21‐11‐2010

1

Forced ventilation

Flow required by RSECEFlow required by RSECE

The ventilation system

Dimensioning of ducts and pressure drops

Limiting criteria

Calculation methods: equi‐velocity, equi‐friction, pressure recover

Air distribution in rooms and methods

Ventilation efficiency in climatization

...

Fresh air flow rates(RSECE)A VIAnnex VI

Previous legislation (98) specified the values in Renewal per hour and for smoker regions doubled the values.

In new legislation (2006) air flow in smoking areas is higher than 60 m3/h and these should be at a lower pressure and with a direct exhaust (Art. 29).

21‐11‐2010

2

Mechanical ventilation system• System to supply fresh air and/or remove the vitiated air 

from the room. It can also be used to heat or cool it.

Figure 1‐ Ventilation System (ASHRAE Standard 62‐1999) 

Components of the system• The system main components are:

– Fan (Supply and exhaust)– Filters (for particles of different diameters and types)( p yp )– Duct network (to distribute fresh and collect vitiated air)– Difusers (to distribut the air in the rooms)– Grilles (to extract the air from rooms)

• Ventilation can also be used for climatization when airtransports thermal energy. For moisture transport is the most appropriate method while for sensible energy it may be changed using heat exchangers with other fluids.be changed using heat exchangers with other fluids.

(ATU – Air Treatment Unit /UTA – Unidade Tratamento de Ar)• Even if ventilation is only to supply fresh air, this is pre‐

treated to Mesmo que o ar novo não climatize tem de ter velocidade limitada e temperatura regulada. 

( UTAN – Unidade de Tratamento de Ar Novo)

21‐11‐2010

3

Fan types

– Centrifugal (Radial) – Higher pressure drops used to supply air to duct networks

– Axial – In general for larger flow rates and used to move air close to heat exchangers g

Catálogos EFAFLU

ASHRAE F35

Characteristic curvesAxial Fan

Peak efficiency

Stall region

Optim m

Centrifugal Fan

Higher velocityLarger operation

• The centrifugal fan has a larger 

Optimum range

Larger operation range

Installation curves

operation range specially the backward blades and is often used with velocity variation

• The casing allows recovering dynamic pressure to static.

Figures from Hundy, Trott and Welch

21‐11‐2010

4

Velocity regulation

• Fan velocity regulation to adjust to the installation 

i ivariation.

• The speed variation nowadays is done electronically in the electrical motor with small loss of efficiency.y

Catálogo EFAFLU Figure from Hundy, Trott and Welch

Energy recover (Heat Exchangers)• When using air recirculation in the ATU only the fresh air 

has to be heated or cooled from the outside to the inlet temperature and it can use the exhaust in a HXtemperature and it can use the exhaust in a HX.

Cross‐flow

Rotative heat regenerator

21‐11‐2010

5

Air filtersFilters and the heat regenerators may be the main contributions to the pressure drop that the fan has to provide. The pressure drop increases with efficiency but also with  lack of cleaning!

ε<95% pre‐filters or dry –ε<95% pre‐filters or dry extended filters (Mangas)

Large efficiencies ε up to 99.99% are achieved with sets including electronic or membrane

Lack of cleaning  Blocking

JLA – FEUP 2008

Duct networks• Objective of distributing the air in different locations in 

controlled quantity may include the diffusers or grilles.

• The design of the duct network requires the calculation of pressure drops in different path and allowance for their regulation when in service.

• Main characteristics to be considered to size them are:

– Flow rate

– Surface rugosity

Thermal insulation– Thermal insulation

– Leak resistance

– Velocity 

– Noise generated

– Acessories

21‐11‐2010

6

Type of ducts• Circular ducts allow lower pressure drop, noise and cost as they are 

more often built in series.

• Rectangular ducts for the same height may handle higher flows but the width should not exceed 5xheight and avoid sharp corners

• Rectangular are often custom made but they may be mounted on site from boards including insulation.

• Below examples how to decrease the space ocuppied.

CADVent program in older versions uses only circular

JLA – FEUP 2008

Duct paths and details

• Passage in false ceiling, courette, or tight in walls or floors.

Courette

Round and rectangular ducts

Anti‐fire cut off valve and fire proof protection in ductFalse ceiling

Vertical passage between floors

Through floor

Round and rectangular ducts

proof protection in duct.

Photographs from JLA – FEUP 2008

g

Insulation to avoid heat losses also reduces noise.

21‐11‐2010

7

Pressure drop calculation• Pressure drop friction factor dependent on Reynolds, rugosity.

• Pessure loss coeficients in accessories (curves, T connections distribution and colection, expansion/contraction, etc...)

• Concentrated pressure loss coefficients Cj,k for j accessory may depend on the k branch being considere e g in T splitter

j

jkji

i

ih

ii

VC

V

D

LfP

22

2

)(.

2

,

depend on the k branch being considere, e.g. in T splitter.

• The factor multiplied by the duct lenght L is defined in Pa/m and can also be estimated from graph as function of V and De

The velocity is the actual mean value for any type of duct.The Reynolds number is calculated with the hydraulic Dh

Non‐circular ducts• There are two diameters (hidraulic Dh and equivalent De)

• Dh is the hydraulic diameter defined as:4Area/Perimeter = 2ab/(a+b) a b/ /( )for a rectangular duct.

• De is the equivalent diameter that represents the same ratio between flow rate and pressure drop (that is proportional to velocity squared) leading to:

a

AreaD

De332

6.045.1 Area

D

25.0

625.055.1

Perimeter

AreaDe

25.0

625.030.1

ba

abDe

or for ducts rectangular

PerimeterDe

e

4

2.0PerimeterDe

ASHRAE recomends and gives values based on a similar definition:

21‐11‐2010

8

Example of pressure loss (Pa/m)ASH

RAE 2009 F35

Aon Loss (Pa/m

)Frictio

Air Flow (l/s)Band of usual values

Pressure loss coefficients• Available from ASHRAE in table format or 

in libraries for computer calculations.

• Values for ~100 accessories!Values for  100 accessories!

• Example given for a T diverging:

• Coefficients given for each exit:

Branch  Straight 

21‐11‐2010

9

Pressure drop in bends• For rectangular ducts the aspect ratio should be limited otherwise splitters should be used.

Figures from W.P. Jones

Good aproach R/W ~1

Specific pressure drops• Pressure drops associated with the fan outlet are defined 

for lenghts below the flow development region

Figures from 

• Pressure drops in terminal units (diffusers and grilles) have to be also considered and the calculations are done from 

ASHRAE

the fan exit untill the room (including flow distribution).

Difusers from LINDAB

21‐11‐2010

10

Duct dimensioning criteria

• The sizing criteria for ducts is often based on velocities:– ~2,5 m/s in final branches– <3,5 to 4 m/s close to occupied zones3,5 to 4 m/s close to occupied zones– < 5 to 6 m/s in less demanding zones– >6 m/s only with sound attenuation– The velocities in the difusers also have limitations due to noise and due to the formation of jets that may affect thermal comfort. On the other hand they should be large enough to produce mixing in the room to climatize.

• Alternatively the sizing criteria is set in specific pressure drop (Pa/m)

• The velocity or pressure drop values are directly related with noise levels that are often a limiting criteria.

Duct dimensioning methods• The dimension methods are:

– Equi‐ velocity: Duct diameters chosen from maximum velocity. Usually regulation is necessary in branches to equilibrate the pressure drops in different branches. 

– Equi‐friction: A similar pressure drop in all branches is chosen to avoid the use of flow dampers.

– Static pressure recover: In this method the velocity is decreased along the flow path to increase static pressuredecreased along the flow path to increase static pressure. This method is not always possible to apply. The pressure inside the ducts is more uniform reducing leaks. 

211

2

2

22, 2

1

2

1

PPVPVPTotal

21‐11‐2010

11

Limits due to noise restrictions (1037‐2)

Hundy, Trott and Welch

• Dimensioning criteria suggested in annex of NP1037‐2:

• Pressure drop of 0.7 Pa/m and velocity of 5 m/s.

• Based on these assumptions the duct diameters are selected as a function of the flow rate:

Q(m3/h) 135 200 280 370 500 660 900 1250 1650 2300 3080 4100 5300 6750

D (mm) 125 160 180 200 225 250 280 315 355 400 450 500 560 630

21‐11‐2010

12

Infiltration in ducts (1037‐2)• There are three levels of leak resistance (A, B, C). RSECE requires 

duct networks to comply with at least Class A that has a maximum of 1 5 l/sm2 when subject to a pressure difference of 400 Paof 1.5 l/sm2 when subject to a pressure difference of 400 Pa.

• Tests are required in part or all the network, depending on results.

• Classes are defined by a leak coefficient K indicating the classes:

Insuflation/Extraction flow rates

• The values of forced flow for insuflation and extraction may be similar or different on purpouse, leading to:may be similar or different on purpouse, leading to:

– Equilibrium condition(Similar flows)

– Pressurization (Larger insuflation)

– Under‐pressurization (Larger extraction)

• The leaks are larger for pressurized ducts and can be air extraction for under‐pressurization conditions.extraction for under pressurization conditions.

• When there is close to Equilibrium conditions, there are more air exchange due to infiltration, while for other conditions the air leak through the building envelop may be in a single direction.

21‐11‐2010

13

Pressure distribution in a duct

• Pressure is increased in the fan and loss in all other elements.

• The network is characterised normally by a constant inlet and discharge pressure.

Figure from Hundy, Trott and Welch

ASHRAE

FiltersHundy, Trott and Welch