VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ODBOR TERMOMECHANIKY A TECHNIKY PROSTŘEDÍ EÚ
TECHNIKA PROSTŘEDÍ Doc. Ing. Eva Janotková, CSc.
BRNO 2010
PŘEDMLUVA Technika prostředí je samostatný vědní obor, zaměřený na tvorbu a ochranu životního prostředí vnitřního i vnějšího. S rozvojem poznatků a technických možností jsou kladeny stále vyšší nároky na kvalitu prostředí a na zařízení pro úpravu prostředí, což se projevuje i v legislativní oblasti tvorbou mnoha zákonných opatření, hygienických směrnic a předpisů, které musí být v souladu s obdobnými materiály EU. Uvedený studijní text je zhuštěný výtah přednášek z předmětu Technika prostředí. Náplň předmětu je zaměřena na prostředí vnitřní, tj. v interiérech budov. Přednášky jsou věnovány hodnocení stavu vnitřního prostředí, ale především pak technickým prostředkům k zajištění vhodného vnitřního prostředí, a to jak prostředkům k vytvoření komfortu v obytných budovách a přijatelného mikroklimatu v průmyslových stavbách, tak prostředkům k vytvoření vhodného mikroklimatu podle požadavků provozované technologie. Jedná se zejména o technické prostředky, které zajišťují tepelný stav prostředí a upravují jakost vzduchu, ke kterým patří zařízení větrací, klimatizační a vytápěcí. Tato zařízení však bývají nežádoucími zdroji hluku, a proto je zde zařazena také problematika hluku a vibrací a prostředky k jejich snižování. Teoretická část probírané látky využívá poznatky základních vědních disciplín, jakými jsou fyzika, termomechanika a mechanika tekutin. Předložený text může sloužit jako vodítko při studiu předmětu Technika prostředí, ale je potřeba jej doplnit o poznatky získané z přednášek a studiem literatury doporučené v kartě předmětu Technika prostředí.
2
OBSAH 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ. POHODA VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ
5
1.1 Definice a struktura životního prostředí
5
1.2 Vnitřní prostředí a pohoda prostředí
5
1.3 Tepelná pohoda prostředí
6
1.4 Hodnocení tepelného stavu prostředí
9
ČISTOTA VZDUCHU V MÍSTNOSTECH. ELEKTROIONTOVÉ MIKROKLIMA
12
2.1 Čistota vzduchu v místnostech
12
2.2 Hygienické limity látek v ovzduší
13
2.3 Účinek škodlivin na lidský organismus
13
2.4 Elektroiontové mikroklima
14
VĚTRÁNÍ A PROUDĚNÍ VZDUCHU
15
3.1 Rozdělení větrání
15
3.2 Výpočet výměny vzduchu při větrání
15
3.3 Proudění vzduchu ve větraném prostoru
17
OBRAZY PROUDĚNÍ. PROVEDENÍ VYÚSTEK
20
4.1 Obrazy proudění ve větraném prostoru
20
4.2 Provedení vyústek
21
PŘIROZENÉ A NUCENÉ VĚTRÁNÍ
24
5.1 Větrání s přirozeným oběhem vzduchu
24
5.2 Nucené větrání celkové
27
5.3 Místní větrání
27
MÍSTNÍ ODSÁVÁNÍ. HOSPODÁRNOST NÁVRHU VZDUCHOTECHNICKÝCH ZAŘÍZENÍ 30 6.1 Místní odsávání
30
6.2 Zařízení pro odlučování znečišťujících látek u odsávacích zařízení
31
6.2.1 Odlučování částečkových znečišťujících látek
31
6.2.2 Odlučování plynných znečišťujících látek
36
6.3 Hospodárnost návrhu vzduchotechnických zařízení
37
KLIMATIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ
39
7.1 Klimatizační zařízení a jejich komponenty
39
7.2 Výpočet pračky vzduchu
43
3
8.
9.
KLIMATIZAČNÍ SYSTÉMY
45
8.1 Vzduchové systémy
45
8.2 Systémy kombinované
46
8.3 Systémy vodní
47
8.4 Chladivové systémy
47
DIMENZOVÁNÍ KLIMATIZAČNÍCH ZAŘÍZENÍ
51
10. PŘEHLED SYSTÉMŮ VYTÁPĚNÍ. VYTÁPĚNÍ TEPLOVODNÍ
55
10.1 Přehled používaných systémů vytápění
55
10.2 Teplovodní vytápění
55
10.2.1 Teplovodní vytápění s přirozeným oběhem vody
55
10.2.2 Teplovodní vytápění s nuceným oběhem vody
56
10.2.3 Otopná tělesa
58
11. VYTÁPĚNÍ TEPLOVODNÍ VELKOPLOŠNÉ, HORKOVODNÍ A PARNÍ. VÝPOČET TEPELNÝCH ZTRÁT BUDOV
60
11.1 Velkoplošné teplovodní vytápění
60
11.2 Horkovodní vytápění
61
11.3 Vytápění parní
61
11.4 Výpočet tepelných ztrát budov
62
12. VYTÁPĚNÍ TEPLOVZDUŠNÉ A SÁLAVÉ. MĚŘENÍ SPOTŘEBY TEPLA PŘI VYTÁPĚNÍ
63
12.1 Vytápění teplovzdušné
63
12.2 Sálavé vytápění velkoprostorových místností
65
12.2.1 Vytápění zavěšenými sálavými panely
65
12.2.2 Vytápění přímotopnými plynovými zářiči
66
12.3 Měření spotřeby tepla při vytápění
68
13. HLUK
69
13.1 Hluk a vibrace a jejich hodnocení
69
13.2 Fyziologické účinky hluku
71
13.3 Zdroje a šíření hluku
71
13.4 Prostředky ke snižování hluku
72
LITERATURA
74
4
1. ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ. POHODA VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ 1. 1. Definice a struktura životního prostředí Pod pojmem „životní prostředí“ většinou chápeme životní prostředí člověka, pro které se v praxi používá následující definice: „Životním prostředím člověka se rozumí ta část světa, s níž člověk přichází do styku, kterou přetváří a využívá pro uspokojování svých potřeb. Pozornost se soustřeďuje především na hmotnou část prostředí, která je dána prostorem, kde člověk bydlí, pracuje a odpočívá.“ Uvedená definice chápe prostředí i člověka jako jediný neoddělitelný celek, neboť člověk svého prostředí nejen používá a ovlivňuje je, ale také se mu přizpůsobuje. Vztah mezi člověkem a prostředím je tedy aktivní, nemohou pouze existovat vedle sebe, ale jsou na sobě závislí, a to daleko více, než si člověk je ochoten přiznat. Životní prostředí člověka lze rozdělit podle různých hledisek. Podle umístění se používá členění na prostředí vnější a prostředí vnitřní. - Vnější prostředí je životní prostředí vně staveb. - Vnitřní prostředí je životní prostředí ve stavbách, tj. v interiéru budov. Ve vnějším prostředí jsou hlavními problémy znečištění vzduchu, vody a půdy, znečišťování oblasti živých organismů, eroze půdy, změny obsahu minerálních látek v půdě aj. K znečišťování vnějšího prostředí dochází odpady z různých výrobních i nevýrobních činností, poněvadž tyto končí buď ve vzduchu, ve vodě, nebo v půdě a dostávají se tak do koloběhu látek v přírodě a také do lidského těla. Ve vnitřním prostředí budov, ve kterém tráví člověk 70 až 80 % svého života, hlavními problémy jsou čistota ovzduší, zajištění tepelného stavu prostředí, ochrana proti hluku, vhodné osvětlení, ochrana před ionizujícím a elektromagnetickým zářením a další. Vztahy bezprostřední interakce mezi člověkem a jeho životním prostředím se realizují především lidskou činností. Z tohoto hlediska je účelné členit životní prostředí podle činnosti člověka. Jedná se o tzv. funkční vymezení životního prostředí, podle kterého rozlišujeme: - pracovní prostředí, tj. životní prostředí určené nebo využívané pro práci (např. výrobní a administrativní budovy, kabiny dopravních zařízení, řídící kabiny, polokrytá a otevřená pracoviště), - obytné prostředí, tj. životní prostředí určené nebo využívané pro bydlení včetně krátkodobé rekreace, - rekreační prostředí, tj. životní prostředí určené nebo využívané pro rekreaci, - další druhy prostředí – podle jiných činností, např. léčebné, výchovné, společenskokulturní apod. V jednotlivých konkrétních prostředích zkoumáme především ty vlastnosti určitých složek životního prostředí, které působí na člověka. U ovzduší je to např. jeho čistota, teplota, vlhkost, proudění atd. Takové vlastnosti složek životního prostředí označujeme jako faktory prostředí. Analýza faktorů prostředí je základem zjišťování a hodnocení stavu a úrovně životního prostředí i základem cílevědomé péče o životní prostředí. 1. 2. Vnitřní prostředí a pohoda prostředí Důležitou součástí životního prostředí je tedy prostředí vnitřní, zejména pak prostředí pracovní. Kvalita vnitřního prostředí (mikroklimatu) se hodnotí podle stavu činitelů prostředí.
5
Hlavní mikroklimatické činitele (faktory) jsou: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 17)
čistota okolního vzduchu, teplota vzduchu, teplota povrchu stěn a předmětů, rychlost proudění vzduchu, vlhkost vzduchu, oděv, intenzita osvětlení, hluk, vibrace a ultrazvuk, koncentrace iontů ve vzduchu, intenzita elektrických a magnetických polí, intenzita ionizujícího záření, prostorové, dispoziční a estetické řešení prostředí, tělesná konstituce člověka, činnost člověka, schopnost aklimatizace, klima, rasové zvláštnosti a návyky lidí, další vlivy jako tlak vzduchu, psychické stavy atd.
Optimální stav vnitřního prostředí je takový stav, který vytváří člověku podmínky pro zdravý pobyt a tvořivou práci. Takový optimální stav prostředí se nazývá pohoda prostředí. Pohodu prostředí člověk cítí komplexně, přesto se rozlišuje pohoda celková a pohoda dílčí, kdy předmětem zájmu je pouze některý, nebo některé z činitelů celkové pohody – tj. pak podle jednotlivých činitelů pohoda prostředí toxická, aerosolová, mikrobiální, odérová, tepelná, světelná, akustická, ionizační, elektrostatická, elektroiontová, psychická aj. Některé z výše uvedených činitelů (1 až 11) se dají upravit technickými opatřeními, k nimž patří: - zařízení na úpravu tepelného a vlhkostního mikroklimatu a čistoty vzduchu, tj. zařízení větrací, klimatizační, vytápěcí, odsávací a odlučovací, - opatření na ochranu proti hluku a vibracím, - zařízení osvětlovací, - zařízení na úpravu iontového složení vzduchu, - opatření na ochranu proti ionizujícímu a neionizujícímu záření aj. Činitele 2 až 6, 13 a 14 se navzájem ovlivňují a jejich vhodné hodnoty vytváří stav, který se nazývá tepelná pohoda prostředí. 1.3 Tepelná pohoda prostředí Tepelná pohoda prostředí se obvykle definuje jako pocit spokojenosti člověka s tepelným stavem prostředí. Při látkových přeměnách probíhajících v lidském těle se uvolňuje tepelná energie – metabolické teplo, která se přenáší do okolí. Množství uvolňované energie závisí především na intenzitě fysické činnosti a na hmotnosti člověka. Jen malá část této energie se přenáší formou mechanické práce konané člověkem, zatímco většina se přenáší formou tepla (90 až 100 %). Vnitřní tělesná teplota zdravého člověka je asi 36,5 ± 0,5 °C, a proto musí být teplo uvolňované v těle přenášeno do okolí. K přenosu tepla do okolí dochází vedením, konvekcí, radiací, vypařováním, dýcháním a velikost přenosu tepla ovlivňuje termoregulační centrum těla. Uplatňuje se termoregulace chemická, vázomotorická a vypařovací.
6
První podmínkou tepelné pohody je, aby energie produkovaná v těle zmenšená o energii přenášenou formou mechanické práce konané člověkem byla rovna energii odvedené formou tepla do okolí vedením, konvekcí, radiací, vypařováním, dýcháním. Tepelnou rovnováhu lze vyjádřit rovnicí
Q& m ( 1 − η ) = Q& ved + Q& k + Q& r + Q& v + Q& d [W],
(1.1)
kde Q& m je metabolický tepelný tok, Q& m = q& m S [W], který závisí na činnosti člověka, q& m je hustota metabolického tepelného toku [W.m-2], S je plocha povrchu těla [m2], η je mechanická účinnost lidského těla, Q& ved , Q& k , Q& r , Q& v , Q& d jsou tepelné toky přenášené z lidského těla do okolí vedením, konvekcí, radiací, vypařováním a dýcháním [W]. Za normálních okolností je tepelný tok přenášený vedením jen velmi malou položkou v tepelné bilanci člověka, a proto jej lze zanedbat a také mechanická účinnost lidského těla je velmi malá. Tepelný tok přenášený z vnějšího povrchu oblečeného člověka do okolního vzduchu konvekcí je dán vztahem Q& k = α S k ( t p − t ) [W],
(1.2)
kde
α - je součinitel přestupu tepla konvekcí [W.m-2K-1],
tp - je střední teplota vnějšího povrchu oděvu, t - je teplota okolního vzduchu, Sk = fcl S – povrch oblečeného člověka, S – povrch lidského těla (S = 1,9 m2 pro průměrného dospělého muže, S = 1,75 m2 pro ženu), fcl – poměr povrchu oblečeného člověka k povrchu lidského těla – závisí na druhu oděvu.
Tepelný tok přenášený mezi povrchem těla a okolními plochami radiací je dán rovnicí Q& r = ε σ o S r ( T p4 − Tr4 ) [W],
(1.3)
kde ε - je poměrná zářivost mezi povrchem těla a okolními plochami, pro pokožku a většinu tkanin má hodnotu ε = 0,95; σo - Stefanova – Boltzmannova konstanta, σo = 5,67.10-8 W.m-2 K-4; Sr - povrch lidského těla přenášející teplo radiací, který je menší než povrch oblečeného člověka, Sr ≈ 0,71 Sk; Tr - střední radiační teplota [K], tj. myšlená společná teplota všech okolních ploch, při níž by byl radiační tepelný tok přenášený mezi povrchem oděvu a okolními plochami stejný jako ve skutečnosti. Tepelný tok přenášený vypařováním je roven součtu tepelného toku odváděného tzv. suchým pocením Q& vs a tepelného toku odváděného tzv. mokrým pocením Q& vm Q& v = Q& vs + Q& vm .
(1.4)
7
Tepelný tok odváděný suchým pocením je dán vztahem Q& vs = 3,05 . 10 −3 S ( p ′p′( tk ) − p p( t ) ) [W],
(1.5)
kde S je plocha povrchu těla [m2], p ′p′( tk ) [Pa] – parciální tlak sytých vodních par při teplotě pokožky tk, pp(t) [Pa] – parciální tlak vodních par v okolním vzduchu závislý na teplotě okolního vzduchu t a relativní vlhkosti okolního vzduchu ϕ. Tepelný tok odváděný z povrchu těla mokrým pocením Q& vm je významným nástrojem termoregulace a jeho hodnota se řídí podle potřeby udržení stálé teploty lidského těla.
Vydechovaný vzduch, jehož množství závisí na intenzitě fyzické činnosti, se v plicích zahřeje na teplotu 34 až 36 °C a současně se nasytí vodní parou. Tepelný tok odváděný dýcháním můžeme vyjádřit vztahem Q& d = m& c p ( t v − t ) + m& l 23 ( x ′′ − x ) [W],
(1.6)
kde m& [kg.s-1] je hmotnostní tok vzduchu plícemi,
cp – měrná tepelná kapacita vzduchu za konstantního tlaku (cp = 1,01 kJ.kg-1K-1), tv – teplota vydechovaného vzduchu (tv ≈ 34 °C), l23 – měrné výparné teplo vody (l23 = 2560 kJ.kg-1), x”, x [kg/kg s. v.] – měrná vlhkost vydechovaného (vlhkostí nasyceného vzduchu) a okolního vdechovaného vzduchu.
Tepelný tok přenášený konvekcí a radiací z povrchu oblečeného člověka prostupuje oděvem, což vyjadřuje rovnice Q& k + Q& r = S (t k − t p ) / Rcl ,
(1.7)
kde Rcl [m2K.W-1] je tepelný odpor oděvu. Pro tepelný odpor oděvu se používá také bezrozměrná veličina Icl definovaná Icl = Rcl/0,155, pro níž se zavedlo jednotkové označení clo. První podmínkou pro dosažení tepelné pohody je, aby byla splněna rovnice tepelné rovnováhy (2.1). Při stavu tepelné pohody však musí být tepelné rovnováhy dosaženo při minimálních zásazích tělesné regulace. Pro stav tepelné pohody jsou proto střední teplota pokožky a tepelný tok mokrým pocením vyjádřeny v závislosti na činnosti člověka vztahy
a
tk = 35,7 – 0,0275 q& m [°C]
(1.8)
Q& vm = 0,42 S (q& m − 58) [W].
(1.9)
Tyto vztahy se pokládají za druhou a třetí základní podmínku stavu tepelné pohody. Řešením rovnic (1.1) až (1.9) dostaneme rovnici tepelné pohody vyjádřenou funkční závislostí Q& m = f ( Rcl , f cl , t , w, t r , ϕ ) .
(1.10)
8
Rovnice tepelné pohody vyjadřuje vzájemné vztahy mezi hlavními činiteli tepelné pohody. Tyto činitele charakterizují: - Q& m - Rcl, fcl - t, w, tr, ϕ
činnost člověka, vlastnosti oděvu, tepelný stav prostředí.
1.4 Hodnocení tepelného stavu prostředí
Vzhledem k tomu, že tepelná pohoda prostředí závisí na řadě činitelů, pro zjednodušení hodnocení tepelného stavu prostředí se používají odvozené veličiny zahrnující společný účinek několika nebo všech činitelů určujících tepelný stav prostředí, k nimž patří např. operativní teplota nebo výsledná teplota měřená kulovým teploměrem. Operativní teplota to (°C) je definována jako jednotná teplota uzavřeného černého prostoru, ve kterém by tělo sdílelo radiací a konvekcí stejně tepla, jako ve skutečném teplotně nehomogenním prostředí. Při známé střední radiační teplotě tr (°C) a teplotě vzduchu t (°C) se určí z výrazu t o = t r + A (t − t r ) ,
(1.11)
kde A je funkcí rychlostí proudění vzduchu a podle literatury [2] pro w = 0,05 až 1 m.s-1 je A = 0.75 w0.16. Střední radiační teplotu lze stanovit výpočtem dle vztahu
[
]
t r = (t g + 273) + 2 ,9 . 10 8 . w 0 ,6 (t g − t ) 4
0 ,25
− 273 ,
(1.12)
kde tg je výsledná teplota kulového teploměru o průměru 0,10 m, nebo dle vztahu
[(
)4
(
t r = t g + 273 + 2,5 . 10 8 . w 0,6 t g − t
)]0,25 − 273 ,
(1.13)
kde tg je výsledná teplota kulového teploměru o průměru 0,15 m. Přípustné hodnoty operativní teploty pro pracovní prostředí jsou uvedeny v Nařízení vlády č.361/2007 Sb. [15]. Jsou zde uvedeny v závislosti na vykonávané činnosti (třídě práce, nebo energetickém výdeji) a použitém oděvu (tepelném odporu oděvu). Pro hodnocení tepelného stavu prostředí v pobytových místnostech některých staveb, nebo v prostorách pro výchovu a vzdělávání dětí a mladistvých se používá výsledná teplota měřená kulovým teploměrem tg. Požadavky na výslednou teplotu kulového teploměru v pobytových místnostech některých staveb, např. ubytovacích zařízení, hal kulturních a sportovních zařízení, ústavů sociální péče, výstavišť, staveb pro obchod a dalších jsou uvedeny ve Vyhlášce č.6/2003 Sb. [18]. Požadavky na výsledné teploty v prostorách pro výchovu a vzdělávání dětí a mladistvých jsou uvedeny ve Vyhlášce č.343/2009 Sb. [19]. Pro hodnocení tepelného stavu prostředí se také používá norma ČSN ISO 7730 [7], která hodnotí tepelný stav prostředí pomocí ukazatelů PMV a PPD.
9
Ukazatel PMV předpovídá střední tepelný pocit podle sedmistupňové stupnice
+3 +2 +1 0 -1 -2 -3
horko, teplo, mírně teplo, neutrálně, mírně chladno, chladno, zima.
Ukazatel PMV je možné vypočíst z energetického výdeje, tepelného odporu použitého oděvu, teploty vzduchu, střední radiační teploty, vlhkosti a rychlosti proudění vzduchu dle rovnic uvedených v [7]. Ukazatel PPD předpovídá procentuální podíl osob, které budou nespokojeny s tepelnými podmínkami prostředí (5% nespokojených – tepelná pohoda, 10% – přípustné podmínky, 20% – přijatelné podmínky). Je – li známa hodnota PMV, je možné PPD odečíst z grafu nebo vypočítat z rovnice, které jsou uvedeny v [7].
Ukazatele PMV a PPD hodnotí tepelný stav prostředí pro tělo celkově. Citovaná norma také vyjadřuje místní tepelný diskomfort, který může být způsoben průvanem, vertikálním rozdílem teplot vzduchu, příliš teplou nebo chladnou podlahou nebo asymetrií radiační teploty. Diskomfort v důsledku průvanu je vyjádřen jako procento osob obtěžovaných průvanem DR. Je možné ho vypočítat z místní teploty a rychlosti vzduchu a z místní intenzity turbulence. Procento nespokojených PD vlivem vertikálního rozdílu teploty vzduchu je zde vyjádřeno závislostí na vertikálním rozdílu teplot mezi hlavou a kotníky. Procento nespokojených PD vlivem příliš teplé nebo chladné podlahy je vyjádřeno v závislosti na teplotě podlahy. Procento nespokojených PD v důsledku asymetrie radiační teploty je zde vyjádřeno pro asymetrii způsobenou teplým stropem, chladnou stěnou, chladným stropem a teplou stěnou.
V horkém prostředí se pro hodnocení tepelného stavu používá tepelná zátěž osob pohybujících se v horkém prostředí. Dle ČSN ISO 7243 [13] je definován tzv. ukazatel WBGT (teploty mokrého a kulového teploměru), který slouží ke stanovení tepelné zátěže osob. Pro prostory budov a pro venkovní prostory bez slunečního záření se ukazatel WBGT počítá ze vztahu WBGT = 0,7 tmw + 0,3 tg
(1.14)
a pro venkovní prostory se slunečním zářením se počítá ze vztahu WBGT = 0,7 tmw + 0,2 tg + 0,1 t,
(1.15)
kde tmw [°C] je teplota přirozeně větraného mokrého teploměru, tg [°C] – teplota kulového teploměru (o průměru 150 mm), t [°C] – teplota vzduchu v místě měření. Takto získané údaje jsou pak srovnány s referenčními hodnotami uvedenými v normě [13].
10
Metoda je určena pro hodnocení průměrného účinku tepla na člověka během doby jeho činnosti, není vhodná k hodnocení tepelné zátěže ve velmi krátkých časových úsecích ani pro tepelné zátěže blízké tepelnému komfortu. Výše uvedené teploty operativní a výsledná nejsou vhodné pro posuzování tepelných podmínek v kabinách vozidel, poněvadž zde vnější tepelná zátěž v kombinaci se systémem větrání, vytápění či klimatizace vozidla vytváří mikroklima, které může v prostoru a čase značně kolísat. Pro posuzování tepelných podmínek v kabinách vozidel se používá dle ČSN EN ISO 14505–2 [14] ekvivalentní teplota teq. Tato teplota je definována jako teplota imaginárního uzavřeného prostoru při střední radiační teplotě rovné teplotě vzduchu a nulové rychlosti proudění vzduchu, ve kterém osoba sdílí celkový tepelný tok konvekcí a radiací jako ve skutečném nestejnorodém prostředí. Ekvivalentní teplota se může také použít k posuzování tepelných podmínek v dalších omezených prostorech s asymetrickými klimatickými podmínkami. V praxi se ekvivalentní teplota stanoví a definuje vztahem t eq = t p −
q& m
α cel
,
(1.16)
kde tp [°C] je povrchová teplota, q& m [W.m-2] – hustota metabolického tepelného toku,
acel [W.m-2K] – celkový součinitel přestupu tepla konvekcí a radiací. Stanovení teq je vhodné provádět pomocí tepelných figurín nebo zahřívaných čidel (plochých nebo elipsoidních). Používá se ekvivalentní teplota celého těla, segmentová ekvivalentní teplota, tj. pro jednotlivé části těla a také směrová a všesměrová ekvivalentní teplota. V citované normě [14] jsou uvedeny hodnoty teq za podmínky tepelně neutrální situace (tepelné pohody) v závislosti na druhu činnosti a oděvu.
11
2. ČISTOTA VZDUCHU V MÍSTNOSTECH. ELEKTROIONTOVÉ MIKROKLIMA 2.1 Čistota vzduchu v místnostech
Vzduch v místnostech může být znečišťován plynnými škodlivinami, různými zápachy, prachem, choroboplodnými zárodky, ale také nadměrným teplem sálavým i konvekčním. Plyny a páry unikající z výrobních zařízení tvoří velkou skupinu průmyslových škodlivin. K odstraňování plynných škodlivin je nejvýhodnější odsávání přímo v místě jejich vzniku. I v tomto případě musíme však počítat s jistým únikem škodlivin do pracovního prostředí a celkovým větráním pak musíme udržovat jejich koncentrace pod nejvyšší přípustnou hodnotou. V místech kde pobývají lidé, přichází do ovzduší při dýchání CO2 a vodní pára. Vydechovaný vzduch obsahuje přibližně objemově 4 % CO2, 5 % vodní páry, 16 % kyslíku a 75 % dusíku. Zvyšování koncentrace CO2 ve vzduchu je vždy spojeno s jistým poklesem obsahu kyslíku. Tento pokles však nemá nepříznivý vliv na dýchání, neboť ani při dosažení nejvyšší přípustné koncentrace CO2 (0,5 % obj.) obsah kyslíku by neklesl pod 20,5 % obj. a tvrzení, že v místnosti je vydýchaný kyslík neodpovídá skutečnosti. Většinou jde o nepříjemný pocit, vyplývající z porušení tepelné pohody při velké relativní vlhkosti vzduchu, způsobené vydechovanou vodní parou. Velmi častou příčinou zhoršování jakosti vzduchu v místnostech jsou zápachy (odéry). V obytných a občanských budovách jsou zdroji zápachů nejčastěji kuchyně, záchody, laboratoře atd. V obsazených shromažďovacích místnostech je vzduch znečišťován lidskými pachy, které vznikají rozpadem epitelu kůže a sliznic a rozkladem výpotků a jiných sekretů. Velmi nepříjemný je také zápach z oděvů a z nábytkových textilií. V průmyslových provozovnách jsou zdroji pronikavých zápachů různé chemické látky používané při technologických procesech. Pachy se odstraňují výměnou vzduchu větráním a někdy také rozstřikováním vonných látek, tzv. dezodorizací vzduchu. Vzduch v uzavřených místnostech je také znečišťován prachem, který vzniká rozkladem a rozpadem anorganických i organických látek. V některých průmyslových odvětvích vniká při výrobních procesech tzv. průmyslový prach, jehož některé druhy (např. křemičitý nebo azbestový) jsou velmi škodlivé. V uzavřených místnostech, zejména kde se shromažďuje větší počet osob, obsahuje vzduch vždy choroboplodné zárodky (bakterie, viry, plísně apod.). Choroboplodné zárodky nemohou ve vzduchu existovat volně, ale jen usazené na nosičích, např. částečkách prachu, kapénkách atd., proto nejjednodušším způsobem jejich odstraňování ze vzduchu je intenzívní větrání a filtrace vzduchu. Ve zdravotnictví nebo farmaceutickém průmyslu se vzduch také chemicky nebo fyzikálně dezinfikuje. K chemické dezinfekci se používá kapalných dezinfekčních prostředků, které se rozstřikují přímo v místnosti. Velmi účinná je fyzikální dezinfekce prozařováním přiváděného větracího vzduchu nebo přímo vzduchu v místnosti ultrafialovými paprsky, které ničí všechny druhy mikroorganismů ve vzduchu. Také nadměrné teplo, projevující se vysokými teplotami vzduchu a intenzitami sálání, počítáme mezi škodliviny (nadměrně zatěžují cévní systém). Jako ochrana proti nadměrnému sálavému teplu se provádí tato opatření: - Snížení intenzity sálání zdroje (snížením povrchové teploty zdroje nebo snížením součinitele sálání povrchu zdroje), - Clony proti sálání – mechanické nebo vodní. - Ochlazování pracovníka pomocí vzduchové sprchy, přímého rozprašování vody nebo sálavých ochlazovacích panelů. 12
- Tepelná izolace pracovníka oděvem. Použití vícevrstvého oděvu, světlého oděvu, polepy oděvu hliníkovou fólií, nebo oděv z pokovené tkaniny. Ve zvlášť horkém prostředí se používá oděv chlazený vzduchem, např. při čištění kotlů, opravách pecí. 2.2 Hygienické limity látek v ovzduší
Hygienické limity látek v ovzduší pracovišť a způsoby jejich měření stanovuje Nařízení vlády č.361/2007 Sb. [15]. Pro plyny, páry a aerosoly uvádí přípustné expoziční limity PEL a nejvyšší přípustné koncentrace NPK–P. PEL jsou celosměnové časově vážené průměry koncentrací v pracovním ovzduší, jímž může být vystaven zaměstnanec v osmihodinové nebo kratší směně týdenní pracovní doby, aniž by u něho došlo i při celoživotní pracovní expozici k poškození zdraví. NPK–P je taková koncentrace chemických látek, které nesmí být zaměstnanec v žádném úseku pracovní směny vystaven. Pro prach výše citované Nařízení vlády uvádí přípustné expoziční limity, a to pro celkovou koncentraci (vdechovatelnou frakci) prachu označenou PELc a pro respirabilní frakci prachu označenou PELr. Vdechovatelnou frakcí prachu se rozumí soubor částice polétavého prachu, které mohou být vdechnuty nosem nebo ústy. Respirabilní frakcí se rozumí hmotnostní frakce vdechnutých částic, které pronikají do té části dýchacích cest, kde není řasinkový epitel a do plicních sklípků.
Limitní koncentrace chemických ukazatelů ve vnitřním prostředí pobytových místností některých staveb, např. ubytovacích zařízení, hal kulturních a sportovních zařízení, ústavů sociální péče, výstavišť, staveb pro obchod a dalších jsou uvedeny ve Vyhlášce č.6/2003 Sb. [18]. Koncentrace škodlivin se vyjadřují koncentracemi hmotnostními [mg.m-3] nebo objemovými [% obj.; ppm]. Jednotka ppm (parts per milion) je 10-4 % obj. 2.3 Účinek škodlivin na lidský organismus
Škodlivý účinek částečkových a plynných škodlivin na lidský organismus je závislý jednak na celkovém množství škodliviny, které se do těla dostává, jednak na její koncentraci. Účinky mohou být buď místní, nebo celkové (po absorpci v těle) a jejich charakter může být dráždivý, toxický nebo kumulovaný. Místní účinek se může projevit v místě kontaktu nebo vstupu do organismu (např. horní cesty dýchací, nosní sliznice, hrtan, průduškový epitel, plícní tkáně, v zažívacím ústrojí, na kůži, spojivce oka aj.). Místní účinky se projevují drážděním, které může být mechanické nebo chemické. Vyšší koncentrace pak způsobují zánětlivé změny. K dráždivým škodlivinám patří např. oxid siřičitý, ozón, oxidy dusíku, chlor, fluoridy, sirovodík, aldehydy, ketony, prach textilní (bavlna, len, konopí, syntetická vlákna), živočišný (peří, vlna, srst), rostlinný (mouka, čaj, káva, koření, ze dřeva). Působení škodlivin po absorpci v těle může mít průběh mnohem složitější. Plynné škodliviny, které se absorbují do krve, se přenáší do ostatních částí těla, kde mohou vyvolávat různé škodlivé účinky. Část absorbovaného plynu může být z cirkulující krve vyloučena v plicích, část v ledvinách. Škodlivost tuhých a kapalných škodlivin závisí nejen na jejich chemickém složení a koncentraci ve vzduchu, ale i na velikosti částic. V nosních dutinách a horních cestách dýchacích dochází k odlučování větších částic – přibližně nad 5 mm. Částice o menších rozměrech se dostávají do dolních cest dýchacích. Nerozpustné částice, které se dostanou do dolních cest dýchacích, mohou způsobit tzv. zaprášení plic (např. uhelný prach), nebo částice 13
fibrogenní, tj. prach, který obsahuje více než 1 % fibrogenní složky (křemen, kristobalit, triadymit, gama oxid hlinitý) působí fibrogenní změny na tkáních plic (silikóza). Částice o velikosti menší než 0,1 mm se znovu vydechují. Nejškodlivější jsou prachy respirabilní, ve kterých převažují částice o velikostech dovolujících volné pronikání do plicních sklípků, tj. o velikostech asi 0,1 až 5 mm. Rozpustné škodliviny pronikají s tělními tekutinami do organismu. Některé škodliviny jsou vylučovány ledvinami, jiné střevním traktem. Může docházet i k jejich hromadění v některých orgánech a mohou vyvolávat funkční a strukturální změny. 2.4 Elektroiontové mikroklima
Na pohodu prostředí mají vliv také elektrické jevy v uzavřených prostorech, které vytvářejí tzv. elektroiontové mikroklima. Elektroiontové mikroklima je stav daný především počtem volných iontů ve vzduchu. Podle velikosti rozeznáváme ionty lehké, střední a těžké a podle polarity rozeznáváme ionty kladné a záporné. Velikost i polarita iontů určuje jejich biologické působení na člověka. Příznivé působení na člověka je přičítáno lehkým záporným iontům. Porušení normálních elektrických poměrů v ovzduší, na které se člověk za dlouhou dobu svého vývoje adaptoval, vyvolává narušení tvorby lehkých záporných iontů a u člověka vyvolává pocity nepohody – únavu, nespavost, bolesti hlavy, nevolnosti až závratě. K porušení normálních elektrických poměrů dochází někdy přirozeným způsobem, např. při atmosférických poruchách a náhlých atmosférických změnách, častěji však umělým způsobem – deformací přirozeného elektrického pole Země stavební konstrukcí budov, znečištěním vzduchu zejména tuhými a kapalnými aerosoly, ale také provozem obrazovek počítačů, TV a úpravou vzduchu klimatizací. Poměrně nejmenší rušení elektrického pole a tvorby lehkých záporných iontů je u dřevěných staveb a tradičních cihlových staveb s dřevěnými stropy. Železobetonové stavby a stavby s ocelovým skeletem tvoří kolem vnitřního prostoru Faradayovu klec, a tím velmi omezují tvorbu lehkých záporných iontů. Počet lehkých záporných iontů je tím větší, čím čistší je vzduch. S rostoucím znečištěním, zejména tuhými a kapalnými aerosoly klesá počet lehkých iontů a naopak vzrůstá počet středních a těžkých iontů, které působí na pohodu člověka negativně. Minimální počet lehkých záporných iontů v dýchací zóně by měl činit 200 až 300 v cm3 a optimální počet je 1000 až 5000 v cm3. Technická zařízení, kterými lze generovat tyto vzdušné ionty, jsou ionizátory vzduchu. Pracují nejčastěji na principu využití elektrického pole, nebo hydrodynamického Lenardova jevu. U prvního typu ionizátorů se využívá vysokého stejnosměrného napětí (až 10000 V) v zařízeních deskového či válcového provedení. Jejich podstatnou nevýhodou je současná tvorba ozónu a oxidů dusíku. U druhého typu ionizátorů je využíváno prudkého nárazu vody na překážku, při němž dochází k jejímu rozprašování a tříštění na jemné částečky a na povrchu částeček vzniká záporný elektrický náboj, který působí na molekuly vzdušných plynů a dochází ke vzniku záporných iontů. Výhoda tohoto typu ionizátorů je skutečnost, že se netvoří ozón ani oxidy dusíku. Ionizátory vzduchu současně vzduch i čistí. Mechanizmus čištění vzduchu ionizací spočívá v tom, že rozptýlené částice prašného aerosolu se nabíjí ionty, tvoří kondenzační jádra, která v důsledku větší hmotnosti a vlivem tíže rychleji sedimentují. Kromě toho vlivem elektrostatických sil vznikajících při ionizaci se nabité částice aerosolu usazují na okolních plochách. Jsou vyráběny i osobní ionizátory pro alergiky určené k zavěšení na krk a ionizátory do automobilů.
14
3. VĚTRÁNÍ A PROUDĚNÍ VZDUCHU 3.1 Rozdělení větrání
Účelem větrání je zajistit čisté ovzduší ve vnitřních prostorech pracovních, obytných i společenských. Dosahuje se toho výměnou vzduchu za venkovní. Vzduch se může vyměňovat v opakujících se časových intervalech – občasné větrání, nebo se vyměňuje spojitě – trvalé větrání. Výměnu vzduchu lze provádět v celém prostoru nebo v jeho části. Podle toho rozlišujeme větrání: - Celkové, které se navrhuje tam, kde nelze předem určit místa vzniku škodlivin, nebo kde jsou zdroje škodlivin rovnoměrně rozmístěny (např. shromažďovací místnosti). - Místní, které se navrhuje do prostorů s většími zdroji škodlivin soustředěnými do vymezeného místa. Škodliviny se odvádějí od zdroje místním odsáváním, nebo se na pracoviště do míst pobytu lidí přivádí čerstvý vzduch místní zavzdušnění (vzduchová sprcha, oáza, clona). Systémy větrání se dělí podle toho, zda k výměně vzduchu dochází samočinně (vlivem přirozeného tlakového spádu vznikajícího účinkem rozdílných hustot vzduchu uvnitř a vně větraného prostoru a účinkem větru), nebo neceně (ventilátory). Podle tohoto hlediska rozlišujeme: - Větrání přirozené, které rozdělujeme na infiltraci, větrání okny (provětrávání), aeraci a šachtové větrání. - Větrání nucené, které může mít ventilátory jen pro přívod vzduchu, nebo jen pro odvod vzduchu, popřípadě pro přívod i odvod vzduchu. Podle dimenzování obou skupin ventilátorů, může být poměr objemových toků nuceně přiváděného V&p a nuceně odváděného vzduchu V& , označovaný jako součinitel větrací rovnováhy ε, roven, větší, o
nebo menší než 1.
ε=
V& p . V&
(3.1)
o
Při
ε = 1 – rovnotlaké větrání, při kterém nevzniká činností větrání žádný rozdíl
tlaků uvnitř a vně větraného prostoru; používá se, nemá–li docházet k proudění vzduchu mezi okolním prostředím a větranou místností;
ε > 1 – přetlakové větrání, které se používá tam, kde se přiváděný vzduch
upravuje a kde je třeba zabránit vnikání vzduchu ze sousedních místností (např. operační sály, výroba televizních obrazovek, řídící kabiny);
ε < 1 – podtlakové větrání, které se navrhuje tam, kde je nutno zabránit
pronikání vzduchu s přimíšenými škodlivinami do okolních prostorů (větrání laboratoří, sociálních zařízení apod.).
Dnes se opět začíná používat větrání hybridní, tj. kombinace přirozeného a nuceného větrání, kdy oba systémy pracují samostatně. Je to inteligentní větrací systém, který může automaticky přepnout mezi přirozeným a nuceným větráním. V době příznivých klimatických poměrů je v činnosti větrání přirozené, nepostačuje-li, uvede se do provozu větrání nucené. 3.2 Výpočet výměny vzduchu při větrání
Průtok čerstvého venkovního vzduchu při celkovém větrání můžeme určit:
15
a) z bilance škodlivin ve větraném prostoru, b) z tepelné bilance větraného prostoru, c) z bilance vlhkosti ve větraném prostoru, d) z dávek vzduchu na osobu, e) na základě doporučené intenzity výměny vzduchu. a) Stanovení objemového toku venkovního vzduchu z hmotnostní bilance škodlivin ve větraném prostoru, kterou pro časový interval dt vyjadřuje diferenciální rovnice větrání O dk = V&p kp dτ + S dτ - V&p k dτ ,
(3.2)
kde O je objem místnosti [m3], S – množství vznikající škodliviny [g.s-1] (předpokládáme rovnoměrné rozložení škodliviny v místnosti), & V p – objemový tok přiváděného vzduchu [m3s-1] (předpokládáme, že se stejné množství vzduchu odvádí), kp – koncentrace škodliviny v přiváděném vzduchu [g.m-3] , k – okamžitá koncentrace škodliviny [g.m-3], dk – změna koncentrace škodliviny v čase dτ. Řešením této rovnice v časovém intervalu od 0 do t pro změnu koncentrace škodliviny v místnosti z k1 na k2 dostaneme množství vyměňovaného vzduchu V&p =
S O k 2 − k1 [m3s-1]. − k2 − k p τ k2 − k p
(3.3)
Při dlouhodobém větrání a rovnoměrném nepřetržitém vzniku škodliviny lze použít τ = ∞ . Rovnice (3.3) pak dává V&p =
S [m3s-1]. k2 − k p
(3.4)
b) Stanovení objemového toku venkovního vzduchu z tepelné bilance větraného prostoru. Při větrání místností se zdroji tepla (od technologických zařízení, lidí, osvětlení, sluneční radiace a prostupu tepla pláštěm budovy) o celkovém tepelném toku Q& [W] je objemový tok větracího vzduchu V& p =
Q& [m3s-1], ρ c p (t o − t p )
(3.5)
kde r je hustota vzduchu [kg.m-3], cp – měrná tepelná kapacita vzduchu při konstantním tlaku [J.kg-1K-1], to, tp – teplota odváděného a přiváděného vzduchu [°C]. c) Stanovení objemového toku venkovního vzduchu z bilance vlhkosti větraného prostoru. Potřebné množství vzduchu do větraného prostoru, které má zajistit požadovanou vlhkost v místnosti je dáno vztahem
16
V& p = kde
m& w [m3s-1], ρ v ( xo − x p )
(3.6)
m& w je hmotnostní tok vlhkosti vyvíjené v místnosti [kg.s-1], rv – hustota suchého vzduchu [kg.m-3], xo, xp – měrná vlhkost vzduchu odváděného a přiváděného [kg/kgs.v.].
d) Stanovení objemového toku venkovního vzduchu z dávek vzduchu na osobu. Používá se pro prostory, kde se zhoršuje kvalita vzduchu v důsledku přítomnosti lidí. Pro pracovní prostředí minimální množství přiváděného venkovního vzduchu na zaměstnance stanovuje Nařízení vlády č.361/2007 Sb. [13]. Hodnoty dávek vzduchu na osobu jsou zde uvedeny s ohledem na vykonávanou práci:
50 m3 h-1 na osobu – pro práci s energetickým výdejem do 105 W.m-2 70 m3 h-1 na osobu – pro práci s energetickým výdejem od 106 do 200 W.m-2 90 m3 h-1 na osobu – pro práci s energetickým výdejem od 201 do 301 a více W.m-2 V místnostech, kde je povoleno kouření se zvyšuje dávka vzduchu na osobu o 10 m3 h-1. Hodnoty dávek přiváděného venkovního vzduchu na 1 žáka v prostorách zařízení pro výchovu a vzdělávání dětí a mladistvých jsou uvedeny ve Vyhlášce č. 343/2009 Sb. [17]. e) Stanovení objemového toku venkovního vzduchu na základě intenzity výměny venkovního vzduchu. Pro některé druhy místností bez větších zdrojů škodlivin, jako např. šatny, obytné místnosti apod., se navrhují větrací zařízení na základě doporučených hodnot intenzity výměny venkovního vzduchu n, tj. poměru průtoku venkovního vzduchu přiváděného do místnosti k objemu místnosti n=
V& p O
[h-1],
(3.7)
kde V& p je objemový tok venkovního vzduchu [m3h-1], O – objem místnosti [m3]. 3.3 Proudění vzduchu ve větraném prostoru
Pohodu osob ve větraných a klimatizovaných prostorech podstatně ovlivňuje proudění vzduchu. Proto ke správnému řešení větrání prostorů patří nejen stanovení množství přiváděného venkovního vzduchu, ale i návrh vhodné distribuce vzduchu ve větraném prostoru. Hlavním úkolem distribuce vzduchu je zajistit požadovaný stav vzduchu především v pracovní či pobytové oblasti. Ve větraných prostorech je téměř vždy proudění turbulentní. Proud vzduchu přiváděný do relativně rozměrného prostoru, neomezeného stěnami a předměty v tomto prostoru, se nazývá volný proud. Proudy, jejichž šíření je ovlivněno stěnami a předměty v prostoru se nazývají omezené. Proudy šířící se podél stěn, které se mohou rozšiřovat jen na jedné straně, jsou nazývány poloohraničené. Má-li prostředí stejné fyzikální vlastnosti jako proud a je-li klidné, proud se nazývá zatopený. Podle charakteru proudění v prostoru se rozlišují dva základní způsoby přívodu vzduchu, a to přívod osamocenými vyústkami a přívod velkoplošnými vyústkami. Základem pro objasnění vlastností proudů z vyústek je volný izotermní proud, jehož schéma je na obr. 3.1. Vzduch o teplotě shodné s teplotou v místnosti je přiváděn otvorem
17
kruhového průřezu. Turbulentní proud se směrem od výstupního otvoru kuželovitě rozšiřuje. Částice proudu, vykonávající příčný fluktuační pohyb, předávají hybnost částicím okolního klidného vzduchu, tyto příčně pronikají do proudu a jsou jím unášeny. S rostoucí vzdáleností od otvoru se množství proudícího vzduchu stále zvětšuje, současně se také zvětšuje průřez proudu a naopak se zmenšuje jeho rychlost. Hranice proudu tvoří dvě na sebe navazující části kuželových ploch. V proudu rozlišujeme krajní oblast o délce xk a hlavní oblast s úhlem rozšiřování 2ϑ. Obrysové přímky v hlavní oblasti se protínají na ose proudu v pólu P.
Obr. 3.1 Schéma volného izotermního proudu z kruhové vyústky V krajní oblasti zůstává osová rychlost proudu wx konstantní a rovná se výtokové rychlosti z vyústky wo. V hlavní oblasti se osová rychlost postupně zmenšuje a je vyjádřena vztahem So wx = Ks , wo x
(3.8)
kde Ks je konstanta vyústky vztažená k výstupnímu průřezu vyústky So. Konstanta vyústky se určuje pro každý typ vyústky experimentálně. V hlavní oblasti lze příčný rychlostní profil vyjádřit podle Schlichtinga vztahem y = 1 − x wx R x
wx, y
1, 5
2
.
(3.9)
Volný proud z vyústky obdélníkové se po krátkém úseku, kde je jeho průřez daný tvarem vyústky, mění postupně na průřez kruhový. Pro výpočet parametrů tohoto proudu, např. osové rychlosti lze proto použít rovnici (3.7). Proud vytékající z nekonečně dlouhé přímé štěrbiny se nazývá plochý proud. V praxi lze za plochý proud považovat proud ze štěrbinové vyústky s poměrem stran větším než 25 : 1. Osová rychlost v hlavní oblasti proudu je vyjádřena vztahem wx b = Kb o , wo x
(3.10)
kde Kb je konstanta štěrbinové vyústky a bo šířka štěrbiny.
18
V literatuře jsou uváděny poloempirické vztahy pro výpočet dalších parametrů kruhových a plochých proudů, např. objemového toku, střední rychlosti podle průřezu a střední rychlosti podle hybnosti. Tyto vztahy se liší pro proud kruhový a plochý a také pro krajní a hlavní oblast těchto proudů. Někteří autoři ve svých poloempirických výpočtových vztazích namísto konstanty vyústky KS nebo Kb používají součinitele vířivosti při výtoku a, který se obdobně jako konstanta vyústky určuje pro každý typ vyústky experimentálně. Bez ohledu na to, zda vyústka je kruhová nebo čtyřhranná, s usměrňovacími listy nebo mřížkou, vytvoří se v krátké vzdálenosti od vyústky kuželovitě se rozšiřující proud kruhového průřezu. Pro výpočet parametrů tohoto proudu lze proto použít vztahy pro kruhový proud. Pokud v těchto vztazích vystupuje průměr kruhové vyústky Do, dosazujeme za tento průměr ekvivalentní průměr podle průřezu De, který je vyjádřen vztahem 4 So
De =
,
π
(3.11)
kde So je průřez vyústky. Při přívodu teplejšího nebo chladnějšího vzduchu do místnosti se mezi proudem a okolím sdílí nejen hybnost, ale i teplo. Spolu s poklesem rychlosti se vyrovnávají teploty. Bezrozměrné teplotní profily v hlavní oblasti proudu jsou s profily rychlostí vázány vztahem t x, y − t i
wx, y = t x − t i wx
PrT
,
(3.12)
kde tx,y, wx,y je teplota a rychlost v místě x, y, tx,, wx je teplota a rychlost v ose proudu ve vzdálenosti x od vyústky, ti je teplota okolního vzduchu a PrT je turbulentní Prandtlovo číslo. O stupni neizotermičnosti proudu rozhoduje poměr sil vztlakových k silám setrvačným, působících na částice vzduchu, který je vyjádřen Archimédovým číslem. Pro poměry ve vyústce je Archimédovo číslo definováno vztahem Aro =
g l o To − Ti 2
wo Ti
,
(3.13)
v němž g je tíhové zrychlení, lo je charakteristický rozměr vyústky, To je teplota vzduchu ve výusti a Ti je teplota okolního vzduchu. Proudy jsou mírně neizotermní při Aro ≤ 0,001 a značně neizotermní při Aro > 0,01. Nejvýraznějším účinkem vztlakových sil je vertikální ohyb proudu. U mírně neizotermních proudů lze předpokládat, že obdobně jako proudy izotermní, se v prostoru šíří přímočaře.
19
4. OBRAZY PROUDĚNÍ. PROVEDENÍ VYÚSTEK 4.1 Obrazy proudění ve větraném prostoru
Představa o rychlostním a teplotním poli ve větraném prostoru (místnosti) je tzv. obraz proudění. Proudění ve větrané místnosti dělíme na primární a sekundární. Primární je proudění od větracích otvorů, sekundární je vyvolané primárními proudy. Zatopený proud strhává, zejména v počáteční části, okolní vzduch, takže objem proudícího vzduchu se zvětšuje. Odváděcím otvorem se při rovnotlakém izotermním větrání odvádí stejný objem vzduchu, jako se přivedl a vzduch stržený do proudu z okolí cirkuluje v místnosti. Charakter proudění vzduchu ve větrané místnosti určuje především: - Počet, poloha a velikost přiváděcích otvorů (vyústek), výstupní rychlosti a teploty přiváděného vzduchu. - Umístění, povrchová teplota a velikost zdrojů tepla a chladu v prostoru. Zdroje tepla podle své velikosti způsobují větší či menší stoupající proudy ohřátého vzduchu, které strhávají vzduch z okolí a v místnosti působí jako komíny. Zdroji chladu jsou např. okna a stěny venkovních zdí, po nichž ochlazený vzduch klesá dolů. Pozn.: Pohyb strojních součástí, pohyb lidí a poloha odváděcích otvorů vzduchu mají jen malý podřadný vliv na obrazy proudění. Při izotermním větrání ideální výměna vzduchu (ideální obraz proudění) nastává, přivádíme-li do místnosti vzduch malou rychlostí, celou stěnou a odvádíme otvorem v protilehlé stěně (obr. 4.1a).
a)
b) Obr. 4.1 Obrazy izotermického proudění vzduchu a) ideální (přívod celou stěnou), b) přívod vyústkou
Zcela jinak vypadá proudění, přivádíme-li vzduch menší vyústkou (obr. 4.1b). V tomto případě vzniká v prostoru účinkem primárního proudu pohyb druhotný – sekundární. Přiváděným vzduchem se uvede do pohybu mnohem více vzduchu než je odváděno. Nerovnoměrná výměna vzduchu v různých místech větraného prostoru způsobí, že v primárních proudech je koncentrace škodlivin nižší a v sekundárních proudech vyšší než je koncentrace průměrná. Je proto důležité, aby pobytová či pracovní oblast byla provzdušněna čerstvým venkovním vzduchem. Při neizotermickém větrání jsou obrazy proudění ovlivňovány vztlakovými silami, které proudy zakřivují, zejména je-li vzduch přiváděn malou rychlostí. Je-li teplota přiváděného vzduchu to vyšší než teplota vzduchu v místnosti ti, odchyluje se proud vzduchu směrem nahoru, je-li naopak to < ti, odchyluje se proud dolů. Vede-li se nucený proud vzduchu vertikálně (při použití perforovaného stropu a podlahové mříže), lze mluvit o větrání shora – dolů nebo naopak zdola – nahoru a o tzv. ideálních obrazech proudění viz obr. 4.2c, b. Přivádí –li se teplejší vzduch zdola – nahoru (obr. 4.2a)
20
nebo naopak teplejší vzduch shora – dolů (obr. 4.2d) vytváří se osamocené vzestupné nebo sestupné proudy, takže prostor není provětrán rovnoměrně.
Obr. 4.2 Obrazy neizotermního proudění vzduchu Podle těchto obrazů proudění lze učinit závěr, že při neizotermním větrání s malou výtokovou rychlostí z vyústek je nutno vést proud vzduchu proti směru přirozeného proudění. 4.2 Provedení vyústek
Vyústky slouží k přívodu vzduchu do větraných místností a také k jeho odvádění. Podle polohy v místnosti rozlišujeme vyústky: - nástěnné, - stropní, - podlahové. Vyústky nástěnné. Jako nástěnné vyústky se nejčastěji používají vyústky obdélníkové, mřížkové štěrbiny, velkoplošné vyústky a dýzy. Obdélníkové vyústky s usměrňovacími listy jsou nejrozšířenější (obr. 4.3). Podle počtu soustav usměrňovacích listů se dělí na jednořadé (umožňují regulaci směru proudu v jedné rovině) a dvouřadé (umožňují prostorovou regulaci). K regulaci požadovaného množství vzduchu se nejčastěji používá regulace protiběžnými klapkami. Druhý možný typ regulace, tj. náběhovými listy lze použít pouze u přiváděcích vyústek. Mřížkové štěrbiny mají tvar protáhlého obdélníku, jejich délka je o mnoho větší než šířka. Mohou být opatřeny podélnou nebo příčnou mříží. Velkoplošné vyústky se sestavují ze skříní s jednou perforovanou stěnou, do nichž se vhání vzduch, případně jsou provedení válcového, půlválcového nebo čtvrtválcového – tyto jsou vhodné pro umístění volně do prostoru, ke stěně nebo do rohu místnosti. Dýzy jsou vhodné pro přívod upraveného vzduchu vysokými rychlostmi do velkých prostorů (např. konferenčních sálů, sportovních hal, krytých atrií atd.). Výhodami jsou velký dosah proudu a nízká hlučnost i při vysokých výtokových rychlostech. Používají se dýzy pevné s definovaným směrem výtoku vzduchu, nebo nastavitelné s regulací směru výtoku.
21
Obr. 4.3 Obdélníková vyústka. a) pohled, b) regulace průtoku klapkami a náběhovými listy, c) příklad možnosti nastavení předních listů Vyústky stropní. Používá se několik typů, z nichž nejpoužívanější jsou anemostaty, vířivé vyústky, velkoplošné vyústky, dýzy a štěrbinové vyústky. Anemostaty jsou různého provedení kruhového nebo čtyřhranného, oba typy i v difuzorovém provedení. Příklad kruhového anemostatu s kuželovými difuzory je na obr. 4.4. Polohu soustavy kuželových difuzorů lze v axiálním směru měnit a tím regulovat směr výtoku vzduchu. Vířivé vyústky nazývané také vířivé anemostaty se vyrábí se čtvercovou nebo kruhovou čelní deskou, se vsazenými pevnými lamelami, nebo nastavitelnými lamelami, u nichž je možné výstupní proud nasměrovat nastavením lamel jako horizontální, šikmý nebo vertikální. Směr výfuku lze měnit ručně nebo motoricky. Stropní velkoplošné vyústky se sestavují z perforovaných panelů, tj. skříní do nichž se vhání vzduch a jejichž dno je z jemně perforovaného plechu. Štěrbinové vyústky (obr. 4.5) se vyrábí s šířkou štěrbiny 15 až 50 mm, jejich délka je mnohem větší než šířka. Dodávají se s definovaným nastavením směru výtoku vzduchu, nebo s možností nastavení směru výtoku.
22
Obr. 4.4 Difuzorový anemostat kruhový
Obr. 4.5 Štěrbinová vyústka Podlahové vyústky. K nejčastěji používaným patří vyústky čtyřhranné, štěrbinové a velkoplošné. Čtyřhranné podlahové vyústky mají oproti stěnovým zvýšenou nosnost. Mají jednu řadu pevně nastavených listů. Velkoplošné podlahové vyústky se umisťují v celé podlaze, nebo v její části. Při využití celé podlahy je umožněno rovnoměrné rozložení větracího vzduchu. Toto řešení však vyžaduje existenci zdvojené podlahy – nosné a průlinčité podlahy polepené např. kobercem vykazujícím požadované vzduchové vlastnosti. K odvodu vzduchu mimo většiny uvedených typů vyústek mohou být využity jednoduché otvory překryté síťkou, nebo jednořadou pevnou mřížkou, doplněné v případě potřeby o klapky k regulaci průtoku.
23
5. PŘIROZENÉ A NUCENÉ VÉTRÁNÍ 5.1 Větrání s přirozeným oběhem vzduchu
U větrání s přirozeným oběhem je průtok vzduchu vyvolán rozdílem tlaků uvnitř a vně větraného prostoru, který vzniká rozdílem teplot uvnitř a vně větraného prostoru (místnosti, budovy) a tlakovým (dynamickým) účinkem větru na budovu. Rozdělení tlaku na boční stěny budovy vlivem rozdílných teplot vzduchu venku a uvnitř je na obr. 5.1a. Je-li vnitřní teplota vyšší než venkovní je horní část budovy přetlaková, dolní podtlaková. Mezi oběma oblastmi je místo nulového tlakového rozdílu, kterým prochází neutrální rovina n. Tlakový rozdíl ∆p v libovolném místě h od neutrální roviny je ∆p = h(ρ e − ρ i ) g ,
(5.1)
kde ρe a ρi značí hustoty vnějšího a vnitřního vzduchu a g gravitační zrychlení. Působením větru vznikne na návětrné straně budovy jistý přetlak a na závětrné straně naopak jistý podtlak. Velikost přetlaku, resp. podtlaku se vyjadřuje vztahem ∆p = A p d = A
we2 ρe , 2
(5.2)
kde A je aerodynamický součinitel (tlakový součinitel větru) – průměrné hodnoty na straně návětrné jsou 0,9 a na straně závětrné -0,4.
Obr. 5.1 Rozložení tlaku na stěny budovy a) vlivem rozdílu teplot vzduchu, b) vlivem rozdílu teplot a působení větru Při současném působení větru a rozdílných teplot vzduchu vně a uvnitř budovy se výsledný tlak působící na stěnu rovná součtu obou tlaků dílčích (obr. 5.1b). Přirozené větrání dělíme na infiltraci (provzdušnění), větrání okny (provětrávání), aeraci a šachtové větrání. Infiltrace. Při infiltraci proudí vzduch spárami netěsných oken a dveří a pórovitými stěnami. Větrání okny (provětrávání) je nejrozšířenějším způsobem přirozeného větrání. Je specifické tím, že jediný otvor – okno – slouží pro přívod i odvod vzduchu. Používá se přerušovaně a energeticky je úsporné pokud provětráváme krátce, často a velkými průřezy. Aerace. Aerace je přirozené větrání regulovatelnými větracími otvory ve stěnách a ve střeše. Je rozšířena zejména v teplých a horkých průmyslových provozech, kde měrná tepelná
24
zátěž od vnitřních zdrojů je větší než 25 W.m-3. Jsou to např. provozy hutních, strojírenských a sklářských závodů. Schéma aerace a proudění vzduchu v hale je na obr. 5.2. Konvekční proud vzduchu nad zdrojem tepla Q& i se pod střechou dělí na část odcházející světlíkem a část cirkulující v prostoru m& c . Cirkulující část vzduchu se po příchodu do spodního pásma mísí s přiváděným vzduchem venkovním a proudí pracovní oblastí ke zdroji tepla.
Obr. 5.2 Aerace haly teplého provozu Základními rovnicemi pro výpočet aerace jsou: - Rovnice tepelné rovnováhy, kterou lze psát ve tvaru m& p c p t e + Q& i = m& o c p t o ± Qe ,
(5.3)
kde m& p a m& o jsou hmotnostní toky vzduchu přiváděného a odváděného, te a to – teploty přiváděného a odváděného vzduchu, cp – měrná tepelná kapacita vzduchu při konstantním tlaku, Q& i – vnitřní zdroj tepla, Q& – tepelná ztráta v zimě, vnější tepelná zátěž v létě. e
- Rovnice větrací rovnováhy – hmotnostní tok vzduchu přiváděného se rovná hmotnostnímu toku vzduchu odváděného m& p = m& o = m& .
(5.4)
Tuto rovnici můžeme psát ve tvaru
µ p S p 2 ∆p p ρ e = µo S o 2 ∆po ρ o ,
(5.5)
kde mp a mo jsou výtokové součinitele přiváděcích a odváděcích otvorů, Sp a So – plochy přiváděcích a odváděcích otvorů,
25
Dpp, Dpo – tlakové spády na přiváděcích a odváděcích otvorech, ρe a ρo – hustoty vzduchu o teplotě te a to.
Hmotnostní tok větracího vzduchu m& se vypočte z rovnice tepelné rovnováhy (5.3), za podmínky větrací rovnováhy – rovnice (5.4). Teplota to se určuje z teplotního součinitele B definovaného vztahem B=
t po − t e to − te
,
(5.6)
kde tpo je teplota v pracovní oblasti určená hygienickými předpisy. Teplotní součinitel B se zjišťuje experimentálně a jeho doporučené hodnoty pro různé typy provozů jsou uváděny v literatuře. Dle rovnice (5.1) vypočteme účinný tlak Dp. Hustotu vzduchu ri vystupující v rovnici (5.1) určíme pro střední teplotu vzduchu v hale ti, která je vyjádřena vztahem ti = (tpo + to)/2. Účinný tlak se rozdělí na přiváděcí otvory a odváděcí otvory ∆p = ∆p p + ∆p o v poměru ∆p o ∆p p = 1 až 2 , přičemž má být ∆p p ≤ 5 Pa. Plochy větracích otvorů se vypočtou z rovnice větrací rovnováhy a jsou vyjádřeny vztahy S p=
µp
m&
2 ∆p p ρ e
So =
;
m&
µo
2 ∆p o ρ o
.
(5.7)
Přiváděcí otvory ve stěnách mají být dvoje. Pro letní období ve výši 1,2 až 1,8 m nad podlahou. Protože účinný tlak je v zimě větší než v létě, větrací otvory pro zimu mohou být menší a umisťují se ve výši 4 až 5 m nad podlahou, aby se zvýšila teplota chladného vzduchu před vstupem do pracovní oblastí. Větrací otvory přiváděcí i odváděcí musí umožňovat regulaci průtoku vzduchu. Šachtové větrání se používá k odvádění škodlivin od stabilního zdroje s dostatečnou produkcí tepla. Účinný tah šachty o výšce h je dán vztahem ∆p = h(ρ e − ρ i ) g .
(5.8)
Tento tlakový spád se spotřebuje na překonání tlakových ztrát třením a místními odpory, na vytvoření dynamického tlaku ve výstupu a k překonání rozdílu tlaků vně a uvnitř budovy. Platí vztah
(
∆p = λ h / d +
∑ ξ + 1)ρ w
2
/ 2 + ( p e − pi ) ,
kde λ je součinitel tření, d – průměr šachty, ξ – součinitel místního odporu, w – rychlost proudění vzduchu šachtou, re, ri, r – hustota vzduchu vně budovy, uvnitř větrané místnosti a v šachtě, pe, pi – tlak vzduchu vně budovy a uvnitř větrané místnosti. 26
(5.9)
5.2 Nucené větrání celkové
Nucené celkové větrání se navrhuje tam, kde nelze předem určit místa vzniku škodlivin, nebo kde jsou zdroje škodlivin rovnoměrně rozmístěny. Nucené větrání zajišťuje výměnu vzduchu nezávisle na vnějších klimatických podmínkách a proti přirozenému větrání má řadu dalších předností: - umožňuje regulaci intenzity větrání podle potřeb větraného prostoru, - umožňuje vzduch filtrovat a také teplotně upravovat, - umožňuje zpětné využití tepla z odpadního vzduchu, - umožňuje upravit tlakové poměry v budově a vytvořit vhodné obrazy proudění ve větraném prostoru. Soustavy nuceného větrání jsou podle tlaku ve větraném prostoru vzhledem k tlaku v okolních prostorách přetlakové, podtlakové, nebo rovnotlaké. Větrací zařízení jsou buď jednotková, nebo ústřední. Jednotková zařízení se instalují převážně přímo do větraného prostoru a jsou svým provedením nejčastěji podokenní nebo skříňová. Používají se jednotky pro přívod a odvod vzduchu. Jednotka pro přívod vzduchu má směšovací komoru, filtr, ohřívač, ventilátor a výfukovou komoru s vyústkou. Větrací jednotku pro odvod vzduchu tvoří ventilátor. Ústřední větrací zařízení se vyrábí většinou jako sestavná, umisťují se do strojovny a spojují se s větranými místnostmi vzduchovody. Slouží obvykle k větrání více místností. Příklad větrací jednotky vybavené zařízením pro zpětné získávání tepla je na obr. 5.3. Tato jednotka po doplnění o chladicí a zvlhčovací díl se stává klimatizační.
Obr. 5.3 Ústřední větrací jednotka. V – ventilátorová komora, F – filtrační komora, O – ohřívací komora, K – klapková komora, ZZT – komora zpětného získávání tepla Větrací zařízení jsou energeticky náročná. Úsporu provozních nákladů lze dosáhnout především odstraňováním škodlivin v místě jejich vzniku, navrhováním větracích zařízení s cirkulací vzduchu a využíváním různých systémů zpětného získávání tepla ze vzduchu odpadního odváděného do venkovního ovzduší. Používáním zařízení s cirkulací vzduchu (část odváděného vzduchu se vrací po filtraci do větraného prostoru) lze dosáhnout úsporu provozních nákladů především v zimním období, kdy venkovní vzduch, kterým se odváděný vzduch nahrazuje, musí být ohříván až o 30 K i více. 5.3 Místní větrání
Místní větrání tj. místní přívod vzduchu, který zajišťuje výměnu vzduchu v omezeném místě vnitřního prostoru. K místnímu větrání patří vzduchové sprchy, vzduchové oázy a vzduchové clony. 27
Vzduchové sprchy jsou určeny k ochraně pracovníků před účinky sálavého tepla. Vyfukuje se jimi proud vzduchu ve směru působení toku sálavého tepla. Zvětšením rychlosti proudění vzduchu se zvýší součinitel přestupu tepla konvekcí na povrchu osálaného oděvu, čímž se zvýší tepelný tok přenášený konvekcí do okolí, a sníží se tepelný tok prostupující oděvem k tělu. Vzduchové sprchy se dělí na jednotkové a ústřední. Jednotkové vzduchové sprchy se konstruují obvykle jako přenosné nebo pojízdné a jako stabilní. Většinou pracují bez úpravy vzduchu. Přenosné a pojízdné vzduchové sprchy se upevňují na stojanu, jsou výškově stavitelné a naklápěcí v rozmezí ±30°. Na obr. 5.4 je příklad pojízdné vzduchové sprchy, která se skládá z ventilátoru, krátkého vzduchovodu a vyústky. Stabilní vzduchové sprchy se upevňují na konstrukcích, např. sloupech a slouží jako trvalé zařízení pro určité pracoviště.
Obr. 5.4 Pojízdná vzduchová sprcha Ústřední vzduchové sprchy mají centrální strojovnu s úpravou vzduchu (ochlazování, vlhčení, filtrace), ze které se vzduch rozvádí potrubím do vyústek. Pracují s čerstvým vzduchem. Vzduchová sprcha se počítá jako volný zatopený proud, u něhož se vychází z rychlosti vzduchu a průměru proudu na pracovišti. Rychlost vzduchu na pracovišti se volí, a to maximálně 3 m.s-1. Také průměr proudu na pracovišti se volí, a to podle místní situace; minimálně 1,2 m za předpokladu, že pracovník nemění místo. Vzhledem k tvaru rychlostního profilu zatopeného proudu (rychlost na okraji proudu je nedostatečná) neuvažuje se na pracovišti celý průměr zatopeného proudu Dx, ale pouze vnitřní část, jejíž průměr se označuje jako redukovaný Dxr D xr = k D x ,
(5.10)
kde k = 0,64 pro rychlostní profil podle Schlichtinga. Při návrhu vzduchové sprchy je potřeba respektovat některé zásady: - Teplota proudu vzduchové sprchy na pracovišti nemá být o mnoho nižší než teplota okolního vzduchu (max. o 3 K). Relativní vlhkost přiváděného vzduchu nemá být vyšší než 70 %. - Proud vzduchové sprchy má směřovat na osálanou stranu pracovníka. - Vzduchové sprchy se nehodí pro pracovní místa, kde se často přechází z místa osálaného na neosálané a naopak. 28
Vzduchové oázy. Je to místní přívod vzduchu buď na pracoviště, nebo na místa odpočinku v provozu, který slouží ke snížení koncentrací škodlivin. Používají se také na pracovištích se zdroji konvekčního tepla. K vytvoření vzduchových oáz slouží zástěny o výšce asi 2 m. Vzduch se přivádí velkoplošnými vyústkami umístěnými nad místy pobytu pracovníků ve výšce 2 až 2,5 m nad podlahou, nebo bočně. Rychlosti ve vzduchové oáze bývají nižší než u vzduchových sprch, nepřesahují 0,5 m.s-1. Vzduchové clony snižují volný průtok otvorem (otevřenými dveřmi nebo vraty), který spojuje dva prostory, mezi nimiž je tlakový rozdíl. Vzduchovou clonu vytváří plochý proud vzduchu ze štěrbiny umístěné podél jedné strany otvoru, nebo dvou protilehlých stran otvoru, namířený šikmo do prostoru s vyšším tlakem. Hybnost tohoto proudu je zdrojem síly, která působí proti přetlaku v otvoru a tím snižuje průtok vzduchu otvorem. Podle umístění štěrbiny jsou clony spodní, boční jedno nebo dvoustranné a clony horní, které jsou dnes nejpoužívanější. Horní clony mohou mít v podlaze otvor cirkulačního vzduchu.
29
6. MÍSTNÍ ODSÁVÁNÍ. HOSPODÁRNOST NÁVRHU VZDUCHOTECHNICKÝCH ZAŘÍZENÍ 6.1 Místní odsávání
Místní odsávání slouží k zachycení škodlivin v místě vzniku a jejich odvedení z místnosti přímo u zdroje. Místní odsávání je vždy hospodárnější než celkové větrání pro stejný zdroj škodlivin, neboť koncentrace škodlivin v odváděném vzduchu mohou být podstatně vyšší než u větrání celkového, kde nesmí překročit nejvyšší přípustné koncentrace. Vyšší hodnoty koncentrací škodlivin ve vzduchu místně odsávaného jsou přípustné proto, že odváděný vzduch neprochází dýchacím pásmem osob. Odsávací zařízení mohou být ústřední, skupinová a jednotková. Ústředním zařízením se odsává několik zdrojů škodlivin pomocí potrubní sítě zapojené na společný ventilátor, umístěný mimo pracovní prostory a odsávaný vzduch je odváděn do vnějšího ovzduší. Odlučovací zařízení je obvykle rovněž ústřední pro celé zařízení. Skupinové zařízení se používá při odsávání od technologických procesů, při nichž vznikají u skupin strojů chemicky různé látky, které by mohly být po smíšení hořlavé případně výbušné. Je zde použito více ventilátorů a na každý z nich je zapojeno odsávací potrubí od určité skupiny zdrojů škodlivin, které lze mísit. Jednotková zařízení se používají zejména pro odsávání od prašných zdrojů. Tvoří je ventilátor, odlučovač a zásobník prachu. Umisťují se do bezprostřední blízkosti zdroje škodlivin a vzduch po vyčištění se vrací do provozovny. Důležitou součástí odsávacích zařízení je sací nástavec, který slouží k zachycení škodlivin u zdrojů. Hlavními typy sacích nástavců jsou: - odsávací skříně – chemické digestoře, kabiny pro stříkání nátěrových hmot, tryskání odlitků apod., - odsávací zákryty – střechovité (nad zdroji tepla), nebo tvarově přizpůsobené strojům (u kovoobráběcích a dřevoobráběcích strojů, např. brusek, fréz, transportních zařízení na dopravu sypkých materiálů aj.), - boční odsávací štěrbiny, nejčastěji používané v technologii povrchových úprav, u průmyslových van pro čištění, moření a galvanické pokovování strojírenských výrobků, - odsávací podlahové rošty, používané např. při stříkání nátěrových hmot, při čištění odlitků apod., - jednoduché sací nástavce – vyústění kruhových, obdélníkových nebo štěrbinových sacích vzduchovodů, používané ve spojení s pružnými hadicemi k odsávání škodlivin vznikajících na proměnných místech. Výpočet sacích nástavců vychází z teorie potenciálního proudění, a to z případu, který se nazývá propadem. Vytváříme ho myšleným bodovým sacím otvorem, kterým procházejí přímkové proudnice. Ekvipotenciální plochy (plochy stejných rychlostí) kolmé na proudnice jsou kulové. Rychlost wr na kulové ploše ve vzdálenosti r od propadu je wr =
V& 4 π r2
,
(6.1)
kde V& je objemový tok vzduchu odsávaný propadem.
30
Při výpočtu odsávání štěrbinou se vychází z rovinného propadu. Zde jsou ekvipotenciální plochy válcové. Radiální rychlost wr ve vzdálenosti r od rovinného propadu je
wr =
V& 2π r
,
(6.2)
kde V& je objemový tok vzduchu odsávaný štěrbinou délky 1 m. Rychlostní pole skutečných sacích nástavců se od uvedených teoretických případů liší, zejména v oblasti blízké odsávacímu otvoru. Proto se v praxi pro blízkou oblast používá experimentálně stanovených průběhů rychlostí, vyjádřených v bezrozměrných parametrech. Vztah (6.1) lze použít pro x/D > 1 a vztah (6.2) pro x/b > 2 (D je průměr odsávacího otvoru, b je šířka odsávací štěrbiny a x je vzdálenost od odsávacího otvoru či štěrbiny ve směru jejich osy). Pro návrh sacích nástavců platí tyto hlavní zásady: - sací nástavec má být co nejblíže u zdroje, popř. zdroj úplně uzavírat, - sací nástavec musí být nastaven tak, aby škodliviny směřovaly do odsávacího otvoru, - musí být navržen tak, aby pracovník při obsluze nepřicházel mezi zdroj škodlivin a sací nástavec, - musí zaručovat bezpečnost při práci. 6.2 Zařízení pro odlučování znečišťujících látek u odsávacích zařízení
Zařízení používaná v průmyslových provozech k odlučování částečkových a plynných škodlivin ze vzduchu lokálně odsávaného slouží k ochraně pracovního prostředí a k omezení emisí před jejich vypouštěním do atmosféry. 6.2.1 Odlučování částečkových znečišťujících látek
Základem každého odlučovacího procesu částečkových škodlivin je separace částic z proudu čištěného plynu (v našem případě vzduchu) na odlučovací plochy. Podle druhu odlučovače může být odlučovací plocha přímo stěna odlučovače nebo ji tvoří vestavba odlučovače, povrch vláken, nebo vrstva již odloučených částic. Odlučovací plochu mohou tvořit i kapalné částice v proudu plynu či vodní pěna. Charakter síly nebo přenosový děj, který se podílí na separaci částic z proudu plynu, určuje odlučovací princip. V odlučovačích částečkových škodlivin se uplatňují především následující fyzikální principy: – gravitační, – setrvačný, – difúzní, – elektrostatický. Gravitační princip. V mezní vrstvě plynu obtékajícího povrch odlučovacích ploch se rychlost plynu blíží k nulové hodnotě a pohyb částic může být vyvolán gravitací. Pádová rychlost částic vyplývá z rovnováhy sil gravitačních a aerodynamických. Setrvačný princip využívá setrvačnosti částic při obtékání překážek. Při obtékaní překážek plynem s příměsemi částic dochází k zakřivení proudnic. Hmotné částice vlivem své setrvačnosti nesledují přesně změny ve směru proudu, který je unáší a dráhy částic se odchylují od proudnic. Částice narážející na překážku jsou jí zachyceny. Difúzní princip je hlavní odlučovací princi při odlučování jemných částic ve vláknité vrstvě. Submikronové částice podléhají více molekulárním silám než účinku setrvačnosti a vnějších sil. Vykonávají náhodný pohyb způsobený nárazy molekul plynu, a proto jsou odlučovány na obtékaných překážkách převážně vlivem molekulární difúze.
31
Elektrostatický princip. Hmotné částice obsažené v proudu plynu mohou získat elektrický náboj jednak přirozeným způsobem např. drcením, třením o stěny potrubí, vzájemnými nárazy apod., jednak umělým způsobem např. v elektrickém poli se zdroji iontů. Umělý náboj bývá řádově vyšší než náboj přirozený. Praktickým příkladem elektrostatického principu odlučování je kanál kruhového průřezu, v jehož ose je umístěna drátová elektroda. Připojíme-li drátovou elektrodu na záporný pól zdroje vysokého usměrněného napětí a povrch kanálu na kladný pól zdroje, vznikne elektrické pole. Průběh intenzity pole v závislosti na vzdálenosti r od drátové elektrody je vyjádřen vztahem E=
U , r(ln re − ln ri )
(6. 3)
kde U je napětí mezi elektrodami, re, ri – poloměr kanálu (sběrací elektrody) a poloměr drátové elektrody. Ze vztahu (6.3) vyplývá, že v blízkosti drátové elektrody dosahuje elektrické pole maximální hodnoty (elektrické namáhání plynu je největší), což je příčinou vzniku místního výboje – korony. V koroně je plyn ionizován a ionty záporné polarity se pohybují ke sběrací (kladné) elektrodě. Částice unášené plynem, který protéká kanálem, získávají tzv. bombardováním ionty plynu záporný náboj a jsou dopravovány účinkem pole na sběrací elektrodu, kde jsou zachycovány. Odlučivost odlučovacích zařízení. Odlučivost se vyjadřuje nejčastěji odlučivostí celkovou a frakční a mezí odlučivosti. Celková odlučivost Oc je definována jako poměr hmotnostního toku částic v odlučovači zachycených m& z k hmotnostnímu toku částic do odlučovače přivedených m& p m& z 100 % . m& p
Oc =
(6.4)
Celková odlučivost nerozlišuje, s jakou účinností jsou odlučovány částice určitých velikostí. Proto je účelné používat frakční odlučivost Of , která vyjadřuje schopnost odlučovat částice v úzkém intervalu velikostí (a, a + Da). Frakční odlučivost je definována vztahem Of =
∆ m& z 100 %, ∆ m& p
(6.5)
kde ∆ m& z a ∆ m& p je hmotnostní tok částic zachycených v odlučovači a do odlučovače přivedených v intervalu velikostí (a, a + Da). Mez odlučivosti am je definována jako velikost částic, pro niž má odlučovač frakční odlučivost 50 %. Odlučovače se dělí do čtyř základních skupin: -
mechanické odlučovače suché,
-
mechanické odlučovače mokré,
-
filtry,
-
elektrické odlučovače.
32
Mechanické odlučovače využívají převážně principu setrvačného a v menší míře gravitačního. Suché mechanické odlučovače se vyznačují jednoduchou konstrukcí, spolehlivostí, malými pořizovacími náklady a malou spotřebou energie. Nevýhodou je jejich nízká odlučivost pro jemné frakce. Hlavními typy suchých mechanických odlučovačů jsou odlučovače lamelové, žaluziové a vírové, nazývané také cyklóny. K odlučování prachu u odsávacích zařízení je nejpoužívanější vírový odlučovač, který je vhodný zejména pro odlučování hrubšího dřevního odpadu, nebo k odlučování částic nelepivých nátěrových hmot. Příklad vírového odlučovače s tečným vstupem je na obr. 6.1. Komora odlučovače je složena z válcové a kuželové části. Čištěný vzduch vstupuje tangenciálně do válcové části a je uváděn do šroubovicového pohybu. Na unášené částice působí odstředivá síla, která dopravuje částice k vnějším stěnám komory, a částice pak prouděním vzduchu v mezní vrstvě se shromažďují ve výsypce B. Vzduch ve vírovém odlučovači se pohybuje sestupně ve vnější spirále a vzestupně ve vnitřní spirále (vlivem nízkého tlaku v jádře proudu) k výstupní trubce C.
Obr. 6.1 Vírový odlučovač s tečným vstupem A – komora odlučovače, B – výsypka prachu, C – výstupní trubka, D – výstup prachu z odlučovače Mokré mechanické odlučovače mají v porovnání se suchými vyšší odlučivost. Téměř výhradně se pro odvod zachycených částic používá vody. Nevýhodou je spotřeba vody, nutnost kalového hospodářství, náročnější obsluha a údržba. K hlavním typům mokrých odlučovačů patří mokrý vírový odlučovač, hladinový odlučovač, pěnový odlučovač a proudový odlučovač. K odlučování u odsávacích zařízení je nejpoužívanější hladinový odlučovač, který je znázorněn na obr. 6.2. Proud čištěného vzduchu přiváděný ve střední části strhává z hladiny vodu a prochází tvarovanou štěrbinou A. K odlučování částic na vodicích listech B dochází
33
vlivem odstředivé síly působící na částice během jejich průchodu štěrbinou. Stěny štěrbiny jsou omývány vodou strženou z hladiny. Voda stržená vzduchem se vrací kanály C do spodní části vodní nádrže, z jejíhož dna je odpouštěn kal hrdlem D. Na výstupu vyčištěného vzduchu z odlučovače je umístěn odlučovač kapek E.
Obr. 6.2 Hladinový odlučovač A – odlučovací štěrbina, B – vodicí list, C – kanál, D – odvod kalu, E – odlučovač kapek Vzhledem k vysoké odlučivosti i pro jemné částice je tento odlučovač značně rozšířen, zejména u odsávacích zařízení ve slévárnách, hutích, keramických provozech, při nanášení nátěrových hmot, pro odlučování uhelného prachu a v dalších případech, pro které nejsou vhodné látkové filtry, nebo když se jedná o odlučování výbušných prachů. Filtry. Při průtoku znečištěného plynu filtračním materiálem jsou částice odlučovány především setrvačným, difúzním, gravitačním a někdy i elektrostatickým účinkem. U částic, jejichž rozměry jsou větší, než průměry pórů ve filtru se uplatňuje i tzv. sítový účinek. Při zaplnění filtru prachem vzniká na povrchu filtru další filtrační vrstva z odloučených částic a postupně dochází k zvyšování tlakové ztráty. Při překročení určité tlakové ztráty je nutno vrstvu částic odstranit – filtr regenerovat. Regenerace se zajišťuje pulzním profukem tlakovým vzduchem, nebo zpětným proplachem okolním vzduchem, který protéká filtračním materiálem v opačném směru než čištěný vzduch při vlastní filtraci, nebo mechanickým způsobem – oklepáváním filtračního materiálu. Filtračním materiálem bývají především filtrační textilie vyráběné tkaním nebo vpichovací technologií s následnou povrchovou úpravou. Odlučivost filtrů závisí na druhu filtrační textilie a na filtračních podmínkách. Zvýšení odlučivosti lze dosáhnout zmenšováním pórovitosti nebo zvětšováním tloušťky filtrační vrstvy. Filtrační materiál je ve tvaru hadic, nebo hlubokých kapes, podle toho se filtry dělí na hadicové a kapsové. Hadicový filtr s regenerací pulzním profukem je na obr. 6.3. Každá hadice má svoji dýzu pro pulzní profuk vzduchem o tlaku 0,5 MPa, po dobu asi 0,1 sekundy. Vzduch pro pulzní profuk se přivádí přes membránový ventil, jehož dobu otevření řídí ovládací solenoidový ventil.
Filtry se používají k zachycení suchých a nemastných nečistot ze vzduchu odsávaného např. od dřevoobráběcích strojů, ale také ze vzduchu odsávaného v textilních, keramických aj. provozech.
34
Obr. 6.3 Hadicový filtr s regenerací pulzním profukem 1 – dělicí rovina mezi znečištěnou a čistou částí, 2 – hadice, 3 – drátěná vestavba, 4 – dýzové nástavce, 5 – dýzy, 6 – solenoidové ventily Elektrické odlučovače. Pro zachycení částečkových nečistot ze vzduchu lokálně odsávaného se elektrické odlučovače používají např. u jednotkových odsávacích zařízení při svařování elektrickým obloukem. Dvouzónový elektrický odlučovač je schematicky znázorněn na obr. 6.4. V první zóně jsou elektrody ionizační, tvořené drátovými elektrodami A napnutými mezi uzemněnými plochými elektrodami B. V této zóně získávají částice elektrický náboj (asi 13 kV). K odlučování částic dochází v druhé zóně na soustavě sběracích elektrod C a D střídavě uzemněných a napojených na napětí asi 6,5 kV. Sběrací elektrody se čistí vodou, a to ručně, nebo automaticky. V těchto odlučovačích se používá převážně kladná korona, která způsobuje malý vývin ozónu.
Obr. 6.4 Dvouzónový elektrický odlučovač A, B – elektrody ionizační, C, D – elektrody sběrací
35
6.2.2 Odlučování plynných znečišťujících látek
K odlučování plynných znečišťujících látek se používají především sorpční procesy, a to absorpce a adsorpce. Absorpce je difúzní pochod, při němž dochází k pohlcování plynu ve vhodné kapalině – absorbentu. Absorbent musí být dostatečně selektivní, aby pohlcoval pokud možno pouze složku, kterou je třeba odstranit. Opačným pochodem je exsorpce, při níž např. snížením tlaku, nebo zvýšením teploty absorpčního roztoku se pohlcený plyn z kapaliny uvolňuje. Absorpce se provádí v různých zařízeních, jako jsou bezvýplňové sprchové absorbéry, výplňové absorpční věže a pěnové absorbéry. Bezvýplňové absorbéry jsou nádoby, v nichž je absorbující látka rozstřikována soustavou trysek proti proudu čištěného vzduchu. Styčná plocha mezi čištěným vzduchem a kapalinou je dána celkovým povrchem kapiček absorpční kapaliny. Výplňové absorpční věže jsou v praxi nejčastěji používané. Výplň absorbéru tvoří soustava mříží, nebo sypaná náplň, po níž stéká shora dolů absorpční kapalina a proti ní proudí vzhůru čištěný vzduch. Jejich výhodou je velká absorpční účinnost. Pěnové absorbéry jsou zařízení shodná s pěnovými odlučovači částic. Pěnový absorbér je nádoba, kterou protéká čištěný vzduch přes děrované rošty. Na rošty je přiváděna absorpční kapalina a vytváří se tak na roštech pěnové vrstvy. V těchto vrstvách je pohlcován plyn, který chceme ze vzduchu odstranit. Současně zde mohou být setrvačnými silami odlučovány i částečkové škodliviny. Vznik pěny je podmíněn režimem daným přívodem množství absorpční kapaliny, čištěného vzduchu a perforací roštu. Nevýhodou tohoto absorbéru je citlivost na změny objemového toku čištěného vzduchu, který nesmí kolísat o více než 20%.
Obr. 6.5 Pěnový absorbér A – rošty, B – přívod absorpční kapaliny, C – kalová nádrž, D – odvod kalu, E – odlučovač kapek Adsorpce je druhá sorpční metoda. Je to difúzní pochod, při němž dochází k vázání plynné škodliviny na povrchu vhodné tuhé látky – adsorbentu. Adsorpce může probíhat tak, že molekuly adsorbované látky se zachycují na povrchu adsorbentu, působením van der
36
Waalsových sil. Takový pochod se nazývá fyzikální adsorpce a vázaná plynná příměs může být z povrchu adsorbentu uvolněna desorpcí. Tuto lze uskutečnit např. zvýšením teploty, nebo snížením tlaku. Druhým případem adsorpce je chemisorpce, při níž dochází k chemické reakci mezi adsorbovanou a adsorbující látkou a ke vzniku nové povrchové sloučeniny. Vazba chemisorbované látky na povrchu adsorbentu bývá tak pevná, že většinou jde o nevratný pochod. Jako adsorbent se používají pórovité materiály, např. aktivní uhlí, aktivní koks, silikagel aj. Při chemisorpci je povrch adsorbentu opatřen tenkou vrstvou vhodné chemické látky. Adsorbce se provádí v adsorbérech. Adsorbér je obvykle válcová nádoba, která má u dna rošt, na němž je nasypána vrstva adsorpčního materiálu. Touto vrstvou prochází čištěný vzduch tak dlouho, dokud se adsorbent nenasytí a nedochází k průniku škodliviny. Pak je třeba adsorbent regenerovat, nebo nahradit novým. 6.3 Hospodárnost návrhu vzduchotechnických zařízení
Vzduchotechnická zařízení, tj. zařízení pro větrání a klimatizaci jsou energeticky velmi náročná. Při návrhu těchto zařízení je proto nutné dbát na jejich hospodárnost, kterou ovlivňují především tyto faktory: - Optimální dimenzování vzduchotechnického zařízení a jeho ovládání. - Přesná specifikace úrovně čistoty, zejména v případě čistých prostor. - Úprava výrobních postupů pro snížení provozních nákladů (např. čisté operace soustředit do laminárních boxů). - Odstranění škodlivin v místech jejich vzniku zakrytováním zdrojů a místním odsáváním. - Větrání méně čistých prostor (např. chodeb, garáží) vzduchem z čistějších prostorů (např. kanceláří). - Použití vzduchotechnických zařízení s cirkulací vzduchu. - Využívání různých systémů zpětného získávání tepla z odpadního vzduchu vyfukovaného do venkovního ovzduší. Použití zařízení s cirkulací vzduchu. Použitím vzduchotechnických zařízení s cirkulací vzduchu lze dosáhnout snížení investičních nákladů i úsporu provozních nákladů, a to především v přechodném a zimním období. Cirkulační (oběhový) vzduch musí být vyčištěn tak, aby zpětný vzduch přiváděný do místnosti neobsahoval chemické látky, nebo aerosoly včetně prachu v koncentracích vyšších než 5 % jejich přípustného expozičního limitu (PEL) stanoveného Nařízením vlády č. 361/2007 Sb. [13]. Objemový tok cirkulačního vzduchu V&c lze určit z hmotnostní bilance škodlivin při směšování venkovního a cirkulačního vzduchu, která má za předpokladu stejné hustoty venkovního a cirkulačního vzduchu tvar V&e k e + V&c k c = V&p k p ,
(6.6)
kde V&p = V&e + V&c je objemový tok vzduchu přiváděného do místnosti, V& – objemový tok venkovního vzduchu, e
37
ke, kc, kp – koncentrace škodlivin ve vzduchu venkovním, cirkulačním a přiváděném do místnosti. Při použití teplovzdušného větrání nebo klimatizace nesmí podíl venkovního vzduchu poklesnout pod 15 % celkového množství přiváděného vzduchu [13].
Z rovnice (6.6) je objemový tok cirkulačního vzduchu vyjádřen vztahem V&c = V&p
k p − ke kc − ke
.
(6.7)
Zpětné získávání tepla z odváděného vzduchu. Pro zpětné získávání tepla z odpadního vzduchu vyfukovaného do venkovního ovzduší se používají zařízení pro zpětné získávání tepla (ZZT), v nichž je předáváno teplo z odváděného odpadního vzduchu čerstvému přiváděnému vzduchu. Základní používané systémy ZZT jsou uvedeny v kap. 7.1.
38
7. KLIMATIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ 7.1 Klimatizační zařízení a jejich komponenty
Klimatizační zařízení upravují vzduch na požadovanou teplotu, vlhkost a čistotu, a to automaticky po celou roční dobu. Podle použití se dělí na komfortní a průmyslová. Komfortní zajišťují nejvhodnější stav vnitřního ovzduší s ohledem na osoby pobývající v klimatizovaném prostoru. Průmyslová klimatizační zařízení upravují stav vzduchu na stav požadovaný technologií výroby. Klimatizační zařízení se skládá z řady komponent, v nichž probíhají dílčí úpravy vzduchu, tak aby výsledný stav odpovídal požadovanému. Hlavními komponentami klimatizačních zařízení jsou ohřívače a chladiče, zvlhčovače, chladicí zařízení, ventilátory, filtry a zařízení pro zpětné získávání tepla. Ohřívače a chladiče slouží k tepelné úpravě vzduchu. Většinou se používají rekuperační lamelové výměníky. Teplonosným médiem u ohřívačů bývá teplá či horká voda, nebo pára. Pro chladiče vzduchu se používá jako chladicí médium voda, někdy i přímo chladivo (výparník chladicího zařízení slouží přímo jako chladič vzduchu).
Lamelové trubky se používají proto, aby se zvýšil tepelný tok na straně menšího součinitele přestupu tepla (na straně vzduchu). Lamelové výměníky nejčastěji vznikají navléknutím hliníkových lamel obdélníkového tvaru na měděné trubky. Tloušťka lamel bývá asi 0,2 mm a rozteč 2 až 3 mm. Před lamelovými výměníky musí být umístěn filtr vzduchu. Ohřívače čerstvého vzduchu musí být samostatným regulačním okruhem zajištěny proti zamrznutí vody. Zvlhčovače vzduchu slouží především k úpravě vlhkosti. Vlhčení se provádí vodou, nebo parou. Pro vlhčení vodou se používají blánové a sprchové pračky vzduchu, které bývají součástí klimatizačních zařízení. Pro dovlhčování vzduchu v klimatizovaných místnostech slouží např. zvlhčovače s mechanickým rozprašováním vody a pneumatické zvlhčovače. Parní zvlhčovače se používají u komfortních klimatizačních zařízení a u zařízení, kde jsou kladeny přísné hygienické požadavky na upravený vzduch.
Sprchové pračky jsou směšovací výměníky, v nichž nastává zvlhčování vzduchu odpařováním vody z povrchu drobných kapiček. Pračky mají tvar skříní, v jejichž spodní části je vodní vana. Voda se ve skříni pračky rozstřikuje tryskami umístěnými rovnoměrně v celém průřezu pračky, buď ve směru proudu vzduchu (souproudé uspořádání), nebo proti směru proudu vzduchu (protiproudé uspořádání). Podle požadovaného výkonu se používají pračky s 1 až 4 sprchovacími registry (řadami trysek). Na výstupu z pračky jsou umístěny odlučovací plechy. Pro zajištění jejich řádné funkce je třeba dodržet rychlost vzduchu v pračce v rozmezí 1,5 až 4 m.s-1. Rychlostní profil vzduchu na vstupu do pračky musí být rovnoměrný, proto se před pračkou umisťují usměrňovací plechy. Stejnou funkci může plnit lamelový výměník tepla zařazený před pračku. Ve vodní vaně je umístěn plovákový regulátor výšky hladiny a přepad do kanalizace. Z vany se odebírá voda přes filtr do sání čerpadla. Množství rozprašované vody je mnohonásobně větší než odpařené, proto jsou sprchové pračky rozměrné. Pračky blánové pracují s menším množstvím vody než sprchové pračky a také jejich rozměry jsou menší. Účinná odpařovací plocha je tvořena např. soustavou desek, vrstvou vláken či kroužků, které jsou zvlhčovány rozstřikováním vody z trysek (obr. 7.1), nebo vodou stékající z horní nádrže. Odpařovací plochu může také tvořit soustava otáčejících se kotoučů smáčených ponořováním do vodní lázně Nevýhodou blánových praček je obtížné čištění.
39
Obr. 7.1 Blánová pračka vzduchu. 1 – odlučovač kapek, 2 – ponorné čerpadlo, 3 – rozprašovací trysky Zvlhčovače s mechanickým rozprašováním vody mohou být různé konstrukce, nejobvyklejší jsou s rotujícími kotouči. Voda je přiváděna trubkou na spodní část rotujícího kotouče a při vysokém počtu otáček se rozpráší na jemné kapičky, které jsou unášeny vzduchem z ventilátoru. Pneumatické zvlhčovače využívají pro rozprašování vzduchu stlačený vzduch o přetlaku 0,03 až 0,07 MPa. Tyto zvlhčovače obdobně jako zvlhčovače s mechanickým rozprašováním vody se používají k dovlhčování vzduchu přímo v klimatizovaném prostoru. Obvykle se umisťují za přiváděcí vyústky. Parní zvlhčovače se skládají z redukčního ventilu a z trubky s tryskami, kterými se vyfukuje pára do zvlhčovací komory klimatizačního zařízení, nebo přímo do vzduchovodu. Zvlhčování přiváděním páry je jednoduché, dobře se reguluje (přidávaná pára téměř neovlivňuje teplotu vzduchu) a je hygienicky nezávadné. Pro větší klimatizační zařízení se pára přivádí z centrálního zdroje, musí však být kvalitní. Menší klimatizační zařízení vyrábějí páru přímo (elektrickým ohřevem). Chladicí zařízení slouží k přípravě chladicí vody pro chladiče vzduchu, nebo jejich výparník slouží přímo jako chladič vzduchu. Chladicí zařízení pro klimatizaci mají poměrně velké výkony, avšak na plný výkon pracují pouze několik dní v roce. Proto je nutné, aby byla dobře regulovatelná a měla dobrou účinnost i při částečném zatížení. Tomu nejlépe vyhovují chladicí zařízení s turbokompresory a chladicí zařízení absorpční a pro menší výkony zařízení s pístovými kompresory. Nejčastěji se používají zařízení kompresorová. Pouze v případech, kde je k dispozici dostatečný zdroj levného tepla, lze pro velké chladicí výkony použít absorpční chladicí zařízení, která jsou investičně dražší než kompresorová. Ventilátory jsou lopatkové stroje sloužící k dopravě plynů při poměru tlaků ve výtlačném a sacím hrdle maximálně 1,3. Podle směru průtoku plynu oběžným kolem se ventilátory dělí na axiální, diagonální, radiální a diametrální. Podle hodnoty maximálně dosažitelného tlaku se dělí na nízkotlaké (do 1000 Pa), středotlaké (1000 až 3000 Pa) a vysokotlaké (nad 3000 Pa). Zdrojem energie je vždy motor, nejčastěji asynchronní elektromotor. Podle spojení motoru s rotorem ventilátoru rozlišujeme ventilátor s pohonem na přímo (hřídel oběžného kola ventilátoru je společná i pro elektromotor), na spojku (točivý moment elektromotoru přenáší na hřídel ventilátoru spojka), s převodem (nejčastěji řemenovým).
Ventilátory používané v klimatizačních zařízeních jsou většinou radiální nízkotlaké, nebo středotlaké. Pouze k dopravě velkých toků vzduchu při malé tlakové ztrátě sítě se používají
40
ventilátory axiální. Pro vyšší dopravní tlaky se axiální ventilátory skládají za sebou. Axiální ventilátory jsou při vyšších tlacích hlučnější než radiální. Filtry atmosférického vzduchu. Jsou určeny k zachycování příměsí (škodlivin) ze vzduchu venkovního nebo oběhového v klimatizačních a větracích zařízeních. Slouží k zachycení jak částečkových škodlivin (tuhých i kapalných) tak i škodlivin plynných a odérů.
Základem filtrace částečkových škodlivin je odlučování částic ve vrstvě filtračního materiál. Filtrační materiály jsou převážně vláknité a volí se podle požadavků na odlučivost – ze syntetických, skleněných nebo organických vláken. Oblast velikosti odlučovaných částic bývá od 0,01 do 100 µm. Podle provedení lze tyto filtry rozdělit na filtry vložkové a pásové. Pro menší objemové toky vzduchu se používají filtry vložkové. Vložky jsou ve tvaru desek, kapes nebo krabic (obr. 7.2) a zasouvají se do filtračních komor. Pro větší objemové toky vzduchu se používají filtry pásové, u nichž je filtrační vrstva ve tvaru pásu. Pásové filtry jsou většinou řešené jako odvinovací (obr. 7.3).
Obr. 7.2 Filtrační vložky a média
Obr. 7.3 Odvinovací filtr
Pro zachycení plynných znečišťujících látek a pachů se používají filtry založené na principu adsorpce a absorpce. Adsorpce je difúzní pochod, při němž dochází k zachycování plynu na povrchu pevné látky – adsorbentu. Základní sorpční látka (adsorbent) je aktivní uhlí, aktivní koks, silikagel aj. Nejpoužívanější je aktivní uhlí. Rozlišuje se adsorpce fyzikální a chemická. Při fyzikální adsorpci dochází k zachycování molekul adsorbované látky na povrchu adsorbentu, působením van der Waalsových sil. Při chemické adsorpci dochází k chemické reakci mezi adsorbovanou látkou a adsorbentem a ke vzniku nové povrchové sloučeniny. Jako adsorbent se používá opět nejčastěji aktivní uhlí, ale na povrchu impregnované, např. bromem nebo jinými látkami, čímž se rozšiřuje možnost zachycení některých plynů a pachů neadsorbovatelných fyzikální adsorpcí. Konstrukce sorpčních filtrů jsou různé, ale nejčastěji se sorpční filtry skládají z dutých válcových vložek (patron) naplněných aktivním uhlím, které jsou uchyceny na nosné desce (obr. 7.4), nebo jsou tvořeny vrstvou aktivního uhlí nanesenou na povrchu filtračního materiálu (viz obr. 7.2).
41
Obr. 7.4 Absorpce je difúzní pochod, při němž dochází k pohlcování plynu ve vhodné kapalině – absorbentu, který musí být dostatečně selektivní, aby pohlcoval pouze složku, kterou je třeba odstranit. Jako absorbenty se používají nejčastěji alkalické roztoky. Jako absorbéry (zařízení, v nichž absorpce probíhá) jsou vhodné bezvýplňové sprchové absorbéry a výplňové absorpční komory (obdoba sprchových a blánových praček, v nichž je sprchován absorbent), nebo pěnové absorbéry, v nichž dochází k pohlcování plynu ve vrstvě pěny, která se vytváří z absorbentu přiváděného na děrovaný rošt, přes který protéká čištěný vzduch, viz obr. 6.5. Zařízení pro zpětné získávání tepla (ZZT) slouží k předávání tepla z odváděného odpadního vzduchu čerstvému přiváděnému vzduchu. Proto ZZT zhospodárňuje provoz klimatizačních a větracích zařízení. Bez použití tohoto zařízení teplo spotřebované pro ohřev větracího vzduchu uniká většinou bez užitku v teplém odváděném vzduchu. K základním způsobům ZZT patří: - přenos tepla pomocí dvojice lamelových výměníků, - přenos tepla v deskových výměnících, - přenos tepla pomocí tepelných trubic, - přenos tepla, případně i vlhkosti v regeneračních výměnících (převážně rotačních), - přenos tepla pomocí tepelných čerpadel.
Systém dvojice lamelových výměníků se skládá ze dvou sekcí (dvou samostatných výměníků z lamelových trubek) propojených potrubím, jímž proudí nemrznoucí kapalina. Jednou sekcí (jedním z lamelových výměníků) protéká teplý odváděný vzduch, druhou sekcí (druhým lamelovým výměníkem) vzduch přiváděný. Oba proudy jsou od sebe odděleny a mohou být i značně vzdáleny. Účinnost přenosu se obvykle vyjadřuje vztahem
η=
t p − te ti − te
,
(7.1)
kde te, tp jsou teploty přiváděného vzduchu na vstupu a výstupu z výměníku, ti je teplota odváděného vzduchu na vstupu do výměníku. Vztah (7.1) platí za podmínky, že oběma výměníky proudí stejný hmotnostní tok vzduchu. U tohoto systému ZZT se účinnost přenosu tepla pohybuje od 40 do 50 %.
42
Deskové výměníky jsou tvořeny soustavou desek s mezerami 3 až 6 mm. Plochými kanály (štěrbinami) mezi deskami, jejichž povrch je hladký, tvarovaný, nebo žebrovaný, protéká střídavě teplý a chladný vzduch. Desky jsou z hliníku, z plastických hmot (s různě tvarovaným povrchem), případně ze skla (pro chemické provozy). Dosažitelná účinnost přenosu tepla je 50 až 70 %. Tepelné trubice jsou jednotlivé žebrované trubky, naplněné z části chladivem, uchycené do rámu. Nejčastěji se používají trubice gravitační, jejichž uspořádání je na obr. 7.5. Teplý vzduch proudí kanálem, v němž je umístěna spodní část trubic. Teplý vzduch zde předává teplo kapalnému chladivu, toto chladivo se vypařuje a syté páry chladiva stoupají vzhůru. V horní části předávají teplo přiváděnému studenému vzduchu, proudícímu horním kanálem, kondenzují a zkapalněné chladivo stéká dolů. Účinnost se pohybuje od 50 do 60 %.
Obr. 7.5 Schéma gravitačních tepelných trubic Regenerační výměníky jsou výměníky, u nichž teplosměnný povrch přichází střídavě do styku s proudem teplého a chladného vzduchu. Konstrukčně jsou řešeny jako rotační, nebo přepínací. Nejpoužívanější jsou rotační (obr. 7.6), u nichž je hlavním článkem rotující buben s teplosměnnou plochou vytvořenou z úzkých kanálků o průměru asi 3 mm. V uvedeném obrázku je spodní částí bubnu veden proud odváděného teplého vzduchu, horní částí proud čerstvého studeného vzduchu.
Obr. 7.6 Schéma rotačního regeneračního výměníku Regenerační výměníky mohou sloužit k přenosu tepla (teplosměnný povrch bývá hliníkový), nebo k přenosu tepla a vlhkosti (povrch musí být hygroskopický). Ze všech systémů ZZT mají nejvyšší účinnost, 70 až 90 %. Tepelná čerpadla jsou kompresorová chladicí zařízení, u nichž činným článkem je kondenzátor. Výparníkem zařízení proudí odváděný vzduch a předává teplo chladivu, které se odpařuje. Po zvýšení tlaku a teploty chladiva v kompresoru předává chladivo v kondenzátoru teplo přiváděnému vzduchu. Investičně i provozně jsou ze všech systémů ZZT nejdražší. 43
K nejpoužívanějším systémům ZZT patří deskové výměníky, regenerační rotační výměníky a dvojice lamelových výměníků. 7.2 Výpočet pračky vzduchu
Pračka vzduchu je směšovací výměník, v němž dochází k přenosu tepla a vlhkosti. U sprchové pračky je voda rozprašována do proudícího vzduchu – k přestupu tepla a vlhkosti dochází mezi vodními kapkami a vzduchem. U blánových praček voda smáčí povrch vestavby a stéká po ní; zde dochází k přestupu tepla a vlhkosti mezi vzduchem a mokrým povrchem. Při výpočtu pračky vzduchu vycházíme z hmotnostních a tepelných bilancí sprchového prostoru a vodního okruhu. Z těchto bilančních rovnic pro adiabatický režim pračky, tzn., že ve vodním okruhu není zařazen výměník tepla a zanedbáváme teplo přenášené mezi povrchem tepelně izolované komory pračky a okolím, dostaneme i 2 − i1 = c w t wo ≈ 0 , x 2 − x1
(7.2)
kde i1, i2 je měrná entalpie vzduchu na vstupu a výstupu z pračky a x1, x2 je měrná vlhkost vzduchu na vstupu a výstupu z pračky, cw je měrná tepelná kapacita vody a two je teplota vody doplňované do vodního okruhu. Z této rovnice vyplývá, že směrnice změny stavu vzduchu v adiabatické pračce je stejná jako při vlhčení vodou o teplotě two. Pro malý odklon této směrnice od směrnice nulové, nahrazujeme směr změny stavu vzduchu v adiabatické pračce izoentalpou. Grafické zobrazení v i – x diagramu vlhkého vzduchu je na obr. 7.7.
Obr. 7.7 Vlhčení vzduchu v adiabatické pračce Teoreticky je krajní stav vzduchu za pračkou dán stavem nasyceného vzduchu o teplotě rovné teplotě vody – bod 2id (obr. 7.7). Prakticky se však vzduch zcela nenasytí. Podle dosaženého stavu 2 definujeme účinnost adiabatické pračky
η ad =
x 2 − x1 , x 2id − x1
(7.3)
kde x2id je měrná vlhkost vzduchu nasyceného o stavu 2id, ležícím v průsečíku křivky f = 1 s izoentalpou i1 = i2 (viz obr. 7.7).
44
8. KLIMATIZAČNÍ SYSTÉMY
Systémy klimatizačních zařízení se dělí na ústřední systémy a klimatizační jednotky. Ústřední klimatizační systémy se skládají z ústřední klimatizační strojovny, potrubního rozvodu a případně decentrálních jednotek, sloužících k dodatečné úpravě vzduchu v jednotlivých místnostech. Pro ústřední klimatizační systémy se používají převážně sestavná klimatizační zařízení v plechovém provedení. Jednotlivé díly, tzn. filtrační, směšovací, ohřívací, chladicí, zvlhčovací, ventilátorový, ZZT, tlumicí, jsou tvořeny skříněmi, které se mohou jednoduchým způsobem spojovat (viz sestavná ústřední větrací jednotka na obr. 6.3 doplněná o chladicí a zvlhčovací díl). Klimatizační jednotky jsou kompaktní zařízení obvykle skříňového provedení, která se používají ke klimatizaci jednotlivých místností.
Podle druhu teplonosné látky, zajišťující požadavky komfortu, či technologické, rozlišujeme klimatizační systémy: - vzduchové (teplonosným prostředím je pouze vzduch), - kombinované (vzduch – voda), - vodní, - chladivové. 8.1 Vzduchové systémy
Vzduchové systémy se dělí na nízkotlaké (rychlost v hlavním rozváděcím potrubí do 12 m.s-1) a vysokotlaké (rychlost až 25 m.s-1). Ke vzduchovým systémům patří především jednokanálová zařízení nízkotlaká a vysokotlaká a vysokotlaká zařízení dvoukanálová. Nízkotlaká zařízení jednokanálová (obr. 8.1) mají společnou úpravu vzduchu pro všechny klimatizované místnosti. Jsou jednoduchá a levná. Jejich nedostatkem je, že čidlo automatické regulace je možno umístit pouze v jedné místnosti.
Obr. 8.1 Nízkotlaké ústřední klimatizační zařízení jednokanálové. O1 – předehřívač, F – filtr, CH – chladič, P – zvlhčovač, O2 – dohřívač, V1, V2 – ventilátor pro přívod a odvod vzduchu Vysokotlaká zařízení jednokanálová se liší od nízkotlakých tím, že jako koncové prvky jsou použity expanzní skříně, na něž se připojuje nízkotlaký rozvod vzduchu k vyústkám.
45
Odvádění vzduchu z místnosti je nízkotlaké. Tato zařízení jsou vhodná zejména pro objekty, které je třeba intenzívně větrat, např. posluchárny, obchodní domy. Vysokotlaká klimatizační zařízení dvoukanálová. V nich se vzduch upravuje ve strojovně na dva stavy – vzduch chladný a teplý. Chladný a teplý vzduch se rozvádí budovou v samostatných vzduchovodech (obr. 8.2). Pro každou místnost nebo zónu se provádí samostatné míšení vzduchu z obou vzduchovodů ve směšovací skříni. Poměr míšení je řízen termostatem. Umožňuje tedy individuální regulaci stavu vzduchu v každé místnosti či zóně. Nevýhodou tohoto systému je především rozměrnost dvojího rozvodu.
Obr. 8.2 Dvoukanálové vysokotlaké klimatizační zařízení. 1 – teplý vzduch, 2 – chladný vzduch, 3 – směšovací skříň, 4 – odváděný vzduch 8.2 Systémy kombinované
Systémy kombinované jsou vysokotlaké, umožňují individuální regulaci stavu vzduchu v každé místnosti. Ve strojovně se upravuje pouze čerstvý (primární) vzduch, jehož množství je dáno požadavky na odvod škodlivin. Sekundární vzduch se přisává v klimatizovaných místnostech v indukčních jednotkách (IJ), v nichž probíhá konečná úprava vzduchu (obr. 8.3). Primární vzduch vystupuje v IJ tryskami a ejekčním účinkem přisává z klimatizované místnosti sekundární vzduch. Sekundární vzduch prochází v IJ přes lamelový výměník, v němž se ohřívá nebo chladí a směšuje se vzduchem primárním. Rozvod topné a chladicí vody k IJ se používá především dvoutrubkový přepínací, nebo čtyřtrubkový. U dvoutrubkového systému se používají IJ s jedním výměníkem tepla a u systému čtyřtrubkového většinou IJ se dvěma výměníky (ohřívačem a chladičem). Systémy s IJ jsou vysoce komfortní, ale investičně náročné. Dnes je na trhu také systém s tzv. chladicími trámců, který je používaný především v severských zemích, ale začíná se používat i v západní a střední Evropě. Systém aktivních chladicích trámců pracuje na stejném principu jako systém s IJ a je určen pro větrání, chlazení a vytápění. Chladicí trámce, nazývané také indukční štěrbiny, jsou zavěšovány pod strop, nebo instalovány do podhledu. Jsou vhodné pro použití v kancelářských budovách, hotelích, nemocnicích a obchodech.
46
Obr. 8.3 Vysokotlaké klimatizační zařízení s indukčními jednotkami. 1 – centrální strojovna, 2 – rozvod primárního vzduchu, 3 – indukční jednotka, 4 – výměník tepla, 5 – filtr, 6 – přívod a odvod teplonosného média, 7 – potrubí pro odvod vzduchu 8.3 Systémy vodní
U systémů vodních jsou na rozvod teplé a chladné vody (dvoutrubkový nebo čtyřtrubkový) připojeny klimakonvektory (fan-coily). Příklad parapetního (podokenního) klimakonvektoru je na obr. 8.4.
Obr. 8.4 Podokenní klimakonvektor. K – klapka, F – filtr, V – ventilátor, O – ohřívač, Ch – chladič, č. v. – čerstvý vzduch, o. v. – oběhový vzduch Klimakonvektory obsahují filtr, ventilátor, ohřívač a chladič. Pracují pouze s oběhovým vzduchem, nebo nasávají také větrací vzduch, nejčastěji otvorem ve fasádě. Kromě parapetního provedení klimakonvektorů se vyrábí provedení podstropní, které bývá napojeno na centrální rozvod vzduchu. Vodní systémy jsou levnější než vzduchové nebo kombinované 47
(odpadají vzduchovody) a také provozní náklady jsou nižší, protože mohou být v provozu jen ty klimakonvektory, které jsou potřebné. Nevýhodou je větší hlučnost. Tyto systémy se dnes často používají místo systémů kombinovaných. 8.4 Chladivové systémy
Chladivové systémy slouží především ke klimatizaci jednotlivých místností. Patří sem: - okenní klimatizátory, - mobilní klimatizační jednotky, - dělená klimatizační zařízení (split systémy). Okenní klimatizátory mají vestavěné chladicí zařízení se vzduchem chlazeným kondenzátorem, který musí být umístěn vně místnosti. Mohou pracovat buď jen s oběhovým vzduchem, nebo s určitým podílem čerstvého vzduchu. Umisťují se do okna, nebo do venkovní stěny (obr. 8.5).
Obr. 8.5 Okenní klimatizátor. 1 – filtr, 2 – radiální ventilátor, 3 – axiální ventilátor, 4 – chladicí kompresor, 5 – výparník, 6 – kondenzátor, 7 – žaluzie, 8 – klapka, 9 – vyústka, 10 – elektromotor Mobilní klimatizační jednotky mají celý chladicí okruh ve skříni umístěné v klimatizované místnosti. Ke chlazení kondenzátoru se používá vzduch z klimatizované místnosti a ten se z klimatizační jednotky odvádí ohebnou hadicí do vnějšího prostoru. Split systémy (dělené chladivové systémy), viz obr. 8.6, mají výparník společně s ventilátorem a filtrem uložen ve vnitřní jednotce umístěné v klimatizované místnosti. Kondenzátor chlazený vzduchem, chladicí kompresor a expanzní ventil jsou uloženy ve venkovní jednotce. Jednotky jsou propojeny chladivovým potrubím. K ovládání chodu zařízení, včetně nastavení teploty, která je automaticky udržována, slouží ovladače, které jsou nejčastěji dálkové. Split systémy jsou často konstruovány s možností reverzního chodu, kdy fungují jako tepelné čerpadlo. Tyto jsou vybaveny čtyřcestným ventilem.
48
Obr. 8.6 Schéma split systému Venkovní jednotka se umisťuje na venkovní fasádě, nebo střeše objektu (obr. 8.7). Příklady provedení vnitřních jednotek jsou na obr. 8.8..
Obr. 8.7 Venkovní jednotka split systému Dělené chladivové systémy existují také v provedení, kdy na jednu venkovní jednotku lze připojit až 5 vnitřních jednotek, tzv. multisplit systémy. Každá vnitřní jednotka je s venkovní propojena samostatným chladivovým potrubím a může být řízena individuálně. Další skupinou chladivových dělených systémů jsou multisplit systémy s proměnným průtokem chladiva, pro něž se vžil název VRV (Variable Refrigerant Volume) systémy. U těchto systémů je možné na jednu venkovní jednotku napojit až 64 vnitřních jednotek. VRV systém je řízen počítačem. Provoz tepelného čerpadla je zde samozřejmostí. V nejdokonalejší variantě umí i přečerpávat teplo z místnosti, kde je ho přebytek, do místnosti, kde je ho nedostatek. Současně mohou být některé jednotky v režimu chlazení a jiné v režimu topení. Je to velmi rozšiřující se systém.
49
Obr. 8.8 Příklad provedení vnitřních jednotek systému split Dělené chladivové klimatizační systémy byly vyvinuty především pro komfortní chlazení pracující s cirkulačním vzduchem. V převážné většině tedy nezajišťují větrání. Pouze v některých aplikacích lze přívod čerstvého vzduchu realizovat přímo do vnitřní jednotky, např. mezistropní (kanálové) jednotky nebo kazetové jednotky. 50
9. DIMENZOVÁNÍ KLIMATIZAČNÍCH ZAŘÍZENÍ
Správné dimenzování klimatizačních zařízení je závažnou záležitostí hygienickou, ale také ekonomickou. Nedostatečné dimenzování způsobí, že zařízení nevyhovuje při špičkových zátěžích a předimenzovaná zařízení jsou především zbytečně nákladná. Při dimenzování klimatizačních zařízení je třeba znát tyto údaje: - letní tepelnou zátěž a zimní tepelné ztráty klimatizovaného prostoru, - požadované mikroklima v místnostech (pro letní a zimní provoz), - výpočtové parametry venkovního vzduchu (pro letní a zimní provoz), - druh provozu v klimatizovaných prostorech a s tím spojené zdroje škodlivin. Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů se provádí podle ČSN 730548 [8]. Výpočet tepelných ztrát podle normy ČSN EN 12831 [10]. Požadované parametry vnitřního vzduchu (teplota a vlhkost) se pro komfortní klimatizaci volí tak, aby v místnosti byla zajištěna tepelná pohoda, pro průmyslovou klimatizaci jsou dány požadavky technologickými. Výpočtová teplota a vlhkost venkovního vzduchu pro letní provoz se berou podle klimatických dat pro danou lokalitu a pro zimní provoz buď dle klimatických dat, nebo jako při výpočtu tepelných ztrát, ale s teplotou o 3 K nižší než odpovídá výpočtové venkovní teplotě v dané oblasti. Dimenzování klimatizačního zařízení zahrnuje tyto dílčí úkony: 1. Volba systému klimatizace, podle účelu ke kterému má zařízení sloužit. 2. Stanovení minimálního množství čerstvého venkovního vzduchu. Počítá se obdobně jako při dimenzování větrání, a to na základě známého množství vznikajících škodlivin a jejich přípustných koncentrací, nebo z dávek vzduchu na osobu, nebo z doporučených hodnot intenzity výměny venkovního vzduchu za hodinu. 3. Znázornění procesu úpravy vzduchu v i – x diagramu vlhkého vzduchu při extrémních letních a zimních podmínkách a dimenzování jednotlivých částí zařízení, tzv. provedení psychrometrického výpočtu. Dimenzování klimatizačních zařízení se provádí podle letního provozu. Tím se stanoví velikost klimatizačního zařízení. Této velikosti se pak přizpůsobí provoz zimní. Při dalším postupu budeme předpokládat, že klimatizační zařízení pracuje se stejným množstvím vzduchu v létě i v zimě. Znázornění procesu úpravy vzduchu v i – x diagramu Letní provoz klimatizačního zařízení
Uvažujme nízkotlaké klimatizační zařízení jednokanálové dle obr. 8.1. Pro letní provoz jsou zadány tyto hodnoty: te, ϕe stav venkovního vzduchu ti, ϕi požadovaný stav vnitřního vzduchu celková tepelná zátěž klimatizovaného prostoru Q& i m& wi množství vznikající vlhkosti minimální hmotnostní tok venkovního vzduchu m& ve Nejběžnější klimatizační zařízení v létě pracují pouze s chladičem, takže letní provoz zařízení je následující. Oběhový vzduch z místnosti o stavu I se mísí se vzduchem venkovním
51
o stavu E (obr. 9.1). Směs o parametrech S se ochlazuje v chladiči na stav P, s nímž se přivádí do místnosti.
Obr. 9.1 Znázornění letního provozu klimatizačního zařízení v i – x diagramu V důsledku tepelné zátěže Q& i a vznikající vlhkosti m& wi dochází v místnosti ke změně stavu vzduchu I-P. Tepelnou zátěž Q& i a hmotnostní tok vznikající vlhkosti m& wi lze vyjádřit vztahy Q& i = m& v (ii − i p ) ,
(9.1)
m& wi = m& v ( xi − x p ) .
(9.2)
Směr změny stavu vzduchu I-P je dán poměrem ∂i =
ii − i p Q& i = , m& wi xi − x p
(9.3)
kde ∂ i je hodnota na okrajovém měřítku i – x diagramu. Ze zvoleného pracovního rozdílu teplot ∆tprac = ti - tp = 6 až 10 K se stanoví teplota přiváděného vzduchu tp a tím je v i-x diagramu určen stav přiváděného vzduchu P, tj. průsečík izotermy tp se směrnicí ∂ i procházející bodem I. Celkový hmotnostní tok vzduchu přiváděného do klimatizovaného prostoru se vypočítá např. z rovnice (9.1) m& v =
Q& i . ii − i p
(9.4)
Hmotnostní tok oběhového vzduchu pak je
52
m& vc = m& v − m& ve .
(9.5)
Měrná vlhkost vzduchu po smíšení xs se stanoví z vlhkostní bilance míšení vzduchu čerstvého a oběhového vyjádřené rovnicí m& ve xe + m& vc xi = (m& ve + m& vc ) x s .
(9.6)
Průsečík směrnice míšení (spojnice bodů E a I) s měrnou vlhkostí xs udává stav směsi S. Spojnice bodů S a P v průsečíku s křivkou ϕ = 1 dává rosný bod chladiče R a jemu odpovídající teplotu. Podle této hodnoty se volí typ chladiče. Tepelný výkon chladiče je Q& ch = m& v (i s − i p ) .
(9.7)
Zimní provoz klimatizačního zařízení.
Jsou zadány tyto hodnoty: stav venkovního vzduchu požadovaný stav vnitřního vzduchu tepelné ztráty klimatizovaného prostoru množství vznikající vlhkosti minimální hmotnostní tok venkovního vzduchu celkový hmotnostní tok přiváděného vzduchu
te, ϕe ti, ϕi Q& z m& wi m& we m& v
Při zimním provozu (obr. 9.2) se venkovní vzduch E nejdříve předehřeje (na ochranu proti zamrznutí a kondenzaci vodní páry) na stav K. Předehřátý vzduch se mísí se vzduchem oběhovým o stavu I. Směs S, která vznikne míšením, je vlhčena na stav O (uvažujeme adiabatické vlhčení ve sprchové pračce) a po dohřátí na stav P je vedena do klimatizované místnosti.
Obr. 9.2 Znázornění zimního provozu klimatizačního zařízení v i – x diagramu Z tepelné bilance klimatizovaného prostoru, tj. z rovnice (9.1), se vypočítá entalpie přiváděného vzduchu 53
i p = ii +
Q& z . m& v
(9.8)
V průsečíku ip se směrnicí změny stavu vzduchu v místnosti ∂ i ∂i =
Q& z m& wi
( 9.9)
dostaneme stav přiváděného vzduchu do klimatizované místnosti P. Volbou teploty předehřátí vzduchu tk (asi 5 až 10 °C) se určí stav vzduchu za předehřívačem K. Stav vzduchu po smíšení S je dán průsečíkem směšovací úsečky I-K s měrnou vlhkostí směsi xs, která se vypočítá z bilance míšení, tj. rovnice (9.6). Vlhčení vzduchu v adiabatické pračce je děj izoentalpický a stav vzduchu po vlhčení O je dán v průsečíku izoentalpy is s měrnou vlhkostí xp. Adiabatická účinnost pračky je pak dána vztahem
η ad =
xo − x s . xoid − x s
(9.10)
Tepelné výkony předehřívače Q& o1 a ohřívače za vodní pračkou Q& o 2 jsou vyjádřeny vztahy Q& o1 = m& ve (ik − ie ) ,
(9.11)
Q& o 2 = m& v (i p − io ) .
(9.12)
54
10. PŘEHLED SYSTÉMŮ VYTÁPĚNÍ. VYTÁPĚNÍ TEPLOVODNÍ 10.1 Přehled používaných systémů vytápění
Teplo k vytápění budov se vyrábí buď místním (lokálním) způsobem, nebo ústředně. U lokálního vytápění je zdroj tepla přímo ve vytápěném prostoru. U ústředního vytápění je zdroj tepla umístěn mimo vytápěný prostor, nebo v některé z provozních místnosti. Ze zdroje tepla se teplo rozvádí teplonosnou látkou – vodou, parou nebo vzduchem do vytápěného prostoru. Podle toho rozlišujeme vytápění vodní (teplovodní, horkovodní), parní (nízkotlaké, vysokotlaké) a teplovzdušné. Ze všech druhů vytápění je nejrozšířenější vytápění teplovodní s teplotou vody do 95 °C. Používá se v obytných domech a dále všude tam, kde se z hygienických důvodů požaduje nízká teplota otopných těles. Zvláštním druhem teplovodního vytápění je tzv. velkoplošné vytápění s teplotou vody obvykle do 60°C, u kterého otopnou plochou je některá ze stěn ohraničujících vytápěný prostor. Nízkotlaké parní vytápění s přetlakem páry do 50 kPa se zřizuje zejména v průmyslových objektech. Má větší provozní pohotovost než teplovodní. Uplatňuje se především u přerušovaného provozu vytápění. Vysokotlaké parní vytápění a horkovodní vytápění (teplota teplonosné látky nad 110 °C) se používá pouze v průmyslových závodech. Vyšší povrchová teplota otopného tělesa je méně hygienická, avšak investiční náklady jsou nižší. Teplovzdušné vytápění se u nás používá nejčastěji pro vytápění průmyslových hal a jiných půdorysně rozlehlých a vysokých místností. Teplý vzduch je v centrálním ohřívači, nebo v nástěnných teplovzdušných soupravách ohříván vodou nebo parou. Pro průmyslové haly a jiné půdorysně rozlehlé a vysoké místnosti se používá také vytápění sálavé, a to zavěšenými sálavými panely, nebo lokální plynové sálavé vytápění tmavými či světlými zářiči. Otopným médiem pro sálavé panely je horká voda nebo pára s teplotou až 160 °C. Vytápění sálavé je investičně dražší, ale provozně levnější než vytápění teplovzdušné. 10.2 Teplovodní vytápění
Teplovodní vytápění pracuje obvykle s jmenovitými teplotami 90/70 °C. V průběhu otopného období se teplota vody mění v závislosti na teplotě venkovního vzduchu. Dnes se používá také teplotní spád 70/50 °C v souvislosti se zvyšováním tepelné izolace budov a u objektů s velmi dobrou tepelnou izolací i teplotní spád 55/45 °C. Nižší teplotní spád vede ke zvýšení komfortu ve vytápěných místnostech. Podle zdroje tlakového spádu se rozlišuje teplovodní vytápění s přirozeným oběhem (vyvozeným rozdílem hustot vody ochlazené a teplejší přívodní) a s nuceným oběhem (vyvozeným čerpadlem). Další rozdělení je na teplovodní soustavy dvoutrubkové (ke každému otopnému tělesu se přivádí dvě potrubí – přívodní a vratné) a jednotrubkové (těleso je připojeno na rozvod vody pouze jedním potrubím). Dále se soustavy dělí podle umístění hlavního vodorovného přívodního potrubí na soustavy se spodním a horním rozvodem. Podle konfigurace propojovacích potrubí může být rozvod buď vertikální, nebo horizontální. 10.2.1 Teplovodní vytápění s přirozeným oběhem vody
Toto výtápění lze používat pro menší, půdorysně nepříliš rozlehlé budovy. Nyní se používá jen zcela zřídka. Soustava je většinou dvoutrubková, může být se spodním i horním rozvodem.
55
U soustavy s horním rozvodem se dosáhne poněkud většího oběhového tlaku než u soustavy se spodním rozvodem a také uvedení do provozu je rychlejší. Soustava s horním rozvodem je však dražší. Schéma teplovodní otopné soustavy vertikální dvoutrubkové s horním rozvodem a přirozeným oběhem je na obr. 10.1 a se spodním rozvodem na obr. 10.2 (bez zakresleného čerpadla).
Obr. 10.1 Dvoutrubková vertikální otopná soustava s horním rozvodem a přirozeným oběhem vody. K – kotel, SP – svislé přívodní potrubí, HP – horizontální přívodní potrubí, T – otopné těleso, HV – horizontální vratné potrubí, EN – expanzní nádoba, 1, 2, 3 – svislé větve 10.2.2 Teplovodní vytápění s nuceným oběhem vody
Oproti vytápění s přirozeným oběhem má řadu výhod: - menší průměry trubek a tím menší investiční náklady, - jednodušší montáž sítě, - možnost připojit i otopná tělesa ležící níže než zdroj tepla, - kratší doba zátopu a snadnější regulace. Nevýhodou nuceného oběhu je závislost na dodávce elektrické energie, větší provozní náklady a jistá hlučnost čerpadel. Schéma otopné soustavy s nuceným oběhem vody je v podstatě stejné jako při přirozeném oběhu. Soustava může být se spodním nebo horním rozvodem, dvoutrubková nebo jednotrubková. Oběhové čerpadlo může být vřazeno do vratného, nebo přívodního potrubí. Schéma vertikální dvoutrubkové soustavy se spodním rozvodem a čerpadlem ve vratném potrubí je na obr. 10.2. Celá soustava je zde spojena s expanzní nádobou pojistným potrubím připojeným na přívodní i vratné straně. Odvzdušnění soustavy se provádí buď ručně odvzdušňovacími ventily připojenými k nejvýše položeným otopným tělesům (viz větev 1), nebo samočinně odvzdušňovacím potrubím (viz větev 2 a 3). Horizontální otopné soustavy jsou vhodné tam, kde je třeba zmenšit počet svislých větví hlavního rozvodu nebo kde se požaduje připojit na společnou svislou větev všechna otopná tělesa samostatné skupiny místností, např. jednoho bytu. Lze je použít pro oběh přirozený i nucený. 56
Obr. 10.2 Dvoutrubková vertikální otopná soustava se spodním rozvodem a nuceným oběhem vody. K – kotel, HP – horizontální přívodní potrubí, HV – horizontální vratné potrubí, T – otopné těleso, EN – expanzní nádoba, Č – čerpadlo, PP, PV – pojistné potrubí na přívodní a vratné straně, 1, 2, 3 – svislé větve, OV – odvzdušňovací ventil, OP – odvzdušňovací potrubí Velmi rozmanitým způsobem lze při nuceném oběhu řešit jednotrubkové soustavy. Rozvod může být buď vertikální, nebo horizontální, otopná tělesa mohou být připojena v obtoku, nebo průtoku.
Obr. 10.3 Vertikální jednotrubková soustava s horním rozvodem a s tělesy v obtoku. K – kotel, Č – čerpadlo, T – otopné těleso, EN – expanzní nádoba, TV – trojcestný ventil Jednotrubková vertikální soustava s horním rozvodem vody (obr. 10.3) je vhodná zejména pro budovy s půdním prostorem. K regulaci průtoku vody otopnými tělesy připojenými v obtoku se používají trojcestné ventily zařazené v dělicích bodech před každým tělesem. Do vzdálenějších těles od kotle se přivádí postupně chladnější voda. Tato změna teploty vody se
57
respektuje při dimenzování otopných těles. Soustava se spodním rozvodem se používá především u budov s plochou střechou. Různé způsoby připojení těles k horizontální jednotrubkové soustavě jsou znázorněny na obr. 10.4. U horizontální soustavy s průtokem (obr. 10.4 a) není možné individuálně regulovat jednotlivá tělesa. U soustavy s tělesy připojenými v obtoku (obr. 10.4 b) lze průtok vody každým tělesem regulovat. Často se zde používá regulační armatury, nebo regulovatelné clony ve zkratu (obr. 10.4 c, d). K progresivním řešením patří použití čtyřcestné armatury s jednobodvým, nebo s dvoubodovým připojením (obr. 10.4 e, f).
Obr. 10.4 Horizontální jednotrubková soustava. a) s průtokem, b) s obtokem, c) s regulační armaturou ve zkratu, d) s regulovatelnou clonou ve zkratu, e) s čtyřcestnou armaturou s jednobodovým připojením, f) s čtyřcestnou armaturou s dvoubodovým připojením 10.2.3 Otopná tělesa
Jako otopná tělesa pro teplovodní vytápění se používají především tělesa desková, článková, trubková a konvektory. Nejpoužívanější jsou dnes tělesa desková. Jsou svařovaná z ocelového plechu, mají hladký, nebo mírně zvlněný povrch. Vyrábí se v provedení jednoduchém, zdvojeném a ztrojeném, bez dodatkových ploch, nebo s dodatkovými plochami (obr. 10.5). Výhodou jednoduchých deskových těles bez dodatkových ploch je malá stavební hloubka, snadné čištění a velký podíl sálání na tepelném toku přenášeném z přední strany. Teplo přenášené sáláním velmi významně přispívá k rovnoměrnému vytápění místnosti. Použitím dodatkových ploch, které tvoří např. vlnovce z tenkého ocelového plechu přibodované k základnímu deskovému tělesu, se dosahuje zvětšení tepelného výkonu. Zvětšuje se ale podíl konvekční složky přenášeného tepla a zhoršuje se jejich čistitelnost. 58
Obr. 10.5 Provedení deskových otopných těles Článková otopná tělesa se vyrábí z litiny. Z jednotlivých článků lze sestavit otopné těleso libovolné plochy. Teplo z povrchu tělesa se přenáší konvekcí a radiací (radiací asi 33 % celkového tepelného výkonu). Trubková tělesa pro teplovodní vytápění se vyrábí z hladkých trubek. Nejčastěji se vyskytují ve tvaru meandru, nebo registru s vodorovnými či svislými trubkami. Používají se pro vytápění koupelen, schodišť a jiných pomocných místností. Konvektory (trubková tělesa se zákrytem) tvoří vodorovné žebrované trubky obklopené dvojitým zákrytem, který jako šachta podporuje proudění vzduchu (obr. 10.6). Teplo se z povrchu přenáší především konvekcí. Konvektory mají nepatrnou setrvačnost, nevýhodou však je intezívnější cirkulace vzduchu, kterou se roznáší prach po místnosti.
Obr. 10.6 Konvektor Konvektory se vyrábí i v podlahovém provedení, kdy je žebrovka uložena v kanálu v podlaze pod oknem a zakrytá nášlapnou mříží. 59
11. VYTÁPĚNÍ TEPLOVODNÍ VELKOPLOŠNÉ, HORKOVODNÍ A PARNÍ. VÝPOČET TEPELNÝCH ZTRÁT BUDOV 11.1 Velkoplošné teplovodní vytápění
Velkoplošné vytápění je zvláštním druhem teplovodního vytápění, u něhož otopnou plochou je některá ze stěn ohraničujících vytápěnou místnost. Podle toho se rozlišuje vytápění stropní, podlahové a stěnové. Povrchová teplota otopné plochy je poměrně nízká; u stropního vytápění 40 až 45 °C, u podlahového 25 až 30 °C a u stěnového 55 až 60 °C. U stropního vytápění je až 70 % celkového tepelného výkonu otopné plochy přenášeno sáláním. U stěnového a podlahového vytápění je to asi 50 %. V poslední době se velkoplošné teplovodní vytápění začíná více uplatňovat, a to v nových objektech s velmi dobrými tepelně izolačními vlastnostmi. Stropních ploch velkoplošného vytápění lze také použít v letním období k chlazení místnosti. Oběh vody v soustavě velkoplošného vytápění je nucený. Nízká teplota otopné vody se získá směšováním vody vystupující z kotle a vratné vody, pomocí trojcestného regulačního ventilu. Velkoplošnou otopnou soustavu lze také kombinovat s teplovodní soustavou s otopnými tělesy. Aby bylo možné oba systémy odděleně regulovat (je to nutné vzhledem k jejich rozdílné tepelné setrvačnosti), je třeba tyto soustavy zařadit vedle sebe podle obr. 11.1.
Obr. 11.1 Kombinace velkoplošného vytápění s vytápěním otopnými tělesy. K – kotel, Č – čerpadlo, HP – horizontální přívodní potrubí, HV – horizontální vratné potrubí, TV – trojcestný ventil, T – otopné těleso, EN – expanzní nádoba, PP, PV – pojistné potrubí na přívodní a vratné straně, OP – odvzdušňovací potrubí Dříve nejrozšířenější provedení otopných ploch bylo s ocelovými hady zabetonovanými do konstrukce podlahy, stropu nebo stěny. Dnes se převážně používají polyethylenové trubky, které se montují do podkladové polystyrénové desky. K uchycení trubek slouží často hliníkové lamely, které současně zaručují rovnoměrný rozvod tepla. Na povrch se pokládá suchopotěrová deska, nebo cementový suchý potěr. Tepelné poměry ve vytápěném prostoru. Při velkoplošném teplovodním vytápění stropním přenáší otopná plocha menší část tepla vnitřnímu vzduchu konvekcí a větší část tepla přenáší sáláním (tj. bez prostřednictví vzduchu)
60
na plochy ohraničující vytápěný prostor. Teplota osálaných ploch je pak poněkud vyšší než teplota vnitřního vzduchu, což je z fyziologického hlediska výhodnější než případ opačný. Teplý vzduch ohřátý od otopné plochy zůstává pod stropem, takže v místnosti nevzniká proudění (nerozviřuje se prach) a vertikální rozložení teploty je velmi rovnoměrné. Při velkoplošném teplovodním vytápění podlahovém nepřevažuje sice přenos tepla sáláním nad konvekcí, ale je pro ně charakteristické téměř ideální rozdělení teplot ve svislém směru, což je teplota ve výšce hlavy o 2 K nižší než ve výšce kotníků. Při převážně konvekčním způsobu vytápění zahřívá otopné těleso především vzduch v místnosti a ten pak konvekcí přenáší teplo stěnám; teplota vzduchu je vyšší než teplota stěn. Teplý vzduch proudí od otopného tělesa nahoru ke stropu a k tělesu spodem přitéká chladnější vzduch. V místnosti vzniká proudění a vlivem tohoto proudění vzniká poměrně velký rozdíl mezi teplotou vzduchu u stropu a u podlahy, např. při vytápění na teplotu 22 °C je u podlahy teplota 19 °C a u stropu 25 °C. 11.2 Horkovodní vytápění
Horkovodní vytápění, tj. vytápění vodou o teplotě nad 110 °C, se používá pouze v případech s mírnějšími nároky na pohodu prostředí, např. v průmyslových provozovnách. Vlivem vyšší teploty otopné vody je menší otopná plocha při stejném tepelném výkonu, menší průměr potrubí, a tím menší investiční náklady. Soustava horkovodního vytápění se podobá soustavě teplovodního vytápění s nuceným oběhem vody. Celé zařízení je při provozu pod tlakem, který odpovídá teplotě vody. Jako otopná tělesa se nejčastěji používají trubková tělesa z hladkých, nebo žebrovaných trubek a konvektory. 11.3 Vytápění parní
Vytápění parní dělíme na nízkotlaké a vysokotlaké. Nízkotlaké parní vytápění se používá zejména v průmyslových objektech. Má větší pohotovost než vytápění teplovodní. U nízkotlakého parního vytápění dosahuje tlak max. 0,15 MPa. Pára se vede od kotle parním potrubím k otopnému tělesu, ve kterém předává kondenzační teplo a kondenzát se vrací kondenzátním potrubím zpět do kotle. Přiváděné množství páry má být tak velké, aby pára vyplnila celé těleso a stačila přitom zkondenzovat. Přivádí-li se menší množství páry, zaplní se těleso parou jen v horní části, kdežto spodní část vyplní vzduch vnikající z kondenzátního potrubí a otopný výkon se zmenšuje. Tímto způsobem je možné do jisté míry regulovat nízkotlaké parní vytápění přímo na otopných tělesech. Pokud se přivede do tělesa více páry, než v něm může zkondenzovat, pronikla by pára do kondenzátního potrubí. Aby se tomu zabránilo, musí se umístit za otopné těleso odvaděč kondenzátu.
Otopné soustavy rozdělujeme podle umístění hlavního parního potrubí na soustavy s horním rozvodem a se spodním rozvodem. Dále se dělí na soustavy se suchým (nezatopeným) kondenzátním potrubím a mokrým (zatopeným) kondenzátním potrubím. Soustava se spodním rozvodem a se suchým kondenzátním potrubím je na obr. 11.2. Hlavní parní potrubí je u této soustavy vedeno pod stropem suterénu se spádem asi 5 promile ve směru toku. Kde není možné vést potrubí s průběžným spádem, je nutné provést na potrubí odskok (obvykle v místě připojení svislých větví) a v místě odskoku připojit odvodňovací smyčku. Kondenzátní potrubí je odvzdušňovací trubkou spojeno s vnějším ovzduším. Proti překročení nejvyššího přípustného tlaku je soustava chráněna zabezpečovacím zařízením. Nejjednodušší způsob vracení kondenzátu do kotle je samospádem. Tento způsob lze použít jen v případě, kdy otopná tělesa ve spodním podlaží jsou dostatečně vysoko nad vodní
61
hladinou v kondenzátním potrubí. Pokud to není splněno, je nutné kondenzát z níže položených těles do kotle přečerpávat.
Obr. 11.2 Nízkotlaká parní soustava se spodním rozvodem a suchým kondenzátním potrubím. K – kotel, PP – hlavní parní potrubí, KP – sběrné kondenzátní potrubí, KS – odvodňovací smyčka, T – otopné těleso, OK – odvaděč kondenzátu, O – odvzdušňovací trubka, ZZ – zabezpečovací zařízení Výhodou nízkotlakého parního vytápění oproti teplovodnímu je malá tepelná setrvačnost soustavy, levnější zařízení a možnost soustavu libovolně rozšiřovat. K nevýhodám patří velmi obtížná ústřední regulace tepelného výkonu, poměrně vysoká povrchová teplota otopných těles, rychlejší koroze potrubí, zejména kondenzátního. Jako otopná tělesa se používají článková litinová tělesa, konvektory a trubková tělesa. Vysokotlaké parní vytápění, tj. vytápění s tlakem páry nad 0,15 MPa až do 0,3 MPa, se používá zcela výjimečně, např. v průmyslových závodech, kde tato pára slouží také pro technologické účely. Používá se obvykle soustava s horním rozvodem. Nevýhodou vysokotlakého parního vytápění je mimo vysoké povrchové teploty těles především to, že jediným možným způsobem regulace otopného výkonu je vypínání těles. Vzhledem k tomu se většinou nahrazuje vytápěním horkovodním. Jako otopná tělesa se používají výhradně tělesa trubková. 11.4 Výpočet tepelných ztrát budov
V současné době je pro výpočet tepelných ztrát budov a dimenzování otopných ploch v platnosti norma ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu [10]. Tato norma stanovuje postup výpočtu návrhové tepelné ztráty a návrhového tepelného výkonu: pro jednotlivé místnosti nebo vytápěný prostor pro dimenzování otopných ploch, pro celou budovu nebo její funkční část pro dimenzování tepelného výkonu. Tato norma také uvádí zjednodušenou výpočtovou metodu, která se smí použít pro obytné budovy, ve kterých je intenzita výměny vzduchu (při tlakovém rozdílu 50 Pa mezi vnitřním a vnějším prostředím budovy) n50 < 3 h-1. Dříve používaná norma pro výpočet tepelných ztrát budov a dimenzování otopných soustav ústředního vytápění ČSN 06 0210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění [9] byla v září 2008 zrušena.
62
12. VYTÁPĚNÍ TEPLOVZDUŠNÉ A SÁLAVÉ. MĚŘENÍ SPOTŘEBY TEPLA PŘI VYTÁPĚNÍ 12.1 Vytápění teplovzdušné
Při teplovzdušném vytápění se do vytápěného prostoru přivádí teplý vzduch. Teplovzdušné vytápění vyniká velkou provozní pohotovostí, umožňuje kombinaci s větráním a investičně je levnější než jiný způsob ústředního vytápění. Nevýhodou je, že prouděním vzduchu se víří prach, že zcela chybí sálavá složka přenosu tepla, že jsou větší dimenze rozvodů než u teplovodního či parního vytápění a také to, že vertikální rozložení teplot ve vytápěném prostoru je velmi nerovnoměrné a nejvyšší teploty vzduchu jsou pod stropem. Teplovzdušné vytápění se používá především pro vytápění průmyslových hal, skladů, prodejních prostor, tělocvičen a jiných vysokých a půdorysně rozlehlých místností. V posledních letech se u nás kromě zděných obytných staveb objevují lehké stavby na bázi dřeva s vyhovujícími tepelně-izolačními vlastnostmi, ale minimální akumulací tepla. Pro tyto stavby je teplovodní soustava málo pružná, a proto se v těchto stavbách začíná používat teplovzdušné vytápění, jehož použití je běžné především v USA, Kanadě a některých skandinávských zemích. Pro teplovzdušné vytápění půdorysně rozlehlých a vysokých místností se používá buď ústřední teplovzdušné vytápění, kdy přiváděný vzduch se ohřívá ve strojovně, nebo častěji se používá vytápění místními teplovzdušnými jednotkami umístěnými ve vytápěném prostoru. V druhém případě odpadá potrubí pro rozvod vzduchu a k místním jednotkám se rozvádí pouze teplonosná látka (voda nebo pára). Jednotky se skládají z ohříváku z lamelových trubek, z ventilátoru a z vyústky s regulačními listy; v některých případech jsou opatřeny ještě zařízením pro směšování oběhového a čerstvého vzduchu, jejichž poměr je řízen regulační klapkou (obr. 12.1). Podle umístění ve vytápěném prostoru se dělí na jednotky nástěnné, podstropní a podokenní. Nejčastěji jsou používány jednotky nástěnné, které se zavěšují na stěny ve výšce 3 až 4 m nad podlahou. Výtoková rychlost z vyústky se volí tak velká, aby byl zajištěn požadovaný dosah proudu, většinou se pohybuje do 3 m.s-1. Teplota přiváděného vzduchu je až 70°C. Pro vytápění velkých hal se obvykle používá většího počtu jednotek rovnoměrně rozmístěných v prostoru. Používají se také teplovzdušné jednotky na kapalná paliva nebo plyn. Při ústředním teplovzdušném vytápění jsou na rozvod vzduchu napojeny stěnové vyústky (o charakteristickém rozměru asi 0,5 m) umístěné ve výšce 2,5 až 3,5 m nad podlahou.
Obr. 12.1 Nástěnná teplovzdušná jednotka. 1 – ohřívák, 2 – ventilátor, 3 – regulační klapka 63
Je-li použit horizontální přívod vzduchu obdélníkovými vyústkami s nastavitelnými listy instalovanými na potrubí nebo na teplovzdušné jednotce je nutné zvážit, zda při neizotermním proudu bude dosaženo požadovaného dosahu proudu a teplotního pole v pracovní či pobytové oblasti, poněvadž proud teplého vzduchu vytékající z vyústky se zakřivuje směrem nahoru. Pro prostory s nevýraznými zdroji škodlivin je vhodné při ústředním teplovzdušném vytápění používat vyústky pro intenzívní směšování s okolním vzduchem, např. dýzy pro přívod shora, nebo dýzy pro horizontální soustředný přívod vzduchu. Dýzy pro horizontální přívod vzduchu se umisťují ve výšce 4 až 10 m nad podlahou (podle konstrukce haly), výtoková rychlost se pohybuje až do 30 m.s-1 a tím vlivem příznivého poměru setrvačných sil ke gravitačním nedochází k zakřivení osy proudu. V oblasti nad podlahou a pod stropem proudí zpětný proud o požadované rychlosti a teplotě. Současně dochází také k úsporám energetickým nákladů, poněvadž se snižují tepelné ztráty stropem. Rovněž nástěnné teplovzdušné jednotky se v současné době vyrábí i s vyústkami opatřenými tzv. sekundární žaluzií ve tvaru dýz, které splňují výhody ústředního teplovzdušného vytápění se soustředným přívodem vzduchu. Pro teplovzdušné vytápění rodinných domů byl u nás vyvinut systém teplovzdušného vytápění s centrální dvouzónovou jednotkou. Systém spočívá ve dvouokruhovém uspořádání vzduchotechnických rozvodů (obr. 12.2). Oba okruhy jsou vyústěny do dvouzónové vzduchotechnické jednotky.
Obr. 12.2 Soustava dvouzónového teplovzdušného vytápění se ZZT pomocí deskového výměníku Primární okruh zajišťuje cirkulační teplovzdušné vytápění s řízeným podílem čerstvého vzduchu a ZZT z odváděného vzduchu. Přívod vzduchu do každé obytné místnosti je plochými vzduchovody v podlaze a podlahovými vyústkami umístěnými nejlépe pod okny. Cirkulační vzduch proudí z obytných místností podříznutými dveřmi do předsíně a odtud zpět do jednotky. V jednotce se mísí v nastavitelném poměru s čerstvým vzduchem, který je předehřívaný v deskovém výměníku pro ZZT a směs se dohřívá a vede do obytných místností. Sekundární okruh zajišťuje přívod odpadního vzduchu z hygienických zařízení a kuchyně k jednotce. V deskovém výměníku pro ZZT pak tento odpadní vzduch předehřívá vzduch čerstvý.
64
Podle zvoleného programu na regulátoru jednotka zajišťuje celoroční požadavky na mikroklima. Zvýšení teploty v koupelně se řeší topnými žebříky nebo podlahovým vytápěním. Z používaných systémů zajišťujících teplovzdušné vytápění i větrání rodinných domů je tento systém nejúspornější, investičně je však nejnáročnější. Nevýhodou teplovzdušného vytápění s centrální tepelnou úpravou je ve srovnání s teplovodními systémy obtížná regulace teploty v jednotlivých místnostech. Používá se pouze ruční regulace na vyústkách podle pocitu uživatele. I když prvky pro regulaci množství přiváděného vzduchu podle teploty v interiéru existují, nepoužívají se, poněvadž velmi zvyšují investiční náklady. 12.2 Sálavé vytápění velkoprostorových místností
Pro vytápění půdorysně rozlehlých a vysokých místností se mimo teplovzdušného vytápění používá také sálavé vytápění zavěšenými sálavými panely, nebo vytápění přímotopnými plynovými zářiči světlými či tmavými. 12.2.1 Vytápění zavěšenými sálavými panely
Při vytápění zavěšenými sálavými panely otopnou plochu tvoří kovové desky (panely) zahřívané horkou vodou nebo parou proudící připojenými trubkovými registry (obr. 12.3). Panely přenáší teplo hlavně sáláním (podíl sálání je 75 až 85 %) dolů do oblasti pobytu lidí. Vytápěcího účinku se dosáhne především zvýšením teploty povrchu podlahy a technologických zařízení. Sálavé panely se zavěšují ve velké výšce nad podlahou, nejméně 5 m, nejčastěji 8 až 12 m, proto může být jejich povrchová teplota a také teplota otopného média značně vysoká.
Obr. 12.3 Vytápění haly zavěšenými sálavými panely Sálavé panely se zhotovují z ocelového, nebo hliníkového plechu o tloušťce 1 až 1,5 mm, který je spojen s registrem trubek (trubky o průměru 3/4 až 1,5 “). Pro zlepšení styku plechu s registrem, jsou trubky obvykle zapuštěny do drážek vytlačených v plechu (obr. 12.4). Horní strana panelu je tepelně izolována. Šířka sálavých panelů je nejčastěji 500 až 1000 mm.
Obr. 12.4 Konstrukční provedení sálavého panelu 65
Při sálavém vytápění, tedy i při vytápění sálavými panely, se požadované operativní teploty dosahuje vyšší střední radiační teplotou, a proto teplota vzduchu v oblasti pobytu osob může být o 3 až 8 K nižší než při vytápění teplovzdušném; tím se výrazně sníží tepelná ztráta větráním. Protože teplo přenášené z povrchu panelů konvekcí je malé (15 až 25 % tepelného výkonu) nedochází téměř ke zvýšení teploty vzduchu v horní části prostoru. Celková spotřeba tepla je při vytápění sálavými panely ve většině případů o 20 až 30 % menší než při vytápění teplovzdušném. K dalším výhodám vytápění zavěšenými sálavými panely patří skutečnosti, že ve vytápěném prostoru nedochází k proudění vzduchu a není zviřován prach a vytápěcí zařízení je dokonale bezhlučné. Nevýhodou jsou poměrně velké pořizovací náklady – o 50 % vyšší než při vytápění teplovzdušném. Tyto náklady se ve většině případů, zejména při vhodné geometrii vytápěného prostoru, uhradí během 2 až 4 roků úsporami na provozních nákladech. 12.2.2 Vytápění přímotopnými plynovými zářiči
Vytápění přímotopnými plynovými zářiči je jeden z nejvýhodnějších způsobů vytápění. Při přímém spalování plynu ve vytápěném prostoru se odstraní tepelné ztráty ve zdroji tepla, které činí 15 % pro vodu a až 20 % pro páru a ztráty ve venkovních rozvodech, které činí asi 5 %, je-li teplonosnou látkou voda a asi 10 % pro páru. V porovnání se zavěšenými sálavými panely jednoznačně vyplývají výhody přímotopných zářičů s až 30 % zisku. Používají se plynové zářiče světlé a tmavé. Plynové zářiče světlé. U těchto zářičů je zdrojem sálání perforovaná keramická deska, která se spalováním plynu zahřeje na teplotu 750 až 900 °C. Vzduch potřebný pro spalování se nasává injektorem a směs vzduchu a plynu pak přichází do komory, jejíž jednu stěnu vyplňuje keramická deska. Na vnějším povrchu desky se plyn spaluje. Povrch desky se tím zahřívá do červeného žáru (obr. 12.5).
Světlé zářiče je možné použít i ve velmi vysokých halách (přes 20 m). Při vytápění nižších místností je nutno použít většího počtu menších zářičů a zavěsit je ve výšce 4 až 5 m nad podlahou. V nízkých a úzkých místnostech je možné zářiče zavěsit na stěnu ve skloněné poloze ve výšce od 2,5 m nad podlahou. Výkon zářičů lze do jisté míry řídit přivíráním přívodu plynu.
Obr. 12.5 Schéma plynového zářiče světlého. 1 – keramická deska, 2 – komora zářiče, 3 – injektor, 4 – přívod plynu, 5 – přívod vzduchu Vhodné podmínky pro použití světlých plynových zářičů jsou také při vytápění určitých částí místností a ke zlepšení tepelného stavu na volném prostranství. Plynové zářiče tmavé. Příkladem provedení zářičů tmavých jsou sálavé pásy ohřívané horkým vzduchem s uzavřenou cirkulací (obr. 12.6). Pásy jsou vytvořeny z trubek velkých průměrů (180 až 600 mm), které mohou být řazeny dvě až šest vedle sebe. Teplota povrchu trubek se pohybuje v rozmezí od 150 do 350 °C. Zdrojem tepla pro ohřev otopného vzduchu
66
je přímotopný ohřívač vytápěný plynovým hořákem. Cirkulaci vzduchu zajišťuje ventilátor. Potrubí sálavého systému může být také ohříváno směsí spalin a vzduchu.
Obr. 12.6 Tmavý zářič – tři paralelní sálavé trubky ohřívané vzduchem Dále se také používají tmavé plynové zářiče s uzavřeným okruhem spalování. Okruh je tvořen přívodem venkovního vzduchu do hořákové komory, spalováním v uzavřeném prostoru radiační trubice zářiče a podtlakovým odvodem spalin z radiační trubice ventilátorem mimo vytápěný prostor (obr. 12.7).
Obr. 12.7 Tmavý plynový zářič s uzavřeným okruhem spalování A/ s trubicí ve tvaru „U“, B/ s trubicí ve tvaru „I“ 67
Porovnání vlastností světlých a tmavých zářičů. Světlé zářiče jsou vhodné především pro haly s větší stavební výškou. Mají mnohem menší rozměry pro stejný výkon než zářiče tmavé a mají také vyšší sálavou účinnost a z toho plynoucí nižší spotřebu energie. Výhodou je také snadná montáž. Nejsou však vhodné pro prašné provozy, vzhledem k možnosti zanesení porézních keramických desek. Tmavé zářiče lze použít pro nižší haly. Prašné prostředí nemůže podstatněji ovlivnit jejich výkon. Mají nižší měrné tepelné výkony než zářiče světlé a z toho plynoucí velké rozměry sálavých ploch a velké pořizovací náklady. Navíc mají nižší sálavou účinnost a větší spotřebu energie než světlé zářiče pro stejný sálavý výkon. 12.3 Měření spotřeby tepla při vytápění
Pro měření spotřeby tepla při vytápění se používají absolutní měřiče a poměrové měřiče. Absolutní měřiče se principiálně skládají z měřiče objemového toku otopného média, zařízení pro měření teploty, tj. snímače teploty v přívodním a vratném potrubí a počítadla ke stanovení spotřebovaného tepla. Poměrové měřiče, tzv. rozdělovače topných nákladů, představují prostředky ke stanovení poměrné spotřeby tepla. Poměrná spotřeba tepla se nevyjadřuje ve fyzikálních jednotkách. Poměrové měřiče jsou buď elektronické, nebo odpařovací. Připevňují se mechanicky na přesně stanoveném místě na povrchu otopného tělesa a zabezpečují se plombou. Do tělesa měřiče, vyrobeného obvykle z hliníkové slitiny, se teplo přenáší vedením ze stěny otopného tělesa. Elektronické měřiče načítají teploty povrchu otopného tělesa, nebo teplotní rozdíl teploty povrchu a okolí, např. každou minutu. Údaj se zobrazuje na displeji. U odpařovacích měřičů je na jejich základní desce z hliníkové slitiny uchycena otevřená ampulka s kapalinou, která se odpařuje v závislosti na teplotě. Úbytek kapaliny indikuje velikost spotřeby tepla. Údaje rozdělovačů topných nákladů jak elektronických tak odpařovacích jsou zatíženy chybami. Odpařovací měřiče jsou levnější než elektronické. Výhodou elektronických měřičů je možnost dálkového přenosu dat. Tyto přístroje je možné napojit na centrální jednotku, která sbírá data, a tedy není nutné vstupovat do bytů a odečítat údaje jednotlivých přístrojů na místě. Absolutní měření spotřeby tepla je technicky zajistitelné na zdroji tepla, na předávacích stanicích, na patě objektu, nebo v jednotlivých bytových jednotkách pokud jsou vybaveny horizontálními rozvody otopného média, tzn. uzavřeným topným okruhem pro každý byt. V dnešní době jsou u nás nejrozšířenější dvoutrubkové vertikální otopné soustavy, kde jsou otopná tělesa v jednom bytě napojena na různé svislé větve. Tyto otopné soustavy absolutní měření spotřeby tepla v bytech neumožňují, poněvadž by bylo nutné provádět absolutní měření spotřeby tepla na každém otopném tělese. Měřidla o vyhovující přesnosti a ceně pro měření na otopných tělesech však neexistují. V těchto případech se měří absolutní spotřeba tepla na patě objektu a při rozúčtování topných nákladů se využívají údaje poměrových měřidel. Přitom je však třeba zohlednit především velikost a druh otopného tělesa, výrobcem uváděnou konstantu snímače poměrového měřidla a situování uvažované místnosti v sestavě budovy.
68
13. HLUK 13.1 Hluk a vibrace a jejich hodnocení
Hluk je nežádoucím produktem civilizace a stává se závažným hygienickým faktorem, který ovlivňuje lidské zdraví. V dnešní době působí na člověka běžně a dlouhodobě hluk, na jehož intenzitu není přizpůsoben a člověk nemá proti působení hluku závažnější ochranné funkce. Hluk je stále podceňován, protože většina jeho negativních účinků se neprojevuje bezprostředně bolestí ani poruchou funkce. Jako hluk označujeme každý zvuk, který působí na člověka nepříjemně, rušivě nebo škodlivě. Zvuk je vjem sluchového orgánu, jehož příčinou je zvukové (akustické) vlnění. Zvukové vlnění je mechanické vlnění pružného prostředí plynného, kapalného nebo pevného. Zvukové vlnění budí zvukový vjem v lidském sluchovém orgánu, je-li jeho frekvence v intervalu asi 16 Hz až 18 000 Hz. Zvukové vlnění o frekvenci nad 18 000 Hz se nazývá ultrazvuk a o frekvenci nižší než 16 Hz infrazvuk. Zvuk je tedy mechanické vlnění pružného prostředí v kmitočtovém rozsahu lidského sluchu, které se šíří pružným prostředím. Jednotlivé částice přitom kmitají kolem své původní polohy a působí střídavé zhuštění a zředění, které se projevuje střídavým vzrůstem a poklesem tlaku prostředí. Sluchový orgán vnímá právě tuto střídavou složku tlaku, zatímco stálou složku (atmosférický tlak), daleko vyšší, nevnímá. U plynů a kapalin je toto mechanické vlnění prostředí podélné, u tuhých látek se vyskytuje za určitých okolností mimo vlnění podélného i vlnění příčné. Vibrace jsou akustické vlnění přenášené pevnými tělesy na lidské tělo. Lidský organismus vnímá vibrace o frekvencích v rozsahu asi od 0,2 Hz do 16 kHz. Základní akustické veličiny jsou fyzikální veličiny, které popisují zvukové vlnění. Jsou to především:
Akustická energie W [J]. Je to energie, která se přenáší do prostředí ze zdroje zvuku. Akustický výkon zdroje P [W], tj. akustická energie vyzářená zdrojem za jednotku času. Akustické výkony zdrojů hluku se pohybují přibližně v rozmezí od 1.10-8 W (šepot) do 104 W (nadzvukové letadlo). Akustický tlak p [Pa] je nejsnáze měřitelnou veličinou v akustickém poli. Je to střídavá složka tlaku vyvolaná zvukem, která způsobuje odchylky od tlaku barometrického. Používá se efektivní tlak p = p max 2 . Nejnižší slyšitelný akustický tlak, nazývaný prahový (vztažný), je po = 2.10-5 Pa. Nejvyšší pro lidský sluch ještě bez bolestivého pocitu snesitelný tlak je asi 60 Pa. Intenzita zvuku I [W.m-2] je akustický výkon procházející jednotkovou plochou kolmou ke směru šíření zvukové vlny. Lidský sluch vnímá intenzity zvuku v rozsahu od prahové hodnoty Io = 10-12 W.m-2 až do hodnoty 10 W.m-2. Hladiny. Lidský sluch je schopen vnímat akustické tlaky a intenzity zvuku ve velkém rozsahu. Bylo však zjištěno, že zvukový vjem nestoupá se vzrůstem akustického tlaku či intenzity zvuku lineárně, ale že je úměrný logaritmu akustického tlaku nebo intenzity zvuku. Proto byly zavedeny jako měřítka sluchového vjemu logaritmické (decibelové) stupnice, např. hladina intenzity zvuku LI a hladina akustického tlaku L, které jsou definovány vztahy
LI = 10 log
I [dB], Io
(13.1)
69
L = 20 log
p [dB], po
(13.2)
kde I je intenzita zvuku sledovaného akustického signálu a p je sledovaný akustický tlak. Pro posouzení účinku vibrací se používá hladina zrychlení vibrací, která je určena vztahem
La = 20 log
a [dB], ao
(13.3)
kde ao = 10-6 m.s-2 a a je efektivní hodnota zrychlení v daném bodě v m.s-2. Používají se jednak hladiny, které se vztahují k celkovému vnímanému kmitočtovému pásmu, dále hladiny v oktávovém pásmu, tj. hladiny v kmitočtovém pásmu jedné oktávy a hladiny v třetinooktávovém pásmu, tj. v kmitočtovém pásmu třetiny oktávy. Hladina akustického tlaku v oktávovém pásmu (Lo) je hladina v kmitočtovém pásmu jedné oktávy. Pásmem jedné oktávy přitom rozumíme rozsah frekvencí mezi hodnotami f1 a f2 pro něž platí f2 = 2. f1
(13.4)
Oktávová pásma byla mezinárodně normalizována a označují se tzv. střední frekvencí v oktávě, kterou lze vyjádřit vzorcem f stř =
f1 f 2 .
(13.5)
Celé pásmo slyšitelnosti je pokryto desíti oktávami o středních frekvencích 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 a 16000 Hz. Hladina akustického tlaku A, B, C. Snaha po co nejvěrnějším zachycení zvukového vjemu měřicím přístrojem vedla k používání kmitočtově závislých filtrů označovaných A, B, C, které upravují citlivost zvukoměru v souladu s kmitočtovými závislostmi sluchového orgánu, tj. tlumí kmitočtové složky zejména pod 500 Hz a nad 8000 Hz. Hodnoty útlumu DL těchto filtrů v závislosti na frekvenci f jsou uvedeny na obr. 13.1. Hladiny akustického tlaku LA, LB, LC v dB jsou tedy údaje zvukoměru při zapnutém příslušném kmitočtově závislém filtru.
Obr. 13.1 Útlumové charakteristiky filtrů A, B, C
70
Přípustné hodnoty hluku a vibrací. Nařízení vlády 502/2000 Sb. [16] a 88/2004 Sb. [17] o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací stanovují maximální přípustné hodnoty hluku a vibrací:
- v pracovním a mimopracovním prostředí, - ve stavbách pro bydlení, - ve stavbách občanského vybavení, - ve venkovním prostoru. Přípustné hodnoty hluku se zde vyjadřují nejvyšší přípustnou ekvivalentní hladinou akustického tlaku A LAeq v dB a nejvyšší přípustnou ekvivalentní hladinou akustického tlaku A při časové charakteristice I LAieq v dB, která se používá pro hodnocení impulsního hluku. Impulsní hluk je hluk tvořený jedním impulsem nebo sledem zvukových impulsů, tj. jednorázových akustických dějů, kratších než 0,2 s, převyšujících nejméně o 10 dB hluk pozadí. Přípustné hodnoty vibrací se zde vyjadřují především váženou hladinou zrychlení vibrací v třetinooktávových pásmech Lat v dB a váženou efektivní hodnotou zrychlení vibrací aew v m.s-2. 13.2 Fyziologické účinky hluku
Hluk člověk vnímá prostřednictvím sluchového orgánu, částečně vedením kostmi a povrchem těla. Účinky hluku na lidský organismus jsou: - specifické – vyvolané přímým působením hluku na sluchový orgán, - nespecifické – tj. mimosluchové účinky hluku. Specifické poškození zdraví hlukem se projevuje vznikem tzv. profesionální nedoslýchavosti. Nedoslýchavost se může rozvinout až v praktickou hluchotu. Vzniká při opakovaně působícím nadměrném hluku, kdy zpočátku dočasné zmenšení citlivosti sluchu se po jisté době projeví nedoslýchavostí až hluchotou. Vady sluchu způsobené hlukem jsou neléčitelné. Nespecifickým účinkem hluku jsou změny v psychice a nervovém systému. Hluk již od 50 dB negativně působí v tvůrčí, koncepční a řídící práci – zmenšuje přesnost výkonu, soustředění, kombinační schopnosti. Hluk nad 65 dB ovlivňuje autonomní (vegetativní) nervstvo, které ovládá srdečně cévní, dýchací, zažívací, hormonální, termoregulační aj. systémy organismu. Projevuje se zvýšením krevního tlaku, žaludečními vředy, močovými kameny, cukrovkou, agresivitou, závratěmi apod. Bylo zjištěno další zhoršení neurovegetativních funkcí lidského organismu vlivem kombinovaného účinku hluku a vibrací. Z fyziologického hlediska neexistuje adaptace na hlučné prostředí. 13.3 Zdroje a šíření hluku
Zdrojem hluku jsou zařízení a předměty nebo vymezené oblasti proudění, kde vzniká akustická energie a od nichž se akustickými vlnami šíří do okolí. Akustické vlny se mohou od zdroje šířit přímo prostřednictvím média, které zdroj obklopuje (převážně vzduchem), nebo prostřednictvím spojovacích prvků, jimiž je zdroj připevněn do konstrukce. Ve druhém případě se zvuk dále vede pevnou konstrukcí ve formě chvění a posléze, v některém místě konstrukce, je vyzářen do vzduchu, kde se nachází člověk. Tak dochází často k vyzařování hluku v místech značně vzdálených od zdroje.
71
Nejvíce nás zajímá šíření hluku vzduchem, neboť takto zvuk dospívá k lidskému uchu. Šíří-li se akustické vlnění ve volném prostoru, vytváří se tzv. volné zvukové pole, v němž jsou pouze přímé vlny přicházející od zdroje hluku. V uzavřeném prostoru dospějí přímé vlny k jeho stěnám, od nichž se odráží zpět. Tak vzniká akustické pole, v němž jsou vlny přímé i odražené. Ve volném prostoru se vyzařovaná akustická energie se vzrůstající vzdáleností od zdroje stále více rozptyluje. V uzavřeném prostoru vzniká v určité vzdálenosti od zdroje (v dozvukové vzdálenosti) tzv. difúzní zvukové pole, v němž se akustická energie šíří všemi směry stejnou intenzitou a rozložení energii v prostoru je naprosto rovnoměrné. 13.4 Prostředky ke snižování hluku
Prostředky ke snižování hluku se volí především podle toho, zda člověk se pohybuje v poli přímých vln, nebo v poli odražených vln. V poli přímých vln, tj. v blízkosti zdroje hluku, jsou hlavními prostředky ke snižování hluku: - snižování akustického výkonu zdroje (stroje či zařízení), - umístění hlučných zdrojů, nebo jejich obsluhy do zvukově izolovaných místností.
Praktické zásahy snižující hluk zdrojů jsou: - Konstrukční úpravy strojů vedoucí ke snížení akustického výkonu zdrojů hluku (např. použití materiálu s vyšším vnitřním tlumením, vymezení mechanických vůlí, použití vhodného mazacího prostředku, vyvážení rotujících dílů, omezení možnosti vzniku turbulence a sirénového hluku). - Použití krytů a přepážek. V případě když není možné snížit hluk vznikající ve zdroji, lze zdroj umístit do krytu nebo za stínící přepážku. Tyto se vyrábí z tenkých plechů. Vyšší útlum hluku se dosáhne při vnitřním obložení krytů či přepážek zvuk pohltivým materiálem. - Použití tlumičů hluku. Slouží k omezení aerodynamického hluku. Pro pulzující proudění v potrubí menších průměrů se používají reflexní tlumiče. Pro stroje dopravující velké objemové toky (např. ventilátory) se používají absorpční tlumiče. - Použití izolátorů chvění. Tyto zabraňují především šíření hluku vedeného konstrukcí. Používají se při ukládání strojů na základové desky, při uchycování a napojování potrubí, při izolování jednotlivých stavebních prvků apod. - Použití materiálů omezujících vyzařování hluku z povrchu strojů a zařízení. Patří sem např. zvuková izolace potrubí pro rozvod tlakového vzduchu a páry, omezení chvění tenkých plechů nanesením antivibračního nátěru nebo použitím třívrstvé konstrukce (na plech je nanesena vrstva tlumicího materiálu a překryta tuhou fólií). - Změna technologie nebo pracovního postupu. V mnoha případech je nadměrný hluk dán pracovním principem (např. nýtování, ražení, setřásání nárazem). Zlepšení hlukových poměrů je zde možné jen náhradou hlučné operace jiným pracovním postupem či technologií. Umístění hlučných zdrojů nebo jejich obsluhy do zvukově izolovaných místností. Stěny místností se konstruují dvojité s dostatečně širokou mezerou vyplněnou zvuk pohltivým materiálem, obdobně se konstruují dveře. Okna se používají s trojitým zasklením. Místnost musí být zcela uzavřená.
72
Tlumení hluku v poli odražených vln se provádí obložením stěn zvuk pohltivými materiály, nebo zavěšením zvuk pohlcujících těles.
Základním typem zvuk pohlcujících materiálů jsou porézní materiály, které se používají především jako obklad pro pohlcování středních a vysokých kmitočtů. Jsou to materiály pórovité (molitan) nebo vláknité (skelná vata, minerální vata). Druhou skupinou zvuk pohlcujících materiálů jsou resonanční prvky (panely s kmitajícími membránami). Tyto splňují požadavek širokopásmovosti. Materiály pohlcující zvuk se používají nejen pro snížení hluku v prostoru, kde je umístěn zdroj hluku, ale i pro snížení hluku v prostoru, do kterého hluk proniká z vnějšího prostředí. Zvuk pohlcující tělesa jsou akustická tělesa ve tvaru desek, klínů nebo konoidů, která se zavěšují do prostoru 0,5 až 1 m nad zdroj hluku. Pokud není možné technickými prostředky snížit hluk pod přípustnou hranici, musí pracovníci používat osobní ochranné prostředky proti hluku. Existují tři základní typy osobních ochranných prostředků proti hluku: -
zátky do zvukovodů – tyto se používají pro hluky o hladině akustického tlaku A maximálně 100 dB,
-
sluchátkové chrániče (skládají se z mušlí kryjících celé vnější ucho a z upínacího zařízení) – používají se pro hluky o hladině akustického tlaku A maximálně 110 dB,
-
protihlukové kukly a přilby (chrání kromě sluchu i celou hlavu proti vedení hluku kostmi lebky) – používají se v nejhlučnějších provozech, ale maximálně do hladiny akustického tlaku A 140 dB.
Osobní ochranné prostředky proti hluku tlumí především vyšší frekvence. Jsou vždy provizorním řešením, neboť nikdy nezaručují stoprocentní ochranu a způsobují pracujícím určitá omezení. Jejich použití navíc není vždy možné, např. na pracovištích, kde je potřeba hovorových sdělení nebo kde se používá zvuková signalizace. V některých případech jsou však jedinou cestou, jak pracovníky chránit před nepříznivým působením hluku.
73
LITERATURA
[1]
Janotková, E.: Technika prostředí. Ediční středisko VUT Brno, 1991
[2]
Chyský, J. – Hemzal, K. a kol.: Větrání a klimatizace. Technický průvodce č. 31. Bolit – Bpress Brno, 1993
[3]
Brož, K.: Vytápění. Vydavatelství ČVUT, Praha 1994
[4]
Bašta, J.: Otopné plochy. Vydavatelství ČVUT, Praha 2001
[5]
Lázňovský, M. – Kubín, M. – Fišer, P.: Vytápění rodinných domků. Nakladatelství T. Malina, Praha 1996
[6]
Nový, R.: Hluk a chvění. Vydavatelství ČVUT, Praha 2000
Normy a legislativní dokumenty
[7]
ČSN EN ISO 7730 Ergonomie tepelného prostředí – Analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního komfortu: říjen 2006
[8]
ČSN 730548 Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů: 1986
[9]
ČSN 060210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění: 1994. Zrušena v září 2008
[10] ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu: 2005 [11] ČSN 730540–3 Tepelná ochrana budov – Část 3: Návrhové hodnoty veličin: 2005 [12] ČSN 730540–4 Tepelná ochrana budov – Část 4: Výpočtové metody: 2005 [13] ČSN ISO 7243 Horká prostředí. Stanovení tepelné zátěže pracovníka podle ukazatele WBGT (teploty mokrého a kulového teploměru): 1993 [14] ČSN EN ISO 14505-2 Ergonomie tepelného prostředí – Hodnocení tepelného prostředí ve vozidlech – Část 2: Stanovení ekvivalentní teploty: 2007 [15] Nařízení vlády 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci [16] Nařízení vlády 502/2000 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací [17] Nařízení vlády 88/2004 Sb., kterým se mění Nařízení vlády 502/2000 Sb. [18] Vyhláška č.6/2003 Sb., kterou se stanoví hygienické limity chemických, fyzikálních a biologických ukazatelů pro vnitřní prostředí pobytových místností některých staveb [19] Vyhláška č.343/2009 Sb., kterou se mění vyhláška č.410/2005 Sb., o hygienických požadavcích na prostory a provoz zařízení a provozoven pro výchovu a vzdělávání dětí a mladistvých
74
