PRINCIPLES OF VENTILATION

CLIMATOLOGY,ROHIT KUMAR

ASSISTANT PROFESSORMBS SPA 2016

Assistant Prof. Rohit Kumar

PREVIOUS YEAR QUESTION PAPERSFind the questions related to this topic

VENTILATIONVORTEX: A mass of spinning fluid that pulls things to its center.

Functions of ventilation

• Ventilation, i.e. both the supply of fresh air and convective cooling, involves the movement of air at a relatively slow rate. 

• Natural ventilation and air movement could‐be considered under the heading of 'structural controls‘ as it does not rely on any form of energy supply or mechanical installation.

• It has three distinctly different functions:– supply of fresh air (ventilation)– convective cooling (ventilation)– physiological cooling (air movement)

Supply of fresh air

• The requirements of fresh air supply are governed by the type of occupancy, number and activity of the occupants and by the nature of any processes carried out in the space.

• Requirements may be stipulated by building regulations and advisory codes in terms of m3/h person, or in number of air changes per hour, but these are only applicable to mechanical installations.

• The provision of 'permanent ventilators', i.e. of openings which cannot be closed, may be compulsory. 

• These may be grilles or 'air bricks' built into a wall, or may be incorporated with windows.

• The size of open‐able windows may be stipulated in relation to the floor area or the volume of the room. 

Convective Cooling

• The exchange of indoor air with fresh out‐door air can provide cooling, if the latter is at a lower temperature than the indoor air. 

• The moving air acts as a heat carrying medium.• A situation where convective cooling is a practical proposition, 

can arise in – moderate or cold climates, when the internal heat gain is causing a 

temperature increase, but also in – warm climates, when the internal heat gain or solar heat gain through 

windows would raise the indoor temperature even higher than the outdoor air temperature.

Provision for ventilation: stack effect

• The cause (motive force) for ventilation can be either thermal (temperature difference) or dynamic (wind).

• The stack effect relies on thermal forces, set up by density difference (caused by temperature differences) between the indoor and out‐door air. 

• Special provision can be made for it in the form of ventilating shafts. 

• The higher the shaft, the larger the cross‐sectional area and the greater the temperature difference: the greater the motive force therefore, the more air will be moved.

Provision for ventilation: stack effect

Wind scoop, wind catcher, etc.

(Green business centre)

The windcatcher of Dowlatabad in Yazd, Iran—one of the tallest existing windcatchers

An ab anbar (water reservoir) with double domes and windcatchers(openings near the top of the towers) in the central desert city of Naeen, Iran

Provision for ventilation: stack effect

The motive force is the 'stack pressure' multiplied by the cross‐sectional area (force in Newtons– area in m2). The stack pressure can be calculated from the equation:• Ps = 0.042 × h × ΔT

– where Ps = stack pressure in N/m2– h = height of stack in m– ΔT temperature difference in degC– (the constant is N/m3 degC (Pa) is the pressure difference/degree)

Physiological cooling• In very low humidities (below 30%) this cooling effect is great, 

as there is an unrestricted evaporation even with very light air movement.

• In high humidities (above 85%) the cooling effect is restricted by the high vapour pressure preventing evaporation, but greater velocities (above 1.5 to 2 m/s) will have some effect. It is most significant in medium humidities (35 to 60%).

• Cooling by air movement is most needed where there are no other forms of heat dissipation available, when the air is as warm as the skin and the surrounding surfaces are also at a similar temperature. 

• The movement of air past the skin surface accelerates heat dissipation in two ways:– increasing convective heat loss– accelerating evaporation

Physiological cooling

`WHAT IS BEING DONE HERE?

AIR FLOW THROUGH BUILDINGS• Airflow patterns can only be predicted on the basis of 

empirical rules derived from measurements in actual buildings or in wind tunnel studies.

FACTORS AFFECTING VENTILATION

FACTORS AFFECTING VENTILATION• On the basis of such experimental observations the following 

factors can be isolated which affect the indoor air flow (both patterns and velocities):

– a orientation– b external features– c cross‐ventilation– d position of openings– e size of openings– f controls of openings

ORIENTATION• The greatest pressure on the windward side of a building is 

generated when the elevation is at right angles to the wind direction, so it seems to be obvious that the greatest indoor air velocity will be achieved in this case.

• A wind incidence of 45° would reduce the pressure by 50%.• Thus the designer must ascertain the prevailing wind direction 

from wind frequency charts of wind roses and must orientate his building in such a way that the largest openings are facing the wind direction.

ORIENTATION• It has, however, been found by Givoni that a wind incidence at 

45° would increase the average indoor air velocity and would provide a better distribution of indoor air movement.

Figure 71 shows his findings: the relative velocities (with the free air speed taken as 100%) measured at a height of 1.2 m above floor level.

ORIENTATION• In the second case a greater velocity is created along the 

windward faces, therefore the wind shadow will be much broader, the negative pressure (the suction effect) will be increased and an increased indoor air flow will result. 

EXTERNAL FEATURES• Wind shadows created by obstructions upwind, should be 

avoided in positioning the building on the site and in positioning the openings in the building.

• For this reason (or to avoid specific obstructions) the building is often elevated on stilts.

• External features of the building itself can strongly influence the pressure build‐up.

• Any extension of the elevational area facing the wind will increase the pressure build‐up.

• For example, the air flow is at 45° to an elevation, a wing‐wall at the downwind end or a projecting wing of L‐shaped building can more than double the positive pressure created. 

• A similar 'funnelling‘ effect can be created by upward projecting eaves. 

CROSS VENTILATION• Providing inlets and outlets to promote the flow of air 

through a building is called cross ventilation.• In the absence of an outlet opening or with a full partition 

there can be no effective air movement through a building even in a case of strong winds. 

• With a windward opening and no outlet, a pressure similar to that in front of the building will be built up indoors, which can make conditions even worse, increasing discomfort. In some cases oscillating pressure changes, known as 'buffeting' can also occur. 

CROSS VENTILATION• Air flow loses much of its kinetic energy each time it is 

diverted around or over an obstacle.• Several right‐angle bends, such as internal walls or furniture 

within a room can effectively stop a low velocity air flow [65]. Where internal partitions are unavoidable, some air flow can be ensured if partition screens are used, clear of the floor and the ceiling.

POSITION OF OPENINGS• To be effective, the air movement must be directed at the 

body surface.• In building terms this means that air movement must be 

ensured through the space mostly used by the occupants: through the 'living zone‘.

SIZE OF OPENINGS• With a given elevational area – a given total wind force 

(pressure × area) – the largest air velocity will be obtained through a small inlet opening with a large outlet. 

• This is partly due to – the total force acting on a small area, forcing air through the opening 

at a high pressure, and – partly due to the 'venturi effect': in the broadening funnel (the 

imaginary funnel connecting the small inlet to the large outlet) the sideways expansion of the air jet further accelerates the particles.

• The best arrangement is full wall openings on both sides, with adjustable sashes or closing devices which can assist in channelling the air flow in the required direction, following the change of wind.

CONTROLS OF OPENINGS• Sashes, canopies, louvres and other elements controlling the 

openings, also influence the indoor air flow pattern.• Sashes can divert the air flow upwards. Only a casement or 

reversible pivot sash will channel it downwards into the living zone (Figure 77).

CONTROLS OF OPENINGS: SASHES

CONTROLS OF OPENINGS• Canopies can eliminate the effect of pressure build‐up above 

the window, thus the pressure below the window will direct the air flow upwards. 

• A gap left between the building face and the canopy would ensure a downward pressure, thus a flow directed into the living zone (Figure 78).

CONTROLS OF OPENINGS: canopy

CONTROLS OF OPENINGS• Louvres and shading devices may also present a problem. • The position of blades in a slightly upward position would still 

channel the flow into the living zone (up to 20° upwards from the horizontal) (Figure 79).

• Nets are vital in insect infested areas.• A cotton net can give a reduction of 70% in air velocity. A 

smooth nylon net is better, with a reduction factor of only approximately 35%.

CONTROLS OF OPENINGS: louvres

CONTROLS OF OPENINGSLe Corbu

sier: Carpen

ter cen

ter

AIRFLOW AROUND BUILDINGS• Air stream separates on the face of a tall block, part of it 

moving up and over the roof part of it down, to form a large vortex leading to a very high pressure build‐up. 

• An increased velocity is found at ground level at the sides of the tall block. This could serve a useful purpose in hot climates, although if the tall block is not fully closed but is permeable to wind, these effects may be reduced.

AIRFLOW AROUND BUILDINGS• A series of studies in Australia [67], relating to low industrial 

buildings, produced the surprising (but post facto obvious) result that if a low building is located in the wind shadow of a tall block (Figure 82), the increase in height of the obstructing block will increase the air flow through the low building in a direction opposite to that of the wind. 

• The lower (return‐) wing of a large vortex would pass through the building.

AIRFLOW AROUND BUILDINGS• if in a rural setting in open country, single storey buildings are 

placed in rows in a grid‐iron pattern, stagnant air zones leeward from the first row will overlap the second row.

• A spacing of six times the building height is necessary to ensure adequate air movement for the second row. 

AIRFLOW AROUND BUILDINGSIn a similar setting, if the buildings are staggered in a checker‐board pattern, the flow field is much more uniform, stagnant air zones are almost eliminated.

HUMIDITY CONTROL• Dehumidification is only possible by mechanical means, 

without this, in warm‐humid climates, some relief can be provided by air movement. 

• In hot‐dry climates humidification of the air may be necessary, which can be associated with evaporative cooling. 

• In these climates the building is normally closed to preserve the cooler air retained within the structure of high thermal capacity, also to exclude sand and dust carried by winds. 

• All these functions:– controlled air supply– filtering out sand and dust– evaporative cooling– humidification

are served by a device used in some parts of Egypt– wind scoop.

HUMIDITY CONTROL: WIND SCOOP• The large intake opening captures air movement above the 

roofs in densely built up areas. • The water seeping through the porous pottery jars 

evaporates, some drips down onto the charcoal placed on a grating, through which the air is filtered. 

• The cooled air assists the downward movement – a reversed stack effect.

• This device is very useful for ventilation (the above four functions), but it cannot be expected to create an air movement strong enough for physiological cooling.

HUMIDITY CONTROL: WIND SCOOP

HUMIDITY CONTROL: EXAMPLES• In some parts of India a curtain made of cascas grass is often 

hung in front of windows on the windward side. • This is wetted by throwing a bucket of water against it from 

time to time. • The grass is highly absorptive and retains the moisture for a 

long time. • The wind passing through the loose textured mat curtain is 

both cooled and humidified.• Desert cooler also works on similar principles.

BIBLIOGRAPHY

• Koenigsberger, O. H., Manual of Tropical Housing and building, Orient Longman private limited, 1973.