KLIMATIZACE A PRŮMYSLOVÁ VZDUCHOTECHNIKA
Prof. Ing. František Drkal, CSc. Ing. Miloš Lain, Ph.D. Ing. Jan Schwarzer, Ph.D. Ing. Vladimír Zmrhal, Ph.D.
Praha 2009 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
Jednotlivé kapitoly sepsali: Prof. Ing. František Drkal, CSc. - kapitoly 1, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 15 a 16 Ing. Miloš Lain, Ph.D. - kapitoly 2, 5, 11 a 19 Ing. Jan Schwarzer, Ph.D. - kapitoly 12, 13, 14, 17 a 18 Ing. Vladimír Zmrhal, Ph.D. - kapitola 10
Obsah 1
Charakteristika oboru větrání a klimatizace................................................................ 7 1.1 Vývoj oboru................................................................................................................ 7 1.2 Požadavky na úpravu prostředí .................................................................................. 8 1.3 Literatura .................................................................................................................... 9 2 Hlavní funkční prvky větracích a klimatizačních zařízení......................................... 10 2.1 Ohřívače ................................................................................................................... 12 2.1.1 Vodní ohřívače ................................................................................................. 12 2.1.2 Parní ohřívače................................................................................................... 15 2.1.3 Elektrické ohřívače........................................................................................... 15 2.1.4 Chladivové ohřívače......................................................................................... 16 2.1.5 Spalovací komory............................................................................................. 16 2.2 Chladiče.................................................................................................................... 17 2.2.1 Vodní chladiče.................................................................................................. 17 2.2.2 Přímé výparníky ............................................................................................... 19 2.3 Ventilátory................................................................................................................ 19 2.4 Vlhčení vzduchu....................................................................................................... 21 2.4.1 Parní zvlhčovače .............................................................................................. 21 2.4.2 Zvlhčování vodou............................................................................................. 23 2.5 Čištění vzduchu ........................................................................................................ 24 2.5.1 Třídění filtrů ..................................................................................................... 25 2.5.2 Použití hrubých filtrů ....................................................................................... 25 2.5.3 Použití jemných filtrů....................................................................................... 25 2.5.4 Použití vysoceúčinných filtrů........................................................................... 26 2.5.5 Provedení filtrů................................................................................................. 26 2.6 Zpětné získávání tepla.............................................................................................. 26 2.7 Odvlhčování ............................................................................................................. 28 2.7.1 Adsorpční odvlhčování .................................................................................... 28 2.7.2 Kondenzační odvlhčování ................................................................................ 29 2.8 Další funkční prvky větracích a klimatizačních zařízení ......................................... 29 2.9 Provedení a návrh klimatizačních jednotek ............................................................. 29 2.10 Literatura .................................................................................................................. 30 3 Rozptýlení vzduchu v místnostech................................................................................ 31 3.1 Obecné poznatky ...................................................................................................... 31 3.2 Vyústky pro přívod vzduchu .................................................................................... 32 3.2.1 Obdélníkové mřížky......................................................................................... 32 3.2.2 Trysky............................................................................................................... 33 3.2.3 Vířivé anemostaty ............................................................................................ 35 3.2.4 Stropní štěrbiny ................................................................................................ 36 3.2.5 Podlahové vyústky ........................................................................................... 37 3.2.6 Velkoplošné vyústky ........................................................................................ 37 3.2.7 Textilní vyústky................................................................................................ 38 3.3 Modelování rychlostních, teplotních a koncentračních polí .................................... 39 3.3.1 Metody počítačové simulace ............................................................................ 39 3.3.2 Metoda přímé simulace .................................................................................... 39 3.3.3 Metoda velkých vírů......................................................................................... 39 3.3.4 Metoda časového středování ............................................................................ 40 3.3.5 Modelování proudění v blízkosti stěny ............................................................ 40 3.3.6 Dvouvrstvý model ............................................................................................ 40 1
4
5
6
7
8
9
3.3.7 Stěnové funkce ................................................................................................. 41 3.3.8 Obecný postup řešení ....................................................................................... 41 3.4 Hodnocení kvality větrání ........................................................................................ 43 3.5 Literatura .................................................................................................................. 45 Klimatizační systémy ..................................................................................................... 46 4.1 Třídění klimatizačních systémů ............................................................................... 47 4.2 Charakteristické vlastnosti klimatizačních systémů................................................. 47 4.2.1 Vzduchové, vodní, kombinované, chladivové systémy ................................... 47 4.2.2 Systémy jednozónové, vícezónové .................................................................. 48 4.3 Porovnání vzduchových, vodních a chladivových systémů..................................... 48 4.3.1 Vzduchový systém, jednokanálový nízkotlaký – vzduchovod pro chlazení.... 48 4.3.2 Vzduchový systém, jednokanálový vysokorychlostní (vysokotlaký) – vzduchovod pro chlazení.................................................................................. 49 4.3.3 Vodní systém s ventilátorovými konvektory - rozvod vody pro chlazení ...... 49 4.3.4 Chladivový systém – rozvod kapalného/plynného chladiva ............................ 50 4.3.5 Výsledek porovnání.......................................................................................... 50 4.4 Literatura .................................................................................................................. 50 Zdroje chladu pro klimatizační zařízení ...................................................................... 51 5.1 Chladicí faktor.......................................................................................................... 52 5.2 Výparníky................................................................................................................. 54 5.3 Vodou chlazené kondenzátory ................................................................................. 54 5.4 Vzduchem chlazené kondenzátory........................................................................... 56 5.5 Adiabatické chlazení kondenzátorů ......................................................................... 58 5.6 Regulace zdrojů chladu ............................................................................................ 59 5.7 Absorpční zdroje chladu........................................................................................... 59 5.8 Alternativní zdroje chladu........................................................................................ 59 5.8.1 Noční chlazení.................................................................................................. 59 5.8.2 Adiabatické chlazení ........................................................................................ 59 5.8.3 Využití chladu zemského polomasivu.............................................................. 60 5.9 Literatura .................................................................................................................. 60 Vzduchové klimatizační systémy .................................................................................. 61 6.1 Vzduchový jednokanálový systém, jednozónový .................................................... 61 6.2 Vzduchový jednokanálový systém s proměnným průtokem vzduchu, vícezónový. 61 6.3 Vzduchový dvoukanálový vícezónový systém ........................................................ 62 6.4 Literatura .................................................................................................................. 63 Vodní klimatizační systém s ventilátorovými konvektory.......................................... 64 7.1 Popis systému........................................................................................................... 64 7.2 Funkce systému a ventilátorového konvektoru........................................................ 65 7.2.1 Letní provoz (φI není zadáno) .......................................................................... 65 7.2.2 Zimní provoz (φI = 0,5) ................................................................................... 65 7.3 Literatura .................................................................................................................. 67 Kombinovaný klimatizační systém vzduch-voda s indukčními jednotkami............. 68 8.1 Popis systému........................................................................................................... 68 8.2 Funkce systému a indukční jednotky ....................................................................... 68 8.2.1 Letní provoz (φI není zadáno)......................................................................... 69 8.2.2 Zimní provoz (φI = 0,5).................................................................................. 69 8.3 Literatura .................................................................................................................. 71 Chladivové systémy ........................................................................................................ 72 9.1 Koncepce systémů.................................................................................................... 72 9.2 Split systém, jednozónový........................................................................................ 72
2
9.3 Multisplit systém, vícezónový s konstantním průtokem chladiva ........................... 72 9.4 Multisplit systém, vícezónový s proměnným průtokem chladiva............................ 73 9.5 Literatura .................................................................................................................. 74 10 Chladicí stropy................................................................................................................ 75 10.1 Výhody a nevýhody ................................................................................................. 75 10.1.1 Riziko kondenzace ........................................................................................... 75 10.1.2 Tepelný komfort ............................................................................................... 75 10.1.3 Úspory energie ................................................................................................. 76 10.2 Rozdělení chladicích stropů ..................................................................................... 76 10.3 Základní typy chladicích stropů ............................................................................... 77 10.3.1 Potrubní systémy .............................................................................................. 78 10.3.2 Sálavé chlazení s akumulační hmotou - aktivace betonu................................. 79 10.3.3 Kapilární rohože............................................................................................... 79 10.3.4 Chladicí panely................................................................................................. 79 10.3.5 Otevřené chladicí stropy................................................................................... 80 10.3.6 Speciální provedení .......................................................................................... 80 10.4 Sdílení tepla v prostoru s chladicím stropem ........................................................... 80 10.5 Výkony chladicích stropů......................................................................................... 81 10.6 Literatura .................................................................................................................. 82 11 Větrání bytů a rodinných domků ................................................................................. 83 11.1 Větrání bytů.............................................................................................................. 83 11.2 Větrání rodinných domů........................................................................................... 85 11.3 Literatura .................................................................................................................. 85 12 Větrání kuchyní .............................................................................................................. 86 12.1 Průtok odsávaného vzduchu..................................................................................... 87 12.2 Průtok přiváděného vzduchu.................................................................................... 88 12.3 Hlavní zásady ........................................................................................................... 89 12.4 Literatura .................................................................................................................. 91 13 Větrání a klimatizace bazénů ........................................................................................ 92 13.1 Tepelná a vlhkostní zátěž ......................................................................................... 92 13.1.1 Tepelné zisky sluneční radiací okny ................................................................ 92 13.1.2 Prostup tepla stavebními konstrukcemi............................................................ 93 13.1.3 Tepelné zisky od osob ...................................................................................... 93 13.1.4 Přestup tepla mezi vodní hladinou a okolním vzduchem................................. 93 13.1.5 Zátěž vázaným teplem...................................................................................... 93 13.1.6 Množství odpařené vody .................................................................................. 93 13.2 Celková tepelná bilance ........................................................................................... 94 13.3 Dimenzování větracího zařízení............................................................................... 94 13.4 Distribuce vzduchu................................................................................................... 97 13.5 Literatura .................................................................................................................. 98 14 Čisté prostory.................................................................................................................. 99 14.1 Klasifikace čistých prostorů ..................................................................................... 99 14.2 Zdroje částic ........................................................................................................... 101 14.3 Systém větrání a klimatizace.................................................................................. 102 14.4 Literatura ................................................................................................................ 105 15 Větrání garáží ............................................................................................................... 106 15.1 Principy větrání garáží ........................................................................................... 106 15.1.1 Zdroje znečišťování ovzduší .......................................................................... 106 15.1.2 Větrací systémy .............................................................................................. 106 15.2 Výchozí podklady pro návrh větrání garáží ........................................................... 107
3
15.2.1 Přípustné výpočtové koncentrace oxidu uhelnatého ...................................... 107 15.2.2 Emise oxidu uhelnatého ................................................................................. 108 15.2.3 Parkovací doba, frekvence výměny vozidel v garáži, současný výjezd........ 109 15.2.4 Délka trasy vozidel, doba jízdy ...................................................................... 110 15.2.5 Doba volnoběhu ............................................................................................. 110 15.3 Průtok vzduchu pro parkovací garáže s průběžnou výměnou vozidel .................. 111 15.3.1 Emise oxidu uhelnatého v úseku garáže ........................................................ 111 15.3.2 Průtok vzduchu pro větrání úseku garáže ...................................................... 111 15.3.3 Měrný průtok vzduchu vztažený na počet stání vozidel v úseku ................... 112 15.4 Literatura ................................................................................................................ 112 16 Větrání plynových kotelen........................................................................................... 113 16.1 Požadavky na přívod vzduchu................................................................................ 113 16.1.1 Přívod spalovacího vzduchu........................................................................... 113 16.1.2 Požadovaná intenzita větrání, bezpečnost plynových kotelen ....................... 115 16.1.3 Tepelný stav v kotelnách................................................................................ 117 16.1.4 Tepelná zátěž kotelen ..................................................................................... 117 16.2 Systémy větrání plynových kotelen ....................................................................... 118 16.2.1 Obecné zásady pro větrací systémy ............................................................... 119 16.2.2 Přirozené větrání ............................................................................................ 119 16.2.3 Nucené, sdružené větrání ............................................................................... 121 16.3 Literatura ................................................................................................................ 121 17 Větrání halových objektů ............................................................................................ 122 17.1 Provozy teplé a horké............................................................................................. 122 17.1.1 Teplotní součinitel B ...................................................................................... 122 17.1.2 Průtok větracího vzduchu............................................................................... 123 17.1.3 Účinný tlak ..................................................................................................... 124 17.1.4 Stanovení velikosti aeračních otvorů ............................................................. 125 17.1.5 Okrajové podmínky výpočtu a kombinované větrání .................................... 125 17.2 Chladné provozy .................................................................................................... 126 17.2.1 Specifické vlastnosti chladných provozů ....................................................... 126 17.2.2 Zaplavovací větrání kombinované se sálavým vytápěním............................. 128 17.3 Literatura ................................................................................................................ 129 18 Požární větrání ............................................................................................................. 130 18.1 Větrání únikových cest........................................................................................... 130 18.2 Větrání požárních úseků......................................................................................... 132 18.2.1 Přirozené větrání požárních úseků ................................................................. 133 18.2.2 Nucené požární větrání................................................................................... 134 18.3 Požární klapky........................................................................................................ 135 18.4 Literatura ................................................................................................................ 136 19 Potřeba energie pro větrání a klimatizaci budov ...................................................... 137 19.1 Roční spotřeba energie ........................................................................................... 137 19.2 Literatura ................................................................................................................ 138 Příloha 12.1 .......................................................................................................................... 139
4
Označení B C
teplotní součinitel (-) 3
koncentrace (mg/m , ppm) 3
H I
n
otáčky (1/s, 1/min.)
p
tlak (Pa)
kumulativní četnost částic (1/m )
pv parciální tlak vodních par (Pa)
hybnost proudu (N)
pvs parciální tlak sytých vodních par (Pa)
výhřevnost plynného paliva (MJ/m3)
q
měrný tepelný tok (W/m2)
intenzita sluneční radiace (W/m2)
r
měrná plynová konstanta (J/kg K)
intenzita větrání (1/h)
poloměr (m) tepelný odpor (m2 K/W)
M hmotnost (kg) hmotnostní průtok (kg/s)
t
teplota (°C)
objem (m3)
w
rychlost (m/s)
odlučivost (%)
x
měrná vlhkost (kg/kgs.v., g/kgs.v.)
P
příkon (W)
x,y délkový rozměr (m)
Q
teplo (J)
O
tepelný tok (W) R
2
tepelný odpor (m K/W)
Φ
teplotní faktor (-)
Ψ
vlhkostní faktor (-)
α
součinitel přestupu tepla (W/m2 K)
2
S
průřez, plocha (m )
T
termodynamická teplota (K)
Tu intenzita turbulence (-) U
úhel (°) 2
součinitel prostupu tepla (W/m K)
β
součinitel přenosu hmoty (m/h)
δ
směr změny v h –x diagramu (J/kgs.v.)
ε
emisivita (-)
ζ
součinitel místní ztráty (-)
a,b délkový rozměr (m)
η
účinnost (-)
c
měrná tepelná kapacita (J/kg K)
λ
součinitel tření (-)
cč
součinitel sálání dokonale černého tělesa (W/m2 K4)
3
V objemový průtok (m /s) a
d
rozměr (průměr) částice (µm)
součinitel přebytku vzduchu (-) µ
průměr (m)
průtokový součinitel (-)
délkový rozměr (m) f
frekvence (Hz, 1/h) 2
g
tíhové zrychlení (m/s )
h
měrná entalpie (J/kgs.v.)
ν
kinematická viskozita (m2/s)
ρ
hustota (kg/m3)
τ
čas (s,h)
τstř místní střední stáří vzduchu (s)
výška (m) l
dynamická viskozita (Paּs)
φ
skupenské teplo (J/kg) délkový rozměr (m)
5
relativní vlhkost vzduchu (%, -)
1 Charakteristika oboru větrání a klimatizace 1.1 Vývoj oboru Úprava prostředí pro vytvoření tepelného komfortu i čistého ovzduší úzce souvisí s vývojem lidské civilizace. Již v období starověku, ale i později v novověku nalezneme ve stavbách a obydlích technická řešení větrání i tepelné a vlhkostní úpravy vnitřního ovzduší, i z dnešních hledisek, plně funkční. Vývoj poznatků o hygieně člověka vedl k postupnému definování hygienických požadavků na kvalitu tepelného a vlhkostního mikroklimatu i čistoty ovzduší a na související problematiku větrání. Nucené větrání se uplatnilo nejprve v dolech, později byly nuceně větrány budovy nemocnic, divadel i průmyslových dílen. I když o škodlivinách vznikajících při různé pracovní činnosti psal již v roce 1700 italský lékař B. Ramazzini (1633 - 1714), teprve v roce 1859 byl vydán v Rakousko-Uhersku živnostenský zákon, který kromě jiného kladl majitelům živností zajistit větrání a čistotu pracoven. Dávka venkovního vzduchu v místnostech, kde pobývají lidé, byla stanovena Maxem von Pettenkoferem v roce 1877 [1.1] z podmínky, aby koncentrace oxidu uhličitého ve vnitřním vzduchu nepřekročila 0,1 obj. % (Pettenkoferovo číslo); odpovídající dávka vzduchu pro běžnou činnost tak činila přibližně 25 m3/h osobu. První českou práci z oboru větrání publikoval Jan Ev. rytíř Purkyně (vrchní inženýr odboru pro ústřední topení a větrání při První českomoravské továrně na stroje v Praze) "Topení a větrání obydlí lidských (1890)". V roce 1904 publikoval ve Vídni lékař Josef Rambousek, od roku 1907 soukromý docent na německé vysoké škole technické v Praze, spis "Luftverunreinigung und Ventilation mit Rücksicht auf Industrie und Gewerbe" pravděpodobně první spis, pojednávající o znečištění ovzduší a větrání v průmyslu. Počátky klimatizace, založené na přirozených principech proudění, přenosu tepla i vlhkosti, nalezneme již v minulosti. Jak uvádí Carrier [1.2], v některých oblastech Indie, za horkého období, bylo využito intenzivního stabilního proudění větru k úpravě teploty a vlhkosti v palácových stavbách. Přes otvory na návětrné straně budov byly zavěšovány vlhčené rohože z trávy k adiabatickému chlazení (vypařováním) přiváděného vzduchu. Rohože byly vlhčeny ručně, nebo z perforovaných žlabů, zásobovaných gravitačně vodou z rezervoáru. Prvky úpravy vzduchu, o kterých lze říci, že později formovaly "klimatizaci" byly uplatněny v Anglii v druhé polovině 19. století v několika budovách (parlament v Londýně, koncertní hala v Liverpoolu) - nucený přívod i odvod čerstvého venkovního a oběhového vzduchu ventilátory, ohřev vzduchu parními ohřívači, vlhčení a chlazení vzduchu sprchováním vodou, vlhčení přidáváním páry i chlazení užitím přírodního ledu. V USA byl poprvé použit pojem "air conditioning" v textilním průmyslu. Navrhl jej v roce 1907 S.W. Cramer v příspěvku o úpravě vlhkosti v textilních továrnách pro National Cotton Manufacturers Association. K podstatnému pokroku v klimatizační technice přispěly vědecké práce z oblasti termodynamiky vlhkého vzduchu (vytvoření diagramu a tabulek vlhkého vzduchu). V USA to byly práce Dr. W. H. Carriera, který v roce 1911 připravil text "Rational Psychrometric Formulae - Their Relation to the Problems of Meteorology and of Air Conditioning", vycházející z jeho předchozí několikaleté práce z oboru psychrometrie (termodynamiky vlhkého vzduchu). V práci byly publikovány vztahy mezi veličinami určujícími stav vlhkého vzduchu společně s psychrometrickým diagramem. Diagram vlhkého vzduchu se v americké literatuře označuje jako psychrometrický diagram (psychrometric chart); původně byl konstruován v souřadnicích t (teplota vzduchu) a tm (teplota mokrého teploměru); v současnosti jsou to souřadnice h -x (entalpie - měrná vlhkost). 7
V Evropě (r. 1923 a 1929) publikoval diagram vyjadřující vztah entalpie a měrné vlhkosti vzduchu (h-x diagram podle Molliera) R. Mollier [1.3], [1.4]. Rozdílnost diagramů vlhkého vzduchu podle Molliera a psychrometrického diagramu ASHRAE je pouze v poloze souřadných os.
1.2 Požadavky na úpravu prostředí Klimatizace se tradičně zabývá tepelnou a vlhkostní úpravou vzduchu, větráním (přívodem čerstvého vzduchu) a prouděním vzduchu, spojeným s filtrací vzduchu. Do historicky starších oborů vytápění a větrání přinesla procesy vlhčení, chlazení i odvlhčování vzduchu a automatické řízení úpravy vzduchu v závislosti na změnách klimatických podmínek. Požadovaný stav vzduchu v místnostech určují dvě základní hlediska - požadavky osob (klimatizace pro komfort) a požadavky technologické, procesní (a obdobné, např. biologické v prostředí pro rostliny, zvířata). Jsou oblasti, kde se obě hlediska propojují – u technologií s vysokými nároky na kvalitu ovzduší se mohou vyskytovat i náročné požadavky na kvalitu prostředí pro činnost osob (řídící počítačová střediska, operační sály aj.); mohou však nastat i případy, kdy požadavky jsou značně rozdílné. Stále se rozšiřující požadavky na uplatnění klimatizačních systémů přináší i jejich nová technická řešení. Úprava vzduchu může být velmi jednoduchá (dílčí), pro dodržení pouze některého parametru ovzduší (např. pouze teploty), nebo komplexní (úplná) pro přesné dodržení všech definovaných parametrů v přísných tolerancích. Hlavní určující veličiny tepelného a vlhkostního stavu prostředí pro komfortní klimatizaci jsou: teplota vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, rychlost proudění vzduchu, intenzita turbulence a střední radiační teplota (vyjadřující sálavý účinek ploch v místnosti). Současný vliv teploty vzduchu, střední radiační teploty i rychlosti proudění vzduchu vyjadřuje operativní teplota - určující parametr tepelného stavu prostředí pro osoby [1.7]. Teplota vnitřního vzduchu pro komfortní klimatizaci se pohybuje v rozmezí 22 °C (v zimě) až 26 °C (v létě). Maximální rozdíl mezi teplotou venkovního vzduchu a teplotou vzduchu ve vnitřním klimatizovaném prostředí nemá (dle hygienických doporučení) překročit 6 K; tj. při venkovní teplotě 32 °C by neměla teplota vnitřního vzduchu poklesnout pod 26 °C. Relativní vlhkost vnitřního vzduchu je pro potřeby komfortu obvykle definována v širokých mezích: 30 až 70 %, i když optimální hodnota se uvádí 50 %. Výzkumy v posledních letech ukazují, že lidé subjektivně preferují relativní vlhkost poněkud nižší než 50 %. Rychlost proudění vzduchu v pásmu pobytu osob v klimatizovaném prostoru se zpravidla požaduje v úzkém rozmezí 0,1 až 0,2 m/s. Intenzita turbulence dosahuje v klimatizovaném prostředí hodnot 10 až 60 %. Nižší hodnoty se dosahují u usměrněného proudění – vytěsňováním, zaplavováním, vyšší hodnoty u přívodu vzduchu směšováním – např. u vířivých výustí. Při vyšší intenzitě turbulence pociťuje člověk vyšší ochlazovací účinek. Čistotu vnitřního ovzduší definují požadavky na limitní obsah škodlivin v ovzduší - pro pracovní prostředí platí přípustné expoziční limity (PEL) a nejvyšší přípustné koncentrace NPK -P [1.7]. Základním požadavkem při úpravě stavu prostředí kde vznikají škodliviny je pokud možno vyloučit tok škodlivin do upravovaného prostředí; zde se uplatňují v nejširší míře technologická opatření a účinné místní odsávání. Přívod čerstvého venkovního vzduchu do komfortního i pracovního prostředí pro osoby lze řešit přirozeně i nuceně. V kombinaci s klimatizací se přívod čerstvého vzduchu řeší vždy nuceně. Požadované dávky čerstvého vzduchu pro osoby (m3/h os.) viz [1.7]. 8
Klimatizace pro technologické účely zpravidla upravuje teplotu vzduchu a relativní vlhkost vzduchu; častým požadavkem bývá i vysoká kvalita čistoty vnitřního vzduchu, zvláště se požadují limitní koncentrace i velmi jemných tuhých částic. Pro mnohá zařízení se požadují konstantní parametry prostředí celoročně a to i ve velmi úzkém tolerančním pásmu. Větrání (přívod čerstvého venkovního vzduchu) u zařízení pro technologii, pokud v prostorech nejsou přítomny osoby, není nutné - což je poměrně málo častý případ. Ve všech případech je však třeba udržovat v prostorech vyváženou vzduchovou bilanci - průtok odpadního vzduchu se nahrazuje přívodem venkovního vzduchu. V technologických provozech, např. v jaderných elektrárnách, jsou přísné požadavky na proudění vzduchu mezi místnostmi; mezi místnostmi s různými požadavky na kvalitu ovzduší se udržuje tlakový rozdíl, tak aby čerstvý vzduch z náročných provozů proudil přetlakem do prostorů méně náročných. Třídění větracích a klimatizačních systémů v odborné literatuře není jednotné, ani v literatuře evropské (např. německé [1.6]) a americké [1.5]). Německá terminologie spojuje větrací a klimatizační systémy v jeden celek. Třídění větrání a klimatizace zde vychází z pojmu "Lufttechnik" (vzduchotechnika) s dělením na: a) "Raumlufttechnik" (vzduchotechnika místností, prostorová vzduchotechnika), b) "Prozesslufttechnik" (procesní vzduchotechnika, kam se řadí sušení, technologické odlučování, pneumatický transport aj.). Americká literatura naproti tomu nezná pojem ekvivalentní pojmům "vzduchotechnika", "Lufttechnik". Rovněž třídění, obdobné německé literatuře, se v americké literatuře nevyskytuje, přednostně jsou popisovány jednotlivé konkrétní systémy. Přehled větracích a klimatizačních systémů v české literatuře poskytuje publikace [1.8]. Terminologickou pomůckou je Názvoslovný výkladový slovník z oboru Techniky prostředí [1.9]. Předložený text Klimatizace a průmyslová vzduchotechnika navazuje na současně vydávaný text Vzduchotechnika [1.7]. V jednotlivých kapitolách předloženého textu se předpokládají základní znalosti, které jsou obsahem publikace [1.7].
1.3 Literatura [1.1] [1.2] [1.3] [1.4] [1.5] [1.6] [1.7] [1.8] [1.9]
PETTENKOFER, Max,v. Über den Luftwechsel in Wohngebäuden. München: Literarisch-Artistische Anstalt der J.G.Cottaschen Buchhandlung, 1858. CARRIER, W. H.; CHERNE, R. E.; GRANT, W. A. Modern Air Conditioning, Heating and Ventilating. New York: Pitman Publishing Corp,1940. MOLLIER, R. Ein Neues Diagramm für Dampfluftgemische. Z VDI 67, 1923. MOLLIER, R. Das i-x Diagramm für Dampfluftgemische. Z VDI 73, 1929. 2008 ASHRAE Handbook. HVAC Systems and Equipment. Atlanta: ASHRAE, Inc., 2008. ISBN 978-1-933742-34-2. SCHRAMEK, E.R. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München: Oldenbourg Industrieverlag, 2007. ISBN 10:3-8356-3104-7. DRKAL, F.; LAIN, M.; SCHWARZER, J.; ZMRHAL, V. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2010. CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3.vyd. Brno: BOLIT-B-press, 1993. ISBN 80-901574-0-8. Názvoslovný výkladový slovník z oboru Technika prostředí. 2. vyd. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2008. ISBN 978-80-02-02081-3.
9
2 Hlavní funkční prvky větracích a klimatizačních zařízení Větrací a klimatizační zařízení lze dělit podle funkce na zařízení pro větrání, teplovzdušné vytápění, částečnou klimatizaci nebo úplnou klimatizaci. Dále se rozlišují zařízení pro pouze přívod vzduchu (přetlaková), kdy je odvod vzduchu z větraného prostoru zajištěn otvory a netěsnostmi, zařízení pouze pro odvod vzduchu, kdy je přívod neupraveného vzduchu zajištěn otvory a netěsnostmi, a zařízení s nuceným odvodem i přívodem, případně zařízení cirkulační bez větrání. V praxi se pak vyskytují zařízení s následujícími funkcemi. 1. Větrání pouze nuceným odvodem znečištěného vzduchu se používá pro větrání hygienických zařízení a menších provozoven. Vzduch se dostává do větraného prostředí otvory a netěsnostmi buď z venkovního prostředí nebo z okolních místností (kaskádové větrání). Jediným funkčním prvkem takových zařízení je odtahový ventilátor. Tepelnou úpravu přiváděného vzduchu musí zajistit systém vytápění. Filtrace ani vlhčení nejsou zajištěny. 2. Větrání nuceným přívodem čerstvého venkovního vzduchu může být bez ohřevu, s ohřevem na teplotu větrané místnosti nebo kombinované s teplovzdušným vytápěním, kdy je větrací vzduch ohříván na teplotu vyšší než je teplota prostoru. Větrací zařízení (jednotky) obsahují filtr, ventilátor, většinou ohřívač a výjimečně i zvlhčovač. Odvod vzduchu je otvory a netěsnostmi. Ve větrané místnosti vzniká přetlak. Při větších průtocích vzduchu je třeba odváděcí otvory vhodně dimenzovat, aby byl zajištěn odvod vzduchu. 3. Větrací zařízení s nuceným přívodem čerstvého venkovního vzduchu a současně i nuceným odvodem vzduchu znečištěného. Jednotky tohoto typu mají dva ventilátory (jeden pro přívod, druhý pro odvod), filtr (vždy v přívodu, případně i v odvodu), někdy zařízení pro zpětné získávání tepla, většinou ohřívač a výjimečně zvlhčovač. Větrací jednotky s ventilátory, filtry a rekuperačním deskovým výměníkem tepla se často označují jako jednotky rekuperační a pro větrání rodinných domů, bytů a malých provozoven bývají v provedení s vysokou účinností ZZT a bez ohřívače. 4. Zařízení pro teplovzdušné vytápění pracují především s oběhovým vzduchem. Obsahují ventilátor, ohřívač a většinou i filtr. 5. Místní cirkulační jednotky pro dílčí klimatizaci. Tyto jednotky zajišťují chlazení, případně i vytápění prostoru. Jejich funkčními prvky jsou ventilátory, chladiče, filtry i ohřívače; jednotky jsou napojeny na centrální zdroje tepla a chladu. V provedení s vodními výměníky se označují ventilátorové konvektory (fan coil), v případě přímých výparníků jsou to vnitřní jednotky split či VRV systémů. 6. Klimatizační jednotky zajišťují kompletní úpravu vzduchu a obsahují ventilátory (přívod, odvod), filtry, ohřívače, chladiče, někdy ZZT, obvykle i zvlhčovače, případně další prvky. Tato kapitola je věnována především klimatizačním jednotkám. Větrací a klimatizační zařízení lze dělit podle typu konstrukce na: • Samostatné prvky určené pro montáž do potrubí. • Sestavné větrací, či klimatizační jednotky (podstropní, centrální). • Kompaktní větrací, či klimatizační jednotky (podstropní, centrální, skříňové). • Vnitřní cirkulační jednotky (parapetní, podstropní, nástěnné, kazetové, případně podlahové). • Komorová zděná klimatizační zařízení, která se nyní již neinstalují.
10
Sestavné i kompaktní jednotky pro větrání nebo klimatizaci se někdy označují souhrnným pojmem vzduchotechnické jednotky. Samostatné prvky pro montáž do potrubí se používají především pro menší průtoky vzduchu. Jejich využití je převážně u zařízení určených pouze pro větrání.
Obr. 2.1 Samostatné prvky pro montáž do potrubí: radiální ventilátor do čtyřhranného potrubí (vlevo), elektrický ohřívač (uprostřed) a radiální ventilátor do kruhového potrubí (vpravo) Sestavné větrací a klimatizační jednotky jsou velmi rozšířené. Vzduchotechnická jednotka je složena z jednotlivých komor s funkčními prvky. Komory daného typu mají shodné připojovací rozměry a lze je tedy spojovat a kombinovat do různých sestav podle potřeby a sestavit jednotku pro větrání, teplovzdušné vytápění nebo klimatizaci. Sestavné jednotky v podstropním (plochém) provedení se vyrábějí pro menší průtoky vzduchu (500 až 4 500 m3/h). Průřez jednotek je obdélníkový s delší vodorovnou stranou. Díly pro odvod vzduchu se umisťují vedle přívodních, aby byla zachována nízká stavební výška jednotky. Jednotky jsou určeny k montáži pod strop. Přístup k jednotlivým dílům pro údržbu a servis bývá Obr. 2.2 Klimatizační jednotka v podstropním plochém provedení zajištěn ze spodu. Sestavné jednotky pro větší průtoky (2 000 až 100 000 m3/h) se konstruují v průřezu čtvercovém či mírně obdélníkovém. Části pro přívod a odvod vzduchu se umisťují většinou nad sebe nebo za sebou. Je samozřejmě možné i samostatné provedení přívodní a odvodní jednotky. Jedna strana jednotky (obslužná) má dvířka pro servis a údržbu. V jednotlivých komorách sestavných klimatizačních jednotek jsou většinou: směšovací klapky, filtr, výměníky ZZT (deskový, rotační, a další), ohřívač (vodní, parní, elektrický, kondenzátor), chladič (vodní, přímý výparník), ventilátor, zvlhčovač (pračka, parní zvlhčovač), tlumič hluku. Jednotka bývá sestavena na základovém rámu. Plášť jednotek tvoří obvykle tzv. sendvič, kde je tepelná izolace mezi dvěma ocelovými plechy s povrchovou Obr. 2.3 Sestavná klimatizační jednotka 11
úpravou. V případě, že je jednotka určena pro montáž do venkovního prostředí, je kladen větší důraz na kvalitnější tepelnou izolaci i ochranu proti povětrnostním vlivům a vlhkosti. Kompaktní jednotky pro větrání a klimatizaci jsou provedeny, jak název napovídá, jako kompaktní v jedné skříni pevných rozměrů. Výhodou tohoto provedení jsou menší rozměry, dané možností efektivnějšího uspořádání jednotlivých funkčních prvků. To se projeví především u jednotek se zpětným získáváním tepla. Jednotky se používají pro aplikace, kde je jasně daná sestava s minimálními možnostmi změn, nebo tam, kde se používají atypické prvky, které je možné zapojit jen v určité sestavě. Kompaktní jednotky se vyrábějí ve třech základních provedeních: podstropní ploché, centrální s čtvercovým či mírně obdélníkovým průřezem (podobně jako u jednotek sestavných) a skříňové, které mohou být určené jak pro připojení na potrubí, tak i pro bezpotrubní systémy (například výpočetní centra se zdvojenou podlahou).
Obr. 2.4 Kompaktní jednotky – zleva shora: klimatizační jednotka se ZZT ohřevem i chlazením, podstropní jednotka se ZZT, klimatizační jednotka s nepřímým adiabatickým chlazením, skříňová jednotka přesné klimatizace pro počítačové sály Vnitřní cirkulační jednotky jsou popsány v kapitolách věnovaných vodním, chladivovým a kombinovaným systémům.
2.1 Ohřívače Ohřívače patří v našich klimatických podmínkách mezi základní komponenty větracích a klimatizačních systémů. Ohřev přiváděného venkovního větracího vzduchu musí být zajištěn nejen v zimním období, ale i po značnou část přechodového období. Podle teplonosné látky rozlišujeme ohřívače vodní, parní, elektrické a chladivové (kondenzátor). Samostatnou kategorii tvoří plynové či olejové hořáky. Podle konstrukce ohřívače dělíme na výměníky z hladkých trubek a výměníky žebrované. Ohřívače lze rozlišovat i podle počtu řad a způsobu zapojení trubek (sériové, paralelní). 2.1.1 Vodní ohřívače Pro ohřev vzduchu ve větracích a klimatizačních zařízeních jsou nejrozšířenějším typem vodní ohřívače. Jsou to vlastně rekuperační výměníky voda-vzduch. Teplonosnou látkou je 12
voda s teplotním spádem odpovídajícím zdroji tepla, obvykle mezi 90/70 °C a 55/45. Maximální teplota teplovodních zdrojů 95 °C ani horkovodních soustav se nyní již téměř nepoužívá. Ohřívače bývají konstruovány jako jednořadé či víceřadé výměníky s lamelami na straně vzduchu. Běžné je provedení z měděných trubek s hliníkovými lamelami. Hliníkové lamely mají obvykle tloušťku 0,12 - 0,2 mm. Otvory v lamelách se prorážejí mírně menší než je vnější průměr trubek. Po navlečení lamel se ještě trubka roztahuje protahovacím trnem nebo tlakováním pro zajištění dobrého styku a vedení tepla mezi trubkou a lamelou. Vodní ohřívače jsou sestaveny většinou jako výměníky s jednoduchým nebo kombinovaným křížovým proudem. V poslední době nacházejí stále širší uplatnění i výměníky s mikrokanály. Nicméně pro ohřev vzduchu ve vzduchotechnických jednotkách se zatím nepožívají. Výjimkou jsou například ohřívače v dopravních prostředcích. Při tepelných výpočtech vodních ohřívačů se vychází ze tří základních rovnic. Za prvé je to rovnice výměníku tepla a dále pak bilanční rovnice obou tekutin (topné vody a ohřívaného vzduchu). Při předpokladu zanedbatelných ztrát do okolí platí následující rovnice: Q = M A ⋅ c A ⋅ ∆t A = M W ⋅ cW ⋅ ∆tW = U ⋅ S ⋅ ∆t m (W) (2.1) kde M je hmotnostní průtok (kg/s), c - měrná tepelná kapacita (J/kg K), ∆t – rozdíl teplot (K), U - součinitel prostupu tepla výměníku, S – teplosměnná plocha, ∆tm - střední teplotní rozdíl, index A značí vzduch a index W - vodu. Pro výkon vodního ohřívače vzduchu je tedy rozhodující teplosměnná plocha a teplotní rozdíl mezi vzduchem a vodou. Proto, je-li dostatečně vysoká teplota vody, je velký i teplotní rozdíl (většinou více než 50 K). Teplosměnná plocha může být menší a ohřívače mají potom jednu, max. dvě řady. V případě malých teplotních rozdílů při nízkoteplotních zdrojích tepla zejména u kapalinových okruhů ZZT jsou teplotní rozdíly malé a ohřívače musí mít více řad (větší teplosměnnou plochu). Při dostatečně rozdílných teplotách vody a vzduchu lze počítat střední teplotní rozdíl jako by byla teplota vody ve výměníku stálá a rovnala se aritmetickému průměru tWm vstupní a výstupní teploty vody (t + t ) t A2 − t A1 ∆t m = (K) přičemž tWm = W 1 W 2 (°C) (2.2) 2 ⎛ tWm − t A1 ⎞ ⎟⎟ ln⎜⎜ − t t ⎝ Wm A2 ⎠ kde indexem 1 jsou označeny vstupní teploty a indexem 2 teploty výstupní. Střední teplotní rozdíl lze použít pro přepočet výkonů výměníků na jiné podmínky. Při kompletním řešení ohřívačů jako výměníků tepla je třeba zohlednit lamely a zahrnout do výpočtu účinnost žebra. Při navrhování výměníků vycházíme z údajů výrobce, který je povinen uvádět hodnoty výkonů výměníků. Přepočty na jiné podmínky lze většinou provést pomocí kalibrovaného návrhového programu. Z hlediska úpravy stavu vzduchu dochází v ohřívači k ohřevu bez změny měrné vlhkosti, roste entalpie a klesá relativní vlhkost. Výkon ohřívače určíme ze základních bilančních rovnic a rozdílu teplot nebo entalpií. Dalšími důležitými parametry ohřívače je jeho tlaková ztráta na straně vody i na straně vzduchu. Na straně vody se vychází z běžných vztahů pro tlakovou ztrátu hladké měděné trubky. Rozhodujícím parametrem je rychlost Obr. 2.5 Ohřev v h-x diagramu proudění, která bývá 0,4 až 1 m/s. Pro celkový odpor vlhkého vzduchu 13
výměníku na straně vody je důležitá i tlaková ztráta regulační armatury na vstupu do výměníku. Tlaková ztráta na straně vzduchu závisí především na rychlosti vzduchu, dále na počtu řad a konstrukci výměníku (rozteči a provedení lamel). Pro tlakovou ztrátu lze použít obecný vztah : ∆p A = A ⋅ n ⋅ w a
(Pa)
(2.3)
kde n je počet řad výměníku a w je rychlost vzduchu; součinitel A a exponent a musí být určeny dle měření pro konkrétní výměník (exponent a bývá mezi 1,5 a 2). Rychlost vzduchu ve volném průřezu mezi trubkami a lamelami bývá 4 až 12 m/s. Vyšší rychlosti sice zlepšují přestup tepla u výměníku, ale zároveň zvyšují tlakové ztráty.
Obr. 2.5 Ohřívače sestavných jednotek - zleva : schematický pohled, boční pohled na komoru bez pláště, záběr části rozvaděče a lamelového výměníku Konkrétní osazení ohřívače záleží na typu zařízení. Pro sestavné vzduchotechnické jednotky bývá v komoře výměník osazen kolmo k proudu vzduchu. Pláštěm jednotky prochází vstupní a výstupní trubka výměníku, které pokračují do rozdělovače, resp. sběrače, na něž jsou napojeny jednotlivé vodní cesty. V komoře ohřívače bývá osazeno čidlo protimrazové ochrany. Ohřívače se při běžné údržbě z komory nevyjímají. Z tohoto důvodu obvykle nebývá komora ohřívače opatřena otevíratelnými dvířky. Případné čištění lamel se většinou provádí ze sousední komory. Před jednotkou nebo pod jednotkou (u podstropních jednotek) je třeba ponechat volný prostor umožňující demontáž ohřívače v případě havárie. Kompaktní jednotky mívají různě osazené ohřívače (často šikmo) tak, aby se maximálně využilo prostoru v jednotce a zároveň byl zajištěn rovnoměrný ohřev vzduchu. Vodní ohřívač by měl být vždy vyspádován tak, aby bylo možné jeho vypuštění a odvzdušnění. Regulace vodních ohřívačů je možná Obr. 2.6 Regulace vodních ohřívačů: nahoře kvalitativní (směšováním vody), kdy se nemění kvalitativní, dole kvantitativní rozdělování a průtok vody, ale mění se její teplota. To však škrcení vyžaduje samostatné čerpadlo pro ohřívač. Tato regulace by se měla používat pro všechny ohřívače venkovního vzduchu. Druhou možností regulace vodních ohřívačů je kvantitativní regulace škrcením či rozdělením průtoku. V tomto případě zůstává konstantní vstupní teplota vody přiváděné do ohřívače. Protože pro
14
výkon výměníku je rozhodující rozdíl teploty vody a vzduchu, je kvantitativní regulace mnohem méně účinná a lze ji použít pouze pro malá zařízení nebo tam, kde je zajištěna předregulace teploty vody na zdroji tepla. Obecně je třeba si uvědomit, že větrací a klimatizační zařízení mají jiný charakter potřeby tepla než běžné otopné soustavy, a proto by měly být vzduchotechnické jednotky napojeny na zdroj tepla samostatnou větví, případně by měly mít vlastní zdroj tepla. Při použití odpadního tepla k ohřevu vzduchu je třeba ověřit současnost zdroje a potřeby a dostatečně dimenzovat akumulaci teplé vody a náhradní zdroj v případě nesoučasného provozu. Vzduchotechnické systémy mají totiž oproti budovám poměrně malou setrvačnost. Protimrazová ochrana výměníků je nutná především u vodních ohřívačů, do kterých je v zimě přiváděn neupravený venkovní vzduch. Použití nemrznoucích směsí není v otopných soustavách běžné. Při normálním provozu jsou teploty vody výrazně vyšší než 0°C a zamrznutí tudíž nehrozí. Při poruše nastalé v zimních měsících, kdy není zajištěn dostatečný průtok teplé vody v celém výměníku či jeho části, je nebezpečí zamrznutí vody ve výměníku poměrně velké. Proto by měla být regulace ohřívačů venkovního vzduchu kvalitativní, s konstantním průtokem. Pokud dojde k zamrznutí vody ve výměníku, většinou se díky většímu objemu ledu poruší trubka výměníku, výměník je znehodnocen a může dojít i k úniku vody a poškození dalších zařízení. K zamrznutí může dojít i pouze v jedné části výměníku. Proto není vhodné sledovat pouze jedinou hodnotu teploty vzduchu za výměníkem. Jako čidla protimrazové ochrany se většinou používají kapiláry na výstupní ploše, které sledují teploty po celé ploše výměníku. Obr. 2.7 Kapilára V případě, že teplota klesne pod nastavenou hodnotu, čidlo hlásí protimrazové ochrany za alarm a systém měření a regulace vypne ventilátor, uzavře vstupní ohřívačem klapku a zapne naplno přívod vody do ohřívače (čerpadlo, ventil). Někdy se kontroluje i teplota vody na zpátečce za ohřívačem. 2.1.2 Parní ohřívače Parní ohřívače se ve vzduchotechnických jednotkách používají především v průmyslu, pro velké výkony, pro ohřev na vysoké teploty, a to zejména tam, kde je k dispozici pára. Konstrukce výměníků je podobná jako u výměníků vodních, jen je třeba zohlednit vyšší tlaky a namáhání. Z tohoto důvodu se používají často ocelové trubky. U parních výměníků je kladen velký důraz na správné spádování, aby byl zajištěn odtok kondenzátu. Regulace parních výměníků se může provádět na straně kondenzátu zaplavováním, nebo škrcením páry na vstupu do výměníku. Pro regulaci na páře se používají kombinované ventily s pneumatickým pohonem, protože běžné el. servopohony reagují příliš pomalu. Při výpočtech parních výměníků se uvažuje teplota páry konstantní a v bilanční rovnici je zahrnuto kondenzační teplo. Kondenzaci páry ovlivňuje i součinitel přestupu tepla, a tím i prostup tepla. Ohřev vzduchu parním výměníkem je v h-x diagramu znázorněn stejně jako ohřev výměníkem vodním a měrná vlhkost ohřívaného vzduchu zůstává konstantní. 2.1.3 Elektrické ohřívače Elektrické ohřívače vzduchu by se měly používat jen výjimečně tam, kde není k dispozici jiný zdroj tepla. To znamená především u malých zařízení nebo jako doplňkové či havarijní ohřívače. Pro ohřev vzduchu se používá různých typů topných tyčí a spirál. Jejich tvar a parametry lze přizpůsobit konkrétnímu uplatnění ve vzduchotechnické jednotce. Většina el.
15
ohřívačů je konstruována tak, aby rychlost proudění kolem tyčí byla alespoň 1,5 m/s. Regulace el. ohřívačů se obvykle provádí kaskádovým spínání jednotlivých sekcí. Větší el. ohřívače bývají třífázové, zatížení jednotlivých fází by mělo být souměrné. Regulaci lze provádět i změnou napětí či proudu. Takto regulované el. ohřívače se využívají spíše ke speciálním účelům (např. pro laboratorní měření). Velkou výhodou el. ohřívačů je, že nepotřebují protimrazovou ochranu.
Obr. 2.8 Žebrované topné tyče 2.1.4 Chladivové ohřívače el . ohřívače Jako ohřívač může být použit kondenzátor kompresorového parního oběhu. Toto řešení se používá u reverzního provozu chladivových klimatizačních systémů (v režimu tepelného čerpadla), kdy se výměník ve vnitřní jednotce při přepnutí oběhu stane kondenzátorem. Kondenzátory se pro ohřev vzduchu uplatní i u kompresorových odvlhčovacích jednotek s parním oběhem, kde je nejdříve vzduch ochlazován výparníkem a pak ohříván kondenzátorm. Případně se může v zimě přímo využívat kondenzační teplo z jiné technologie chlazení. V takovém případě je však nutné ověřit současnost provozu větrání a dané technologie, stejně jako výkon po dobu celého roku. Regulaci výkonu kondenzátorů je třeba individuálně řešit s dodavatelem kompresorového zařízení, pro větší ohřívače je vhodné rozdělení výměníku na několik okruhů. 2.1.5 Spalovací komory Pro ohřev vzduchu se mohou používat i spalovací komory s hořáky na zemní plyn, případně kapalná paliva. Komory pro spalování zemního plynu mohou být otevřené (kde plyn hoří přímo ve větracím vzduchu, jímž se odvádějí i spaliny), nebo uzavřené, kde vzduch proudí kolem spalovací komory a spaliny se odvádějí komínem mimo jednotku. Otevřené spalovací komory se používají méně často, uplatňují se spíše v průmyslu. Je to jediný způsob ohřevu, kdy dochází i k nárůstu měrné vlhkosti (spaliny zemního plynu obsahují vodní páru). Výhodou těchto ohřívačů je vysoká účinnost. Hořáky pro otevřené spalovací komory bývají konstruovány tak, aby docházelo k co nejnižší produkci škodlivin, především NOX. Uzavřené spalovací komory s hořáky na plynná nebo kapalná paliva nacházejí uplatnění ve větších vzduchotechnických jednotkách s topnými výkony nad 20 kW. Kromě spalovací komory se vzduch ohřívá i výměníky spaliny - vzduch (tzv. ekonomizéry). Vzhledem k nízkým teplotám vzduchu v zimním období dochází většinou ke kondenzaci vodních par ze spalin. Proto musí být výměníky z materiálů odolávajících korozi (nerezový plech). SMĚŠOVÁNÍ SPALOVACÍ KOMORA
SPALIN. VÝMĚNÍK
OBTOK Bypass
Obr. 2.9 Komora pro přímé spalování (vlevo), plošný hořák s se směšovacími deskami a nízkými emisemi (uprostřed) a nepřímá spalovací komora s obtokem a směšovacím dílem (vpravo)
16
Regulace výkonu se provádí spínáním a modulací výkonu hořáku kombinovaným s obtokem spalovací komory. Problematické bývá míchání chladného vzduchu, který byl veden obtokem a vzduchu ohřátého spalovací komorou. Hrozí zde rozvrstvení vzduchu v jednotce. To řeší někteří výrobci speciálními směšovacími díly umístěnými za ohřívačem.
2.2 Chladiče Chladiče slouží k ochlazování vzduchu a jsou základní komponentou klimatizačních zařízení. Podle teplonosné látky rozlišujeme chladiče vodní a chladivové (přímé výparníky). Pobíhá i výzkum použití ledové kaše (ice slurry) jako teplonosné látky. Chladiče jsou stejně jako ohřívače rekuperační výměníky tepla. Základním rozdílem oproti ohřívačům je u chladičů nižší teplotní rozdíl mezi teplonosnou látkou a vzduchem a to, že ve většině případů dochází při chlazení ke kondenzaci vodních par ze vzduchu. Díky tomu se chladiče mírně liší od ohřívačů i konstrukcí a provedením. Chladiče potřebují větší teplosměnnou plochu, proto mívají více řad než ohřívače, u chladičů pro chlazení s kondenzací musí být ošetřeno zachytávání vodních kapek a odvod kondenzátu. 2.2.1 Vodní chladiče Vodní chladiče jsou rekuperační výměníky vzduch – voda. Teplonosnou látkou je voda s teplotním spádem odpovídajícím zdroji chladu. Obvykle je vstupní teplota chladicí vody 3 až 8 °C a výstupní teplota o 5 až 8 K vyšší. Vodní chladiče bývají konstruovány jako víceřadé (obvykle 2 až 5ti řadé) s lamelami na straně vzduchu. Běžné je provedení z měděných trubek s hliníkovými lamelami. Obr. 2.10 Suché chlazení (vlevo) a chlazení Lité výměníky s mikrokanály se s kondenzací (vpravo) v h-x diagramu vlhkého vzduchu zatím pro chlazení vzduchu v klimatizaci budov téměř nepožívají. Při tepelných výpočtech vodních chladičů vycházíme ze tří základních rovnic (podobně jako u ohřívačů). Jsou to bilanční rovnice obou tekutin (chladicí vody a ochlazovaného vzduchu) a rovnice výměníku tepla. Při předpokladu zanedbatelných ztrát do okolí potom platí: Q = M A ⋅ ∆h = M W ⋅ cW ⋅ ∆tW = U ⋅ S ⋅ ∆t m (W) (2.4)
kde ∆h (J/kg) je rozdíl entalpie vlhkého vzduchu před a za chladičem. Pro výkon vodního chladiče je stejně jako u ohřívače rozhodující teplosměnná plocha a teplotní rozdíl mezi vzduchem a vodou. Teplotní rozdíly při vodním chlazení však bývají malé, proto mají chladiče větší teplosměnnou plochu. Výpočet středního teplotního rozdílu nelze zjednodušovat jako u ohřívačů, ale pro výměníky se čtyřmi a více řadami lze používat vztah pro protiproudý výměník (t − t ) − (t A2 − t w1 ) ∆t m = A1 W 2 (K) (2.5) ⎛ t A1 − tW 2 ⎞ ⎟⎟ ln⎜⎜ ⎝ t A 2 − tW 1 ⎠ Středního teplotního rozdílu lze použít pro přepočet výkonů výměníků na jiné podmínky. Při kompletním řešení chladičů jako výměníků tepla je třeba zohlednit lamely a zahrnout do výpočtu účinnost žebra, stejně jako případnou kondenzaci. 17
Při navrhování výměníků se vychází z údajů výrobce, který musí mít pro své výměníky změřeny hodnoty výkonů. Přepočty na jiné podmínky se provádí většinou pomocí kalibrovaného návrhového programu. stejně jako u ohřívačů. Z hlediska úpravy stavu vzduchu dochází v chladiči buď k suchému chlazení, kdy je střední povrchová teplota chladiče vyšší než teplota rosného bodu upravovaného vzduchu. Teplota vzduchu se potom snižuje bez změny měrné vlhkosti, klesá entalpie a roste relativní vlhkost. Výkon chladiče při chlazení bez kondenzace se určí ze základní rovnice Q = M A ⋅ (h1 − h2 ) = M A ⋅ c A ⋅ (t1 − t 2 ) (W) (2.6) Pokud je střední povrchová teplota chladiče nižší než teplota rosného bodu upravovaného vzduchu, dochází při chlazení ke kondenzaci (tzv. mokré chlazení). Teplota vzduchu se snižuje, podobně se snižuje i měrná vlhkost, klesá entalpie a naopak roste relativní vlhkost. Celkový výkon chladiče Q se určí ze základních bilančních rovnic a rozdílu entalpií vzduchu, citelný výkon Qcit z rozdílu teplot a množství zkondenzované vody MW z rozdílu měrných vlhkostí x Q = M A ⋅ (h1 − h2 ) (W) (2.7)
Qcit = M A ⋅ c A ⋅ (t1 − t 2 ) M w = M A ⋅ ( x1 − x 2 )
(W)
(2.8)
(kg/s)
(2.9)
kde MA je hmotnostní průtok vzduchu výměníkem (kg/s). Při výpočtech chladiče s kondenzací vodních par většinou vycházíme z přímkového průběhu změny stavu (obr. 2.10 vpravo, spojnice 1-2), kdy je směr změny dán povrchovou teplotou chladiče. Pouze v případě potřeby přesného řešení odvlhčování je třeba vyjít z průběhu vycházejícího z detailních naměřených hodnot pro konkrétní výměník (obr. 2.10, spojnice 12re). Tlakové ztráty chladičů jak na straně vody, tak i na straně vzduchu jsou vyšší než u ohřívačů, neboť chladiče mají více řad a teplotní spád vody je nižší. Pro výpočet tlakových ztrát se používá vztah (2.3), kde konstanty vycházejí z měření. V případě, že je místo vody použita nemrznoucí směs, je třeba tuto skutečnost zohlednit jak při výpočtu sdílení tepla, tak při řešení tlakových ztrát. Konkrétní osazení chladiče záleží podobně jako u ohřívačů na typu zařízení. Za chladiče se osazují lapače kapek, které zachycují kapky zkondenzované vody stržené proudem vzduchu a odvádějí je do vany, která je pod chladičem. Odtud kondenzát odtéká přes zápachovou uzávěrku do kanalizace. Bez lapače kapek a vany na zachycení kondenzátu mohou být pouze takové chladiče, u kterých je jistota, že teplota chladicí vody je vyšší než teplota rosného bodu upravovaného vzduchu. Teplota chladicí vody pro takové systémy bývá okolo 15 °C a teplosměnné plochy chladiče musí být výrazně větší. Pro přístupnost a provedení chladičů platí obdobná pravidla jako u ohřívačů. Podobně jako u ohřívačů existují dvě možnosti regulace vodních chladičů. Vzhledem k menším teplotním rozdílům se častěji používá kvantitativní regulace. U menších systémů rozvodu chladné vody bývá problematická regulace zdroje chladu. Zdroj chladu musí mít schopnost regulace chladicího výkonu nebo musí být mezi zdrojem a chladičem osazen akumulační zásobník, který umožní plynulou regulaci chladicího výkonu i v případě, že zdroj chladu pracuje jen s regulací vypnuto - zapnuto. Protimrazová ochrana chladičů není při letním provozu nutná. Chladiče se v klimatizačních jednotkách umisťují až za ohřívače, takže v zimním provozu jsou chráněny protimrazovou ochranou ohřívače. V případě, že je v jednotce chladič před ohřívačem nebo v jednotce protimrazová ochrana chybí (např. el. ohřívač), musí být použita nemrznoucí směs nebo se 18
musí voda ze systému chlazení v zimě vypouštět. V případě vedení rozvodů chladicí vody ve venkovním prostředí je třeba rovněž zajistit protimrazovou ochranu těchto rozvodů.
Tlak (Pa)
2.2.2 Přímé výparníky Přímé výparníky nacházejí poměrně široké uplatnění, a to jak v cirkulačních jednotkách chladivových zařízení, tak v centrálních klimatizačních jednotkách. Rekuperační výměník chladivo - vzduch je součástí oběhu chladiva. Před 900 přímým výparníkem je osazen škrticí ventil, kapalné 800 chladivo vstřikované do výparníku se odpařuje a 700 přes stěny výměníku odebírá teplo proudu vzduchu. 600 Pracovní Mezi hlavní výhody přímých výparníků patří vyšší bod 500 chladicí faktor zařízení, schopnost dosahovat nižších 400 teplot vzduchu a absence vodního okruhu. Mezi 300 nevýhody patří riziko namrzání a obtížnější regulace, 200 případně i vyšší nároky na kvalitu montáže 100 chladivového okruhu. 0 Přímé výparníky mívají vyšší rozteč lamel než vodní 0 5000 10000 15000 Průtok (m3/h) chladiče, protože přestup tepla je na straně chladiva horší a námraza, která na výparnících často vzniká, Obr. 2.12 Charakteristika ventilátoru zmenšuje průřez. Odmrazování přímých výparníků a potrubní sítě snižuje jejich výkon a zhoršuje chladicí faktor systému. Regulace přímých výparníků je obtížnější. Obvyklá je regulace vypnuto - zapnuto. Moderní elektronické škrticí ventily mají též určité omezené možnosti regulace výkonu. Někteří výrobci regulují výkon přímých výparníků mikrospínáním. Pro systémy s plynulou regulací výkonu výparníku je nutný proměnný průtok chladiva okruhem a regulace otáček kompresoru. Další hojně využívanou možností, především u větších klimatizačních jednotek, je zapojení výměníku do několika chladicích okruhů s několika škrticími ventily a vícestupňovým spínáním kompresorů. Podcenění Obr. 2.11 Schéma jednookruhového regulace přímých výparníků je častou chybou projektů přímého výparníku klimatizačních zařízení.
2.3 Ventilátory Pro větrací a klimatizační zařízení se používá řada typů ventilátorů. Axiální ventilátory se uplatní pro nucený odvod, případně přívod tepelně neupraveného vzduchu. Diametrální ventilátory jsou součástí některých parapetních či nástěnných cirkulačních jednotek. Pro rozsáhlejší zařízení s úpravou vzduchu se však nejčastěji používají ventilátory radiální nízkotlaké někdy i středotlaké. Funkcí ventilátoru ve větracím nebo klimatizačním zařízení je doprava vzduchu do větraného prostoru. Ventilátor musí zajistit dostatečný tlakový rozdíl pro pokrytí tlakových ztrát jak vzduchotechnické jednotky, tak rozvodů vzduchu a jeho distribuce v prostoru. Pracovní bod ventilátoru je průsečíkem charakteristiky ventilátoru a charakteristiky potrubní sítě, do které musí být zahrnuty všechny výše zmíněné odpory. Na obrázku 2.12 je čárkovaně znázorněn podíl klimatizační jednotky na tlakových ztrátách. Ventilátory se osazují jak samostatně do potrubí, tak do ventilátorových komor klimatizačních jednotek sestavných či do jednotek kompaktních. Ventilátor, jakožto rotační stroj, se při 19
provozu chvěje. Proto by měl být vždy uložen pružně, aby nedocházelo k přenosu chvění na jednotku a potrubí. Ventilátor je zdrojem hluku, který se šíří do potrubní sítě i do okolí. Z tohoto důvodu je třeba zajistit tlumení hluku, a to tlumiči v potrubní síti či jednotce a také hlukovou izolací komory, ve které je ventilátor umístěn. Základními částmi ventilátoru je rotor, skříň, základový rám a pohon s převodovým ústrojím. Elektromotor je s ventilátorem spojen buď řemenicí nebo spojkou. V případě malých ventilátorů bývá oběžné kolo nasazeno přímo na čepu hřídele elektromotoru. V poslední době nacházejí v klimatizačních jednotkách stále širší uplatnění ventilátory s volným oběžným kolem, bez spirální skříně, které mají vyšší účinnosti při regulaci průtoku změnou otáček.
Obr. 2.13 Ventilátor s volným oběžným kolem a motorem napřímo Regulace průtoku vzduchu ventilátorem se provádí změnou otáček ventilátoru, tím se posouvá charakteristika ventilátoru. Průtok vzduchu je možné regulovat i škrcením nebo obtokem, ale tyto způsoby regulace jsou energeticky ztrátové. Při návrhu ventilátoru se volí otáčky tak, aby pracovní bod odpovídal projektovanému průtoku a tlakové ztrátě. Nastavení otáček se provede jednorázově volbou motoru a převodu. V případě, že klimatizační zařízení bude pracovat s proměnným průtokem vzduchu, musí být možná změna otáček za provozu. Existuje několik možností, jak měnit otáčky motoru: • Víceotáčkové motory, u kterých je změna otáček prováděna skokově přepínáním počtu pólů u asynchronních motorů. • Napěťová regulace je založena na změně napětí, ke které dochází v závislosti na zařazení odporu do obvodu rotoru. Tento způsob regulace je vhodný pro ventilátory o nižších výkonech, neboť napěťová regulace je ztrátová. • Regulace kmitočtu frekvenčními měniči představuje plynulou regulaci výkonu, která umožňuje regulovat průtok vzduchu v plném rozsahu od 0 do 100 %. Použití frekvenčních měničů u klimatizačních jednotek je stále rozšířenější. Snižováním průtoku vzduchu v době kdy není maximální průtok potřebný, dochází k značným úsporám jak el. energie na pohon ventilátoru, tak tepla či chladu na tepelnou úpravu větracího vzduchu. Pro přepočet příkonu ventilátoru P při změně otáček n platí vztah X
⎛n ⎞ P2 = P1 ⎜⎜ 2 ⎟⎟ (W) (2.10) ⎝ n1 ⎠ kde X je exponent který má teoreticky hodnotu 3, ale pro příkon elektromotoru je vlivem měnící se účinnosti X = 1,7 při napěťové regulaci, a X = 2,2 až 2,4 u ostatních typů regulace.
20
Vzduch se průtokem ventilátorovou komorou ohřívá odpadním teplem z el. motoru a ventilátoru. Množství tepla záleží na příkonu ventilátoru, obvyklý teplotní rozdíl bývá 1 až 2 K. Měrný příkon ventilátoru Pro posouzení spotřeby elektrické energie ventilátorů klimatizačních a větracích zařízení se používá měrný příkon ventilátoru označovaný SFP (příkon motoru vztažený k množství dopravovaného vzduchu) ∆pCV P V ⋅ ∆pCV ∆pCV = SPF = = = (Ws/m3 = Pa) (2.11) ηC ηV ⋅η M ⋅η P ⋅η R V V ⋅ηC
kde P (W) je příkon motoru ventilátoru, V (m3/s) – průtok vzduchu, ∆pCV (Pa) – celkový tlak ventilátoru, η – účinnost (C – celková, V- ventilátoru, M – motoru, P - převodu, R - regulace otáček). V literatuře se často uvádí jednotka měrného příkonu odvozená z jeho definice (Ws/m3), ale správná fyzikální jednotka je (Pa). Měrný příkon je ovlivněn nejen kvalitu použitého ventilátoru, motoru a regulace otáček, ale i tlakovými ztrátami klimatizační jednotky a distribuce vzduchu v budově. Při posuzování celého větracího či klimatizačního systému budovy se sčítají příkony jednotlivých ventilátorů. Podle měrného příkonu ventilátoru lze pak systémy větrání a klimatizace řadit do energetických tříd.
2.4 Vlhčení vzduchu Zařízení pro vlhčení vzduchu se používají jak v komfortní klimatizaci pro zajištění požadované vlhkosti v klimatizovaných prostorech v zimním období, tak v technologických klimatizačních jednotkách, neboť řada materiálů váže vlhkost v závislosti na relativní vlhkosti vzduchu a mění se tím jejich vlastnosti důležité pro zpracování. Na vlhkosti vzduchu závisí i elektrické jevy a koroze. Rozlišují se dva základní způsoby zvlhčování vzduchu a to vodní a parní. 2.4.1 Parní zvlhčovače Při vlhčení vzduchu párou se mísí vzduch se sytou nebo mírně přehřátou párou. Je-li k dispozici pára se samostatných zdrojů, lze použít přímých středotlakých parních zvlhčovačů
Obr. 2.14 Zleva: parní zvlhčovač na středotlakou páru - elektrodový parní vyvíječ – elektrický odporový vyvíječ
21
(obr. 2.14 vlevo), které technologickou páru zbavují nečistot a kapiček kondenzátu, regulují její distribuci do větracího vzduchu. V případě, že v objektu není pára k dispozici musí být součástí zvlhčovače ještě vyvíječ páry. Vyvíječe páry jsou buď elektrodové nebo varné. Elektrodové vyvíječe mají nádrž, ve které jsou do vody ponořeny elektrody. Průchodem el. proudu se voda ohřívá a dochází k varu. Vyvíječ se reguluje změnou el. proudu přiváděného na elektrody, nebo ponořením elektrod. Tento typ vyvíječe může pracovat pouze s vodou s dobrou el. vodivostí (nelze používat destilovanou vodu). Vodu ve vyvíječi je třeba pravidelně vyměňovat, odkalování bývá řízeno automaticky podle el. vodivosti vody. Výhodou těchto vyvíječů je i určitá samoregulační schopnost, v případě, že dojde k odpaření veškeré vody elektrody nejsou ponořeny a proud přestane procházet automaticky. Elektrické odporové vyvíječe ohřívají vodu v zásobníku elektrickými odporovými články. Tento způsob ohřevu není závislý na el. vodivosti vody, ale na topných prvcích dochází při varu vody k usazování kotelního kamene. Odporové vyvíječe musí mít hlídání hladiny vody. Regulace množství páry se provádí spínáním jednotlivých článků. I u odporových vyvíječů je třeba pravidelné odkalování. Plynové parní vyvíječe pracují na stejném principu jako el. odporové, jen zdrojem tepla pro var vody je plynový hořák. Plynové parní vyvíječe se uplatní především tam, kde je třeba velkých množství páry. Distribuce páry do vzduchu musí být provedena tak, aby došlo k co nejlepšímu promíchání páry a vzduchu a nedocházelo ke kondenzaci na stěnách potrubí, či jiných prvcích klimatizačního zařízení. Distributory páry lze umístit jak do samostatných komor klimatizačních jednotek, tak do rovných úseků potrubí, případně i přímo do klimatizovaného prostoru. Distribuční prvky pro středotlaké parní zvlhčovače mohou mít dvojitou stěnu a parní ohřev distribučního elementu, aby nedocházelo ke kondenzaci v tomto prvku a tím k tlakovým rázům při náběhu zařízení. Změna stavu vzduchu při parním vlhčení je dána nárůstem měrné vlhkosti a téměř konstantní teplotou (přiváděná pára má vyšší teplotu než vzduch, ale její množství je malé ve srovnání s množstvím vzduchu), entalpie vzduchu při parním vlhčení roste. Spotřeba vody (páry) MW při parním Obr. 2.15 Vlhčení v h-x vlhčení je funkcí hmotnostního průtoku vzduchu M a diagramu – nahoře párou rozdílu měrných vlhkostí - dole adiabatické M W = M ⋅ (x 2 − x1 ) (kg/s) (2.12)
Skutečná spotřeba vody (páry) zařízení je vyšší o ztráty, vzniklé odkalováním a kondenzací v zařízení. Příkon parních vyvíječů závisí na množstvím vyrobené páry, výparném teple a teplotě přiváděné vody. Příkon skutečného zařízení ovlivní i ztráty tepla vyvíječe a distribučního prvku.
22
2.4.2 Zvlhčování vodou Vzduch se může zvlhčovat vodou, která se odpařuje z vodní hladiny, nebo z povrchu kapek. Při zvlhčování vodou se teplo potřebné pro odpaření vody odebírá z okolního vzduchu a jeho teplota klesá. Není-li teplota vody upravována a dochází-li k odpaření veškeré vody, pak zůstává entalpie vzduchu konstantní a změna stavu vzduchu je adiabatická (adiabatické pračky vzduchu). Spotřeba vody se vypočítá stejně jako u parních zvlhčovačů (rovnice 2.12) z rozdílu měrných vlhkostí. Skutečná spotřeba vody je vyšší o vodu odvedenou při odkalení pračky. Účinnost pračky ηAD je podíl skutečného rozdílu měrných vlhkostí vzduchu za a před pračkou a teoretického rozdílu měrných vlhkostí odpovídajících maximálnímu navlhčení vzduchu (100 % relativní vlhkost) x −x η AD = 2 1 (-) (2.13) x M − x1
Pračka vzduchu spotřebovává energii pouze na pohon čerpadel. Pračka se většinou umisťuje do klimatizační jednotky mezi předehřívač a dohřívač. Adiabatické pračky se někdy používají nejen pro svoji funkci zvlhčování, ale též pro snížení teploty vzduchu tzv. adiabatickým chlazením. Sprchové pračky Ve sprchových pračkách je voda rozstřikována tryskami do proudu vzduchu, kde dochází k odpařování z povrchu kapek. Množství odpařené vody záleží především na velikosti kapek. Vysokotlaké systémy rozprašovacích trysek (tzv. atomizéry) vytvářejí velmi malé kapičky, které se stihnou v pračce úplně odpařit a taková zařízení pracují bez cirkulační vody. Moderní pračky s nízkotlakými tryskami vytvářejí vodní mlhu o velikosti kapek 15 - 65 µm a v komoře se odpaří cca 30 % objemu vody. Starší konstrukce sprchových Obr. 2.16 Schéma sprchové pračky praček vytvářely kapičky větší a odpar byl pod 2 % vzduchu objemu vody. Pračky ve kterých se odpaří jen část kapiček musí pracovat s oběhovou vodou, neodpařená voda pak stéká do vodní vany a je znovu nasávána čerpadlem a rozprašována tryskami. Cirkulující voda v pračce je živnou půdou pro různé mikroorganismy zachycené ze vzduchu, nebo obsažené ve vodě. Nebezpečné jsou především bakterie Legionella pneumophylis, které žijí a množí se ve vodním prostředí a při vdechnutí aerosolu kontaminované vody hrozí člověku zánět plic, který může končit i smrtí. Proto se většinou voda v pračkách upravuje. Za pračkou je zařazen lapač kapek, který zachycuje neodpařené kapičky vody. Pračky se smáčenými prvky K zvlhčení vzduchu dochází odparem vody z hladiny vytvořené na smáčeném nenasákavém materiálu, případně odparem z pórů nasákavého materiálu. Vzduch v pračkách proudí labyrinty z materiálu smáčeného vodou. Plocha smáčené hladiny je výrazně vyšší než půdorysná plocha komory pračky. V klimatizačních jednotkách se používá vložková konstrukce praček, kde je smáčena vodou nenasákavá či nasákavá vložka. Pro zvlhčování lze použít i smáčené rotační, pásové nebo kapilární prvky. Výhodou vložkových praček je menší délka a nižší spotřeba energie čerpadla.
23
Nevýhodou je zanášení vložek nečistotami a nutnost periodické výměny (vysoké provozní náklady). Někdy je v pračce kombinováno více způsobů odpařování. Existují například pračky kombinující sprchování v první části pračky s porézním materiálem v druhé části. Neodpařená voda se zachytí v tomto nasákavém materiálu a odpařuje se z něj do vzduchu, Obr. 2.17 Náplňová pračka (vlevo) a pračka kombinující materiál funguje jako lapač kapek. sprchování a odpar (vpravo) Tyto pračky dosahují odpaření veškeré vody a pracují bez cirkulace. Rozprašovací vodní zvlhčovače Rozprašovací vodní zvlhčovače generují velmi malé kapičky vody (vodní mlhu), které se ve vzduchu přímo odpařují. Používají se především pro technologické zvlhčování přímo v prostoru a můžeme je dělit na pneumatické, s rotujícími kotouči a ultrazvukové.
2.5 Čištění vzduchu Ve větrání a klimatizaci je filtrace atmosférického vzduchu základním způsobem k dodržení požadované čistoty vnitřního ovzduší ve větraném a klimatizovaném prostoru a k jeho ochraně před tuhými a kapalnými znečišťujícími látkami. Dále slouží filtrace atmosférického vzduchu při ochraně komponent větracích a klimatizačních zařízení. Vícestupňová filtrace je nepostradatelnou součástí vysoceúčinné filtrace při vytváření čistých prostorů, kde požadavky na vysokou čistotu vzduchu vyplývají z požadavků jednotlivých technologických procesů i ochrany pracovníků. Filtry atmosférického vzduchu jsou i nedílnou součástí odsávacích a odlučovacích systémů, tam kde je použito oběhového vzduchu, nebo ZZT. Mezi základní parametry filtrů patří účinnost filtrace a tlaková ztráta filtru. Účinnost filtrace záleží na závislosti frakční odlučivosti vláknité vrstvy a na charakteru znečištění atmosférického vzduchu pevnými a kapalnými částicemi. Účinnost filtrace se v praxi podobně jako u filtrace průmyslové vyjadřuje celkovou odlučivostí OC (%), OC =
C P − CV ⋅ 100 CP
(2.14)
kde CP je koncentrací příměsí před filtrem a CV - koncentrace na výstupu z filtru, koncentrace příměsí se uvádějí buď jako hmotnostní v (mg/m3) nebo (µg/m3), nebo početní (1/m3). Tlaková ztráta filtru v čistém stavu vychází z tlakové ztráty filtračního materiálu a zahrnuje i ztráty na vstupu a výstupu a ztráty třením při průchodu vzduchu jednotlivými štěrbinami vytvořenými filtračním materiálem. Pro provoz filtrů atmosférického vzduchu je důležitá znalost změny jejich tlakové ztráty ∆pF se zanášením. Tuto závislost je nutno zjistit experimentálně pro daný filtr a konkrétní podmínky jeho použití. Se zanášením filtru dochází nejenom k výrazné změně tlakové ztráty, ale může docházet i ke změně jeho odlučovacích vlastností. Filtry mají většinou nejvyšší takovou ztrátu ze všech zařízení v klimatizační jednotce, proto je jich návrhu a údržbě nutné věnovat značnou pozornost. U všech větracích a klimatizačních jednotek je třeba zajistit pravidelnou výměnu filtrů. Je třeba pravidelný servis a výměna filtrů.
24
2.5.1 Třídění filtrů Vzduchové filtry se třídí na filtry atmosférického vzduchu pro odlučování částic u běžného větrání – hrubé G 1 až G 4, jemné F 5 až F 9 a na filtry s vysokou účinností (vysoceúčinné filtry) - [2.6], kap.11. Filtry s vysokou účinností se v zásadě dělí na HEPA označené H 10 až H 14 a ULPA označené U 15 až U 17. Třída filtrů se volí podle výskytu nečistot ve vzduchu a požadavku na čistotu prostoru, do kterého je vzduch přiváděn. Požadavky na čistotu prostoru závisí na činnosti osob nebo na požadavcích výrob a technologií. 2.5.2 Použití hrubých filtrů G1-G2
Všeobecně - účinné pro vláknitý prach - poměrně účinné pro částice větší než 10 µm - systémy s nejnižšími požadavky na filtraci - předfiltry pro vyšší koncentraci prachu
G3-G4
Všeobecně -účinné proti pylu a zvířenému prachu
Typické příklady použití - první stupeň filtrace u vícestupňových zařízení - filtry pro klimatizaci a větrání v textilních provozech - jednoduché okenní a podokenní klimatizátory - ochrana výměníků, zvlhčovačů a ventilačních systémů - systémy větrání v těžkých provozech Typické příklady použití - ochrana výměníků, zvlhčovačů a větracích systémů - vytápěcí a větrací systémy prům. podniků - filtrace v dopravních prostředcích - filtrace garáží, obchodních domů - vzduchové clony, sportovní haly - předfiltry pro klimatizační zařízení
2.5.3 Použití jemných filtrů Doporučuje se použít předfiltrů G 1 - G 4 F5-F6
Všeobecně - málo účinné proti sazím, olejové mlze a tabákovému kouři a kouři z technologických procesů - částečně účinné proti výtrusům a bakteriím
Typické příklady použití - větrací a klimatizační systémy pro školy, shromažďovací místnosti, restaurace, sportovní haly, kancelářské budovy - v průmyslu pro větrání provozů s vyššími nároky na čistotu (chemický, papírenský průmysl, výroba synt. hmot, méně náročné výroby přesné mechaniky a optiky)
F7
Typické příklady použití - větrací a klimatizační zařízení pro laboratoře, nemocniční pokoje, kancelářské budovy, divadla, kuchyně, obchody s potravinami
Všeobecně - účinné proti bakteriím, výtrusům - částečně účinné proti sazím, olejové mlze, tabákovému kouři, kouři z technolog. provozů
- v průmyslu pro telefonní ústředny, výrobu potravin, dílny přesné mechaniky, televizní studia, přívod vzduchu do stříkacích boxů
25
F8-F9
Všeobecně Typické příklady použití - velmi účinné proti sazím, olejové mlze, - operační sály, výzk. zkušebny a laboratoře tabákovému kouři, kouři z - provozy chemické a farmaceutické výroby technologických procesů, bakteriím - pomocné prostory sterilizačních pracovišť a operačních sálů - 2. stupeň filtrace pro vysoceúčinnou filtraci 2.5.4 Použití vysoceúčinných filtrů Filtry se používají jako druhý nebo třetí stupeň filtrace, je nutné předřadit filtry tříd G a F. H 10
Všeobecně Typické příklady použití - dobře účinné proti všem druhům prachů a - metrologické laboratoře pro kalibraci aerosolů - laboratoře pro optiku, elektroniku a biologii - operační sály - dodávka vzduchu pro jaderné elektrárny H 11
Všeobecně Typické příklady použití - velmi účinné pro všechny druhy prachů a - shodné jako pro použití filtrů H 10, pouze aerosolů, včetně virů pro náročnější aplikace H 12 - H13
Všeobecně Typické příklady použití - vysoce účinné pro všechny druhy prachů a - základní filtr pro všechny čisté prostory aerosolů, včetně virů třídy 100 až 100 000 (kap.14) a s tím související aplikace v různých oblastech průmyslu, zdravotnictví a výroby léků - odsávací systémy pracující s nebezpečnými aerosoly (jaderná energetika, zdravotnictví, biologické prostory) Všeobecně Typické příklady použití H 14 a vyšší - vysoce účinné pro všechny druhy prachů a - filtrace čistých prostorů tříd 10 (kap.14) a aerosolů včetně virů lepších - dodávka vzduchu pro biotechnologie Filtry G1 - G2 by se měly používat hlavně pro vláknitý prach, při vysokých koncentracích prachu, příp. u zařízení, která mají malé tlakové rezervy. Tam, kde je nutné zajistit, aby se mikroorganismy nedostaly do klimatizovaného prostoru, je nutné použít filtr nejméně třídy F7. Minimálně třídu F7 doporučuje pro větrací a klimatizační zařízení i ČSN EN 13779. 2.5.5 Provedení filtrů V souladu s rozdělením filtrů na filtry pro běžné větrání a filtry vysoceúčinné se liší i provedení těchto filtrů. Podle provedení lze filtry pro běžné větrání v zásadě rozdělit na filtry vložkové a pásové; filtry vysoceúčinné jsou vesměs vložkové. Vložkové filtry se dále dělí na deskové, kapsové, kazetové a kompaktní, viz kapitola 11 skript Vzduchotechnika [2.6]. Kromě filtrů z běžných filtračních materiálů nacházejí uplatnění i sorpční filtry pro záchyt plynných látek a pachů, případně dielektrické filtry a elektrofiltry.
2.6 Zpětné získávání tepla Zpětné získávání tepla by mělo být součástí všech větracích a klimatizačních zařízení, která jsou určena k celoročnímu provozu a u kterých je to technicky možné. Zařízení pro zpětné 26
získávání tepla (ZZT) se věnuje detailně kapitola 6 ve skriptech Vzduchotechnika [2.6]. ZZT lze v základě dělit na systémy: • Rekuperační, kde se teplo předává mezi přiváděným venkovním vzduchem a odváděným vzduchem přímo přes stěnu výměníku. Mezi rekuperační systémy patří především deskové a trubkové výměníky. • Regenerační, kde se teplo z odváděného vzduchu předá do akumulační hmoty a z ní se pak teplo uvolňuje do přiváděného venkovního vzduchu. Regenerační systémy jsou výměníky rotační, přepínací. • S pomocnou tekutinou, kde se teplo z odváděného vzduchu předává do pomocné tekutiny a z ní pak do přiváděného venkovního vzduchu. S pomocnou tekutinou pracují výměníky s kapalinovým oběhem, trubice s přirozeným oběhem chladiva (tepelné trubice) a chladivové systémy s kompresorem (tepelná čerpadla). Výměníky ZZT mohou být dodávány samostatně pro montáž do potrubí, jako součásti kompaktních klimatizačních, či větracích jednotek nebo jako komory sestavných jednotek. Všechny konstrukce ZZT kromě výměníků s pomocnou kapalinou vyžadují těsnou blízkost přívodu a odvodu vzduchu. Před výměníky ZZT na přiváděném venkovním vzduchu i na odváděném vzduchu je třeba umístit filtry pro zamezení zanášení výměníků. K výměníkům ZZT by měl být umožněn přístup a má se provádět jejich kontrola a případné čištění, obzvláště při provozu ve znečištěném prostředí. Výměníky ZZT mají nezanedbatelné tlakové ztráty, které je třeba zohlednit při dimenzování ventilátorů. Některá zařízení pro zpětné získávání tepla přenášejí do přiváděného venkovního vzduchu pouze citelné Obr. 2.18 Znázornění ZZT v h-x diagramu teplo a některá mohou předávat i - s přenosem vlhkosti (vlevo) vodní páru, tudíž teplo vázané. Ohřev - bez přenosu vlhkosti (vpravo) vzduchu zpětným získáváním tepla bez přenosu vlhkosti, je shodný jako pro ohřívače vzduchu. V ZZT se zpětným získáváním vlhkosti je přiváděný venkovní vzduch ohříván a zvlhčován, směr změny záleží na teplotním faktoru Φ a vlhkostním faktoru Ψ, ze kterých se vypočítá teplotní rozdíl ∆tE a rozdíl vlhkostí ∆xE. Tepelný tok předaný ZZT bez přenosu vlhkosti se vyjádří z rovnice Q = V E ⋅ ρ E ⋅ c ⋅ (t E 2 − t E1 ) = V E ⋅ ρ E ⋅ (hE 2 − hE1 ) = V I ⋅ ρ I ⋅ (hI 1 − hI 2 ) (2.15) Regulace ZZT se provádí buď obtokem u trubkových výměníků, deskových výměníků a tepelných trubic, nebo přímo zásahem do provozu ZZT u rotačních, přepínacích výměníků a zařízení s pomocnou kapalinou. Vypnutí ZZT je třeba především v části léta a přechodového období, kdy je jeho provoz nežádoucí. Především u deskových výměníků, je třeba zajistit ochranu proti námraze a odvod kondenzátu.
27
Tlakové poměry mezi proudy vzduchu v ZZT jsou důležité především pro rotační výměníky (přetlak na straně přiváděného vzduchu) a částečně i pro deskové a trubkové (nepřekročit max. rozdíl tlaků). Zpětné získávání tepla se v široké míře uplatňuje i v malých větracích jednotkách pro nízkoenergetické rodinné domy či byty.
2.7 Odvlhčování Odvlhčování není v našich klimatických podmínkách nezbytnou součástí komfortních větracích a klimatizačních zařízení. Odvlhčování se uplatňuje především u jednotek určených k větrání či klimatizaci prostorů s vývinem vlhkosti. K odvlhčování se používá tří základních principů: • Odvlhčování větráním. Pro odvod vlhkosti se používá intenzivní větrání venkovním tepelně upraveným, Obr. 2.19 Odvlhčování v h-x diagramu - adsorpční vzduchem. Větrací zařízení nemá (vlevo) a kondenzační (vpravo) žádný speciální funkční prvek určený k odvlhčování, je pouze nutné dostatečně dimenzovat průtok vzduchu. • Adsorpční odvlhčování. Vlhkost ze vzduchu se váže na povrchu pevné látky účinkem mezimolekulových přitažlivých sil. • Kondenzační odvlhčování. Vzduch je nejprve ochlazen a na chladiči dojde ke kondenzaci vodní páry, potom je vzduch opět ohříván. 2.7.1 Adsorpční odvlhčování Při adsorpčním odvlhčování se vzdušná vlhkost váže na povrchu pevné látky (adsorbentu). Průběh adsorpce je limitován adsorpční rovnováhou, která určuje maximální množství látky, které je za daných podmínek možné adsorbovat a rychlostí adsorpce, která určuje rychlost tohoto děje. Pro kontinuální proces je třeba adsorbent regenerovat zvýšením jeho teploty. Ve větrání a klimatizaci se většinou používají rotory ve tvaru válce s drobnými kanálky na jejichž povrchu je nanesen absorbent. Jedna polovina rotoru je v proudu odvlhčovaného vzduchu, kde dochází k adsorpci vlhkosti do adsorbentu. Druhá polovina rotoru je regenerována horkým vzduchem (desorpce). Součástí odvlhčovacího zařízení je proto nejen rotor, ale i ohřívač regeneračního vzduchu (odváděného) a někdy i chladič vzduchu za rotorem. Protože na rotoru dochází nejen k přenosu OHŘEV vlhkosti, ale zároveň i k přenosu tepla, ROTOR odvlhčený vzduch se ohřívá. Směr změny v h-x diagramu závisí na REGENERAČNÍ ODVLHČENÝ konkrétním provedení zařízení a poměru VZDUCH VZDUCH přenosu tepla a vlhkosti v něm. Jako adsorbent se může používat silikagel, chlorid lithný, zeolity a jiné. Adsorpční odvlhčování se využívá Obr. 2.20 Adsorpční odvlhčování většinou v cirkulačním režimu buď v samostaných odvlčovačích, nebo v klimatizačních jednotkách. Je vhodné především tam, kde je třeba dosahovat nízkých
28
měrných vlhkostí. Adsorpční odvlhčování je též součástí zařízení pro adiabatické chlazení vzduchu DEC. Nevýhodou adsorpčního odvlhčování je potřeba regeneračního vzduchu. 2.7.2 Kondenzační odvlhčování Jak již bylo dříve uvedeno ke kondenzaci vodních par dochází při chlazení vzduchu výměníkem, jehož povrchová teplota je nižší nežli teplota rosného bodu chlazeného vzduchu. Je-li požadováno pouze snížení měrné vlhkosti, je třeba vzduch opět ohřát na původní teplotu. Kondenzační odvlhčování se tedy realizuje chladičem a ohřívačem. Spotřeba energie na odvlhčování je značná. V zařízeních určených primárně na odvlhčování je často využito jako chladiče výparníku a jako ohřívače kondenzátoru propojených parním oběhem kompresorového zařízení. Výhodou tohoto uspořádání je přečerpávání tepla mezi chladičem a ohřívačem, zařízení spotřebovává pouze el. energii na pohon kompresoru a ventilátorů. V případě, že se veškeré kondenzační teplo předává do odvlhčovaného vzduchu, dochází k jeho ohřevu na teplotu výrazně vyšší nežli je teplota vzduchu před chlazením (viz obr. 2.19 vpravo). Ve větších bazénových jednotkách se kondenzátor dělí a část kondenzačního tepla se používá pro ohřev bazénové vody. Kondenzační odvlhčování se používá především tam, kde je vysoká měrná vlhkost vzduchu pro odvlhčení. Kondenzační i adsorpční odvlhčovače se dodávají v různých velikostech od malých pro domácnosti s kapacitou 1 kg/h po průmyslové s kapacitami několik set kg/h.
2.8 Další funkční prvky větracích a klimatizačních zařízení V klimatizačních jednotkách se může používat řady dalších funkčních prvků. Ve většině jednotek jsou uzavírací klapky, které slouží k uzavření jednotky a zamezení průtoku jednotkou v případě, že je vypnutý ventilátor. U řady jednotek je komora se spřaženými klapkami pro regulaci množství cirkulačního a venkovního vzduchu. Téměř veškerá větrací a klimatizační zařízení mají tlumiče hluku, který se šíří od ventilátoru potrubní sítí. Tlumiče mohou být součástí vzduchotechnické jednotky nebo se osazují do potrubí. V některých případech lze použít i potrubí s integrovaným tlumičem hluku. Dimenzování tlumičů hluku se provádí na základě hladin akustického výkonu ventilátorů a útlumu tlumičů v jednotlivých oktávových pásmech. V některých větracích či klimatizačních zařízeních se používají různé typy odlučovačů škodlivin, UV lampy pro likvidaci mikrobů a další speciální prvky.
2.9 Provedení a návrh klimatizačních jednotek Pro posouzení sestavných a kompaktních klimatizačních jednotek jsou důležité i vlastnosti skříně, ve které jsou jednotlivé funkční prvky umístěny. Mezi základní požadavky na skříně vzduchotechnických jednotek patří mechanická pevnost, vzduchotěsnost, tepelná ztráta, hluková izolace a požární odolnost. Jednotlivé parametry se podle dle ČSN EN 1886 [2.8] klasifikují třídami, čím nižší číslo třídy tím kvalitnější zařízení. Mechanická pevnost skříně i rámu se posuzuje podle průhybu při definovaném přetlaku v jednotce. Rozeznávají se tři třídy mechanické pevnosti (max. průhyb třídy D1 je 4 mm/m2, třídy D2 10 mm/m2 a pro třídu D3 je průhyb větší než 10 mm/m2). Netěsnost jednotky se posuzuje podle úniku vzduchu při definovaném tlakovém rozdílu a rozlišují se tři třídy L1 s nejmenšími netěsnostmi až L3 s nejvyšším únikem. Je předepsána i maximální netěsnost usazení filtrů, která je od 0,5 % (průtok vzduchu netěsnostmi kolem filtru) pro třídu filtrů F9 až po 6 % pro filtry třídy F5 a nižší. Při posuzování tepelné izolace skříně se zohledňuje jak součinitel prostupu tepla použitého panelu, tak součinitel tepelných mostů. Pro třídu tepelné izolace T1 musí být součinitel
29
prostupu tepla nižší než 0,5 W/m2 K, třída T4 požaduje hodnoty mezi 1,4 a 2 W/m2 K a třída T5 je bez požadavků. Třídy součinitelů tepelných mostů jsou TB1 až TB5. Požární odolnost vzduchotechnických jednotek požaduje, aby součásti jednotky byly vyrobeny z nehořlavého materiálu (požární třída A1 nebo A2 s1 d0). V případě, že je jednotka oddělena požárními klapkami od potrubní sítě, může být vyrobena i z nesnadno hořlavých materiálů (požární třída A2, B, C s3 d2). Vzduchotechnické jednotky se vyrábějí i ve speciálních provedeních pro provozy s atypickými nároky. Jednotky mohou být určeny do prostředí s nebezpečím výbuchu. Takové jednotky mají speciální ventilátory určené pro prostředí s nebezpečím výbuchu a i veškeré ostatní komponenty a el. vybavení takových jednotek musí být v nejiskřivém provedení. Pro prostory s vysokými nároky na čistotu se jednotky vyrábějí v hygienickém provedení. Pro montáž do venkovního prostředí jsou určeny venkovní vzduchotechnické jednotky. Dále existují například i seismicky odolné vzduchotechnické jednotky. Řazení jednotlivých funkčních prvků v sestavných vzduchotechnických jednotkách záleží na požadavcích na jejich provoz. Obvyklé řazení přívodní klimatizační jednotky je nejprve filtr dále ZZT, první ohřívač (předehřívač), chladič, pračka, druhý ohřívač (dohřívač) a nakonec ventilátor. Základním parametrem při volbě velikosti klimatizační jednotky je tzv. průřezová rychlost (střední rychlost vzduchu ve volné komoře jednotky). K této rychlosti je možné vztáhnout tlakové ztráty jednotlivých prvků i rychlost zanášení filtrů. Průřezové rychlosti bývají od 1,5 do 5 m/s. Prostorové nároky a i pořizovací cena vede často projektanty k použití menších jednotek s vyšší průřezovou rychlostí. To se však velmi výrazně projevuje na tlakových ztrátách a spotřebě el. energie ventilátoru a četnosti výměny filtrů. Pro příklad byl proveden návrh dvou velikostí klimatizačních jednotek stejného typu, pro stejné množství vzduchu 10 000 m3/h. Přívodní jednotka měla vstupní klapku, filtr G4, deskový výměník ZZT, ohřívač, chladič, ventilátor a komoru s parním zvlhčovačem. Větší jednotka o rozměrech 7,1x1,4x2,8 m má průřezovou rychlost 1,78 m/s a tlakovou ztrátu jednotky 280 Pa, jmenovitý příkon motoru ventilátoru je 3 kW. Menší jednotka má rozměry 6,7x1x2 m, průřezovou rychlost 3,8 m/s a interní tlakovou ztrátu 1050 Pa, jmenovitý příkon motoru ventilátoru je 7,5 kW. Je vidět, že volbou velikosti jednotky se zvýšil příkon ventilátoru o 150 %.
2.10 Literatura [2.1] 2008 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment. Atlanta: ASHRAE, Inc., 2008. ISBN 978-1-933742-34-2. [2.2] CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3.vyd. Brno: BOLIT-B press, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8. [2.3] CHYSKÝ, J. Klimatizace. Praha, Nakladatelství ČVUT, 1987. [2.4] HEMERKA, J. Odlučování tuhých částic. Praha: Nakladatelství ČVUT, 2000. [2.5] NOVÝ, R. a kol. Technika prostředí. Praha: Nakladatelství ČVUT, 2006. [2.6] DRKAL, F.; LAIN, M.; SCHWARZER, J.; ZMRHAL, V. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2010. [2.7] ČSN EN 13779: 2007. Větrání nebytových budov – Základní požadavky na větrací a klimatizační zařízení. [2.8] ČSN EN 1886: 2008. Větrání budov – Potrubní prvky – Mechanické vlastnosti. [2.9] HEMERKA, J. Filtrace atmosférického vzduchu I, II a III, http://www.tzb-info.cz. Praha: Topinfo s.r.o., 2009. [2.10] www stránky a projekční podklady firem: Remak, CIC Jan Hřebec, Spirax-sarco, Robatherm, Elektrodesign, Menerga, Flair, České filtry.
30
3 Rozptýlení vzduchu v místnostech 3.1 Obecné poznatky K rozptýlení vzduchu ve větraných a klimatizovaných místnostech slouží vyústky (výustě) koncové prvky vzduchovodů. Prouděním vzduchu v prostoru se upravuje stav vnitřního ovzduší; požadavky se mohou vztahovat na úpravu v celém prostoru místnosti, nebo pouze v jeho části. Výsledné proudění ovlivňují v místnostech primární proudy z přiváděcích výustí, konvektivní proudy nad zdroji tepla a proudění vznikající u odváděcích výustí (sacích otvorů). Rozhodující vliv mají primární proudy z přiváděcích výustí. Základní poznatky o proudění vzduchu ve větraných a klimatizovaných místnostech jsou obsahem kapitol 7 a 8 textu Vzduchotechnika [3.1]. Hlavní principy rozptýlení vzduchu (obr. 3.1) jsou: • mísení • vytěsňování • zaplavování
a) b) c) Obr. 3.1 Principy rozptýlení vzduchu; a) mísení, b) vytěsňování, c) zaplavování Pro princip mísení v běžné klimatizaci a větrání jsou konstruovány vyústky různých typů – jejich charakteristické vlastnosti jsou popsány v následujícím textu. Vytěsňovací princip, využívající „pístového účinku“ se uplatňuje pro klimatizaci náročných pracovišť, převáženě s vysokými nároky na čistotu vzduchu. Specificky konstruované vyústky jsou v tomto případě zpravidla spojeny s kazetami vysoce účinných filtrů (kap.14). Zaplavovací princip umožňuje účinné provětrání a úpravu vzduchu v omezeném prostoru – pásmu pobytu osob. Je v podstatě specifickým řešením principu vytěsňovacího a uplatňuje se při větrání halových objektů (kap.17) i komfortní klimatizaci. Výsledné rychlostní, teplotní, případně i koncentrační pole ve větraných a klimatizovaných místnostech, z výsledků experimentů nebo počítačové simulace CFD, popisují obrazy proudění – grafické znázornění proudnic, vektorů i kontur oblastí rychlosti vzduchu, kontur oblastí teplot vzduchu i trajektorií nehmotných částic uvolňovaných zdroji škodlivin. Modelování CFD je věnován odst. 3.3 V běžné technické praxi se používá pro hodnocení „relativní výkonnosti větrání“ veličina intenzita větrání I = V/O (1/h), kde V (m3/h) je průtok venkovního (čerstvého) vzduchu přiváděného do místnosti, O (m3) – vnitřní objem místnosti. Je zřejmé, že intenzita větrání neumožňuje hodnotit kvalitu vnitřního vzduchu v různých místech prostoru, neboť ta závisí jednak na obrazech proudění, jednak na rozložení zdrojů škodlivin. Pro hodnocení místní kvality vzduchu ve větraném prostoru byla odvozena [3.2], [3.3] veličina stáří vzduchu. Hodnocení místní kvality vzduchu je věnován odst. 3.4 31
V následujícím odst. 3.2 jsou popsány hlavní vyráběné typy vyústek pro přívod vzduchu. Základní teoretické vlastnosti vyústek pro přívod i odvod vzduchu obsahuje kap. 8 textu Vzduchotechnika [3.1]. Podstatným teoretickým poznatkem jsou principiální rozdíly mezi vlastnostmi proudů z výustí přiváděcích a proudů do výustí odváděcích. Protože proudové pole odváděcí výustě podstatně neovlivňují, výrobci pro tento účel nedodávají specifická provedení. Převážně pro odvod vzduchu z větraných/klimatizovaných místností se používají vhodné (případně upravené) prvky pro přívod vzduchu (mřížkové výustě, stropní anemostaty).
3.2 Vyústky pro přívod vzduchu Vyústky pro přívod vzduchu lze třídit na - stěnové - stropní - podlahové - velkoplošné - textilní. Stěnové, stropní a podlahové výustě jsou určeny pro princip rozptýlení vzduchu mísením, velkoplošné výustě pro zaplavovací princip. Textilní výustě, podle provedení, mohou sloužit jak pro směšování, tak pro rovnoměrné rozptýlení přiváděného vzduchu, které je přechodem mezi vytěsňováním a směšováním. Stěnové výustě jsou typicky vyráběny jako obdélníkové mřížky nebo kruhové trysky. Stropní výustě se vyrábí jako stropní anemostaty nebo stropní štěrbiny. Podlahové výustě jsou řešeny převážně v kruhovém provedení. Velkoplošné výustě pro zaplavovací princip mohou být tvarově přizpůsobeny větranému prostoru, vyrábí se v provedení kruhovém, půlkruhovém, segmentovém i kazetovém. Při návrhu výustí je zpravidla cílem vybrat, pro zadaný průtok a teplotu přiváděného vzduchu (resp. pracovní rozdíl teplot), typ a velikost vyústky, kterou se dosáhne v dané vzdálenosti (dosahu proudu) požadovaná rychlost a teplota (u neizotermního proudění). Pracovní rozdíl teplot je rozdíl teploty vzduchu v místnosti a teploty přiváděného vzduchu. U principu přívodu vzduchu mísením může dosahovat při přívodu chladného vzduchu hodnot 10 (12) K, při přívodu teplého vzduchu až - 25 K. Zaplavovací princip přívodu vzduchu je podmíněn přívodem chladného vzduchu – pracovní rozdíl teplot se pohybuje v rozmezí 1 až 5 (6) K. Výstupní rychlost vzduchu je nízká, od 0,1 do 0,5 m/s Dosahem proudu se označuje vzdálenost, kde maximální rychlost proudu dosáhne hodnoty 0,5 m/s, případně střední rychlost proudu hodnoty cca 0,2 m/s. Součástí návrhu výustí je i tlaková ztráta výustě a její akustické vlastnosti. Charakteristické vlastnosti jednotlivých typů výustí uvádí výrobci [3.8] ve svých podkladech, na základě podrobných experimentálních měření. 3.2.1 Obdélníkové mřížky Typická obdélníková mřížka je na obr. 3.2. Vyústky mohou být v provedení s pevnými nebo nastavitelnými lamelami – vodorovnými i svislými. Lze je instalovat na vzduchovody (obdélníkové i kruhové) i do stěn. Pro nastavení průtoku vzduchu i zrovnoměrnění vystupujícího proudu se vybavují vyústky regulačním ústrojím (příklad provedení s protiběžnými listy je na obr. 3.2 vpravo).
32
Obr. 3.2 Obdélníková mřížka s regulačním ústrojím a nastavitelnými lamelami (Trox) Vystupující proud z vyústek je schématicky znázorněn na obr. 3.3. Na obrázku jsou vyznačeny charakteristické veličiny proudu: LS (m), ⎯vL (m/s), ∆tL (K). LS (m) je vzdálenost, kde proud z vyústky navržených rozměrů a zadaného průtoku vzduchu dosáhne střední rychlosti ⎯vL (m/s) (střední rychlost vyznačeného rychlostního profilu) a teploty tL (°C), dané vztahem ∆tL = tZ - tL (K), tZ (°C) je teplota vzduchu ve výusti.
Obr. 3.3 Schéma proudění z obdélníkových mřížek (Trox) Z podkladů výrobců výustí [3.8], lze pro zadané okrajové podmínky - průtok vzduchu, dosah proudu, teplotu a rychlost vystupujícího proudu nalézt vhodný typ a velikost vyústky. Výrobci ve svých podkladech uvádí i tlakové ztráty výustí i akustické údaje. 3.2.2 Trysky Trysky kruhového tvaru jsou konstruovány pro přívod vzduchu do rozměrných prostorů - hal (např. nádražních, letištních). Jejich předností je daleký dosah a možnost nastavení směru vystupujícího proudu vzduchu, buď ručně, nebo mechanicky dálkovým ovládáním. Nastavení směru proudu je zvláště účelné, pokud se trysky využívají pro (teplovzdušné) vytápění v zimě i pro chlazení v létě. Pro zimní období se trysky směrují k podlaze (neizotermní proud teplého vzduchu má tendenci se obracet směrem vzhůru, při horizontálním výstupu by přiváděný teplý vzduch nedosáhl pásma pobytu osob). V letním období naopak přívod vzduchu směrem k podlaze by způsoboval nežádoucí lokální ochlazení pásma pobytu osob. Na obr. 3.4 je kruhová tryska uložená v kulovém loži, umožňujícím všesměrové nastavení. 33
Obr. 3.4 Kruhová tryska (Trox)
Schéma osy proudů z trysek je na obr. 3.5 pro případy chlazení, izotermního přívodu vzduchu a ohřevu. Grafy znázorňují pro navržené parametry, podle podkladů výrobce (typ a velikost výustě, úhel osy proudu ve výusti α (°), průtok vzduchu, teplota přiváděného vzduchu tZ (°C)) charakteristické údaje o proudu přiváděného vzduchu: délkové údaje H, H1, H2, L (m); střední rychlost ⎯vL (m/s) a teplotní rozdíl ∆tL = (tL – tI) (K) v kontrolním bodě proudu. Dále lze z podkladů výrobce určit i parametry vzduchu v kontrolním bodě zóny pobytu osob: rychlost vzduchu ⎯vH1 (m/s) a rozdíl teplot ∆tH1= (tZ – tH1) (K). Jako u mřížkových výustí uvádí výrobci [3.8] tlakové ztráty trysek i akustické parametry.
Obr. 3.5 Schéma proudění z trysek (Trox)
34
3.2.3 Vířivé anemostaty Stropní vířivé anemostaty byly vyvinuty pro požadované vysoké mísení primárního proudu se vzduchem v místnosti (tj. pro požadovanou vysokou indukčnost primárního proudu). Tyto požadavky se zvláště vyskytují v klimatizovaných, relativně nízkých kancelářských budovách. Zde je třeba přivést poměrně značný chladicí výkon, což vede k relativně vysokým hodnotám pracovního rozdílu teplot (rozdíl teploty vzduchu v místnosti a teploty přiváděného vzduchu). Pokud by primární proud chladného vzduchu se nesmísil na relativně krátké dráze se vzduchem v místnosti, vznikalo by nebezpečí lokálního podchlazování v pásmu pobytu osob. Vířivé anemostaty mají na výstupní ploše šikmo směrované lopatky, které výstupnímu vzduchu dávají rotační pohyb (výstupní rotující proud), jak je znázorněno na obr. 3.6. Výstupní proud se šíří horizontálně pod stropem a středem pod anemostatem se přisává vzduch z místnosti. Kritickými (kontrolními body) jsou jednak místa styku dvou proudů, jednak místa u stěn místnosti. Zde proudění dosahuje nejvyšších rychlostí. Schéma s uvedením charakteristických veličin proudového pole je na obr. 3.7. Kromě geometrických rozměrů L, X, A, B, H (m) jsou funkčními parametry: průtok přiváděného vzduchu V (m3/h); rozdíl teploty vzduchu v místnosti a teploty přiváděného vzduchu ∆tZ = tI – tZ (K); střední rychlost vzduchu ⎯vH1, resp. ⎯vL a rozdíl teploty vzduchu v místnosti a teploty v proudu vzduchu ∆tL = tI – tL (K).
Obr. 3.6 Vířivý anemostat (Trox)
Obr. 3.7 Kontrolní body v proudovém poli vířivých anemostatů (Trox)
35
Obr. 3.8 Příklad grafů závislosti funkčních parametrů vířivého anemostatu (Trox) 3.2.4 Stropní štěrbiny Stropní štěrbinové vyústky jsou, obdobně jako stropní vířivé anemostaty vhodné pro přívod vzduchu do klimatizovaných místností kancelářského typu. Vyznačují vysokou intenzitou směšování primárního proudu vzduchu se vzduchem v místnosti, což vede k rychlému snížení rychlosti primárního proudu i k rychlému vyrovnání teploty přiváděného vzduchu se vzduchem v místnosti. Primární proud může být nastaven šikmo směrem k podlaze, nebo horizontálně pod stropem. Příklad štěrbinové výustě je na obr. 3.9, kde je v řezu schématicky znázorněna i její výstupní část. Proud vzduchu lze nastavit jednosměrně, nebo střídavě do obou směrů segmenty výstupní štěrbiny.
Obr. 3.9
Štěrbinová výusť (Trox)
Obr. 3.10 Kontrolní body v proudovém poli štěrbinových výustí (Trox)
36
Kontrolním bodem funkce štěrbinových výustí je místo styku proudů dvou sousedních štěrbin v dané vzdálenosti H1 (vzdálenost pásma pobytu osob od stropu), resp. L (m). Kontrolují se střední rychlost vzduchu ⎯vH1, resp. ⎯vL a rozdíl teploty vzduchu v místnosti a teploty v proudu vzduchu ∆tL = tI – tL (K). Schématické znázornění kontrolních bodů v proudovém poli štěrbinových výustí je na obr. 3.10. 3.2.5 Podlahové vyústky Podlahové vyústky se používají pro klimatizaci prostorů, kde je třeba efektivně odvádět vysokou tepelnou zátěž z pásma pobytu osob. Konstrukce výustí vytváří vířivý výstupní proud a umožňuje přivádět chladný vzduch s pracovním rozdílem teplot cca 6 K (maximálně 10 K). Výstupní proud lze nastavit do horizontálního i vertikálního směru. Nedoporučuje se instalovat podlahové výustě do míst, kde v blízkosti trvale pobývají osoby. Určitým problémem je možné znečištění, výrobci vybavují podlahové výustě koši pro zachycení nečistot. Na obr. 3.11 je podlahová výusť, v řezu jsou vidět hlavní součásti: 1 – krycí mřížka, 2 – nastavitelné lopatky pro usměrnění výstupního proudu, 3 – koš pro zachycení nečistot, 4 – komora pro připojení vzduchovodu.
Obr. 3.11 Podlahová vyústka (Trox)
3.2.6 Velkoplošné vyústky Velkoplošné vyústky jsou určeny pro zaplavovací způsob přívodu vzduchu do větraného/klimatizovaného prostoru. Princip zaplavování vyžaduje přívod chladného vzduchu, pracovní rozdíl teplot v rozmezí 1 až 6 K, výstupní rychlost vzduchu 0,1 až 0,5 m/s. Vyústky se vyrábí ve tvarech přizpůsobených danému prostoru, (půdorysně) ve formě kruhové (resp. kruhových segmentů), nebo mnohoúhelníkové. Na obr. 3.12 je výusť se třemi výstupními plochami, určená k instalaci ke stěně.
Obr. 3.12 Velkoplošná výusť (Trox)
37
Na obr. 3.12 je schématicky vyznačen neizotermní, chladný výstupní proud z výustě a charakteristické kontrolní body ve výši 100 mm nad podlahou, kde platí: V (m3/h) - průtok přiváděného vzduchu, ∆tZ = tI – tZ (K) - rozdíl teploty vzduchu v místnosti a teploty přiváděného vzduchu (pracovní rozdíl), ⎯vLmax1, resp. ⎯vL (m/s) - rychlost vzduchu a ∆tLmax = tI – tLmax, resp. ∆tL = tI – tLmax (K) rozdíl teploty vzduchu v místnosti a teploty v proudu vzduchu. 3.2.7 Textilní vyústky Základní tvar textilních vyústek je kruhového průřezu, vyrábí se však také s průřezem půlkruhovým, čtvrtkruhovým i dalších provedení (firma Příhoda). Otvory pro výstup vzduchu v textilii jsou podle účelu od 0,4 mm (mikroperforace) do 4 mm i více (perforace). Rozptýlení vzduchu může být jednak mísením - vyústky s perforací v řadě – obr.3.13 vpravo dole), nebo přechodovou formou mezi vytěsňováním a směšováním – vyústky s mikroperforací – obr. 3.13 vpravo nahoře).
Obr. 3.13 Schéma textilní vyústky (Příhoda)
Obr. 3.14 Pohled na textilní vyústky ve výrobní hale (Příhoda)
38
3.3 Modelování rychlostních, teplotních a koncentračních polí Počítačová mechanika tekutin (CFD), spolu se zvyšující se kapacitou výpočetní techniky, nalézá pro řešení charakteru proudění tekutin stále širší uplatnění. Ve větrání a klimatizaci jsou nejobvyklejším výsledkem CFD analýzy rychlostního a teplotního pole ve zkoumaném prostoru. 3.3.1 Metody počítačové simulace Rozložení teplotního a rychlostního pole ve zkoumaném prostoru je ovlivněno charakterem přívodu vzduchu, překážkami či zdroji tepla ve vnitřním prostoru. Důležitým činitelem je v počítačové mechanice tekutin však i charakter turbulence (laminární proudění se ve větrání a klimatizaci prakticky nevyskytuje). Tento děj však dosud není zcela popsán. Přímý výpočet není možný, k dispozici jsou pouze tzv. modely turbulence, jejichž podstatou je soustava rovnic, které se svým řešením více či méně blíží realitě. Jednotlivé modely turbulence jsou založené na empirických poznatcích. Numerická simulace turbulentního proudění umožňuje řešení třemi přístupy. Jedná se o metodu přímé simulace (DNS), metodu velkých vírů (LES) a metodu časového středování (RANS).
Obr. 3.15 Ilustrativní znázornění přístupu řešení jednotlivých metod z hlediska modelů
3.3.2 Metoda přímé simulace Metoda přímé simulace (DNS – Direct Numerical Solution) se používá výjimečně, a to pro mimořádnou náročnost na kapacitu počítačů z důvodu požadované jemné sítě. Hustota sítě je totiž řádově rovna rozměrům nejmenších turbulentních vírů. Metoda přímé simulace je pro běžné použití při stávající výpočetní technice prakticky nepoužitelná. 3.3.3 Metoda velkých vírů Metoda (LES - Large Eddy Simulation) je založena na modelování Obr. 3.16 Přehledové schéma možných řešení velkých vírů. Ty odebírají kinetickou z hlediska modelů turbulence energii hlavnímu proudu a jsou závislé na poloze v proudovém poli a na čase. Musí být tedy modelovány ve 3D a zároveň v čase. Při modelování lze navrhnout počet buněk 39
řešitelných současnou výpočetní technikou, nevýhodou je však nezbytnost nestacionárního řešení, což může vést k nepřiměřené délce výpočtu. 3.3.4 Metoda časového středování Jedná se o statistické modely turbulence, které jsou založeny na metodě časového (Reynoldsova) středování (RANS-Reynolds Averaged Navier-Stokes equations) veličin turbulentního proudění a na následujícím časovém středování bilančních rovnic. V současné době je tento přístup nejrozšířenější ve většině úloh. Na obr. 3.15 je ilustrativně znázorněn přístup řešení jednotlivých metod. Přehledové schéma problematiky řešení z hlediska modelů turbulence je vidět na obr. 3.16. Úkolem jednotlivých modelů turbulence je vyjádření turbulentního napětí, toků tepla nebo jiných skalárních veličin pomocí zvoleného měřítka a určit rozložení těchto parametrů v proudovém poli. Většina modelů využívá Boussinesqovy hypotézy o vírové (turbulentní) viskozitě, která předpokládá, že turbulentní napětí a turbulentní toky jsou úměrné gradientu střední rychlosti, teploty, koncentrace, apod. Na metodě časového (Reynoldsova) středování s využitím Boussinesqovy hypotézy jsou založeny např. dvourovnicové statistické modely turbulence k-ε, k-ε RNG, k-ω či k-ω SST. 3.3.5 Modelování proudění v blízkosti stěny Při zjišťování charakteru proudění metodou počítačové simulace je třeba věnovat obzvláštní pozornost oblasti v blízkosti stěny (mezní vrstva). Mezní vrstva v blízkosti stěny je rozdělena na více částí. Přímo u stěny se nachází laminární podvrstva, zde je proudění téměř laminární. Na ní navazuje přechodová vrstva. Okraj mezní vrstvy se označuje plně turbulentní oblast. Rozdělění mezní vrstvy je schématicky znázorněno na obr. 3.17, kde d (m) je vzdálenost od stěny. Proudění u stěny je možno v CFD určit dvěma způsoby. První možnost je použití stěnové funkce, která nahradí oblast laminární podvrstvy a přechodové vrstvy. Druhá možnost je přímé modelování proudění u stěny, a to včetně modelování laminární podvrstvy a přechodové vrstvy (dvouvrstvý model). 3.3.6 Dvouvrstvý model Dvouvrstvý model je vhodné použít při proudění o nízkých Reynoldsových číslech. Při aplikaci dvouvrstvého modelu je Obr. 3.17 Rozdělení mezní vrstvy třeba u stěny dosáhnout takové hustoty sítě, aby byla na stěně splněna hlavní podmínka y+<5. Parametr y+ je definován
y+ =
d ⋅U *
(3.1)
ν
40
kde d (m) je vzdálenost od stěny, U* (m/s) - třecí rychlost, ν (m2/s) – kinematická viskozita.
U* =
τw ρ
(3.2)
kde τw (Pa) je smykové napětí u stěny, ρ (kg/m3) – hustota tekutiny. Podmínce však lze vyhovět pouze za předpokladu silného zahušťování sítě u stěny. To má vliv na celkový počet kontrolních objemů modelu. V případě řešení ve 2D je potřebný počet kontrolních objemů dosažitelný. U větších 3D případů však počet kontrolních objemů narůstá, a tím se stává řešení (s použitím současné výpočetní techniky) velmi obtížné. 3.3.7 Stěnové funkce Stěnové funkce jsou souborem poloempirických funkcí a vztahů, kterými lze přemostit oblast laminární podvrstvy a přechodové vrstvy. Výhodou je možnost hrubšího zasíťování v této oblasti a tím i úspora kapacity paměti počítače i strojového času potřebného pro výpočet. Na stěně by měla být splněna podmínka y+ ~ 30. Schéma jednotlivých přístupů je znázorněno na obr. 3.18.
Přemostění laminární podvrstvy a přechodové vrstvy stěnovými funkcemi
Turbulence Lam. podvrstva a přechod. vrstva
Jemná síť pro přímý výpočet laminární podvrstvy a přechodové vrstvy
Obr. 3.18 Schéma jednotlivých přístupů stanovení charakteru mezní vrstvy 3.3.8 Obecný postup řešení Obecný postup řešení CFD lze rozdělit do následujících kroků: 1. Tvorba modelu; jedná se vytvoření modelu podle skutečné geometrie řešeného případu. Důležitou podmínkou je míra přesnosti. Vzhledem k omezenému počtu kontrolních objemů, je třeba zanedbat detaily, které na charakter proudění mají minimální či žádný vliv. Z této skutečnosti je patrné, že již v této fázi je třeba mít základní přehled o předpokládaném charakteru proudění. Příklad vytvořeného modelu je na obr. 3.19. 2. Vytvoření numerické sítě; jedná se o vyplnění modelu kontrolními objemy, tzv. „zasíťování“. Důležitou podmínkou je počet kontrolních objemů. Hrubá numerická síť je charakterizována krátkým výpočetním časem, výsledné hodnoty však mohou být značně nepřesné. Příliš jemná numerická síť klade vysoké nároky nejen na dobu výpočtu, ale také na operační paměť počítače. Příklad zasíťovaného modelu je na obr. 3.20. 3. Definice okrajových podmínek; jedná se o určení okrajových podmínek modelu. Na vyústce se určuje vstupní rychlost, teplota přiváděného vzduchu, intenzita turbulence, atd. U zdrojů tepla se obvykle zadává buďto tepelný tok nebo povrchová teplota. Totéž platí i u stěn a jiných konstrukcí, pokud nejsou uvažovány jako adiabatické. Ke každé konstrukci lze přiřadit materiál ze kterého je ve skutečnosti vyrobena (např. vzhledem k uvažování vedení tepla). V této fázi je třeba definovat i model turbulence, na základě kterého budou 41
výpočty probíhat. Okrajových podmínek je mnoho a pouze jejich správným určením lze dosáhnout výsledných hodnot, které budou odpovídat skutečnému stavu. 4. Spuštění a průběh výpočtu; během tohoto procesu je třeba kontrolovat zejména průběh konvergence daného řešení. V případě, že řešená úloha diverguje, je třeba provést kontrolu kvality numerické sítě a správnosti zadaných okrajových podmínek. V některých případech však úloha může divergovat, i když numerická síť a okrajové podmínky jsou vyhovující. Je to dáno zejména mírou složitosti modelu. U některých programů lze na základě změn určitých parametrů divergenci zamezit. 5. Vyhodnocení; jedná se prezentování výsledků srozumitelnou formou. Je třeba si uvědomit, že každý kontrolní objem je nositelem mnoha informací. Je to například rychlost a její složky ve směru x, y a z, teplota, intenzita turbulence, ale také tlak (dynamický, statický a celkový), hustota, apod. Na obr. 3.21 je přívod vzduchu vidět v podélném řezu středem místnosti rozložení rychlostního pole. Přívod větracího vzduchu je proveden stěnovou výustkou. odvod Obrázek znázorňuje kontury vzduchu rychlostí, které představují rychlost proudění. Směr proudění je pomocí vektorů rychlostí znázorněn na obr. 3.22. Na obr. zdroje tepla 3.23 jsou pro ilustraci vidět i příčné řezy znázorňující Obr. 3.19 Příklad vytvořeného modelu místnosti charakter rychlostního pole. Na obr. 3.24 je v podélném řezu středem místnosti vidět rozložení teplotního pole. Patrný je konvektivní proud nad zdroji tepla, které v tomto případě představují počítače. V případě šíření škodlivin lze sledovat jejich trajektorii. Na obr. 3.25 jsou vidět trajektorie nehmotných částic ze zdrojů škodlivin. Hypotetickým zdrojem je v tomto případě povrch Obr. 3.20 Příklad zasíťovaného modelu místnosti počítačů.
Obr. 3.21 Rozložení rychlostního pole v podélném řezu středem místnosti
Obr. 3.22 Vektory rychlostí v podélném řezu středem místnosti 42
Obr. 3.23 Rozložení rychlostního pole v příčných řezech w (m/s) 1,0
t (°C) 23
0,8
22
0,6
21
0,4
20
0,2
19
0,0
18
Obr. 3.24 Rozložení teplotního pole v podélném řezu středem místnosti
zdroje škodlivin Obr. 3.25 Trajektorie nehmotných částic ze zdrojů škodlivin
Na základě počítačové mechaniky tekutin lze řešit nejen ustálené proudění. Obvyklá jsou řešení i nestacionárních dějů. Může se jednat například v letním období o průběh změny vnitřní teploty v závislosti na sluneční radiaci a vnitřních ziscích, v zimním období lze řešit změnu vnitřní teploty a charakteru proudění vzduchu v místnosti v závislosti na změně teploty otopného tělesa, atd. U nestacionárních případů je třeba ke správným okrajovým podmínkám zadat i vhodnou délku časového kroku. Přestože počítačová mechanika tekutin může být efektivním nástrojem pro návrh nejvhodnějšího řešení, je třeba si uvědomit, že se vždy bude jednat jen o předpověď. Pouze na základě experimentu lze s jistotou určit charakter proudění. Obvyklá praxe by měla být taková, že na základě počítačové mechaniky tekutin se provede optimalizace řešení (například umístění distribučních elementů, atd.). Poté by měl následovat experiment, na jehož základě budou získané výsledky ověřeny.
3.4 Hodnocení kvality větrání Intenzita větrání I = V/O (1/h) je poměrnou veličinou, která umožňuje orientačně hodnotit větrání daného prostoru, ale nevypovídá nic o tom, v jakých částech místnosti je intenzivnější přívod čerstvého vzduchu a kde proudění stagnuje. Rozložení čerstvého vzduchu v místnosti je výrazně ovlivňováno způsobem rozptýlení vzduchu a rozmístěním zdrojů škodlivin.
43
Větrání má obecně zajistit •
přívod čerstvého vzduchu do požadovaných míst větraného prostoru (pásma pobytu osob, pracovního pásma) – tj. obnovu vzduchu v požadovaných místech prostoru,
•
odvod škodlivin, které ve větraném prostoru vznikají.
Každý z těchto uvedených cílů je třeba hodnotit individuálně. Jak bude ukázáno dále, lze simulací CFD i experimentálními metodami stanovit ve větraném prostoru kvantifikovatelná kriteria (ukazatele) kvality rozptýlení vzduchu v prostoru i ukazatele vyjadřující schopnost větracího systému odvádět z prostoru emitované škodliviny. Větrací systémy se proto mohou hodnotit podle jejich schopnosti •
dopravit přiváděný čerstvý vzduch do požadované oblasti (bodu) větraného prostoru – hodnocení rozptýlení čerstvého vzduchu ve větraném prostoru,
•
odstranit z větraného prostoru emitované škodliviny – hodnocení odvodu škodlivin z větraného prostoru.
Příčiny rozdílnosti obou cílů větrání jsou především tyto: •
Kontinuální nahrazování vzduchu v místnosti (přívodem čerstvého vzduchu) je závislé pouze na obrazech proudění (vyvolaných větracím systémem) – k náhradě dojde vždy, když čerstvý vzduch dosáhne daného bodu. Hodnotí se pouze schopnost větracího systému dopravit čerstvý vzduch do daného místa a to je dáno vlastnostmi systému rozptýlení vzduchu, nezávisle na rozložení zdrojů škodlivin.
•
Schopnost větracího systému odvést z větraného prostoru škodliviny je ovlivněna nejen obrazy proudění, ale i prostorovým rozložením zdrojů škodlivin.
K hodnocení schopnosti větracího systému dopravit čerstvý vzduch do požadovaného bodu větraného prostoru zavedli Sandberg a Sjöberg [3.2], [3.3] veličinu místní střední stáří vzduchu (local mean age of air) τstř (s). Stáří vzduchu má význam pro hodnocení kvality vzduchu v komfortním prostředí, bez výrazných zdrojů škodlivin, kde je účelné znát oblasti efektivně větrané čerstvým vzduchu a oblasti, kde vzduch stagnuje. Odvod škodlivin se hodnotí pomocí veličiny účinnost odvodu škodlivin (příměsí) (contaminant removal efficiency) εC (-), která je definována vztahem εC = Co / Cstř 3
(3.3) 3
3
3
kde Co (m /m ) je koncentrace škodliviny v odváděcím otvoru, Cstř (m /m ) – střední koncentrace (podle objemu) v celém prostoru místnosti. Význam účinnosti odvodu škodlivin je především při hodnocení v provozech s výraznými zdroji škodlivin. Místní stáří vzduchu Místní stáří vzduchu je doba (měřená od okamžiku výstupu z vyústky), za kterou dosáhne molekula přiváděného vzduchu dané místo (obecný bod R o prostorové souřadnici r) ve větraném prostoru. V místech, která jsou v blízkosti přiváděcích otvorů (v oblasti primárního proudu) je vzduch „mladý“, v místech se stagnujícím prouděním, kam se molekuly vzduchu dostanou po dlouhé dráze, je vzduch „starý“. Protože se uvažuje, že molekuly vzduchu v sledovaném bodě prostoru mají určitou distribuci stáří, tj, že stáří molekul v daném bodě lze vyjádřit křivkou četnosti (distribuční křivkou, zavádí se pojem charakterizující tuto distribuci střední veličinou – místní střední stáří vzduchu τstř (s).
44
Pokud se charakterizuje proudové pole v prostoru rozložením rychlosti proudění w(r) a rozložením turbulentního součinitele difúze D(r), lze odvodit [3.4] rovnici přenosu místního středního stáří vzduchu τstř pro ustálený děj ve tvaru ∇ ⋅ (wτ stř − D ∇τ stř ) = 1 kde ∇ je Hamiltonův operátor.
(3.4)
Při zadaných okrajových podmínkách lze na základě vztahu (3.3) simulací CFD stanovit ve větraném prostoru číselně střední stáří vzduchu. Získané hodnoty lze graficky znázornit čarami konstantního stáří, příklad je na obr. 3.26 (dle [3.4]). Výsledné číselné hodnoty středního stáří se vyjadřují zpravidla poměrnou veličinou τstř / τstř o , kde τstř o je střední stáří vzduchu v otvoru pro odvod z místnosti. Na obrázku je schematicky znázorněno rozložení středního stáří vzduchu v podélném řezu místnosti větrané izotermním proudem s výustí pro přívod vzduchu pod stropem; odváděcí otvor je v protilehlé stěně u podlahy. Lze dokázat, že v odváděcím otvoru je τstř / τstř o = 1 a v přiváděcí otvoru τstř / τstř o = 0.
Objemově průměrné střední stáří vzduchu v Obr. 3.26 Místní střední stáří vzduchu v podélné rovině větrané místnosti
3.5 Literatura [3.1]
DRKAL, F.; LAIN, M.; SCHWARZER, J.; ZMRHAL, V. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2010. [3.2] SANDBERG, M. What is ventilation efficiency. Building and Environment,1981, vol.16, s. 125-135. [3.3] SANDBERG, M.; SJŐBERG, M. The use of moments for assessing air quality in ventilated rooms. Building and Environment,1983, vol.18, s. 181-197. [3.4] ROOS, A. On the effectiveness of ventilation. Eindhoven: Technical University, 1999. [3.5] KOZUBKOVÁ, M. Modelování proudění - Fluent I. Ostrava: VŠB-TU, 2008. [3.6] SCHWARZER, J. Neizotermní proudění podél svislé stěny. Disertační práce. Praha: ČVUT, 2008. [3.7] Fluent (2006) Fluent 6.2 Documentation online: Fluent Inc.. Dostupné na www:
[3.8] www. stránky výrobců výustí: Trox, Schako, Příhoda, Mandík.
45
4 Klimatizační systémy Klimatizace - proces úpravy tepelného a vlhkostního stavu ovzduší (při použití chladicích ploch obecněji tepelného stavu prostředí), čistoty a proudění vzduchu pro obytné, společenské a průmyslové budovy, dopravní prostředky i technologické procesy. Proměnnost okrajových podmínek (venkovního klimatu, vnitřních zátěží tepelných, vlhkostních) vede k automatickému řízení procesů úpravy vzduchu v závislosti na změnách venkovních i vnitřních podmínek. Klimatizace komfortní (pro dodržení hygienických podmínek - pro osoby) je vždy spojena s přívodem čerstvého venkovního vzduchu – větráním. Základní kategorie: • Klimatizace komfortní - úprava ovzduší (prostředí) z hlediska hygienického (pro činnost lidského organismu). Patří se klimatizace obytných a pobytových prostorů (byty, shromažďovací prostory – divadla, kina, hotely, administrativní budovy apod.). • Klimatizace technologická – úprava ovzduší (prostředí) z hledisek technologických (pro funkci výrobních/pracovních procesů, strojů, procesů biologických, mikrobiologických). Prostředí lze upravovat - v prostoru budov, v místnostech s přítomností osob (technologická prostorová klimatizace); jsou to např. čisté prostory pro elektroniku, farmacii, přesnou strojírenskou výrobu apod. - uvnitř technologických linek, bez přítomnosti osob (technologická procesní klimatizace). Úplná klimatizace zahrnuje veškeré úpravy teploty, vlhkosti a čistoty celoročně na požadované parametry. Dílčí klimatizace slouží jen k částečné úpravě (pouze některých parametrů), např. úprava teploty chlazením v letním období. Klimatizační zařízení pro dílčí úpravu vzduchu mohou být kombinována i s vytápěcími zařízeními; např. komfortní klimatizace zajišťuje chlazení, větrání v létě a doplňuje větráním vytápění v zimě. Komfortní klimatizační systémy (vždy s přívodem čerstvého vzduchu), ve vícezónovém provedení mohou být řešeny s přívodem upraveného čerstvého vzduchu (pro větrání) do vnitřních klimatizačních jednotek (koncových prvků), nebo se může čerstvý vzduch přivádět samostatnými vyústkami do klimatizovaného prostoru. Klimatizační systém je koncepční soubor funkčních prvků pro úpravu vzduchu (venkovního, čerstvého i vzduchu oběhového), distribuci tepla, chladu a vzduchu v objektu. Systémy zahrnují filtraci, směšování, ohřev, chlazení, vlhčení, odvlhčování a třídí se podle druhu tekutiny přenášející teplo a chlad v budově a podle počtu zón (místností), ve kterých klimatizační systém upravuje prostředí a v nichž dochází k individuálním změnám tepelné a vlhkostní zátěže. Pojem klimatizační zařízení platí pro konkrétní provedení určitého systému, případně jeho dílčí části (např. "Zařízení č.1 Klimatizace posluchárny", je konkrétním provedením vzduchového jednokanálového, jednozónového klimatizačního systému). Pro návrh klimatizace jsou nutné následující, výchozí údaje: • požadované parametry vnitřního prostředí (ovzduší) – tj. parametry tepelně vlhkostní, parametry čistoty ovzduší • vnitřní zdroje tepla, chladu, vlhkosti, případně škodlivin v klimatizovaném prostoru • vlastnosti budovy (dispozice, tepelně-technické vlastnosti) • parametry venkovního prostřední • požadavky na větrání – průtok venkovního čerstvého vzduchu. Podrobnosti k uvedeným údajům obsahuje kap. 1 textu Vzduchotechnika [4.1].
46
4.1 Třídění klimatizačních systémů Klimatizační systémy se třídí dvojím způsobem: • podle tekutiny přenášející chlad a teplo po budově - systémy: - vzduchové - vodní - kombinované - voda/vzduch - chladivové •
podle počtu zón (místností), ve kterých klimatizační systém upravuje prostředí a v nichž dochází k individuálním změnám tepelné a vlhkostní zátěže - systémy: - jednozónové - vícezónové
Typické, hlavní skupiny a podskupiny jednotlivých klimatizačních systémů jsou: • Vzduchové systémy jednozónové - jednokanálový systém s konstantním průtokem vzduchu - kap. 15 [4.1] • Vzduchové systémy vícezónové – kap. 6 - jednokanálový systém s proměnným průtokem vzduchu - dvoukanálový systém s konstantním průtokem vzduchu • Vodní systémy vícezónové - systém s ventilátorovými konvektory (dvou, tří, čtyřtrubkový rozvod vody, jednokanálový rozvod vzduchu) – kap. 7 - systém s chladicími/otopnými plochami (např. stropy) – kap. 10 • Kombinované systémy vzduch-voda vícezónové – kap. 8 - indukční systém s indukčními (parapetními) jednotkami (dvou, tří, čtyřtrubkový rozvod vody, jednokanálový rozvod vzduchu) - indukční systém s chladicími trámci (dvou (i čtyř) trubkový rozvod vody, jednokanálový rozvod vzduchu) • Chladivové systémy jedno i vícezónové – kap. 9 - jednozónový systém (split) s konstantním průtokem chladiva - vícezónový systém (multisplit) s konstantním průtokem chladiva - vícezónový systém (multisplit) s proměnným průtokem chladiva
4.2 Charakteristické vlastnosti klimatizačních systémů 4.2.1 Vzduchové, vodní, kombinované, chladivové systémy Klimatizační systémy rozvádí teplo i chlad po budově vzduchem (vzduchovody), vodou (vodním potrubím), chladivem (chladivovým potrubím). Každý z uvedených distribučních systémů je zakončen v klimatizovaném prostoru koncovými prvky k předání tepelné energie do ovzduší (prostředí). U vzduchových systémů jsou to vyústky, anemostaty. Vodní systémy zakončují vodní ventilátorové konvektory (jednotky fan-coil) nebo chladicí panely (u systému chladicích stropů), do kterých se přivádí vodním rozvodem chladná/teplá voda. Koncovými prvky kombinovaných systémů vzduch/voda jsou indukční parapetní jednotky nebo chladicí trámce do kterých se přivádí chlad/teplo jak vzduchem, tak vodním rozvodem. Chladivové systémy zakončují chladivové ventilátorové konvektory (vnitřní jednotky), do kterých se tepelná energie přivádí chladivovým potrubím kapalného/plynného chladiva. Venkovní čerstvý vzduch pro větrání u vzduchových a kombinovaných systémů vzduch/voda je přiveden do klimatizovaných místností systémovými vzduchovody (společná distribuce chladu, tepla a větracího vzduchu). U systémů vodních a chladivových se zřizují samostatná větrací zařízení, která mohou vyústit buď do koncových prvků daných systémů 47
(ventilátorových konvektorů, vnitřních jednotek) nebo ústí samostatně vyústkami, anemostaty přímo do klimatizovaného prostoru. Rozdílné vlastnosti vzduchových, vodních a chladivových systémů vyplývají ze schopnosti jednotlivých systémů přenášet tepelnou energii. Kriteriem pro porovnání může být průřez vzduchovodu, vodního nebo chladivového potrubí pro přenos stejného množství tepelné energie po budově – odst. 4.3. 4.2.2 Systémy jednozónové, vícezónové Jednozónové systémy slouží k úpravě vzduchu v jednom prostoru, resp. v několika prostorech, ale se stejným charakterem tepelné zátěže a provozu. Systémy jsou vybaveny jednou klimatizační jednotkou, která je řízena čidly z klimatizovaného prostoru. Typickým představitelem jednozónových systémů je vzduchový, jednokanálový systém používaný pro klimatizaci shromažďovacích prostorů (divadel, kin, koncertních sálů, sportovních hal, průmyslových hal) – kap. 15 [4.1]. Dalším příkladem jednozónového systému je chladivový split systém, používaný pro klimatizaci jednotlivých kanceláří, obchodů i bytů. Vícezónové systémy (kap. 6 až 10) jsou určeny pro klimatizaci budov s větším počtem místností (administrativní budovy, hotely aj.). Vícezónové systémy obsahují ústřední klimatizační zařízení (u velkých budov i několik samostatných zařízení pro dílčí úseky budovy), které zajišťuje základní úpravu venkovního (případně i oběhového) vzduchu (filtrace, ohřev, chlazení, vlhčení) a jeho rozvod po budově. Další součásti systému tvoří ústřední zdroje chladu/tepla a vodní/chladivové rozvody v budově. Koncové prvky v místnostech, napojené na ústřední zdroje vzduchu/vody/chladiva, slouží k dodatečné (zónové) úpravě vzduchu (zpravidla k chlazení a ohřevu) podle individuálních teplotních podmínek (s řízením podle teplotního čidla v zóně – místnosti). Vícezónové systémy umožňují úpravu vzduchu podle požadavků uživatele místnosti a aktuální tepelné zátěže (která se mění v jednotlivých místnostech podle počtu osob, provozu elektrických spotřebičů, stínění budovy aj.).
4.3 Porovnání vzduchových, vodních a chladivových systémů Kriteriem pro porovnání je tepelná energie přenášená vzduchovými, vodními a chladivovými sítěmi. Výsledkem porovnávací analýzy je průřez potrubí, kterým se přenáší stejné množství energie u jednotlivých systémů. Porovnání neslouží k obecnému hodnocení systémů, ale poukazuje na rozdíly jednotlivých systémů při distribuci chladu (tepla) v budově. Řešení uvažuje vlastnosti teplonosné látky, rozdíly teplot (u vzduchových a vodních systémů) a výparné teplo (u chladivového systému). Podstata rozdílu dimenzí sítí je založena na různosti fyzikálních vlastností teplonosných látek a na způsobu sdílení tepla. Vzduchové a vodní systémy sdílí teplo při změně teploty teplonosné látky (přenos citelného tepla), u chladivových systémů se mění ve výparníku kapalné skupenství teplonosné látky na plynné vypařováním (přenos vázaného tepla). Porovnání je provedeno pro obvyklé provozní hodnoty v letním období (při chlazení), za předpokladu citelné tepelné zátěže klimatizované místnosti Qza = 3 000 W. Pozn.: Ve schématech na obr. 4.1, 4.2, 4.3 není vyznačen přívod/odvod venkovního vzduchu pro větrání, u kterého se nepředpokládá podíl na odvodu tepelné zátěže místnosti. 4.3.1 Vzduchový systém, jednokanálový nízkotlaký – vzduchovod pro chlazení Schéma pro znázornění odvodu tepelné zátěže je na obr. 4.1, kde platí: Qza = 3 000 W tepelná zátěž místnosti (vnitřní i venkovní), Vvz (m3/s) - objemový průtok přiváděného/odváděného vzduchu, w = 10 m/s - rychlost vzduchu ve vzduchovodu, (tI – tP ) = 48
= 10 K - rozdíl teploty vnitřního (i odváděného) a přiváděného vzduchu, Svz (m2) - průřez vzduchovodu, dvz (mm) - průměr kruhového vzduchovodu, c = 1 010 J/kg K, ρ = 1,2 kg/m3. Předpokládá se , že teplota odváděného vzduchu tO = tI (při účinném směšovacím větrání). Tepelná zátěž místnosti se vyjádří následujícím vztahem
Q za = Vvz ρ c (t O − t P ) = S vz w ρ c (t O − t P ) = S vz ⋅ 10 ⋅ 1,2 ⋅ 1010 ⋅ 10 = S vz ⋅ 1,2 ⋅ 10 5 W
(4.1)
Průřez vzduchovodu (pro Qza = 3 000 W)
Q za = 0,025 m2 1,2 ⋅ 10 5 Odpovídající průměr vzduchovodu dvz = 180 mm. S vz =
(4.2)
4.3.2 Vzduchový systém, jednokanálový vysokorychlostní (vysokotlaký) – vzduchovod pro chlazení Schéma je shodné s předchozím případem (obr. 4.1), pouze se uvažuje ve vzduchovodu vyšší rychlost vzduchu w = 16 m/s. Ostatní vstupní veličiny jsou shodné s předchozím případem. Průřez vzduchovodu Svz (m2) pro Qza = 3 000 W je, podle rovnic (4.1) a (4.2), kam za w se dosadí 16 m/s Qza = 0,0156 m2 S vz = (4.3) 5 1,92 ⋅ 10 Odpovídající průměr vzduchovodu dvz = 140 mm.
Obr. 4.1 Schéma odvodu tepelné zátěže vzduchovým systémem
Obr. 4.2 Schéma odvodu tepelné zátěže vodním systémem s ventilátorovým konvektorem
4.3.3 Vodní systém s ventilátorovými konvektory - rozvod vody pro chlazení Schéma systému s ventilátorovými konvektory je na obr. 4.2, kde platí: Qza (W) - tepelná zátěž místnosti (vnitřní i venkovní), Vw (m3/s) - objemový průtok přiváděné/odváděné vody ve výměníku ventilátorového konvektoru, w = 1 m/s - rychlost vody v potrubí, (tw2 - tw1 ) = 6 K rozdíl teploty odváděné a přiváděné vody, Sw (m2) - průřez vodního potrubí, dw (mm) - průměr potrubí, cw = 4187 J/kg K, ρw = 1 000 kg/m3. Tepelná zátěž místnosti
Q za = Vw ρ w c w (t w 2 − t w1 ) = S w w ρ w c w (t w 2 − t w1 ) = S w ⋅ 1 ⋅ 1000 ⋅ 4187 ⋅ 6 = S w 250 ⋅ 10 5 (W)
(4.4)
Průřez vodního potrubí pro Qza = 3 000 W Sw =
Q za = 0,00012 m2 5 250 ⋅ 10
(4.5)
Odpovídající průměr vodního potrubí dw = 12 mm.
49
Stejné dimenze vodního potrubí platí i pro kombinovaný systém vzduch/voda s indukčními jednotkami. 4.3.4 Chladivový systém – rozvod kapalného/plynného chladiva Schéma systému je na obr. 4.3, kde platí: Qza (W) - tepelná zátěž místnosti (vnitřní i venkovní), Vchk/Vchp (m3/s) - objemový průtok kapalného/plynného chladiva proudícího do/z výměníku (výparníku) vnitřní klimatizační jednotky, wchk/wchp = 0,6/8,0 m/s - rychlost kapalného/plynného chladiva v potrubí, l = 198 000 J/kg výparné teplo chladiva (R 134a), Schk/Schp (m2) - průřez potrubí kapalného/plynného chladiva, dchk/dchp (mm) - průměr potrubí kapalného/plynného chladiva, ρchk /ρchp = 1 295/14,5 kg/m3.
Hmotnostní průtok chladiva Mch = Vchk ρchk = Vchp ρchp (kg/s). Pro potrubí kapalného chladiva se tepelná zátěž místnosti vyjádří vztahem Q za = Vchk ρ chk l = S chk wchk ρ chk l = S chk ⋅ 0,6 ⋅ 1295 ⋅ 198000 = S chk ⋅ 1538 ⋅ 10 5 W
(4.6)
Průřez potrubí kapalného chladiva pro Qza = 3 000 W S chk =
Q za = 0,00002 m2 5 1538 ⋅ 10
(4.7)
Odpovídající průměr potrubí kapalného chladiva dchk = 5 mm. Pro potrubí plynného chladiva se tepelná zátěž místnosti vyjádří vztahem Q za = Vchp ρ chp l = S chp wchp ρ chp l = S chp ⋅ 8,0 ⋅ 14,5 ⋅ 198000 = S chp ⋅ 230 ⋅ 10 5 W
(4.8)
Průřez potrubí plynného chladiva pro Qza = 3 000 W S chp =
Q za = 0,00013 m2 230 ⋅ 10 5
(4.9)
Odpovídající průměr potrubí plynného chladiva dchk = 13 mm. 4.3.5 Výsledek porovnání Z provedených výpočtů je vidět, že z hlediska prostorových nároků na rozvody energií jsou pro chlazení budov nejnáročnější vzduchové systémy, příznivější rozměry má vodní potrubí a nejméně náročné jsou rozvody chladiva (zvláště kapalného chladiva).
Orientační poměr průřezů je: Svz / Sw / Schk ≈ 1 / 100 / 1000.
Obr. 4.3 Schéma odvodu tepelné zátěže chladivovým systémem
4.4 Literatura [4.1] DRKAL, F.; LAIN, M.; SCHWARZER, J.; ZMRHAL, V. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2010. [4.2] CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3.vyd. Brno: BOLIT-B-press, 1993. ISBN 80-901574-0-8.
50
5 Zdroje chladu pro klimatizační zařízení Jednou ze základních funkcí klimatizačních zařízení je v letním období chlazení. Zdroje chladu pro klimatizační zařízení lze rozdělovat podle řady kritérií. Rozlišují se zařízení založená na oběhu chladiva (absorpční, kompresorová), termoelektrické chlazení (Peltiérův článek) a alternativní způsoby chlazení využívající chlad z okolního prostředí, jako je noční chlazení, zemní chlazení, či chlazení adiabatické. Většina zdrojů chladu pro klimatizaci však pracuje s kompresorovým oběhem chladiva a těm je věnována i tato kapitola; někdy se pro větší výkony používá i absorpčních zařízení. Zdroje chladu lze rozlišovat i podle použitého kompresoru, používají se kompresory: • pístové – především pro menší zařízení bez regulace průtoku chladiva, • spirálové (tzv. scroll) – pro menší zdroje s proměnným průtokem chladiva, • šroubové – pro zdroje větších výkonů, • turbokompresory, křídlové a pod. – spíše výjimečně. Kompresory je možno dělit podle spojení s pohonem na ucpávkové, polohermetické a hermetické. Další možností je rozdělení zdrojů chladu podle použitého chladiva. Chladiva R11, R12 a R22 se již v nových zařízeních nepoužívají. Časté je použití chladiv R407C (náhrada za R22), R410A (zdroje chladu, chladivové systémy), R404A (dopravní chlazení), R134a (zdroje větších výkonů); své uplatnění pozvolna nachází i R717 (čpavek) a R744 oxid uhličitý. Detailnímu řešení oběhu chladiva je věnován samostatný předmět a skriptum.
Obr. 5.1 Schéma kompresorového oběhu chladiva (vlevo), kondenzátorové jednotky (uprostřed) a zdroje chladné vody (vpravo) Kompresorový oběh chladiva má čtyři základní součásti: kompresor, kondenzátor, škrticí ventil a výparník (obr. 5.1 vlevo). V základním režimu chlazení odebírá výparník teplo 51
teplonosné látce a to buď přímo vzduchu (přímý výparník) nebo pomocné kapalině (většinou vodě), která potom slouží k ochlazení vzduchu pro klimatizaci. Z kondenzátoru musí být teplo odváděno, nejčastěji do venkovního prostředí. Konstrukčně se zdroje chladu liší právě tím, jak je přenos tepla na výparníku a kondenzátoru uskutečněn a jak je celý zdroj konstruován. V případě, že je použito přímého výparníku (výměník chladivo / vzduch), ať už v centrální klimatizační jednotce nebo ve vnitřních cirkulačních jednotkách chladivových systémů, je zdrojem chladu tzv. kondenzátorová jednotka propojená s výparníkem oběhem chladiva (obr. 5.1 uprostřed). Zdroje chladu ve kterých výparník ochlazuje pomocnou teplonosnou látku (většinou vodu) se někdy označují jako zdroje chladné vody, a často se nesprávně používá i v češtině jejich anglického názvu Chiller (obr. 5.1 vpravo). Teplonosná látka pak odebírá teplo vzduchu v chladiči klimatizační jednotky, nebo v chladičích cirkulačních jednotek (např. ventilátorových konvektorech), případně přímo z klimatizovaného prostoru (např. u chladicích stropů). Podle způsobu odvodu kondenzačního tepla se rozlišují kondenzátory chlazené vzduchem, vodou a nebo adiabaticky chlazené kondenzátory. Zdroje tepla mohou být konstruovány jako kompaktní (úplné chladicí zařízení), kondenzátorové jednotky (kondenzátor, kompresor), výparníkové jednotky (kompresor, škrticí ventil, výparník) a sestavná zařízení, kdy je dodáván každý díl samostatně.
5.1
Chladicí faktor
Chladicí faktor zdroje chladu s kompresorovým parním oběhem je definován jako poměr chladicího výkonu QN ku elektrickému příkonu zdroje PN. V angličtině se používá pro takto definovaný výkonový koeficient zkratka COP (Coefficient of Performance), která se používala i v češtině. Nově je pro zdroje chladu definováno EER (Energy Efficiency Ratio) na místo dřívějšího COP. Jedná se pouze o nové značení, které tak rozlišuje zdroje chladu od zdrojů tepla, kde se používá nadále COP. V některé zahraniční literatuře (USA) je uváděno EER v jednotkách Btu/Wh. Takto určený EER lze potom převést na bezrozměrnou hodnotu běžnou v EU vydělením koeficientem 3,413. Q COP = N = EER (-) (5.1) PN V chladicí technice se pro porovnávání a pro studium základních zákonitostí kompresorového oběhu používá levotočivý Carnotův oběh. V praxi má tento oběh nedosažitelnou účinnost a chladicí faktor takovéhoto oběhu COPC je dán poměrem termodynamické teploty vypařovací TO a rozdílu teploty kondenzační TK a teploty vypařovací TO (rovnice 5.2). Chladicí faktor je pro dané teploty a pro Carnotův oběh nejvyšší možný a nezávislý na druhu látky obíhající v okruhu. Skutečné oběhy se od teoretických liší nevratností dějů. Porovnání skutečného oběhu s Carnotovým lze vyjádřit účinností oběhu ηR, a chladicí faktor reálného oběhu (COPR) se liší od Carnotova. TO COPC = (5.2) TK − TO
COPR = COPC ⋅η R =
TO ⋅η R TK − TO
(5.3)
Celkový chladicí faktor reálného oběhu COP1 je potom poměr tepla odvedeného na výparníku k el. příkonu kompresoru a musí zohlednit i účinnost kompresoru ηC a jeho pohonu ηE
52
COP1 = COPR ⋅ η C ⋅ η E =
QN = EER1 P1
(5.4)
Pro zdroje chladu s vodou chlazeným kondenzátorem je chladicí faktor definovaný rovnicí (5.4), kde P1 je příkon kompresoru. Oběhová čerpadla a ventilátory pro odvod kondenzačního tepla už nejsou součástí zdroje chladu, proto se jejich příkony do chladicího faktoru zdroje chladu nezahrnují, i když při posuzování spotřeby energie celého klimatizačního systému je nelze opomenout. V případě kompaktního zdroje se vzduchem chlazeným kondezátorem jsou součástí zdroje i ventilátory pro odvod kondenzačního tepla a jejich příkon P2 je třeba zohlednit v chladicím faktoru zdroje QN ′ = EER1′ (5.5) COP1 = P1 + P2 Při posuzování energetické náročnosti klimatizace – chlazení budov je třeba zohlednit nejen spotřebu el. energie kompresoru, ale i spotřeby ostatních zařízení chladicího systému, jako jsou oběhová čerpadla vody a ventilátory pro odvod kondenzačního tepla. Pro komplexní hodnocení provozu zařízení je vhodné vycházet nejen z chladicího faktoru při plné zátěži, ale měl by být posouzen i chladicí faktor při částečné zátěži. Ten může být výrazně vyšší především u zařízení s plynulou regulací výkonu. Naproti tomu u zařízení bez regulace výkonu může být chladicí faktor při částečném zatížení díky příkonu ventilátorů i nižší, než chladicí faktor při jmenovitém výkonu. Takzvaný Evropský sezónní chladicí faktor (ESEER) se vypočítá podle rovnice: ESEER = 0,03 ⋅ EER 100% + 0,33 ⋅ EER 75% + 0,41 ⋅ EER 50% + 0,23 ⋅ EER 25% (5.6) kde EERXX% je chladicí faktor při XX procentní zátěži určený pro podmínky dle následující tabulky: Tab. 5.1 Parametry pro vyhodnocení ESEER Procento zatížení 100 75 50 25
Teplota vzduchu (°C) 35 30 25 20
Teplota vody (°C) 30 26 22 18
Koeficient v rovnici 3% 33 % 41 % 23 %
Již několik let se provádí klasifikace výrobků podle certifikačního programu Eurovent. Ten platí pro vzduchem chlazené zdroje chladné vody do výkonu 600 kW a vodou chlazené zdroje do výkonu 1 500 kW. Posuzuje se chladicí faktor kompaktní jednotky pro přípravu chladné vody s kompresorovým oběhem a interními nebo externími kondenzátory. EER je definován jako poměr získaného chladu ku příkonu jednotky, do kterého se nezahrnuje spotřeba externích oběhových čerpadel a ostatních externích zařízení. Pro potřeby klimatizace v režimu chlazení je chladicí faktor EER měřen při teplotě vody 7/12 °C a teplotě vzduchu 35 °C u vzduchem chlazených a 30/35 °C u vodou chlazených kondenzátorů. Klasifikace podle této normy umožňuje snadno srovnávat různé zdroje chladu z pohledu chladicího faktoru. Důraz na snižování spotřeby energie vede řadu výrobců k optimalizaci svých výrobků. To se projevuje především většími kondenzátory, plynulou regulací kompresorů a ventilátorů i optimalizací ovládání elektronických škrticích ventilů pro dosažení maximálního chladicího faktoru.
53
Tab. 5.2 Klasifikace EER zdrojů chladu pro klimatizaci v režimu chlazení Třída EER A B C D E F G
Vzduchem chlazené ≥3,1 2,9÷3,1 2,7÷2,9 2,5÷2,7 2,3÷2,5 2,1÷2,3 ≤2,1
Vodou chlazené ≥5.05 4,65÷5,05 4,25÷4,65 3,85÷4,25 3,45÷3,85 3,05÷3,45 ≤3.05
S externím kondenzátorem ≥3,55 3,4÷3,55 3,25÷3,4 3,1÷3,25 2,95÷3,1 2,8÷2,95 ≤2,8
5.2 Výparníky Výparníky se rozdělují na výparníky suché s termostatickým expanzním ventilem nebo s elektronickým expanzním ventilem a výparníky zaplavené (s nízkotlakým plovákovým ventilem, s vysokotlakým plovákovým ventilem, s elektronickým regulátorem výšky hladiny, nebo s termostatickým ventilem s vyhřívanou tykavkou). Jak již bylo výše zmíněno výparníky se rozdělují také podle toho, zda odebírají teplo přímo vzduchu, nebo pomocné kapalině. Výparníky ochlazující přímo vzduch jsou součástí klimatizačních jednotek, nebo cirkulačních jednotek chladivových systémů a byl jim věnován odstavec 2.2.2 těchto skript. Při jejich použití je třeba zajistit odvod kondenzátu na straně vzduchu a případné odtávání námrazy a regulaci výkonu podle požadavků klimatizace. Výparníky jednotek pro přípravu chladné vody jsou výměníky voda-chladivo; většinou se používají výměníky deskové, případně trubkové. Je-li pomocnou teplonosnou kapalinou voda, měla by být teplota výparníku vyšší nežli 0 °C, aby nedocházelo k zamrznutí. Zdroje chladu jsou osazeny protimrazovou ochranou, která sleduje teplotu vody za výměníkem a zároveň čidla průtoku ověřují, zda je dodržen průtok vody výměníkem. V případě poklesnutí průtoku nebo snížení teploty pod nastavenou mez je zdroj chladu odstaven. V některých případech se jako teplonosná látka používá nemrznoucí směs.
5.3 Vodou chlazené kondenzátory Vodou chlazené kondenzátory jsou výměníky chladivo-voda. Prostup tepla je jako u všech výměníků popsán rovnicí Q = U ⋅ A ⋅ ∆t M (5.7) 2 kde Q (W) je předané teplo, U (W/m K) - celkový součinitel prostupu tepla, A (m2) teplosměnná plocha, ∆tM (K) - střední teplotní rozdíl. Celkový součinitel prostupu tepla je dán součiniteli přestupu tepla na straně vody αw, tepelným odporem stěny výměníku R, tepelným odporem případných usazenin rfw a přestupem tepla na straně chladiva αr vztaženými na teplosměnnou plochu výměníku 1 (5.8) U= 1 1 + r fw + R +
αw
αr
Přestup tepla na straně vody je silně ovlivněn rychlostí proudění. Proto je rychlost proudění vody jedním z klíčových parametrů výměníku. Je třeba ji volit s ohledem na riziko poškození otěrem a tlakové ztráty. Pro měděné výměníky a pro čistou vodu je doporučená rychlost 2 až 3 m/s.
54
Dalším faktorem výrazně ovlivňujícím prostup tepla je zanášení výměníku usazeninami. Údaje výrobce jsou stanoveny pro čisté výměníky. Při špatném provozování mohou usazeniny snížit výkon výměníku až o 50 %. Nánosy mohou být způsobeny jak usazováním, korozí, tak i biologickým růstem. Určitou prevencí je ošetření oběhové vody a dostatečná rychlost proudění ve výměníku. Základním typem výměníků jsou výměníky trubkové. Nejčastěji používané je horizontální Obr. 5.2 Schéma odvodu kondenzačního tepla vlevo uspořádání, kde je chladivo vzduchem, vpravo vodou chlazený kondenzátor vedeno trubkami. Výkony trubkových výměníků bývají od 3 do 35 000 kW. Materiál kondenzátorů závisí na použitém chladivu, velmi časté je použití mědi. Pro menší výkony do 350 kW se velmi často používá výměníků deskových, ať již svařovaných nebo rámových. Jejich výhodou jsou kompaktní rozměry a malý objem vody i chladiva. Údržba vodou chlazených kondenzátorů je velmi důležitá. Základním problémem je tvoření nánosů. Nové výměníky mají většinou nižší kondenzační teploty. Následkem postupného zanášení roste teplota. Při údržbě kondenzátorů je rovněž třeba zvolit vhodnou periodu čištění teplosměnných ploch. Vhodná úprava vody může napomoci ke snížení potřeby čištění. Samotné čištění se provádí jak mechanicky (pomocí mechanických kartáčů u trubkových výměníků), tak chemicky. V některých výměnících jsou osazeny čistící kartáče poháněné proudem vody, která periodicky mění směr. Odvod kondenzačního tepla Pro návrh vodou chlazeného 100% kondenzátoru je však rozhodující 100% 90% teplota chladicí vody. Ta závisí 90% na způsobu odvodu 80% 80% kondenzačního tepla z této vody. 70% 70% Jsou tři základní možnosti: 60% 60% chlazení vody venkovním 50% 50% vzduchem (tzv. suché chladiče), adiabatické chlazení chladicí 40% 40% vody v chladicích věžích a nebo 30% 30% použití hlubinné, či povrchové 20% 20% vody. 10% 10% U suchých chladičů voda 0% 0% vzduch, je teplota vody dána 0 10 20 30 0 10 20 30 maximálními teplotami Teplota mokrého teplomeru (°C) Teplota mokrého teplomeru (°C) venkovního vzduchu a dosahuje 40 až 50°C. Vodní chlazení Obr. 5.3 Četnost teplot mokrého teploměru pro Prahu nahrazuje pouze vedení chladiva v letním období (měsíce V až IX) - referenčního roku (vlevo) a díky dvojitému předávání tepla a extrémního roku 2003 (vpravo) Praha 2003 - výběr Četnost
Celkový počet hodin s nižší hodnotou (%)
Celkový počet hodin s nižší hodnotou (%)
Praha 2003 - výběr Četnost
55
(vzduch-voda, voda-chladivo) je následně kondenzační teplota vyšší než u přímého vzduchem chlazeného kondenzátoru. Další možností je mokré adiabatické chlazení, kdy je voda přímo nebo nepřímo chlazena adiabaticky v chladicích věžích (obr. 5.7). Adiabatické chlazení vody umožňuje přípravu chladicí vody o teplotách blízkých teplotě mokrého teploměru. Teploty mokrého teploměru jsou u nás po většinu léta běžného roku nižší než 20 °C a ani v extrémním roce, jako byl například rok 2003, nepřekročily 25 °C (obr. 5.3). Proto teplota chladicí vody bývá při adiabatickém chlazení 20 až 30 °C. Nevýhodou adiabatického chlazení je mokrý provoz vyžadující častější údržbu. Pro chlazení kondenzátorů lze využít i povrchové vody z řek, potoků, studní či zemních výměníků. Teplota chladicí vody kondenzátoru pak může být ještě nižší než při adiabatickém chlazení obvykle 10 až 20 °C. Další nespornou výhodou vodou chlazených kondenzátorů je možnost využití volného chlazení (tzv. free-cooling). Při nižších teplotách venkovního vzduchu a nižších požadavcích na chlazení, lze propojit přímo vodní okruh pro odvod kondenzačního tepla s vodním chladicím okruhem, který je standardně chlazen výparníkem, a chladit bez kompresorového cyklu. Toto volné chlazení nachází v klimatizaci uplatnění především v přechodovém období, kdy venkovní teploty dosahují cca 10-15 °C, a také pro chlazení technologických zátěží, které vyžadují chlazení i při nízkých venkovních teplotách. Obr. 5.4 Schéma volného chlazení
5.4 Vzduchem chlazené kondenzátory
Vzduchem chlazené kondenzátory jsou výměníky chladivo vzduch, kdy kondenzační teplo z chladiva je odváděno venkovním tepelně neupraveným vzduchem. Existují ve dvou základních provedeních, a to jako externí, umístěné mimo zdroj chladu, nebo jako interní, které jsou součástí zdroje chladu umístěného ve venkovním prostředí nebo ke kterému je vzduch doveden vzduchovody. Provedení zdrojů chladu s interními vzduchem chlazeným kondenzátory je standardním řešením kompaktních jednotek s menšími výkony. Tyto jednotky bývají obvykle umístěny na střeše budovy. Konstrukci výměníků chladivo-vzduch tvoří většinou měděné trubky s hliníkovým lamelami. Tyto výměníky jsou ploché či ohnuté, a to z důvodu maximálního využití obvodu jednotky - pro výkony do cca 50 kW (obr. 5.5 vlevo), případně pro několikamodulové jednotky (obr. 5.5 uprostřed). Pro větší výkony nad 100 kW se pak často používá provedení kondenzátorů „V“ s kompresory v dolní a oběhovými ventilátory v horní části jednotky (obr. 5.5 vpravo). Na trhu existují již i hliníkové kondenzátory s nekruhovým průřezem trubek, tzv. mikrokanály, které mají menší objem trubek a tudíž i menší objem chladiva, ale větší teplosměnné plochy. Při stejných vnějších rozměrech umožňují předat větší tepelné výkony. Výhodou těchto výměníků je i nižší hmotnost a stejný materiál trubek i žeber.
56
Obr. 5.5 Zdroje chladu s interními, vzduchem chlazenými kondenzátory Oběh vzduchu zajišťuje většinou axiální ventilátor osazený za výměníkem nebo v horní části jednotky. Jen pro jednotky s přívodem vzduchu potrubím se vzhledem k vyšším tlakovým ztrátám používá ventilátorů radiálních. Pro celkový chladicí faktor zdrojů chladu je velmi důležitá i spotřeba el. energie těchto oběhových ventilátorů. Výrazných úspor energie lze docílit regulací výkonu ventilátorů (otáček) dle potřeby a úspornými EC motory. Nové konstrukce ventilátorů vycházející ze studie sovích křídel jsou při provozu zase výrazně tišší. Pro odvod kondenzačního tepla je velmi důležitá i teplota vzduchu. V České republice jsou maximální teploty v letním období běžného roku 32 °C a v extrémním roce se mohou blížit i 38 °C (obr. 5.6). Četnost výskytu těchto max. teplot je však velmi nízká, bohužel právě v době těchto vysokých teplot vzduchu je i maximální potřeba chlazení. Tyto teploty vzduchu vychází z klimatických dat měřených mimo město v otevřené krajině. Kondenzátory zdrojů chladu však bývají většinou umístěny v těsné blízkosti budov, v hustě osídlených lokalitách. Měření ukazují, že v takových lokalitách může být teplota vzduchu o 2 až 5 K vyšší než teplota v otevřené krajině. 100% Další zvýšení teploty může 100% způsobit umístění 90% 90% kondenzátorů, blízko 80% 80% osluněných ploch (fasády, 70% 70% střechy), ale i špatný odvod 60% 60% teplého vzduchu od kondenzátoru. Není 50% 50% výjimkou, že teplota vzduchu 40% 40% nasávaného k chlazení 30% 30% kondenzátorů je i o 10 K 20% 20% vyšší nežli teplota vzduchu 10% 10% v otevřeném terénu. Proto je třeba při umístění 0% 0% 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 kondenzátorů dodržovat Teplota vzduchu (°C) Teplota vzduchu (°C) vzdálenosti předepsané výrobcem a volit takové Obr. 5.6 Četnost teplot vzduchu pro Prahu v letním období umístění, kdy je zajištěn (V-IX) referenčního roku (vlevo) a extrémního roku 2003 dobrý odvod tepla a (vpravo) minimální ovlivnění okolím. Praha 2003 - výběr Četnost
Celkový počet hodin s nižší hodnotou (%)
Celkový počet hodin s nižší hodnotou (%)
TRY Praha -Hannevold - výběr Četnost
Externí kondenzátory se svojí konstrukcí výrazně neliší od výměníků používaných v kompaktních jednotkách. Základní provedení je ploché horizontální či vertikální s přilehlým ventilátorem nebo „V“ osazení s ventilátory nad výměníky. V kompaktních vzduchotechnických jednotkách, kde je větší podíl čerstvého vzduchu, se někdy osazují kondenzátory přímo do proudu odváděného vzduchu. Toto řešení je výhodnější
57
v extrémních klimatických podmínkách, kdy je teplota odváděného vzduchu nižší než venkovní teplota. Takto osazené chladicí zařízení je vlastně jakýmsi zpětným získáváním chladu. Nicméně v našich klimatických podmínkách je většinu léta teplota venkovního vzduchu nižší než teplota vzduchu uvnitř budovy a osazení kondenzátoru do odváděného vzduchu pak nemá výrazný energetický přínos.
5.5 Adiabatické chlazení kondenzátorů Třetí možností chlazení kondenzátorů je adiabatické chlazení. Při adiabatickém chlazení dochází při rozstřikování vody do vzduchu k odparu vody z povrchu kapek. Tím se mění vázané teplo na teplo citelné a vzduch i kapky se ochlazují. Ochlazení je limitováno stavem nasycení, který odpovídá teplotě mezního adiabatického ochlazení, nebo-li teplotě mokrého teploměru. Vzhledem k tomu, že klima v České republice je teplé a polosuché, je potenciál pro adiabatické chlazení poměrně značný. Jak již bylo zmíněno v odstavci zabývajícím se adiabatickým chlazením vody, maximální teplota mokrého teploměru je v běžném roce 20 °C a v extrémním roce 25 °C (obr. 5.3). Proto mají kondenzátory chlazené vzduchem, který byl adiabaticky ochlazen, nebo přímo osazené do chladicích věží nižší kondenzační teploty, než suché vzduchem chlazené kondenzátory. Jak již bylo zmíněno v předchozí kapitole, lze adiabaticky připravovat chladicí vodu i pro vodou chlazené kondenzátory. Na obrázku 5.7 je znázorněno schéma chladicí věže pro přímé (vlevo) a nepřímé (uprostřed) adiabatické chlazení vody pro odvod kondenzačního tepla. Vpravo je na obrázku schéma chladicí věže s integrovaným kondenzátorem.
Obr. 5.7 Schéma chladicích věží Při adiabatickém chlazení se část vody odpařuje a tím dochází k narůstání koncentrací minerálů a solí ve vodě rozpuštěných, sprchováním se do vody zachycují i nečistoty z venkovního vzduchu. Proto je třeba pravidelné odkalování a dopouštění vody. Je třeba též zajistit protimrazovou ochranu věží v zimním období, většina systémů se na zimu vypouští. Nevýhodou mokrého chlazení je nutnost vodního hospodářství a větší nároky na údržbu a provoz zařízení. To bylo jedním z hlavních důvodů, proč bylo v poslední době výrazně více používáno suchých, vzduchem chlazených kondenzátorů. Na druhé straně vzhledem k většímu důrazu na spotřeby el. energie a zvyšování chladicího faktoru zdrojů chladu, můžeme opět sledovat určitý nárůst zájmu o adiabatické chlazení. Kromě klasických chladicích věží, kde je kondenzátor často přímo skrápěn vodou, se objevují i aplikace kombinující suché a mokré chlazení. V takových zařízeních je adiabatické předchlazení vzduchu v provozu pouze v době vysokých venkovních teplot vzduchu (tE > 26 °C). Tím se snižuje spotřeba vody oproti kondenzátorům s čistě adiabatickým chlazením.
58
5.6 Regulace zdrojů chladu Zdroj chladu musí být regulován tak, aby jeho výkon odpovídal potřebě chladu pro klimatizaci objektu. Základní regulace vypnuto/zapnuto může být použita pouze pro menší výkony. Pro větší výkony je třeba alespoň několikastupňová regulace. U zařízení s přímým výparníkem je vhodné rozdělení větších chladičů na několik samostatných okruhů s vlastním škrticím ventilem a použití kondenzační jednotky s proměnným průtokem chladiva. U zdrojů chladu pro přípravu chladné vody, lze do oběhu chladné vody osadit dostatečně dimenzovanou akumulační nádobu, která zajistí vyrovnání výroby a potřeby chladu. Jak již bylo zmíněno v předchozích odstavcích, zdroje chladu pro klimatizační zařízení pracují na plný (jmenovitý) výkon pouze malou část roku, většinu provozu představuje provoz s nižší zátěží. Proto pro spotřebu energie je velmi důležitý způsob regulace zdroje chladu. V případě, že se mění průtok chladiva okruhem a jsou regulovány i ventilátory pro odvod kondenzačního tepla, je ESEER vyšší než EER při jmenovitých podmínkách. Někteří výrobci už při konstrukci a návrhu oběhu chladiva zohledňují to, že zařízení většinou pracuje v jiných nežli jmenovitých podmínkách a provádějí návrh tak, aby byl při dílčí zátěži nejvyšší chladicí faktor. Pro celoroční spotřebu energie je pak rozhodující ESEER zdroje.
5.7 Absorpční zdroje chladu Absorpční zařízení pracují bez kompresoru jen s oběhovými čerpadly, pro funkci absorpčního oběhu je třeba dodávat teplo. Zdroje chladu s absorpčním oběhem se tedy uplatní především tam, kde je k dispozici odpadní teplo od technologického procesu. Například při kogenerační výrobě elektřiny se odpadní teplo v zimě používá k vytápění a v létě k pohonu absorpčního zdroje chladu a takový proces se někdy nazývá trigenerace (výroba elektřiny, tepla a chladu).
5.8 Alternativní zdroje chladu Alternativní zdroje chladu využívají nízkopotenciálního chladu z okolního prostředí pro chlazení budov. Možnosti využití alternativních zdrojů jsou omezeny, a lze jich většinou využít pouze tam, kde je budova i systém větrání vhodně navržen, kde nejsou vysoké vnitřní zisky a ani požadavky na přesné dodržení parametrů vzduchu v prostoru. 5.8.1 Noční chlazení Noční větrání je jedna ze základních metod nízkoenergetického chlazení budov. Tepelné zisky během dne jsou akumulovány do tepelné hmoty budovy a odvedeny větráním v noci. Podmínkou funkce nočního chlazení je tedy dostatečná tepelná hmota budovy a noční větrání venkovním vzduchem. Noční větrání může být přirozené nebo nucené. Přirozené noční větrání patří spíš mezi pasivní metody chlazení budov. Noční chlazení může být používáno samostatně jako jediný způsob odvodu teplené zátěže nebo ho lze kombinovat s jinými metodami nízkoenergetického nebo strojního chlazení. Noční chlazení s vysokou tepelnou hmotou budovy dokáže odvézt 20 až 30 W/m2 periodické tepelné zátěže a snížit teplotu v prostoru o 2 až 3 K. Základní podmínkou nočního chlazení je dostatečně nízká teplota vzduchu v nočních hodinách. Minimální noční teploty jsou v Praze během typického roku většinou nižší než 15 °C a během roku extrémního většinou nižší než 18 °C. Rozdíl mezi denní a noční teplotou během horkých dnů je v ČR vyšší než 10 K. Na základě analýzy klimatických dat lze říci, že klima v České republice je velmi vhodné pro noční chlazení a to i v extrémních létech. 5.8.2 Adiabatické chlazení Existují tři základní metody adiabatického chlazení: přímé adiabatické chlazení, nepřímé adiabatické chlazení a adiabatické chlazení s využitím sorpčních výměníků. Přímé adiabatické chlazení spočívá v přímém ochlazování přiváděného vzduchu odpařováním 59
vody. Při nepřímém adiabatickém chlazení je adiabaticky chlazen sekundární vzduch, nebo je adiabaticky vyráběna chladicí voda. Sekundární vzduch (odváděný, nebo venkovní) pak odebírá citelné teplo přiváděnému vzduchu pomocí výměníků tepla vzduch-vzduch (nejčastěji deskových). Při adiabatické přípravě chladicí vody se pak chladná voda používá k chlazení vzduchu, případně pro sálavé chlazení. Výroba chladicí vody nepřímým adiabatickým chlazením, je vhodná především pro systémy pracující s vyššími teplotami chladicí vody tzv. nízkopotenciálním chladem (stropní chlazení, zaplavovací větrání, cirkulační či indukční jednotky bez kondenzace). Chladicí faktor je u adiabatické přípravy chladicí vody vysoký, dosahuje hodnot 5 až 20 a výrazně roste s teplotou chladicí vody. 5.8.3 Využití chladu zemského polomasivu Základní metody využívající chladu země pro chlazení budov jsou: výměníky země - vzduch; výměníky země - voda, využití spodní vody; využití vody řek a jezer. Realizace těchto systémů většinou vyžaduje zásadní zásahy do okolí stavby.
5.9 Literatura [5.1] 2008 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment. Atlanta: ASHRAE, Inc., 2008. ISBN 978-1-933742-34-2. [5.2] LAIN, M. Zdroje chladu - odvod kondenzačního tepla a energetické hodnocení. In Snižování energetické náročnosti chladicích zařízení. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2008, s. 36-41. [5.3] PETRÁK, J. Přehled a třídění zdrojů chladu v klimatizaci. In Kurz kontrola klimatizačních systémů. Praha: ČVUT v Praze, 2009, s. 33-35. [5.4] LAIN, M. Pasivní a nízkoenergetické chlazení budov. In Kurz kontrola klimatizačních systémů. Praha: ČVUT v Praze, 2009, s. 105-109. [5.5] www. stránky a projekční podklady firem: Daikin, Zehl-abegg, Baltimoreaircoil, Eurovent.
60
6 Vzduchové klimatizační systémy Do kategorie vzduchových klimatizačních systémů patří • vzduchový jednokanálový systém, jednozónový • vzduchový jednokanálový systém s proměnným průtokem vzduchu, vícezónový • vzduchový dvoukanálový systém, vícezónový.
6.1 Vzduchový jednokanálový systém, jednozónový Systém může mít, podle požadavků na kvalitu úpravy vzduchu, dvě základní provedení: • úprava teploty vzduchu celoročně, úprava vlhkosti vzduchu pouze v zimě • celoroční úprava teploty a vlhkosti vzduchu Systém bez úpravy vlhkosti vzduchu v létě je velmi častým způsobem klimatizace pro komfortní prostředí. V podmínkách ČR je třeba, pro dodržení požadované vnitřní relativní vlhkosti (40 až 50 % ), vzduch v zimě vlhčit. V létě lze, bez úpravy vlhkosti, dodržet v komfortních zařízeních relativní vlhkost v přijatelných mezích 40 až 50 %.
Obr. 6.1 Schéma vzduchového jednozónového klimatizačního systému s oběhovým vzduchem; E, P, I, O, Ob – vzduch venkovní, přiváděný, vnitřní, odváděný, oběhový; Smsměšovací komora, F – filtr, Oh – ohřívač, Ch – chladič, Zv – zvlhčovač, Ve – ventilátor, K – klapka; Ms (kg/s) – produkce vodní páry od osob; QzaI, QzaE (W) – citelná tepelná zátěž vnitřní, venkovní, Qzt (W) – tepelné ztráty Systém podle schématu na obr. 6.1, je podrobně analyzován (včetně znázornění funkce v h-x diagramu) v kap. 15 textu Vzduchotechnika [6.1].
6.2 Vzduchový jednokanálový systém s proměnným průtokem vzduchu, vícezónový Schéma systému (VAV – Variable Air Volume) je na obr. 6.2. Zpravidla je rozvod vzduchu vysokotlaký (vysokorychlostní – až 20 m/s). Vzduch je upravován v centrální klimatizační jednotce (je provozována buď v režimu vytápění nebo chlazení) a rozváděn hlavním vzduchovodem po budově. Před každou místností (zónou) je na hlavní vzduchovod připojen regulátor průtoku RP (krátký vzduchovod se škrticí klapkou ovládanou servopohonem, řízeným termostatem v místnosti, obr. 6.3). Pokud termostat v místnosti zaznamená odchylku od požadované teploty, změní se poloha klapky a tím i průtok vzduchu do místnosti (průtok nesmí poklesnout pod hygienické minimum); při poklesu teploty v režimu vytápění se klapka otevře, obdobně při režimu chlazení. Odvod vzduchu z místností se provádí rovněž přes regulátory průtoku. Provoz centrální jednotky (vytápění, chlazení) se řídí ústředním regulátorem, který vyhodnocuje potřebu vytápění, resp. chlazení v zónách a volí optimální provoz centrální jednotky. Při větším počtu seškrcených klapek sníží automatická regulace
61
průtok vzduchu v síti, buď obtokem přiváděcího ventilátoru, nebo regulací jeho otáček. Odváděcí ventilátor bývá rovněž vybaven regulací otáček. Regulace tepelného a chladicího výkonu je kvantitativní, výkon se mění změnou průtoku (množství) vzduchu přiváděného do místnosti – teplota vzduchu se nemění.
Obr. 6.2 Schéma vzduchového vícezónového jednokanálového systému s proměnným průtokem vzduchu; E, Ob, Od – vzduch venkovní, oběhový, odváděný; Ve – ventilátor, KJ – klimatizační jednotka, RP – regulátor průtoku Trox (vpravo)
odváděný vzduch
přiváděný vzduch
přiváděný vzduch
řídící signál pro průtok odváděného vzduchu
Obr. 6.3 Schéma regulátorů průtoku vzduchu pro přívod a odvod vzduchu; 1 – tlakové čidlo pro měření rychlosti vzduchu, 2- regulační klapka, 3, 4 – převodník, 5 – servopohon, 6 - čidlo teploty, 7,8 – regulátor (Trox)
6.3 Vzduchový dvoukanálový vícezónový systém Schéma systému je na obr. 6.4. Vzduch se upravuje v ústřední strojovně v klimatizační jednotce na dva rozdílné stavy – teplý a chladný vzduch. Ventilátory jsou obvykle středotlaké (dopravní tlak do 3 000 Pa); pojem „vysokotlaký“ vyjadřuje zvýšení dopravního tlaku proti ventilátorům nízkotlakým. Vyšší dopravní tlak je potřebný k překonání tlakových ztrát vzduchovodů, ve kterých proudí vzduch relativně vysokou rychlostí (12 až 20 m/s). Systém využívá i oběhový vzduch, průtok venkovního vzduchu je dán hygienickými požadavky. Budovou prochází dva samostatné vzduchovody, před vyústěním do místnosti je připojena na oba rozvody směšovací skříň SS (obr.6.5). Termostat v místnosti řídí poměr směšování teplého a chladného vzduchu; celkový průtok přiváděného vzduchu se udržuje na konstantní
62
hodnotě. Teplota chladného vzduchu se udržuje obvykle na hodnotě 10 až 13 °C. Teplý vzduch je zpravidla teplejší než oběhový vzduch - v létě o 1 až 3 °C, v zimě o 10 až 15 °C.
Obr. 6.4 Schéma vzduchového dvoukanálového vícezónového systému; E, OB,Od – vzduch venkovní, oběhový, odváděný; T1- T5 – čidlo teploty, R – regulátor, P – servopohon, SS – směšovací skříň, TV – teplá voda, ChV – chladná voda; vpravo průběh teplot v systému směšovací klapka
pohon směšovací klapky
studený vzduch
teplý vzduch
Obr. 6.5 Směšovací skříň pro dvoukanálový systém (Trox)
6.4 Literatura [6.1] [6.2]
DRKAL, F.; LAIN, M.; SCHWARZER, J.; ZMRHAL, V. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2010. www.trox.cz
63
7 Vodní klimatizační systém s ventilátorovými konvektory 7.1 Popis systému Vodní vícezónový systém s ventilátorovými konvektory (obr. 7.1) je tvořen dvěma samostatnými, nezávislými zařízeními. Venkovní vzduch, o průtoku podle hygienických požadavků, se upravuje vzduchovým jednokanálovým klimatizačním zařízením. Podle velikosti objektu může být těchto zařízení několik (samostatná zařízení pro každé podlaží, pro skupinu podlaží, aj.).Vzduch do klimatizovaných místností se přivádí přes vnitřní klimatizační jednotky (kde se směšuje se vzduchem oběhovým), nebo ústí do místností samostatnými vyústkami. Teplota přiváděného vzduchu je blízká teplotě vnitřního vzduchu v místnostech. Odvod vzduchu je buď přímo z klimatizovaných místností, nebo se vzduch přetlakem vede do chodeb a odsává přes hygienická zařízení. K individuální tepelné úpravě vnitřního vzduchu v místnostech slouží vnitřní klimatizační jednotky (ventilátorové konvektory VK), obr. 7.1 vpravo. Základní prvky jednotky tvoří: filtr oběhového vzduchu, ventilátor, výměník (výměníky) pro ohřev i chlazení vzduchu. Na výměník je napojen rozvod teplé/chladné vody z centrálních zdrojů. Rozvody teplé a chladné vody mohou být v několika variantách, prakticky se uplatňuje dvoutrubkový rozvod a čtyřtrubkový rozvod. Dvoutrubkový nepřepínací rozvod slouží pouze k rozvodu chladné vody v létě, v zimě je zařízení mimo provoz (vytápění budovy je zajištěno samostatnou otopnou soustavou). Obvykle se takový systém používá pouze při rekonstrukcích, kdy stávající otopná soustava se doplňuje pro léto chlazením objektu. Dvoutrubkový přepínací systém se provozuje v zimě (na vytápění) s teplou vodou, v létě s chladnou vodou. Pro nemožnost zajistit hospodárný provoz v přechodném období (při přepínání dochází směšováním teplé a chladné vody k energetickým ztrátám) se tento systém nedoporučuje. U čtyřtrubkového rozvodu jsou dvě trubky určeny pro rozvod teplé vody, dvě pro rozvod chladné vody. V přechodném období lze místnosti podle potřeby ohřívat, nebo chladit. Regulace tepelného výkonu vnitřních jednotek se provádí u každé jednotky řízením průtoku teplé nebo chladné vody podle termostatu v místnosti, u rozsáhlejších sítí trojcestným rozdělovacím ventilem (obtokem výměníku), u malých zařízení škrcením. Ventilátory konvektorů mohou být provozovány zpravidla na troje různé otáčky (ovládáním v místnosti), což umožňuje další regulaci tepelného výkonu změnou průtoku vzduchu.
Obr. 7.1 Schéma vodního klimatizačního systému s ventilátorovými konvektory, dvoutrubkový rozvod, ZT – zdroj teplé vody, ZCh – zdroj chladné vody; vpravo: schéma ventilátorového konvektoru, E, Ob, P – vzduch venkovní, oběhový, přiváděný, 1 – ohřívač, 2 – chladič, T,Ch – čtyřtrubkový rozvod teplé a chladné vody, Oh – ohřívač, Ch - chladič
64
7.2 Funkce systému a ventilátorového konvektoru Pro zadané parametry venkovního vzduchu E (tE, φE) a vnitřního vzduchu I (tI, φI pro zimu) se výpočtem stanoví tepelná ztráta Qzt (W), tepelná zátěž Qza (W), a vlhkostní zisky místností (vodní pára od osob) Ms (kg/s). Podle hygienických požadavků se stanoví průtok primárního čerstvého venkovního vzduchu VE (m3/h). Následující výpočet platí pro jednu klimatizovanou místnost (jeden VK). 7.2.1 Letní provoz (φI není zadáno) Průtok přiváděného vzduchu ventilátorovým konvektorem VK: VP (m3/s) se určí z podmínky pro odvod letní tepelné zátěže Qza (W) Q za (m3/s) ρ c (t I − t P ) kde (tI - t P) je pracovní rozdíl teplot 6 až 10 K. VP =
(7.1)
Průtok oběhového vzduchu VOb (m3/s) ve ventilátorovém konvektoru VK VOb = VP – VE
(m3/s)
(7.2)
Znázornění procesu letní úpravy v diagramu h – x (obr. 7.1). Relativní vlhkost vzduchu v místnosti ϕi není pevně zadána (nepředpokládá se letní úprava vlhkosti); při řešení v diagramu h - x se volí - např. ϕi = 0,45, tím je dán stav I (tI,ϕi ). Směšováním vzduchu venkovního o průtoku ME = VE ρ a vzduchu vnitřního o průtoku MOb = VOb ρ se získá stav Sm. V chladiči o povrchové teplotě tCh (stav Ch) se smíšený vzduch ochladí na teplotu tP (určenou při výpočtu dle vztahu (7.1)) – stav za chladičem:bod P. V místnosti se přiváděný vzduch ze stavu P ohřeje a navlhčí do bodu I. Musí platit Ms (kg/kgs.v.) (7.3) VP ρ Pokud hodnota (xI - xP) stanovená ze vztahu (7.3) se neshoduje s hodnotou odečtenou z diagramu h – x, změní se poloha bodu I (hodnota ϕi) na přímce tP. Výkon chladiče v konvektoru
(x I
− xP ) =
QCh = VP ρ (hSm - hP )
(7.4)
7.2.2 Zimní provoz (φI = 0,5) Venkovní vzduch se ohřeje ze stavu E na stav E1 (tE1 = tI), dále se vzduch vlhčí párou na stav E2. Určení stavu E2: Pro směšování venkovního a oběhového vzduchu platí poměr úseček E2Sm/SmI = MOb/ME
(7.5)
a dále platí pro navlhčení vzduchu v místnosti SmI = (xI – xSm) = Ms/VP ρ
(7.6) 2
2
Po dosazení hodnoty SmI z (7.6) do rovnice (7.5) lze určit úsečku E Sm i bod E . Stav Sm se ohřívá v konvektoru do bodu P. Teplota tP se určí z požadavku na krytí tepelné ztráty místnosti Qzt (W) výkonem ohřívače v konvektoru QOh (W).
65
66 b) letní provoz
Obr. 7.2 Úprava vzduchu v klimatizačním systému s ventilátorovými konvektory
a) zimní provoz
Výkon ohřívače v konvektoru QOh = Qzt = VP ρ c (tP -tI ) (W)
(7.7)
Ze vztahu (7.7) pro dané Qzt, VP, tI se určí tP. Výkon ohřívače venkovního vzduchu připadající na navrhovaný konvektor QOh E = ME c (tI – tE)
(7.8)
Výkon zvlhčovače venkovního vzduchu připadající na navrhovaný konvektor Mzv = ME (xE2- xE) (kg/s)
(7.9)
7.3 Literatura [7.1] [7.2]
DRKAL, F.; LAIN, M.; SCHWARZER, J.; ZMRHAL, V. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2010. www.gealvz.cz , www.cic.cz
67
8 Kombinovaný klimatizační systém vzduch-voda s indukčními jednotkami 8.1 Popis systému Schéma vícezónového kombinovaného systému vzduch-voda s indukčními jednotkami, je na obr. 8.1. V ústřední strojovně se upravuje venkovní (primární) vzduch, jehož průtok je dán hygienickými požadavky, teplota primárního vzduchu se udržuje celoročně konstantní cca 15 °C. V rozsáhlých budovách je výhodné upravovat primární vzduch v samostatných zařízeních pro místnosti orientované na jednu světovou stranu (obvodovou stěnu). Klimatizační jednotka pro úpravu primárního vzduchu obsahuje filtr, vodní ohřívač vzduchu, vodní chladič vzduchu, parní zvlhčovač a ventilátor. V klimatizovaných místnostech jsou na rozvod primárního vzduchu (vysokotlaký rozvod se středotlakými ventilátory) připojeny vnitřní klimatizační jednotky (indukční jednotky IJ), ve kterých probíhá konečná úprava teploty vzduchu. Primární vzduch se vyfukuje v indukční jednotce tryskami, ejekčním účinkem se přisává z místnosti vzduch oběhový (sekundární). Sekundární vzduch prochází výměníkem (výměníky) tepla, kde se ohřívá nebo chladí a po smíšení se vzduchem primárním se vyfukuje do místnosti. Průtok sekundárního vzduchu bývá dvou až osminásobkem průtoku vzduchu primárního (indukční poměr). Odvod vzduchu se řeší obdobně jako u vodního systému s ventilátorovými konvektory, buď přímo z místností nebo přetlakem do chodeb a odsává se z hygienických zařízení. K ohřevu a chlazení v indukčních jednotkách se používá tepla a chladná voda, provedení vodních rozvodů je shodné s rozvody pro vodní systém s ventilátorovými konvektory (dvoutrubkový – obr. 8.1, čtyřtrubkový rozvod), regulace řízením průtoku vody do IJ. Některé typy indukčních jednotek jsou konstruovány s klapkami pro řízení průtoku vzduchu výměníkem (výměníky); na vodní straně se pak regulace neprovádí. P OhOb, ChOb
VP
Oh, Ch VOb Ob=I Prim
Obr. 8.1 Schéma klimatizačního systému vzduch-voda s indukčními jednotkami, dvoutrubkový rozvod, ZT – zdroj teplé vody, ZCh – zdroj chladné vody; vpravo: schéma parapetní indukční jednotky (čtyřtrubkový rozvod); E, Ob, P, I – vzduch venkovní, oběhový, přiváděný, vnitřní; Oh – ohřívač, Ch – chladič; OhOb, ChOb – stav vzduchu za ohřívačem, chladičem IJ
8.2 Funkce systému a indukční jednotky Pro zadané parametry venkovního vzduchu E (tE, φE) a vnitřního vzduchu I (tI, φI pro zimu) se výpočtem stanoví tepelná ztráta Qzt (W), tepelná zátěž Qza (W), a vlhkostní zisky místností (vodní pára) Ms (kg/s). Podle hygienických požadavků se stanoví průtok primárního čerstvého 68
venkovního vzduchu VE = VPrim; tento průtok může se zvýšit při návrhu indukčních jednotek s ohledem na potřebný tepelný výkon. Následující výpočet platí pro jednu klimatizovanou místnost (jednu IJ). 8.2.1 Letní provoz (φI není zadáno) Citelný chladicí výkon primárního vzduchu
Qcit Prim = VPrim ρ c ( tI − tPrim ) (W) Potřebný citelný chladicí výkon oběhového vzduchu v IJ
QcitOb = Qza - Qcit Prim (W) Indukční poměr i = VOb/VPrim (sekundárního) vzduchu VOb.
(8.1)
(8.2) se volí dle výrobce IJ (2 až 8) → průtok oběhového
Ochlazení oběhového vzduchu v IJ
QcitOb
( t −t ) = V I
ChOb
Ob
ρc
(W) → tChOb
(8.3)
Pro stanovení měrné vlhkosti vzduchu v místnosti xI platí
( xI − xPrim ) =
Ms ( kg/kgs.v. ) → xI MPrim
(8.4)
Stav primárního vzduchu Prim (xPrim) je v průsečíku teploty tPrim a spojnice E/Ch ; bod Ch je na povrchu chladiče, ϕCh = 1, teplota povrchu chladiče tCh se určí podle teploty chlazené vody; zpravidla tCh > 12 °C (např. 16 °C). Znázornění procesu letní úpravy v diagramu h – x (obr. 8.2) Stav vnitřního vzduchu I je v průsečíku teploty vnitřního vzduchu tI s měrnou vlhkostí xI. V průsečíku teploty oběhového vzduchu tOhOb s měrnou vlhkostí xI je stav oběhového vzduchu za chladičem oběhového vzduchu ChOb. Stav vzduchu přiváděného do místnosti z indukční jednotky P se určí z podmínek směšování vzduchu primárního MPrim = VPrim ρPrim a oběhového MOb = VOb ρOb na spojnici bodů Prim/ChOb. Chladicí výkon pro venkovní (primární) vzduch přiváděný do IJ (dílčí chladicí výkon v klimatizační jednotce pro úpravu primárního (venkovního) vzduchu QChPrim = MPrim ( hE - hPrim )
(W)
(8.5)
Chladicí výkon pro ochlazení oběhového vzduchu (výkon chladiče v IJ) QChOb = MOb ( hI - hChOb)
(W)
(8.6)
8.2.2 Zimní provoz (φI = 0,5) Citelný chladicí výkon primárního vzduchu
69
70 b) letní provoz
Obr. 8.2 Úprava vzduchu v kombinovaném klimatizačním systému vzduch-voda s indukčními jednotkami
a) zimní provoz
Qcit Prim =VPrimρ c ( tI −tPrim ) (W)
(8.7)
Potřebný tepelný výkon ohřívače oběhového vzduchu v IJ
QOhOb = Qzt + Qcit Prim (W) (8.8) Indukční poměr i = VOb/VPrim se volí dle výrobce IJ (dtto zima) → průtok oběhového (sekundárního) vzduchu VOb. Ohřátí oběhového vzduchu v IJ
(t
OhOb − tI ) =
QOhOb VOb ρ c
(W) → tOhOb
(8.9)
Teplota tP vzduchu P přiváděného do místnosti z indukční jednotky se určí z podmínek směšování vzduchu primárního MPrim a oběhového MOb na spojnici bodů Prim/OhOb. V zimním období je dána měrná vlhkost vnitřního vzduchu xI, cílem výpočtu je určit měrnou vlhkost primárního vzduchu xPrim . Proces navlhčení v místnosti je stejný jako v létě; platí vztah (8.4) ze kterého se určí xPrim. Stav vnitřního vzduchu I je dán (tI, ϕI) → xI. Stav oběhového vzduchu za ohřívačem oběhového vzduchu OhOb je v průsečíku teploty oběhového vzduchu tOhOb s měrnou vlhkostí xI . Stav primárního vzduchu Prim je v průsečíku teploty tPrim s měrnou vlhkostí xPrim . Úprava venkovního (primárního) vzduchu probíhá po přímce xE z bodu E (tE, xE) do bodu E1 (na teplotu tE1 = tPrim ) v ohřívači a následně v parním zvlhčovači (v jednotce venkovního vzduchu) po přímce tPrim do bodu Prim (průsečík teploty tPrim s měrnou vlhkostí xPrim . Tepelný výkon pro venkovní (primární) vzduch přiváděný do IJ (dílčí tepelný výkon ohřívače v jednotce pro úpravu primárního (venkovního) vzduchu QOhPrim = MPrim ( hE1 - hE)
(W)
(8.10)
Tepelný výkon pro ohřátí oběhového vzduchu (výkon ohřívače v IJ) QOhOb = MOb ( hOhOb - hI)
(W)
(8.11)
Výkon parního zvlhčovače pro venkovní (primární) vzduch MZvl = MPrim (xPrim - xE )
(kg/s)
(8.12)
8.3 Literatura [8.1] [8.2]
DRKAL, F.; LAIN, M.; SCHWARZER, J.; ZMRHAL, V. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2010. www.swegon.com, www.trox.cz
71
9 Chladivové systémy 9.1 Koncepce systémů Chladivové systémy mají tři základní provedení: • split systém, jednozónový • multisplit systém s konstantním průtokem chladiva, vícezónový • multisplit systém s proměnným průtokem chladiva, vícezónový. Hlavní součásti chladivových klimatizačních systémů: a) venkovní jednotka, obr. 9.1 (obvykle umístěná na střeše budovy, u split systémů i na venkovní obvodové stěně), která obsahuje kompresorové chladicí zařízení, výměník tepla chladivo/venkovní vzduch a ventilátor venkovního vzduchu, b) vnitřní jednotky (jednotku), v místnostech (obr. 9.2), obsahující filtr oběhového vzduchu, ventilátor oběhového vzduchu (při přívodu čerstvého venkovního vzduchu do vnitřní jednotky dopravuje ventilátor smíšený vzduch oběhový a venkovní), výměník tepla chladivo/vnitřní vzduch a přiváděcí vyústku. Ventilátor vnitřní jednotky je obvykle dvouotáčkový. Do směšovací komory na vstupu do jednotky může být zaústěn přívod venkovního vzduchu. Konstrukce jednotky je obdobná jako konstrukce ventilátorového konvektoru vodního systému. Venkovní jednotka a vnitřní jednotky jsou propojeny chladivovým potrubím (dvě trubky - pro plynné chladivo, pro kapalné chladivo), schéma obr. 9.3. Chladivový systém je určen buď pouze pro chlazení v letním období, nebo i pro ohřev v zimě, kdy kompresorové chladicí zařízení pracuje ve funkci tepelného čerpadla. Při chlazení se ve výměnících vnitřních jednotek vypařuje chladivo, teplem potřebným k odpaření se ochlazuje vzduch proudící jednotkou. Výměník tepla ve venkovní jednotce je provozován jako kondenzátor. U provedení chlazení/ohřev (funkční schéma obr. 9.4) se provede změna chlazení na ohřev změnou směru průtoku chladiva (přepnutím rozdělovacího ventilu ve venkovní jednotce) tak, že funkce kondenzátoru ve venkovní jednotce se změní na vypařování a výměníky vnitřních jednotek jsou provozovány jako kondenzátory; teplem uvolňovaným při kondenzaci par chladiva se ohřívá vzduch proudící vnitřní jednotkou. Čerstvý venkovní vzduch, podle hygienických požadavků, se přivádí u vícezónových systémů vzduchovým jednokanálovým systémem, obdobně jako u vodního systému s ventilátorovými konvektory, obr. 9.3. Vzduch se přivádí buď do vnitřních jednotek, nebo samostatnou vyústkou do místnosti. U split systémů (jednozónových), lze připustit přirozené větrání okny.
9.2 Split systém, jednozónový. Systém je určen pro chlazení, případně i ohřev (v provedení s tepelným čerpadlem) jedné zóny – kanceláře, obchodu, bytu. Základ tvoří venkovní jednotka a vnitřní jednotka, regulace tepelného výkonu se provádí podle termostatu v místnosti zapínáním a vypínáním kompresoru venkovní jednotky.
9.3 Multisplit systém, vícezónový s konstantním průtokem chladiva Na jednu venkovní jednotku je připojeno několik vnitřních jednotek; regulace tepelného výkonu se provádí podle termostatů v místnostech uzavíráním přívodu chladiva do vnitřních jednotek s následným vypínáním kompresoru venkovní jednotky. Některé systémy mají ve venkovní jednotce několik malých samostatných kompresorů pro jednotlivé vnitřní jednotky, nebo skupiny vnitřních jednotek. Regulace výkonu chlazení je pak zjednodušená, více podle individuálních potřeb. 72
9.4 Multisplit systém, vícezónový s proměnným průtokem chladiva Na jednu venkovní jednotku JE je připojen větší počet vnitřních jednotek JI (30 i více). Výměníky tepla VI ve vnitřních jednotkách jsou opatřeny škrticími ventily pro řízení průtoku chladiva podle termostatů v každé místnosti. Kompresor ve venkovní jednotce je provozován s proměnnými otáčkami (frekvenčním měničem) v závislosti na potřebném chladicím výkonu (podle tlaku chladiva, proměnném podle otevření ventilů vnitřních jednotek). Systém s proměnným průtokem chladiva (VRV – Variable Refrigerant Volume) se vždy doplňuje vzduchovým jednokanálovým systémem pro přívod venkovního vzduchu podle hygienických požadavků. Dispozičně je systém VRV obdobný, jako vodní systém s ventilátorovými konvektory - schéma je na obr. 9.3. Specifická variantní konstrukce vícezónového chladivového systému umožňuje současný provoz některých vnitřních jednotek na chlazení, jiných na ohřev. Na obr. 9.4 je principiální funkční schéma systému v provedení chlazení/ohřev, tj. s možností přepnutí chladicího režimu do režimu tepelného čerpadla čtyřcestným přepínacím ventilem 4V. V režimu chlazení stlačené páry chladiva z kompresorů K1, K2 (jeden kompresor je na 50 % celkového výkonu, druhý má otáčky frekvenčně regulované) prochází čárkovanou trasou ventilu 4V do venkovního výměníku VE (ve funkci kondenzátoru), kde kondenzují. Kapalné chladivo proudí do vnitřních jednotek (expanzní ventil EV ve venkovní jednotce je mimo funkci), po seškrcení tlaku expanzním ventilem EV ve vnitřní jednotce dochází ve výměníku VI k odpařování chladiva a tím k ochlazování vzduchu I, E proudícího vnitřní jednotkou. Páry chladiva jsou nasávány kompresorem přes ventil 4V. Po přepnutí do režimu tepelného čerpadla stlačené páry z kompresoru (plnou trasou ventilu 4V) se vedou do výměníků vnitřních jednotek VI, kde kondenzují a předávají teplo k ohřevu vzduchu I,E (expanzní ventil EV ve vnitřní jednotce je mimo funkci). Kapalné chladivo se vede do venkovní jednotky, kde po seškrcení expanzním ventilem EV dochází o k odpařování – teplo potřebné k odpaření se odnímá venkovnímu vzduchu E proudícímu přes výměník.
Obr. 9.1 Venkovní jednotky chladivového klimatizačního systému (Daikin)
73
Obr. 9.2 Vnitřní jednotky chladivového klimatizačního systému; vlevo stropní jednotka, vpravo stěnová jednotka (Daikin)
Obr. 9.3 Schéma vícezónového chladivového klimatizačního systému; E, Od – venkovní, odpadní vzduch; JI, JE – vnitřní, venkovní jednotka; KJ – klimatizační jednotka, Ve ventilátor
Obr. 9.4 Funkční princip chladivového klimatizačního systému v provedení chlazení/ohřev; K 1,2 – kompresory; 4V – čtyřcestný přepínací ventil; VE, VI – venkovní, vnitřní výměník; EV – expanzní ventil; E, I, P – vzduch venkovní, vnitřní, přiváděný
9.5 Literatura [9.1] Zmrhal, V.; Drkal, F. Návrh a dimenzování chladivového klimatizačního systému. In: Chladivové klimatizační systémy. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2007, s. 25-35. ISBN 978-80-02-01932-9. [9.2] www. stránky výrobců chladivových systémů Daikin, Mitsubishi, Toshiba. 74
10 Chladicí stropy Aternativou úpravy stavu prostředí pro vytvoření optimálního tepelného komfortu osob v administrativních budovách, společenských prostorech aj., bez vysokých nároků na distribuci vzduchu, je klimatizace prostorů chladicími stropy. Jedná se o poměrně účinné klimatizační systémy (z hlediska vytvoření tepelného komfortu), které pracují s relativně vysokou teplotou chladicí vody (vysokoteplotní chlazení). Ve spojení s možností udržovat vyšší teplotu vzduchu (díky chladicímu účinku radiace) vede použití systému k nesporným úsporám energie. Citelná tepelná zátěž prostoru je odváděna velkoplošnými vodou chlazenými panely, které jsou instalovány většinou do podhledů místností, ale mohou být umístěny i přímo ve stropní konstrukci. Objemový průtok vzduchu paralelně pracujícího vzduchotechnického zařízení pak může být redukován pouze na potřebnou, minimální dávku čerstvého vzduchu a jeho úkolem je zejména odvod tepla vázaného ve vodní páře. Pokud chladicí výkon stropu nepostačuje pro odvod tepelné zátěže, doporučuje se doplnit chlazení i do přiváděného větracího vzduchu.
10.1 Výhody a nevýhody Jako každý systém, má i systém s chladicím stropem svoje výhody a nevýhody. Obecně je lze shrnout do následujících bodů. Výhody:
• • • • • • • •
kvalita tepelného komfortu nízká spotřeba energie přívod minimálního množství čerstvého vzduchu menší nároky na rozvody vzduchu příznivé hlukové parametry odpadá nebezpečí vzniku průvanu “samoregulovatelnost“ systému možné použití i pro vytápění
Nevýhody:
• • • •
investiční náklady nebezpečí orosování nelze jimi odvádět teplo vázané ve vodní páře omezený výkon
10.1.1 Riziko kondenzace Riziko kondenzace je u sálavých chladicích systému jedním z hlavních omezujících faktorů. Teplota přívodní vody do chladicího stropu se volí tak, aby nedocházelo k orosování povrchu (povrchová teplota panelu musí být vyšší než teplota rosného bodu vzduchu proudícího kolem panelu - zpravidla o 1 K). U lehkých chladicích stropů lze udržovat povrchovou teplotu poměrně snadno. Rychlá odezva systému nedovolí, aby minimální povrchová teplota klesla pod teplotu rosného bodu. To u masivních chladicích stropů není prakticky možné vzhledem k dlouhé době zpoždění. Často se tento problém řeší omezením teploty přívodní vody. V našich podmínkách (v místnostech bez dalších zdrojů vlhkosti) se teplota přívodní vody tw1 volí ≥ 16 °C, maximálně 20 °C. Teplotní rozdíl odváděné a přiváděné chladicí vody bývá v rozmezí 2 ≤ ∆t ≤ 4 K. 10.1.2 Tepelný komfort Sálavý přenos tepla mezi člověkem a okolím v porovnání s konvekčním přenosem se jeví výhodným jak z hlediska vytvoření tepelné pohody tak z hlediska spotřeby energie. Hodnotícím kriteriem pro tepelnou pohodu v prostoru je operativní teplota to, která respektuje
75
kromě teploty vzduchu ta i střední radiační teplotu tr a rychlost proudění vzduchu wa. Pro nízké rychlosti proudění (w ≤ 0,2 m/s) platí
to =
ta + tr (°C) 2
(10.1)
Z uvedeného vyplývá, že na tepelnou pohodu má výrazný vliv povrchová teplota okolních ploch. V prostoru s chladicím stropem lze tedy udržovat poněkud vyšší teplotu vzduchu, než je tomu u klimatizačních systémů s konvekčním přenosem tepla. Projektanti vzduchotechniky, kteří jsou zvyklí pracovat většinou jen s teplotou vzduchu ta si tuto skutečnost často vůbec neuvědomují. Pokud totiž chceme zachovat v prostoru stejný tepelný komfort, jako při použití klimatizace s konvekčním přenosem tepla, má být teplota vzduchu ve vnitřním prostoru vyšší, podle prováděných analýz až o 2,5 K, než teplota vnitřního vzduchu udržovaná u systémů s konvekčním přenosem tepla. 10.1.3 Úspory energie Spotřeba energie je jedním z často diskutovaných témat, zejména v souvislosti s rostoucí cenou energie. Existuje mnoho autorů zabývajících se tímto problémem, kteří jednoznačně poukazují na nízkou spotřebu energie sálavých chladicích (topných) systémů. Vzhledem k tomu, že sálavé chladicí systémy pracují s poměrně vysokou teplotou chladicí vody (minimálně 16 °C) je možné využít zdrojů chladu s nižším potenciálem (vyšší teplotou). Mezi takové zdroje patří zejména chlad ze zemského polomasivu (zemní výměníky, podzemní voda). Nízkopotenciální teplo lze získat například i z vodních toků. Z hlediska energetického se však zatím takovým využitím mnoho autorů nezabývá. To, že je možné v prostoru se sálavým chladicím systémem (stropem) udržovat poněkud vyšší teplotu vzduchu než u systému s konvekčním přenosem tepla (při zachování stejné úrovně tepelného komfortu) má za následek i výraznou úsporu energie pro chlazení venkovního větracího vzduchu.
10.2 Rozdělení chladicích stropů Chladicí stropy lze z hlediska provedení rozdělit na • •
otevřené, uzavřené.
Otevřené chladicí stropy jsou charakteristické svými otvory či mezerami, které umožňují proudění vzduchu až k nosné stropní desce (obr. 10.2 a). U otevřených chladicích stropů převažuje konvektivní složka (50 až 60 %) přenosu tepla mezi povrchem stropu a okolním vzduchem, proto se někdy nazývají konvektivní. Naopak uzavřené chladicí stropy (obr. 10.2 b), nazývané také sálavé, pracují převážně se sálavou složkou tepelného toku (asi 60 %). Z hlediska tepelného toku, by měly být uzavřené chladicí stropy na horní straně vždy izolovány tak, aby nedocházelo ke ztrátě chladicího výkonu. V některých případech může funkci tepelné izolace nahradit vzduchová mezera mezi stropní betonovou deskou a chladicím prvkem. Uzavřené chladicí stropy lze dále rozdělit na • •
masivní, lehké.
76
Chladicí stropy Uzavřené (sálavé)
Otevřené (konvektivní)
Masivní
Lehké
Lamelové
¾ Potrubní systém
¾ Kontaktní systém
¾ Jednořadé
¾ Kapilární rohože
¾ Sendvičové panely
¾ Dvouřadé
¾ Aktivní beton Obr. 10.1 Obecné rozdělení chladicích stropů
Masivní chladicí stropy jsou zpravidla součástí stavební konstrukce. Bývají tvořeny potrubním systémem vloženým buď do betonové stropní konstrukce, nebo pod omítku. Lehké chladicí stropy bývají zavěšené pod stropní konstrukcí zpravidla v podhledu, nebo jsou připevněny k hliníkovému rastru pro sádrokarton. Lehké systémy s minimální akumulační schopností reagují na tepelnou zátěž prakticky bezprostředně. Protipólem jsou masivní systémy s akumulační hmotou (aktivní beton), které mají naopak vysokou akumulační schopnost. Tyto systémy absorbují tepelnou zátěž do akumulační hmoty a až následně jí odvádějí.
a)
b)
Obr. 10.2 Znázornění chladicích stropů v místnosti a) Otevřený - konvektivní chladicí strop b) Uzavřený - sálavý chladicí strop
10.3 Základní typy chladicích stropů Na obr. 10.3 jsou schématicky znázorněny řezy některými konstrukcemi chladicích stropů. Obr. 10.3 a znázorňuje masivní sálavý chladicí strop s potrubím umístěným pod betonovou stropní deskou, opatřený izolací na horní straně potrubního rozvodu. Aktivní beton, tvořený potrubím zalitým v betonové konstrukci stropu je zobrazen na obr. 10.3 b. Na obr. 10.3 c je znázorněn kontaktní chladicí panel umístěný v podhledové konstrukci opatřený na horní straně tepelnou izolací (nemusí být podmínkou). Chladicí strop ve formě sendvičového panelu je znázorněn na obr. 10.3 d. Na Obr. 10.3 e je chladicí strop v podobě lamel s vodním 77
potrubím v otevřeném provedení. Posledním příkladem (obr. 10.3 f) jsou kapilární rohože umístěné pod omítkou na stropní konstrukci s tepelnou izolací.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Obr. 10.3 Schématické řezy základními konstrukcemi chladicích stropů a) Potrubní systém jako součást stropní konstrukce b) Aktivní beton c) Kontaktní chladicí panel umístěný v podhledové konstrukci f) Sendvičový chladicí panel e) Lamelový otevřený chladicí strop h) Kapilární systém umístěný v omítce 10.3.1 Potrubní systémy Potrubní systémy se používají především pro vytápění, kde jsou velmi rozšířené zejména jako podlahové otopné plochy. Chladicí strop s potrubním systémem se svou konstrukcí velmi podobá podlahovému vytápění. Hlavní součástí systému je potrubní smyčka zakomponovaná do stropní konstrukce. Většinou se pro chlazení používají menší rozteče potrubí (cca 10 cm), což je dáno snahou o dosažení vyššího chladicího výkonu. Ten totiž nelze, z důvodu rizika kondenzace, zvyšovat snižováním teploty přívodní chlazené vody.
78
10.3.2 Sálavé chlazení s akumulační hmotou - aktivace betonu Specifickým potrubním systémem je sálavé chlazení s akumulační hmotou, které kombinuje princip sálavého chlazení s akumulací tepla do stavební konstrukce. U tohoto systému je tepelná zátěž nejprve absorbována do stavební akumulační hmoty a až následně odvedena. V zahraniční literatuře se systém často označuje pojmem „slab cooling“, což znamená chlazení stavební deskou. Systémy s akumulační hmotou mají akumulační vrstvu umístěnou mezi chladicí vrstvou a vnitřním povrchem stavební konstrukce (obr. 10.3 b). Chladicí vrstvu tvoří zpravidla síť vodního potrubí, kterým protéká chlazená voda. Důsledkem přítomnosti akumulační hmoty je časový posun zisků a vyrovnání tepelných zátěží během dne, resp. částečný přesun odvodu zátěže mimo dobu pobytu osob např. do nočních hodin, kdy je k dispozici volná kapacita zdrojů chladu a výhodnější tarify za odběr elektrické energie pro strojní chlazení. Navíc, díky nižší teplotě venkovního vzduchu bude zdroj chladu dosahovat lepších chladicích faktorů [10.1]. Systém tepelně aktivních betonových konstrukcí je běžně užívaný zejména na západ od našich hranic. Zkušenosti s provozem budov mají zejména v sousedním Německu, Rakousku, nebo ve Švýcarsku. U nás je ve větší míře systém aktivního betonu použit v nově stavěné budově Národní technické knihovny v Praze Dejvicích, kde je instalován na ploše cca 10 000 m2. 10.3.3 Kapilární rohože Kapilární rohože jsou tvořeny sítí tenkých plastových trubiček z polypropylenu (vnější ∅ cca 3,5 mm) v nichž je rozváděna chladicí, nebo otopná voda. Mezi jednotlivými kapilárami je poměrně krátká vzdálenost, což ve spojení s malým teplotním spádem způsobuje prakticky rovnoměrné rozložení povrchové teploty. Díky malým rozměrům kapilárních trubiček je tloušťka omítky přijatelných 10 až 15 mm, což umožňuje poměrně rychlou reakci celého systému na změnu okrajových podmínek. Kapilární rohože je možné vyrábět prakticky v libovolných rozměrech, přesně dle objednávky na konkrétní zakázku. Na stavbu jsou rohože dodávány jako celky připravené pro montáž. Kapilární rohože se umisťují buď přímo na stropní desku, nebo na sádrokarton pod omítku. Možné je i jejich zalití do železobetonové stropní konstrukce. Častým způsobem instalace kapilárních rohoží, zejména v administrativních budovách, je použití kovových stropních kazet pro instalaci v podhledové konstrukci. Nízká stavební výška konstrukce s kapilárním systémem umožňuje široké využití pro novostavby i rekonstrukce budov. Kapilární systémy je možné využít např. v nízkoenergetických rodinných domech, ale i v bytových domech, administrativních budovách, či obecních stavbách. Výhody kapilárních rohoží lze uplatnit rovněž při rekonstrukci historických objektů. V neposlední řadě nacházejí uplatnění i v průmyslových aplikacích jako jsou např. laboratoře. 10.3.4 Chladicí panely Chladicí panely jsou v podstatě desky s integrovaným potrubím jímž protéká chladicí voda. Z hlediska konstrukce můžeme chladicí panely rozdělit do dvou základních skupin kontaktní systémy, • • sendvičové konstrukce. Kontaktní chladicí panely bývají umístěny nejčastěji v podhledové konstrukci. Chladicí element je položen na roznášecí desce (hliníkový, nebo pozinkovaný plech) a přenos tepla z chladicí vody do prostoru je uskutečňován díky kontaktu obou těchto ploch. Na zadní stranu
79
chladicího elementu se umisťuje zpravidla tepelná izolace, někdy tuto funkci částečně zajišťuje vzduchová mezera mezi chladicím stropem a stropní konstrukcí. Sendvičové konstrukce chladicích panelů jsou kompaktním prvkem, který zpravidla obsahuje chladicí element, podhledovou desku a izolační vrstvu. Podhledovou desku tvoří buď tenká vrstva sádrokartonu, nebo hliníkový plech s nátěrem. Chladicí elementy jsou nalepeny na desce, potaženy hliníkovou fólií a jsou zality do polyuretanové pěny, která plní funkci tepelné i akustické izolace. Takto tvořený chladicí panel zabraňuje kondenzaci vodních par uvnitř konstrukce a minimalizuje tepelné ztráty. Panely se pak montují na běžnou hliníkovou konstrukci pro sádrokartonové desky. Sendvičovou konstrukci může rovněž tvořit panel se zalitými kapilárními rohožemi. Nejčastěji se chladicí panely používají v administrativních budovách. Ideální se jeví použití v kancelářích, ale i v obchodech, nemocnicích, výstavních síní, konferenčních sálech, hotelech, či bankách. 10.3.5 Otevřené chladicí stropy Otevřené chladicí stropy jsou charakteristické svými otvory či mezerami, které umožňují proudění vzduchu až ke stavební konstrukci stropu. Aktivní plochu otevřených chladicích stropů tvoří většinou lamely, které jsou vyrobeny z hliníkových profilů. Lamely mohou mít konstrukčně různorodá uspořádání. Tvar lamel je většinou tvořen tak, aby pozitivně přispíval k výraznějšímu vzniku přirozeného proudu vzduchu na horní části stropu. Lamely otevřených chladicích stropů se umisťují do rámu tak, aby tvořily kompaktní celek. Podle konstrukce můžeme otevřené chladicí stropy dále rozdělit na jednořadé nebo dvouřadé. Zatímco jednořadé stropy mají lamely kladeny v řadě vedle sebe, u dvouřadého provedení jsou lamely kladeny střídavě ve dvou úrovních nad sebou. Asi nejběžnější aplikací jsou kanceláře a zasedací místnosti administrativních budov. 10.3.6 Speciální provedení Často se lze setkat s požadavkem architekta na konkrétní, dobře vypadající technické řešení daného prostoru. Některé vyráběné konstrukce chladicích stropů, které zasahují do interiéru, umožňují integraci dalšího technologického vybavení prostoru (např. osvětlení). Nevýhodou je především cena, neboť se většinou nejedná o běžné sériové výrobky, nýbrž o výrobu na zakázku.
10.4 Sdílení tepla v prostoru s chladicím stropem V prostoru s chladicím stropem dochází k přenosu tepla konvekcí a sáláním. Vzduch se v prostoru pohybuje vlivem tepelné konvekce vznikající podél vnitřních zdrojů tepla (osoby, počítače aj.). Ohřátý vzduch stoupá vzhůru ke stropu, kde změní směr vlivem konvekce vznikající podél chladného stropu a vrací se zpět do pásma pobytu osob (obr. 10.4). Zmíněný mechanismus zajišťuje přirozenou cirkulaci vzduchu v místnosti. To platí za předpokladu, že v místnosti není instalován nucený přívod vzduchu, nebo pokud přiváděný vzduch neovlivňuje proudové pole v místnosti, čehož bývá dosaženo v kombinaci se zaplavovacím větráním. Obr. 10.4 Sdílení tepla v prostoru s chladicím stropem
80
Druhým hlavním principem uplatňujícím se v prostoru s chladicím stropem je sálání. Přesné řešení sdílení tepla sáláním mezi jednotlivými povrchy v místnosti je poměrně složité a přenos tepla radiací v místnosti může být odlišný, než popisují zjednodušené teoretické rovnice. Projeví se zde zejména nerovnoměrnost rozložení povrchových teplot, nepravidelnost povrchu, různorodost sálavostí jednotlivých materiálů atd.
10.5 Výkony chladicích stropů Chladicí stropy slouží k odvodu pouze citelné tepelné zátěže. Teplo vázané ve vodní páře je nutné odvádět paralelně pracujícím větracím zařízením. Průtok vzduchu může být redukován na potřebnou, minimální dávku čerstvého vzduchu. Nejčastěji bývají sálavé chladicí systémy kombinovány se zaplavovacím (zdrojovým) větráním. Chladicí stropy je možné kombinovat i s přirozeným větráním okny, to ovšem přináší řadu rizik, vzhledem k nekontrolovatelnému přívodu venkovního vzduchu. Celkový tepelný tok, který je odebírán z okolí chladicím povrchem, bude dán vztahem (platí pro uzavřené chladicí stropy)
(
)
(
q = qk + qs = α k ta − t p + α s tr − t p
)
(W/m2)
(10.2)
kde αk (W/m2 K) je součinitel přestupu tepla konvekcí; αs (W/m2 K) - součinitel přestupu tepla sáláním; tp (°C) - střední povrchová teplota chladicí plochy. Součinitel přestupu tepla sáláním αs lze stanovit ze Stefanova - Boltzmannova zákona. Pro vzájemné sálání mezi dvěma obecně orientovanými, reálnými povrchy lze psát
α s = cč ε
2
Tr 4 − Tp 4 8
(
10 tr − t p
(W/m2 K)
)
(10.3)
kde ε (-) je emisivita materiálu (pro většinu praktických aplikací, kdy předpokládáme použití nekovových, nebo natřených kovových ploch neodrážejících záření je ε = 0,9); cč (W/m2 K4) součinitel sálání dokonale černého tělesa, cč = 5,67 W/m2 K4. Součinitel přestupu tepla konvekcí αk (pro přirozené proudění) závisí na rozdílu teplot mezi povrchem stropu tp a teplotou vzduchu v prostoru ta. V literatuře [10.2] lze nalézt různé vztahy pro výpočet součinitele přestupu tepla konvekcí, které vyplývají z experimentálního měření. Jedním z nejpřesnějších je vztah
α k = 1,87 ( ta − t p )
0,33
(W/m2 K)
(10.4)
V případech, kdy se teploty okolních stěn definované střední radiační teplotou tr výrazně neliší od teploty vzduchu v místnosti ta můžeme psát
(
q = α ta − t p
)
(W/m2)
(10.5)
kde celkový součinitel přestupu tepla
α = α k + α s (W/m2 K)
(10.6)
Podle konstrukce dosahují uzavřená provedení chladicích stropů maximálních výkonů kolem 80 W/m2, ve výjimečných případech až 100 W/m2 (vztaženo na m2 půdorysné plochy chladicího stropu). U systémů s akumulační hmotou (aktivní beton) se jako teplonosná látka
81
2
Výkon chladicího stropu q (W/m )
využívá především voda o teplotě kolem 20 °C. Takové konstrukce chladicích stropů pak disponují chladicím výkonem v rozmezí 30 až 40 W/m2. Otevřené chladicí stropy dosahují výrazně vyšších chladicích výkonů než uzavřená provedení. Je to dáno jednak zvýšeným přestupem tepla konvekcí vlivem intenzivnějšího proudění kolem lamel a rovněž větší teplosměnnou plochou. 240 Jednořadé otevřené chladicí stropy dosahují Otevřený 2-řadý o 50 až 100 %, dvouřadé pak dokonce až o Otevřený 1-řadý 200 Panel - kontaktní 120 % vyšších chladicích výkonů než Kapiláry pod omítkou uzavřené konstrukce. Na obr. 10.5 je Potrubní T = 200 mm 160 znázorněno porovnání měrných výkonů Aktivní beton T = 200 mm různých konstrukcí chladicích stropů 120 v závislosti na rozdílu teploty vnitřního vzduchu a střední teploty chladicí vody 80 (ta – tws). Uvedené chladicí výkony jsou pouze orientační. Přesné (naměřené) 40 hodnoty, které závisí na konkrétní konstrukci chladicího stropu, lze získat 0 z katalogových listů výrobců. 0
5
10
15
Rozdíl teplot t a - t ws (K)
Obr. 10.5 Porovnání výkonových charakteristik různých konstrukcí chladicích stropů
Chladicí stropy jsou moderním klimatizačním systémem, který se uplatňuje zejména v západní části Evropy. Bohužel v podmínkách ČR se sálavé chladicí systémy využívají pouze zřídka, což se přičítá vyšším pořizovacím nákladům. Projektanti techniky prostředí (vytápění, chlazení a klimatizace) budou však v budoucnu, ještě více než dnes, nuceni při návrhu klimatizačních zařízení zohlednit případné úspory energií. V této souvislosti se dá očekávat, že chladicí stropy najdou své uplatnění i v našich podmínkách.
10.6 Literatura [10.1] LAIN, M. Sálavé chlazení s akumulační hmotou. Praha: In. Sálavé systémy vytápění a chlazení – operativní teplota, 2006. Sborník semináře. STP. [10.2] ZMRHAL, V. Sálavé chladicí systémy. Praha: Česká technika – Nakladatelství ČVUT, 2009. ISBN 978-80-01-04318-9. [10.3] ZMRHAL, V. Kapilární rohože v praktických aplikacích. Praha: In Klimatizace a Větrání, 2008. 18. národní konference Klimatizace a větrání, STP. [10.4] www stránky výrobců chladicích stropů: Giacomini, G-term, Krantz Komponenten, Rehau, Uponor, Trox.
82
11 Větrání bytů a rodinných domků 11.1 Větrání bytů Větrání bytů může být přirozené nebo nucené. Pouze přirozeně větrané byty najdeme ve starší zástavbě, byty jsou přirozeně větrány okny a svislými šachtami (světlíky). V pozdější bytové zástavbě (panelové domy) je běžný nucený odvod vzduchu z kuchyní a koupelen a přirozený přívod okny a netěsnostmi, kombinovaný s občasným přirozeným provětráváním celého bytu. V nové výstavbě se často používá nuceného přívodu i odvodu se zpětným získáváním tepla, to buď individuální jednotkou pro každý byt, nebo centrální jednotkou pro několik bytů. Při rekonstrukci bytového fondu je snaha o zlepšení větrání bytů a snížení tepelných ztrát větráním dodatečnou instalací nuceného větrání se ZZT. Dodatečná instalace těchto systémů naráží na řadu problémů, především nedostatek místa pro rozvody vzduchu. Pro větrání jednotlivých místností bytu bývá většinou použito kaskádové větrání, kdy je vzduch přiváděn do místností s nejvyššími nároky (ložnice, pokoje) a odváděn z místností s vývinem škodlivin (koupelny, kuchyně). Tím je zajištěn jak přívod čerstvého vzduchu, tak odvod škodlivin při minimálním průtoku vzduchu bytem. Podmínkou správné funkce kaskádového větrání je propojení jednotlivých místností v době větrání (dveře, štěrbiny propojovací mřížky). Přívod venkovního a odvod znečištěného vzduchu může být řešen buď samostatně pro každý byt (většinou na fasádě) nebo společně pro všechny byty zakončený většinou na střeše. Případně kombinací těchto dvou. Stejně tak ventilátory mohou být samostatné pro každý byt nebo centrální pro celý dům. Z pohledu tepelné úpravy vzduchu rozlišujeme systémy bez tepelné úpravy přiváděného vzduchu. V zimních měsících musí zajistit ohřev větracího vzduchu (ztráty větráním) otopná tělesa v místnostech. Další jsou systémy s ohřevem přiváděného vzduchu (buď částečným, nebo úplným na teplotu odpovídající teplotě místnosti). Částečný ohřev je typický pro systémy větrání se zpětným získáváním tepla, ale i zde vzniká ztráta větráním, kterou musí pokrýt otopná tělesa. Poslední možností jsou větrací systémy s teplovzdušným vytápěním, kdy je teplota přiváděného vzduchu vyšší nežli teplota v místnosti a ohřívač v jednotce kryje i tepelné ztráty místností prostupem. Systémy teplovzdušného vytápění většinou pracují s většími průtoky vzduchu a jen část průtoku je venkovní čerstvý vzduch a pro větrání bytových domů se nepoužívají. Tepelnou úpravu vzduchu lze zajistit pouze u systémů s nuceným přívodem vzduchu a zpětné získávání tepla vyžaduje i nucený odvod vzduchu. Pro nucené větrání bytů Obr. 11.1 Schéma větrání bytů s nuceným odvodem individuálními v bytových domech jsou ventilátory (vlevo) a centrálním ventilátorem (vpravo) potom nejčastější následující varianty. 83
Větrání s přirozeným přívodem vzduchu do obytných místností okny a netěsnostmi a nuceným odvodem vzduchu z koupelen a kuchyní do společného potrubí a to buď centrálním ventilátorem na střeše nebo individuálními ventilátory v každém bytě. Ve všech obytných místnostech musí být dostatečné štěrbiny pro přívod vzduchu ať už přirozenou spárovou průvzdušností netěsných oken, nebo ventilačními spárami moderních oken. Ani propojení mezi místnostmi a koupelnou, WC či kuchyní nesmí být těsné, aby mohl vzduch procházet. Ventilátory pro odvod vzduchu musí být dimenzovány tak, aby kromě tlakových ztrát potrubí pokryly i tlakové ztráty přívodu a průchodu vzduchu bytem. U centrálních odtahových ventilátorů je třeba vyvážit potrubní síť tak, aby průtok vzduchu ze všech bytů odpovídal projektovanému. Je možné i navrhnout systém řízení umožňující i při centrálním řešení individuální regulaci průtoku z jednotlivých bytů podle potřeby (vyžaduje čidla kvality vzduchu případně vlhkosti a regulační klapky pro každý byt). Jsou-li použity odtahové ventilátory v jednotlivých bytech, je třeba osadit zpětné klapky, aby nedocházelo k pronikání znečištěného vzduchu do bytů, když nejsou jejich ventilátory v provozu. I individuální ventilátory musí být dimenzovány dle tlakových ztrát systému větrání. Nevýhodou malých ventilátorů je jejich horší účinnost. Větrání s nuceným přívodem i odvodem a zpětným získáváním tepla. Větrací jednotka se ZZT může být samostatná pro každý byt nebo centrální pro celý dům. ZZT výrazně snižuje tepelné ztráty větráním, které mohou představovat především u dobře zateplených budov značnou část ztrát celého objektu. Většinou se v jednotkách osazují výměníky ZZT s vysokou účinností (teplotní faktor 70 až 90 %) a přiváděný vzduch již není dále tepelně upravován. Jednotky pro byt se většinou umisťují pod strop v chodbě. Přívod venkovního vzduchu bývá z fasády, nebo společného vzduchovodu. Je třeba zajistit hlukovou izolaci jednotky. Centrální jednotky s ZZT bývají na střeše, na půdě, nebo ve sklepě. Základním nedostatkem centrální Obr. 11.2 Schéma větrání bytů s větracími jednotkami se ZZT; jednotky je nutnost individuální jednotky (vlevo) a centrální jednotka (vpravo) přívodu i odvodu vzduchu do všech bytů. Ve stávajících bytových domech většinou není dostatek místa pro dvě vzduchotechnické stoupačky. Klimatizace bytů není v našich klimatických podmínkách běžná a při správně navržené stavbě ani potřebná. Množství vzduchu Množství venkovního vzduchu pro větrání bytů vychází z potřeby přívodu čerstvého vzduchu pro osoby v bytě (30 až 50 m3/h na osobu) a odvodu znečištěného vzduchu především z WC (30 až 80 m3/h), kuchyně (50 až 300 m3/h) a koupelny (50 až 250 m3/h). Všechny místnosti v bytě se většinou nepoužívají současně a objem místnosti připadající na jednu osobu bývá poměrně značný, proto lze využít střídavého větrání. Pro celý byt je doporučována intenzita větrání 0,3 až 0,5 1/h.
84
11.2 Větrání rodinných domů Při větrání rodinných domů je situace podobná jako při větrání bytů. Systém větrání je vždy samostatný pro daný dům. Kromě přirozeného přívodu a nuceného odvodu a nuceného větrání se ZZT se na rozdíl od bytových domů někdy uplatňuje i teplovzdušné vytápění s větráním. Řada rodinných domů má pouze přirozené větrání, podmínkou je možnost přirozeného větrání WC a koupelen (okny). Větrní se ZZT je nutné především u nízkoenergetických či pasivních domů, kde se doporučuje systém s teplotním faktorem výměníku ZZT vyšším než 70 %. Velmi zajímavý a poměrně rozšířený je systém teplovzdušného vytápění kombinovaný s cyklickým větráním určený pro nízkoenergetické domky. Vzduchotechnická jednotka pracuje ve dvou režimech. V režimu teplovzdušného vytápění je v provozu jen jeden ventilátor, oběhový vzduch (Ob1) se nasává na chodbách, ohřívá se v jednotce a je přiváděn podlahovými vyústkami pod okny obytných místností (Ob2). V režimu větrání pracují dva ventilátory a odváděný vzduch z koupelny a WC je veden přes výměník ZZT a předehřívá venkovní větrací vzduch, který se dále ohřívá a je distribuován opět podlahovými vyústkami.
I2 E1
I1
E2
E2 I2
Ob2 Ob1
E1
I1
Obr. 11.3 Schéma větrání rodinného domu (vlevo), jednotka v provozu větrání (uprostřed) a v provozu teplovzdušného vytápění (vpravo) [11.3]
Při návrhu rodinného domu by mělo být dbáno zásad pasivního chlazení tak, aby dům nevyžadoval v letních měsících chlazení (klimatizaci).
11.3 Literatura [11.1] CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3.vyd. Brno: BOLIT-B press,1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8. [11.2] DRKAL, F.; LAIN, M.; SCHWARZER, J.; ZMRHAL, V. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2010. [11.3] Projekční podklady firmy Atrea, www.atrea.cz.
85
12 Větrání kuchyní Vlivem provozu v kuchyňských provozech se uvolňuje do vzduchu ve značném rozsahu teplo (konvekční i sálavá složka) a vlhkost (při přípravě jídel a během mytí nádobí). Vzduch je navíc znečištěn pachy, částicemi mastnoty a plynnými zplodinami vznikajícími spalováním. Veškeré tyto zátěže lze odvést pouze nuceným větráním. Pro dimenzování vzduchotechnického zařízení musí být známy zejména následující údaje: - počet spotřebičů a jejich příkony, - rozestavění a uspořádání jednotlivých spotřebičů, - časová vytíženost jednotlivých spotřebičů, - současnost použití jednotlivých spotřebičů. Pro snížení nákladů na instalaci VZT zařízení, jeho hospodárný provoz a dodržení hygienických limitů je třeba dodržet určité zásady již při samotném návrhu prostorové dispozice ϕ jednotlivých spotřebičů; kuchyňské spotřebiče, které produkují teplo, je vhodné seskupit do společných bloků či umístit podélně k plochám ohraničující prostor. Při instalaci většího množství kuchyňských spotřebičů je vhodné zajistit dostatečný prostor (objem místnosti), a to z důvodu nebezpečí vzniku průvanu při vysoké intenzitě větrání. Pro základní kontrolu lze použít směrnou hodnotu průtoku přiváděného vzduchu, která by neměla být překročena, a to VP ≤ 90 (m3/m2 h). Doporučené hodnoty tepelné pohody v kuchyních nelze vždy dodržet, a to zejména v blízkosti spotřebičů určených pro otevřenou tepelnou úpravu (sporáky se sálajícími plochami, fritovací hrnce, atd.). Stav vzduchu by se však měl Obr. 12.1 Doporučovaná oblast stavu pohybovat v oblasti vyznačené na obr. vzduchu v kuchyni 12.1. Teplota vzduchu v kuchyních nesmí klesnout pod 18 °C, a v rámci provozních možností by neměla překročit 26 °C. Výjimku mohou tvořit krátkodobá sezónní překročení teploty. Chlazení vzduchu kuchyňských provozů není výjimečné, investiční a zejména provozní náklady jsou však značné. Nezbytné je však chladit místnosti, které slouží pro skladování některých potravin či přípravny masa, jak je uvedeno v tab. 12.1. Zde se však většinou nejedná o chlazení přiváděným vzduchem, ale například splitovými jednotkami či přímými výparníky instalovanými přímo v místnosti. Obr. 12.2 znázorňuje maximální přípustnou rychlost proudění vzduchu v pracovní zóně.
86
Při návrhu větrání je třeba Tab. 12.1 Požadovaná teplota některých kuchyňských vzít na vědomí, že bilance prostorů všech průtoků (přiváděného a odváděného vzduchu) Rozmezí teplot musí být v celém prostoru Místnost kuchyně vyrovnaná. Větrání (°C) oběhovým vzduchem je Příprava masa 15 - 18 zcela vyloučena, vzduchotechnická zařízení Příprava zeleniny, salátů a brambor 18 - 20 smí být provozována pouze s upraveným venkovním Studená kuchyně 17 - 20 vzduchem. Pro snížení energetické náročnosti k Sklad pro vařené a chlazené pokrmy 0-3 ohřevu venkovního vzduchu je nezbytnou součástí VZT Rozdělovny pro vařené a chlazené pokrmy 12 - 14 jednotky zpětné získávání tepla. Varny 18 - 26 Do prostoru kuchyně je třeba přivést čerstvý venkovní vzduch. Průtok w 0,6 přiváděného vzduchu VP závisí (m/s) 0,5 na množství odváděného tepla či škodlivin z pracovní oblasti. 0,4 Od jednotlivých spotřebičů, které 0,3 se podílí na tepelné a vlhkostní zátěži vnitřního prostoru, je třeba 0,2 Platí pro: odsávacími zákryty odsávat - stání, střední práce 0,1 vzduch VOds. Velikost odsávacího - 0,6 clo zákrytu a množství odsávaného 0 vzduchu se dimenzuje tak, aby 18 20 22 24 26 28 30 32 34 došlo k zachycení látek nad t (°C) varným místem s co největší Obr. 12.2 Maximální přípustná střední rychlost efektivitou. proudění vzduchu Množství odváděného vzduchu VO z prostoru kuchyně je dáno rozdílem průtoku přiváděného a odsávaného vzduchu. Tento vzduch je odsáván většinou stropními výustěmi či výustěmi, které jsou instalovány v co nejvyšší poloze; účelem je odvedení znehodnoceného vzduchu, který nezachytily odsávací zákryty. Celková bilance všech průtoků musí být vyrovnaná, přípustné není přetlakové ani podtlakové větrání. Potom platí
VP = VOds + VO
(12.1)
12.1 Průtok odsávaného vzduchu Nad kuchyňským zařízením vlivem rozdílu teplot vzniká volné konvektivní proudění. Pro určení charakteru proudění konvekcí je směrodatný uvolněný konvektivní tepelný tok Qc od jednotlivých kuchyňských zařízení. Předpokládaný uvolněný tok tepla může být dán vztahem 87
Qc = P ⋅ Qs ⋅ b ⋅ f
(12.2)
kde P (kW) je štítkový příkon zařízení, Qs (W/kW) - produkce citelného tepla, b (-) konvektivní složka z celkového množství uvolněného tepla, f (-) - faktor současnosti. Produkce citelného tepla Qs pro jednotlivá typická kuchyňská zařízení je uvedena v příloze 12.1. Hodnoty v tabulce jsou vztaženy na 1 kW štítkového příkonu zařízení. Součástí přílohy je i produkce skupenského tepla Ql a produkce páry Ms. Konvektivní složka z celkového množství uvolněného toku tepla obvykle tvoří 50 %: b = 0,5. Faktory současnosti podle druhu a označení kuchyně jsou uvedeny v tab. 12.5. Objemový průtok konvektivního proudu Vc nad místem vaření je dán poloempirickým vztahem [12.2]
Vc = k ⋅ Qc1/ 3 ( z + 1, 7 ⋅ d h )
5/ 3
⋅r
(12.3)
kde k = 18 m4/3/W1,3 h je empiricky stanovený koeficient, z (m) - výška spodní hrany odsávacího zákrytu nad zdrojem tepla, dh (m) - hydraulický rozměr, r (-) - redukční faktor. Hydraulický rozměr je dán vztahem
dh =
2ab a+b
kde b a a (m) je šířka a délka zdroje tepla (kuchyňského spotřebiče). Vztah pro objemový průtok konvektivního proudu Vc v sobě zahrnuje i množství indukovaného okolního vzduchu. Je-li zdroj tepla umístěn u stěny, či v rohu místnosti, je množství indukovaného okolního vzduchu menší, než ve volném prostoru. V tab. 12.2 jsou uvedeny redukční faktory pro různé polohy kuchyňských spotřebičů. Schéma konvektivního proudu je vidět na obr. 12.3. Průtok odsávaného vzduchu jedním odsávacím zákrytem je dán vztahem
(12.4) Tab. 12.2 Redukční faktory pro různě umístěné kuchyňské spotřebiče r (-)
Uspořádání zdrojů tepla
Redukční faktor (-)
Umístění ve volném prostoru
1,00
Umístění u stěny
0,63
Umístění v rohu
0,40
VOds = Vc ⋅ a
(12.5)
kde a (-) je přirážkový faktor, který zohledňuje narušení konvektivního proudu. Směrné hodnoty přirážkového faktoru jsou uvedeny v tab. 12.3.
12.2 Průtok přiváděného vzduchu Průtok přiváděného vzduchu VP musí být takový, aby byly zajištěny odpovídající mikroklimatické podmínky v kuchyni, vzhledem k vyrovnané bilanci však nemůže být menší než množství odsávaného vzduchu všech odsávacích zákrytů. Vzhledem k možnosti odsávání části vzduchu pod stropem, je vhodné navrhnout průtok přiváděného vzduchu o něco vyšší 88
než je předpokládaný průtok odsávaného vzduchu odsávacím zákrytem VOds < VP. Celkově větrací systém musí být rovnotlaký. Intenzita větrání varen se obvykle pohybuje I = 20 ÷ 30 1/h. Tab. 12.3 Směrné hodnoty přirážkového faktoru a (-)
Přirážkový faktor a (-)
Charakter proudění Směšovací
Vířivé anemostaty
1,25
Stropní směšovací výustě
1,20
Vytěsňovací Stropní velkoplošné výustě
1,10
Zaplavovací Velkoplošné výustě v pracovní oblasti
1,05
V tab. 12.4 jsou uvedeny průtoky vzduchu pro přidružené místnosti.
12.3 Hlavní zásady
Tab. 12.4 místnosti
Průtoky vzduchu pro přidružené
Při návrhu potrubních rozvodů je třeba zohlednit stav odsávaného vzduchu Množství vzduchu (mastnota, vlhkost, atd.). Potrubní rozvody Místnost musí být provedeny tak, aby bylo (m3/h m2) zamezeno usazování nečistot a stékání příprava masa 15 kondenzátu, musí být čistitelné. Materiál vzduchovodů by měl odolávat ouhům, příprava ryb 15 tukům a kyselinám. Horizontální potrubí musí být spádováno, spoje by měly být příprava drůbeže 15 těsné (aby vzduchovody mohly být čištěny příprava zeleniny 15 tekutými prostředky), je třeba minimalizovat počet ohybů. U každého suchý sklad 6 ohybu by mělo být osazeno revizní víko, u sklad pečiva 6 rovného potrubí každé 3 m. Kvůli zamezení tvorby kondenzátu potrubní prázdný sklad 6 rozvody musí být opatřeny izolací. výdej teplých jídel 60 Při návrhu odsávacího zákrytu je nutné dodržet přesah 200 mm z každé strany kuchyňského spotřebiče, jak je vidět na obr. 12.4. Rychlost odsávaného vzduchu na čele odsávacího zákrytu by se měla pohybovat w ~ 0,2 m/s. V zimním období je třeba přiváděný vzduch vždy ohřívat. Nevyužití tepelné energie obsažené v odpadním vzduchu vede k vysokým provozním nákladům. Proto je třeba navrhnout vzduchotechnickou jednotku se systémem zpětného získávání tepla (použití oběhového vzduchem není přípustné). Výměníky ve VZT jednotce by však měly být snadno demontovatelné a čistitelné. Před vstupem odváděného vzduchu do výměníku musí být osazen filtr.
89
Obr. 12.3 Schéma konvektivního proudu nad kuchyňským spotřebičem
Obr. 12.4 Doporučený přesah odsávacího zákrytu vzhledem ke kuchyňským spotřebičům
Tab. 12.5 Faktory současnosti f podle druhu a označení kuchyně Označení kuchyně Druh kuchyně
Malá kuchyně
Střední kuchyně
Velkokuchyně
Porce Porce Porce Faktor Porce Faktor dle doby dle doby za den souč. f za den souč. f jídla jídla
Porce Porce Faktor dle doby za den souč. f jídla
< 100
-
1,0
< 250
-
0,7
> 250
-
0,7
Kuchyně v kantýnách, menzách
-
150
0,8
-
< 500
0,6
-
> 500
0,6
Kuchyně v nemocnici
-
250
0,8
-
< 650
0,6
-
> 650
0,6
Kuchyně v institucích
-
100
0,9
-
< 250
0,6
-
> 250
0,6
Kuchyně přípravné, kombinované
-
50
0,9
-
< 400
0,6
-
> 400
0,6
Bufety, restaurace, hotel. kuchyně
Na obr. 12.5 až 12.7 jsou vidět různá možná uspořádání přívodu a odvodu vzduchu z varny.
90
Obr. 12.5 Kombinovaný odsávací zákryt s přívodem vzduchu
Obr. 12.6 Přívod vzduchu velkoplošnými výustěmi
Obr. 12.7 Přívod vzduchu stropními směšovacími výustěmi, odvod i přívod vzduchu integrovaný do stropu
12.4 Literatura [12.1] 2007 ASHRAE Handbook Applications. Atlanta: ASHRAE, Inc.,2007. ISBN 978-1-933742-15-1. [12.2] VDI 2052 Part 1: 1999. Ventilation equipment for kitchens. Berlin: Beuth Verlag GmbH. [12.3] www.atrea.cz
91
13 Větrání a klimatizace bazénů Instalace větracího zařízení v krytých prostorech s bazénem je ve většině případů nezbytná. Dochází zde k intenzivnímu odparu vlhkosti z volné hladiny a pro dodržení doporučených parametrů vnitřního prostředí (relativní vlhkosti φI) je třeba tuto vlhkost odvést. Při nevyhovujícím odvodu vlhkostní zátěže se zvyšuje relativní vlhkost v prostoru až na hodnoty, kdy dochází k plošné kondenzaci vodních par v místech tepelných mostů a celém povrchu prosklených stěn a oken. Kondenzát pak stavební konstrukce vážně poškozuje. Průvodním jevem je navíc výskyt plísní. Kvalitu vnitřního prostředí, ale také například kvalitu vody definuje vyhláška č. 135/2004 Sb.[13.5], kterou se stanoví hygienické požadavky na koupaliště a sauny. Výpočty se většinou provádí nejprve pro letní období, následuje kontrola parametrů vnitřního vzduchu pro zimní extrém, a vhodné je provést i kontrolu pro přechodové období. Vnitřní relativní vlhkost by neměla přesáhnout φI ≤ 65 %. Teplota vody v bazénu se navrhuje v závislosti na předpokládaném charakteru používání, jak je vidět v tabulce 13.1, teplota vzduchu se volí 2 až 4 K nad teplotou vody, avšak ne nad 34 °C. Rychlost proudění vzduchu v pásmu pobytu plavců by neměla překročit w ≤ 0,2 m/s. Tab. 13.1 Teplota bazénové vody dle charakteru použití Teplota vody tw (°C) Závodní plavání
22 - 24
Dětský bazén
26 - 28
Terapeutické bazény
Obr. 13.1 Schéma energetických toků
až 39
Při návrhu větracího zařízení je důležitá tepelná bilance větraného prostoru. Vnitřní prostor zejména ovlivňují: - tepelné zisky sluneční radiací okny, - prostup tepla stavebními konstrukcemi, - tepelné zisky od lidí, - přestup tepla mezi vodní hladinou a okolním vzduchem, - zátěž vázaným teplem, daná odparem z volné hladiny.
13.1 Tepelná a vlhkostní zátěž 13.1.1 Tepelné zisky sluneční radiací okny Pro výpočet se může použít dosud platná norma ČSN 73 0548 [13.1].
92
Výchozí vztah je
Qor = ⎡⎣ Sos ⋅ I o ⋅ co + ( So − Sos ) ⋅ I od ⎤⎦ ⋅ s
(W)
(13.1)
kde Sos (m2) je osluněná plocha oken, So (m2) – celková plocha oken, Io (W/m2) - celková intenzita sluneční radiace procházející jednoduchým zasklením, Iod (W/m2) - intenzita difúzní sluneční radiace procházející jednoduchým zasklením, co (-) - korekce na čistotu atmosféry, s (-) - stínicí součinitel. 13.1.2 Prostup tepla stavebními konstrukcemi Pro stanovení prostupu tepla stavebními konstrukcemi v zimě lze použít normy [13.2, 13.3] a pro letní období [13.1] . Základní vztah je
Qu = Σ (U ⋅ S ⋅ ∆t )
(W)
(13.2)
kde U (W/m2 K) je součinitel prostupu tepla, S (m2) – plocha konstrukce, ∆t (K) – rozdíl teplot mezi vnitřním a venkovním prostředím tI – tE (pro letní období je třeba počítat s tzv. rovnocennou sluneční teplotou vzduchu, viz [13.1]). 13.1.3 Tepelné zisky od osob Při výpočtu lze vycházet ze vztahu
Qh = n ⋅ q
(W)
(13.3)
kde n (-) je počet osob, q (W/os) – měrná produkce tepla jedné osoby. 13.1.4 Přestup tepla mezi vodní hladinou a okolním vzduchem Vzhledem ke skutečnosti, že vzduch v místnosti má jinou teplotu než bazénová voda, dochází k přestupu tepla mezi volnou vodní hladinou a okolním vzduchem. Množství přestoupivšího tepla je definováno vztahem
Qα = α ⋅ S hl ⋅ ∆t
(W)
(13.4)
kde α (W/m2 K) je součinitel přestupu tepla mezi vodní hladinou a okolním vzduchem; pro teplotu vody v rozmezí 0 až 90 °C platí α = 10 W/m2 K, Shl (m2) - plocha volné vodní hladiny, ∆t (K) - teplotní rozdíl mezi vodní hladinou a okolním vzduchem. 13.1.5 Zátěž vázaným teplem Podíl zátěže vázaným teplem je z celkové zátěže nejvýznamější. Základní vztah pro stanovení zátěže vázaným teplem
Qw = M w ⋅ l
(W)
(13.5)
kde Mw (kg/s) je množství odpařené vody, l (J/kg) - výparné teplo vody (l = 2 500 kJ/kg). 13.1.6 Množství odpařené vody Výpočet množství odpařené vody je možné provést dle [13.4]. Na obr. 13.2 je znázorněn princip odpařování vody z volné hladiny. Nad volnou vodní hladinou se
Obr. 13.2 93
Znázornění principu odpařování vody
vytvoří mezní vrstva nasyceného vzduchu o teplotě shodné s teplotou vody. Vzhledem k tomu, že parciální tlak (sytých) par v mezní vrstvě je větší než parciální tlak par obsažených v okolním vzduchu, dochází k přenosu vlhkosti. Intenzita přenosu je definována součinitelem přenosu hmoty. Množství odpařené vody se stanoví dle vztahu
Mw =
2⋅β S hl ( pvs (tw) − pv (tI ,ϕ I ) ) rv ⋅ (Tw + TI )
(kg/h)
(13.6)
kde β (m/h) je součinitel přenosu hmoty, viz tabulka 13.2, rv = 461,52 J/kg K – měrná plynová konstanta pro vodní páru, Tw (K) - termodynamická teploty vody, TI (K) termodynamická teplota vzduchu, pvs(tw) (Pa) – parciální tlak sytých vodních pár při teplotě vzduchu rovné teplotě vody tw , pv(tI,ϕΙ) (Pa) – parciální tlak vodních par při teplotě vnitřního vzduchu tI a relativní vlhkosti vnitřního vzduchu ϕI.
13.2 Celková tepelná bilance Celková tepelná bilance objektu se stanoví součtem jednotlivých složek:
Qcelk = Qor + Qu + Qh + Qα + Qw
(W)
(13.7)
Je třeba mít na paměti, že celková tepelná bilance větraného prostoru Qcelk je dána součtem citelného a vázaného tepla. Jednotlivé složky celkové tepelné bilance mají různá znaménka. Například přestup tepla mezi vodní hladinou a okolním vzduchem Qα bude mít znaménko záporné, neboť teplota vzduchu je vyšší než teplota vody, a směr toku tepla mezi vnitřním a venkovním prostředím Qu záleží na na teplotě uvnitř a vně řešeného prostoru. Schématicky jsou toky tepla znázorněny na obr. 13.1. Tab. 13.2 Součinitel přenosu hmoty β (m/h) pro bazény
nepoužívaný bazén βn (m/h)
používaný bazén βp (m/h)
0,7
-
Soukromý bazén
7
21
Veřejný bazén (hloubka vody > 1,35 m)
7
28
Veřejný bazén (hloubka vody < 1,35 m)
7
40
Bazén s umělými vlnami
7
50
Charakter provozu Zakrytý bazén (odpar pouze z přetokového žlábku)
13.3 Dimenzování větracího zařízení Pro dimenzování průtoku větracího vzduchu k odvodu tepelné a vlhkostní zátěže lze použít směrové měřítko
δ=
Qcelk M ⋅ ∆h ∆h = = M w M ⋅ ∆x ∆ x
(kJ/g)
94
Směrové měřítko určuje směr změny stavu vzduchu, který je přiveden do místnosti, stupnice směrového měřítka je na h-x diagramu vztažena k referenčnímu bodu R. Je-li například směrové měřítko δ = 3 kJ/g, směr změny stavu vzduchu určuje přímka protínající tuto hodnotu na stupnici a referenční bod. Je-li do místnosti přiveden vzduch o jekémkoli stavu (na obr. 13.3 označen bodem P), je jeho změna dána vždy směrem, který je rovnoběžný s vytvořenou přímkou. Metodika je znázorněna na obr. 13.3. Na obr. 13.4 je vidět práce s h-x diagramem pro letní období. Do větraného prostoru je přiváděn venkovní vzduch o teplotě tE = 30 °C a entalpii hE = 56 kJ/kgs.v.. Vzduch se vlivem zátěže větraného prostoru citelným teplem ohřívá, vlivem vlhkostních zisků se zvyšuje jeho měrná vlhkost x (směr této změny stavu určuje směrové měřítko δ). Stav vzduchu v místnosti I se určí jako průsečík izotermy tI se směrem δ. Teplota tI se zvolí v mezích přijatelných mikroklimatických podmínek pro osoby. Z diagramu h-x lze odečíst rozdíl měrných vlhkostí (xI - xE) a protože platí
M w = M E ( xI − xE ) = VE ρ ( xI − xE )
(kg/s)
(13.8)
je potřebný průtok venkovního čerstvého vzduchu
VE =
Mw ρ ( xI − xE )
(m3/s)
(13.9)
Nízkým průtokem vzduchu nebudou dostatečně odváděny tepelné a vlhkostní zisky, vnitřní prostor bude přehřátý, vlhkost bude vysoká. Vzhledem provozním nákladům a nebezpečí vzniku průvanu ve větraném prostoru je však maximální množství přiváděného vzduchu omezeno intenzitou větrání I = (8 ÷ 12) 1/h.
Obr. 13.4 Změna měrné vlhkosti ∆x pro letní období v závislosti na zvolené vnitřní teplotě tI
Obr. 13.3 Znázornění směru změny stavu přiváděného vzduchu
95
Pro zimní období je obvyklá instalace kombinovaného systému větrání a vytápění. Jedná se o klasickou teplovodní otopnou soustavu (desková otopná tělesa, podlahové či stěnové vytápění) a teplovzdušné větrání. V době, kdy bazén není užíván, se klasická otopná soustava podílí na krytí tepelných ztrát. Nadimenzována může být na vnitřní teplotu tI nižší, než je teplota provozní. Je-li například provozní teplota tI = 28 °C, bude otopná soustava dimenzována na teplotu tI = (18 ÷ 20) °C. V době, kdy je bazén užíván, je spuštěna vzduchotechnická jednotka. Ta do prostoru přivádí teplý vzduch, který prostor dohřeje a zároveň se podílí i na odvedení vlhkostní zátěže. Podle průtoku přiváděného vzduchu VP musí být pracovní rozdíl teplot (tP - tI) navržen tak, aby v prostoru byla dodržena požadovaná provozní teplota tI. S ohledem na nízké provozní Obr. 13.5 Typická zimní úprava vzduchu ve náklady je nezbytnou součástí VZT VZT jednotce systému instalace zpětného získávání tepla (ZZT) a možnost použití oběhového vzduchu. Na obr. 13.5 je vidět typická zimní úprava vzduchu. Venkovní vzduch o stavu E1 se v systému ZZT předehřeje na stav E2. Následuje smísení s oběhovým vzduchem I na stav Sm. Poměr směšování musí být zvolen tak, aby odvedení vlhkostní zátěže bylo dostatečné. Schéma VZT jednotky s deskovým výměníkem (ZZT) a možností použití oběhového vzduchu Ob je vidět na obr. 13.6. Případ kombinovaného systému větrání a vytápění, kdy je tepelná ztráta hrazena otopnou soustavou a větracím teplým vzduchem, charakterizuje vztah Qzt = Qzt vy + Qzt vě
(W)
(13.10)
kde Qzt (W) je tepelná ztráta prostoru, Qzt vy (W) - část tepelné ztráty, která je hrazena otopnou soustavou, Qzt vě (W) - část tepelné ztráty, která je hrazena přiváděným teplým vzduchem. Část tepelné ztráty, která je hrazena přiváděným teplým vzduchem je dána vztahem
Qzt vě = M ⋅ c ⋅ ( t P − t I )
(W)
(13.11)
kde M (kg/s) je celkový hmotnostní průtok vzduchu přiváděný do prostoru bazénu
M = ME + MI
(W)
(13.12)
96
Výkon výměníku Qvým (W) potřebný pro ohřev přiváděného vzduchu je však dán podle obr.13.5 vztahem
Qvým = M ⋅ c ⋅ ( t P − tSm )
(W)
(13.13)
Pro odvod vlhkostní zátěže platí
M w = M Sm ( xI − xSm )
(kg/s)
(13.14)
Obr. 13.6 Schéma VZT jednotky s deskovým výměníkem (ZZT) a možností použití oběhového vzduchu
13.4 Distribuce vzduchu Důležitou součástí návrhu je i volba vhodné distribuce vzduchu, a to tak, aby rychlost nad hladinou a v pásmu pobytu osob nepřekročila 0,2 m/s. Výhodné je zajistit přívod vzduchu tak, aby byly ofukovány prosklené konstrukce a tím se zabránilo orosování na vniřní straně. Na obr. 13.7 je schématicky znázorněno umístění distribučních elementů s ohledem na různé velikosti prosklených ploch.
a)
b)
c)
Obr. 13.7 Doporučené umístění distribučních elementů pro přívod vzduchu; a) pro vertikální prosklenou plochu, b) pro vertikální a částečně horizontální prosklenou plochu, c) pro vertikální a rozsáhlou horizontální prosklenou plochu
97
Pro snížení provozních nákladů může být systém regulace vybaven čidlem vlhkosti. Je-li v prostoru vlhkost ϕI < 65 % (vyhovuje požadavkům), systém VZT pracuje pouze s oběhovým vzduchem. V okamžiku překročení požadovaných parametrů vlhkosti (ϕI > 65 %) je přisáván venkovní (suchý) vzduch. Metodika výpočtu pro stanovení odparu vody z hladiny je použitelná i pro dimenzování odvlhčovacích zařízení pro soukromé menší bazény. Výpočet pro stanovení zátěže vázaným teplem je použitelný i pro návrh výkonu zdroje tepla k udržení požadované teploty bazénové vody. Položka vázaného tepla má z celkové bilance rozhodující převahu. Tepelný tok pro odpaření vody z hladiny bazénu se odebírá bazénové vodě, kterou je třeba dohřívat. Nejvíce energie se spotřebuje právě pro dohřev bazénové vody. Odpařenou vlhkost je třeba z prostoru bazénu odvést. Proto se doporučuje bazén v době mimo užívání zakrývat (v tab. 13.2 je vidět součinitel přenosu hmoty β pro nezakrytý a zakrytý bazén). To platí zejména pro soukromé bazény, kde je jejich vodní plocha menší a technické řešení nepředstavuje problém.
13.5 Literatura [13.1] [13.2] [13.3] [13.4]
CSN 73 0548:1986. Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů. ČSN 06 0210: 1994. Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění. ČSN EN 12831: 2005. Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu. VDI 2089 Part 1: 2008. Building services in swimming bath - Indoor pools. Berlin: Beuth Verlag GmbH. Part 2: 2009. Building services in swimming bath – Efficient use of energy and water. Berlin: Beuth Verlag GmbH. [13.5] Vyhláška č. 135/2004 Sb., kterou se stanoví hygienické požadavky na koupaliště, sauny a hygienické limity písku v pískovištích. [13.6] www.atrea.cz
98
14 Čisté prostory Při návrhu větrání a klimatizace čistých prostorů jsou kontrolovanými parametry teplota, relativní vlhkost vzduchu, rychlost a charakter proudění vzduchu. Dalšími důležitými parametry jsou počet a velikost částic v prostoru, míra molekulárního znečištění, vibrace, hluk a elektrostatické náboje. Čistý prostor může být řešen jako čistý box (pracovník se nepohybuje v pracovním prostoru), jako čistá kabina či jako čistá místnost (pracovník se nachází v pracovním prostoru). Pokud nemá teplota a relativní vlhkost vliv na kvalitu produktu, jsou obvykle parametry vnitřního prostředí v letním období ti = 22 až 26 °C, ϕi = 30 až 50 % a v zimním období ti = 20 až 24 °C, ϕi = 30 až 50 %. Pokud je však kvalita produktu teplotou a relativní vlhkostí ovlivněna, je třeba parametry vnitřního prostředí přizpůsobit technologickým požadavkům.
14.1 Klasifikace čistých prostorů Klasifikace čistých prostorů z hlediska koncentrace mechanických částic ve vznosu (částice, šířící se vzduchem) je dána dle [14.1]. Kontrolované pásmo velikosti částic se pohybuje od 0,1 µm do 5 µm. Mimo toto pásmo lze na základě pořadavku provozovatele kontrolovat i částice o jiných velikostech. Jedná se o částice, jejichž velikost je menší než 0,1 µm, nazývané ultrajemné částice a dále se jedná o částice, jejichž velikost je větší než 5 µm, nazývané makročástice. Makročástice jsou charakteristické tím, že se usazují vlivem gravitace. Koncentrace ultrajemných částic či makročástic může být stanovena na základě tzv. U popisovače a M popisovače. Úroveň čistoty vzduchu je vyjádřena třídou čistoty N. Pro každou třídu čistoty je daná maximální povolená kumulativní četnost částic Cn (1/m3). V tab. 14.1 je vidět zařazení čistoty vzduchu do jednotlivých tříd N v závislosti na maximální kumulativní četnosti vybraných částic. Tab. 14.1 Zařazení čistoty vzduchu do jednotlivých tříd N v závislosti na maximální kumulativní četnosti vybraných částic Maximální povolená kumulativní četnost částic Cn (1/m3)
Třída čistoty N
0,1 µm
0,2 µm
1
10
2
2
100
3
0,3 µm
0,5 µm
24
10
4
1 000
237
102
35
8
4
10 000
2 370
1 020
352
83
5
100 000
23 700
10 200
3 520
832
29
6
1 000 000
237 000
102 000
35 200
8 320
293
7
352 000
83 200
2 930
8
3 520 000
832 000
29 300
9
35 200 000
8 320 000
293 000
99
1 µm
5 µm
Kumulativní četnost částic v tomto případě vyjadřuje počet částic větších, než je udaný rozměr. Například pro třídu čistoty N = 3 může být v jednom m3 vzduchu obsaženo maximálně 1 000 částic o velikosti 0,1 µm a vyšší, zároveň však v jednom m3 vzduchu může být obsaženo maximálně 237 částic o velikosti 0,2 µm a vyšší, a zároveň v jednom m3 vzduchu může být obsaženo maximálně 102 částic o velikosti 0,3 µm a vyšší, atd. (v tab. 14.1 tučně vyznačeno). Obr. 14.1 Maximální povolená kumulativní četnost vybraných Maximální povolená částic Cn pro jednotlivé třídy čistoty N kumulativní četnost vybraných částic pro jednotlivé třídy čistoty N je grafickou formou zobrazena na obr. 14.1. Maximální povolenou kumulativní četnost částic Cn (1/m3) lze pro jednotlivé třídy čistoty vzduchu N a velikost částic také stanovit ze vztahu
⎛ 0,1 ⎞ Cn = 10 ⎜ ⎟ ⎝ a ⎠
2,08
N
(1/m3)
(14.1)
kde a (µm) je velikost částice, N (-) - třída čistoty. Zařazení čistého prostoru do třídy čistoty N závisí zejména na požadavcích provozovatele. Hodnocení do tříd je možné provést na základě měření jedné či více velikostí částic dle tab. 14.1. Jestliže je měření prováděno pro více velikostí částic, jednotlivé velikosti částic by měly být ve vzájemném vztahu
a2 ≥ 1,5 ⋅ a1
(1/m3)
(14.2)
kde a1 (µm) je první měřená velikost částice, a2 (µm) – druhá měřená velikost částice. Například pro farmaceutické čisté prostory je hodnocen výskyt částic 0,5 µm a 5,0 µm. Tab. 14.2 Typické velikosti Typická velikost bakterie
0,3 – 10 µm
Typická velikost viru
0,005 - 0,1µm
Tloušťka lidského vlasu
50 - 100 µm
Velikost nejmenší částice viditelné lidským okem (v ideálním případě)
50 µm
100
Čisté prostory lze klasifikovat také z hledista molekulárního znečištění [14.4]. Formát klasifikace je ve tvaru ISO-AMC N (X), kde AMC je zkratka anglického “airborne molecular contamination”, N je třída čistoty, kterou lze vyjádřit dle vztahu (14.3), X je kategorie znečišťující látky (tab. 14.5). Třída čistoty N dle ISO-AMC se pohybuje v rozmezí od 0 do -12 a je vyjádřena vztahem
N = log(10C X )
(14.3)
kde CX (g/m3) je maximální povolená koncentrace molekul ve vznosu (tab. 14.4). Tab. 14.4 Maximální povolená koncentrace molekul ve vznosu pro jednotlivé třídy N Třída N
CX (g/m3) Třída N
CX (g/m3) -7
Tab. 14.5 látek
Kategorie znečišťujících
Kategorie znečišťující látky X
Označení
0
10
0
-7
10
-1
10-1
-8
10-8
Kyselina
ac
-2
10-2
-9
10-9
Zásada
ba
-3
10-3
-10
10-10
Žíravina
cr
-4
10-4
-11
10-11
Biotoxiny
bt
-5
10-5
-12
10-12
-6
10-6
Vyjádření lze provést i přímo chemickým vzorcem, například pro čpavek bude označení X → NH3
Například maximální přípustná koncentrace čpavku CX = 10-6 (g/m3) bude zapsána způsobem ISO-AMC -6 (NH3), maximální přípustná koncentrace kyselin CX = 10-2 (g/m3) bude zapsána způsobem ISO-AMC -2 (ac).
14.2 Zdroje částic Zdroje částic jsou venkovní a vnitřní. Z venkovního prostředí do čistého prostoru mohou částice pronikat infiltrací dveřmi a okny či netěsnostmi ve spojení stěn, stropů a podlahy. Tomu lze zabránit vytvořením přetlaku čistého prostoru vůči okolnímu prostředí. Na obr. 14.2 je vidět průtok vzduchu V (l/s) netěsnostmi o různých plochách (cm2) v závislosti na tlakovém rozdílu mezi vnitřním a vnějším
Obr. 14.2 Průtok vzduchu V (l/s) netěsnostmi o různých plochách (cm2) v závislosti na tlakovém rozdílu mezi vnitřním a vnějším prostředím ∆p (Pa) 101
prostředím ∆p (Pa). Největší množství částic však do čistého prostoru obvykle proniká systémem vzduchotechniky a klimatizace. Proto lze hovořit o tom, že venkovní vzduch je škodlivina. Například typický počet neživých částic o velikosti 0,3 µm ve vzduchu ve městě je 1011 (1/m3). Vliv prašnosti venkovního vzduchu se snižuje maximálním využitím filtrovaného oběhového vzduchu; přívod venkovního vzduchu je omezen na hygienicky potřebné minimum pro osoby, jako doplněk odsávaného vzduchu případnými technologiemi a na množství nutné k vytvoření přetlaku v místnosti. Vnitřními zdroji nečistot jsou zařízení, technologické procesy a zejména činnost osob. Emise z lidské kůže je až několik miliónů částic (tab. 14.3) a stovky bakterií za minutu. Emise částic z oblečení je ovlivněna druhem oděvu a rovněž i způsobem a rychlostí pohybu. Pro dostatečnou eliminaci emise částic je proto nezbytné používat ochranné oblečení a pomůcky (návleky na boty, obličejové masky, brýle, rukavice, atd.). Výroba ochranného oblečení a pomůcek však musí probíhat také v čistých prostorech. Tab. 14.3 Emise částic z povrchu osob (v oděvech pro čisté prostory) Emise částic 0,5 µm (1/min)
Činnost Stání nebo sezení bez pohybu
100 000
Sezení s pomalým pohybem hlavy nebo ruky
500 000
Sezení s pomalým pohybem těla a končetin
1 000 000
Povstání s plným pohybem těla
2 000 000
Pomalá chůze, 3,5 m/s
5 000 000
Z hlediska vzduchotechniky je pro vytvoření požadované třídy čistoty N rozhodující kvalita filtrace vzduchu, uspořádání čistého prostoru a způsob proudění vzduchu.
14.3 Systém větrání a klimatizace Proudění v kontrolovaném prostoru může být buďto jednosměrné (s potlačovanou turbulencí), nebo neusměrněné (proudění s makroturbulentními víry). Pro prostory s třídou čistoty N = 5 a pro prostory čistší, je obvyklé jednosměrné proudění, pro prostory s třídou čistoty N ≥ 6 je obvyklé neusměrněné proudění. Na obr. 14.3 je vidět schéma jednosměrného proudění, na obr. 14.4 je vidět schéma neusměrněného proudění a na obr. 14.5 je vidět kombinace proudění jednosměrného a neusměrněného. a)
b)
Obr. 14.3 Schéma jednosměrného proudění, a) horizontální, b) vertikální
102
Obr. 14.4 Schéma neusměrněného proudění
Obr. 14.5 Kombinace proudění jednosměrného a neusměrněného Charakter jednosměrného proudění může v kontrolovaném prostoru ovlivňovat pohyb osob, proces výroby, ale také různé aerodynamické překážky, které mohou vzniknout na základě nevhodného návrhu. Na obr. 14.6 a) je vidět příklad nevhodně řešené pracovní plochy, kde vznikají makroturbulentní víry. Na obr. 14.6 b) je vidět vhodně navržená pracovní plocha z hlediska aerodynamického tvaru a na obr. 14.6 c) je vidět možnost eliminace makroturbulentních vírů instalací lokálního odsávání vzduchu přímo z pracovní plochy. a)
b)
c)
Obr. 14.6 a) příklad nevhodně řešené pracovní plochy, b) vhodně navržená pracovní plocha z hlediska aerodynamického tvaru, c) možnost eliminace makroturbulentních vírů instalací lokálního odsávání vzduchu přímo z pracovní plochy 103
Někdy může být vedle sebe umístěno více čistých prostorů s odlišnými požadavky na čistotu. V těchto případech je výhodné řešit přívod upraveného vzduchu do prostoru s nejvyššími požadavky na čistotu a vzduch dále odvádět přes prostory s nižšími požadavky na čistotu (pokud to technologie umožňuje). Přetlak v čistém prostoru zabraňuje pronikání prachu z okolí; při uzavřených vstupech se rozdíl tlaku ∆p mezi čistým prostorem o okolním prostředím pohybuje v rozmezí od 5 do 20 Pa. V čistých prostorech se obvykle pro oběhový vzduch používá dvoustupňová filtrace. Pro venkovní se používá filtrace třístupňová (obr.14.8). Jako koncový filtrační stupeň bývá použit HEPA filtr (Highefficiency particulate air filter), který se vyznačuje zachycením částic o velikosti 0,3 µm s účinností vyšší než 99,97 %. Pro prostory s vysokou náročností na čistotu se používá ULPA filtr (Ultralowpenetration air filter), který je charakteristický účinností zachycení částic o velikosti 0,12 µm vyšší Obr. 14.7 Podstropní čistý než 99,999 %. Na obr. 14.7 je vidět příklad nástavec určený pro neusměrněný koncového členu rozvodu vzduchu. Jedná se o přívod vzduchu podstropní čistý nástavec určený pro neusměrněný přívod vzduchu, který může být osazen HEPA či ULPA filtračními vložkami. Detailní přehled filtrů je uveden v [14.6] v kapitole „Filtrace atmosférického vzduchu“. Čisté prostory jsou obvykle instalovány uvnitř většího objektu a jsou celoročně zatěžovány vnitřními zisky od osob a technologie. Oproti tomu jsou tepelné ztráty v zimním období nulové. Důsledkem této skutečnosti je, že potřeba chlazení čistých prostorů je celoroční.
Obr. 14.8 Příklad řešení klimatizačního zařízení pro čistý prostor s neusměrněným prouděním; F – filtr, Oh – ohřívač, Ch – chladič, Ve – ventilátor, Zv - zvlhčovač
104
Příklad řešení klimatizačního zařízení s neusměrněným prouděním je vidět na obr. 14.8. Centrální klimatizační jednotka je určena pro ohřev, chlazení a odvlhčování venkovního vzduchu. Lokální (zónové) jednotky jsou určeny pro odvod tepelné zátěže z jednotlivých čistých místností. V případě vlhčení vzduchu se vždy používá pára.
14.4 Literatura [14.1] ČSN EN ISO 14644-1: 2000. Čisté prostory a příslušné řízené prostředí - Část 1: Klasifikace čistoty vzduchu. [14.2] ČSN EN ISO 14644-4: 2001. Čisté prostory a příslušné řízené prostředí - Část 5: Návrh, konstrukce a uvádění do provozu. [14.3] ČSN EN ISO 14644-5: 2005. Čisté prostory a příslušné řízené prostředí - Část 5: Provozování. [14.4] ČSN EN ISO 14644-8: 2007. Čisté prostory a příslušné řízené prostředí - Část 8: Klasifikace molekulárního znečištění vzduchu. [14.5] 2007 ASHRAE – HVAC Applications. Atlanta: ASHRAE, Inc., 2007. ISBN 978-1933742-14-4. [14.6] DRKAL, F.; LAIN, M.; SCHWARZER, J.; ZMRHAL, V. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2010. [14.7] www.gealvz.cz
105
15 Větrání garáží 15.1 Principy větrání garáží 15.1.1 Zdroje znečišťování ovzduší Hlavní škodliviny ve výfukových plynech motorových vozidel jsou oxid uhelnatý, oxidy dusíku, oxid siřičitý, cyklické uhlovodíky (deriváty pyrenu), aldehydy (zejména akrolein), nespálené uhlovodíky, olovo, saze a olejová mlha. Z hlediska dýchání jsou nejvýznamnější oxid uhelnatý s toxickým účinkem na dýchání, deriváty pyrenu s karcinogenním účinkem a akrolein s toxicky dráždivým účinkem. Významné je rovněž dráždivé působení oxidů dusíku (především oxidu dusičitého). Saze mohou obsahovat kondenzované karcinogenní uhlovodíky. Kouř ze vznětových motorů (olejová mlha a saze) zhoršuje viditelnost. Větrání se dimenzuje podle údajů o oxidu uhelnatém; hodnocení ukazují, že tímto průtokem vzduchu se sníží koncentrace ostatních škodlivin pod přípustné meze. Pro zážehové motory je tento postup zcela oprávněný (emise CO je zde rozhodující). Vznětové motory produkují relativně menší množství CO než motory zážehové, výkony motorů jsou však větší. Jsou-li k dispozici údaje o emisích oxidů dusíku, oxidu siřičitého a kouře, provede se výpočet pro všechny škodliviny. Účinek SO2 a NOx je aditivní. Charakteristickým údajem, který vyjadřuje velikost garáže je počet stání, u vícepodlažních garáží počet stání v podlaží. 15.1.2 Větrací systémy Větrání garáží může být obecně přirozené nebo nucené. Koncepčně se rozlišují dva druhy garáží. • Jednotlivé a řadové garáže (jedno nebo dvoupodlažní), které mají stání vozidel v jedné nebo nejvýše dvou řadách – každé stání má v první řadě samostatný vjezd. Větrání se navrhuje přirozené, příčné s neuzavíratelnými otvory v protilehlých stěnách (u podlahy a pod stropem). Celková volná plocha otvorů na jedno stání v garážích pro osobní, dodávkové automobily a jednostopá vozidla je minimálně 0,025 m2, v garážích pro nákladní a speciální automobily, autobusy, traktory a samojízdné pracovní stroje 0,045 m2 (ČSN 73 6057 [15.2]). • Hromadné garáže (jedno i vícepodlažní, nadzemní i podzemní), které mohou být řešeny pro pohyb vozidel vlastním motorem nebo pro jejich přemisťování mechanickým zařízením (zde platí pro větrání obecné požadavky na pracovní prostředí). Větrání garáží pro vozidla pohybující se vlastním motorem se navrhuje (podle produkce škodlivin) přirozené nebo nucené. Hromadné garáže Přirozené větrání je možné pouze v nadzemních garážích. Celková volná plocha neuzavíratelných otvorů na jedno stání je minimálně 0,15 m2. Polovina této plochy se umisťuje u podlahy, polovina pod stropem. Svislá větrací šachta navazující na otvor musí mít průřez nejméně shodný s otvorem, šachta vyšší než 2 m – průřez dvojnásobný. Plochu otvorů lze sdružovat, musí však být zajištěno rovnoměrné provětrání prostoru (vodorovná vzdálenost mezi otvory nejvýše 20 m, stěny bez otvorů mohou být vzdáleny od otvorů 10 m (ČSN 73 60 58 [15.1]). Nucené větrání (nevyhovuje-li větrání přirozené) je podtlakové – řeší se nuceným odvodem a přirozeným přívodem, nebo nuceným odvodem a nuceným přívodem vzduchu (vždy bez oběhového vzduchu) - průtok přiváděného vzduchu musí být o 10 až 20 % nižší než průtok odsávaného vzduchu. Venkovní vzduch pro větrání garáží se neupravuje (nefiltruje, 106
neohřívá). Výjimkou jsou garáže pro pohotovostní vozidla, kde podle potřeby provozu se může venkovní vzduch ohřívat. Pro ochranu výměníků tepla před znečištěním je v takovém případě nutná filtrace. Pro koncepční návrh nuceného větrání je určující způsob provozu garáží. Existují dva způsoby provozu garáží, podle toho jakým režimem se vyměňují vozidla v garáži, resp. kolik vozidel maximálně bude současně v provozu: • •
garáže s průběžnou výměnou vozidel garáže se špičkovým provozem
U garáží s průběžnou výměnou vozidel se předpokládá, že vozidla přijíždějí a odjíždějí v teoreticky pravidelném rytmu, daném typickou dobou parkování. V garážích se špičkovým provozem je určující pro větrání maximální současný provoz vozidel, který může nastat např. po skončení kulturní, nebo sportovní akce. Metoda stanovení průtoku větracího vzduchu je u obou případů odlišná.
15.2 Výchozí podklady pro návrh větrání garáží Základními údaji pro návrh větrání jsou: • přípustná výpočtová koncentrace oxidu uhelnatého v ovzduší garáže, • emise (hmotnostní, objemový průtok) oxidu uhelnatého při průjezdu a parkování vozidel v garáži, • parkovací doba, resp. frekvence výměny vozidel v garáži, popř. údaje o současném (hromadném) výjezdu vozidel, • délka trasy vozidel při vjezdu, výjezdu, s udáním rovných úseků a stoupání na rampách, • doba volnoběhu motorů. 15.2.1 Přípustné výpočtové koncentrace oxidu uhelnatého Evropské normy považují za rozhodující škodlivinu pro návrh větrání garáží oxid uhelnatý. O koncentracích ostatních škodlivin (oxidy dusíku NO a NO2, uhlovodíky - uváděné souhrnnou koncentrací uhlovodíků, benzol C6H6, pevné částice) se předpokládá, že při větrání navrženém podle průtoku vzduchu pro odvod CO budou pod přípustnou mezí. Škodlivost oxidu uhelnatého je všeobecně známá - při vdechování vzniká v krvi karboxyhemoglobin (COHb), jehož působením se omezuje okysličování tkání. Důsledkem je snížení pozornosti, bolesti hlavy (při vdechování nízkých koncentrací CO) a další závažné důsledky vedoucí až k úmrtí. Obsah COHb je proto z hlediska ochrany zdraví lidí limitován. Obsah COHb v krvi závisí na intenzitě dýchání osob, době vdechování a koncentraci CO ve vdechovaném vzduchu. Uvedenou závislost vyjadřuje obr. 15.1 (dle pramenů WHO, Geneva). Normální obsah COHb v krvi je přibližně 0,4 %; za mezní přípustnou hodnotu se považují 3 % COHb. Koncentrace 3 % COHb se podle [15.4] dosáhne při chůzi (v garážích): • za 15 minut při vdechování vzduchu s koncentrací CO 150 ppm • za 30 minut při vdechování vzduchu s koncentrací CO 100 ppm • za 90 minut při vdechování vzduchu s koncentrací CO 50 ppm Uvedené hodnoty platí pro zdravé dospělé osoby a nezohledňují zvláštní rizikové skupiny (děti, starší populaci). Pozn.: 1 ppm = 1 cm3/m3.
107
Přípustné koncentrace oxidu uhelnatého v ovzduší garáží se v jednotlivých normách odlišují, nikoliv však podstatně (v rozmezí 50 až 100 ppm). ČSN 73 6058 uvádí jako přípustnou výpočtovou koncentraci CCOp = 87 ppm, pro dobu pobytu osob do 30 minut. Tyto koncentrace jsou výrazně vyšší než připouští hygienické normy pro trvalý (8 hodinový) pobyt v pracovním prostředí. V ČR platné Nařízení vlády č. 361/2007 Sb. [15.5] udává pro 8 hodinovou pracovní dobu průměrnou limitní koncentraci oxidu uhelnatého (přípustný expoziční limit PEL) 30 mg/m3 (26 ppm).
Obr. 15.1 Obsah COHb v krvi v závislosti na intenzitě dýchání, dle WHO
Přípustná výpočtová koncentrace v normách větrání garáží předpokládá časově omezený pobyt osob - nastupujících a vystupujících z vozidel. Pro prostředí, ve kterém se obsluha garáží zdržuje trvale platí přípustný expoziční limit (PEL) dle citovaných Nařízení vlády. 15.2.2 Emise oxidu uhelnatého V ČSN 73 6058 je základní výpočtová hodnota emise oxidu uhelnatého jednoho osobního vozidla udána 0,5 m3/h voz. při pomalé jízdě i volnoběhu. Údaj se zde vztahuje na všechna vozidla se zážehovým (benzinovým) i vznětovým (naftovým) motorem. I když motory se vznětovými motory se vyznačují výrazně nižší emisí oxidu uhelnatého než motory zážehové, stejná výpočtová hodnota byla do normy zavedena s ohledem na další škodliviny ve výfukových plynech vznětových motorů (pevný uhlík - saze, NOx). Údaj emise oxidu uhelnatého 0,5 m3/h voz. byl vložen do normy v době relativně malého počtu vozidel vybavených katalyzátory zážehových motorů (r. 1988). Současná skladba vozidel je odlišná, emise zážehových motorů vybavených katalyzátory jsou podstatně nižší a lze rozlišit i emise motorů zážehových a vznětových; evropské normy uvádějí emise v podrobnější struktuře než ČSN. Příkladem podrobných údajů je rakouská norma ÖNORM H 6003 [15.3], která rozlišuje emise CO samostatně pro motory zážehové s katalyzátorem, motory zážehové bez katalyzátoru a motory vznětové (tab. 15.1). U každé z uvedených tří skupin se rozlišují emise teplého motoru a emise studeného motoru. Samostatně jsou uvedeny emise pro jízdu po rovině (a klesání), jízdu při stoupání po rampě a pro volnoběh. Emise CO vozidel při jízdě jsou v uvedeny v (g/km voz.), tj. udávají množství CO (g) vyprodukované při jízdě jednoho vozidla na trase 1 km v garáži. Trasa vozidel se rozlišuje na jízdu po rovině (a klesání po rampě) a jízdu po rampě se stoupáním 5, resp. 10, 15, 20 %. Pro volnoběh jsou emise CO udány v jednotkách (g/h voz.), tj. udávají množství CO (g) vyprodukované při volnoběhu jednoho motoru za dobu 1 hodiny (při vjezdu do garáže, zastavení a rozjezdu na parkovacím místě a při výjezdu z garáže). Předpověď složení motorových vozidel v Rakousku: počet vozidel v (%) ve skupinách: zážeh. motor s katalyz./ zážeh. motor bez katalyz./ vznět.motor, rok 2010: 53,2/2,9/43,8 %. Struktura vozidel v ČR je méně příznivá, v podzemních garážích však parkují převážně modernější vozidla, proto současná struktura vozidel se bude blížit rakouským údajům. 108
Tab. 15.1 Emise oxidu uhelnatého jednoho vozidla, dle [15.3] Druh provozu Emise CO Zážehový motor s katalyzátorem Zážehový motor bez katalyzátoru Vznětový motor
Volnoběh
Jízda po rovině, při klesání (g/h voz.) (g/km voz.)
Jízda při Jízda při Jízda při stoupání stoupání stoupání 5% 10 % 15 % (g/km voz. g/km voz. g/km voz.
teplý
20,0
6,4
12,9
18,0
23,1
studený
70,0
32,0
45,0
63,0
81,0
teplý
110,0
18,1
27,5
36,6
45,8
studený
203,5
32,6
50,8
67,7
84,6
teplý studený
5,0 11,0
0,6 1,5
0,8 1,7
0,9 2,0
1,1 2,4
Pozn.: Pro přepočet hmotnostních údajů na objemové: ρCO = 1,25 kg/m3 (při 0°C). 15.2.3 Parkovací doba, frekvence výměny vozidel v garáži, současný výjezd Pohyb vozidel v garáži je podstatným údajem pro dimenzování větracího systému. Četnost průjezdu a délka trasy vozidel v garáži, při známé (zadané) rychlosti a doba volnoběhu určují celkovou dobu chodu motorů a tím také i celkovou emisi CO v garáži. Obecně lze rozlišit dva základní případy: a) garáže, kde dochází k průběžné výměně vozidel (např. městské parkovací garáže), b) garáže se špičkovým provozem, kde lze předpokládat hromadný výjezd vozidel (např. garáže u kulturních, společenských a sportovních objektů). Garáže s průběžnou výměnou vozidel Předpokládá se rovnoměrný pohyb vozidel v garáži, rozhodující je doba parkování jednoho vozidla τp (h). Doba parkování τp určuje frekvenci výměny vozidel f = 1/ τp (1/h), která udává, kolik vozidel za dobu 1 hodiny se vymění na jednom stání (tab. 15.2). Při parkovací době τp = 1 hodina na každé stání vjede za hodinu jedno vozidlo a jedno vozidlo ze stání vyjede. Jde tedy o jeden cyklus průjezdu vozidla celou garáží (od vjezdu do garáže na parkovací místo a z něj k výjezdu). Frekvence průjezdu (výměny) vozidel na jednom stání je tedy f = 1/τp = 1 (1/h). Při kratší době parkování, např. τp = 1/3 hodiny bude frekvence f = 1/τp = 3 (1/h). Tab. 15.2 Frekvence výměny vozidel v garážích Garáže se špičkovým provozem Frekvence f (1/h) Současný vjezd vozidel se prakticky Druh garáže nevyskytuje, pravděpodobnějším případem Administrativní 0,6 je hromadný výjezd Praxe ukazuje, že budovy [15.4] garáže, které by byly specificky určeny pouze pro vozidla soustředěná k určité akci, např. u divadel, koncertních sálů, sportovních hal se navrhují zřídka; většinou garáže i u kulturních a sportovních objektů slouží během dne pro průběžné parkování vozidel.
Nákupní centra s širokým sortimentem zboží [15.3] Kulturní objekty [15.3] Prodejny se specifickým zbožím [15.3]
109
0,8 1,0 1,5
Evropské normy tyto případy řeší různě, rakouská norma [15.3] uvádí specifický výpočet, kterým se zvyšuje průtok větracího vzduchu v garážích, v nichž by mohlo docházet k vytváření dopravní zácpy. ČSN 73 6058 [15.1] uvádí pro garáže se špičkovým provozem specifický výpočet. 15.2.4 Délka trasy vozidel, doba jízdy Stanovení délky tras vozidel s (m, km) v garážích při podrobném výpočtu vyžaduje často značné úsilí. Cílem výpočtu je (v jednotlivých úsecích garáže - obvykle podlažích) stanovit dobu chodu motorů všech parkujících i projíždějících vozidel. Podkladem je trasa vozidel v každém úseku (podlaží), rozdělená na jízdu po rovině (včetně klesání) a jízdu po rampě při stoupání. Je nutno uvažovat vozidla parkující v daném úseku i vozidla daným úsekem projíždějící z ostatních podlaží. Pro parkující vozidla se určuje délka střední trasy vozidel v podlaží, obvykle jako aritmetický průměr z nejdelší a nejkratší trasy od vjezdu do podlaží na parkovací místo a obdobně při výjezdu. Trasa výjezdu nemusí být totožná s trasou vjezdu. Vozidla projíždějící z ostatních podlaží mohou mít (podle dispozičního řešení garáže) trasu přes celé podlaží (nevýhodné řešení), nebo může jejich trasa procházet pouze částí daného úseku (podlaží), nebo do parkovacího podlaží vjíždějí trasou zcela mimo ostatní podlaží. Na obr. 15.2 a) je schematicky znázorněna trasa vjezdu vozidel v garáži s rampovým sjezdem/výjezdem, na obrázku 15.2 b) totéž pro garáž s toboganovým sjezdem/výjezdem. Trasa vozidel závisí na koncepčním řešení garáží, které by mělo respektovat požadavek minimálních tras vozidel.
a) b) Obr. 15.2 Schéma trasy vozidel v podzemní garáži; a) rampový sjezd/výjezd, b) toboganový sjezd/výjezd Doba jízdy vozidla τj (h) trasou s (km) v daném úseku: τj = s/ w (w = 10 km/h) se určuje samostatně pro jízdu vozidel parkujících v daném úseku a vozidel projíždějících úsekem. Počet vozidel vjíždějících do úseku (= vyjíždějících z úseku ) v intervalu 1 hodiny p = P · f (1/h), kde P (-) je počet stání v úseku. Celková doba chodu motorů všech vozidel projíždějících daným úsekem během intervalu jedné hodiny τjc (h/h) se určí samostatně pro vozidla parkující a vozidla úsekem projíždějící: τjc = p · τj (h/h). 15.2.5 Doba volnoběhu Do doby volnoběhu motorů τvol (h), (s) se počítá zastavení u vjezdu do garáže, při výjezdu z garáže, volnoběh při parkování a při odjezdu z parkovacího stání. Podle druhu garáže a dispozičního řešení garáží se doba volnoběhu pohybuje v rozmezí 40 až 90 sekund.
110
V odborné literatuře se udávají dílčí doby volnoběhu jednoho vozidla τvol: při vjezdu do garáže (20 s), při výjezdu z garáže (20 s), parkování na stání (10 s), výjezd ze stání (20 s). Celková doba volnoběhu všech vozidel parkujících v úseku τvolc = p · τvol (h/h), kde p je počet parkujících vozidel v useku v intervalu 1 hodiny.
15.3 Průtok vzduchu pro parkovací garáže s průběžnou výměnou vozidel Větrací systém podzemních garáží se navrhuje jako nucený, podtlakový; jmenovitým průtokem je průtok odsávaného vzduchu, průtok přiváděného vzduchu se navrhuje o 10 až 20 % nižší než průtok odsávaného vzduchu. Je účelné provádět výpočet samostatně pro úseky garáže, obvykle podlaží. Při dělení na úseky je vhodné již předběžně navrhnout systém distribuce vzduchu, aby daný úsek bylo možno provětrávat vypočítaným průtokem vzduchu. Základním údajem pro výpočet průtoku vzduchu je emise oxidu uhelnatého všech vozidel v daném úseku po dobu intervalu 1 hodiny. 15.3.1 Emise oxidu uhelnatého v úseku garáže Objemové emise CO jednoho vozidla při jízdě 1VCO jrov - jízda po rovině, 1VCO jst - jízda při stoupání (m3/h voz) lze stanovit z tab. 15.1 přepočtem z hmotnostních údajů 1MCO (g/km voz) pro rychlost vozidel 10 km/h a hustotu oxidu uhelnatého ρCO = 1,25 kg/m3 podle vztahu: 1 VCO j (m3/h voz.) = 0,008 · 1MCO (g/km voz.). Objemové emise CO jednoho vozidla při volnoběhu 1VCO vol (m3/h voz.), přepočtem z tab.15.1, pro ρCO = 1,25 kg/m3: 1 VCO vol (m3/h voz.) = 0,0008 1MCO (g/h voz.). Objemové emise oxidu uhelnatého všech vozidel v úseku garáže při jízdě VCO j (m3/h) se stanoví z emisí jednoho vozidla 1VCO j (m3/h voz.) a doby jízdy všech vozidel (parkujících i projíždějících) τjc (h) při respektování jízdy po rovině a jízdy při stoupání v úseku: - jízda po rovině a klesání : VCO jrov = 1VCO jrov . τ.jc rov (m3/h), - jízda při stoupání (po rampě): VCO jst = 1VCO jst . τjc st (m3/h), kde τjc rov , τjc st (h/h) - celková doba jízdy (h) všech vozidel (parkujících i projíždějících) v úseku po rovině, stoupání v časovém úseku 1 hodiny, - volnoběh: VCO vol = 1VCO vol . τvolc (m3/h), kde τvolc (h/h) - celková doba volnoběhu všech vozidel v úseku v intervalu 1 hodiny. Celkový objemový průtok oxidu uhelnatého v úseku VCO (m3/h) je dán součtem VCO = VCO j rov + VCO j st + VCO vol 15.3.2 Průtok vzduchu pro větrání úseku garáže Průtok vzduchu V (m3/h) se určuje v jednotlivých úsecích garáže
V =
(C
COp
VCO − C COE ) ⋅ 10 −6
(m3/h)
(15.1)
kde VCO (m3/h) je objemový průtok oxidu uhelnatého emitovaného všemi vozidly v úseku, CCOp = 87 ppm (cm3/m3) - přípustná výpočtová koncentrace oxidu uhelnatého v garáži v ČR, CCOE (ppm, cm3/m3) - výpočtová koncentrace oxidu uhelnatého ve venkovním (přiváděném) vzduchu. I když koncentrace CO produkovaného vozidly se v poslední době snižují, podle 111
současných meteorologických měření v dopravou zatížených ulicích měst dosahují CCOE řádově jednotek ppm. 15.3.3 Měrný průtok vzduchu vztažený na počet stání vozidel v úseku Náročnost větrání v jednotlivých úsecích garáže vyjadřuje měrný průtok vzduchu na 1 stání
Vm = V / P (m3/h stání)
(15.2)
kde V (m3/h) je průtok vzduchu v úseku garáže, P (-) - počet stání v úseku. Při výpočtu průtoku vzduchu se doporučuje kontrolovat intenzitu větrání v úseku I = V / O (1/h)
(15.3)
3
kde O (m ) je vnitřní objem úseku. Výpočet vyžaduje pečlivou volbu vstupních údajů, především parkovací doby (resp. frekvence výměny vozidel). Rozhodující je rovněž délka tras vozidel a stanovení průjezdu vozidel úsekem; nepřesnosti, zvláště u vícepodlažních garáží, mohou způsobit značné chyby v dimenzování větrání. Provozní větrání garáží musí být doplněno větráním požárním (kapitola 18). Obecně se doporučuje se, aby minimální intenzita provozního větrání nepoklesla pod hodnotu 0,5 1/h.
15.4 Literatura [15.1] [15.2] [15.3]
ČSN 73 60 58: 1988. Hromadné garáže. ČSN 73 60 57: 1988. Jednotlivé a řadové garáže. ÖNORM H 6003: 1997. Lüftungstechnische Anlagen für Garagen. Grundlagen, Planung, Dimensionierung. [15.4] VDI 2053: 2004. Raumluftechnische Anlagen für Garagen. [15.5] Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci.
112
16 Větrání plynových kotelen 16.1 Požadavky na přívod vzduchu Větrání plynových kotelen zajišťuje splnění tří základních požadavků na: přívod spalovacího vzduchu, intenzitu větrání (kvalitu vnitřního vzduchu) a teplotu vzduchu uvnitř kotelny. Přívod spalovacího vzduchu je záležitost technologická – potřebný průtok vzduchu je dán výkonem hořáků kotlů. Požadavky na kvalitu vzduchu jsou hygienické a bezpečnostní. Udržení požadované teploty vnitřního vzduchu souvisí s požadavky hygienickými (na tepelnou pohodu osob) i technologickými (riziko zamrznutí vody v rozvodech). 16.1.1 Přívod spalovacího vzduchu Základním funkčním požadavkem na větrání kotelen je přívod potřebného množství spalovacího vzduchu. Za všech provozních režimů je nutno zajistit spolehlivou funkci spalovacího zařízení – především požadovaný tlak vzduchu v hořáku; v kotelnách je třeba zabránit nadměrnému podtlaku, který by mohl ohrozit funkci spalování (snížení průtoku spalovacího vzduchu může vést k nedokonalému spalování nebo i k zhasnutí plamene u hořáků). Přívod vzduchu pro plynové kotle, resp. hořáky může být řešen buď a) z vnitřního prostoru kotelny, nebo b) přímým propojením kotle s venkovním prostředím. V případě a) proudí spalovací vzduch z venkovního prostředí do ohniště kotle přes kotelnu a podílí se na větrání kotelny (např. obr. 16.1, obr. 16.4). Vzduch do kotle může být nasáván buď přirozeným podtlakem v ohništi, nebo mechanicky – ventilátorem hořáku. Spalovací vzduch se v tomto případě podílí na větrání kotelny, v zimním období však může nepříznivě ovlivnit tepelnou bilanci kotelny. Při přívodu vzduchu podle varianty b) veškerý spalovací vzduch se dopravuje do ohniště resp. do hořáku potrubím (přirozeným podtlakem, nebo ventilátorem) a nepodílí se na větrání kotelny (obr. 16.5). To příznivě ovlivňuje tepelnou bilanci prostoru kotelny. Průtok spalovacího vzduchu se určí výpočtem na základě znalosti chemického složení paliva (přesně), nebo přibližně z výhřevnosti spalovaného paliva. Výpočtové metody uvádějí objem spalovacího vzduchu (při normálních podmínkách (mn3), tj. při 0 °C a 101,3 kPa) ke spálení jednotkového množství paliva (mn3). Teoretický objem spalovacího vzduchu Vmin potřebný pro dokonalé spálení 1 mn3 plynu se stanoví podle přibližného empirického vztahu [16.1], pro plyny o výhřevnosti H > 12,5 MJ/mn3 Vmin = 0,260 H - 0,25 (mn3/mn3)
(16.1)
Objem spalovacího vzduchu Vskut (m3/mn3) pro skutečné podmínky (teplotu t (°C) a tlak p (kPa) ), respektující součinitel přebytku vzduchu λ (-) je dán vztahem ⎛ 273 + t 101,3 ⎞ ⎟⎟ (m3/h) Vskut = Vmin ⋅ λ ⎜⎜ ⋅ (16.2 p ⎠ ⎝ 273 Orientační hodnoty výhřevnosti plynných paliv H (MJ/mn3) jsou uvedeny v tab. 16.1. Skutečný objem spalovacího vzduchu pro spálení paliva v konkrétním ohništi se stanoví na základě součinitele přebytku vzduchu λ (-) potřebného pro dané topeniště. Za obvyklých podmínek bývá přebytek vzduchu pro kotle na plynná paliva λ = 1,1 až 2,2. 113
Tab. 16.1 Orientační hodnoty výhřevnosti plynných paliv H Druh plynu Zemní plyn Propan + vzduch (1: 4,5) Propan C3H8 Butan (n) C4H10
Výhřevnost H (MJ/mn3) 31,9 až 37,5 16,7 92,9 123,7
Stav vzduchu (teplota t, tlak p) odpovídající průtoku Vskut (resp. Vs dle rovnice (16.3)) je dán místem ve kterém se určuje (měří, kontroluje) průtok Vs, tj. místem vstupu vzduchu do kotelny, resp. do ventilátoru. U přirozeného větrání je to vstup venkovního vzduchu do přiváděcího větracího otvoru, u nuceného větrání sací ústí ventilátoru. Jako tlak vzduchu p ve venkovním prostoru se doporučuje uvažovat na území ČR střední barometrický tlak pb = 98,1 kPa. Průtok spalovacího vzduchu Vs (m3/s), který je třeba přivádět do kotelny pro spalování P (mn3/s) paliva se stanoví za vztahu Vs = Vskut ⋅ P
(16.3)
kde P (mn3/s) je spotřeba plynu v kotelně
P=
Σ Qk ⋅10 −3 η⋅H
(16.4)
Σ Qk (kW) je tepelný výkon kotlů; η (-) - účinnost kotlů. V závislosti na spotřebě paliva P, resp. na výkonu kotlů Σ Qk se mění i průtok spalovacího vzduchu Vs. Pro dimenzování větracího zařízení je rozhodující, aby byl zajištěn maximální průtok Vs, což je u kotelen pro vytápění za minimálních venkovních teplot. Při přirozeném přívodu vzduchu do kotelny se průtok spalovacího vzduchu samočinně reguluje podle potřeb spalovacího zařízení. Pro maximální průtok Vs musí být dostatečně dimenzovány otvory, kterými se vzduch do kotelny přivádí, tak aby nebyl vytvořen v kotelně nepřiměřený podtlak. U nuceného přívodu vzduchu do kotelny může být přiváděcí ventilátor vybaven regulací průtoku (regulací otáček). Jinak je nutno vytvořit podmínky, aby vzduch, který se nespotřebuje ke spalování, byl odveden do venkovního prostředí s minimálním přetlakem. Doporučuje se stanovit průtok spalovacího vzduchu pro charakteristické provozní režimy kotelny v celoročním provozu. V zimním období jsou to teploty –12 (resp. -15,-18) °C, -6 °C, 0 °C, 6 °C, 12 °C. V přechodném a letním období se přiřazují teplotám venkovního vzduchu i odpovídající měsíc, den a hodina (21. den v 15,00 hod.): 19 °C březen, 26,5 °C květen, 30 °C červenec. Toto umožňuje pro daný stav venkovního vzduchu provést i orientační výpočet letní venkovní tepelné zátěže QzaE - viz rovnici (16.10) - (s použitím ČSN 73 0548 [16.7]). Celoroční požadavky na přívod spalovacího vzduchu není obtížné vypočítat, pokud je pro kotelnu znám denní i roční harmonogram odběru tepla. Jestliže kotelna slouží pro vytápění a pro přípravu teplé užitkové vody, lze stanovit přibližný tepelný výkon v celoročním průběhu poměrně snadno: a) Tepelný výkon kotlů pro vytápění Q (kW) se mění v závislosti na aktuální venkovní teplotě tE podle vztahu 114
tI − tE (16.5) t I − t E min kde tI (°C) je vnitřní teplota ve vytápěných místnostech, tE (°C) - teplota venkovního vzduchu, které odpovídá výkon Q (kW), tEmin (°C) - teplota venkovního vzduchu při které byl stanoven výkon Qmax (kW) - maximální tepelný výkon pro vytápění (dle ČSN EN 12831 [16.10], resp. ČSN 06 0210[16.9]). Q = Qmax
b) Při přípravě teplé užitkové vody je tepelný výkon kotelny Q (kW) přibližně konstantní. V kotelnách, kde spalovací vzduch prochází prostorem kotelny se tento vzduch podílí na větrání kotelny; při rovnoměrném provětrání lze průtok spalovacího vzduchu zahrnout do výpočtu předepsané intenzity větrání I (1/h). Pokud (při přirozeném větrání) uspořádání větracích otvorů neumožňuje rovnoměrné provětrání, je třeba v kritických místech doplnit nucený přívod vzduchu, který zde zajistí předepsanou intenzitu větrání. 16.1.2 Požadovaná intenzita větrání, bezpečnost plynových kotelen Při manipulaci s palivy a při jejich spalování se uvolňují do ovzduší škodlivé plynné látky. Škodlivost je dána negativním účinkem látek na zdraví osob při dýchání a jejich výbušností.
Hygienické požadavky na limitní obsah škodlivin v pracovním prostředí (přípustné expoziční limity PEL – koncentrace CPEL (mg/m3)) jsou udány v Nařízení vlády [16.5]. Pro ochranu proti výbuchu je rozhodující, aby koncentrace hořlavé látky nebezpečné výbuchem se nepřiblížila své dolní mezi výbušnosti, koncentraci CDMV (% obj.). Za nejvyšší přípustnou mez z hlediska výbušnosti se považují hodnoty odvozené z dolní meze výbušnosti dané látky, např. podle TPG 908 02 [16.13] pro propan-butan, zemní plyn je to 10 % dolní meze výbušnosti CDMV. Hodnoty CDMV uvádí např. [16.11]; údaje z různých zdrojů se často nepodstatně liší. Pozn.: CDMV je nejnižší koncentrace hořlavého plynu ve vzduchu, při které po iniciaci dochází k samovolnému šíření plamene a k řetězovému spalování a pod kterou plynná atmosféra již není výbušná. Hlavní plynné škodliviny: Oxid uhelnatý CO, vzniká při nedokonalém spalování, vysoce toxický CPEL = 30 mg/m3, výbušný CDMV = 12,5 % obj.; metan CH4, podstatná složka zemního plynu, netoxický, vysoce výbušný CDMV = 5,0 % obj. Zkapalněné ropné plyny s hlavními složkami propanem a butanem: propan C3H8, CDMV = 1,9 % obj., n - butan C4H10, CDMV = 1,6 % obj. Obecně se používají směsi zkapalněných ropných plynů. Zkapalněné ropné plyny v plynné fázi jsou vysoce výbušné, v nižších koncentracích jsou zdravotně neškodné (propan do 1 % obj., butan do 0,5 % obj.). Zemní plyn (Rusko) má složení: 93 % CH4 (kromě C2H6 , CO2 , N2), CDMV = 5 až 6 % obj. Uvolňování škodlivin v kotelnách na plynná paliva je nahodilé, větší výskyt škodlivin má již převážně charakter havárie. Plyny jsou však toxické a výbušné, je proto nutno udržovat trvalé větrání a to v celém prostoru kotelny. V žádném případě však větrání nemůže zajistit hygienicky přípustné koncentrace oxidu uhelnatého, jestliže např. při nedokonalém spalování, při vadné funkci komína, unikají spaliny do kotelny. Při návrhu větrání se proto vychází z předepsaných nebo doporučených hodnot intenzity větrání I (1/h) definované vztahem I = Vv / O
(1/h)
(16.6)
kde Vv (m3/h) je průtok venkovního vzduchu pro větrání (pro odvod škodlivin v ovzduší kotelny); O (m3) - vnitřní objem větraného prostoru kotelny. Vv je minimální průtok, který musí být zajištěn po celou provozní dobu kotelny (za všech provozních stavů). 115
Z předepsané hodnoty I (1/h) a daného objemu kotelny O (m3) se určí potřebný průtok venkovního vzduchu Vv (m3/h) Vv = I ⋅ O /3 600
(16.7)
Pozn.: V normách, např. v ČSN 07 0703 [16.8] se používá pro vyjádření požadavku na větrání kotelny veličina „intenzita výměny vzduchu (1/h)“, kterou se rozumí poměr průtoku přiváděného venkovního vzduchu do kotelny k objemu vnitřního prostoru kotelny. Ve vzduchotechnickém názvosloví má takto definovaný poměr označení „intenzita větrání (1/h)“. „Intenzitou výměny vzduchu“ se ve vzduchotechnice označuje poměr průtoku přiváděného venkovního i oběhového vzduchu k objemu vnitřního prostoru kotelny. Normativní požadavky na intenzitu větrání
• Rozhodující je požadavek ČSN 07 0703 [16.8], kde se požaduje: za všech provozních podmínek musí být v plynové kotelně zajištěn průtok větracího vzduchu Vv (m3/h) s minimální intenzitou větrání I = 0,5 1/h. Větrání musí být vždy funkční, pokud není přerušen provoz uzavřením přívodu plynu do kotle, včetně uzavření pomocných, (zapalovacích, startovacích a pojistných) hořáků. Tentýž požadavek obsahuje i TPG 908 02 [16.13], která na normu ČSN navazuje. • Podle ČSN 07 0703 v kotelnách I. kategorie (výkon kotlů nad 3,5 MW) musí být havarijní větrání (intenzitou 3 i více 1/h). • Specifické požadavky na průtok vzduchu Vv uvádí TPG 908 02 pro kotelny se spotřebiči vybavenými přerušovači tahu: - spotřebiče s přerušovači tahu a automatickými pojistkami proti zpětnému toku spalin: průtok vzduchu se stanoví pro podmínky startu jednoho kotle do studené spalinové cesty podle následujícího pravidla: 1 m3/h venkovního větracího vzduchu na 1 kW tepelného výkonu pouze jednoho startujícího kotle s nejvyšším výkonem kotelně Qmax kotle (kW), tj. Vv = (1 m3/h) · Qmax kotle (m3/h)
(16.8)
- u spotřebičů bez spalinových pojistek se průtok vzduchu, stanovený podle (16.8), zvyšuje dvojnásobně. Zajištění bezpečnosti plynových kotelen
Plynové kotelny, podle požadavků [16.8], [16.13] musí být vybaveny bezpečnostním systémem. Hlavní součástí bezpečnostních opatření je detekční systém s automatickým uzávěrem plynu, který samočinně uzavře přívod plynu do kotelny při překročení indikovaných limitních parametrů. Funkce systému je dvoustupňová: 1. stupeň – optická a zvuková signalizace do místa obsluhy, nebo dozoru: detekce koncentrace výbušných plynů (zemní plyn, propan-butan), limitní hodnota 10 % dolní meze výbušnosti CDMV a měření teploty vnitřního vzduchu v kotelně, limitní hodnota 45 °C; doporučuje se signalizovat: zaplavení prostoru kotelny a dosažení nejvyšší přípustné koncentrace NPK-P (CNPK-P) pro oxid uhelnatý dle [16.5]; 2. stupeň – blokovací funkce (funkce automatického uzávěru): detekce koncentrace výbušných plynů (zemní plyn, propan-butan), limitní hodnota 20 % dolní meze výbušnosti CDMV. Požadavky na umístění detekčního systému stanoví TD 938 01 [16.14]. Kotelna vždy tvoří samostatný požární úsek. Jsou-li u nuceného větrání použity požární klapky, musí při jejich uzavření automatický uzávěr přerušit přívod plynu do kotelny. 116
16.1.3 Tepelný stav v kotelnách Kotelny, které jsou vybaveny automatickým řízením a regulací nevyžadují ve většině případů trvalou obsluhu. Je proto možné připustit teplotu uvnitř kotelny, která je na okraji hygienicky přípustných hodnot (zvláště za extrémních zimních i letních venkovních podmínek). Nelze však podkročit teplotu, která by mohla ohrozit funkci topného systému v kotelně (nebezpečí zamrznutí), případně překročit teplotu, která by ohrozila funkci technologie.
V zimním období (s ohledem na krátkodobý pobyt obsluhy v kotelně) lze doporučit (při tE min = výpočtová venkovní teplota dle ČSN EN 12831) minimální výpočtovou teplotu vnitřního vzduchu tI min = 7 °C. V letním období (při tE max ≈ 30 °C) se doporučuje tI max = tE max + 5 K. Základní úprava tepelného stavu vzduchu v kotelnách se navrhuje pro dvě extrémní období: a) zimní období, pro výpočtové venkovní teploty dle ČSN EN 12831 [16.10]: tE min = - 12 až –18 °C, b) letní období tE max = 30 °C (dle ČSN 73 0548[16.7]. Tepelné zisky od moderních kotlů na plynná paliva a rozvodů tepla jsou malé (v důsledku dobré tepelné izolace). To neposkytuje v zimě dostatečný tepelný tok pro ohřátí venkovního větracího vzduchu, i pro dosažení relativně nízké teploty požadované v kotelně (7°C). Pak je nutno větrací vzduch ohřívat a to buď při nuceném větrání ohřevem přiváděného větracího vzduchu, nebo u přirozeného větrání cirkulační vzduchotechnickou jednotkou, v obou případech s automatickou regulací teploty vnitřního vzduchu v kotelně. V přechodném období teplota vnitřního vzduchu v kotelně vzrůstá a v extrémních letních podmínkách může dosáhnout při větrání venkovním vzduchem až maximální přípustné hodnoty 35 °C. U kotelen provozovaných na plný výkon i v létě (např. pro technologii), s případnými značnými venkovními zisky (prosklenými plochami) může být požadavek na dodržení uvedené vnitřní teploty v létě rozhodující pro dimenzování větrání. Pro tento případ lze navrhnout samostatné doplňkové letní větrání (přirozené nebo nucené), které bude v provozu výhradně v létě. 16.1.4 Tepelná zátěž kotelen Tepelný tok, který v kotelnách odvádí větrací vzduch (tepelná zátěž) Qza (W) je ovlivněn jednak vnitřními zdroji tepla QI (W), jednak tokem tepla z venkovního prostředí (tepelnou zátěží v létě QzaE (W), jednak tepelnými ztrátami v zimě Qzt (W). Tok tepla z venkovního prostředí v létě QzaE může být zanedbatelný.
Zátěž Qza se určí takto: • v zimním období • v letním období
Qza = QI - Qzt Qza = QI + QzaE
(16.9) (16.10)
Orientačně lze stanovit vnitřní tepelnou zátěž od kotlů, potrubí, armatur ze vztahu QI = 1,3 až 2,0 · (Z/100) · Σ Qk
(16.11)
kde součinitel Z (%) vyjadřuje podíl tepelného toku uvolňovaného z celkového výkonu kotlů do kotelny (u kotlů na plynná paliva Z = 0,5 až 0,6); Σ Qk (W) je tepelný výkon kotlů. Zvýšení tepelných zisků vlivem přestupu tepla z povrchu potrubí a armatur se ve vztahu (16.11) respektuje součinitelem 1,3 až 2,0. U moderních kotlů a kotelen na plyn (vzhledem k velmi dobrým tepelným izolacím) lze předpokládat všechny součinitele na spodní hranici. Tepelné ztráty kotelny Qzt (v zimě) se počítají podle ČSN EN 12831 [16.10]. Při výpočtu venkovních tepelných zisků QzaE lze, při zjednodušeném výpočtu, uvažovat pouze maximální zátěž prostupující sluneční radiací prosklenými plochami QzaE rad. S ohledem na akumulaci 117
tepla do vnitřních stěn kotelny je možno pro výpočet venkovní tepelné zátěže uvažovat s hodnotou QzaE ≈ (0,5 až 0,6) QzaE rad. Při výpočtu letní tepelné zátěže lze využít údajů z ČSN 73 0548 [16.7]. Kontrola teploty vnitřního vzduchu tI v kotelně
Teplota tI se kontroluje pro průtok přiváděného vzduchu do kotelny VP (m3/s), který je dán větší hodnotou z průtoku spalovacího vzduchu Vs (m3/s) a průtoku pro zajištění požadované intenzity větrání Vv. Zimní období Tepelnou bilanci vyjadřuje rovnice tI − tE (16.12) t I vyp − t E min kde teplota tE (°C) je teplota venkovního vzduchu pro stav, kdy kontrolujeme teplotu vnitřního vzduchu tI (°C), tI vyp, tE min (°C) – teploty pro které byla stanovena tepelná ztráta Qzt max, c = 1010 J/kg K - měrná tepelná kapacita vzduchu; ρE (kg/m3) - hustota venkovního vzduchu. V P ρ E c (t I − t E ) = QI − Q zt max
Úpravou rovnice (16.12) se získá teplota vnitřního vzduchu tI (°C), které bude dosaženo v kotelně pro zadané vstupní parametry VP, tE, QI, Qzt max ,tI vyp, tE min QI
tI = tE + VP ρ E c +
Q zt max
(16.13)
t I vyp − t E min
Letní období Tepelná bilance
V P ρ E c (t I − t E ) = QI + Q zaE tj. Q + QzaE tI = tE + I VP ρ E c
(16.14) (16.15)
Hodnocení teploty vnitřního vzduchu tI Pokud je teplota tI stanovená výpočtem ze vztahů (16.13) nebo (16.15) v provozní době kotelny v rozmezí 7 až 35 °C, je stav vyhovující. Jinak se doporučuje provést následující opatření: • Teplota tI ze vztahu (16.13) je v zimě menší než 7°C: přiváděný vzduch o průtoku VP je nutno ohřívat. Tepelný tok QOh (W) potřebný k ohřevu průtoku venkovního vzduchu VP (m3/s) v ohřívači větrací jednotky na požadovanou minimální teplotu vnitřního vzduchu tI min (7 °C ) je dán vztahem QOh = VP ρe c (tI min - tI)
(16.16)
kde tI (°C) je teplota vnitřního vzduchu stanovená výpočtem ze vztahu (16.13). Teplota tI stanovená výpočtem ze vztahu (16.15) je v létě větší než 35 °C: aby nebyla • překročena maximální teplota vnitřního vzduchu tI max = 35 °C (při tE max = 30 °C), je třeba zvýšit průtok přiváděného vzduchu VP na hodnotu VP let danou vztahem
118
V P let =
Q za
ρ E c (t I max − t E max )
=
Q za ρE c ⋅5
(16.17)
kde se požaduje, aby tI max ≤ tE max + 5 °C. Pro tento účel v letním období lze zřídit doplňkové větrání, nebo použít větrací zařízení s regulací průtoku vzduchu.
16.2 Systémy větrání plynových kotelen Větrání kotelen může být přirozené, nucené (přetlakové) nebo sdružené (přetlakové), tj. kombinace přirozeného a nuceného větrání. Příklady uvedených systémů jsou na obr. 16.1 až 16.7. Principiálním požadavkem je, aby do kotelny byl zajištěn v daných provozních stavech požadovaný průtok vzduchu Vs a Vv a teplota vnitřního vzduchu tI v kotelně se pohybovala celoročně v požadovaných mezích. Doporučuje se vždy upřednostnit přirozené větrání před větráním nuceným, resp. sdruženým. Průtok Vs se mění v závislosti na výkonu kotelny. Průtok Vv je požadován trvale, pokud je kotelna v provozu. Pro extrémní podmínky v zimě se navrhuje ohřev venkovního vzduchu (při respektování požadavku na maximální úspory energie) ohřevem oběhového vzduchu v kotelně (obr. 16.3) nebo ohřevem nuceně přiváděného vzduchu (obr. 16.6). V letních extrémních podmínkách se v plynových kotelnách zřizují pro přirozené větrání doplňkové (uzavíratelné) otvory pro přívod a odvod vzduchu nebo u nuceného větrání doplňkové nucené větrání. 16.2.1 Obecné zásady pro větrací systémy • Prostor kotelny musí být provětráván rovnoměrně. Je třeba zabránit vzniku „mrtvých“ částí prostoru kotelny. Prostory, které nejsou provětrávány přiváděným spalovacím vzduchem je třeba větrat doplňkovým větracím zařízením. • Otvory pro nasávání vzduchu (u přirozeného i nuceného větrání) musí být umístěny tak, aby se do kotelny nenasávaly případné škodliviny z venkovního prostředí (plyny, páry, prach). U kotelen provozovaných i v létě se má vzduch pokud možno nasávat z míst chráněných proti přímé sluneční radiaci. Výdechové otvory pro odvod vzduchu (přirozený, nebo nucený) do venkovního prostředí musí být umístěny tak, aby vydechovaným vzduchem nebyly znehodnoceny okolní objekty. • Přiváděcí otvory, vyústky v kotelně musí být umístěny tak, aby v zimním období přívodem chladného vzduchu nevzniklo nebezpečí zamrznutí vodních systémů. • Je-li kotelna větrána odtahovou šachtou, za všech provozních stavů tah větrací šachty musí být vždy menší než tah spalinové cesty. • Kotelny velkých výkonů (nad 3,5 MW) se větrají převážně přirozeným způsobem – aerací (ČSN 73 5120 [16.12]), nebo sdruženým větráním. • Specifické požadavky na větrání kotelen pro spalování zkapalněných uhlovodíkových plynů (propan, butan a jejich směsi) jsou předmětem TPG 800 02 [16.15]. 16.2.2 Přirozené větrání • Otvory pro přirozené větrání (přívod i odvod) musí být neuzavíratelné. Otvory pro přirozený přívod vzduchu se umísťují u podlahy, resp. vyústění přívodních šachet v kotelně musí být u podlahy. • Otvory pro odvod vzduchu se umísťují pod stropem, nejlépe ve stěně protilehlé otvorům přiváděcím. Pokud je příčný rozměr kotelny relativně malý (prostor mezi kotli a stěnou ve
119
které nejsou větrací otvory je malý – cca do 2 m) lze připustit umístění otvorů pro odvod vzduchu na stěně stejné, jako jsou otvory pro přívod vzduchu. • Filtrace venkovního vzduchu u přirozeného větrání se neprovádí. • Za chodu kotlů se průtok Vs nasává do kotlů ve většině případů do kotelny i otvory pod stropem sloužícími pro odvod vzduchu v době, kdy kotle nejsou v provozu, což není na závadu. • Při provozních přestávkách přirozené větrání zajišťuje minimální předepsanou intenzitu větrání I (1/h) průtokem Vv . • K ohřevu se používají teplovzdušné jednotky na oběhový vzduch, umístěné v kotelně. Před lamelovým ohřívačem v jednotce musí být vždy filtr (pro zabránění znečištění výměníku). S ohledem na hospodárnost provozu je třeba ohřev vzduchu minimalizovat. VP
VP
Vs
Vs
Obr. 16.1 Přirozené větrání; otvory v protilehlých stěnách
Obr. 16.2 Přirozené větrání; šachty pro přívod a odvod vzduchu
VP QOh
tE
+∆p
tI
VP
Vs
Vs
Obr. 16.3 Přirozené větrání; ohřev vnitřního vzduchu
Obr. 16.4 Nucené větrání; nasávání spalovacího vzduchu z kotelny
VP
VPP V +∆p
QOh
tE Vs
Vs
Obr. 16.5 Nucené větrání; nasávání spal. vzduchu z venkovního prostředí
Obr. 16.6 Nucené větrání; ohřev přiváděného venkovního vzduchu
VPn +∆p VPp
tI
Vs Obr. 16.7 Sdružené větrání
120
16.2.3 Nucené, sdružené větrání • Splnění všech požadavků na větrání kotelny zajišťují ventilátory a to za všech provozních stavů; vzhledem k proměnnosti požadavků je nutná regulace průtoku přiváděného i odváděného vzduchu. • Nucené i sdružené větrání se řeší jako přetlakové – průtok přiváděného vzduchu je za všech provozních stavů vyšší než průtok odváděného vzduchu (spalovacího vzduchu i vzduchu odváděného z kotelny větracím zařízením) o cca 5 až 15 %. Pokud by případným přetlakem byly znehodnocovány sousední místnosti, je nutné tyto místnosti samostatně větrat. • Nucené větrání může být řešeno buď pouze s ventilátorem pro přívod vzduchu (obr. 16.4, obr. 16.6) nebo i s ventilátorem pro odvod vzduchu (obr. 16.5). Systém musí být vždy vybaven automatickým ovládáním a automatickou regulací. Při poruše chodu větrání musí automatický bezpečnostní systém uzavřít přívod plynu do kotelny. • Výustě pro nucený přívod vzduchu musí být umístěny tak, aby bylo zajištěno provětrání prostoru u podlahy primárním vzduchem rychlostí cca 0,5 m/s. Proud primárního vzduchu z výustí nesmí však zasahovat do prostoru nasávání spalovacího vzduchu do hořáků kotlů. • Zařízení pro nucený přívod venkovního vzduchu s ohřívačem musí být opatřeno vždy filtrem na atmosférický prach. Filtr není nutný, pokud v systému není zařazen ohřívač vzduchu. • Ohřev vzduchu má být vždy minimalizován. Větrací jednotka (obr. 16.6) musí být vybavena automatickou regulací teploty přiváděného vzduchu, včetně automatické ochrany před zamrznutím ohřívače vzduchu (ochrana je důležitá zvláště při startu provozu kotelny za nízkých teplot venkovního vzduchu).
16.3 Literatura [16.1] [16.2] [16.3] [16.4] [16.5] [16.6] [16.7] [16.8] [16.9] [16.10] [16.11] [16.12] [16.13] [16.14] [16.15]
SCHRAMEK, E.R. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München: Oldenbourg Industrieverlag, 2007. ISBN 10:3-8356-3104-7. Topenářská příručka. Svazek 1. Praha: GAS s.r.o., 2001. ISBN 80-86176-82-7. CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3. vyd. Brno: BOLIT-B-press, 1993. ISBN 80-901574-0-8. DRKAL, F.; NOVÝ, R. Větrání a snižování hluku kotelen. Praha : ČSVTS, 1989. Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci. Vyhláška ČÚBP č. 91/1993 Sb., k zajištění bezpečnosti práce v nízkotlakých kotelnách. ČSN 73 0548: 1986. Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů. ČSN 07 0703: 2006. Kotelny se zařízeními na plynná paliva. ČSN 06 0210: 1994. Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění. ČSN EN 12831: 2005. Tepelné soustavy v budovách – výpočet tepelného výkonu. ČSN 38 6405: 1988. Plynová zařízení. Zásady provozu. ČSN 73 5120: 1994. Objekty kotelen o výkonu 3,5 MW a větším. Společná ustanovení. TPG 908 02: 2001. Větrání prostorů se spotřebiči na tuhá paliva s celkovým výkonem větším než 100 kW. TD 938 01: 1999. Detekční systémy pro zajištění provozu před nebezpečím úniku hořlavých plynů. TPG 800 02: 2002. Spotřebiče na plynná paliva s relativní hustotou vyšší než vzduch, umístěné v prostorech pod úrovní terénu.
121
17 Větrání halových objektů Halové objekty (výrobní, skladové, prodejní) lze rozdělit do tří kategorií: • haly s relativně malou tepelnou zátěží (produkce tepla od vnitřních zdrojů q ≤ 25 W/m3) – haly chladné, • haly s vyšší tepelnou zátěží (25 < q ≤ 80 W/m3) – haly teplé, • haly s vysokou tepelnou zátěží (q > 80 W/m3) – haly horké. Haly teplé a horké lze větrat v létě i v zimě přirozeným způsobem – aerací. Vnitřní zdroje tepla převyšují tepelné ztráty objektu, přebytek zátěže se odvádí v zimě větráním – tepelně neupraveným venkovním vzduchem, haly se v zimě nevytápí. Převážně se jedná o provozy hutního a energetického průmyslu. Haly chladné je nutno v zimě vytápět – vnitřní zisky tepla jsou malé (někdy nulové) a nepostačují ke krytí tepelných ztrát v zimě. To je jeden z důvodů, proč nelze chladné haly v zimě větrat přirozeným způsobem. U hal chladných se projevuje i výrazný vliv venkovní letní tepelné zátěže; při návrhu větrání pro letní období je vhodné uvažovat akumulaci tepla do hmotných konstrukcí objektu (podlahy aj.).
17.1 Provozy teplé a horké Provozy teplé a horké se vyznačují značnými vnitřními zisky Q, které jsou způsobeny charakterem výrobního procesu. Jedná se například o ocelárny, válcovny, slévárny či sklárny. Značným vnitřním ziskům odpovídají i potřebné průtoky venkovního vzduchu pro odvod tepelné zátěže. Instalace a provoz nuceného větrání se v tomto případě může vyznačovat vysokými náklady. Pro odvod tepelné zátěže je proto rozšířené přirozené větrání, tzv. aerace, kdy mohutný konvekční tok nad zdrojem tepla je zčásti odveden otvory umístěnými v horní části objektu (např. světlíky). Cílem výpočtu je návrh velikosti aeračních otvorů pro letní a zimní období. Při výpočtech pro letní období se většinou neuvažují vnější zisky, neboť v porovnání se zisky vnitřními jsou zanedbatelné, pro zimní období se do výpočtů zahrnuje tepelná ztráta objektu. Výpočty vycházejí ze známé tepelné zátěže vnitřního prostoru Q (W). 17.1.1 Teplotní součinitel B Nad zdrojem tepla vzniká konvektivní proud vzduchu, který má v horní části větraného prostoru teplotu tO. Část tohoto vzduchu je odváděna do venkovní atmosféry, část se vrací zpět do prostoru a je označován jako oběhový vzduch MOb. Oběhový vzduch se v pracovní oblasti mísí s přiváděným venkovním vzduchem M (obr. 17.1). Teplota vzduchu v pracovní oblasti tPo je dána směšovací rovnicí
t Po =
t E ⋅ M + tO ⋅ M Ob M + M Ob
Obr. 17.1
(°C)
Schéma větrání aerací
(17.1)
122
Teplotní součinitel B vyjadřuje poměr oběhového vzduchu a celkového průtoku vzduchu proudícího do pracovní oblasti. Je dán vztahem
B=
M Ob M + M Ob
(17.2)
Po sloučení vztahů (17.1) a (17.2) potom platí
B=
M Ob t −t = Po E M + M Ob tO − t E
(17.3)
Teplotní součinitel B je získáván experimentálně. V tab. 17.2 jsou uvedeny jeho typické hodnoty v závislosti na charakteru provozu. Údaje jsou platné pro rozdíl teplot
∆t Po = t Po − t E = 5 K
(17.4)
Jsou-li přiváděcí otvory v zimním období ve výšce 4÷5 m nad zemí, zvyšuje se B o hodnotu ∆B, viz tab. 17.1. Tab. 17.1
Zvýšení teplotního součinitele ∆B v závislosti na výšce haly
Výška haly h (m)
do 15
20
25
30
∆B (-)
0,15
0,13
0,12
0,11
Pro jiné rozdíly teploty v pracovní oblasti a venkovního vzduchu je třeba provést přepočet teplotního součinitele B dle vztahu 0,4 Bx = 0,525 ⋅ B5 K ⋅ ∆t Po
(17.5)
kde ∆tPo (K) je teplotní rozdíl, B5K (-) - teplotní součinitel B pro teplotní rozdíl ∆tPo = 5 K. Ze znalosti teplotního součinitele B, teploty venkovního vzduchu tE a teploty v pracovní oblasti tPo = tE + ∆tPo, lze určit teplotu odváděného vzduchu tO. Ze vztahu (17.3) je patrné, že u provozů s vysokým podílem oběhového vzduchu se bude zvyšovat i hodnota teplotního součinitele B. 17.1.2 Průtok větracího vzduchu Pro stanovení průtoku venkovního vzduchu pro odvedení tepelné zátěže se vychází ze vztahu
Q = M ⋅ c ⋅ ∆t
(W)
(17.6)
kde Q (W) je tepelná zátěž vnitřního prostoru, c = 1010 (J/kg K) - měrná tepelná kapacita vzduchu, ∆t = (tO - tE) - rozdíl teploty odváděného vzduchu tO (°C) a venkovního vzduchu tE (°C). Po úpravě je potřebný hmotnostní průtok vzduchu pro odvedení vnitřní zátěže M=
Q c ⋅ ( tO − t E )
(kg/s)
(17.7)
Teplota odváděného vzduchu tO (°C) je stanovena na základě znalosti teplotního součinitele B. 123
17.1.3 Účinný tlak Účinný tlak ∆p je vyvozen rozdílem hustot vzduchu ∆p = h ⋅ g ⋅ ∆ρ = h ⋅ g ⋅ ( ρ E − ρ I )
(Pa)
(17.8)
kde h (m) je vertikální vzdálenost os aeračních otvorů, ρI (kg/m3) - hustota pro střední teplotu v prostoru tI, ρE (kg/m3) - hustota venkovního vzduchu. Střední teplota v prostoru tI je dána vztahem tI =
t Po + tO 2
(°C)
(17.9)
Schéma rozložení tlaku je na obr. 17.2. Účinný tlak ∆p vytváří tlakové rozdíly na přiváděcích a odváděcích otvorech ∆p = ∆pP + ∆pO
(Pa)
(17.10)
∆pP je rozdíl statických tlaků před a za otvory přiváděcími, ∆pO je rozdíl statických tlaků před a za otvory odváděcími. Poměr ∆pP ∆pO se volí v rozmezí 1 až 2. Neutrální osa je ve středu větraného prostoru v případě, kdy platí ∆pP ∆pO = 1 .
Obr. 17.2 Rozložení tlaku ve vertikálním směru
Rozdíl tlaku na přiváděcích otvorech by neměl překročit ∆pP ≤ 5 Pa. Je to dáno nebezpečím vzniku průvanu. Stanovení hustoty vzduchu lze provést na základě stavové rovnice pro ideální plyn z „normálních hodnot“. pN p = ρ N ⋅ r ⋅ TN ρ ⋅ r ⋅ T
(17.11)
kde p (Pa) je tlak, ρ (kg/m3) – hustota, T (K) – termodynamická teplota, r (J/kg K) – měrná plynová konstanta suchého vzduchu. Normální hodnoty pro vzduch jsou:
124
-
termodynamická teplota TN = 273,15 K, normální tlak pN = 101 325 Pa,
- hustota vzduchu ρΝ = 1,293 kg/m3. Přepočet pak bude dán vztahem
ρ=
1, 293 ⋅ 273,15 p ⋅ t + 273,15 101326
(kg/m3)
(17.12)
17.1.4 Stanovení velikosti aeračních otvorů Výpočet vychází ze vztahu pro objemový průtok
V = µ ⋅S ⋅w
(m3/s)
(17.13)
kde S (m2) je plocha otvoru, w (m/s) – rychlost vzduchu, µ (-) – průtokový součinitel; uveden v tab. 17.3. Rychlosti v otvorech lze určit ze vztahů, které vyjadřují změnu rozdílů statických tlaků na tlaky dynamické.
∆pP =
ρ E ⋅ wP 2 2
, ∆pO =
ρO ⋅ wO 2 2
(17.14)
(Pa)
Pro stanovení plochy aeračního otvoru pak bude platit obecně
S=
V M = µ ⋅w ρ ⋅µ ⋅w
(m2)
(17.15)
Pro přiváděcí otvor
SP =
M µ P ⋅ 2 ⋅ ∆pP ⋅ ρ E
(m2)
(17.16)
a pro odváděcí otvor
SO =
M (m2) µO ⋅ 2 ⋅ ∆pO ⋅ ρO
(17.17)
17.1.5 Okrajové podmínky výpočtu a kombinované větrání Při výpočtu aerace se uvažuje suchý vzduch o barometrickém tlaku 98,1 kPa. Pro letní období se předpokládá venkovní teplota tE = 25 °C, pro zimní tE = 0 °C. V některých případech je však vhodné provést výpočty i pro další teploty, a to v rozmezí od minimální oblastní výpočtové teploty až po maximální. Jenom tak bude ověřen celoroční účinek přirozeného větrání. Důležitou součástí je regulace průtoku přiváděného vzduchu. Jedná se o možnost plynulé změny průřezu aeračních otvorů; změna průřezu aeračních otvorů je závislá na změně vnitřní tepelné zátěže a také na venkovních klimatických podmínkách. V rozlehlých halách nelze zajistit odvod vnitřní zátěže pouze přirozeným větráním. Do středních částí se proto větrací vzduch přivádí nuceně, aerace se uplatňuje pouze u okrajových částí haly. Odvod vzduchu je však vždy přirozený.
125
Tab. 17.2
Provoz Ocelárny
Válcovny Slévárny
Tab. 17.3
Teplotní součinitel B pro různé typy provozu
B 0,30 - 0,35 0,35 - 0,40 0,25 - 0,30 0,25 - 0,30 0,30 - 0,35 0,40 - 0,45 0,40 - 0,45 0,40 - 0,45
Martinské pece elektrické pece odlévací hala pece válcovací tratě tavírny, kuplovny odlévárny chladicí úseky
Průtokový součinitel µ pro přiváděcí otvor s žaluzií s vodorovnými listy
Poměr výšky otvoru k šířce 1 0,5
15 ° 0,15 0,13
Sklon listu od roviny otvoru 30 ° 45 ° 60 ° 0,30 0,44 0,56 0,27 0,39 0,56
90 ° 0,64 0,61
17.2 Chladné provozy 17.2.1 Specifické vlastnosti chladných provozů
V zimním období, prakticky ve všech objektech, je třeba kombinovat vytápění s větráním. V místnostech s menší výškou (h < 2 až 4 m) a nevýraznými zdroji škodlivin se vytápění a větrání řeší samostatnými systémy vytápění a směšovacího větrání, nebo jedním společným směšovacím systémem teplovzdušného vytápění a větrání. Podstatně významnější je vazba větrání a vytápění ve vyšších halách. Zde lze uplatnit směšovací systém teplovzdušného větrání a vytápění s horizontálním nebo vertikálním přívodem vzduchu. Horizontální přívod teplého vzduchu je neefektivní (pokud se vzduch nepřivádí vyšší rychlostí tryskami); proud teplého vzduchu vlivem neizotermičnosti se ohýbá směrem ke stropu, nedosahuje pásma pobytu osob. Důsledkem je nedostatečné provětrání i vytápění pásma pobytu osob. Příznivějších výsledků lze dosáhnout vertikálním přívodem teplého vzduchu (shora dolů). Efektivní variantou je kombinace zaplavovacího větrání se sálavým stropním vytápěním. Vnitřní tepelné zisky v chladných halách jsou malé (někdy nulové) a nepostačují ke krytí tepelných ztrát v zimě. Chladné haly nelze větrat přirozeným způsobem z důvodů:
• tepelných – zdroje tepla jsou malé a při přívodu venkovního chladného vzduchu v zimě teplota vzduchu v pásmu pobytu osob klesá pod hygienicky přípustnou mez; dodatečný ohřev vzduchu v prostoru haly vytápěcí soustavou (z extrémní teploty venkovního vzduchu – 12 až – 18 °C) není reálný, • dispozičních – uspořádání výrobních, prodejních ploch znemožňuje vhodně rozmístit otvory pro přirozený přívod vzduchu; u dispozičně členitých hal (zvláště s relativně malým poměrem obvodu k půdorysné ploše) nelze zajistit rovnoměrné provětrání celého prostoru, • hygienických – hygienické směrnice umožňují přirozené větrání pouze v místnostech, kde není nutný přívod filtrovaného a v zimě ohřívaného vzduchu. 126
K větrání chladných hal se používají proto systémy nuceného větrání, případně větrání sdruženého (kombinace větrání nuceného s větráním přirozeným). Vzduch do hal se přivádí zaplavovacím nebo směšovacím principem, obr.17.3, viz také [17.5].
Obr. 17.3 Principy přívodu vzduchu a) směšování, b) zaplavování
a)
b)
Zaplavovací princip s přívodem vzduchu do pásma pobytu osob velkoplošnými výustěmi (obr.3.11) se vyznačuje potlačeným směšováním přiváděného vzduchu se vzduchem v místnosti, což snižuje rozptylování škodlivin v prostoru a zlepšuje využití čerstvého venkovního vzduchu (pásmo pobytu osob je provětráváno převážně čerstvým venkovním vzduchem). Zaplavovací větrání vyžaduje, aby přiváděný vzduch měl poněkud nižší teplotu tp než je teplota vnitřního vzduchu v pásmu pobytu osob v hale tpo (o cca 3 až 5 K). Dohřátí z teploty přiváděného vzduchu na teplotu vzduchu v pásmu pobytu osob se dosáhne buď vnitřními (technologickými) tepelnými zdroji, v zimě i vytápěcí soustavou. Účinným systémem v tomto případě je sálavé vytápění, nejčastěji sálavými panely, nebo zářiči (obr.17.4). Přiváděný vzduch se v hale ohřívá při proudění podél podlahy zahřáté sálavými zdroji. Rychlost výstupu vzduchu z velkoplošných výustí se má pohybovat v rozmezí wp = 0,1 až 0,5 m/s. Je to především z důvodů snížení rizika podchlazení osob, pobývajících v blízkosti výustí – trvalá pracovní místa mají být vzdálena minimálně 2 m od výustí. Technologické zařízení produkující škodliviny (plyny, páry, prach i nadměrné teplo) musí být vybavena vždy místním odsáváním. Důvody jsou hygienické a ekonomické – dochází ke snížení produkce škodlivin do prostoru haly a tím se snižuje i potřeba venkovního vzduchu pro celkové větrání; dále jsou to požadavky na odlučování škodlivin (emisní požadavky). Účinnost odlučovacích zařízení je vyšší v případě vyšších vstupních koncentrací do odlučovačů (tj. u místního odsávání), než u relativně nízkých koncentrací při celkovém větrání.
Obr. 17.4 Schéma zaplavovacího větrání v kombinaci se sálavým vytápěním
V halách bez výraznějších zdrojů škodlivin lze řešit přívod vzduchu směšovacím principem – výustěmi situovanými mimo pásmo pobytu osob, s vyšší výstupní rychlostí, případně i s vířivým výstupem vzduchu. Směšovací princip celkového větrání vede k rovnoměrnějšímu rozptýlení škodlivin v prostoru haly; pro dosažení stejných koncentrací škodlivin v pásmu
127
pobytu osob, při stejných zdrojích škodlivin, je potřebný větší průtok čerstvého venkovního vzduchu než u zaplavovacího principu. Vzduch při celkovém větrání hal se odvádí nuceně, různě situovanými výustěmí, převážně pod stropem. Rozmístění odsávacích výustí podstatně neovlivňuje rovnoměrnost provětrání prostoru, výrazně vyšší vliv mají výustě přiváděcí. Pro letní provoz, u jednopodlažních hal, lze využít otevíratelné střešní světlíky; v zimním období je tento způsob nevýhodný, podle teplotních a tlakových poměrů v hale může některými světlíky proudit do haly chladný venkovní vzduch. 17.2.2 Zaplavovací větrání kombinované se sálavým vytápěním Funkce větracího systému
Větrací systém se navrhuje pro dva extrémní venkovní klimatické stavy – zimní a letní. Podkladem jsou údaje o tepelných ziscích haly (venkovních i vnitřních), tepelných ztrátách a produkci škodlivin. Vnitřní zisky musí být trvalé v provozní době, mimo provozní dobu je možné, na základě bilance, uvažovat nižší (ale provozně přijatelnou) teplotu vnitřního vzduchu.
Zimní provoz a) Zimní tepelná bilance zahrnuje porovnáni vnitřních tepelných zisků od technologie QI (W) a tepelných ztrát Qzt (W). Ve většině případů je Qzt > QI, tj. hala musí být vytápěna. U systému zaplavovacího větrání je teplota přiváděného vzduchu (vystupujícího z výustí) tp nižší než teplota v pásmu pobytu osob tPo (°C); dohřátí na teplotu tPo zajišťuje sálavý vytápěcí systém (ohřevem podlahy od které teplo přestupuje do větracího vzduchu). Přívod vzduchu: velkoplošné výustě u podlahy, odvod vzduchu (nuceně): výustě pod stropem. b) Tepelná pohoda v pásmu pobytu osob (výsledná teplota tg) je v halách se sálavým vytápěním zajištěna kombinovaným účinkem střední radiační teploty [17.5] a teploty vzduchu. Sálavý způsob vytápění umožňuje snížit teplotu vzduchu v pásmu pobytu osob a rovněž zmenšit vertikální teplotní gradient v hale (ve srovnání s teplovzdušnými systémy), což vede ke snížení spotřeby energie na ohřev přiváděného venkovního vzduchu a v důsledku nižší teploty pod stropem i ke snížení tepelných ztrát. c) Ke snížení energetických nároků na ohřev čerstvého venkovního vzduchu se doporučuje využívat zařízení pro zpětné získávání tepla z odváděného vzduchu (ZZT), zvláště u objektů s vícesměnným provozem, např. dle obr. 17.4, podrobněji [17.5]. Pozn.: Případy QI > Qzt lze, podle velikosti tepelných zisků a dispozičního řešení haly, řešit buď přirozeným, nebo nuceným větráním (s minimálními nároky na vytápění). d) Průtok venkovního čerstvého vzduchu VE (m3/s) pro zimní větrání se stanovuje podle vznikajících škodlivin, pokud jsou k dispozici technologické údaje o produkci látek uvolňovaných do ovzduší haly. Jinak se navrhne průtok vzduchu VE podle doporučené intenzity větrání I = VE / O, kde O (m3) je vnitřní objem haly (hodnoty I (1/h) z literárních podkladů, příklady uvádí [17.5]).
Letní provoz a) Průtok venkovního vzduchu VE (m3/s) se navrhuje na odvod vnitřní i venkovní tepelné zátěže. V neklimatizovaných halách je teplota vzduchu uvnitř haly v letních extrémech téměř vždy vyšší než teplota venkovního vzduchu. Výjimku mohou tvořit budovy s velkou tepelnou kapacitou (masivními, hmotnými stěnami, podlahou). Požadavkem na větrání je udržet v pásmu pobytu osob výslednou teplotu tg (viz [17.5]), dle českých legislativních požadavků [17.6]. V tepelné bilanci v letním období je však určujícím parametrem teplota vzduchu. 128
Přibližně lze uvažovat, že výsledná teplota v letním období bude o cca 1 až 2 K vyšší než teplota vzduchu (v důsledku vyšší teploty venkovních stěn zahřátých sluneční radiací). Odvod letní tepelné zátěže, je třeba řešit s uvažováním akumulace tepla do budovy a vnitřního technologického vybavení – viz odst. 14.1.3 v [17.5]. Průtok vzduchu, stanovený z maximální tepelné zátěže haly, bez uvažování akumulace tepla do budovy, bývá extrémně, nepotřebně vysoký. Přívod vzduchu: velkoplošné výustě u podlahy (teplota venkovního vzduchu pro větrání je nižší než teplota vnitřního vzduchu v hale), odvod vzduchu: u jednopodlažních hal otevíratelnými střešními světlíky, i nuceně výustěmi pod stropem. b) V letním období může průtok vzduchu, stanovený z podmínek odvodu tepelné zátěže, převýšit průtok vzduchu stanovený pro zimní období podle produkce škodlivin, případně podle intenzity větrání. V takovém případě lze (je-li to z hygienických důvodů přípustné a umožňují-li to teplotní podmínky v hale) zvýšit intenzitu větrání přirozeným způsobem (větracími otvory pro přirozené větrání, v zimě uzavřenými). Nuceně lze průtok vzduchu zvýšit buď zvýšením otáček elektromotorů ventilátorů (dvouotáčkovými elektromotory, regulátory otáček elktromotorů), nebo přídavným větracím zařízením pro letní provoz. Rychlost a teplota vzduchu ve velkoplošných výustích, vliv neizotermičnosti Rychlost přiváděného vzduchu ve výustích wP se volí v těchto mezích: - větrání (i klimatizace) ve veřejných a společenských místnostech: wP = 0,1 až 0,3 m/s, - větrání v průmyslu wP = 0,3 až 0,5 m/s, při minimálních rozdílech (tPo – tP) až 0,8 m/s.
Teplota přiváděného vzduchu tP závisí na rozdílu teplot ∆tPo = (tPo – tP) (K), kde tPo je dána hygienickými požadavky. Rozdíl teplot vzduchu v pásmu pobytu osob a přiváděného vzduchu ∆tPo = (tPo – tP): Minimální funkční podmínkou zaplavování je ∆t Po = 0,5 K, jinak v halách 3 až 5 K, u speciálně upravených výustí v klimatizaci i více. Rozdíl teplot ∆tPo a rychlost wP ovlivňují u velkoplošných výustí výrazně charakter neizotermního proudu vystupujícího z výustě. O stupni neizotermičnosti rozhoduje Archimedovo číslo ve výusti (podíl vztlakových sil k setrvačným)
ArP =
g l P ∆t Po 2
wP TPo
(-)
(17.18)
Vyšší hodnota |ArP| představuje vyšší stupeň neizotermičnosti (u horizontálního přívodu vzduchu odklon osy proudu od horizontály – teplý vzduch nahoru, chladný dolů). Neizotermičnost nezávisí jen na rozdílu teplot ∆tPo (K), ale i na charakteristickém rozměru výustě lP (m) na výstupní rychlosti wP (m/s).
17.3 Literatura OPPL, L. Průmyslová vzduchotechnika. Praha: Ediční středisko ČVUT, 1987. DRKAL, F. Technika prostředí. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1978. NOVÝ, R. a kol. Technika prostředí. Praha: Nakladatelství ČVUT, 2006. ISBN 80-01-03492-5. [17.4] CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. Brno: BOLIT B-press, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8. [17.5] DRKAL, F.; LAIN, M.; SCHWARZER, J.; ZMRHAL, V. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2010. [17.6] Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci.
[17.1] [17.2] [17.3]
129
18 Požární větrání Požár, v případě že není hašen, je charakterizován několika fázemi: - 1. fáze je doba mezi vznikem požáru a rozhoření prvních hořlavých předmětů. Tato fáze je doprovázena poměrně nízkými teplotami a nazývá se jako fáze rozhořívání. - 2. fáze je charakterizována prudkým nárůstem teploty a zasažené plochy požárem. Během této fáze téměř současně vzplanou všechny hořlavé látky v místě požáru. Tato fáze se nazývá flashover. - 3. fáze je doba, kdy je požár stabilizován, probíhá intenzivní hoření a požárem jsou zachváceny všechny hořlavé předměty v prostoru. Jedná se o plně rozvinutý požár. - 4. fáze je charakterizována nedostatkem hořlavého materiálu a postupným snižováním intenzity hoření. Jedná se o fázi dohořívání.
Obr. 18.1 Znázornění fází nehašeného požáru Požární větrání lze rozdělit do dvou oblastí. Jedná se o větrání únikových cest a větrání požárních úseků.
18.1 Větrání únikových cest Úniková cesta, ve smyslu požární bezpečnosti staveb, je komunikace umožňující bezpečnou evakuaci osob z objektu nebo jeho části zasažené nebo ohrožené požárem na volné prostranství, popřípadě umožňující přístup zasahujících hasičských jednotek. Může se jednat o chodbu, schodiště, pavlač, atd. Větrání únikových cest musí zajistí bezpečný únik osob ze zasaženého objektu na volný venkovní prostor a zároveň slouží jako zásáhová cesta hasičským jednotkám. Únikové cesty musí být tvořeny prostory bez požárního zatížení; nesmí zde dojít k přímému vzniku požáru. Mohou sem však zplodiny požáru pronikat. Proto je důležitý správný návrh větrání tak, aby pronikání zplodin hoření bylo buďto zcela zabráněno, nebo aby došlo k takovému jejich naředění, aby nebyla po dobu evakuace překročena přípustná mez jejich koncentrace (koncentrace, při níž nejsou unikající či zasahující osoby ohroženy na zdraví). Únikové cesty lze rozdělit na nechráněné, chráněné a částečně chráněné. Nechráněná úniková cesta je jakýkoli komunikační prostor směřující z požárního úseku na volné prostranství. Nemusí být vybavena bezpečnostními zařízeními a jediným požadavkem je trvale volná průchodnost. Chráněná úniková cesta (CHÚC) je komunikace, která musí být trvale volná, a která je vybavená jak pasivními, tak aktivními prvky požární bezpečnosti. Podle uspořádání se dělí na typ A, B a C. Určení typu ovlivňuje např. výška stropu a počet evakuovaných osob a spadá do 130
kompetence projektanta specializace požární bezpečnosti staveb. Všechny typy chráněných únikových cest musí být povinně větrány, přičemž CHÚC typu A a B mohou být větrány přirozeně, CHÚC typu C musí být vždy větrány nuceně. Chráněné únikové cesty typu A jsou nejjednodušší a jedná se především o schodišťové prostory. Přirozené větrání lze zajistit například: - oteviratelnými otvory o ploše nejméně S = 2 m2 v každém podlaží (obr. 18.2, chráněná úniková cesta ohraničena čárkovanou čarou), - otvory umožňujícími příčné větrání, - větracím otvorem o ploše nejméně S = 2 m2 umístěným v nejvyšším místě únikové cesty a otvorem o stejné ploše umístěným v nejnižším podlaží (obr. 18.3), v objektech vyšších jak h = 22,5 m musí být použita kombinace více případů; tento Obr. 18.2 Princip způsob větrání je nejúčinnější, musí však být přirozeného větrání zaručena funkčnost a ovladatelnost otevírání uzávěru oteviratelnými otvory chráněných únikových cest nejvýše umístěného otvoru. V případě nuceného větrání je třeba zajistit minimální typu A intenzitu větrání Imin = 10 1/h, a to po dobu alespoň 10 minut. Zároveň musí být splněna podmínka, že teplotní rozdíl mezi CHÚC a venkovním prostředím nesmí být vyšší jak ∆t = 10 K. Součástí chráněné únikové cesty typu B musí být požární předsíň, která je od ostatního prostoru oddělena nehořlavými stavebními konstrukcemi. Její velikost je daná počtem procházejících evakuujících se osob. Musí být samostatně větraná a může být použito přirozené větrání (buďto okny nebo větracími průduchy). Na obr. 18.4. je vidět systém nuceného větrání CHÚC typu B pro schodišťový prostor (pro tento typ může být větrání i přirozené). V případě nuceného větrání je třeba zajistit minimální intenzitu větrání Imin = 15 1/h, a to po dobu alespoň 30 minut. Jestliže je úniková cesta zároveň cestou určenou pro Obr. 18.3 Princip přirozeného větrání zásahovou jednotku, musí být zajištěno větracími otvory umístěnými v nejvyšším větrání minimálně po dobu 45 minut. a nejnižším místě únikové cesty Chráněné únikové cesty typu C musí být chráněných únikových cest typu A; OM větrány vždy nuceně. Jedná se o značí otevírací mechanismus s dálkovým nejbezpečnější únikovou cestu. Minimální ovládáním, Č je kouřové čidlo; vpravo je intenzita větrání Imin = 15 1/h, a to po dobu vidět rozložení tlaku vlivem rozdílných alespoň 45 minut. Jestliže je úniková cesta hustot vzduchu zároveň cestou určenou pro zásahovou
131
jednotku, musí být zajištěno větrání minimálně po dobu 60 minut. Schéma přívodu vzduchu je na obr. 18.5. U všech typů CHÚC v případě použití nuceného větrání je třeba zajistit nejen minimální intenzitu větrání, ale také přetlak oproti přilehlým prostorám alespoň ∆p ≥ 25 Pa. Je-li v přilehlých prostorech instalováno samočinné hasicí zařízení (Sprinkler), může být přetlak poloviční, ∆p ≥ 12,5 Pa.
Obr. 18.4 Princip systému nuceného větrání CHÚC typu B; OM značí otevírací mechanismus s dálkovým ovládáním, PP značí požární předsíň (opatřena oknem)
Obr. 18.5 Princip systému nuceného větrání CHÚC typu C
18.2 Větrání požárních úseků Požárním úsekem se nazývá ta část objektu, která je ohraničena od ostatních částí, popř. od sousedních objektů požárně dělícími konstrukcemi. Požárně dělící konstrukce jsou stavební konstrukce bránící šíření požáru mimo požární úsek. Jsou schopny odolávat účinkům vzniklého požáru a může ji tvořit požární stěna, požární strop či střecha, nebo obvodová stěna (nebo její část). Doba, během níž je konstrukce schopna odolávat teplotám vzniklým při požáru, aniž by ztratila svou funkci, se nazývá požární odolnost. Požární úsek se může dělit na jednotlivé kouřové sekce. Kouřové sekce jsou odděleny buď kouřovými clonami, obvodovými stěnami stavební konstrukce nebo vestavky, jejichž stěny musí vést až ke stropu. Kouřové klapky či požární ventilátory jsou pro každou kouřovou sekci samostatně ovládány. Kouřová clona slouží k zabránění šíření kouře do jiných kouřových sekcí. Je provedena buď jako pevná součást stavební konstrukce, nebo jako rolovací kouřová přepážka, která se při požáru na základě signálu elektrické požární signalizace (EPS) automaticky vyroluje do příslušné délky. Schéma funkce kouřové clony je na obr. 18.7.
132
Součástí instalace pro větrání požárních úseků musí být samočinné větrací zařízení (SOZ). V případě přirozeného větrání se jedná o otvor ve střeše objektu, kterým se odvádí teplo, kouř a spaliny. Uvádí se samočinně v činnost zařízením, které je v přímé vazbě na elektrickou požární signalizaci, nebo na základě údaje teplotního čidla nebo čidla reagujícího na kouř. V případě nuceného větrání může být SOZ navrženo buďto jako samostatný systém s ventilátory a potrubní sítí, nebo může být v některých případech navrženo v kombinaci s klasickým vzduchotechnickým zařízením. Požární úsek lze větrat přirozeně nebo nuceně. Vzhledem k investičním nákladům je vždy výhodnější přirozené větrání (odpadá instalace ventilátorů a potrubních rozvodů). Použitelné je však pouze u přízemních objektů, které navíc nejsou příliš rozlehlé. 18.2.1 Přirozené větrání požárních úseků K přirozenému větrání dochází účinkem tlaku způsobeného rozdílem teplot uvnitř a vně budovy. Na obr. 18.6 je vidět pneumatická dvoukřídlá větrací klapka SOZ. Ovládání kouřové klapky může být i ruční či motorové. V případě požáru se kouřové klapky plně otevřou. Zároveň se však musí otevřít i otvory pro přívod vzduchu (otvory u paty objektu). Venkovní chladnější vzduch proudí do objektu a vytlačuje kouř a spaliny ke stropu, viz obr. 18.7. Otvory musí být dimenzovány tak, aby pod neutrální rovinou v požadované době funkčnosti kouřových klapek vznikla bezkouřová vrstva, která umožní bezpečnou evakuaci osob. Přiváděný ochlazuje vzduch zároveň částečně konstrukci a vybavení místnosti. Tím se zpomaluje zvyšování jejich teploty na teplotu
Obr. 18.6 Otevřená a uzavřená kouřová klapka na střeše objektu
Obr. 18.7 Schéma přirozeného větrání požárního úseku v případě požáru v jedné kouřové sekci; OKK značí otevřenou kouřovou klapku, KK kouřovou klapku uzavřenou, KC značí kouřovou clonu 133
samovznícení a oddaluje se fáze hoření označená jako flashower. Při návrhu požárního větrání je požární úsek rozdělen na jednotlivé kouřové sekce. V každé kouřové sekci je teoreticky v projektu stanovena intenzita případného požáru. Podle této intenzity jsou dány veškeré požadavky na požární odolnost konstrukcí a na vybavení požárně bezpečnostním zařízením. Jednotlivé kouřové sekce musí být rozděleny buď kouřovou clonou nebo stěnou, která plní funkci požárně dělící Obr. 18.8 Unikající kouř kouřovou klapkou konstrukce. Vzdálenost kouřové v případě požáru clony od stropu nesmí být menší, než je předpokládaná hloubka kouřové vrstvy. Rozdělení do kouřových sekcí umožňuje otevření požárních větrávacích otvorů jen v místě vzniku a šíření požáru, ostatní sekce zůstávají zavřené. To vede k udržení požáru v místě jeho ohniska a dále pomáhá vizuálnímu určení polohy požáru v budově přijíždějícím hasícím jednotkám, obr. 18.8. Půdorysná plocha kouřové sekce Sk se volí v rozmezí (2h)2 až (6h)2, kde h (m) je výška větraného prostoru. Kouřová sekce by však neměla mít větší plochu než 2000 m2. Kouřové klapky složitější konstrukce lze využít i mimo případný požár. Je možné je otvírat pro denní větrání, při použití skleněných nebo polykarbonátových výplní jsou též zdrojem denního světla. 18.2.2 Nucené požární větrání Nucený způsob odvodu kouře a spalin se používá všude tam, kde je přirozený odvod nevhodný z hlediska stavebního nebo i klimatického. Nucené větrání není závislé na rozdílu teplot uvnitř a vně větrávaného objektu, což umožňuje výhodněji volit větrací otvory a umožňuje účinně větrat vícepodlažní budovy, například prostřednictvím zabudovaných šachet. Nevýhodou může být skutečnost, že zařízení pro odtah kouře a spalin (ventilátory) jsou závislá na zdroji energie. U jednopodlažních budov se nucený odvod nejčastěji realizuje použitím střešních ventilátorů (obr. 18.9) nebo využitím rozvodů vzduchotechniky pro odvod vzduchu. U vícepodlažních budov se vedle kombinace požárního větrání a odvodního vzduchotechnického zařízení využívají požárně izolované šachty. Většina objektů, je vybavena vzduchotechnikou a pro rozvody odvodního vzduchu není neobvyklá rozsáhlá potrubní síť. Totéž platí i pro potrubní rozvody pro nucené požární větrání. Investiční náklady na instalaci Obr. 18.9 Požární střešní dvojí potrubní sítě jsou vysoké, proto lze v některých ventilátor s odolností 400 ˚C po případech použít společné potrubní rozvody jak pro dobu 120 min
134
odvod vzduchu, tak i pro nucené požární větrání. Na obr. 18.10 je vidět schéma použití společných potrubních rozvodů pro odvod vzduchu a požární větrání. První obrázek znázorňuje stav, kdy do objektu je VZT jednotkami nuceně přiváděn větrací vzduch a odpadní je odváděn; kouřové klapky PK1 a PK3 jsou uzavřeny, kouřové klapky PK2 a PK 4 jsou otevřeny. V případě požáru v kouřové sekci 1 (obrázek vpravo) se kouřová klapka PK2 uzavře, otevře se kouřová klapka PK1. Zároveň se spustí požární ventilátor PV1.
Obr. 18.10 Schéma společných potrubních rozvodů pro větrání a požární větrání, a) běžný provoz, kouřové klapky PK1 a PK3 uzavřeny, kouřové klapky PK2 a PK 4 otevřeny, b) případ požáru v kouřové sekci 1, kouřová klapka PK2 uzavřena, kouřová klapka PK1 otevřena a spuštěn požární ventilátor PV1 a)
18.3 Požární klapky Požární klapka je požární uzávěr vzduchotechnického potrubí [18.3]. Je vyrobena tak, aby se na základě podnětu klapka uzavřela a tím se zamezilo šíření plamenů, kouře a tepla potrubními rozvody. Podnět může být např. mechanický, teplotní nebo elektrický. Musí být vyrobena z nehořlavého materiálu a musí zabezpečovat požární odolnost dle požadavků, obvykle 30, 60, 90 a b) 120 minut. Požární klapky se musí instalovat do potrubí vždy, kdy potrubní rozvody prochází z jednoho požárního úseku do dalšího. Výjimku tvoří potrubní rozvody o malých průřezech (nejvýše 0,04 m2, čemuž u kruhového potrubí odpovídá průměr d = 225 mm). Požární klapky se nemusí instalovat ani tam, kde potrubní rozvody požárním úsekem pouze procházejí. V tom případě však potrubní rozvody musí být po celé délce chráněné požárně odolnou izolací. Na obr. 18.11 je vidět požární klapka do nekruhového potrubí. Na obr. 18.12 je znázorněna instalace požární klapky v potrubí procházejícím do dalšího požárního úseku.
135
Obr. 18.12 Instalace požární klapky v PDK; PR – potrubní rozvod, PK – požární klapka, LK – list klapky, PDK – požárně dělící konstrukce
Obr. 18.11 Požární klapka do hranatého potrubí (Mandík)
18.4 Literatura [18.1]
Karlovská, I.; Toman, S. Větrání chráněných únikových cest při požáru. Vytápění, větrání, instalace. roč. 10, č.5, 2001. [18.2] Pernikářová, T. Projektová dokumentace odvodu tepla a kouře. Diplomová práce. Fakulta strojní ČVUT v Praze, 2009. [18.3] ČSN 73 0872: 1996. Požární bezpečnost staveb. Ochrana staveb proti šíření požáru vzduchotechnickým zařízením. [18.4] www.elektrodesign.cz [18.5] www.mandik.cz
136
19 Potřeba energie pro větrání a klimatizaci budov Náklady na provoz větracích a klimatizačních zařízení bývají značné, obzvláště v případě, kdy je zařízení navrženo s minimálními pořizovacími náklady a bez zohlednění budoucí spotřeby energie. Větrací a klimatizační zařízení potřebují ke svému provozu elektrickou energii, teplo, chlad a vodu. Zdroje chladu bývají často zahrnuty jako součást klimatizačního zařízení. Teplo pro ohřev vzduchu ve vzduchotechnické jednotce můžeme rozdělit na teplo pro ohřev přiváděného větracího vzduchu a teplo pro vytápění prostoru (v případě, že vzduchotechnické zařízení zajišťuje i vytápění), případně na teplo pro ohřev vzduchu po adiabatickém zvlhčování. Potřebu chladu v klimatizační jednotce můžeme rozdělit na odvod citelného tepla pro ochlazování přiváděného větracího vzduchu, citelného tepla pro odvod tepelné zátěže klimatizovaného prostoru a vázaného tepla pro odvlhčení chlazeného vzduchu. Množství vody pro vlhčení vzduchu MW se vypočítá dle rovnice (2.12). V případě vlhčení párou musí být dodána buď přímo středotlaká pára pro parní zvlhčovače, nebo el. energie, případně plyn pro parní vyvíječe. Teplo potřebné pro ohřev vzduchu na původní teplotu po adiabatickém zvlhčování vodou musí být dodáno ohřívačem v klimatizační jednotce. Elektrická energie je potřebná pro motory ventilátorů, čerpadel, kompresorů, pro elektrické ohřívače a parní vyvíječe. Malé množství el. energie spotřebovává i systém měření a regulace (ústředny, servopohony a převodníky), případně i pohony rotačních výměníků ZZT a jiných speciálních prvků (např. UV lampy). U ventilátorů je příkon el. motoru PV funkcí průtoku vzduchu V (m3/s), celkového dopravního tlaku ∆pCV (Pa) a celkové účinnosti ηC, která je součinem účinností ventilátoru ηV, motoru ηM, převodu ηP a regulace otáček ηR V ⋅ ∆pCV V ⋅ ∆pCV = (W) (19.1) PV = ηC ηV ⋅ η M ⋅ η P ⋅ η R Příkon na jiné než jmenovité otáčky lze přepočítat podle vztahu (2.10). Pro porovnání spotřeby ventilátorů se používá měrný příkon ventilátoru definovaný v odstavci 2.3.1. U čerpadel je výpočet příkonu PČ a spotřeby el. energie podobný jako u ventilátorů. U zdrojů chladu s kompresorovým parním oběhem je jejich elektrický příkon PCh dán příkonem kompresorů a příkonem ventilátorů pro odvod kondenzačního tepla (interních u vzduchem chlazených kondenzátorů) a vypočítá se z celkového výkonu chladiče QCh a chladicího faktoru zdroje chladu EER. Příkon elektrických ohřívačů odpovídá potřebnému výkonu pro ohřev vzduchu. Příkon elektrických parních vyvíječů vychází z potřeby vlhčení venkovního vzduchu přiváděného do klimatizovaného prostoru a účinnosti vyvíječe.
19.1 Roční spotřeba energie Roční spotřebu energie pro větrání nebo klimatizaci objektu lze stanovovat různými způsoby. U stávajících objektů lze osadit měření dodávky tepla , chladu, el. energie, případně vody do jednotlivých klimatizačních zařízení a stanovit spotřeby pro jednotlivé roky. V případě, že není komplexní měření osazeno, lze vyhodnocovat spotřeby výpočtem z dílčích sledovaných hodnot (počet hodin provozu, teploty teplonosných látek, teploty v exteriéru a interiéru, spínání čerpadel a ventilátorů a pod).
137
Pro nově stavěné či rekonstruované objekty lze odhadnout spotřebu energie výpočtem. Nejpřesnější je detailní řešení spotřeby energie počítačovou simulací. Pro klimatizovaný prostor je vypočítána s detailním časovým krokem (většinou jedna hodina) potřeba tepla, chladu, vlhčení, či odvlhčování, a je stanoven průtok přiváděného venkovního vzduchu. Se stejným krokem jsou potom vyhodnoceny účinnosti výroby, rozvodu a distribuce tepla, chladu, chladící faktory zdrojů chladu, účinnosti ventilátorů, čerpadel a parních vyvíječů a pro každou hodinu roku jsou stanoveny jejich příkony. Celková spotřeba je pak sumou těchto hodinových příkonů. Takový postup je však velmi časově náročný a vyžaduje použití simulačních programů. Podobná je metoda referenčních dní, kdy je výpočet prováděn vždy pro jeden referenční den každého měsíce a získané spotřeby jsou vynásobeny počtem dní měsíce a pak sečteny. Tato metodika je poměrně rozšířená pro energetické hodnocení budov. Spotřebu tepla pro větrání a vytápění lze spočítat i ze středního rozdílu teplot venkovního a vnitřního vzduchu a délky doby vytápění denostupňovou metodou [19.1]. Podobně spotřebu chladu pro větrání z teplot vzduchu a doby chlazení. Nejproblematičtější je určení roční spotřeby energie pro chlazení prostoru, protože tepelná zátěž závisí jak na teplotě vzduchu, tak na intenzitě sluneční radiace a na vnitřních ziscích. Pro určení celkového výkonu chladiče je důležitá i vlhkost vzduchu, váha jednotlivých parametrů záleží na klimatizovaném objektu i na použitém klimatizačním zařízení, proto nelze pro výpočet spotřeby chladu doporučit zjednodušený postup založený pouze na střední teplotě vzduchu a počtu hodin provozu. Roční spotřebu energie lze stanovit i na základě analýzy klimatizačního zařízení. Při tomto postupu se nejprve identifikují základní provozní stavy klimatizace. V našich klimatických podmínkách pro běžné budovy je to zimní provoz vytápění se zvlhčováním a letní provoz chlazení s odvlhčováním. Při výpočtu se vyhodnotí spotřeba energie klimatizačního zařízení pro zimní i letní provoz pro jmenovitý výkon (maximální) a snížené výkony; obvykle 25 %, 50 % a 75 %. Při tomto vyhodnocení se zohlední změny účinností, provoz ventilátorů i čerpadel při dílčím zatížení. Z klimatických dat, typu budovy (těžká, lehká, podíl prosklení, orientace) a charakteru užívání (administrativní, obytné....) se určí podíl jmenovitého a jednotlivých dílčích výkonů během provozu a stanoví se vážený průměr spotřeby, který lze použít jako střední hodnotu pro stanovení spotřeby energie na klimatizaci budovy. Zjednodušeným příkladem takovéhoto posouzení může být ESEER popsaný v odstavci 5.1, i když váhové faktory použité pro určení ESEER jsou zobecněné pro celou Evropu a nerespektují plně konkrétní budovu a klima. Nedostatkem této metody je, že pro naši republiku nejsou zatím zpracována referenční klimatická data, ani profily tepelných zátěží a potřeb větrání různých druhů staveb. Proto je určení váhových faktorů obtížné.
19.2 Literatura [19.1] CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3.vyd. Brno: BOLIT-B press, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8. [19.2] ČSN EN 15243: 2008. Větrání budov – Výpočet teplot v místnostech, tepelné zátěže a energie pro budovy s klimatizačními systémy.
138
139
Oblast pro rozdělování stravy
Multifunkční spotřebiče, spotřebiče ke kvašení, roztávání, udržení tepla, chlazení. zpracování, dopravě
Smažení, grilování, pečení
Vaření, paření, dušení
Část kuchyně
Plynové spotřebiče, druh provozu Normální provoz Omezený provoz
-
1000 125 700 300 100
Dopravní zařízení
Výdejní spotřebič teplé stravy
Výdejní spotřebič studené stravy
Odkládač nádobí
Zařízení pro teplé nápoie
200
-
-
200
-
175
Kuchyňské stroje
-
350 700
200
Chládničky (lokální)
125
Vodní lázně
10
150
80
550
100
700
160
230
150
160
175
400
400
180
200
200
10
200
W/kW
Teplé bufety a teplé skříně
50
200
Stolní vařiče
Mikrovlnné spotřebiče
50 200
50
Fritovací automaty s odsáváním
Sporáky
90
Fritovací automaty bez odsávání
150
Fritézy
Smažící a pečící trouby
Automaty na omáčky
350
Grily
250
700
Smažící, grilovací a rožnící plotýnky
Smažící a grilovací automaty
330
Výklopné pánve
70
450
Horkovzdušné pařáky
Horkovzdušné spotřebiče
25 120
Vysokotlaké pařáky - průchodné
25
40
Vysokotlaké pařáky - zásuvné
35
Tlakové kotle
W/kW
-
-
-
-
-
-
-
-
294
15
220
118
808
147
1030
235
338
220
235
257
588
588
265
294
294
15
294
g/h kW
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
150
100
-
-
-
110
250
40
250
700
200
250
70
25
25
-
25
W/kW
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
100
50
-
-
-
160
230
60
160
175
120
150
100
0
0
-
80
W/kW
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
147
74
-
-
-
235
338
88
235
257
176
220
147
0
0
-
118
g/h kW
-
-
-
-
-
-
-
350
195
-
250
250
-
-
90
-
-
100
350
720
350
450
150
-
-
-
100
W/kW
-
-
-
-
-
-
-
220
-
150
100
-
-
700
-
-
150
200
200
400
450
180
-
-
-
300
W/kW
-
-
-
-
-
-
-
-
323
-
265
147
-
-
1030
-
-
220
294
294
588
630
265
-
-
-
441
g/h kW
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
200
150
-
-
-
-
-
50
250
720
250
450
85
-
-
-
75
W/kW
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
120
80
-
-
-
-
-
100
200
200
150
250
100
-
-
-
80
W/kW
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
176
118
-
-
-
-
-
147
294
294
220
368
147
-
-
-
118
g/h kW
Produkce Produkce Produkce Produkce Produkce Produkce Produkce Produkce Produkce Produkce Produkce Produkce citelného skupenského citelného skupenského citelného skupenského citelného skupenského páry páry páry páry tepla tepla tepla tepla tepla tepla tepla tepla Ms Ms Ms Ms Qs Ql Qs Ql Qs Ql Qs Ql
Varné kotle a varné automaty
Kuchyňský spotřebič
Elektrické a parní spotřebiče, druh provozu Normální provoz Omezený provoz
Příloha 12.1 Produkce citelného tepla Qs, skupenského tepla Ql a páry Ms pro jednotlivá typická kuchyňská zařízení [12.2]
