie od warunków, przy otwartym wejściu do budynku mogą się kształtować następujące przepływy powietrza:

• przy znacznej różnicy temperatury między środowiskiem w budynku a środowiskiem zewnętrznym (w sezonie grzewczym):
• • jeśli mamy tylko jedno wejście do budynku, to wyrównanie ciśnień następuje między strumieniem zimnego i ciepłego powietrza wewnątrz otworu wejściowego; górą wypływa ciepłe powietrze na zewnątrz, a dołem wpływa zimne do pomieszczenia (rys. 1A), przy czym prędkość ruchu powietrza to maksymalnie 0,5-1 m/s;
  • gdy w budynku są jeszcze inne otwarte wejścia lub otwory (okna, nieszczelności) znajdujące się na różnej wysokości, kształtuje się taki przepływ powietrza, że przez dolny (niżej zlokalizowany) otwór powietrze wpływa do pomieszczenia, natomiast przez górny (wyżej położony) wypływa na zewnątrz (rys. 1B i 1C); nawet przy niewielkich otworach prędkość przepływu powietrza może wówczas dochodzić do 5 m/s, a praktyka pokazuje, że takie sytuacje bardzo często się zdarzają (otwarte klatki schodowe, windy);
• przy wietrznej pogodzie:
• • jeżeli jest jedno, małe i optymalnie położone wejście do budynku, wpływ wiatru na środowisko wewnętrzne będzie raczej niewielki (oprócz krótkich przeciągów przy otwieraniu drzwi), natomiast gdy to jedno wejście jest duże i wyeksponowane, to może się zdarzyć, że powietrze będzie jednocześnie przez nie wpływać i wypływać z dużą prędkością (podobnie jak na rys. 1A, ale przy znacznie większej prędkości przepływu);
  • gdy są jeszcze inne otwarte wejścia do budynku lub otwory (okna, nieszczelności), w pomieszczeniach kształtuje się silny strumień powietrza zależny od oporów wewnętrznych budynku (rys. 1D i 1E);
• gdy instalacja wentylacyjna pracuje z nad- lub podciśnieniem (niezbilansowane strumienie masowe nawiewne i wywiewne), wówczas nadmiar lub niedomiar powietrza będzie przepływać przez otwory wejściowe i nieszczelności (rys. 1F);
• kombinacja wyżej opisanych możliwości.

Dobór kurtyny powietrznej
Istotą działania kurtyny powietrznej jest wytworzenie siły zdolnej przeciwstawić się sile wdzierającego się powietrza zewnętrznego. Ponieważ do pomieszczenia wdziera się tyle samo powietrza, co wydostaje się z niego, kurtyna może również przeciwdziałać wydostawaniu się powietrza z pomieszczenia. Zgodnie z zasadą zachowania pędu, pęd powietrza napływającego musi być równy pędowi powietrza odgradzającego, aby skutecznie być hamowanym. W celu optymalnego doboru kurtyny powietrznej, trzeba więc skorzystać z tej zależności.

Pęd powietrza a skuteczność działania kurtyny. Pęd powietrza jest równy iloczynowi strumienia masy powietrza m i prędkości w punktu. Jest wielkością wektorową; kierunek i zwrot pędu jest zgodny z kierunkiem i zwrotem prędkości. Pęd po stronie wewnętrznej wytwarzany przez kurtynę powietrzną możemy zatem określić według następującego wzoru:

P = m · w [kg·m/s] (1)

Jest to zależność linowa, dlatego zwiększając masę i zmniejszając prędkość można zachować wartość pędu.
W praktyce oznacza to, że aby poprawić skuteczność działania kurtyny powietrznej, wystarczy zwiększyć albo prędkość strumienia powietrza, albo jego masę lub oba te czynniki jednocześnie.
Ważnym elementem doboru jest także długość kurtyny powietrznej. Wylot strumienia powietrza z kurtyny powinien być szerszy od otworu drzwiowego, który ma być zabezpieczony. Warto wiedzieć, że na rynku dostępne są rozwiązania kurtyn drzwiowych, które mają wbudowany system stabilizacji prędkości nawiewu strumienia powietrza niezależnie od biegu wentylatora. Taka funkcja zapewnia stałą prędkość wylotu powietrza w środkowym zakresie obciążenia. Ma to ogromny wpływ na funkcjonalność kurtyny (rys. 3).

Lokalne uwarunkowania i wymogi. Aby prawidłowo dobrać kurtynę powietrzną, należy wziąć pod uwagę szereg lokalnych uwarunkowań. Istotne są takie czynniki, jak:

• wielkość otworu wejściowego do budynku,
• liczba wejść do budynku i ich wzajemne usytuowanie,
• konstrukcja budynku i jego usytuowanie względem stron świata,
• wysokość i szczelność budynku.

Trzeba również uwzględnić zakładaną różnicę temperatury powietrza zewnętrznego i wewnętrznego. Warto także pamiętać, że optymalną pracę kurtyny powietrznej można zapewnić jedynie przy spełnieniu poniższych wymagań:

• nie może być innych otwartych wejść,
• budynek musi być szczelny,
• wentylacja w budynku musi być zbilansowana (rys. 4),
• wejście do budynku nie może być bezpośrednio wyeksponowane na wiatr.

Optymalizacja kurtyny powietrznej
Przeprowadzone badania oraz wieloletnia praktyka przekonują, że istotne znaczenie dla optymalnego działania kurtyn powietrznych (zarówno poziomych, jak i pionowych) mają przedstawione poniżej czynniki. Determinują one dobór zasadniczych parametrów tych urządzeń, sposób ich montażu czy użytkowania.

Impuls strumienia powietrza z kurtyny. Parametr ten musi być tak dobrany, aby na całej długości wejścia ustaliła się większa prędkość powietrza niż prędkość strumienia termicznego dla przypadku wskazanego na rys. 1A (szczelny budynek z jednym wejściem). Wartość prędkości strumienia termicznego w tym przypadku to średnio 0,7 m/s. A zatem przykładowo dla wejścia o szerokości 1,6 m i wysokości 2,08 m daje to strumień powietrza nawiewanego przez kurtynę o wartości 2000-3000 m³/h, prędkość nawiewu 4-7 m/s oraz szerokość nawiewu 5-10 cm.
Przy niezbilansowanym systemie wentylacyjnym, lekko nieszczelnym budynku lub niewielkim wietrze można zapewnić komfort termiczny, zwiększając strumień powietrza nawiewanego z kurtyny do zakresu 3000-6000 m³/h. Przy silniej oddziaływujących czynnikach niekorzystnych lub znacznie nieszczelnym budynku kurtyna powietrzna nie jest w stanie zapewnić warunków komfortu.

Temperatura nawiewanego powietrza. Jest to parametr bardzo ważny, jeśli chodzi o zapewnienie komfortu termicznego, ponieważ stosowanie kurtyny powietrznej wiąże się z dużymi prędkościami przepływu powietrza w pomieszczeniach. Powietrze, które rozprzestrzenia się z prędkością 1 m/s, odczuwane jest jako komfortowe nawet wtedy, gdy jego temperatura przekracza 25°C. Praktyka pokazuje, że optymalna temperatura nawiewu wynosi do 35°C.

Wyeliminowanie nieszczelności. Kurtyna powietrza musi szczelnie przylegać do górnej części strefy wejściowej do budynku oraz dolnych, bocznych stref, tak by zimne powietrze nie wdzierało się do pomieszczenia przez szczeliny w tych miejscach (rys. 5). Montaż kurtyny nie dopuszcza możliwości odsunięcia jej od otworu wejściowego.

Skuteczne odgrodzenie kurtyny powietrznej. Czynniki, które mają wpływ na skuteczność odgrodzenia kurtyny powietrznej, zostały przedstawione w tabeli 1.

Ukierunkowanie strumienia powietrza. Strumień nawiewny należy skierować lekko na zewnątrz budynku (ok. 10-20°). Optymalny kąt ukierunkowania strumienia powietrza z kurtyny zależny jest od indywidualnych uwarunkowań obiektu.

Oszczędność energii
Otwarte drzwi wejściowe są przypadkiem referencyjnym. Tak długo jak są otwarte, do wnętrza wdziera się chłodne powietrze z zewnątrz. Gdy budynek jest szczelny, a wentylacja zrównoważona, to przepływ netto przez drzwi równy jest 0. Przez górną ich część wypływa ciepłe powietrze (strata energii), zaś dolną napływa zimne powietrze do pomieszczenia. Przepływy te można dość dobrze opisać poniższymi wzorami (w pewnym uproszczeniu). Przedstawiają one przepływ w dwóch kierunkach, przez jeden otwór o szerokości B, wysokości H i przy różnicy temperatury ΔT. A zatem:

Maksymalna prędkość [m/s]:

Strumień powietrza w jednym kierunku [m³/h]:

Strata ciepła [W]:

W praktyce badania wielokrotnie wykazały, że przez drzwi napływa jedynie zimne powietrze, a ciepłe uchodzi z budynku przez nieszczelności na wyższych kondygnacjach. W takich przypadkach straty ciepła są o wiele większe, gdyż różnica wysokości między otworem dolnym a górnym jest większa.
W tabelach 2 i 3 zestawione zostały różne typy rozwiązań technicznych dla wejść całkowicie otwartych i wejść dla jednej osoby oraz towarzyszące wejściu straty energii.

Wnioski
Wciąż rosnące ceny energii i wymagania dotyczące energooszczędności budynków wymuszają stosowanie rozwiązań techniczno-inżynieryjnych minimalizujących straty energii. Jednym ze sposobów przeciwdziałania niekontrolowanemu wypływowi ciepłego powierza z budynku jest stosowanie kurtyn powietrznych. Ich wielkość oraz miejsce montażu zależą od uwarunkowań architektonicznych. Zasadność stosowania kurtyn jest bezsprzeczna, jednak skuteczność ich działania jest uwarunkowana właściwym zwymiarowaniem i doborem parametrów urządzenia oraz jego pracy.

Źródła:
[1] Materiały firmy Kampmann
[2] Alois Schälin, Gebäudeeingänge mit grossem Publikumsverkehr, 1998