Technický návrh a realizace zařízení pro regulovanou výměnu vzduchu

Mendelova universita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta

Technický návrh a realizace zařízení pro regulovanou výměnu vzduchu

Diplomová práce

Brno 2010

Bc. Jaroslav Kukuliš

Mendelova universita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Zkušebna Stavebně truhlářských výrobků

Technický návrh a realizace zařízení pro regulovanou výměnu vzduchu

Diplomová práce Brno 2010

Vedoucí diplomové práce:

Vypracoval:

Prof. Ing. Josef Polášek, Ph.D.

Bc. Jaroslav Kukuliš

Mendelova univerzita v Brně

Lesnická a dřevařská fakulta

Zkušebna stavebně truhlářských výrobků

2009/2010

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE

Autor práce:

Bc. Jaroslav Kukuliš

Studijní program:

Dřevařské inženýrství

Obor:

Dřevostavby a dřevěné prvky staveb

Název tématu:

Technický návrh a realizace zařízení pro regulovanou

výměnu

vzduchu

Rozsah práce:

cca 80

Zásady pro vypracování:

1.

Úvod

2.

Cíl práce:

Praktická zkouška navrženého zařízení pro regulovanou výměnu vzduchu a ověření dosažených parametrů. 3.

Metodika: Technický návrh zařízení pro regulované větrání obytné místnosti,

vstupní

parametry a kritéria a součástí, rozměrové přizpůsobení pro křídla okna.

vestavbu do 4.

Výkresová dokumentace, osazení měřících čidel a testování parametrů zařízení v provozu.

5.

Průběžný záznam naměřených hodnot, jejich zpracování a vyhodnocení.

6.

Diskuse výsledků zkoušky v porovnání s návrhem, obdobnými produkty na trhu a ekonomické posouzení návratnosti investice.

7.

Návrh dalšího vývoje zařízení vzhledem k výsledkům praktické zkoušky. Předpoklady pro uvedení zařízení na trh.

8.

Závěr

9.

Literatura

10.

Resume

Seznam odborné literatury:

1.

Olga Rubinová, Aleš Rubina. -- Klimatizace a větrání 1. vyd.. -- Brno : ERA

group, 2004. -- vi, 117 s. :. ISBN: 80-86517-30-6 (brož.). Sign: 2-1140.208 2.

Karel Hemzal ... [et al.] Distribuce vzduchu v klimatizovaných a větraných

prostorech / . -- Praha : Dům techniky ČSVTS, 1984. -- 112 s.. Sign: 4-0885.047 3.

Lamelové a deskové výměníky tepla. -- Praha : Společnost pro techniku

prostředí, 1992. -- 79 s.. Sign: TK-A-0250.955 4.

Milan Bielek, Bratislava : Okno, energia a životné prostredie/ Alfa, 1987. 456 s.

5.

Polášek, Josef – Špaček Tomáš: Stavebně truhlářská výroba - základy

konstrukce a technologie/, , 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2007. 148 s. 2283. ISBN 978-80-7375-050-3. 6.

Polášek, Josef, 1. vyd. Brno: Technická normalizace a posuzování shody

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2005. 200 s. ISBN 80-7157-876-2.

7.

Vojtěch Hlavačka. -- . Termická účinnost výměníků tepla /1 vyd.. -- Praha :

Státní nakladatelství technické literatury, 1988. -- 130 s. :. ISBN: (Brož.). Sign: 40929.152 8.

Zdeněk Dvořák. -- 1. vyd. Sdílení tepla a výměníky / . -- Praha : České vysoké

učení technické, 1992. -- 120 s.. ISBN: 80-01-00830-4. Sign: TK-A-0250.131

Datum zadání diplomové práce:

listopad 2009

Termín odevzdání diplomové práce:

duben 2010

Bc. Jaroslav Kukuliš

prof. Ing. Josef Polášek, Ph.D.

Řešitel

Vedoucí práce

Ing. Marek Polášek, Ph.D.

doc. Dr. Ing. Petr Horáček

Vedoucí ústavu

Děkan LDF MENDELU

Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci: „Technický návrh a realizace zařízení pro regulovanou výměnu vzduchu " zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor diplomové práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.

Brno 2008, dne........................

Podpis studenta ..............

Poděkování Dovoluji si tímto poděkovat vedoucímu mé diplomové práce prof. Ing. Josefovi Poláškovi, Ph.D, za odborné vedení, metodickou pomoc a cenné rady, které mi poskytl při zpracování této práce. Dále bych chtěl poděkovat firmě SVP Components s.r.o. Rožnov pod Radhoštěm za pomoc při realizaci prototypu a za poskytnutí měřících přístrojů

Jméno posluchače: Jaroslav Kukuliš Název práce: Technický návrh a realizace zařízení pro regulovanou výměnu vzduchu Name: Jaroslav Kukuliš Title: Technical design and realization of the regulated air exchange device

Abstrakt Tato diplomová práce popisuje návrh, dle kterého je postaveno a zkušebním provozem otestováno zařízení pro regulovanou výměnu vzduchu v místnosti. Požadavek na výměnu vzduchu v místnosti ve fázi návrhu zařízení byl stanoven dle doporučení normy. Návrh zařízení podle požadovaného objemu vzduchu vedl ke konstrukci rovnotlaké větrací jednotky vybavené výměníkem pro zpětné získávání tepla. Prototyp je vyrobený dle konstrukčního návrhu. Testování ve zkušebním provozu proběhlo v lednu až březnu 2010. Na zařízení v provozu jsou provedena měření potřebná k prokázání skutečných hodnot sledovaných parametrů. Porovnání naměřených hodnot s hodnotami návrhovými prokázalo že prototyp překonal návrhové parametry jak z hlediska průtoku tak účinnosti zpětného získávání tepla. Klíčová slova: Výměna vzduchu, interiérové mikroklima, větrací jednotka, zpětné získávání tepla, provozní zkouška prototypu

Abstrakt This diploma thesis describes the technical solution of controlled air exchange device, which it is built and tested in a trial operation. The requirement for an air exchange in the room was determined according to recommendation standard and led to air flow volume values. Fans was chosen according to the desired volume of air, overall construction is equipressure ventilation unit equipped with heat exchanger for heat recovery. The prototype was manufactured according to suggested design. Testing took place in a trial operation from January to March 2010. Equipment in operation was performed with measurements needed to demonstrates the actual values of monitored parameters. Comparison of the measured values with estimated parameters showed that the prototype exceeded the design parameters in terms of air flow volume and heat recovery efficiency. Key words: Air exchange, Interior microclimate, Ventilation unit, Heat recovery, Trial operation of prototype

Obsah Úvod Cíl práce Metodika Současný stav techniky v oblasti lokálních větracích jednotek Technický návrh Vstupní požadavky Parametry místnosti, volba způsobu větrání Volba umístění větracího zařízení Rozměrové dimenzování Návrh průtoku vzduchu zařízením Průřezy kanálů a rychlosti proudění Ventilátory Filtrace Regulace Výměník pro zpětné získávání tepla (zzt) Volba typu výměníku Teplosměnná plocha Volba materiálu Velikost teplosměnné plochy Tvar výměníku Materiál tělesa výměníku Izolační materiál a jeho tloušťka, prostup tepla Ochrana proti hluku Vnější plášť Mmateriály a konstrukce pláště výměníku Napojení na těleso okenního křídla Spojovací materiál Povrchová úprava Vlhkostní bilance a odvod kondenzátu Uchycení křídla s vestavěnou jednotkou do rámu okna Těsnění

Výkresová dokumentace Celkový model, rozměrové přizpůsobení křídlu okna Dílčí výkresy pro výrobu jednotlivých součástí

Zkušební provoz a měření Okrajové podmínky Návrh měřících bodů Popis zapůjčených měřících zařízení Instalace čidel na měřící body Měření teplot, záznam hodnot Měření při třech regulačních stupních Zjištění náběhových charakteristik Měření rychlostí proudění vzduchu v jednotlivých kanálech Výpočet skutečného protékajícího množství vzduchu Výpočet účinnosti zpětného získávání tepla Vztah účinnosti a poměru přiváděného a odváděného vzduchu Stanovení nejnižší provozní teploty pro standartní provoz Návrh opatření pro provoz při extrémně nízkých teplotách Subjektivní posouzení a popis přínosu instalovaného zařízení Spatřované nedostatky a návrh úpravy konstrukce Ekonomické zhodnocení návratnosti investice do úspory energie Předpoklady pro uvedení obdobného zařízení na trh Nástin koncepce domu do kterého je toto zařízení vhodné Diskuse výsledků Závěr Literatura Seznam tabulek, grafů, obrázků a příloh Přílohy

Úvod V této práci je popsán návrh, realizace a provozní zkouška zařízení vestavěného do křídla okna pracujícího jako ventilační jednotka pro rovnotlaké větrání jedné obytné místnosti s možností regulace výkonu a se zpětným získáváním tepla (rekuperací). Zařízení je tvořeno soustavou dvou ventilátorů a deskového protiproudého rekuperačního výměníku v tepelně izolovaném boxu procházejícím okenním křídlem v rovině zasklení ze strany exteriéru a interiéru. Jedná se o lokální ventilační jednotku pro přímé větrání místnosti která se vyznačuje těmito výhodnými vlasnostmi: větrání probíhá při uzavřených oknech, jednotka je vybavena plynulou regulací výkonu, je možné ji spínat časovačem nebo čidlem kvality vzduchu, vzhledem k umístění v okně nejsou zapotřebí rozvodná potrubí, z odváděného vzduchu je převáděno teplo pro předehřev vzduchu přiváděného, jádro výměníku je snadno přístupné pro pravidelné čištění, vnější pohledové plochy pláště boxu jsou z lakovaného dřeva esteticky nenarušujícího charakter dřevěného okna.

Cíl práce Cílem práce je praktická zkouška navrženého zařízení, změření parametrů a zhodnocení přínou této realizace.

Metodika Techncký návrh zařízení pro regulované větrání obytné místnosti v bytě sestávající ze vstupních parametrů a kritérií, výkonového dimenzování, volby materiálů a součástí, rozměrového přizpůsobení pro vestavbu do křídla okna a vyhotovení výkresové dokumentace.

Realizace projektu dle návrhu formou subdodávek dílčích celků u odborných firem a jejich sestavení a zapracování do okenního křídla. Osazení do okenního rámu, umístění čidel měřících bodů a testování parametrů zařízení v provozu. Průběžný záznam naměřených hodnot, jejich zpracování a vyhodnocení parametrů zařízení. Na základě změřených parametrů prototypu jeho porovnání s návrhem, zhodnocení úspěšnosti konstrukčního řešení a doporučení pro vylepšení shledaných nedostatků.

Současný stav techniky v oblasti lokálních větracích jednotek Větrání obytných místností v objektech je důležitým prvkem jak pohody bydlení tak hygieny obytného prostředí, ukazuje se že větrání by měla být věnována větší pozornost. Z hygienického hlediska by mělo být zohledněno doporučené množství vyměněného vzduchu a místnosti by podle něj měly být skutečně větrány. Z hlediska pohody bydlení by teplota přiváděného vzduchu měla být stejná nebo jen o málo nižší než je teplota vzduchu v místnosti. Z těchto dvou základních požadavků vzniká přirozeně potřeba energie,tepelná ztráta větráním. Nejčastěji používaným způsobem jak omezit tepelnou ztrátu větráním je omezení větrání na nezbytně nutné minimum s negativními dopady na interiérové klima. Racionálním způsobem je pak zpětně získávat teplo odpadního vzduchu pro ohřívání přiváděného. Tedy nečerpat energii z primárních zdrojů ale zachovávat energii použitou v objektu. Tento trend zachovávání již vynaložené energie je možné spatřovat v mnoha oborech. Princip zpětného získáváni tepla (v literatuře je běžné používat zkratku zzt), jiný název je rekuperace, ve stavebnictví proniká do oblastí vzduchotechniky a všude tam kde vstupní teplota přiváděné látky je přirozeně nižší než teplota výstupní odpadní. Běžně jsou tyto výměníky používány ve vzduchotechnice. Specielní výměník je možno nainstalovat ale i do odpadu a napojit na předehřev studené vody. V tomto případě, stejně jako ve vzduchotechnických výměnících dochází k přenosu tepla aniž by se přiváděná a odpadová hmota smísila. Tím je vyhověno hygienickým požadavkům při současném racionálním využití disponibilní energie. V objektech kam se instalují výměníky zzt bývá většinou projektována vzduchotechnika, tím pádem je výměník pouze jedním z

prvků již instalované vzduchotechnické rozvodné sítě. Doposud to byly většinou velké objekty společenského charakteru. Trendem posledních let je instalace rozvodů vzduchotechniky do jednobytových domů a to rozvodů primárně určených pro výměníky zpětného získávání tepla. Tedy vyloženě jako investice do úspory energie s vypočtenou dobou návratnosti i se započtením rozvodů a stavebních prací potřebných pro provoz. To tento výpočet rentability hodně znevýhodňuje,oproti případu kdy vzduchotechniku máme a počítáme návratnost samotného výměníku zzt, když uvažujeme o jeho zařazení například tam kde již používáme horkovodní topný výměník a dosáhneme tím úsporu topné vody. Dalším trendem je vznik kategorie malých větracích jednotek pro lokální instalaci do objektu bez centrálního rozvodu vzduchu. Tyto jednotky v sobě většinou integrují všechny součásti vzduchotechnické soustavy, tedy ventilátory, filtry a výměník zzt. Funkce těchto zařízení je většinou znevýhodněna snahou o prostorově úsporné řešení a jejich přizpůsobení pro umístění v obvodovém plášti budovy. To je příklad lokální rekuperační jednotky dostupné na českém trhu která z interiéru i exteriéru vypadá jako větrací mřížka rozměrů 20x30cm a tloušťka stěny v rozmezí 20-30cm pak vymezuje prostor pro vnitřní vybavení. Tyto jednotky které prezentují relativně dobré hodnoty průtoku vzduchu (3 typy, od 16 do 70m3/h) a účinnost 70-80%. Vzhledem k velmi malému vnitřnímu prostoru obsahují křížový výměník který má konstrukčně nižší účinnost než protiproudý o stejné ploše. Vždy si proto k vypočtené účinnosti pomáhají poměrem přiváděného a odváděného vzduchu a to větším objemem odváděného vzduchu, tedy nositelem energie. Nevýhodou těchto jednotek je rovnoběžnost vzduchových proudů v interiéru i exteriéru. Otázka nakolik v takovém případě dochází ke směšování odtahu do sání je na místě. Tyto jednotky však jsou spolu s německými jednotkami o jmenovitém průtoku 100m3/h, vyžadující napojení krátkým rozvodným potrubím obdelníkového průřezu, které mají výborné parametry a

je možné je

nainstalovat například do spižní skříně v kuchyni a napojit prostupy přes fasádu jsou v podstatě jedinými zástupci kategorie malých lokálních větracích jednotek pro jednu nebo dvě obytné místnosti na českém trhu. Možnost využít konstrukci okna pro prostup obvodovým pláštěm budovy a vestavbu lokální větrací jednotky pro jednu místnost předkládá tato diplomová práce. Umístění větrací jednotky do konstrukce okna je myšlenka prof. Josefa Poláška kterou jsem následně rozvinul do návrhu a vlastní konstrukce takového zařízení. Umístění větrací jednotky do konstrukce okna přirozeně vyplývá ze základních funkcí okna mezi

něž patří i větrání místnosti. Větrání otvíráním oken je však především v zimě díky venkovním teplotám, ale i v rušném centru města kvůli hluku nekomfortní a proto opomíjené, vestavěná větrací jednotka umožňuje automatické větrání dle nastaveného programu, čidla, nebo řídící jednotky. Přirozená výška okna v místnosti, která bývá přes 1,4m je výborným předpokladem pro vestavbu boxu podélného tvaru pro svislé umístění dlouhého protiproudého výměníku. Umístění boxu je možné (ve fázi návrhu) například k ostění, zejména v případě dvojitých deštěných oken které mají větší konstrukční hloubku. Vzhled je potom možno přizpůsobit celkovému vzhledu okna. Dle návrhu byl vyroben prototyp který byl otestován a změřen ve zkušebním provozu.

Technický návrh Vstupní požadavky Potřeba větrání je charakteristická pro obytné místnosti. Větrání je v místnosti umožněno otevřením okna nebo balkónových dveří. Intenzita větrání doporučená pro byty v normě (ČSN EN 832 Tepelné chování budov- Výpočet potřeby energie na vytápění-Obytné budovy) je 0,5/h, tj. výměna celého objemu místnosti ve dvouhodinových intervalech [1]. Subjektivně se s touto hodnotou shoduji, větrání místnosti zhruba minutovým otevřením plného průřezu balkónových dveří jednou za pár hodin je příjemné a nutné pokud v místnosti pracuji. V zimním období topné sezóny je tento způsob nekomfortní, protože způsobí příliš velké ochlazení vzduchu v místnosti. Na to reaguje termostatická hlavice radiátoru okamžitým otevřením plného průtoku a rozehřátím tělesa radiátoru na nejvyšší teplotu. To v konečném důsledku v interiéru způsobí nepříjemnou vlnu chladu následovanou vlnou horka. Tyto výchozí poznatky vedly k návrhu zařízení které by větralo místnost trvale s menšími výkyvy teplot. Úkolem zařízení je zajišťovat výměnu vzduchu nezávisle na otevření okna v množství udávaném normou a zajistit předehřátí vzduchu na teplotu blízkou interiérové. Dále schopnost regulace výkonu a časové spínání pro automatický provoz podle přednastaveného programu.

Parametry místnosti, volba způsobu větrání Místnost pro kterou je zařízení navrhováno je pokoj s balkónem v cihlovém čtyř patrovém bytovém domě v Brně na Lesné. Dům je v původním stavu (z cca 50-60.let) bez dodatečné tepelné izolace s původními zdvojenými dřevěnými okny. Podlahová plocha místnosti je 18,3m2 a výška stropu 2,7m. Pokoj má značnou plochu oken,je zde sdružené okno s dvěma křídly šířky 60cm a jedním šířky 110cm, na celou šířku pokoje před okny je lodžie se vstupnímy dveřmi šířky 80cm oddělenými od oken nosným sloupem. Pod oknem je radiátor dlouhý 190cm. Pro větrání místnosti jsem zvolil nucené rovnotlaké větrání z důvodu dobré možnosti regulace a možnosti zpětně získávat teplo výměníkem zzt. Spáry oken, balkónových a dvou vnitřních dvěří pokoje jsem dodatečně zatěsnil samolepícím pěnovým těsněním pro omezení nežádoucí infiltrace na minimum. Subjektivně je místnost utěsněna dobře jak z interiérové strany (omezení hluku a pachů např z kuchyně) tak z exteriérové strany (eliminace průvanových tahů od rámu okna a pohybu záclon při nárazovém větru).

Volba umístění větracího zařízení Z důvodu dobré dostupnosti náhradních identických okenních křídel z výměn oken za plastové v okolních domech a z důvodu zbytečně velké prosklené plochy místnosti padla volba umístění větracího zařízení na jedno z okenních křídel sdruženého okna a to křídlo které je zhruba ve středu místnosti vedle nosného sloupu.

Toto

umístění umožní ditribuci přiváděného vzduchu do zóny mísících se teplých (radiátor) a studených (okenní tabule) vzdušných proudů u okna nad radiátorem rovnoběžně k zasklení a odvádění vzduchu z horní části místnosti kolmo k zasklení. Ze strany exteriéru je toto křídlo zhruba ve středu šířky lodžie a je tedy nejlépe chráněno před nárazovým větrem a nepříznivými klimatickými vlivy. Tím se zajistí delší životnost exteriérové strany. Prostorové uspořádání je vhodné k provedení relativně dlouhého protiproudého výměníku zzt orientovaného na výšku, od tohoto konstrukčního uspořádání lze očekávat dobrou účinost.

Pro vestavbu zařízení bude využito křídlo které jsem vzal před odvezením k likvidaci z výměny oken ve vedlejším domě. Původní okenní křídlo bude tedy zachováno neporušené. U křídla určeného pro vestavbu zařízení bude odstraněno sklo a využita celá výška křídla a polovina šířky pro vestavbu větracího zařízení, polovina šířky bude opět dosklena.

Rozměrové dimenzování Z těchto předpokladů jsem odvodil provedení a velikost větracího zařízení. Umístění do okenního křídla umožní tyto maximální rozměrové dimenze: výšku 140cm, šířku 25cm (zhruba polovina šířky zasklení) a hloubku 25cm (v tomto rozměru bude zařízení procházet rovinou zasklení z interiéru do exteriéru). V okenním křídle bude tedy ve vymezeném prostoru sestaven box pro instalaci všech potřebných součástí větracího zařízení. Na vnitřní straně nahoře a na vnější exteriérové straně dole budou tímto boxem procházet otvory, vždy dva (pro přívod a pro odvod vzduchu) z důvodu bezpečného oddělení vzdušin proti mísení budou průřezy těchto otvorů na sebe kolmé.

Návrh průtoku vzduchu zařízením Objem místnosti je zhruba 50m3 dle doporučení normy [2] na výměnu vzduchu by se měla za hodinu vyměnit polovina celkového objemu. Tím je dán návrhový výkon jednotky 25m3/h.

Průřezy kanálů a rychlosti proudění Vzhledem ke zvolenému uspořádání pro rovnotlaké větrání bude zapotřebí navrhnout vzduchové kanály a výústky které přepraví 25m3/h vzduchu dovnitř a 25m3/h ven, to znamená z hlediska tlakové ztráty pokud možno stejné kanály pro oba proudy. Například v průřezu výústky (otvoru) sání z interiéru o rozměru 35x185mm, která bude umístěna v nejvyšší části boxu z interiéru kolmo k zasklení na čelní straně bude rychlost vzduchu okolo1m/s. Ve výústce (otvoruú přívodu vzduchu do interiéru rovněž v nejvyšší části boxu ale na boční stěně směrem do prostoru před oknem rozměru 55x80mm bude rychlost vyšší, okolo 1,6m/s.

Tyto hodnoty jsou přijatelné z hlediska akustického hluku. Pro komfort v obytných místnostech by rychlost vzduchu neměla přesáhnout 0,2m/s [3] což bude dosaženo maximálně několik desítek centimetrů od výústky, vzhledem k jejich umístění pod stropem v horní části okna dojde před kontaktem s člověkem ke zpomalení a rozprostření vzduchu do prostoru.

Ventilátory Stanovený průtok vzduchu v případě nuceného větrání zajišťují ventilátory. Vzhledem k uvažovanému výměníku zpětného získávání tepla odpadá z důvodu vyšší tlakové ztráty možnost volby axiálních ventilátorů. Volba radiálních ventilátorů které mají podstatně větší tlak je proto namístě. Velmi dlouho trvalo najít ventilátory které by splnily všechny požadavky, hlavně z hlediska rozměrů. Klasické plechové ventilátory se vyrábí pro mnohonásobné průtoky čemuž odpovídá i jejich velikost. Nakonec jsem zvolil plastové radiální ventilátory výrobce Sunon označované jako blower rozměru 120x120x32mm které jsou určeny pro chlazení součástek v elektrotechnice a které jsem koupil v prodejně s elektronickými součástkami v Brně za 430kč kus rozměrový výkres ventilátoru je v příloze P1. Ventilátor má napájecí napětí 12v což je pro domácí konstrukci vždy vhodné z hlediska bezpečnosti malého napětí, udávaný proud 800mA tj příkon 9,6W. Maximální průtok 60 m3/h a maximální tlak 215 Pa při 2200ot/min. udává p/Q diagram v příloze P2. Z něj jsem odvodil tlak 168 Pa který bude při prutoku 25 m3/h k dispozici.To už je tlak který je dostatečný i pro rekuperační výměník, který může mít tlakovou ztrátu 40 až 150 Pa [9]. Jedinou nevýhodou ventilátorů bude hlučnost, udávaná 53dB. Tu se pokusím konstrukcí eliminovat, hlavně pro stranu interiéru. Z tohoto předpokladu vychází umístění obou ventilátorů do spodu boxu z exteriérové strany přímo k prostupům pro sání a výfuk. Z interiérové strany bude potom jádro výměníku fungovat jako hlukový tlumič, vibrace budou tlumeny vrstvou tepelné izolace boxu. Ze strany exteriéru nebude hlučnost ventilátorů nijak tlumena.

Filtrace Všechny prostupy vzduchu budou osazeny mřížkou z tahokovu a velikosti otvorů cca 1-2mm, která bude přišroubována na vnější stranu boxu pro zamezení vniknutí hmyzu atd. Na sací prostupy bude pod kovovou mřížku vložena filtrační textilie pro zachytávání nečistot ze vzduchu. Navrhovaná filtrační textilie je určena pro sekundární filtraci výstupního vzduchu ve vysavačích prachu, je snadno dostupná a levná a přitom poskytuje velmi jemnou filtraci při nízké tlakové ztrátě. Ovšem pouze pokud je nová, vzhledem k malé ploše oproti skládaným filtrům se brzo zanese, bude potřeba ji častěji měnit.

Napájení a regulace Ventilátory budou napájeny zdrojem stejnosměrného napětí 12V 24W, pro jejich regulaci přicházejí v úvahu dvě možnosti. Lineární regulace napětí v rozmezí cca 8 až 12V, jejiž hlavní nevýhodou by byla ztrátovost. Lineární regulátory odebírají na vstupu plný výkon a rozdíl mezi vstupem a výstupem přemění na teplo. To není vhodné vzhledem k charakteru zařízení vybaveného technologií pro úsporu energie z důvodu znevýhodnění výpočtu návratnosti vyšší spotřebou elektřiny. Druhou vyriantou je PWM regulace. Název v překladu zní pulzní šířková modulace, v principu jde o regulaci při které je do zařízení spínáním výkonového tranzistoru přiváděno jmenovité napětí 12V po zkrácený časový interval, například při ztlumení na 20% je ventilátor napájen pouze 2/10 časového intervalu. Ten je dán frekvencí zhruba 1,8 kHz. Tím je umožněno ztlumování v rozsahu 10-100% při minimálních ztrátách vznikajících pouze ve spínaném tranzistoru. Obvod pro regulaci podle návodu na internetu [5] jsem sestavil na univerzálním plošném spoji. Nepodařilo se však zprovoznit zapojení obvodu pro nezávislou regulaci obou ventilátorů, sání a odtahu. Problémem byla závislost obou kanálů na sobě a tedy nesprávná

funkce,

k

čemuž

docházelo

nejspíše

vzájemným

ovlivňováním

vysokofrekvenčního signálu. V této první verzi bude tedy regulační jednotka ztlumovat oba ventilátory stejně.

Plošný spoj regulace je umístěn do krabice s tahovými

potenciometry viz obrázek 1.

Obr. 1 Jednotka pro regulaci výkonu

Výměník pro zpětné získávání tepla (zzt) Volba typu výměníku Těleso větrací skříně v křídle okna má rozměr 25x25x140 cm z exteriérové strany dva prostupy kolmo na sebe pro sání a výfuk ve spodní části, z interiéru dva prostupy kolmo na sebe pro sání a výfuk v horní části. Toto je rozměr vyhovující pro protisměrný výměník. Ten se zároveň vyznačuje nejvyšší tepelnou účinností až 90% .

Teplosměnná plocha Vzhledem k dostupnosti materiálu byla navržena teplosměnná plocha výměníku poskládaná z hladkých plechových lamel. Touto technologií se běžně vyrábí výměníky které odolávají i vysokým teplotám nebo chemickým škodlivinám. Jejich hlavní předností je velmi dobrá čistitelnost teplosměnné plochy a jednoduchá, robustní kostrukce odolná proti mechanickému poškození. Samotný návrh teplosměnné plochy vychází z porovnání několika zařízení podobné konstrukce s přihlédnutím k požadovanému průtoku a rozměrům navrhovaného zařízení.

Volba materiálu Pro návrh materiálu teplosměnné plochy jsem vycházel ze vzorce pro prostup tepla dle [7]. Ten stanoví množství tepla které projde přes pevnou přepážku oddělující dvě proudící kapaliny, v našem případě se jedná o dva rozdílné vzduchové proudy a plechovou lamelu. Vzhledem ke složitosti návrhových výpočtů výměníku [8] které se většinou provádí ve specializovaném programu na počítači,budu vycházet pouze ze základních poměrových vztahů pro posouzení materiálu pro výrobu lamel.

Když Q

je množství prostupujícího tepla

k

je součinitel přestupu tepla

S

je velikost plochy

t

je čas trvání prostupu

∆T

je teplotní rozdíl mezi plochou a okolním vzduchem

Platí Q = k * S * t * ∆T

Pro součinitel prostupu tepla "k" platí

Když k

je součinitel prostupu tepla

α1, α2

jsou součinitel přestupu tepla mezi prostředím a deskou z každé strany

d

je tloušťka desky

λ

součinitel tepelné vodivosti

Platí k = 1 / 1/α1 + 1/α2 + d/λ

Pro součinitel přechodu tepla mezi proudícím vzduchem a hladkou deskou při rychlosti vzduchu v do 5 m/s platí α = 5,6 + 3,4 * v

Základní úvaha pro zintenzivnění prostupu tepla každou lamelou vede k volbě materiálu s co nejvyšším součinitelem tepelné vodivosti λ a desky s co nejmenší tloušťkou. Při prozkoumání výpočtových vztahů je však patrné že vliv samotného materiálu lamely a její tloušťky není určující. Největší vliv má v tomto případě součinitel přestupu tepla α, jehož základní ovlivnění je možné pomocí změny rychlosti proudění vzduchu. Vhledem k uvedenému faktu bylo upuštěno od původního záměru použít pro materiál teplosměnné plochy měď, která má z běžně dostupných materiálů nejvyšší tepelnou vodivost, ale je například v porovnání s hliníkem značně dražší. Plech tloušťky jedné až dvou desetin milimetru který se obtížně shání a zpracovává byl proto také zavrhnut. Při konstrukci výměníku z kovových fólií tloušťky jedné až dvou desetin milimetru a mezerami mezi lamelami jeden až dva milimetry si dokáže každý představit komplikace v podobě deformací které by vznikaly například při manipulaci a čištění výměníku. Čištění teplosměné plochy je zapotřebí provádět každoročně při sezóním provozu, nebo dvakrát do roka při nepřetržitém provozu, hodně záleží na použité filtaci na vstupech. Zanášení povrchu teplosměné plochy značně ovlivňuje právě součinitel přestupu tepla α, který má na celkový přenášený výkon největší vliv. Nakonec byl pro materiál teplosměnné plochy vybrán hliníkový plech tloušťky 0,6mm. Jedná se o standartní střešní svitkový povrchově neupravený plech. Jeho tvrdost je dostatečná na to aby se vyloučily neřádocí deformace při samotném sestavování a manipulaci a plech zůstal rovný a hladký. Také bude jádro výměníku odolné proti poškození při manipulaci a čištění.

Velikost teplosměnné plochy V literatuře jsou uvedeny případy testovaných výměníků s tloušťkou mezery mezi jednotlivými lamelami 1,92mm [9] až 11,6mm [10]. Tyto výměníky pracují při tlakové ztrátě 150 až 45 Pa. Dle obrázku stanovení pracovního tlaku ventilátorů v příloze P2. je při stanoveném průtoku k dispozici zhruba 168 Pa. Vzhedem k odporům

ve výústkách a vzduchovém kanálu bude pro samotný výměník k dispozici tlak okolo 100 Pa. To vedlo k volbě výšky vzduchového kanálu mezi lamelami 6mm. Šířka teplosměnné plochy je pak dána celkovou šířkou boxu bez tloušťky tepelné izolace a tloušťky bočnic výměníku. Počet lamel je určen z celkové konstrukční hloubky boxu po odečtení tepelné izolace vydělené tloušťkou plechu a vzduchové mezery ( celkem 6,6mm ). Dle rozměrového dimenzování bylo navrženo 25ks plechových lamel, které objem výměníku rozdělí na 13 kanálů přiváděného a stejný počet kanálů odváděného vzduchu. Celková teplosměnná plocha vypočtená z rozměrů lamely a jejich počtu je 5,229m2. Objem jádra výměníku dle jeho vnějších rozměrů je 0,0345m3 pohled na jádro výměníku je na obrázku v příloze P3. Jako údaj charakterizující tlošťku mezery a lamely je někdy uváděn údaj o tzv. kompaktnosti výměníku [10] který dává do poměru teplosměnnou plochu a vnější objem výměníku. Vnašem případě je to 157,39m2/m3. Pohled na výměník ve fázi jeho sestavování je na obrázku 2

Obrázek 2 Lamelový výměník ve fázi sestavování

Tvar výměníku Jádro výměníku má tvar hranolu o rozměrech patrných z vyobrazení v příloze P3. Důležité je zkosení obou hran a vytvoření špice v horní a spodní části výměníku.

Tím je získána plocha pro přívod a odvod vzduchu pro jednotlivé vzdušné proudy výměníku. Na délce skosení jsou mezi lamely do každého druhého vzduchového kanálu vloženy pásky těsnící mikroporézní pryže tloušťky 6mm a šířky 10mm, které zatěsňují polovinu počtu vzduchových mezer. Druhá polovina mezer zůstává otevřená. Zaslepení otvorů na levém a pravém skosení je vůči sobě inverzní, což umožňuje vstup dvou vzdušných proudů do tělesa výměníku tak aby tyto vzdušné proudy byly rozděleny lamelami výměníku. Těsnící pásky pryže lze vyjmout, čímž se otevřou v celé šířce vzduchové štěrbiny mezi lamelami, pak lze snadno výměník vyčistit propláchnutím proudem vody. Na popsaná zkosení pak navazuje dělič vzduchu který vytváří v levém a pravém poloprostoru dva vzduchové kanály oddělené od sebe příčkou doléhající těsněním přesně na špici zkosení v jejím vrcholu. Ve výsledném uspořádání vstupuje interiérový vzduch do každé sudé vzduchové mezery výměníku nahoře skosením na pravé straně a vystupuje dole zkosením na levé straně. Exteriérový vzduch pak vstupuje do každé liché vzduchové mezery dole v pravo a vystupuje nahoře vlevo. Tímto konstrukčním uspořádáním tvaru výměníku je docíleno požadovaného stavu kdy jednotlivé vzdušiny proudí výměníkem proti sobě a jsou odděleny kovovými lamelami přes které si předávájí teplo aniž by se vzdušné proudy směšovaly. Horní dělič vzduchu je na obrázku 3.

Obr.3 Horní dělič vzduchu

Materiál tělesa výměníku Materiálem výměníku se rozumí bočnice mezi které jsou naskládány jednotlivé lamely, distanční pásky výšky 6mm nalepené po stranách lamel podél bočnic které určují jejich rozestup, tedy tloušťku vzduchové mezery a spodní a horní deska která započíná a ukončuje skládání jádra výměníku. Tento materiál musí odolávat vlivům vody která bude na lamelách výměníku kondenzovat. To vede jednoznačně k volbě plastu, konkrétně PMMA známého jako plexisklo. Tento materiál má jednu velkou výhodu, je totiž průhledný a tak bude možno do výměníku vidět a posoudit například zamrzání kondenzátu vizuelně, ne jenom z vnějších projevů. Materiál bude mechanicky spojen s lamelami, měl by mít proto stejnou délkovou roztažnost. Délková teplotní roztažnost PMMA dle [22] je 70-90, roztažnost hliníku pak 23,1 proto je potřeba počítat s tím že plast bude s teplotou dilatovat více než hliník. Ve výměníku jsou dilataci ponechána volná místa tím, že pásky podél bočnic které vytváří mezery mezi lamelami nejsou po celé délce, ale jsou na dvou místech přerušeny. Celkově se s teplotní dilatací dají očekávat problémy. Viz níže v kapitole těsnění.

Izolační materiál a jeho tloušťka, prostup tepla Izolační vrstva je volena tak aby jednotka měla stejný nebo lepší součinitel prostupu tepla z exteriéru do interiéru jako má okenní konstrukce do které je osazena. Pro zdvojená dřevěná okna je hodnota U= 2,7 W/m2*K [21]. Tepelná izolace byla vyrobena z pěnového polystyrenu, jehož rozměry byly specielně na zakázku nařezány. Tepelná vodivost pěnového polystyrenu je λ = 0,04 W/m*K. Hlavní vrstva izolace je umístěna uvnitř boxu z exteriérové strany a její tloušťka byla zvolena 40mm. Pouze ve spodní části boxu ustupuje tloušťka izolace na 10mm a vytváři tak prostor pro ventilátory, které mají tloušťku 32mm a jsou takto zapuštěny do vrstvy tepelné izolace. Spodní, horní, obě boční a vnitřní strany jsou izolovány polystyrenem tloušťky 2cm. Do izolace jsou rovněž vyřezány otvory pro prostupy vzduchových kanálů. Vypočtený součinitel prostupu tepla dle [23] pro hlavní izolační vrstvu 40mm je U = 1 W/m2*K. To je lepší hodnota než má okenní konstrukce, tedy vyhovující.

Interiérovou stranu jednotky bez víka ukazuje obrázek 4

Obr. 4 Interiérová strana jednotky bez víka

Ochrana proti hluku Omezení hlučnosti vlastního zařízení, tedy ventilátorů by mělo zabezpečit jejich umístění na exteriérové straně boxu. Tím že je lamelový výměník zařazen mezi ventilátory a interiérové výústky by mělo být dosaženo útlumu hluku v kanálech výměníku. Ten se vzhledem k rozdělení proudu do 13 kanálů a jejich opětovnému sloučení bude chovat jako tlumič hluku. Přenos vibrací do pláště jednotky a okenního rámu by měl být omezen souvislou vrstvou izolace kolem jádra výměníku s ventilátory. Přímý aukustický most mezi venilátory a částmi s nimiž jsou mechanicky spojeny zde není. Vibrace by měly být utlumeny vrstvou tepelné izolace. Pronikání hluku z exteriéru, tedy neprůzvučnost by měly být zajištěny jednak výše popsanými vlastnostmi výměníku a jednak několikerým zalomením vzduchového kanálu uvnitř jednotky.

Vnější plášť

Mmateriály a konstrukce pláště výměníku Vhledem k umístění jednotky do křídla dřevěného okna je z estetického i konstrukčního hlediska nejvhodnějším materiálem pro vnější plášť jednotky dřevo. Konkrétně pro plošné dílce překližka tloušťky 5mm a pro jejich spojení na hranách hranolky z borového řeziva s průřezem ve tvaru písmene L, ty budou tvořit vnější rám a spojovat hrany plošných dílceů které na ně budou uchyceny lepením a vruty pro dosažení okamžité manipulační pevnosti. Plošné dílce požadovaných rozměrů s vyřezanými otvory pro prostupy a konstrukční hranolky požadovaných délek jsou připraveny pro vlastní montáž.

Napojení na těleso okenního křídla Z plošných dílců exteriérové plochy, bočnic, spodní a vrchní plochy a hranolků je složena vnější polovina která je vsunuta do připraveného okenního křídla z vnější strany tak že z větší části zasahuje do interiéru jak je patrné z výkresu „celkový pohled“ v příloze P3. Okenní křídlo bylo připraveno na montáž větrací jednotky tak, že bylo odstraněno původní zasklení a následně odstraněn sklenářský tmel po obvodě. Hranolky konstrukce boxu jsou napojeny do tělesa okenního křídla na vlepené čtyři dřevěné kolíky průměru 6mm, délky 30mm. Následně je doděláno zpevnění hran interiérové strany hranolky které jsou na okenní křídlo opět napojené pomocí kolíkových spojů. Z interiérové strany není box napevno uzavřen interiérovou plochou, ta je pouze olemována hranolky a vytváří víko boxu které se bude připevňovat pomocí pákových spon. Vznikl tedy plánovaný box s prostupy na exteriérové a interiérové straně o vnitřních rozměrech 25x25x140cm s hladkými vnitřními stěnami díky umístění konstrukčních hranolků z vnější strany boxu. Box je z interiérové strany uzavíratelný víkem pro montáž vnitřního vybavení i pro přístup za účelem čištění.

V rovině zasklení je mezi skly na boční stěnu jednotky připevněna zasklívací lišta, jejíž dosedací plochy na vnitřní a venkovní straně umožnují dosednutí obou sklel zasklení. Nevyužitá polovina šířky okenního křídla je dosklená dvěma na zakázku uřezanými skly tloušťky 4mm, osazenými na sklenářský tmel,vzhledem ke stejné konstrukci lze tedy předpokládat stejné vlastnosti jako mělo původní zasklení celého okenního křídla..

Spojovací materiál Pro všechny spoje bylo použito moderní vypěňovací lepidlo na dřevo na bázi polyuretanu, které se vyznačuje výbornými vlastnostmi spoje, zejména vyplněním všech nerovností doléhajících ploch a poměrně rychlou dobou vytvrzení. Pro získání okamžité manipulační pevnosti je většina spojů zajištěna vruty. Spojení konstrukce boxu a okenního křídla je provedeno na vlepené kolíky. Konstrukce zajišťuje solidní mechanickou odolnost a stabilitu. Bezpečnost a mechanická stabilita je tedy na stejné či lepší úrovni než u vlastní okenní konstrukce.Víko z interiérové strany je přichyceno pomocí čtyř bednových pákových spon na bocích boxu, ty zajišťují přítlak víka a těsnost boxu.

Povrchová úprava Všechny plochy z interiéru, exteriéru, i vnitřek boxu jsou opatřeny ochranným nátěrem transparentním lakem. Je použit vodou ředitelný lak české výroby na bázi polyuretanu. Všechny plochy jsou naneseny třemi vrstvami laku. Interiérová strana jednotky uzavřené víkem je na obrázku 5.

Obr. 5 Interiérová strana jednotky uzavřené víkem

Vlhkostní bilance a odvod kondenzátu Ve fázi návrhu bylo počítáno s vývinem kondenzátu na teplosměnné ploše v oblasti výstupu interiérového vzduchu do exteriéru. To je kritické místo ve kterém musí být pro správnou funkci kladná teplota ( viz kapitola o stanovení minimální provozní teploty výměníku ), dále zde musí být konstrukčně vyřešeno spádování, aby se všechen vznikající kondenzát shromažďoval na jednom místě do kterého bude ústit hadice pro jeho odvod do interiéru mimo jednotku. Hadice pro odvod kondenzátu musí ústit do uzavřené nádoby, aby nebyly ovlivněny tlakové poměry ve výstupním vzduchovém kanále. Kondenzát musí ze všech teplosměnných ploch gravitačně stékat do misky vytvořené v komoře výstupního vzduchu před sáním výstupního ventilátoru. Vytvořená miska musí zachycovat všechen kondenzát, aby nemohl být nasán ventilátorem a v nejnižším bodě misky zaústěná hadice musí zajistit jeho gravitační odtok do nádoby pod jednotkou. Použitá nádoba je klasická 1,5litrová PET lahev, použitá hadice je plastová

transparentní o vnitřním průměru 1cm zaústěná do vršku láhve a dotěsněná silikonem. Lahev na jímání kondenzátu je vidět na obrázku 6

Obr 6 Nádoba pro zachycování kondenzátu

Uchycení křídla do rámu okna Jednotka s okenním křídlem tvoří pevnou nerozebiratelnou sestavu a po dokončení bude i s okenním křídlem vsazena do stávajícího rámu okna bez jeho úprav. Připevnění bude možné pomocí původního okenního kování ale kličkou na jedné straně. Vzhledem k tomu že se jednalo o výklopné a otevíravé okno vyžaduje jeho kování na protšjší straně nasazení okna při jeho vyklopení To nebude vzhledem k objemu jednotky zasahující do interiéru zároveň k okennímu parapetu možné. Proto bude okenní křídlo uchyceno na protější straně kličky dvěma vruty přímo do dřevěného rámu.

Těsnění

V jednotce samotné jsou použita tato těsnění: Jak už bylo uvedeno v kapitole „Tvar výměníku“ bude pro zatěsnění lamel výměníku pro rozdělení na dva vzájemně oddělené kanály použito mikroporézní černé pryže profilu 6x10mm. Tloušťka těsnění 6mm tedy odpovídá mezerám mezi lamelami mezi které je vtlačeno. Těsnění není mezi lamely vlepeno, aby bylo možné jej vyjmout a jádro výměníku vyčistit. Na dotěsnění děličů vzduchu a misky pro odvod kondenzátu byl použit sanitární silikon. Děliče vzduchu jsou k jádru výměníku přilepeny vnějším přelepením širokou lepící páskou vyztuženou textilií, ta zatěsňuje spojení děličů s jádrem výměníku. Ve styku okenního křídla a rámu je pěnové samolepící těsnění, stejné kterým byla zatěsněna před testováním všechna ostatní okna a balkónové a interiérové dveře. Po sestavení a zkoušce jednotky bylo zjištěno že dochází k významnému zkratování vzdušných proudů netěsnostmi mezi plechy lamel a plastovými bočnicemi. Zejména z důvodu ponechaných dvou mezer mezi distačními pásky oddělujícími jednotlivé lamely které jsou nalepené rovnoběžně s bočnicemi na kažkou lamelu. Do horní části výměníku se nedostával prakticky žádný vzduch, všechen se prošel netěsnostmi v lamelách výměníku. Bylo tedy nutné výměník dodatečně dotěsnit. Byl Použit zalévací polyuretan pro elektroniku vzhledem k velké vzlínavosti a zatékavosti. Ten se používá například pro zabezpečení krytí proti vodě zalitím plošného spoje se součástkami do krabičky s vyvedenými dráty. Tento specielní materiál vyrábí specializovaná pražská chemická firma. V našem případě byl tento materiál s velmi dobrými vlastnostmi zejména pružností pod bodem mrazu použit pro zalití dvou mezer mezi distančními lištami lamel z obou stran výměníku. Materiál výborně zatekl do všech mezer a vyplnil rovnoměrně prostor mezi všemi lamelami a plastovou bočnicí. Postupně byla zalita levá a po vytvrzení a otočení i pravá strana výměníku. Tím došlo k 100% zatěsnění a při další zkoušce už vzduch protékal celým výměníkem bez směšování jednotlivých proudů. Spodní dělič s miskou pro odvod kondenzátu a ventilátory je na obrázku 7

Obr 7 Spodní dělič

Výkresová dokumentace Celkový model, rozměrové přizpůsobení křídlu okna Tento prototyp byl navržen ve školní verzi populárního programu pro tvorbu 3D parametrických modelů. Díky možnostem maniulovat s představou v prostoru bylo umožněno navržení takto prostorově kompaktní jednotky. Základem byl model okenního křídla a jádra výměníku s děliči vzduchu a ventilátory Následně byla sestavena v okenním křídle konstrukce boxu ve kterém byla navržena po celém obvodě tepelná izolace. Výkresy jednotky s rozměrovými kótami jsou v příloze 4

Dílčí výkresy pro výrobu jednotlivých součástí Podle modelu byly potom vygenerovány plošné rozměry dílců z překližky a délky L hranolků na spojení hran pro truhlářsko stolařskou dílnu, plošné a tloušťkové rozměry pěnového polystyrenu pro nařezání firmou zpracovávající bloky tohoto materiálu. Dále byly z modelu určeny rozměry plastových desek, vzhled a konstrukční uspořádání děličů vzduchu a tvar plechové lamely a jejich celkový počet.

Zkušební provoz a měření Okrajové podmínky Praktická zkouška prototypu probíhala z hlediska okrajových podmínek provozovaného zařízení z jeho exteriérové a interiérové strany následovně. Měření probíhala v lednu až březnu 2010, tento rok venkovní teploty umožnily měření při teplotách až mínus 17°C, takže zařízení bylo otestováno při extrémních mrazech. Vnitřní teplotní podmínky v pokoji byly v průběhu měření drženy na stabilní úrovni pomocí termostatické hlavice otopného tělesa. Vlhkost se v pokoji nevyvíjí, jediným zdrojem je pobyt jedné osoby, což zaručuje v místnosti relativní vlhkost do 30% při teplotě 22°C. Takovýto vzduch obsahuje asi 5g vody na 1kg. Kilogram vzduchu při hustotě ρ(22°C, 30%) = 1,175kg/m3 [16] představuje objem 0,851m3. Voda nesená tímto vzduchem začíná kondenzovat při teplotě rosného bodu která je pro vzduch daných parametrů dle [15] 3,7°C. Z toho důvodu při při testování ve výměníku většinou nedocházelo ke kondenzaci vodních par v kanále odváděného vzduchu. Pouze pokud byla v pokoji uměle zvýšena vlhkost na zhruba 50% například umístěním sušáku s mokrým prádlem začalo docházet ke kondenzaci ve výstupním vzduchovém kanále. Otázka vlhosti vzduchu a kondenzace je dále rozebrána v kapitole vhkostní bilance" a odvod kondenzátu a kapitole stanovení nejnižší provozní teploty pro provoz výměníku. Na obrázku 8 jsou vidět prostupy překryté mřížkou na exteriérové straně jednotky, celkový pohled na okno s větrací jednotkou z exteriéru a interiéru je v příloze P3

Obr. 8 Exteriérová strana jednotky

Návrh měřících bodů Pro zhodnocení parametrů prototypu byla navržena tato měřeření: Teplotní poměry budou měřeny čtyřmi teplotními čidly s kontinuelním záznamem teploty. Měřena bude vždy vstupní a výstupní teplota na vnější a vnitřní výústce obou vzduchových kanálů, tj přívodního a odsávacího. U probíhajícího měření bude zaznamenána informace o stupni regulace na který v daném čase jednotka běží pro následné vytvoření charakteristiky účinnost-průtok. Z těchto zaznamenaných hodnot bude posuzována termická účinnostzpětného získávání tepla, čas náběhu výměníku na ustálené teploty a minimální provozní teplota z hlediska výstupního vzduchu a zamrzání případného kondenzátu. Na vstupních výústkách v interiéru bude změřena rychlost protékajícího vzduchu žárovým anemometrem [17]. Z průměrné rychlosti a průřezu výústek bude vypočten skutečný objem protékajícího vzduchu. Rychlost bude měřena pro jednotlivé stupně označené na stupnici regulace a bude stanoven odpovídající průtok.

Popis zapůjčených měřících zařízení Měření a záznam teplot Pro měření a záznam teplot byly zapůjčeny dva přístroje Commeter DO221 firmy Comet. Přístroj DO221 je dvoukanálový teploměr se záznamem pro teplotní sondy s odporovým senzorem Ni1000/6180ppm [18]. Vlastní přístroj je krabička velikosti 141*71*27mm s displayem pro zobrazení hodnot, konektory pro připojení kabelů s teplotními čidly a konektorem pro připojení k počítači přes sériový port. Zařízení je napájeno z devítivoltové baterie a naměřené hodnoty ukládá v nastaveném intervalu do vnitřní energeticky nezávislé paměti. Kapacita vnitřní paměti je 8124 záznamů což v režimu záznamu jedenkrát za 10s vystačí na 23 hodin záznamu. Po zaplnění paměti je záznam automaticky ukončen. Pomocí volně šířeného firemního softwaru je možné hodnoty uložené v přístroji zkopírovat do počítače a dále zpracovat v tabulkovém editoru. Při rozsahu měřitelných teplot od -50 do 100°C je přesnost naměřených hodnot +-0,4°C. Přístroje commeter jsou na obrázku 9

Obr.9 Záznamníky teplot

Měření rychlosti vzduchu ve výústkách Pro měření rychlosti vzduchu byl zapůjčen žárový anemometr Testo 405.V1. Minianemometr Testo 405 je zástupcem nejlevnější řady anemometrů Testo [19]. Vlastní přístroj velikosti a tvaru vejce je vybaven displayem pro zobrazení hodnot a je vůči měřící sondě otočný v úhlu 180° což usnadňuje čitelnost údajů. Vzhedem k tomu že je přístroj vybaven šipkou určující směr proudění vzduchu ve kterém byl přístroj kalibrován je potřeba tento směr dodržovat. Měřící sonda přístroje průměru 1,2cm a délky 30cm je vybavena otočnou krytkou která chrání měřící odporový drátek. Přístroj je napájen ze tří mikrotužkových baterií umístěných v dutině sondy. Přístroj měří rychlost proudění v rozsahu 0-10m/s s rozlišením 0,01m/s. Přesnost přístroje v intervalu 0-2 m/s je +-0,1 m/s. Dále přístroj měří teplotu protékajícího vzduchu v rozsahu 0-50°C s rozlišením 0,1°C a přesností +-0,5°C. Přístroj umožňuje při zadání průřezu zobrazit přímo průtok v m3/h. Přístroj Testo je na obrázku 10.

Obr 10 Anemometr

Instalace čidel teploty na měřící body

K přístrojům Commeter byly čidla na kabelech délky 10m takže umístění čidla před výústku uvnitř výměníku a vyvedení kabelu vně nedělalo problém. Samotné teplotní čidlo mělo podobu kovové tyčinky průměru 5mm a délky zhruba 35mm. Čidla byla v jednotce umístěna do středu prostoru vytvořeného průchodem vzduchového kanálu tepelnou izolací. Ta zároveň chránila čidlo před teplotním ovlivněním měření. Čidlo bylo tedy obtékáno vzduchem jehož teplotu mělo za úkol měřit. Kabel k čidlu byl veden také v rovině tepelné izolace. Do izolace z pěnového polystyrenu lze snadno udělat drážku na kabel hodně vytvarovaným očkem na trafopájce. Do takto vypálených drážek byl vtlačen kabel k čidlu. Samotné registrační přistroje Commeter byly položeny na poličce vedle okna. Instalaci čidel do jednotky ukazuje obrázek 11.

Obr. 11 Umístění čidla teploty

Měření teplot, záznam hodnot Byly měřeny čtyři teploty, teplota T1 sání na straně exteriéru, T2 výfuk do interiéru, T3 sání z interiéru a T4 výfuk do exteriéru. Naměřené hodnoty byly zaznamenávány v nejkratším možném intervalu 10s. K hodnotě přístroj vždy doplní čas a datum měření, toho bude využito pro přiřazení hodnot teplot k poznačenému stupni regulace ventilátorů.

Měření při všech regulačních stupních Jednotka byla provozována v zaznamenaný časový interval vždy na jeden z regulačních stupňů označených na dráze potenciometru regulátoru otáček ventilátorů. Později bude měřením rychlosti jednotlivým regulačním stupňům přiřazen objem protékajícího vzduchu a bude sestaven graf závislosti účinnosti zzt na průtoku. Výsladky měření příkonu ventilátorů na straně nízkého napětí za síťovým transformátorem v závislosti na stupni regulace shrnuje tabulka 1.

Tab.1 Změřený příkon ventilátorů ( nízké napětí ) Stupeň regulace Napětí (A) Proud (A) Příkon (W) Plný výkon 12,2 1,3 15,86 3" 12,8 0,9 11,52 2" 13 0,77 10,01 1" 13,5 0,48 6,48 Tab.1 Změřený příkon ventilátorů ( nízké napětí )

Zjištění náběhových charakteristik Pro měření času za který se teploty ustálí je zapotřebí zapnout první teplotní měření a po krátké pauze na několik záznamů teplot spustit ventilátory. Z tabulky zaznamenaných hodnot je pak možné vyčíst dobu za kterou se teploty ustálí a začnou oscilovat kolem stálé hodnoty. Tento čas se pohybuje v rozmezí 20 až 30 minut. Tato značně dlouhá doba je patrně způsobena velkou vlastní tepelnou kapacitou výměníku způsobenou použitím relativně tlustých plechů (0,6mm). Po dobu náběhu nevykazuje výměník typické parametry a hodnoty z tohoto intervalu nebyly dále zpracovávány pro výpočet charakteristik výměníku.

Měření rychlostí proudění vzduchu v jednotlivých kanálech K měření rychlosti vzduchu protékajícího výústkami byly demontovány mřížky z tahokovu na interiérové straně. Vstupní filtr na vstupu z exteriéru byl také odejmut. Naměřené hodnoty jsou tedy hodnoty pro provoz bez filtrů. Pro každý regulační stupeň

bylo v každé výústce naměřeno sedm hodnot umístěných v průřezu tak jak ukazuje obrázek. Z těchto hodnot byla vypočtena průměrná rychlost vzduchu ve výústce. Rozmístění měřících bodů je znázorněno na obrázku 12

Obr. 12 Měřící body pro stanovení průměrné rychlosti proudění

Výpočet skutečného protékajícího množství vzduchu Z rozměrů výústek byla vypočtena plocha průřezu a z té a průměrné rychlosti vzduchu byl vypočten průtok vzduchu v m3/h. Přístroj Testo 405 tento přepočet nabízí a po zadání plochy zobrazuje přímo průtok, tato možnost ale nebyla využita. Bylo použito přesnější metody výpočtu průměrné rychlosti vzduchu ze sítě měřených bodů. Tím se dosáhne zohlednění nerovnoměrností v rychlosti vzduchu v daném průřezu. Naměřené průměrné hodnoty rychlosti a vypočtené průtoky shrnuje tabulka 2 V průtocích se projevila nerovnoměrnost přiváděného a odváděného vzduchu, přestože výměník byl navrhován jako rovnotlaký s poměrem Vp/Vo = 1 ( kde Vp je objem přiváděného z exteriéru a Vo objem vzduchu odváděného z interiéru místnosti) a s regulací společnou pro oba ventilátory, tedy stejnými otáčkami. Tato nerovnoměrnost je důsledkem nižsího

tlakového výkonu ventilátoru s odporem zařazeným v sání (Vo) v porovnání s odporem zařazeným ve výtlaku (Vp).

Tab.2 Měření průtoku výdechy v interiéru při 22°C a 30% r.v. Rozměr (mm) 35*185 Sání Průřez (m2) ( Vo )

Stupeň regulace Plný výkon 3" 2"

Rychlost (m/s) Objem (m3/h) 1,38 32,1 1,08 25,2 0,95 22,1

0,00647 1" Rozměr (mm) 55*80

Výfuk Průřez (m2) ( Vp )

0,65

Stupeň regulace Plný výkon 3" 2"

15,1

Rychlost (m/s) Objem (m3/h) 2,57 40,7 1,87 29,6 1,74 27,5

0,0044 1"

1,27

20,1

Tab.2 Měření průtoku výdechy v interiéru při 22°C a 30% r.v.

Výpočet účinnosti zpětného získávání tepla Z tabulky naměřených hodnot byly dle data a času vybrány úseky odpovídající provozu na jednotlivé regulační stupně, ze kterých pak byly odděleny počáteční náběhové hodnoty a z ustálených hodnot byly vypočteny průměrné hodnoty teplot. Tyto teploty byly použity pro výpočet tzv termické účinnosti [20] zpětného získávání tepla (zzt), dále jen účinnosti (Ut). Ta je definována jako podíl skutečně převedeného a teoreticky nejvýše převeditelného tepelného toku, charakterizuje tepelně transportní pochod ve výměníku stupněm využítí rozdílu vstupních teplot T3(interiér)-T1(exteriér). Účinnost je tedy dána vztahem: Ut = (T2 - T1) / (T3 - T1)*100

[10]

Průměrné teploty a vypočtená účinnost při jednotlivých stupních je shrnuta v tabulce 3. Obrázek 13 je grafickým znázorněním změřeného průtoku a účinnosti

Tab. Výpočet účinnosti ZZT z naměřených hodnot* Stupeň regulace Plný výkon 3" 2" 1"

T1 -3,8 -3,6 -4,1

T2 T3 Vo (m3/h) Vp (m3/h) Ut (%) Poměr Vp/Vo 75 14,4 20,6 32,1 40,7 1,27 77 15,0 20,5 25,2 29,6 1,17 78 15,5 21,3 22,1 27,5 1,24

-4,5 17,2

21,8

15,1

20,1

82

*( průměrné hodnoty ustálené teploty z 50 zaznamenaných hodnot ) Tab.3 Výpočet účinnosti ZZT z naměřených hodnot

1,33

Závislost účinnosti na průtoku 84

Účinnost %

82 80 78 76 74 72 70 40,7

29,6

27,5

20,1

Průtok Vp (m3/h)

Obr. 13 Grafické znázornění průtoku a účinnosti

Vztah účinnosti a poměru přiváděného a odváděného vzduchu Měření průtoků poukázalo na nerovnoměrnost Vp/Vo, ve prospěch Vp. To má na výpočet termické účinnosti následující vliv: Zvýšení poměru odváděného vzduchu ku přiváděnému zvýšíme při stejných vnějších teplotách obě výstupní teploty z výměníku a naopak, vyšším poměrem vzduchu přiváděného se tyto výstupní teploty sníží. Odváděný interiérový vzduch je totiž dodavatelem energie do systému a ohřívá teplosměnou plochu výměníku, ve výpočtu termické účinnosti má zvýšení výstupní teploty za následek zvýšení vypočtené účinnosti. Z hlediska odvodu kondenzátu na výstupní straně zvýšená teplota zabrání zamrzání.Toho se dá využít a změnit poměr při dosažení kritické teploty na výstupu do exteriéru. Na základě měření při nezávislé regulaci množství přiváděného a odváděného vzduchu lze sestavit diagram vlivu jejich poměru na výpočtovou účinnost. Vzhledem k tomu že první verze regulace samostatné řízení nedovoluje a v průtocích se projevila nerovnoměrnost daná rozdílnými tlakovými poměry, můžeme si pro korekční výpočet vypůjčit tento diagram již sestavený. Jedná se o diagram sestavený také pro lamelový výměník s plechovými lamelami, takže jeho poměrové ukazatele budou podobné. Jak je z diagramu patrné, výpočtovou účinnost lze korigovat pomocí korekčního faktoru odečteného z diagramu na obrázku 14

vypůjčeného

z dokumentace konstrukčně

podobného výměníku [14]. Tabulka 4 pak ukazuje přibližné výpočtové účinnosti při ideálním poměru Vp/Vo = 1 dle korekčního faktoru účinnosti odečteného z diagramu.

Tab. 3 Korekce účinnosti dle diagramu 2 dle [14] Stupeň Poměr Korekce regulace Vp/Vo účinnosti Plný výkon 1,27 +6% 3" 1,17 +3% 2" 1,24 +5,5% 1" 1,33 +8% Tab. 4 Korekce účinnosti dle diagramu 2 dle [14]

Obr. 14 Diagram 2 pro korekci účinnosti

Stanovení nejnižší provozní teploty pro standartní provoz Jak bylo uvedeno v kapitole" okrajové podmínky", ve výstupním vzduchu může v závislosti na jeho teplotě a vlhkosti docházet ke kondenzaci vody na stěnách výměníku v části blížící se venkovní výfukové výústce. K této kondenzaci bude nutně vždy docházet vzhledem k překročení teploty rosného bodu vzduchu. Proto je spodní výstupní komora vyrobena stejně jako celé jádro výměníku z plastu ( PMMA, tzv. plexisklo ) zejména kvůli odolnosti proti vodě. Spoje stěn komory jsou zatěsněny silikonem a kondenzát volně stéká hadičkou vně jednotky do uzavřené nádoby objemu 1,5l. Při zvýšení vlhkosti a teploty v místnosti je možno najímat i půl litru kondenzátu

za odpoledne, například při sušení prádla. Množství kondenzátu je možné odvodit z objemového průtoku a absolutní vlhkosti vzduchu dle Moliérova diagramu [16]. Aby mohl popsaný pochod probíhat, musí být umožněno kapalné skupenství vody. To je možné zjednodušit na požadavek na teplotu výstupního vzduchu vyšší než +1°C. Tabulka Tab. 5 ukazuje pokles teploty výstupního vzduchu T4 vzhledem ke klesající venkovní teplotě při zhruba konstantní vnitřní teplotě a účinnosti. Překročení kritické teploty bodu mrazu je dobře patrné na obrázku15. Tabulka je sestavena pro změřené průtoky, tedy s poměrem přiváděného ku odváděnému vzduchu Vp/Vo asi 1,27 ve prospěch vzduchu přiváděného. Právě samostatnou regulací otáček ventilátorů a změnou poměru přiváděného a odváděného vzduchu je možné změnit teplotní poměry ve výměníku a například zvýšením množství odváděného vzduchu z interiéru lze zvýšit teplotu na výstupu z výměníku nad zámznou teplotu.Obrázek 16 ukazuje názorně zamrznutí kondenzátu.

Tab. Výstupní teplota a zamrzání kondenátu Vstupy Výstupy T int T ext T int Text Účinnost 21,95 10,97 19,40 15,20 76,78 21,78 5,22 17,95 11,22 76,87 22,20 -0,78 16,37 6,79 74,63 19,90 -5,86 13,60 1,43 75,54 22,62 -11,84 13,93 -1,35 74,78 20,08 -16,88 10,19 -3,50 73,24 Nejnižší naměřená venkovní teplota bez zamrzání T int T ext T int Text Účinnost 24,10 -12,50 17,80 0,90 82,00 Tab. 5 Výstupní teplota a zamrzání kondenátu

Teplota výstupního vzduchu v závislosti na venkovní teplotě při teplotě interiéru 20-22°C a ú činnosti 73-76%

Teplota výstupního vzduchu

20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 -5,00

10,97 5,22

-0,78 -5,86 -11,84 -16,88

Venkovní teplota

Obr.15 Grafické znázornění kritické výstupní teploty vzduchu

Obr. 16 Důsledek výstupní teploty pod bodem mrazu

Návrh opatření pro provoz při extrémně nízkých teplotách Z tabulky 5 je patrné že při současném stavu je výměník schopen pracovat bez problému se zamrzáním kondenzátu a při pokojové teplotě 20-22°C do teploty asi -6°C. Dodáním samostatné regulace otáček jednotlivých ventilátorů a doladěním na poměr 1/1 tato hodnota ještě dále klesne. Samozřejmě tato hodnota poklesne i se zvýšením interiérové teploty, jak je patrné z tabulky Tab. Pro automatickou funkci by bylo vhodné doplnit regulátor

obvodem pro automatické omezení otáček ventilátoru vstupního

vzduchu při dosažení kritické výstupní teploty. Tím by došlo k poměrovému navýšení teplého odváděného vzduchu a zvýšení výstupní teploty vzduchu. Obdobné řešení se spínáním topného kabelu umístěného v oblasti odvodu kondenzátu by bylo méně vhodné. Jednak z důvodu vícenákladů na energii následně odcházející přímo do výstupu a také z důvou odmražování již namrzlých lamel výměníku je vhodnější odmražování odváděným vzduchem. To by se mohlo dít i v cyklických fázích.

Subjektivní posouzení a popis přínosu instalovaného zařízení

Subjektivně je zařízení v pokoji opravdu poznat. V dobrém smyslu slova tím že při zavřených oknech a venkovních teplotách pod bodem mrazu je v pokoji cítit čerstvý venkovní vzduch, ale není cítit chlad. Je to zajímavý jev který není srovnatelný s dojmem z jiých způsobů větrání. Čerstvý vzduch se v pokoji šíří rovnoměrně tím že je přiváděn do prostoru před oknem nad otopné těleso, tím se snadno zapojí do mísících se vzdušných proudů a ohřeje se velmi rychle na teplotu interiéru. Odpadní vzduch je odebírán z prostoru pod stropem, kde má vzduch nejvyšší teplotu a proto se zde přirozeně hromadí vydýchaný vzduch. Nerovnoměrnost průtoků ve prospěch přiváděného vzduchu se projevuje tak že do pokoje ani při otevřených dveřích do kuchyně nepronikají pachy protože větrání je mírně přetlakové. V nedobrém slova smyslu je provoz zařízení v interiéru poznat značným hlukem. I přes snahu o odhlučnění ventilátorů jejich umístěním za výměník na exteriérovou stranu, proniká do interiéru hodně hluku. Je to především hluk přenášený vibracemi přes pěnový polystyren, který je příliš tvrdý na to aby tento přenos tlumil, do celého pláště jednotky. Hlučnost na nejvyšší stupeň je proto vysoká, až u druhého regulačního stupně je hladina hluku snesitelná. Na druhý stupeň je hluk srovnatelný se staršími hlučnými počítači, což už je docela dobré, vzhledem k tomu že průtok na druhý stupeň regulace vlastně odpovídá návrhové hodnotě pro výměnu vzduch dle normy. Pokud je jednotka vypnutá vykazuje velmi dobrý útlum venkovního hluku. Hodnota neprůzvučnosti bude díky útlumu v několikrát zalomeném kanále a lamelovému výměníku plně srovnatelná se zavřeným oknem tj dle [21] asi 28 db. Také odolnost proti účinkům větru je dobrá, Vzhedem k tomu že zařízení není vybaveno žádnými uzavíracími elementy. To je možno jen s ohledem na exteriér kdy v přizemí a uprostřed lodžie je okno chráněno před přímým větrem. Ve vysokém patře na návětrné straně by byly klapky uzavírající venkovní prostupy při vypnutých ventilátorech nezbytné. Celkově jsem se zařízením velmi spokojen a jeho provozováním dle zvoleného časového programu na týdenním digitálním časovači eliminuji nepříjemnou hlučnost spínáním zařízení v rušnějších fázích dne, ne v noci.

Spatřované nedostatky a návrh úpravy konstrukce Mezi hlavní nedostatky patří nemožnost regulovat otáčky jednotlivých ventilátorů nezávisle na sobě, což by umožnilo doregulovat průtoky na poměr 1/1. To

bude součástí druhé verze regulátoru, který bude navíc obsahovat i protimrazovou ochranu pracující na výše zmiňovaném principu. Dále již zmiňovaná hlučnost. Pomohlo by určitě nahradit polystyren nějakou minerální vatou, což by ovšem přineslo komplikace. PS izolace je totiž tvořena na zakázku řezanými deskami požadovaných rozměrů a to i tloušťky. S jakoukoli jinou izolací by byl proto problém z hlediska rozměrů a rozměrové stálosti izolační vrstvy, která je u polystyrenu výborná. Tato nevýhoda je z větší části eleiminována spínáním dle zvoleného programu.

Ekonomické zhodnocení návratnosti investice do úspory energie Zařízení které při svém provozu přináší úsporu energie jako důsledek zpětného získávání tepla je možné posuzovat z ekonomického hlediska jako investici do úspory energie u které se dá spočítat její návratnost. Návratnost investice, neboli rentabilita je dána počáteční hodnotou investice, plánovanou úsporou energie, náklady na provoz, cenami energií a předpokládaným tempem jejich růstu. Pro posouzení návratnosti je tedy zapotřebí vypočíst tepelnou ztrátu vznikající z větrání dle doporučení normy za předpokladu že přiváděný vzduch bude ohříván na interiérovou teplotu bez použití výměníku zzt pouze topením a odečíst od této hodnoty variantu větrání se zpětným získáváním tepla výměníkem o tepelné účinnosti 75 %, kdy je topením vyrovnáván pouze teplotní rozdíl výstupu z výměníku a interiéru, což je pouze chybějících 25%. Exteriérová teplota pro tento výpočet bude uvažována průměrná teplota v topné sezóně v letech 2000 až 2009 v brně dle údajů brněnské teplárny [6]. Vypočtená hodnota je energie kterou výměník uspoří svou činností za uvažovanou časovou jednotku . Pro výpočet doby po kterou bude zařízení v provozu je důležitá průměrná délka topné sezóny zjištěná stejně jako průměrná teplota z údajů teplárny a průměru hodnot z výše uvedeného období. Doba topné sezóny je údajem o délce trvání spotřeby energie pro vytápění, po kterou můžeme uvažovat úsporný efekt zařízení Zde jsem uvažoval o dvou variantách pro které je doba návratnosti vyčíslena zvlášť a to provoz 8 hodin denně a nepřetržitý provoz. Roční efekt úspory nákladů na energi v prvním roce je tedy dán množstvím uspořené energie vynásobené její cenou v letošním roce zjištěnou opět od tepláren dle [12] po odečtení nákladů na elektřinu při její ceně z letočního roku dle [13] kterou zařízení za daný čas při známém příkonu ventilátorů spotřebovalo. U obu cen

energií je pro výpočet úspory v následujících letech efekt úspory navyšován předpokládaným růstem cen elektřiny i tepla 4%. Tato každoročně narůstající hodnota úspory je každoročně odečítána od vstupních vynaložených nákladů a v okamžiku kdy se tyto hodnoty rovnají dojde k navrácení nákladů na pořízení. Doba po kterou nám zařízení přináší úsporu je limitována jeho životností. Z hlediska rentability je dobré když životnost je minimálně dvojnásobkem doby návratnosti. Životnost vzduchotechniky bývá běžně uváděna 10až 15 let [9]. Pokud by jsme tedy uvažovali životnost jednotky 15 let bude její cena rentabilní z hlediska návratnosti pokud nepřesáhne polovinu této doby tedy 7,5 roku. Větrací jednotka byla postavena pouze jako prototyp v počtu jednoho kusu, vyčíslit náklady na její výrobu je proto poměrně obtížné. Na prototypu je zejména mnoho vývojové práce, kterou je možné definovat ve firmě jako mzdové náklady lidí podílejících se na daném vývojovém úkolu.Tyto náklady se pak promítnou do celkové ceny výrobku. Zde vzhledem k výpočtu rentability nefigurují vůbec. Samotné náklady na materiál jsou ovlivněny malým odebraným množstvím. Práce řemeslníků pokud po nich požadujeme atypické díly prototypu je také jinak hodnocená než sériová výroba. Pro výpočet návratnosti jsem nakonec použil dvě varianty a to první u které je vstupní cenou pouze součet nákladů na materiál a druhou kde je započtena i práce v hodnotě odhadnuté pro malosériovou montáž a marže 40%. To je cena za kterou by mohl takovouto větrací jednotku nabídnout například výrobce oken na zakázku jako doplněk pro úsporné větrání při zavřených oknech. Hodnoty použité pro výpočet jsou shrnuty v tabulce 6. Vypočtenou tepelnou ztrátu větráním bez a s výměníkem zzt ukazuje tabulka7. Doba návratnosti pro jednotlivé popsané varianty je uvedena v grafu na obrázku 17.

Tab. 6 Výpočtové hodnoty - výpočet návratnosti *Te (venkovní) 4,18 °C Ti (vnitřní) 22 °C *Počet dní ts. 213,3 Dnů Provoz 24h 5119,2 h/rok Provoz 8h 1706,4 h/rok Účinnost ZZT 75 % Příkon 14 W Cena tepla [12] 626,75 kč/GJ Cena elektrické energie [13] 5,2 kč/kwh *( průměr z let 2000 až 2009 dle [6] ) Tab. 6 Výpočtové hodnoty - výpočet návratnosti

Tab.7 Výpočet porovnání tepelných ztrát větráním dle doporučení normy [2] Objem vyměněného vzduchu V 25,00 m3/h *Hustota ρ 1,23 kg/m3 *Měr. tep. kap. c 1005,00 J/(kg*K) ∆T (rozdíl teplot) 17,82 K Tep. ztráta větráním Q1 550704,83 J/h Q = V *c*ρ*∆T dle [25] 152,97 W Tep. ztráta větráním se ZZT ( Ut=75% ) Q2 137676,21 J/h Q = V *c*ρ*∆T* 38,24 W *( při p=100kPa, T=13°C, dle [11] ) Tab.7 Výpočet porovnání tepelných ztrát větráním dle doporučení normy

Reálná doba návratnosti 25 20 15

Cena 1 (výrobní) Cena 2 (prodejní)

10 5 0 provoz 24h

provoz 8h

Obr. 17 Návratnost porovnávaných variant

Předpoklady pro uvedení obdobného zařízení na trh Vhledem k tomu že pro okna jsou stanoveny požadavky zakotvené v normách je umístění jakéhokoli dalšího prvku který není jasně definovaný do okenní konstrukce problematické. To je případ větrací jednotky se zpětným získáváním tepla umístěné v okně. Bylo by zapotřebí takovou variantu v normě alespoň připustit a například stanovit že zkušební požadavky budou shodné s požadavky na okenní konstrukce. Muselo by být jasně definováno že jednotka by měla zajišťovat požadovanou výměnu vzduchu pokud by byla v provozu a těsnost tedy neprůvzdušnost ve vypnutém stavu. Zároveň by okno i s jednotkou muselo při měření prokázat hodnotu součinitele tepelné vodivosti U a zvukového útlumu Rw jaké jsou pro okna požadované. Rovněž by jednotka musela vykazovat stejnou odolnost proti zatékání a namáhání zkušebním přetlakem. Tyto požadavky by vyžadovaly nejspíš zapracování do normalizace a zkušebnictví. To je nejspíše důvod proč se na trhu s podobnými výrobky nesetkáváme.

Rozhodující bude vyjádření Zkušebny stavebně truhlářských výrobků k výsledkům této práce. Z výrobního hlediska by bylo nejvhodnější zapracovat takovouto jednotku například do konstrukce zdvojeného deštěného okna kde konstrukční hloubka okna (stejná jako konstrukční hloubka boxu jednotky) by umožnila skrytí jednotky omezením jejích přesahů do interiéru a exteriéru jako je tomu u prototypu a umístěním jednotky na stranu okna k ostění. Pokud by se jednalo například o tříkřídlé sdružené okno celkové šířky 1,8m bylo by rozšíření na jedné straně o 25cm na celkovou šířku okna 2,05m akceptovatelné i těžko postřehnutelné. Přirom by tato jednotka zajistila větrání i větší, například společenské místnosti při zavřených oknech. Pokud by byla například okna vybavena ve vnějších křídlech dvojsklem dostáváme se k zamýšlené představě deštěných oken pro třetí tisísiletí, která mají vynikající hodnoty prostupu tepla, útlumu hluku, a omezují dokonce i tepelnou ztrátu větráním tím že obsahují jednotku pro větrání při uzavřených oknech s regulací a zpětným získáváním tepla. Taková představa vlastně vedla k tvorbě tohoto prototypu, který je ovšem umístěn do zdvojeného okna malé konstrukční hloubky, proto přesahuje do exteriéru i interiéru. Šlo pouze o zkoušku toho zda má prostor pro umístění jednotky v okně opravdu předpokládaný potenciál dosahovat návrhových hodnot.

Nástin koncepce domu do kterého je toto zařízení vhodné Jak bylo poznamenáno výše, pokud by došlo k výrobě prototypu celého okna zmiňovaných parametrů to by se nejlépe hodilo například do horské chaty do velké společenské místnosti. Za předpokladu že by byla chata dostatečně tepelně izolována, s hodnotami tepelné ztráty prostupem neprůhlednou částí pláště budovy například na úrovni nízkoenergetické stavby při zachování klasického venkovního rázu horské stavby v kombinaci přírodního dřeva a kamene, pak by použití zdvojených oken s dvojsklem ve venkovním křídle a jedním sklem ve vnitřním křídle vhodně doplnilo otvorové výplně o požadovaném součiniteli prostupu tepla. Zároveň umístěním větrací jednotky v okně by byla pokryta potřeba takové stavby větrat se zpětným získáváním tepla bez nutnosti rozvádět vzduchotechniku do obytných místností. Ta může například zůstat pouze v kuchyni a sociálním zařízení kde doba provozu není tak dlouhá aby se

vyplatilo uvažovat zde o zařazení zpětného získávání tepla do systému. Společenská místnost vytápěná například krbovou vložkou s nezávislým přívodem vzduchu pro spalování izolovanou trubkou v podlaze pak může být větrána rovnotlakou větrací jednotkou bez ohrožení spalovacího procesu. Výhodou lokální jednotky v okně je v případě popsaného objektu absence rozvodu vzduchu v obytné místnosti a přizpůsobení vzhledu klasického zdvojeného okna charakteru stavby.

Diskuse výsledků Na úspěšnost tohoto vývojového projektu lze pohlížet z několika úhlů pohledu. Porovnání výsledků měření s návrhovými hodnotami ukazuje že až na menší nerovnoměrnost v protékajících objemech a nemožnosti regulovat průtoky samostatně u první varianty regulační jednotky jsou výsledky měření velice pozitivní. Naměřené hodnoty průtoků vzduchu ukazují že je jednotka opravdu schopná vyměnit celý objem vzduchu v místnosti

za požadované dvě hodiny. Obava že tlakové ztráty budou

nakonec vyšší než plánované se nepotvrdila, naopak je průtok na maximální výkon větší než byl očekáván. Hodnoty teplotní účinnosti ukazují na vydařené nadimenzování teplosměnné plochy. Zejména z grafu zobrazujícího poměr teplotní účinnosti a objemu protékajícího vzduchu můžeme usuzovat na správně dimenzovanou teplosměnnou plochu. Pokud by tato byla malá, vykazoval by výměník nízkou účinnost, pokud by byla velikostně předimenzovaná, byl by rozdíl mezi jednotlivými regulačními stupni a tedy protékajícími objemy v účinnosti zanedbatelný. Předimenzování velikosti teplosměnné plochy by mělo negativní důsledek na velikost celého zařízení i na jeho ekonomičnost. Z těchto předpokladů chování usuzuji že byla teplosměnná plocha navržena pro zvolený rozsah průtoků správně. Zároveň jednotka dosahuje poměrně nízké minimální exteriérové teploty pro bezproblémový provoz .Dokonalejší regulační jednotka nabízí jednoduchou možnost pomocí automatické regulace poměru průtoků tuto funkčnost při nížších venkovních teplotách dále zlepšit cyklickým rozmražováním kondenzátu . Z hlediska ekonomické návratnosti na tom jednotka není příliš dobře. Doba návratnosti která by byla alespoň polovinou předpokládané životnosti 15 let vyšla pouze za předpokladu započtení pouze materiálových nákladů na prototyp a nepřetržitému provozu v době topné sezóny. Některé zdroje sice uvádějí, že cena prototypu by se

mohla při sériové výrobě snížit o čtvrtinu až polovinu [26], v tom případě by cena zařízení uváděná jako materiálové náklady prototypu mohla v sobě již obsahovat i práci a marži v případě sériové výroby. Zde však zařízení naráží na problémy legislativní jelikož se jedná o novou a neobvyklou kombinaci spojující okenní konstrukci a větrací jednotku. Z uživatelského hlediska má jednotka nedostatky v odhlučnění ventilátorů. To by bylo možné v případě dalšího vývoje dořešit odhlučněním.

Závěr Předkládaná práce nechť je inspirací pro hledání nových cest a možností v oblasti zkvalitňování interiérového prostředí obytných budov za současného respektování trendu energetických úspor. Cíl této práce byl splněn a na testovaném prototypu zařízení byly měřením ve zkušebním provozu prokázány hodnoty lepší něž navrhované. Tím bylo dokázáno že zařízení pro regulovanou výměnu vzduchu pro jednu obytnou místnost se zpětným získáváním tepla je vyrobitelné s použitím běžně dostupných materiálů a technologií a že umístění v okenní konstrukce je konstrukčně, esteticky i prakticky splnitelné. Dále je vývoj takovéhoto zařízení záležitostí složitou a je otázkou jestli bude zařízení inspirované tímto prototypem někdy vyrobené v počtu větším než několi kusů. Přesto chci tímto poděkovat všem kterých se to týká za podporu tohoto mého dlouhotrvajícího, nákladného a organizačně složitého projektu.

Shrnutí Diplomová práce "Technický návrh a realizace zařízení pro regulovanou výměnu vzduchu" je členěna do těchto následujících částí: V části návrhu jsou shrnuty požadavky vedoucí k vlastní konstrukci větracího zařízení, výchozí hodnoty pro návrh a rozměrové dimenzování vzhledem k umístění v křídle okna. Z objemu místnosti a požadavku na hygienickou výměnu vzduchu v obytné místnosti dle normy je stanoven průtok vzduchu zařízením, podle této hodnoty jsou voleny ventilátory a průřezy vzduchových kanálů a výústek. Ty jsou navrženy s ohledem na výstupní aerodynamický hluk a zapojení vzdušných proudů do přirozeného rozložení vzduchu v místnosti.

Zhodnocení vstupních parametrů a studium citované literatury, zejména pak záznamů a zkušeností z konstrukcí lamelových výměníků tepla vede k návrhu výměníku zpětného získávání tepla (zzt). Navržený výměník je lamelový, protiproudý s lamelami z hliníkového pechu. Vzhledem k výhodnému uspořádání je očekávána účinnost zpětného získávání tepla větší než 50%. Následně je tento výměník realizován na základě 3D modelu a odvozených výrobních výkresů. Tuto fázi popisuje část realizace, která ve stručnosti shrnuje zkušenost s výrobou a montáží zařízení. V prosinci 2009 je zařízení instalováno do okenního rámu v pokoji v bytě kde následně proběhne praktická zkouška zařízení ve zkušebním provozu. Zařízení slouží účelu ke kterému bylo navrženo a postaveno a jsou na něm osazeny měřící čidla pro kontinuelní záznam teplot čtyř kanálovým digitálním termografem. Subjektivně je zařízení velkým přínosem pro interiérové klima a splňuje návrhové požadavky. Zařízení je testováno při venkovních teplotách pod bodem mrazu a je schopno přivádět do interiéru vzduch teploty přes patnáct stupňů, předpokládané mísení vzduchu se uskutečnuje efektivně a je jednoznačným přínosem pohody v místnosti. Skutečný průtok je změřen tak že je změřena průměrná rychlost proudění v průřezu interiérových výústek a objem vzduchu je následně vypočten. Měření ukazuje že zařízení splňuje požadavky návrhu a vykazuje dokonce vyšší hodnoty než očekávané. V objemech vstupního a výstupního vzduchu se projevila nerovnoměrnost daná různými tlakovými poměry na straně sání a výtlaku ventilátorů, ta ukazuje na nutnost nezávislé regulace otáček každého ventilátoru. Ta je nezbytná také pro budoucí zařazení ochrany proti zamrznutí kondenzátu na výstupní straně která bude realizována změnou poměru objemů vzduchu ve prospěch odváděného, pro zajištění kladné výstupní teploty. Ze zaznamenaných hodnot teplot je vypočtena účinnost zpětného získávání tepla která dosahuje 70 až 80%. Byla rovněž odhadnuta cena za kterou by mohl zařízení nabídnout například výrobce dřevěných oken jako doplňkovou součást dle nákladů na výrobu prototypu. Vypočtená doba návratnosti ukazuje že malé lokální výměníky zpětného získávání tepla jsou díky relativně malým průtokům ekonomicky méně efektivní než centrální jednotky s řádově většími průtoky, avšak ukazuje se že stojí zhruba na hranici dobré rentability a jejich rozšíření je otázkou blízké budoucnosti zejména díky stoupajícím cenám energií. Tato práce dokázala že lokální ventilační jednotka se zpětným získáváním tepla s dostatečnou účinností je realizovatelná jako součást okenní konstrukce za použití běžně dostupných materiálů a technologií. Prototyp zařízení při praktické zkoušce překonal návrhové požadavky.

Summary Diploma thesis "Technical design and realization of the regulated air exchange device" is divided into the following sections. Under the proposal are summarized requirements leading to design own ventilation system, the default values for the dimensional design and sizing due to the location in the window casement box. The size of the room and demand for hygienic air exchange in the living room according to the recommendation standards is set air flow of the device, according to this value are selected fans and air ducts and sections outlets. They are designed with regard to aerodynamic noise output and the involvement of air flows into the natural distribution of air in the room. Evaluation of input parameters and the study of literature cited, especially records and experiences of the structures of plate exchangers leads to a own heat exchanger design (heat recovery unit). The proposed heat exchanger is an aluminium plate, counter flow heat exchanger. Due to the advantageous arrangement is expected

efficiency

of

heat

recovery

greater

than

50%.

Subsequently, the exchanger is made on a 3D model and derived drawings. This section describes the implementation phase, which briefly summarized the experience with manufacturing and assembling the unit. In December 2009, the equipment is installed in the window frame in a room in an apartment where the practical test operation of the device will subsequently take place. The device serves the purpose for which it was designed equipped with sensors for measuring temperature and recording continuously on four-channel digital thermograph. Subjectively, the device is a great asset for indoor climate, and meets the design requirements. Equipment is tested at ambient temperatures under the zero degrees and is able to bring into the interior air thats temperature is higher than fifteen degrees. Estimated air mixing is carried out efficiently and is a clear benefit for room microclimate. Actual flow is measured as the average air velocity measured in output sections of interior outlets and air volume flow is then calculated. The measurements show that the equipment exceed the requirements of the proposal and measurement shows even higher values than expected. The volume flow

unevenness of inlet and outlet air show to the different pressure ratios at the inlet and outlet fan ducts, it shows the need for each independent variable speed fan regulation. It is also necessary for the future include protection against freezing of condensate on the output side which will be implemented by changing the ratio of volume flows by the regulation device to provide a positive outlet temperature. From recorded temperature values was calculated efficiency of heat recovery that reaches 70 to 80%. It also estimated the price at which the device could be offered, such as the wooden windows manufacturers aditional part, by calculating costs of prototype. The calculated payback rentability shows naturaly that small local recovery heat exchangers are in the result of the relatively small flows economically less efficient than a central unit with a larger air flow. There is a possibility that it is roughly on the border of good rentability and expansion will come near in future mainly due to rising energy prices. This work proved that the local ventilation unit with heat recovery with good efficiency is possible to made as a part of the common window construction using commonly available materials and technologies. A prototype device in the practical test exceeded the design requirements.

Literatura 1 Dek Time 01/2008, článek s 32-37, Využití rekuperace pro úspory tepla, Martin Varga, Ctibor Hůrka 2 ČSN EN 832 Tepelné chování budov- Výpočet potřeby energie na vytápění-Obytné budovy 3 Stavebně truhlářská výroba - základy konstrukce a technologie/ Polášek, Josef -Špaček, Tomáš, 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2007. 148 s. 2283. ISBN 978-80-7375-050-3. 5 PWM Regulátor, Silverst Figalla, dostupný online na: http://www.elektronikacz.borec.cz/Data/PWM-regulator.htm 6 Průměrné venkovní teploty, Teplárna Brno, dostupný online na: http://www.teplarny.cz/?page=teploty 7 Fyzika, Horst Kuchling, Příručky základních vědních oborů, Alfa 1980,druhé vydání, ISBN 63-040-79

8 Základy přenosu tepla a hmoty I, Tomáš Vít, dostupný online na: www.kez.tul.cz/web/hlavni/data/doplnky/PTHI.pdf 9 Rekuperace, filtrace a nové výrobky ve vzduchotechnice. -- Ústí nad Labem : Dům techniky ČSVTS, 1986. -- 90 listů, příl.. Sign: TK-A-0233.759 10 Lamelové a deskové výměníky tepla. -- Praha : Společnost pro techniku prostředí, 1992. -- 79 s.. Sign: TK-A-0250.955 11 Technický průvodce - Větrání a klimatizace, Prof. Ing. Jaroslav Chyský CSc., Prof. Ing. Karel Hemzal CSc. a kolektiv, Praha 1993 11alt TZB-info, Fyzikální hodnoty pro suchý vzduch při tlaku 100 kPa, dostupný online na: http://www.tzb-info.cz/t.py?i=38&h=38&obor=1&t=16 12 Ceny tepla v brně, Teplárny Brno, http://www.teplarny.cz/?page=65&tisk=1 13 Cenový kalkulátor, Porovnání cen elektřiny, dostupný online na: http://kalkulator.eru.cz/DetailVypoctuPlatby.aspx 14 DAP-Provmex, Rekuperační jednotka, dostupný online na: http://www.dap-provmex.cz/pool/vyrobek_priloha_51.pdf 15 Tabulka pro stanovení rosného bodu, NEKOR Ltd, člen Asociace korozních inženýrů, dostupný online na: http://www.nekor.biz/doc/Relativni_vlhkost.pdf 16 Psychrometrický diagram podle Moliéra, Chyský Jaroslav, Praha ČSVTS 1190, ISBN 06-041-90 17 Distribuce vzduchu v klimatizovaných a větraných prostorech / Karel Hemzal ... [et al.]. -- Praha : Dům techniky ČSVTS, 1984. -- 112 s.. Sign: 4-0885.047 Sysno: 000361203

NKC?: 000361203

18 Testo servis, Minianemometr Testo 405 V1, dostupný online na: www.testoservis.cz/data/pdf/405.pdf 19 Comet systems, Commeter DO221, dostupný online na: http://www.cometsystem.cz/manuals/i-com-d0221.pdf 20 Termická účinnost výměníků tepla / Vojtěch Hlavačka. -- 1. vyd.. -- Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1988 21 ČSN 73 0540, Tabulka 10, Součinitel prostupu tepla, spárová průvzdušnost a zvuková neprůzvučnost oken 22 Strojně technická příručka, Svatopluk Černoch, Státní nakladatelství technické literatury Praha 1959 23 Sdílení tepla a výměníky / Zdeněk Dvořák. -- 1. vyd.. -- Praha : České vysoké učení technické, 1992. -- 120 s.. ISBN: 80-01-00830-4.

24 Regulus, Rekuperace a větrání, Lokální rewkuperační jednotky HR30 a HR100, dostupný online na: http://www.regulus.cz/rekuperace-a-vetrani.html#hr_30w_100w 25 Klimatizace a větrání / Olga Rubinová, Aleš Rubina. -- 1. vyd.. -- Brno : ERA group, 2004. -- vi, 117 s. :. ISBN: 80-86517-30-6 26 Ekonomický rozbor výzkumného úkolu "Deskový výměník tepla". -- Praha : Výzkumný ústav chemických zařízení, [1957]. -- 9 s.. Sign: 4-0652.574

Seznam tabulek, grafů, obrázků a příloh Obrázky Obr. 1 Jednotka pro regulaci výkonu Obrázek 2 Lamelový výměník ve fázi sestavování Obr.3 Horní dělič vzduchu Obr. 4 Interiérová strana jednotky bez víka Obr. 5 Interiérová strana jednotky uzavřené víkem Obr 6 Nádoba pro zachycování kondenzátu Obr 7 Spodní dělič Obr. 8 Exteriérová strana jednotky Obr.9 Záznamníky teplot Obr 10 Anemometr Obr. 11 Umístění čidla teploty Obr. 12 Měřící body pro stanovení průměrné rychlosti proudění Obr. 13 Grafické znázornění průtoku a účinnosti Obr. 14 Diagram 2 pro korekci účinnosti Obr.15 Grafické znázornění kritické výstupní teploty vzduchu Obr. 16 Důsledek výstupní teploty pod bodem mrazu Obr. 17 Návratnost porovnávaných variant

Tabulky Tab.1 Změřený příkon ventilátorů ( nízké napětí )

Tab.2 Měření průtoku výdechy v interiéru při 22°C a 30% r.v. Tab.3 Výpočet účinnosti ZZT z naměřených hodnot

Tab. 4 Korekce účinnosti dle diagramu 2 dle [14] Tab. 5 Výstupní teplota a zamrzání kondenátu Tab. 6 Výpočtové hodnoty - výpočet návratnosti Tab.7 Výpočet porovnání tepelných ztrát větráním dle doporučení normy

Přílohy Příloha 1 Rozměrový výkres ventilátoru Příloha 2 Určení pracovních bodů ventilátoru Příloha 3 Celkový pohled na okno s větrací jednotkou z exteriéru a interiéru Příloha 4 Psychrometrický diagram dle Moliéra Příloha 5 Výkresy jednotky s rozměrovými kótami

Přílohy Příloha 1 Rozměrový výkres ventilátoru

Rozměrový výkres ventilátoru

Příloha 2 Určení pracovních bodů ventilátoru

Určení pracovních bodů ventilátoru

Příloha 3 Celkový pohled na okno s větrací jednotkou z exteriéru a interiéru

Celkový pohled na okno s větrací jednotkou z exteriéru a interiéru

Příloha 4 Psychrometrický diagram dle Moliéra

Psychrometrický diagram dle Moliéra

Příloha 5 Výkresy jednotky s rozměrovými kótami