Straty w postaci energii cieplnej generowane są w komorach transformatorów, pomieszczeniach rozdzielnic elektrycznych, lokalnych pomieszczeniach elektrycznych, jak również wzdłuż ciągów kablowych czy szynoprzewodów. We wszystkich tych miejscach konieczne jest zaplanowanie systemu wentylacji, który pozwoli utrzymać właściwą temperaturę pracy urządzeń.

Głównym zadaniem projektanta instalacji elektrycznych jest określenie parametrów elektrycznych instalacji. Często jednak na wstępnym etapie projektowania jest on również proszony o określenie, gdzie powinno się znajdować pomieszczenie przeznaczone np. dla rozdzielnicy głównej nn oraz jaka powinna być kubatura dla znajdujących się w tym pomieszczeniu urządzeń. W zależności od przeznaczenia obiektu oraz jego usytuowania przestrzeń, którą należy przeznaczyć na instalacje elektryczne, jest dla inwestora mniej lub bardziej cenna. Oczekując odpowiednio wysokiej stopy zwrotu z zainwestowanych środków naturalna staje się tendencja do ograniczania obszarów przeznaczonych na instalacje techniczne. Z drugiej strony biorąc pod uwagę normy, którym podlega aparatura rozdzielcza oraz transformatory, temperatury w pomieszczeniach nie powinny przekraczać:
• 35^OC w pomieszczeniu rozdzielnicy (PNEN 60439-1; wartość chwilowa 40^OC),
• 40^OC w komorze transformatorowej (PNEN 60076-11),
• 35^OC w ciągach elektrycznych z szynoprzewodami (PN-EN 60439-1 oraz 2).

Straty ciepła

W przypadku transformatorów całkowite straty wydzielające się w postaci energii cieplnej są sumą strat tzw. biegu jałowego P₀ związanych z magnesowaniem rdzenia magnetycznego oraz tzw. strat obciążeniowych PK120 (straty w miedzi). Straty biegu jałowego generowane są na stałym poziomie, podczas gdy straty obciążeniowe wynikające z efektu Joule’a zależą od stopnia obciążenia transformatora.

gdzie:
S – rzeczywiste obciążenie transformatora,
SN – znamionowa moc pozorna transformatora.

Rozpatrując straty generowane przez urządzenia rozdzielcze, takie jak rozdzielnice czy szynoprzewody, emisja energii cieplnej związana jest z efektem Joule’a i jest wprost proporcjonalna do kwadratu prądu płynącego przez te urządzenia oraz wprost proporcjonalna do rezystancji torów prądowych tych urządzeń.
Zarówno rozdzielnice, jak i szynoprzewody produkowane przez firmę Siemens zostały poddane badaniom PTA lub TTA. Między innymi w oparciu o te badania powstało oprogramowanie do konfiguracji urządzeń rozdzielczych oraz ciągów szynoprzewodów. Oprogramowanie to pozwala na oszacowanie ilości energii cieplnej generowanej przez te urządzenia.

Wentylacja pomieszczeń

Rozpatrując kwestie wentylacji poszczególnych pomieszczeń, należy brać pod uwagę emisję energii cieplnej PV ze wszystkich urządzeń znajdujących się w pomieszczeniu:

Po obliczeniu całkowitej ilości energii cieplnej emitowanej w pomieszczeniu kolejnym krokiem jest wybór sposobu wentylacji. Wśród sposobów rozpraszania energii cieplnej należy rozróżnić trzy podstawowe (rys. 1):
• wentylacja naturalna nazywana czasami wentylacją grawitacyjną QV1,
• pochłanianie energii cieplnej przez ściany oraz stropy QV2,
• wentylacja wymuszona QV3.

Rys. 1. Sposoby rozpraszania energii cieplnej z urządzeń elektrycznych w pomieszczeniu: wentylacja naturalna, pochłanianie energii cieplnej przez ściany oraz stropy, wentylacja wymuszona

Q_V1 Wentylacja naturalna/grawitacyjna
Chcąc zapewnić wentylację grawitacyjną dla urządzenia znajdującego się w pomieszczeniu, należy zapewnić pomieszczenie o odpowiednich parametrach. Najbardziej istotne z punktu widzenia wentylacji są otwory wentylacyjne – ich powierzchnia oraz umiejscowienie. Poniżej przedstawiony został wzór określający, jaką ilość energii można rozproszyć przy zastosowaniu otworów o zadanej powierzchni.

gdzie:
A_1,2 – powierzchnia otwor u nawiewnego/wyciągowego [m²],
H – wysokość według rysunku [m],
Δ_ν – przyrost temperatury powietrza [K]

Q_V2 Rozproszenie ciepła przez sufit i ściany
Kolejnym elementem rozpraszania energii cieplnej jest jej absorpcja przez ściany i stropy. Zdolność pochłaniania ciepła w ten sposób jest zależna od powierzchni ścian i stropów oraz współczynnika przenikalności cieplnej, a jej wartość można określić na podstawie wzoru:

gdzie:
K_W, _D – współczynnik przenikalności cieplnej ścian, stropów
A_W, _D – powierzchnia ścian, stropów
Δ_ν – różnica pomiędzy temperaturą wewnętrzną a zewnętrzną

Q_V3 Rozpraszanie ciepła przy wymuszonym obiegu powietrza
W przypadku braku możliwości rozproszenia energii cieplnej przez absorpcję ścian/stropów oraz wentylację grawitacyjną należy zastosować wentylację mechaniczną o wymuszonym obiegu powietrza. Wartość energii cieplnej możliwej do rozproszenia jest w tym przypadku wprost proporcjonalna do przepływu powietrza VL oraz różnicy temperatur czynnika chłodzącego Δ_ν:

Przepływ powietrza V_L [m³/s] określa poniższy wzór:

gdzie:
v – prędkość powietrza w otworze wentylacyjnym [m/s],
C_PL – pojemność cieplna powietrza [kW s/kg K],
ρ_L – gęstość powietrza w temperaturze 20^OC [kg/m³],
Δ_ν – różnica temperatur czynnika chłodzącego [K].
Jednocześnie, projektując układy wentylacji należy pamiętać, że elementy takie jak kratki wentylacyjne, żaluzje otworów wentylacyjnych, tłumiki hałasu, zmiany kierunku kanałów wentylacyjnych i ich średnicy powodują obniżenie sprawności całego układu wentylacji – dla przykładu żaluzja otworów wentylacyjnych może obniżyć wartość przekroju poprzecznego otworu wentylacyjnego nawet o 40%.

Chwilowe przeciążenia

Kolejną kwestią jest możliwość chwilowego przeciążania całego układu bądź poszczególnych jego elementów. Podstawowym pytaniem, jakie należy postawić, jest – czy zaprojektowany układ chłodzenia jest przystosowany do pozbycia się dodatkowo wyemitowanej energii cieplnej. Trzeba pamiętać, iż przeciążanie urządzeń ponad ich znamionowe możliwości powoduje znaczny wzrost temperatury pracy (straty Joule’a I²R). Przewidując możliwość zaistnienia takiej sytuacji, należy odpowiednio dostosować układ chłodzenia.

Podsumowanie

Podsumowując, należy zwrócić uwagę na obliczone dla poszczególnych sposobów wentylacji wartości. Wskazują one, że największą wydajność rozpraszania energii cieplnej można uzyskać instalując wentylację mechaniczną o wymuszonym obiegu powietrza w pomieszczeniu. Jednocześnie należy zwrócić uwagę na fakt, iż w przypadku awarii układu mechanicznie wymuszającego obieg powietrza wentylacja grawitacyjna jest niezbędnym elementem całego układu. W takim przypadku pozwala ona na częściowe obciążenie transformatora, a to zapewnia energię elektryczną, np. odbiornikom zasilania gwarantowanego. Pomimo niewielkiej wartości energii cieplnej możliwej do rozproszenia poprzez ściany i stropy, również ten element układu chłodzenia jest bardzo istotnym ogniwem, bardzo często traktowanym jako margines bezpieczeństwa. Jednocześnie należy zwrócić uwagę, iż dobierając pomieszczenie o większej kubaturze, zwiększa się możliwości pasywnego chłodzenia znajdujących się wewnątrz urządzeń, co w sytuacjach awaryjnych (zasilanie pożarowe lub zasilanie odbiorników gwarantowanych) stanowi bardzo istotny element.
Uwaga, wszystkie podane powyżej wzory traktować należy jako określanie przybliżonych wartości rozpraszania energii cieplnej. W celu zapewnienia układu wentylacji o parametrach gwarantujących odpowiedni poziom chłodzenia należy zwrócić się o pomoc do specjalistów w dziedzinie wentylacji i klimatyzacji.

Krzysztof Bucki
Autor jest pracownikiem
firmy Siemens