VZDUCHOTECHNIKA
Prof. Ing. František Drkal, CSc. Ing. Miloš Lain, Ph.D. Ing. Jan Schwarzer, Ph.D. Ing. Vladimír Zmrhal, Ph.D.
Praha 2009 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
Jednotlivé kapitoly sepsali: Prof. Ing. František Drkal, CSc. - kapitoly 1, 2, 4, 5, 7, 8, 11, 14 a 15 Ing. Miloš Lain, Ph.D. - kapitoly 6 a 12 Ing. Jan Schwarzer, Ph.D. - kapitoly 9 a 13 Ing. Vladimír Zmrhal, Ph.D. - kapitoly 3 a 10
Obsah 1
2
3
4
5
Principy větrání a klimatizace ........................................................................................ 7 1.1 Požadavky na větrání a klimatizaci............................................................................ 7 1.2 Podklady pro návrh větracích a klimatizačních zařízení............................................ 8 1.2.1 Parametry vnitřního prostředí............................................................................ 8 1.2.2 Vnitřní zdroje tepla, vlhkosti, škodlivin............................................................. 9 1.2.3 Vlastnosti budovy............................................................................................... 9 1.2.4 Parametry venkovního prostředí ...................................................................... 10 1.3 Vnitřní tepelné a vlhkostní prostředí ........................................................................ 10 1.3.1 Fyziologické základy........................................................................................ 11 1.3.2 Tepelná rovnováha a tepelná pohoda ............................................................... 12 1.3.3 Operativní teplota............................................................................................. 13 1.3.4 Ukazatele PMV, PPD....................................................................................... 14 1.3.5 Průvan............................................................................................................... 15 1.3.6 Výsledná teplota............................................................................................... 15 1.3.7 Legislativní a normativní požadavky na tepelný a vlhkostní stav prostředí .... 16 1.4 Kvalita ovzduší......................................................................................................... 16 1.4.1 Vlastnosti škodlivin.......................................................................................... 16 1.4.2 Zdroje znečišťování vnitřního ovzduší............................................................. 18 1.4.3 Účinky škodlivin .............................................................................................. 18 1.4.4 Hodnocení znečištění vnitřního ovzduší .......................................................... 19 1.5 Literatura .................................................................................................................. 19 Větrací a klimatizační systémy...................................................................................... 21 2.1 Větrací systémy ........................................................................................................ 21 2.1.1 Nucené větrání................................................................................................. 12 2.1.2 Přirozené větrání .............................................................................................. 22 2.2 Klimatizační systémy ............................................................................................... 23 2.2.1 Obecné pojmy .................................................................................................. 23 2.2.2 Třídění klimatizačních systémů ....................................................................... 24 2.3 Literatura .................................................................................................................. 27 Tepelná zátěž a tepelné ztráty větraných a klimatizovaných prostorů..................... 28 3.1 Výchozí podklady .................................................................................................... 28 3.2 Výpočet tepelné zátěže............................................................................................. 28 3.2.1 Základní výpočty.............................................................................................. 29 3.2.2 Výpočet tepelných zisků z venkovního prostředí ............................................ 32 3.2.3 Výpočet tepelných zisků od vnitřních zdrojů tepla.......................................... 35 3.3 Tepelné ztráty........................................................................................................... 36 3.3.1 Výpočet tepelných ztrát podle ČSN 060210 – Fyzikální podstata výpočtu..... 36 3.4 Simulační energetické modelování .......................................................................... 38 3.4.1 Energetický simulační software ESP-r............................................................. 38 3.4.2 Metoda zónové energetické simulace .............................................................. 38 3.5 Literatura .................................................................................................................. 40 Vlhký vzduch .................................................................................................................. 41 4.1 Vlastnosti vlhkého vzduchu ..................................................................................... 41 4.2 Mollierův diagram vlhkého vzduchu h-x ................................................................. 43 4.3 Literatura .................................................................................................................. 46 Úpravy vzduchu.............................................................................................................. 47 5.1 Směšování ................................................................................................................ 47 5.2 Ohřev........................................................................................................................ 48 1
6
7
8
9
5.3 Chlazení.................................................................................................................... 48 5.4 Vlhčení párou, rozstřikováním vody ........................................................................ 49 5.5 Vlhčení ve sprchových pračkách.............................................................................. 50 5.6 Odvlhčování ............................................................................................................. 51 5.6.1 Odvlhčování chlazením vzduchu .................................................................... 51 5.6.2 Odvlhčování adsorpcí....................................................................................... 52 5.7 Zpětné získávání tepla.............................................................................................. 52 5.8 Změna stavu vzduchu ve ventilátoru, vzduchovodech a klimatizované místnosti .. 52 5.9 Literatura .................................................................................................................. 53 Zpětné získávání tepla ve větrání a klimatizaci........................................................... 54 6.1 Účinnost ZZT ........................................................................................................... 54 6.2 Výměníky ZZT ve větracích a klimatizačních zařízeních ....................................... 55 6.3 Úprava vzduchu při zpětném získávání tepla........................................................... 55 6.4 Deskové rekuperační výměníky ZZT....................................................................... 56 6.4.1 Konstrukce a účinnosti ..................................................................................... 57 6.4.2 Námraza ........................................................................................................... 58 6.4.3 Provoz zařízení................................................................................................. 58 6.4.4 Přenos vlhkosti ................................................................................................. 58 6.5 Trubkové rekuperační výměníky ZZT ..................................................................... 58 6.5.1 Konstrukce a účinnosti ..................................................................................... 58 6.6 Rotační regenerační výměníky................................................................................. 59 6.6.1 Konstrukce a účinnosti ..................................................................................... 59 6.6.2 Provoz zařízení................................................................................................. 60 6.7 Přepínací výměníky.................................................................................................. 60 6.8 Systémy s kapalinovým okruhem ............................................................................ 60 6.8.1 Tepelné trubice................................................................................................. 61 6.9 Ekonomie, uplatnění ZZT ........................................................................................ 61 6.10 Literatura .................................................................................................................. 62 Proudění vzduchu v prostoru........................................................................................ 63 7.1 Rozptýlení vzduchu.................................................................................................. 63 7.1.1 Mísení............................................................................................................... 63 7.1.2 Vytěsňování...................................................................................................... 65 7.1.3 Zaplavování...................................................................................................... 65 7.2 Obrazy proudění....................................................................................................... 67 7.3 Literatura .................................................................................................................. 67 Vyústky pro přívod a odvod vzduchu .......................................................................... 68 8.1 Vyústky pro přívod vzduchu .................................................................................... 69 8.1.1 Volný izotermní zatopený proud...................................................................... 69 8.1.2 Neizotermní proudění....................................................................................... 70 8.1.3 Příklady provedení výustí pro přívod vzduchu ................................................ 72 8.2 Vyústky pro odvod vzduchu .................................................................................... 72 8.2.1 Kruhový sací otvor ........................................................................................... 72 8.3 Literatura .................................................................................................................. 74 Proudění vzduchu potrubím ......................................................................................... 75 9.1 Vzduchovody ........................................................................................................... 75 9.2 Základní rovnice....................................................................................................... 76 9.2.1 Rovnice kontinuity ........................................................................................... 76 9.2.2 Energetická rovnice.......................................................................................... 76 9.3 Charakter proudění vzduchu .................................................................................... 76 9.4 Tlakové ztráty........................................................................................................... 77
2
9.4.1 Tlakové ztráty třením ....................................................................................... 78 9.4.2 Tlakové ztráty místní........................................................................................ 80 9.5 Tlakové poměry v potrubí ........................................................................................ 82 9.6 Metodika návrhu potrubní sítě ................................................................................. 83 9.6.1 Metoda rychlostí............................................................................................... 84 9.6.2 Metoda stálého tlakového spádu ...................................................................... 85 9.6.3 Metoda zisků statického tlaku .......................................................................... 85 9.7 Literatura .................................................................................................................. 86 10 Ventilátory .................................................................................................................. 87 10.1 Třídění ventilátorů.................................................................................................... 87 10.1.1 Podle směru průtoku vzduchu .......................................................................... 87 10.1.2 Podle celkového dopravního tlaku ................................................................... 89 10.1.3 Podle pohonu.................................................................................................... 89 10.1.4 Podle použití..................................................................................................... 89 10.2 Vlastnosti ventilátorů a jejich charakteristiky.......................................................... 89 10.3 Charakteristiky ventilátorů....................................................................................... 90 10.4 Přepočet vlastností ventilátoru ................................................................................. 91 10.5 Ventilátor v potrubní síti .......................................................................................... 91 10.5.1 Charakteristika potrubní sítě ............................................................................ 92 10.5.2 Paralelní řazení ventilátorů............................................................................... 93 10.5.3 Sériové řazení ventilátorů................................................................................. 93 10.6 Regulace ventilátorů................................................................................................. 94 10.6.1 Regulace škrcením ........................................................................................... 94 10.6.2 Regulace změnou otáček.................................................................................. 95 10.6.3 Regulace natáčením lopatek............................................................................. 95 10.7 Literatura .................................................................................................................. 95 11 Filtrace atmosférického vzduchu.............................................................................. 96 11.1 Odlučování znečišťujících látek ze vzduchu ve větrání a klimatizaci ................... 96 11.2 Filtry ......................................................................................................................... 96 11.2.1 Principy a vlastnosti filtrů ................................................................................ 96 11.2.2 Filtry pro běžné větrání .................................................................................... 97 11.2.3 Vysoceúčinné filtry .......................................................................................... 98 11.2.4 Konstrukce filtrů .............................................................................................. 99 11.2.5 Aplikace filtrů .................................................................................................. 99 11.3 Elektrofiltry ............................................................................................................ 100 11.4 Sorpční filtry .......................................................................................................... 100 11.5 Literatura ................................................................................................................ 101 12 Přirozené větrání ...................................................................................................... 102 12.1 Proudění vlivem rozdílných hustot ........................................................................ 102 12.1.1 Neutrální rovina.............................................................................................. 102 12.2 Tlakový rozdíl vyvolaný účinky větru ................................................................... 103 12.3 Metody přirozeného větrání ................................................................................... 103 12.3.1 Infiltrace ......................................................................................................... 103 12.3.2 Provětrávání ................................................................................................... 104 12.3.3 Aerace............................................................................................................. 104 12.3.4 Šachtové větrání ............................................................................................. 104 12.3.5 Solární komíny ............................................................................................... 104 12.4 Literatura ................................................................................................................ 105 13 Místní odsávání..................................................................................................... 106 13.1 Požadavky na odsávací systémy ............................................................................ 106
3
13.2 Sací nástavce .......................................................................................................... 107 13.3 Odsávací systémy................................................................................................... 107 13.4 Literatura ................................................................................................................ 108 14 Celkové nucené větrání............................................................................................ 109 14.1 Průtok venkovního vzduchu................................................................................... 109 14.1.1 Průtok venkovního vzduchu VE podle požadavků na čistotu vzduchu.......... 109 14.1.2 Průtok VE pro vyrovnání vzduchové bilance u odsávacích systémů............ 111 14.1.3 Průtok VE podle požadavků na odvod tepelné zátěže .................................... 112 14.2 Průtok oběhového vzduchu .................................................................................... 114 14.2.1 Kompenzace průtoku vzduchu odváděného odsávacími zařízeními.............. 114 14.2.2 Snížení pracovního rozdílu teplot .................................................................. 115 14.3 Koncepce systémů nuceného větrání ..................................................................... 115 14.4 Větrání a vytápění v zimním období ...................................................................... 116 14.4.1 Kombinace větrání a vytápění, bez oběhového vzduchu .............................. 116 14.4.2 Kombinace větrání a vytápění, s oběhovým vzduchem .............................. 117 14.5 Větrání v letním období.......................................................................................... 118 14.6 Literatura ................................................................................................................ 119 15 Vzduchový jednozónový klimatizační systém........................................................ 120 15.1 Určující parametry venkovního a vnitřního prostředí ............................................ 120 15.1.1 Parametry venkovního klimatu ...................................................................... 120 15.2 Tepelná zátěž, tepelná ztráta klimatizované místnosti ........................................... 121 15.3 Průtoky vzduchu..................................................................................................... 122 15.3.1 Průtok venkovního (čerstvého) vzduchu ...................................................... 122 15.3.2 Průtok přiváděného vzduchu stanovený z tepelné bilance místnosti ............ 122 15.3.3 Průtok přiváděného vzduchu klim. jednotkou, průtok oběhového vzduchu .. 123 15.4 Tepelný, chladicí a vlhčící výkon klimatizačního zařízení .................................... 123 15.4.1 Letní provoz ................................................................................................... 124 15.4.2 Zimní provoz .................................................................................................. 126 15.5 Literatura ................................................................................................................ 127 Příloha 4.1 ......................................................................................................................... 131 Příloha 4.2 ......................................................................................................................... 131 Příloha 4.3 ......................................................................................................................... 132
4
Označení A
amplituda kolísání teplot (K)
r
3
měrná plynová konstanta (J/kg K)
C
koncentrace (mg/m , ppm)
H
hybnost proudu (N)
t
teplota (°C)
I
intenzita sluneční radiace (W/m2)
w
rychlost (m/s)
intenzita větrání (1/h)
x
měrná vlhkost (kg/kgs.v., g/kgs.v.)
poloměr (m)
x,y délkový rozměr (m)
M hmotnost (kg) hmotnostní průtok (kg/s) O
objem (m3)
Φ
teplotní faktor (-)
obvod (m)
Ψ
vlhkostní faktor (-)
α
součinitel přestupu tepla (W/m2 K)
odlučivost (%) P
výkon (W)
Q
teplo (J)
úhel (°)
tepelný tok (W) R
tepelný odpor (m2 K/W) 2
δ
směr změny v h –x diagramu (J/kg s.v.)
ε
relativní drsnost (-)
S
průřez, plocha (m )
ζ
součinitel místní ztráty (-)
T
termodynamická teplota (K)
η
účinnost (-)
θ
faktor citelného tepla (-)
Tu intenzita turbulence (-) U
2
součinitel prostupu tepla (W/m K)
úhel (°)
3
V objemový průtok (m /s)
λ
součinitel tření (-)
µ
dynamická viskozita (Paּs)
ν
kinematická viskozita (m2/s)
a,b délkový rozměr (m)
ρ
hustota (kg/m3)
c
měrná tepelná kapacita (J/kg K)
τ
čas (s,h)
d
průměr (m)
φ
relativní vlhkost (%, -)
f
frekvence (Hz)
g
tíhové zrychlení (m/s2)
h
měrná entalpie (J/kgs.v.)
a
rozměr (průměr) částice (µm)
výška (m) l
skupenské teplo (J/kg)
n
otáčky (1/s, 1/min.)
p
tlak (Pa)
pv parciální tlak vodních par (Pa) pvs parciální tlak sytých vodních par (Pa) q
měrný tepelný tok (W/m2) 5
1 Principy větrání a klimatizace 1.1 Požadavky na větrání a klimatizaci Větráním a klimatizací se upravuje kvalita (čistota) ovzduší, tepelný a vlhkostní stav ovzduší (při použití chladicích ploch v klimatizaci obecněji i tepelný stav prostředí) v obytných, společenských, průmyslových budovách, dopravních prostředcích, technologických prostorech i zemědělských objektech. Prostory jsou zatěžovány produkcí látkových škodlivin (plynů, par, tuhých i kapalných částic), vlhkosti a tepelné energie ze zdrojů vnitřních (osoby, elektronická zařízení, osvětlení, technologická zařízení, elektromotory, pece, ustájená zvířata, biologické procesy v zemědělství aj.) i ze zdrojů venkovních (venkovní ovzduší, venkovní klima). Větrací zařízení slouží k přívodu čerstvého venkovního vzduchu do vnitřních prostorů budov a k odvodu vzduchu znehodnoceného přimísenými látkovými škodlivinami, případně produkovaným teplem. Přívod čerstvého venkovního vzduchu charakterizuje intenzita větrání I = VE /O (1/h), kde VE (m3/h) je průtok venkovního vzduchu, O (m3) - vnitřní objem místnosti. Pozn.: Intenzitu větrání nelze zaměňovat za intenzitu výměny vzduchu (výměnu vzduchu), definovanou vztahem IP = VP /O (1/h), kde VP (m3/h) je průtok vzduchu přiváděného do větraného/klimatizovaného prostoru. Průtok přiváděného vzduchu VP zahrnuje, kromě průtoku venkovního vzduchu VE, i průtok oběhového vzduchu VOb (pokud je použit), tj. VP = VE + VOb, obr.1.1. Intenzita výměny vzduchu slouží k orientačnímu hodnocení podmínek pro rozptýlení vzduchu v prostoru, neposkytuje však informaci o větrání. Klimatizační zařízení upravují teplotu, vlhkost a čistotu vzduchu uvnitř budov, dopravních prostředků, technologických provozů aj., zpravidla po celoroční období s automatickou regulací. Klimatizace s chladicími plochami (chladicí stropy, stěny) upravuje teplotu povrchu stěn místností a tím i střední radiační teplotu, která je jedním z parametrů tepelného stavu prostředí.
Obr.1.1 Schéma průtoků vzduchu ve větracích/klimatizačních zařízeních; E – vzduch venkovní, Ob – oběhový, P – přiváděný, I – vnitřní, O - odváděný, Od – odpadní; VJ – větrací/klimatizační jednotka, Ve – ventilátor, K - klapka
Klimatizace komfortní upravuje prostředí pro dodržení hygienických podmínek (pro osoby). Je vždy spojena s přívodem čerstvého venkovního vzduchu. Úplná klimatizace zahrnuje veškeré úpravy teploty, vlhkosti a čistoty celoročně na požadované parametry. Dílčí klimatizace slouží k částečné úpravě (komfortní klimatizace vždy s větráním); např. úprava teploty celoročně, úprava vlhkosti pouze v zimě. Klimatizační zařízení pro dílčí úpravu vzduchu mohou být kombinována i s vytápěcími zařízeními; např. klimatizace zajišťuje chlazení, větrání v létě a doplňuje (větráním a dílčím přívodem tepla) základní vytápění v zimě. Podle účelu lze rozlišit pro větrání a klimatizaci následující požadavky na úpravu stavu ovzduší – (resp. stavu prostředí) 7
• • • •
hygienické – z hlediska ochrany lidského organismu technologické – pro funkci výrobních/pracovních procesů, strojů biologické – v zemědělství pro ustájení zemědělských zvířat, uskladnění zemědělských produktů, resp. požadavky mikrobiologické – ve zdravotnictví, farmacii bezpečnostní – pro ochranu před výbuchem hořlavých látek nebezpečných výbuchem.
Hygienické požadavky na tepelný a vlhkostní stav prostředí se formulují buď jako optimální (vyžadují zpravidla úplnou klimatizaci) nebo únosné (především z ekonomických důvodů). Požadavky na kvalitu ovzduší jsou vždy limitní – maximální přípustné koncentrace znečišťujících látek nesmí být překročeny. Základní hygienické požadavky na tepelný a vlhkostní stav prostředí a čistotu ovzduší jsou v ČR formulovány v zákonných předpisech (zákony, nařízení vlády, vyhlášky ministerstev) a v normách ČSN. Technologické, biologické a bezpečnostní požadavky vycházejí z vlastností výrobních i biologických procesů a definují nároky na tepelný a vlhkostní stav i kvalitu ovzduší v daných prostředích. Požadavky jsou individuální, pro některé případy (např. pro čisté prostory, stájové prostředí, kotelny) jsou požadavky obsaženy v normách ČSN i v odborné literatuře.
1.2 Podklady pro návrh větracích a klimatizačních zařízení Návrhu větracích a klimatizačních zařízení předchází vždy soustředění výchozích podkladů, které charakterizují • požadované parametry vnitřního ovzduší (prostředí) • vnitřní zdroje tepla, vlhkosti, škodlivin ve větraném/klimatizovaném prostoru • vlastnosti budovy • parametry venkovního prostřední. 1.2.1 Parametry vnitřního prostředí Tepelný a vlhkostní stav ovzduší určují • teplota vzduchu t (°C) • relativní vlhkost vzduchu ϕ (-). Pro podrobnější hodnocení tepelného a vlhkostního stavu prostředí (z hygienického hlediska) přibývají • střední radiační teplota tr (°C) • rychlost proudění vzduchu w (m/s) • intenzita turbulence Tu (-) • výsledná teplota tg (°C) • operativní teplota to (°C). Požadované parametry vnitřního ovzduší (prostředí) mají být pro každý projektový úkol stanoveny vždy v závislosti na denní i roční době, včetně přípustných tolerancí (např.: zimní období: 7,00 až 21,00 hod.: t = 22 ± 1 °C, ϕ = 40 ± 5 %). Pozn.: Při projektování větracích a klimatizačních zařízení metodika návrhu uvažuje jako základní parametr tepelného stavu prostředí teplotu vzduchu. Tepelný komfort osob je však určován, kromě teploty vzduchu, i teplotou okolních stěn. Výsledný efekt je vyjádřen teplotou operativní to (°C) - odst. 1.3.3 i teplotou výslednou tg (°C) – odst. 1.3.6. Základními metodami výpočtu v projektu však operativní teplotu nelze určit; je to možné simulačním energetickým výpočtem (např. [1.17]), kterým se stanoví teploty stěn větraného/klimatizovaného prostoru. Příklad rozdílu teploty vzduchu t a teploty operativní to v průběhu letního dne v klimatizované místnosti je uveden v odst. 1.3.3, obr.1.4.
8
V ČR závazné hygienické požadavky na tepelný a vlhkostní stav vnitřního prostředí (operativní/výslednou teplotu, relativní vlhkost vzduchu) uvádí nařízení vlády č. 361/2007 Sb. (pro pracovní prostředí) [1.14] a některé vyhlášky ministerstev; další informace obsahují normy ČSN. Technologické a biologické požadavky na t (°C) a ϕ (-) jsou převážně individuální a lze je nalézt ve specifických předpisech, normách a odborné literatuře. Kvalitu (čistotu) ovzduší charakterizují • koncentrace znečišťujících látek (škodlivin) - plynů, par, tuhých i kapalných částic ve vnitřním ovzduší C (mg/m3, ppm) • fyzikální a chemické vlastnosti znečišťujících látek • pro tuhé (i kapalné) částice – velikost částic a (µm), případně distribuční křivka p = f(a) vyjadřující četnost p (1/µm) částic dané velikosti a (µm) ve vzorku ovzduší. Závazné hygienické limity znečištění vnitřního pracovního ovzduší v ČR jsou obsaženy v nařízení vlády č. 361/2007 Sb. [1.14]. Předpis uvádí pro různé škodliviny přípustné průměrné 8 hodinové koncentrace - přípustné expoziční limity PEL (CPEL) a nejvyšší přípustné koncentrace NPK-P (CNPK-P) – odst. 1.4.4. Obdobně, jako u požadavků na tepelný a vlhkostní stav ovzduší, jsou technologické, biologické i bezpečnostní požadavky na kvalitu ovzduší převážně individuální a lze je nalézt ve specifických předpisech, normách a odborné literatuře. Pro čisté prostory jsou uvedeny v normách ČSN EN a ISO [1.10] limitní počty částic dané velikosti a (µm) v 1 m3 vnitřního vzduchu. V prostorech, kde se vyskytují hořlavé látky nebezpečné výbuchem, nesmí koncentrace těchto látek ve vzduchu překročit dolní mez výbušnosti CDMV (mg/m3, ppm,%) - nejnižší koncentraci, při které za vzniku zápalné teploty, může dojít k výbuchu [1.4]. Z důvodů bezpečnosti jsou limitní koncentrace výbušných látek v ovzduší stanovovány v rozmezí 10 až 20 % dolní meze výbušnosti. 1.2.2 Vnitřní zdroje tepla, vlhkosti, škodlivin Jedná se o uvolňované látky a energie. Pro návrh větrání/klimatizace jsou vstupními údaji: • počty osob, intenzita jejich činnosti - určují produkci tepla (W) a vlhkosti (kg/s) • příkon strojů a technických zařízení, elektrických přístrojů, výpočetní techniky (W) • příkon osvětlovacích zařízení (W) • ve specifických provozech (kuchyně, bazény) tok vlhkosti uvolňovaný v místnosti (kg/s), v garážích a tunelech produkce oxidu uhelnatého z výfukových plynů aut (kg/s) • ve stájích pro hospodářská zvířata produkce oxidu uhličitého, aj. Ve všech případech je třeba znát skutečnou produkci daných látek a energie, nikoliv pouze jmenovité příkony. Je třeba uvažovat průměrné příkony, současnost provozu, časové vytížení. Údaje poskytuje technická dokumentace strojů, zařízení, přístrojů, osvětlovacích těles, elektroniky, normy (např. ČSN 73 0548 [1.7], ČSN 73 0543-2 [1.6]) a odborná literatura. 1.2.3 Vlastnosti budovy Pro návrh větracích a klimatizačních zařízení je třeba znát • projektové, prostorové řešení budovy (i místností), zvláště obvodových stěn, transparentních ploch, prostorů pro strojovny a vedení vzduchovodů • orientaci ke světovým stranám, případné stínění okolními budovami • tepelně-technické vlastnosti stavební konstrukce, včetně transparentních ploch - oken, světlíků. 9
Údaje o budově jsou podkladem pro stanovení tepelných ztrát [1.8] a letní tepelné zátěže [1.7] a rozhodují v mnoha případech o výkonu větracího/klimatizačního zařízení. Požadavky na tepelně technické vlastnosti budov obsahují normy ČSN [1.5]. 1.2.4 Parametry venkovního prostředí Při navrhování větracích/klimatizačních zařízeních jsou potřebné údaje charakterizující • venkovní klima • kvalitu (čistotu) venkovního ovzduší. Venkovní klima Větrací a klimatizační zařízení se navrhují pro extrémní podmínky v létě a v zimě. Hlavní venkovní klimatické parametry pro tyto výpočty jsou • • • • •
teplota venkovního vzduchu t (°C) relativní vlhkost vzduchu ϕ (-), případně entalpie venkovního vzduchu h (J/kg) intenzita sluneční radiace I (W/m2) rychlost větru w (m/s) směr větru.
Výpočtové údaje pro návrh větrání/klimatizace v normativních i literárních podkladech nejsou absolutními extrémy - zpravidla jsou to statisticky zpracované extrémní klimatické údaje za dlouhodobé období (15 až 20 let) a vyjadřují např. údaje, které nebudou překročeny ve stanovené kumulativní četnosti výskytu. Např. údaje pro určitou lokalitu v publikaci ASHRAE [1.1] tE = 35 °C a 0,4 % udává, že ročně nebude teplota 35 °C překročena po dobu 0.004 x 8760 hod. = 35 hodin. Absolutně extrémní venkovní klimatické údaje, pro oblast kde bude zařízení instalováno, může poskytnout Český hydrometeorologický ústav. Údaje o venkovním klimatu ČR pro navrhování větracích/klimatizačních zařízení poskytují ČSN EN 12831 [1.8], ČSN 73 0548 [1.7] a publikace J. Chyského [1.3]. Venkovní ovzduší Kvalitu venkovního vzduchu pro větrání a klimatizaci vyjadřují • imisní údaje • emisní údaje. Imisní údaje (údaje o koncentracích znečišťujících látek ve venkovním ovzduší) jsou potřebné pro stanovení kvality venkovního vzduchu, který se má použít pro větrání; v ČR jsou limitní údaje stanoveny v nařízení vlády [1.15]. Převážně lze předpokládat, že venkovní vzduch není výrazně znehodnocen chemickými škodlivinami. Vždy se však venkovní vzduch pro větrání/klimatizaci filtruje od tuhých částic – prachu a to v kvalitě filtrace podle požadavků na vnitřní ovzduší (ČSN EN 13779 [1.9]). Ve specifických případech se provádí i filtrace chemických látek (plynů, par). Emisní údaje limitují toky látek vyfukovaných do venkovní atmosféry z odsávacích zařízení a definují požadavky na filtrační a odlučovací zařízení. Přípustné emisní limity uvádí v ČR nařízení vlády a vyhlášky ministerstva životního prostředí [1.16].
1.3 Vnitřní tepelné a vlhkostní prostředí Tepelný a vlhkostní stav prostředí (mikroklima) je dán veličinami, které ovlivňují výsledný fyzický a duševní stav člověka. Tyto veličiny mohou nabývat optimálních hodnot (stav tepelné pohody, komfortu), případně hodnot mezních (přípustných).
10
1.3.1 Fyziologické základy Při biochemických oxidačních procesech se v lidském těle uvolňuje energetický výdej, metabolický tok Qm (W), jehož velikost závisí na intenzitě fyzické činnosti člověka. Část Qm se spotřebuje na fyzickou činnost (výkon) N (W), část Q (W) přestupuje z povrchu těla do okolí. Pokud při termoregulaci těla dochází ke změně tělesné teploty, akumuluje se při vzrůstu teploty část energetického výdeje do těla + Qa (W); při poklesu tělesné teploty se tělu akumulované teplo odnímá (- Qa). V ustáleném stavu (Qa = 0) je
Qm − N = Q
(1.1)
Pro energetickou bilanci těla a okolí se definují měrné veličiny qm = Qm/S (tab. 1.1), n = N/S a q = Q/S, kde S (m2) je povrch lidského těla. Člověk o hmotnosti 75 kg a výšce 1,75 m má S = 1,9 m2. Fyzický výkon (svalová činnost) se vyjadřuje formou mechanické účinnosti µ = n/qm (tab. 1.1). Tab. 1.1 Měrný energetický výdej (metabolický tepelný tok), mechanická účinnost Měrný energetický výdej qm 2 (W/m ) (met)
Činnost
Klidné ležení Sezení uvolněné Práce vsedě (úřady, školy, laboratoře) Stání, lehká práce (laboratoře, lehký průmysl) Stání, střední práce (prodavač, práce na strojích) Těžká fyzická práce (těžký průmysl, stavebnictví), přenášení břemen 50 kg
Mechanická účinnost µ (-)
46 58 70 93 116
0,8 1,0 1,2 1,6 2,0
0 0 0 0 až 0,1 0,1 až 0,2
235
4,0
0,1 až 0,25
V tab. 1.1 jsou hodnoty qm dle ČSN EN ISO 7730 [1.13]; 1 met = 58,2 W/m2. Zdrojem energie v těle je potrava. Pro oxidační procesy se dýcháním přivádí kyslík. V závislosti na intenzitě fyzické činnosti, pro dospělého člověka, je průtok vdechovaného vzduchu Mvzd = 2,58ּ10-6qm (kg/s). Termoregulace Tepelný tok Q produkovaný lidským organismem se sdílí do okolního prostředí. Rozdíly mezi produkovaným teplem a teplem odnímaným tělu okolím vyrovnávají termoregulační mechanismy těla tak, aby byla udržena konstantní vnitřní tělesná teplota (∼37 oC). Pokud vzrůstá vnitřní teplota těla, zvyšuje se cirkulace krve v kůži, roste teplota kůže, což vede k zvýšení odvodu tepla z povrchu těla. Při poklesu tělesné teploty se naopak cirkulace krve v kůži snižuje. Dalším prvkem tepelné regulace je vypařování potu. Za příznivého stavu ovzduší pro vypařování (vzduch není vodními parami nasycen) je kůže suchá a množství vypařovaného potu je poměrně malé. Při vyšší intenzitě fyzické činnosti se zvyšuje produkce potu a část kůže se pokrývá mokrým potem. K intenzivnímu ochlazení těla vypařováním potu dojde pouze pokud se vyprodukovaný pot do ovzduší vypaří, tj. pokud vzduch v prostředí není vodními parami nasycen. Tok tepla z povrchu těla závisí i na tepelném odporu oděvu Rod (m2 K/W); relativní tepelný odpor je definován vztahem Iod = Rod/0,155 (clo). Např. pro třívrstvý oděv (spodní prádlo s krátkými rukávy a nohavicemi, košile, kalhoty, pracovní blůza, ponožky, boty) je Rod = 0,155 m2 K/W a Iod = 1 clo. Rod zahrnuje tepelný odpor tkanin a tepelný odpor vzduchových mezer mezi vrstvami oděvu. 11
Změna oděvu umožňuje regulaci tepelného toku – snížení tepelného odporu oděvu vede k zvýšení toku tepla z povrchu těla do okolí. 1.3.2 Tepelná rovnováha a tepelná pohoda Tepelná rovnováha těla a okolí je stav, při němž je zachována rovnost produkovaného tepelného toku q a toku tepla odnímaného tělu okolím (konvekcí qk, sáláním qs, vypařováním qw, dýcháním qd, a vedením qv). Hodnota qv je malá a lze ji zanedbat. Tepelná pohoda (tepelný komfort) je subjektivní pocit, při němž je zachována tepelná rovnováha za optimálních hodnot fyziologických parametrů (tj. podmínek komfortu - teploty kůže a maximálního tepelného toku odváděného vypařováním z povrchu mokré pokožky). Při konstantní tělesné teplotě (qa = 0) je rovnice tepelné rovnováhy
qm − n = q = ±qk ± qs + qw + qd
(1.2)
Kladná znaménka na pravé straně rovnice (1.2) vyznačují, že tepelný tok se sdílí z povrchu těla do prostředí. Na některých pracovištích horkých průmyslových provozů může sáláním přecházet tepelný tok z prostředí (z povrchu horkého materiálu) do těla. K tepelnému toku q se pak připočítává i sálavá tepelná zátěž qs ; výsledný tok tepla musí být z těla odveden konvekcí, vypařováním a dýcháním. Obdobně se může v extrémních podmínkách k toku tepla q připočítávat i konvekční tepelná zátěž qk . Toky tepla sdílené z povrchu těla (pravá strana rovnice (1.2)) jsou závislé na následujících parametrech prostředí: • tok tepla sdílený konvekcí qk = f(t, w), kde t (°C) je teplota vzduchu, w (m/s) – rychlost proudění vzduchu • tok tepla sdílený sáláním qs = f(tr ), kde tr (°C) je střední radiační teplota • tok tepla odváděný vypařováním potu qw = f(t,φ), kde t (°C) je teplota vzduchu, φ (-) relativní vlhkost vzduchu • tok tepla odváděný dýcháním qd = f(t,φ), kde t (°C) je teplota vzduchu, φ (-) relativní vlhkost vzduchu. Střední radiační teplota tr (ČSN ISO 7726 [1.12]) je myšlená rovnoměrná společná teplota všech ploch v prostoru, při níž by byl přenos tepla z těla sáláním stejný, jako ve skutečnosti. Střední radiační teplotu tr lze měřit kulovým výsledným teploměrem. Hodnota tr závisí na poloze místa určení – je proměnná po ploše místnosti. Tepelný tok sdílený konvekcí a sáláním z povrchu oblečeného člověka prostupuje oděvem. Tok tepla prostupující oděvem (qk + qs) závisí i na tepelném odporu oděvu Rod (m2 K/W). Po dosazení výpočetních vztahů pro jednotlivé tepelné toky sdílené z povrchu těla, podmínek komfortu (vztahů pro optimální teplotu kůže a maximální tok tepla odváděný vypařováním z povrchu mokré pokožky) a vztahu pro prostup tepla oděvem do rovnice tepelné rovnováhy (1.2) se získá rovnice tepelné pohody. V rovnici tepelné pohody je vyjádřeno celkem 6 základních veličin, charakterizujících • stav člověka: 1) měrný metabolický tok qm (W/m2), zmenšený o fyzický výkon n (W/m2) 2) vlastnosti oděvu - tepelný odpor oděvu Rod (m2 K/W) • tepelný stav prostředí 3) teplota vzduchu t (°C) 4) střední radiační teplota tr (°C) 5) relativní vlhkost vzduchu ϕ (-) 6) rychlost proudění vzduchu w (m/s). 12
Do rovnice tepelné pohody jsou zahrnuty podmínky tepelného komfortu; lze tedy stanovit pro zadanou intenzitu fyzické činnosti člověka – metabolický tok (qm), druh oděvu (Rod) optimální kombinaci čtyř parametrů tepelného prostředí (t, tr, ϕ, w). Grafické závislosti (např. obr. 1.2) sestavené Fangerem [1.2] umožňují posoudit vliv jednotlivých parametrů. Z experimentů, srovnávajících parametry prostředí se subjektivními pocity osob, vyplynulo, že nežádoucí místní ochlazování lidského těla pohybem vzduchu (průvanem) závisí, kromě na střední rychlosti proudění vzduchu w (m/s), i na časových změnách této rychlosti - intenzitě turbulence Tu (-)
Tu =
1 w
Σw , 2 n −1
(1.3)
kde w´ (m/s) jsou proměnné rychlosti zjištěné v nčasových intervalech, w (m/s)- střední rychlost v n-časových intervalech.
Obr. 1.2 Diagram tepelné pohody; Qm = 58 W/m2, 116 W/m2, Iod = 1 clo, φ = 0,5 [1.2]
7) Intenzita turbulence Tu (-) (sedmá veličina určující stav tepelné pohody) v pásmu pobytu osob závisí na způsobu přívodu vzduchu do větraného/klimatizovaného prostoru. U systémů přívodu vzduchu s intenzívním směšováním je Tu = 0,2 až 0,6, u systémů s potlačeným směšováním Tu < 0,2. 1.3.3 Operativní teplota Při hodnocení tepelného stavu prostředí podle rovnice tepelné pohody je nutno znát samostatně teplotu vzduchu t a střední radiační teplotu tr . Zjednodušení poskytuje zavedení operativní teploty to (°C), která jedinou veličinou zahrnuje vliv t (vliv konvekční výměny tepla) i vliv tr (vliv výměny tepla sáláním). Operativní teplota je definována jako jednotná teplota černého uzavřeného prostoru (tj. prostoru o stejné teplotě vzduchu i stejné střední radiační teplotě), ve kterém by tělo sdílelo konvekcí i sáláním stejné množství tepla jako ve skutečném, teplotně nesourodém prostředí. Operativní teplota, kromě teploty vzduchu t a střední radiační teploty tr závisí, při rychlostech proudění nad 0,2 m/s i na rychlosti proudění vzduchu w (m/s). Z výsledků měření se určí to podle empirického vztahu
t o = A t + (1 − A ) t r
(1.4)
kde hodnoty součinitele A jsou v následující tabulce ([1.12]).
w (m/s) < 0,2 0,2 až 0,6 0,6 až 1,0 A (-) 0,5 0,6 0,7 Pro stav tepelné pohody, v mírném tepelném prostředí, jsou doporučené optimální hodnoty operativní teploty to (dle ČSN EN ISO 7730 [1.13]) uvedeny (na základě výpočtu teploty vzduchu t a střední radiační teploty tr z rovnice tepelné pohody) v grafu na obr. 1.3. Jako příklad je na obr. 1.4 znázorněn (podle výsledků počítačové simulace softwarem ESP-r [1.17]) rozdíl mezi teplotou vzduchu t a teplotou operativní to (ve středu místnosti) během letního dne v klimatizované místnosti. Budova má lehký obvodový plášť (orientace jih, součinitel prostupu tepla k = 0,45 W/m2 K), okna (k = 1,7 W/m2 K) jsou vybavena vnitřními 13
žaluziemi, podíl zasklení v obvodové stěně je 27, 47, 100 %. Výpočet byl proveden pro reálné venkovní klimatické podmínky v letním dni v srpnu 2003, kdy místnost byla během dne klimatizována na konstantní teplotu vzduchu t = 25 °C, rychlost proudění vzduchu w = 0.
Obr. 1.3 Doporučená optimální operativní teplota to [1.13] pro kategorii vnitřního prostředí A (PPD < 6 %), w < 0,1 m/s, ϕ ≈ 0,5
to °(C)
Obr. 1.4 Operativní teplota to a teplota vzduchu t v letním dni v klimatizované místnosti (dle simulačního výpočtu); okna s vnitřními žaluziemi, podíl zasklení v obvodové stěně (orientace jih), Z = 27, 47, 100%
ta = 25 °C (chod klimatizace)
1.3.4 Ukazatele PMV, PPD Rovnice tepelné pohody poskytuje optimální parametry prostředí pro danou aktivitu člověka a druh oděvu. Pokud parametry nejsou dodrženy, cítí člověk tepelnou nepohodu – diskomfort. Stupeň diskomfortu (pocitu nepohody člověka) se vyjadřuje ukazatelem PMV (-) (Predicted Mean Vote) - předpověď středního Obr. 1.5 Ukazatele PPD a PMV [1.13] tepelného pocitu. Ukazatel PMV je definován jako funkce rozdílu tepelného toku produkovaného organismem (qm – n) a aktuálního toku tepla, který tělu prostředí odnímá (tj. rozdílu levé a pravé strany rovnice (1.2) pro aktuální parametry prostředí t, tr, w, φ). Na základě statistických šetření subjektivních tepelných pocitů osob byly číselným hodnotám PMV přiřazeny subjektivní údaje zima až horko – dle následující tabulky z [1.13], vyjadřující pocit převážného počtu testovaných osob. PMV [-] Tepelný pocit
-3 zima
-2 chladno
-1 0 mírně neutrálně chladno
14
+1 mírně teplo
+2 teplo
+3 horko
Poměrný počet osob, výrazně nespokojených s daným tepelným prostředím (charakterizovaným hodnotou PMV) je vyjádřen ukazatelem PPD (-) (Predicted Percentage of Dissatisfied) - procentuální podíl nespokojených osob s daným stavem prostředí. V grafu na obr.1.5 je podle [1.13] vyjádřena závislost ukazatele PPD na PMV. Z grafu vyplývá, že i ve stavu, kdy v prostředí jsou dodrženy optimální parametry (PMV = 0) bude asi 5 % osob nespokojených. V praxi se doporučuje, aby PPD < 15 %. 1.3.5 Průvan Stupeň obtěžování průvanem DR (%) vyjadřuje procentuální podíl osob, u kterých je možno předpokládat pocit obtěžování průvanem. Je závislý na teplotě vzduchu t, střední rychlosti proudění vzduchu w a intenzitě turbulence Tu Na obr. 1.6 pro DR = 20 % (20 % nespokojených osob), lehkou fyzickou činnost (70 W/m2) je znázorněna maximálně přípustná střední rychlost proudění w jako funkce teploty vzduchu t a intenzity turbulence Tu (relativní vlhkost vzduchu ϕ ≈ 0,5). 1.3.6 Výsledná teplota Výsledná teplota tg se měří kulovým výsledným teploměrem. Je to kulová baňka z tenkého měděného plechu (dle ČSN EN ISO 7726 [1.12] je doporučený průměr 150 mm) s matným černým povrchem, v jejímž středu je zasunuto teplotní čidlo (rtuťový teploměr, termočlánek, odporový teploměr). Výsledný teploměr nemá vlastní zdroj tepla; v ustáleném stavu je sálavý tepelný tok z prostředí do kulové baňky v rovnováze s konvekčním tepelným tokem z povrchu koule do prostředí (obr.1.7). V ustáleném stavu se ztotožní teplota povrchu baňky s teplotou čidla na hodnotě tg (globe temperature).
Obr. 1.7 Schéma přestupu tepla na povrchu kulového teploměru
Obr. 1.6 Maximálně přípustná střední rychlost vzduchu w v závislosti na teplotě vzduchu t a intenzitě turbulence Tu [1.13]; DR = 20 %, ϕ ≈ 0,5
Lze dokázat, že výsledná teplota tg se formálně shoduje s definicí operativní teploty to , rozdíl však vyplývá z různosti součinitelů přestupu tepla konvekcí a sáláním u člověka a na povrchu koule. Zvláště pro klidný vzduch jsou však odchylky to a tg malé. České závazné požadavky na tepelný stav pracovního prostředí [1.14] uvádí jako požadovanou hodnotu operativní teplotu to i výslednou teplotu tg.
Stanovení střední radiační teploty tr Měřením se zjistí výsledná teplota tg (°C), teplota vzduchu t (°C) a rychlost proudění vzduchu w (m/s); střední radiační teplota je dána vztahem (z rovnováhy toku tepla sdíleného konvekci a sáláním)
15
tr =
4
(t
g
+ 273
)
4
+ 1,855 ⋅ 10 7 α kg (t g − t ) − 273
(1 . 5 ) 2
Součinitel přestupu tepla konvekcí na povrchu kulového teploměru αkg (W/m K) je podle [1.12] - pro klidný vzduch
α
kg
⎡ t − tg = 1, 4 ⎢ ⎢⎣ D
⎤ ⎥ ⎥⎦
0 , 25
(1 . 6 )
- pro vzduch proudící rychlostí w > 0,1 m/s
α
kg
= 6 ,3
w D
0 ,6
(1 . 7 )
0,4
kde D (m) je průměr baňky kulového teploměru. 1.3.7 Legislativní a normativní požadavky na tepelný a vlhkostní stav prostředí V ČR závazné (zákonné) požadavky na stav vnitřního klimatu jsou obsaženy v nařízeních vlády a vyhláškách ministerstev. Nejpodrobnějším předpisem je nařízení vlády [1.14] pro pracovní prostředí. Vyhlášky ministerstev uvádí pak požadavky na další charakteristická prostředí. Nařízení vlády [1.14] rozlišuje mikroklimatické podmínky optimální a podmínky s únosnou tepelnou zátěží (dlouhodobou, krátkodobou). Optimální mikroklimatické podmínky se stanovují pro pracoviště, kde pracovníci vykonávají práce zhruba stejně náročné. Vzhledem k tomu, že dosažení optimálních podmínek v létě je téměř vždy spojeno s instalací klimatizačních zařízení (se značnými energetickými nároky), připouští nařízení [1.14] podmínky dlouhodobě únosné. Na tyto podmínky se člověk může adaptovat, bez nebezpečí porušení zdraví. Na pracovištích, kde tepelná zátěž člověka neumožňuje dosáhnout ani dlouhodobě únosných podmínek, se omezuje maximální doba pobytu. Podklady pro hodnocení tepelného prostředí obsahují normy ČSN EN ISO [1.13], [1.12] i publikace [1.2].
1.4 Kvalita ovzduší Technické i přírodní procesy produkují do ovzduší tuhé i kapalné hmotné částice, plyny a páry – škodliviny, znečišťující látky. V ovzduší jsou přítomny i bakterie a plísně, které se udržují na tuhých a kapalných částicích. Škodliviny působí negativně ve venkovním i vnitřním ovzduší na zdraví lidí, na zvířata, rostliny, snižují životnost staveb, technických zařízení i kulturních památek. Hořlavé a výbušné látky v ovzduší představují riziko požáru i bezpečnosti osob a technických zařízení. 1.4.1 Vlastnosti škodlivin Tuhé částice rozptýlené v ovzduší se označují podle vzniku a složení jako dým, kouř, popílek, aerosol, prach. • Dým - jemné částice o velikosti 0,1 až 1 µm vzniklé při oxidačních procesech kondenzací látek vypařovaných za tepla (např. dýmy při svařování, tavení kovů) nebo vzniklé z plynné fáze chemických reakcí. • Kouř - jemné částice 0,01 až 1,0 µm vzniklé nedokonalým spalováním, obsahující převážně uhlík. • Popílek - úlet z topenišť spalovacích zařízení (velikost částic 1 až 100 µm). • Aerosol - disperzní soustava jemných částic o velikosti 0,01 až 1 µm v plynu. 16
•
Prach - částice vzniklé převážně mechanickým způsobem (drcením, mletím, otěrem). V technické praxi se obvykle jako prach označují všechny tuhé částice rozptýlené v ovzduší.
Tuhé částice jsou charakterizovány rozměrovými parametry (velikostí částic), fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Velikost částic je dána jejich charakteristickým rozměrem (průměrem a (µm), který se zjišťuje různými experimentálními metodami. Vzorek prachu obvykle obsahuje částice různých velikostí (polydisperzní prach); monodisperzní prach se vyskytuje málo (např. organické prachy - spory). Podíl částic prachu různých velikostí ve vzorku se vyjadřuje (obr.1.8).
křivkami zrnitosti prachu
Křivka četnosti p (1/µm) udává poměrný počet (nebo hmotnost) částic určité velikosti ve vzorku. Kumulativní četnost - křivka zbytků, nebo propadů. Křivka zbytků Z (-) udává poměrný počet (nebo hmotnost) částic větších, než je příslušná velikost částice a. Křivka propadů P (-) udává poměrný počet (nebo hmotnost) částic menších, než je příslušná velikost částice a Obr. 1.8 Křivka četnosti p, křivka zbytků Z, křivka (µm). propadů P vzorku prachu Částice větších rozměrů rozptýlené v ovzduší se vlivem gravitačních sil usazují. Usazování je ovlivněno i intenzitou proudění vzduchu v prostředí. V klidném ovzduší se vyskytují částice o maximální velikosti 1 µm, v prostředí s vyšší intenzitou proudění vzduchu částice až 10 µm. Atmosfériký prach obsahuje částice o rozměrech 0,01 až 20 µm, převážný počet částic má rozměr a < 1 µm. Podle druhu škodlivých příměsí lze prach rozdělit do několika skupin: • •
Prach obsahující toxické složky (těžké kovy a jiné biologicky aktivní látky, např. olovo, radioaktivní látky, karcinogenní látky – azbest). Prach bez toxického účinku (s fibrogenním účinkem, např. křemen, s dráždivým účinkem, např. bavlna, bez fibrogenního a dráždivého účinku, např. popílek).
Obsah prachu v ovzduší se udává hmotnostní koncentrací C (mg/m3). V místnostech, kde je třeba snížit obsah prachu a mikrobů na výrazně nízkou mez (z výrobních důvodů, např. v elektrotechnickém průmyslu, nebo z biologických důvodů, např. v operačních sálech, ve farmaceutickém průmyslu) se udává obsah prachu počtem částic v 1 m3, resp. v 1 litru. Mikrobiální aerosoly (bakterie, viry) se vyskytují vždy ve spojení s neživými částicemi. Jejich účinek se omezuje větráním a filtrací vzduchu. Kapalné částice rozptýlené v ovzduší vznikají buď kondenzací plynné fáze, nebo rozrušením většího objemu tekutiny. Vzniklá aerodisperzní směs se označuje jako mlha (velikost částic
17
0,1 až 30 µm). Rozrušením vznikají např. mlhy olejů a chladících tekutin v obrobnách. Vlastnosti kapalných částic se hodnotí obdobně jako vlastnosti tuhých částic. Plyny a páry unikající do ovzduší, pokud se vzduchem chemicky nereagují, tvoří směsi. Za podmínek běžných v atmosféře se mohou plyny mísit se vzduchem v libovolných poměrech. Páry (plynné fáze látek za normálních podmínek v kapalném nebo tuhém stavu) mohou ve vzduchu dosáhnout maximálního obsahu, daného parciálním tlakem sytých par, závislým na teplotě.
Obsah plynných škodlivin v ovzduší se vyjadřuje koncentracemi C - hmotnostními (mg/m3) nebo objemovými (cm3/m3) (při současně udaném tlaku a teplotě). V hygienických směrnicích se používají i jednotky (ppm) – parts per million: 1 ppm = 1 cm3/m3 = 10-4 % obj. Hořlavé plyny, páry hořlavých kapalin a některé druhy tuhých a kapalných částic rozptýlených v ovzduší mohou za určitých podmínek tvořit směsi nebezpečné výbuchem. Nejnižší koncentrace směsi hořlavých látek se vzduchem, při které již může dojít k výbuchu se označuje jako dolní mez výbušnosti CDMV, nejvyšší koncentrace, při které je směs ještě výbušná se označuje jako horní mez výbušnosti. Např. propan má dolní mez výbušnosti 1,9 % obj., zemní plyn 5 až 6 % obj. Obecně platí, že dolní meze výbušnosti jsou vyšší, než hygienicky přípustné expoziční limity dané látky v pracovním ovzduší. 1.4.2 Zdroje znečišťování vnitřního ovzduší K znečišťování pracovního ovzduší v průmyslu dochází v hutích, strojírenství, průmyslu stavebních hmot, chemickém průmyslu, textilním průmyslu především prachem i škodlivými plyny a párami.
V zemědělských stájových objektech produkují zvířata (kromě tepla a vodní páry) oxid uhličitý; při biologických procesech se dále uvolňuje čpavek a sirouhlík. V místnostech, kde pobývají lidé se uvolňuje při dýchání do ovzduší oxid uhličitý a vodní pára. Vydechovaný vzduch obsahuje objemově přibližně 4 % oxidu uhličitého, 5 % vodní páry, 16 % kyslíku a 75 % dusíku a ostatních plynů. Vodní pára se uvolňuje i odpařováním z povrchu těla. Kromě uvedených látek přicházejí z povrchu těla do ovzduší i stopová množství mastných kyselin, jejichž rozkladem vznikají pachy. Z vnitřního vybavení místností se mohou uvolňovat páry organických látek, rozpouštědel aj. Z geologického podloží ve specifických oblastech může do obytných místností pronikat plyn radon. 1.4.3 Účinky škodlivin Plynné, tuhé i kapalné škodliviny působí na lidský organismus jednak drážděním sliznic, jednak svými účinky při absorpci v těle. Dráždivé účinky se projevují na sliznici očí, nosu, hrdla, hrtanu, průdušnice a plicní tkáně. Dráždění působí na ochranné mechanismy těla (slzení, produkci sekretů na stěnách nosních dutin, hrdla); vyšší koncentrace způsobují zánětlivé změny na sliznicích. K dráždivým plynům patří oxid siřičitý a ozón.
Škodliviny bez dráždivého účinku po absorpci v plicích přecházejí do organismu. Nedráždivé plyny, které vnikly do plicních sklípků, jsou absorbovány do krve a mohou působit v ostatních částech těla. Část absorbovaného plynu může být z cirkulující krve vyloučena v plicích, část po změnách v ledvinách. Nerozpustné tuhé částice a částice olejové mlhy jsou z povrchu plicních sklípků odvedeny do lymfatických žláz. Tuhé částice s fibrogenním účinkem (obsahující krystalický oxid křemičitý) působí přímé změny na vazivu plic a lymfatických tkáních (silikózu). Fibrogenní účinek azbestu se hodnotí jako karcinogenní.
18
Rozpustné částice pronikají do cirkulující krve a jsou zanášeny do ostatních částí těla. Některé látky jsou vylučovány ledvinami, jiné střevním traktem. Ve specifických orgánech může docházet ke hromadění škodlivých látek, které po dosažení určitých koncentrací mohou vyvolat toxické účinky (např. olovo). Některé škodliviny, např. benzen mohou mít výrazné negativní účinky při vstřebávání pokožkou. Bakterie, plísně vyvolávají specifická onemocnění. Pozn.: Klimatizace neblaze přispěla k objevu účinku bakterie Legionella pneumophila. V roce 1976 na sjezdu legionářů z II. světové války v Philadelphii došlo k masivnímu rozšíření této bakterie do klimatizovaného ovzduší z vodních praček klimatizačních zařízení a na následky plicního onemocnění 30 osob zemřelo. V současné době je používání praček omezeno, resp. jsou uplatněna spolehlivá technická řešení a provozní opatření. Vdechování tuhých a kapalných částic je ovlivněno funkcí dýchacího ústrojí. V nose se zachycují všechny částice o rozměrech větších jak 10 µm a podstatná část částic v rozmezí 2 až 5 µm. Plicních sklípků dosahují částice menší jak 1 µm (respirabilní frakce); z nich se v plicích zachytí pouze část (cca 40 % částic o velikosti asi 1 µm, 25 % částic o velikosti asi 0,4 µm), zbytek je vydechován. Částice menší než 0,4 µm se vlivem molekulární difúze usazují v plicích intenzivněji; podíl zachycení roste se zmenšujícími se rozměry částic. 1.4.4 Hodnocení znečištění vnitřního ovzduší Obsah škodlivin v ovzduší vyjadřují koncentrace C hmotnostní (mg/m3), (µg/m3), objemové (cm3/m3), (%), (ppm); u prachu se udává i počet částic v 1 m3.
V ČR limitní koncentrace škodlivin (CPEL, CNPK-P) v ovzduší pracovišť jsou dány v nařízení vlády č. 361/07 Sb. [1.14] pro více jak 500 látek. PEL – přípustný expoziční limit je celosměnový časově vážený průměr koncentrace plynů, par nebo aerosolů, jimž mohou být podle současného stavu znalostí vystaveni zaměstnanci při osmihodinové pracovní době, aniž by u nich došlo i při celoživotní expozici k poškození zdraví, k ohrožení jejich pracovní schopnosti a výkonnosti. NPK-P – nejvyšší přípustná koncentrace chemické látky v pracovním ovzduší je koncentrace látky, které nesmí být zaměstnanec v žádném časovém úseku pracovní směny vystaven.
1.5 Literatura [1.1] 2005 ASHRAE Handbook Fundamentals. Atlanta: ASHRAE, Inc., 2005. ISBN 1-931862-71-0. [1.2] FANGER, P.O. Thermal Comfort. New York: McGraw-Hill, 1972. ISBN 0-07-019915-9. [1.3] CHYSKÝ, J. Vlhký vzduch. Praha: SNTL,1977. [1.4] PODLIPNÝ, V. Výbušná prostředí. Praha: SNTL. [1.5] ČSN 73 0540-2: 2002. Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky. [1.6] CSN 73 0543-2: 1998. Vnitřní prostředí stájových objektů – Část 2: Větrání a vytápění. [1.7] CSN 73 0548:1986. Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů. [1.8] ČSN EN 12831: 2005. Tepelné soustavy v budovách – výpočet tepelného výkonu. [1.9] ČSN EN 13779: 2007. Větrání nebytových budov – Základní požadavky na větrací a klimatizační zařízení. [1.10] ČSN EN ISO 14644-1: 2000. Čisté prostory a příslušné řízené prostředí – Část 1: Klasifikace čistoty vzduchu.
19
[1.11] ČSN EN 15251: 2008. Vstupní parametry vnitřního prostředí pro návrh a posouzení energetické náročnosti budov s ohledem na kvalitu vnitřního vzduchu, teplotního prostředí, osvětlení, akustiky. [1.12] ČSN EN ISO 7726: 2002. Ergonomie tepelného prostředí – Přístroje pro měření fyzikálních veličin. [1.13] ČSN EN ISO 7730: 2006. Ergonomie tepelného prostředí – Analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kriteria místního tepelného komfortu. [1.14] Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci. [1.15] Nařízení vlády č. 429/2005 Sb., kterým se stanoví imisní limity a podmínky a způsob sledování, posuzování, hodnocení a řízení kvality ovzduší. [1.16] Nařízení vlády a vyhlášky ministerstva životního prostředí č. 417/2005 Sb. a č. 352/2002 Sb. až 356/2002 Sb., kterými se stanoví emisní limity. [1.17] The ESP-r System for Building Energy Simulation – User Guide Version 10 Series. Glasgow: Strathclyde University, 2002. www.esru.strath.ac.uk
20
2 Větrací a klimatizační systémy 2.1 Větrací systémy Větrání zajišťuje: • •
přívod čerstvého venkovního vzduchu do větraných/klimatizovaných prostorů odvod vzduchu znehodnoceného (znečištěného) látkovými škodlivinami, případně i odvod nežádoucího tepla z větraných prostorů.
Větráním se upravuje čistota vnitřního ovzduší a dílčím způsobem i tepelný stav prostředí – přívodem venkovního vzduchu lze odvádět (omezeně) i tepelnou zátěž. Přívodem venkovního vzduchu větrání vyrovnává vzduchovou bilanci u odsávacích systémů. Proudění vzduchu ve větraném prostoru je způsobeno nuceným (mechanickým) účinkem – ventilátory (popř. ejektory), nebo přirozeným tlakovým rozdílem - vlivem rozdílných hustot vzduchu vně a uvnitř větraného prostoru i účinkem větru. Rozlišují se systémy • nuceného větrání • přirozené větrání. 2.1.1 Nucené větrání Podle toho, zda vzduch odváděný z místnosti se vyměňuje za vzduch venkovní v celém prostoru, nebo pouze v jeho části se třídí nucené větrání na • celkové větrání • místní přívod vzduchu • místní odsávání. Celkové nucené větrání slouží, pokud možno, k rovnoměrnému provětrání pásma pobytu osob (pracovní oblasti), nebo jinak definovaného technologického prostoru. Celkové větrání se používá především tam, kde nevýrazné zdroje škodlivin (tepla) jsou v prostoru rovnoměrně rozmístěny. Na obr. 2.1 je schéma celkového větrání průmyslové haly zaplavováním (zdrojovým přívodem vzduchu); VP, VO (m3/s) je průtok přiváděného, odváděného vzduchu; tP, tO (°C) – teplota přiváděného, odváděného vzduchu; CP, CO (mg/m3) – koncentrace škodliviny v přiváděném, odváděném vzduchu; Q (W) – tepelná zátěž; M (mg/s) – tok produkovaných škodlivin. Místní přívod vzduchu slouží k lokální úpravě teploty nebo čistoty vzduchu; patří sem vzduchové clony, vzduchové sprchy a vzduchové oázy. Vzduchové clony se obvykle zřizují při otevřených komunikačních otvorech budov (dveřích, vratech) k omezení proudění chladného vzduchu v zimě do vnitřního prostoru. Pronikání chladného vzduchu je Obr. 2.1 Schéma celkového větrání převážně způsobeno přirozeným podtlakem, průmyslové haly který ve spodní části budov vzniká rozdílem teploty vzduchu uvnitř a vně budovy; rozdíl tlaku ve vratech může kladně i záporně ovlivnit proudění větru. Vzduchovou clonou se vyfukuje plochý proud teplého vzduchu proti proudu chladného vzduchu pronikajícího do budovy. Clony přispívají k zlepšení tepelného stavu prostředí v blízkosti komunikačních otvorů, vyžadují však energii pro ohřev vzduchu. Na obr. 2.2 a) je schéma oboustranné boční clony; tP, tE, tI (°C) – teplota vzduchu přiváděného clonou, venkovního vzduchu, vnitřního vzduchu. 21
Vzduchové sprchy - obr.2.2 b) - jsou určeny pro ochranu člověka v teplém (zpravidla průmyslovém) prostředí. Vzduchem proudícím kolem člověka se zvyšuje odvod tepla z povrchu těla konvekcí. V horkých provozech průmyslu vzduchové sprchy chrání člověka před účinky nadměrného sálavého tepla. Vzduchové oázy umožňují vytvořit kvalitnější ovzduší (čistotu a teplotu vzduchu) v relativně v méně kvalitním prostředí, zvláště průmyslových hal. Instalují se u trvalých pracovních míst a v místech odpočinku pracovníků. Přívod vzduchu se řeší výustěmi pro rovnoměrný přívod, pokud možno do bezprostřední blízkosti místa pobytu osob. V současné době, pro zvýšení efektivnosti větrání a zlepšení místního stavu ovzduší na trvalých pracovištích (u počítačů aj.), se zřizuje osobní přívod vzduchu např. podle obr. 2.2 c).
a) vzduchová clona oboustranná
b) vzduchová sprcha
c) osobní přívod vzduchu
Obr. 2.2 Místní přívod vzduchu Místní odsávání (odsávání) se zřizuje všude tam, kde na ohraničených místech se uvolňují výrazné látkové škodliviny, nebo nadměrné teplo (v pracovním i obytném prostředí, u strojů a technických zařízení). Odsávaný vzduch musí být nahrazován přiváděným venkovním vzduchem, který je nutno v zimě ohřívat. Odsávací zařízení jsou proto vždy doplňována zařízeními pro celkové větrání s průtokem přiváděného vzduchu, který je přibližně roven průtoku vzduchu odváděného. Zpravidla se však udržuje v takových prostorech podtlak, průtok odváděného, odpadního vzduchu VOd bývá o cca 5 až 10 % vyšší než průtok přiváděného venkovního vzduchu VE. Na obr. 2.3 je schéma ústředního odsávacího zařízení od strojů s větracím zařízením pro přívod venkovního vzduchu.
Obr. 2.3 Ústřední odsávací zařízení od strojů; E, Od – vzduch venkovní, odpadní; VJ - větrací jednotka, F- filtr, odlučovač
2.1.2 Přirozené větrání Přirozené větrání lze rozdělit na • celkové přirozené větrání • místní přirozené odsávání. Celkové přirozené větrání slouží především k trvalému větrání halových objektů (např. průmyslových hal) s výraznými vnitřními tepelnými zisky a označuje se jako větrání aerací. 22
Schéma průmyslové budovy větrané aerací je na obr. 2.4. V současné době, při uplatňování zásad snižování spotřeby energie, se přirozené větrání uplatňuje i pro vícepodlažní budovy pro pobyt osob (kap. 12).
Obr. 2.4 Větrání aerací; M (kg/s) – průtok vzduchu venkovního, odváděného, Q (W) – tepelná zátěž, SP, SO (m2) – průřez větracích otvorů přiváděcích, odváděcích, tE, tPo, tI, tO – teplota vzduchu venkovního, v pracovní oblasti, vnitřního, odváděného K celkovému přirozenému větrání patří i další dva systémy - infiltrace a provětrávání. Infiltrace je přirozené větrání netěsnými spárami oken, dveří. Přívod venkovního vzduchu infiltrací do místností je nejintenzivnější v zimě, kdy zvyšuje tepelné ztráty. Zdokonalené těsnění oken podstatně omezuje přirozené větrání infiltrací, často až pod hygienické požadavky na přívod čerstvého venkovního vzduchu. Těsná okna zvyšují rovněž bezpečnostní riziko při provozu plynových spotřebičů v bytech. Provětráváním se označuje občasné větrání otvíráním oken. Spodní částí otevřeného okna proudí do místnosti chladnější vzduch venkovní, horní částí okna se vzduch z místnosti odvádí. Místní přirozené odsávání – šachtové větrání slouží k přirozenému odvodu vzduchu od zdrojů tepla v průmyslu, ale také se používá pro větrání WC, koupelen v bytových domech. Funkce větrání (odvod vzduchu směrem vzhůru) závisí na teplotě vzduchu ve větrací šachtě. Pro správnou funkci musí být tato teplota vyšší než teplota venkovního vzduchu. To však nebývá splněno v obytných domech v letním období, kdy teplota vzduchu uvnitř domu může být nižší než teplota venkovního vzduchu. Kombinací systémů přirozeného a nuceného větrání vzniká hybridní větrání [2.5]. Jeho rozvoj je spojen se snahami zvýšit účinnost větrání obytných místností, kde přirozené větrání nevyhovuje z hlediska kvality i spolehlivosti provozu. Hybridní větrání lze realizovat několika způsoby: a) dva nezávislé, samostatné systémy přirozeného větrání a nuceného větrání, b) systémy přirozeného větrání s řízenou funkcí pomocného ventilátoru, c) systémy nuceného větrání využívající přirozených tlakových sil (účinkem rozdílných teplot, účinkem větru).
2.2 Klimatizační systémy 2.2.1 Obecné pojmy Klimatizace upravuje: • •
tepelný a vlhkostní stav ovzduší (při použití chladicích ploch obecněji tepelný stav prostředí) kvalitu (čistotu) a proudění vzduchu v budovách, dopravních prostředcích i technologických provozech; klimatizace komfortní (pro dodržení hygienických podmínek pro osoby) je vždy spojena s přívodem čerstvého venkovního vzduchu – s větráním.
23
Proměnnost okrajových podmínek (venkovního klimatu, vnitřních zátěží tepelných, vlhkostních) vyžaduje převážně automatické řízení procesů úpravy vzduchu v závislosti na změnách venkovních i vnitřních podmínek. Základní kategorie klimatizace: • Klimatizace komfortní - úprava ovzduší (prostředí) z hlediska hygienického (pro činnost lidského organismu). Patří se klimatizace obytných a pobytových prostorů (byty, shromažďovací prostory – divadla, kina, hotely, administrativní budovy, apod.). • Klimatizace technologická – úprava ovzduší (prostředí) z hledisek technologických (pro funkci výrobních/pracovních procesů, strojů, procesů biologických, mikrobiologických). Technologickou klimatizací lze upravovat ovzduší - v prostoru budov, v místnostech s přítomností osob (technologická prostorová klimatizace); jsou to např. čisté prostory pro elektroniku, farmacii, přesnou strojírenskou výrobu, apod. - uvnitř technologických linek, bez přítomnosti osob (technologická procesní klimatizace). Úplná klimatizace zahrnuje veškeré úpravy teploty, vlhkosti a čistoty celoročně na požadované parametry. Dílčí klimatizace slouží jen k částečné úpravě (pouze některých parametrů), např. je to úprava teploty chlazením v letním období. Klimatizační zařízení pro dílčí úpravu vzduchu mohou být kombinována i s vytápěcími zařízeními; např. komfortní klimatizace zajišťuje chlazení i větrání v létě a doplňuje vytápění v zimě větráním. Klimatizační systém je koncepční soubor funkčních prvků pro úpravu vzduchu (venkovního, čerstvého i vzduchu oběhového), distribuci tepla, chladu a vzduchu v objektu. Systémy zahrnují filtraci, směšování, ohřev, chlazení, vlhčení, odvlhčování a třídí se podle druhu tekutiny přenášející teplo a chlad v budově a podle počtu zón (místností), ve kterých klimatizační systém upravuje prostředí a v nichž dochází k individuálním změnám tepelné a vlhkostní zátěže. Konkrétní provedení určitého systému, případně jeho dílčí části je klimatizační zařízení (např. "Zařízení č.1 Klimatizace posluchárny", je konkrétním provedením vzduchového jednokanálového, jednozónového klimatizačního systému). 2.2.2 Třídění klimatizačních systémů Systémy jednozónové, vícezónové Jednozónové systémy slouží k úpravě vzduchu v jednom prostoru, resp. v několika prostorech, ale se stejným charakterem provozu a tepelné zátěže. Systémy jsou vybaveny jednou klimatizační jednotkou, která je řízena čidly z klimatizovaného prostoru (zóny). Typickým představitelem jednozónových systémů je vzduchový, jednokanálový systém s konstantním průtokem vzduchu používaný pro klimatizaci shromažďovacích prostorů (divadel, kin, koncertních sálů, sportovních hal, průmyslových hal). Na obr. 2.5 je příklad takového jednozónového systému pro klimatizaci posluchárny. Obr. 2.5 Jednozónový (vzduchový, jednokanálový) klimatizační systém; Sm - směšovací komora, F- Filtr , Oh - ohřívač, Ch – chladič, Zv – zvlhčovač, Ve - ventilátor; E, P, O, Ob, Od – vzduch venkovní, přiváděný, odváděný, oběhový, odpadní; Qza (W) – tepelná zátěž, Mw (kg/s) – produkce vlhkosti (vodní páry od osob)
24
Vícezónové systémy jsou určeny pro klimatizaci budov s větším počtem místností (administrativní budovy, hotely aj.). Teplo i chlad po budově se rozvádí vzduchem (vzduchovody), vodou (vodním potrubím), chladivem (chladivovým potrubím). Hlavní součásti tvoří: • ústřední klimatizační zařízení a rozvody vzduchu • ústřední zdroje chladu/tepla a vodní/chladivové rozvody • koncové prvky v místnostech vnitřní jednotky, vyústky. Na obr. 2.6 je jako příklad koncepční schéma vícezónového vodního systému s ventilátorovými konvektory.
a) b) Obr. 2.6 Vícezónový vodní klimatizační systém s ventilátorovými konvektory; a) celkové schéma, b) detail ventilátorového konvektoru – vnitřní jednotky; K- klimatizační jednotka, (P – přívod, O – odvod), ZT – zdroj tepla, ZCh – zdroj chladu; T1, T2 – potrubí pro přívod/odvod teplé vody, Ch1, Ch2 – potrubí pro přívod/odvod chladné vody; E – vzduchovod venkovního vzduchu, O – vzduchovod odváděného vzduchu; Ob – oběhový vzduch, Od- odpadní vzduch, P – přiváděný vzduch
25
Ústřední klimatizační zařízení (u velkých budov i několik samostatných zařízení pro dílčí úseky budovy) zajišťuje základní úpravu čerstvého venkovního (případně i oběhového) vzduchu (filtrací, ohřevem, chlazením, vlhčením) a jeho rozvod po budově. Ústřední zdroje chladu – kompresorová chladicí zařízení, absorpční chladicí zařízení, případně přirozené zdroje chladu připravují energii pro chladiče v klimatizačních zařízeních a vnitřních klimatizačních jednotkách. K přípravě energie pro ohřívače vzduchu slouží ústřední zdroje tepla – kotelny, výměníkové stanice. Podle koncepce klimatizačního systému se rozvádí energie pro chlazení a ohřev (vytápění) do jednotlivých místností vzduchovody, potrubními sítěmi pro chladnou a teplou vodu, případně sítěmi pro kapalné a plynné chladivo. Koncové prvky v místnostech - vnitřní jednotky - jsou napojené na ústřední zdroje vzduchu, chladu, tepla a slouží k dodatečné (zónové) úpravě vzduchu (chlazení, ohřev) podle individuálních teplotních požadavků a podmínek v místnostech (řízením podle teplotního čidla v zóně – místnosti). Vnitřní jednotky umožňují úpravu vzduchu podle požadavků uživatele místnosti i podle aktuální tepelné zátěže. U vzduchových vícezónových systémů se koncová úprava vzduchu provádí buď regulátory průtoku vzduchu (systém s proměnným průtokem vzduchu) nebo směšovacími skříněmi, boxy (systém dvoukanálový). Rozdílné vlastnosti vzduchových, vodních a chladivových systémů vyplývají ze schopnosti jednotlivých systémů přenášet tepelnou energii. Kritériem pro porovnání může být průřez vzduchovodu, vodního nebo chladivového potrubí pro přenos stejného množství tepelné energie po budově. Obecně platí, pro srovnatelné výkony: největší průřezy - vzduchové systémy, následují vodní systémy, nejmenší dimenze - chladivová potrubí. Vlastnosti vícezónových klimatizačních systémů jsou obsahem textu „Klimatizace a průmyslová vzduchotechnika“. Hlavní skupiny klimatizačních systémů Klimatizační systémy se třídí dvojím způsobem: • podle tekutiny přenášející tepelnou energii po budově – jsou to systémy: - vzduchové - vodní - kombinované - voda/vzduch - chladivové •
podle počtu zón (místností), ve kterých klimatizační systém upravuje prostředí a v nichž dochází k individuálním změnám tepelné a vlhkostní zátěže – jsou to systémy: - jednozónové - vícezónové.
Typické, hlavní skupiny a podskupiny jednotlivých klimatizačních systémů jsou: • vzduchové systémy jednozónové - jednokanálový systém s konstantním průtokem vzduchu • vzduchové systémy vícezónové - jednokanálový systém s proměnným průtokem vzduchu - dvoukanálový systém s konstantním průtokem vzduchu • vodní systémy vícezónové - systém s ventilátorovými konvektory - systém s chladicími/otopnými plochami (např. stropy) • kombinované systémy vzduch-voda vícezónové - indukční systém s indukčními jednotkami (parapetními, nebo podstropními – chladicími trámci) • chladivové systémy jedno i vícezónové 26
- jednozónový systém (split) s konstantním průtokem chladiva - vícezónový systém (multisplit) s konstantním průtokem chladiva - vícezónový systém (multisplit) s proměnným průtokem chladiva.
2.3 Literatura [2.1] [2.2] [2.3] [2.4] [2.5]
2008 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment. Atlanta: ASHRAE, Inc., 2008. ISBN 978-1-933742-34-2. SCHRAMEK, E.R. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München: Oldenbourg Industrieverlag, 2007. ISBN 10:3-8356-3104-7. SZÉKYOVÁ, M.; FERSTL, K.; NOVÝ, R. Větrání a klimatizace. 1.vyd. Bratislava: JAGA GROUP, s.r.o., 2006. ISBN 80-8076-037-3. CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3.vyd. Brno: BOLIT-B press, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8. CHARVÁT, P.; JÍCHA, M.; de GIDS, W.; MEESTER, A.; Op´t VELD, P. Hybridní větrací systém pro obytné budovy. Vytápění, větrání, instalace, 2005, roč. 14, č.3, s. 118-120. ISSN 1210-1389.
27
3 Tepelná zátěž a tepelné ztráty větraných a klimatizovaných prostorů Podkladem pro návrh větracích a klimatizačních zařízení jsou výpočty tepelných ztrát (pro teplovzdušné vytápění v zimě, resp. klimatizaci v zimě) a tepelných zisků (pro klimatizaci v létě). Návrh zařízení se zpravidla provádí pro extrémní venkovní klimatické podmínky, které mohou v dané oblasti nastat, tj. pro pokrytí extrémních tepelných toků - v zimě tepelných ztrát, v létě tepelné zátěže.
3.1 Výchozí podklady Pro výpočet tepelných zisků a ztrát je nutné znát především následující údaje: • parametry vnitřního prostředí • parametry venkovního prostředí • vnitřní zdroje tepla, vlhkosti • tepelně technické vlastnosti budovy • orientaci budovy vůči světovým stranám.
3.2 Výpočet tepelné zátěže Tepelná zátěž je podkladem pro stanovení chladicího výkonu klimatizačního zařízení pro letní provoz. Je nutné rozlišit dva pojmy • tepelná zátěž klimatizovaného prostoru • tepelná zátěž klimatizačního zařízení Tepelná zátěž klimatizovaného prostoru je citelný tepelný tok, který z klimatizovaného prostoru odvádí klimatizační systém. Zahrnuje pouze vnitřní citelné tepelné zisky (odst. 3.2.3) a venkovní tepelné zisky (odst. 3.2.2). Tato zátěž podmiňuje změny stavu vzduchu, které probíhají v klimatizovaném prostoru. Do tepelné zátěže klimatizovaného prostoru se nezahrnují citelné zisky tepla, které do klimatizačního zařízení pronikají mimo klimatizovaný prostor (externí toky), např. teplo prostupem stěnami vzduchovodů, teplo produkované ventilátory, teplo obsažené ve venkovním vzduchu (přiváděném do klimatizační jednotky) i teplo, které se uvolňuje při kondenzaci vodních par na chladičích klimatizačních jednotek. Tepelná zátěž klimatizačního zařízení představuje potřebný chladicí výkon klimatizačního zařízení (chladicí výkon dodávaný zdrojem chladu). Tato zátěž zahrnuje, kromě tepelné zátěže klimatizovaného prostoru, i výše vedené externí toky. V ČSN 73 0548 [3.5] (podle které se v ČR tepelná zátěž určuje) rozlišení tepelné zátěže prostoru a klimatizačního zařízení není. Tam uvedenou definici tepelné zátěže je třeba chápat jako tepelnou zátěž klimatizačního zařízení, tj. chladicí výkon klimatizačního zařízení. Pozn.: Terminologie rozlišuje další dva obecné pojmy: • tepelné zisky – tok tepla pronikající do klimatizovaného prostoru, nebo do klimatizačního zařízení • tepelná zátěž – tok tepla, který je odváděn klimatizačním zařízením; od tepelných zisků se liší tehdy, je-li část tepelných zisků v klimatizovaném prostoru odváděna jiným systémem než klimatizací (např. technologickým chladicím zařízením) - převážně však se tepelná zátěž klimatizovaného prostoru a tepelné zisky daného prostoru shodují.
28
3.2.1 Základní výpočty Výpočet teploty venkovního vzduchu
t E = t E max − A ⎡⎣1 − sin (15τ − 135 ) ⎤⎦ (°C)
(3.1)
kde A (K) je amplituda kolísání teplot venkovního vzduchu, τ (h) sluneční čas, tEmax (°C) maximální teplota v příslušném měsíci. Doporučované maximální teploty vzduchu jsou uvedeny v tabulce 3.1. Amplituda kolísání teplot v uvedených měsících se volí 7 K. Tab. 3.1 Doporučované maximální teploty vzduchu v jednotlivých měsících
Měsíc tEmax (°C)
Březen 19,0
Duben 22,0
Květen 26,5
Červen 28,5
Červenec 30,0
Srpen 30,0
Září 27,5
Říjen 23,5
Výpočet polohy slunce Sluneční deklinace δ Je zeměpisná šířka, kde je v daný den ve dvanáct hodin v poledne slunce kolmo nad obzorem.
δ = −23,5cos ( 30M )
(3.2)
kde M je číslo měsíce (1 – 12). Tab. 3.2 Sluneční deklinace δ v jednotlivých měsících (vždy k 21. dnu v měsíci)
Měsíc δ (° )
Březen 0,0
Duben 11,8
Květen 20,4
Červen 23,5
Červenec 20,4
Srpen 11,8
Září 0,0
Říjen -11,8
Výška slunce nad obzorem h Pro 50° severní šířky (ČR) se určuje dle vztahu (obr. 3.1a) sin h = 0, 766sin δ − 0, 643cos δ .cos (15τ )
(3.3)
kde τ (h) je sluneční čas. Sluneční azimut a Určuje se od směru sever po směru otáčení hodinových ručiček (obr. 3.1a)
sin a =
sin (15τ ) .cos δ cosh
(3.4)
Úhel mezi normálou osluněného povrchu a směrem paprsků θ cos θ = sin h.cos α + cos h.sin α .cos ( a − γ )
(3.5)
Pro svislou stěnu platí cos θ = cos h.cos ( a − γ )
(3.6)
a pro vodorovnou stěnu platí cos θ = sin h
(3.7)
29
kde α (° ) je úhel stěny s vodorovnou rovinou, vzatý na straně odvrácené od slunce (obr. 3.1b), γ (° ) - azimutový úhel normály stěny, vzatý od směru sever po směru otáčení hodinových ručiček (obr 3.1b). Tab. 3.3 Hodnoty azimutu stěny γ pro jednotlivé světové strany
Světová strana γ(°)
S 0
SV 45
V 90
JV 135
J 180
JZ 225
Z 270
SZ 315
Intenzita sluneční radiace V následujícím textu je ve shodě s platnou ČSN 73 0548 [3.5] používán termín „intenzita sluneční radiace“. V současné době terminologie z oboru solární tepelné techniky i odpovídající normy ČSN EN nahrazují termín „intenzita sluneční radiace“ termínem „sluneční ozáření“. Intenzitu sluneční radiace určuje poloha slunce k danému místu na zeměkouli. Sluneční radiace může být dvojího druhu: • přímá sluneční radiace – je působena přímým zářením slunce; je směrová • nepřímá (difúzní) sluneční radiace - vzniká rozptylem a odrazem přímé sluneční radiace od prachových částic ve vzduchu, od větších molekul a od osluněných povrchů; je všesměrová
a) Obr. 3.1 Pohyb slunce po obloze. Orientace stěny
b)
Sluneční konstanta I0 Intenzita sluneční radiace na hranici zemské atmosféry; průměrná hodnota činí 1350 W/m2. Intenzita přímé sluneční radiace Pro 300 m n.m. (průměr měst v ČR) je I D = I0 exp ⎡⎣ −0, 097 z (sin h) −0,8 ⎤⎦ (W/m2)
(3.8)
kde I0 = 1350 W/m2 je sluneční konstanta, z (-) - součinitel znečištění atmosféry. Intenzita přímé sluneční radiace dopadající na orientovanou plochu I DS = I0 exp ⎡⎣ −0, 097 z (sin h)−0,8 ⎤⎦ cos θ (W/m2)
30
(3.9)
Součinitel znečištění atmosféry z Součinitel, udávající kolikrát by musela být čistá atmosféra hmotnější, aby měla stejnou propustnost pro sluneční radiaci, jako atmosféra znečištěná.
z=
ln ( I D / I 0 )
(3.10)
ln ( I č / I 0 )
kde Ič (W/m2 K) intenzita sluneční radiace při průchodu čistou atmosférou. Tab. 3.4 Doporučované hodnoty znečištění atmosféry pro jednotlivé měsíce v roce
Měsíc z (-)
Březen 3,0
Duben 4,0
Květen 4,0
Červen 5,0
Červenec 5,0
Srpen 4,0
Září 4,0
Říjen 3,0
Intenzita difúzní sluneční radiace
α ⎤ sinh ⎡ I d = ⎢1350 − I D − (1080 − 1, 4 I D ) sin 2 ⎥ (W/m2) 2⎦ 3 ⎣
(3.11)
Intenzita celkové sluneční radiace
I C = I DS + I d (W/m2)
(3.12)
Intenzita sluneční radiace procházející standardním zasklením
I o = I DS TD + I d Td (W/m2)
(3.13)
kde TD (-) je celková poměrná propustnost přímé sluneční radiace etalonem (standardní čiré sklo), Td (-) – celková propustnost difúzní sluneční radiace etalonem. 1,0 0,9
Td 0,870
0,8
0,855
0,796
Propustnost T (-)
0,7 0,623
0,6 0,5
TD
0,4
0,388
0,3 0,2
Etalon
0,1
0,00
0,0 0
20
40
60
80
100
Úhel mezi normálou okna a slunečními paprsky θ (° )
Obr. 3.2 a) Sluneční radiace dopadající na orientovanou plochu; b) Závislost propustnosti sluneční radiace TD a Td na úhlu dopadu slunečních paprsků pro etalon
Celková poměrná propustnost přímé sluneční radiace TD závisí na úhlu dopadu slunečních paprsků θ a určí se dle vztahu 31
⎛ θ ⎞ TD = 0,87 − 1, 47 ⎜ ⎟ ⎝ 100 ⎠
5
(3.14)
zatímco celková propustnost difúzní sluneční radiace Td je na úhlu dopadu slunečních paprsků nezávislá, a je konstantní Td = 0,85
(3.15) 700
1000 900
600
Ic 800
2
Intenzita sluneční radiace I (W/m )
2
Intenzita sluneční radiace I (W/m )
orientace stěny: ZÁPAD, α = 90°, červen
orientace stěny: HOR, α = 0°, červen
I DS
700 600 500 400 300
Id
200
Io
500 400
I oD 300 200
I od
100
100 0
0 0
6
12
18
24
0
Čas (h)
6
12
18
24
Čas (h)
a) b) Obr. 3.3 Teoretické závislosti intenzity sluneční radiace a) dopadající na horizontální plochu b) procházející vertikálním standardním zasklením (orientace na západ, červen) 3.2.2 Výpočet tepelných zisků z venkovního prostředí Tepelné zisky okny Prostup tepla oknem
Qok = U o So (t E − t I ) (W)
(3.16)
kde Uo (W/m2 K) je součinitel prostupu tepla oknem, So (m2) - plocha okna včetně rámu, (tE - tI) (K) - rozdíl teplot vzduchu mezi venkovním a vnitřním prostředím. Prostup tepla oknem radiací
Qor = [ Sos I o co + ( So − Sos ) I od ]s (W)
(3.17)
kde Sos (m2) je osluněný povrch okna, Io(W/m2) - celková intenzita sluneční radiace procházející standardním jednoduchým zasklením, Iod (W/m2) - intenzita difusní sluneční radiace procházející standardním jednoduchým zasklením, s (-) - stínicí součinitel, co (-) korekce na čistotu atmosféry – pro venkovskou oblast se volí 1,15, pro průmyslovou 0,85. Stínicí součinitel Bezrozměrná veličina, určená poměrem tepelného toku sledovanou průhlednou nebo průsvitnou plochou a tepelného toku standardním oknem za stejných podmínek sluneční radiace. 32
s = s1.s2 . .... .sn
(3.18)
Tab. 3.5 Příklady stínicích součinitelů pro různá provedení oken a různé druhy stínění [3.5]
Zasklení Jednoduché sklo Dvojité sklo Jednoduché netermální sklo
s 1,00 0,90 0,70
Stínění Vnitřní žaluzie, lamely 45°, světlé Závěsy: bavlna, umělá vlákna Vnější žaluzie, lamely 45°, světlé
s 0,56 0,80 0,15
Osluněný povrch okna Celá plocha okna nemusí být v danou chvíli osluněná vlivem stínění stavebních prvků budovy. Osluněná plocha (obr. 3.4) se vypočítá jako Sos = [ L − (e1 − f )].[ H − (e2 − g )] (m2)
(3.19)
kde L (m) je šířka zasklené části okna, H (m) - výška zasklené části okna, f (m) - odstup vodorovné části okna od slunolamů, g (m) - odstup svislé části okna od slunolamů, e1, e2 (m) délky stínů v okenním otvoru od okraje slunolamů, c (m) - hloubka okna vzhledem k horní stínící desce, d (m) - hloubka okna. e1 = d tan(a − γ )
(m)
(3.20)
tan h cos(a − γ )
(m)
(3.21)
e2 = c
Obr. 3.4 Oslunění oken Snížení tepelných zisků od oslunění, akumulace tepla do stěn Část tepelných zisků od sluneční radiace prostupující okny, dopadá na vnitřní povrchy stěn v místnosti a do těchto stěn se akumuluje. Množství tepla naakumulovaného do stěn snižuje tepelné zisky od oslunění a vypočítá se jako
∆Q = 0, 05M .∆t
(W)
(3.22)
kde ∆Q (W) je snížení maximální hodnoty tepelných zisků od oslunění oken, M (kg) hmotnost obvodových stěn (bez vnější stěny), podlahy a stropu, které přicházejí do úvahy pro
33
akumulaci, ∆t (K) maximální připouštěné překročení požadované teploty v klimatizovaném prostoru. Jako hmotnost stěn pro akumulaci tepla se uvažuje hmotnost poloviční tloušťky vnitřních stěn, podlahy a stropu. V případě stěny o tloušťce větší než 160 mm se pro akumulaci uvažuje nejvýše tloušťka stěny 80 mm. Je-li na podlaze umístěn koberec, uvažuje se jen ¼ hmotnosti podlahy. Hodnota maximálních tepelných zisků radiací snížená o část, která se akumuluje do vnitřních stěn se následně porovná s průměrnými tepelnými zisky radiací v době provozu zařízení Qorm =
∑ Qori n
(3.23)
(W)
kde n (-) je počet hodin provozu. Na základě porovnání výsledků se určí hodnota uvažovaná pro další výpočty: Qor max − ∆Q 〈 Qorm
⇒
dále se počítá s Qorm
Qor max − ∆Q 〉 Qorm
⇒
dále se počítá s Qormax - ∆Q
Tepelné zisky stěnami U místností s prosklenými plochami má prostup tepla stěnou, z hlediska celkové tepelné zátěže malý, téměř zanedbatelný význam. Vliv se projevuje zejména u místností s lehkou fasádou, u rozlehlých objektů (průmyslové haly), u místností kde strop tvoří zároveň střechu atp. Stěny vystavené účinku slunečního záření vykazují na osluněné straně vysoké povrchové teploty. Pro tyto případy je tepelný tok stěnou
α E ( t E − tst ) + ε I = α E ( tr − tst ) tr = t E +
εI αE
(3.24)
(°C)
(3.25) kde I (W/m2) je intenzita sluneční radiace dopadající na stěnu, αE (W/m2 K) - součinitel přestupu tepla na vnější straně stěny, ε (-) součinitel poměrné tepelné pohltivosti pro sluneční radiaci (omítky, nátěry: světlá barva 0,5 až 0,6; tmavá barva 0,9), tr (°C) - rovnocenná sluneční teplota venkovního vzduchu; tst (°C) - teplota stěny.
Obr. 3.5 Bilance tepelných toků na venkovní stěně
Venkovní stěny se rozdělují podle schopnosti akumulovat teplo: Stěny lehké (d ≤ 80 mm) Tepelná kapacita lehkých stěn je malá, tzn. fázové posunutí teplotních kmitů je zanedbatelné. Prostup tepla stěnou je možné považovat za ustálený. Qs = U st S st (tr − t I ) (W)
(3.26)
34
Stěny středně těžké (80 ≤ d ≤ 450 mm) U středně těžkých stěn je třeba respektovat kolísání teplot v důsledku nestacionárního vedení tepla.
Qs = U st S st ⎡⎣ (trm − t I ) + m(trψ − trm ) ⎤⎦ (W)
(3.27)
Stěny těžké (d ≥ 450 mm) Těžké stěny mají vysokou tepelnou kapacitu, tzn. že kolísání teplot na vnitřním povrchu stěny lze zanedbat.
Qs = U st S st (trm − t I ) (W)
(3.28)
kde Ust (W/m2K) je součinitel prostupu tepla stěnou, Sst (m2) - plocha stěny, trm (°C) průměrná rovnocenná sluneční teplota vzduchu za 24 hodin, trψ (°C) – rovnocenná sluneční teplota v době o ψ dřívější, m (-) - součinitel zmenšení teplotního kolísání při prostupu tepla stěnou, ψ (-) - fázové posunutí teplotních kmitů.
ψ = 32d − 0,5 m=
(3.29)
1 + 7, 6d 2500d
(3.30)
kde d (m) je tloušťka stěny. 3.2.3 Výpočet tepelných zisků od vnitřních zdrojů tepla K vnitřním zdrojům tepla patří především tepelný tok vznikající od: • lidí • svítidel • strojů • elektronického vybavení, atp. Tepelné zisky od lidí Do tepelných zisků od lidí se zahrnuje pouze produkce citelného tepla, která závisí na intenzitě lidské činnosti, teplotě vzduchu a pohlaví. QL = 6, 2nL ( 36 − t I ) (W)
(3.31)
kde nL (-) je počet lidí. Vzorec (3.31) platí pouze pro výpočet produkce tepla u mužů konajících mírně aktivní práci. Jedna mírně aktivní osoba (sezení) při teplotě vzduchu 26 °C vyprodukuje 62 W citelného tepla a 116 g/h vodní páry. Pro ostatní druhy lidské činnosti je produkce tepla uvedena v normě [3.5]. Tepelné zisky od osvětlení QSV = qsv Sosv (W)
(3.32)
kde qsv (W/m2) je měrný tepelný tok od osvětlení, Sosv (m2) – osvětlená plocha. Produkce tepla od různých druhů osvětlení je uvedeno v normě [3.5]. Např. v kancelářích, kde má být intenzita osvětlení 500 luxů, je tepelný výkon od zářivek 25 až 35 W/m2.
35
Tepelné zisky od technologie Q = c1c2 c3 ∑ P (W)
(3.33)
kde P (W) je elektrický příkon, c1 (-) - součinitel současnosti, c2 (-) - zbytkový součinitel, c3 (-) - součinitel zatížení (využití) stroje. Koeficienty c1, c2, c3 jsou určeny pro každý typ stroje nebo zařízení samostatně. Součinitel současnosti c1 zohledňuje současnost provozu jednotlivých zařízení. Zbytkový součinitel c2 se používá v případě, že se část tepelného výkonu nedostává do prostoru, ale je odvedena přímo, například odsávacím zákrytem nebo vodním chlazením (tímto součinitelem je možné postihnout i odvod tepla materiálem nebo mechanickou prací). Součinitel zatížení (využití) stroje c3 respektuje skutečnou provozní spotřebu, která se může od štítkové maximální hodnoty výrazně lišit. Tepelné zisky od elektronického vybavení Údaje o produkci tepla od elektronického vybavení kanceláří lze najít např. v literatuře [3.1]. Jeden osobní počítač v provozu zatíží místnost přibližně 115 W tepelného výkonu. Jeden 19“ LCD monitor pak produkuje cca 50 W.
3.3 Tepelné ztráty Pro výpočet tepelných ztrát lze použít dvou výpočetních postupů, které vycházejí z následujících normativních dokumentů: • ČSN 06 0210 – Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění • ČSN EN 12831 – Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu. I když prvně jmenovaná norma byla již zrušena, lze na ní ukázat fyzikální podstatu výpočtu tepelných ztrát. Naproti tomu platná evropská norma používá při výpočtu celou řadu opravných součinitelů. Výkladu evropské normy bude věnována pozornost v předmětech zabývajících se vytápěním. Po tepelné stránce musejí budovy vyhovovat ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov. 3.3.1 Výpočet tepelných ztrát podle ČSN 060210 – Fyzikální podstata výpočtu Celková tepelná ztráta Na celkové tepelné ztrátě se podílí tepelná ztráta prostupem stěnami a tepelná ztráta větráním
Qc = Q p + Qv (W)
(3.34)
kde Qp (W) je tepelná ztráta prostupem, Qv (W) - tepelná ztráta větráním. Tepelná ztráta prostupem Tepelná ztráta prostupem se počítá jako součin základní tepelné ztráty prostupem a přirážkových činitelů. Q p = Q0 (1 + p1 + p2 + p3 ) (W)
(3.35)
kde Q0 (W) je základní tepelná ztráta, p1 (-) - přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn, p2 (-) - přirážka na urychlení zátopu, p3 (-) - přirážka na světovou stranu. Základní tepelná ztráta se určí jako součet tepelných toků prostupem jednotlivými stěnami, ohraničující místnost
36
Q0 = ∑ U j S j ( t I − t E ) (W)
(3.36)
kde tI (°C) je vnitřní výpočtová teplota, tE (°C) - venkovní oblastní výpočtová teplota (-12; -15; -18), U (W/m2 K) - součinitel prostupu tepla stavební konstrukcí, S (m2) - plocha stěny. Součinitel prostupu tepla složenou rovinnou stěnou se stanoví jako
U=
1
αI
1 d
+∑
+
1
(W/m2 K)
(3.37)
λ αE
kde d (m) je tloušťka vrstvy; λ (W/m K) - součinitel tepelné vodivosti, αI (W/m2 K) součinitel přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce, αE (W/m2 K) - součinitel přestupu tepla na venkovní straně konstrukce. Přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn p1 p1 = 0,15U c (-)
(3.38)
kde Uc je celkový součinitel prostupu tepla (W/m2 K). Uc =
Q0 ∑ Si ∆tmax
(W/m2)
(3.39)
Přirážka na urychlení zátopu p2 S přirážkou na urychlení zátopu se počítá jen tehdy, když ani při nejnižších teplotách venkovního vzduchu nelze zajistit nepřerušovaný provoz vytápění. Pokud je doba přerušovaného vytápění delší než 16 hodin denně počítá se s hodnotou p2 = 0,15, při době kratší je pak p2 = 0,3. Pokud se uvažuje nepřerušované vytápění je p2 = 0. Přirážka na světovou stranu p3 O velikosti tepelné ztráty rovněž rozhoduje orientace stěny na světovou stranu. Uvedenou skutečnost zohledňuje přirážka p3, jejíž hodnoty jsou uvedeny v tabulce 3.6. Tab. 3.6 Přirážka na světovou stranu p3
Světová strana Přirážka p3
J -0,05
JZ 0
Z 0
SZ 0,05
S 0,1
SV 0,05
V 0,05
JV 0
Tepelná ztráta větráním Tepelná ztráta větráním vzniká infiltrací chladného venkovního vzduchu do vytápěné místnosti a závisí na tlakových poměrech vyplývajících z ofukování budovy a na výšce budovy. Při přetlakovém větrání se s tepelnou ztrátou infiltrací nepočítá. Při nuceném podtlakovém větrání je tepelná ztráta větráním Qv = (VO − VP ) ρ ⋅ c ( t I − t E ) (W)
(3.40)
kde VO (m3/s) je průtok odváděného vzduchu, VP (m3/s) - průtok přiváděného vzduchu. Při větrání rovnotlakém, nebo u místností bez nuceného větrání je tepelná ztráta infiltrací vlivem větru:
37
Qv = 1300∑ ( i ⋅ L )M ( B + ∆B )( t I − t E ) (W)
(3.41)
kde i (m3/(s.m.Pa0,67)) je součinitel spárové provzdušnosti (údaj výrobce), L (m) délka okenní spáry, M (-) - charakteristické číslo místnosti, B (Pa0,67) - charakteristické číslo budovy, ∆B zohlednění výšky budovy.
3.4 Simulační energetické modelování Dynamické energetické programy (např. ESP-r) umožňují simulovat chování budovy z různých hledisek za proměnných (nestacionárních) okrajových podmínek (změn klimatických dat, vnitřních tepelných zisků, větrání atd.). Energetickými softwary lze sledovat veškeré energetické toky nejen v budově, ale i v systému. Výpočty zahrnují stínění, spektrální a úhlové zohlednění optických vlastností oken, proudění vzduchu v budově, dále lze např. hodnotit tepelný stav prostředí apod. 3.4.1 Energetický simulační software ESP-r Software ESP-r (Environmental Systems Performance; r - research) představuje dynamické simulační prostředí pro analýzu energetických a hmotnostních toků v budovách a zařízeních pro větrání, vytápění a klimatizaci. Software byl vyvinut v Energy System Research Unit na University of Starthclyde v Glasgow (Skotsko) a je trvale zdokonalován. ESP-r provádí výpočet metodou zónové energetické simulace.
Program ESP-r obsahuje mechanismy pro popis chování budovy v čase za proměnných podmínek a pro popis vzájemných vazeb částí budovy. Program pracuje s klimatickými databázemi pro konkrétní oblasti s tím, že je možné tvořit databáze vlastní. Výsledkem simulace jsou tepelné a energetické bilance, včetně množství doplňujících informací. Je možné zadávat vnitřní zisky – počet osob, osvětlení, stroje atd. Program ESP-r lze využít pro základní energetické výpočty (tepelné zátěže v létě, tepelné ztráty v zimě), ale rovněž pro výpočty vnitřních povrchových teplot stěn, analýzu tepelného komfortu aj. Univerzálnost a rozsah programu způsobují jeho určitou komplikovanost a „uživatelsky ne příliš přehledné“ prostředí. Je to dáno jeho vývojovou formou, která ale umožňuje snadné rozšiřování a přidávání dalších výpočetních modulů. Program pracuje v systému UNIX, ale již existují aplikace pro užití programu na běžném PC. 3.4.2 Metoda zónové energetické simulace Zónová metoda vychází z představy budovy jako souboru konečného počtu ohraničených makroskopických zón, vzájemně odlišných velikostí a vnitřními podmínkami. Každá ze zón se chová jako dokonale promíchávaná nádoba, takže její vnitřní prostředí je teplotně homogenní. Teploty vzduchu a stěn v zónách se mohou měnit s časem. Mezi jednotlivými zónami navzájem nebo mezi nimi a okolím je možná výměna energie (vedení, proudění a sálání tepla) a výměna hmoty (proudění vzduchu). Počítačová simulace zkoumaného objektu poskytuje předpověď tepelných zátěží, tepelných ztrát, parametrů vnitřního prostředí (včetně teploty povrchů stěn) a spotřeby energie pro jednotlivé zóny při zadaném průběhu venkovních klimatických podmínek, obvykle s hodinovým časovým krokem. V daném okamžiku platí uvnitř celé zóny jediná teplota vzduchu a každá stěna zóny má jedinou povrchovou teplotu (teploty stěn se mohou navzájem lišit). Z principu zónové metody vyplývá, že nelze vystihnout některé detaily, např. lokální proudění podél stěn, podrobné rozložení teplot vzduchu v prostoru, pro zimní období není možné detailně postihnout lokální extrémy teplot v okolí větracích otvorů, lokální vliv tepelných mostů apod.
38
Obr. 3.6 Geometrický model v programu ESP-r Volba klimatických parametrů Základem pro simulační energetické modelování jsou klimatická data pro danou oblast. Hlavní venkovní klimatické parametry pro tyto výpočty jsou: • teplota venkovního vzduchu tE (°C) • relativní vlhkost vzduchu ϕE (%) • intenzita sluneční radiace (přímá a difúzní) I (W/m2) • rychlost větru w (m/s) • směr větru. Venkovní klimatická data, používaná v simulačních výpočtech, mohou být buď reprezentativní za delší (deseti až dvacetileté) období - tzv. referenční rok, nebo lze pro simulaci použít konkrétní data některého roku, který se jeví z hlediska prováděných simulací jako charakteristický.
a) b) Obr. 3.7 Průběh teploty venkovního vzduchu a difúzní sluneční radiace a) pro extrémní rok 2003 b) referenční rok Praha (TRY) Referenční rok reprezentuje pouze charakteristické hodnoty klimatických dat, ale jsou v něm zahrnuty i dynamické změny, trendy a extrémní hodnoty. Použitá klimatická data obsahují
39
údaje o teplotě venkovního vzduchu, intenzitě sluneční radiace, rychlosti a směru větru a relativní vlhkosti vzduchu v hodinových intervalech v průběhu celého roku. Příkladem referenčního roku je referenční klimatický rok zpracovaný pro Prahu, který lze považovat v letním období za reprezentativní pro ČR (obrázek 3.7 b). Extrémní rok je období s dlouhodobým klimatickým extrémem. Příkladem takového roku je léto roku 2003 (obrázek 3.7 a). Výsledky simulačních výpočtů poskytují řadu informací - např. průběh teploty vnitřního vzduchu a operativní teploty ve větraných místnostech, změny těchto teplot v klimatizovaných místnostech při přerušení provozu klimatizace, tepelné zátěže jednotlivých místností (zón), změny chladicího výkonu klimatizačního zařízení v závislosti na změnách vnitřní i venkovní tepelné zátěže. Na obr. 3.8 je jako příklad uvede průběh chladicího výkonu klimatizačního zařízení v letních dnech pro dodržení konstantní teploty vnitřního vzduchu 25 °C. 250 Chladicí výkon (kW)
teplota vzduchu 25°C
200 150 100 50 0
5.7
12.7
19.7
26.7
2.8
Obr. 3.8 Příklad výsledků simulačních výpočtů
3.5 Literatura [3.1]
[3.2]
[3.3] [3.4] [3.5] [3.6] [3.7]
DUŠKA, M.; DRKAL, F.; LAIN, M. Tepelné zisky z vnitřních vybavení administrativních budov. In Klimatizace a větrání: sborník příspěvků konference, Praha 2004. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2004, s. 7-15. ISBN 80-0201598-3. DUŠKA, M.; LUKEŠ, J.; BARTÁK, M.; DRKAL, F.; HENSEN, J. Trend in Heat Gains from Office Equipment. In Indoor Climate of Buildings '07: sborník příspěvků konference, Bratislava 2007. Bratislava: Slovenská spoločnost pro techniku prostredia, 2007, p. 363-368. ISBN 978-80-89216-18-5. ZMRHAL, V.; DRKAL, F.; LAIN, M., MAREŠ, L. Stanovení vnitřní tepelné zátěže průmyslových hal. Vytápění, větrání, instalace, 2009, roč. 18, č. 2, s. 61-64. ISSN 1210-1389. CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3.vyd. Brno: BOLIT – B press, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8. ČSN 73 0548: 1985. Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostor. ČSN 06 0210: 1994. Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění. ČSN EN 12831: 2005. Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu.
40
4 Vlhký vzduch 4.1 Vlastnosti vlhkého vzduchu Termodynamická úprava vzduchu v klimatizačních/větracích zařízeních zahrnuje procesy směšování proudů vzduchu, ohřevu, chlazení, vlhčení, odvlhčování vzduchu, při kterých dochází ke změnám teploty a vlhkosti vzduchu. Hlavní veličiny, které určují vlastnosti vlhkého vzduchu jsou, za předpokladu přibližně konstantního barometrického tlaku p (Pa): teplota t (°C), relativní vlhkost φ (-), měrná vlhkost x (kg/kgs.v.), entalpie h (J/kgs.v.). K vyjádření vlhkosti vzduchu jsou dalšími určujícími veličinami parciální tlaky vodních par přehřátých pv (Pa) a sytých pvs (Pa) (tlak sytých par je závislý pouze na jejich teplotě). Pro termodynamické výpočty se definuje atmosférický vzduch jako směs suchého vzduchu a vodních par (přehřátých, případně sytých). Ve zvláštních případech obsahuje atmosférický vzduch i určité množství samostatně vyloučené vlhkosti ve formě vodních kapek (mlhy) nebo sněhu (ledu). Suchý vzduch lze popsat téměř přesně stavovou rovnicí pro ideální plyny, měrná plynová konstanta je ra = 287,1 J/kg K. Přehřáté vodní páry se chovají v atmosférickém vzduchu rovněž jako ideální plyn, měrná plynová konstanta rv = 461,5 J/kg K. Číselné hodnoty vybraných fyzikálních vlastností suchého vzduchu a vodních par jsou v příloze 4.1. Směs suchého vzduchu a vodních par se řídí Daltonovým zákonem: každá z obou složek se chová samostatně, nezávisle na druhé tak, jako by byla v daném prostoru sama. Tlak, který tomuto stavu odpovídá je parciální tlak suchého vzduchu pa, resp. parciální tlak vodních par pv. Výsledný tlak vlhkého vzduchu p je součtem parciálních tlaků obou složek p = pa + pv (4.1) Stavová rovnice - suchý vzduch paV = M a raT (4.2) - vodní páry pvV = M v rvT (4.3) 3 kde V (m ) je objem, který zaujímá směs obou složek, Ma, Mv (kg) - hmotnost složek, T (K) – termodynamická teplota. Hustota vlhkého vzduchu M M p p p − ϕ pvs ϕ pvs ρ = ρ a + ρv = a + v = a + v = + (kg/m3) (4.4) V V raT rvT raT rvT kde pv = φ pvs dle (4.8). Po dosazení konstant a úpravě (pro rozměrovou identitu platí: Pa = N/m2, N = kg m/s2, J = kg m2/s2) je
ρ=
p − 0,378 ⋅ ϕ p vs ra T
(kg/m3)
(4.5)
kde tlaky p, pvs jsou v (Pa), teplota T (K). Ze vztahu (4.5) je zřejmé, že hustota vlhkého vzduchu je vždy menší, než hustota suchého vzduchu (φ = 0), při stejném barometrickém tlaku p. 41
Příklad 1: Stanovte hustotu vzduchu o teplotě t = 5 °C, relativní vlhkosti a) φ = 0,7; b) φ = 0; barometrický tlak 100 kPa. Řešení: Parciální tlak sytých vodních par pro teplotu t = 5 °C je (dle přílohy 4.2) pvs = 0,8718 kPa. Hustota vlhkého vzduchu
ρ =
p − 0 , 378 ϕ p vs 100 000 − 0 , 378 ⋅ 0 , 7 ⋅ 871 , 8 3 = 1 , 250 kg/m = ra T 287 ,1 ⋅ 278
Hustota suchého vzduchu
ρ=
100 000 3 =1,253 kg/m 287,1⋅ 278
Relativní vlhkost vzduchu udává, do jaké míry je vzduch vodními parami nasycen. Je definována poměrem hmotnostní koncentrace vodních par ve vzduchu ρv k hmotnostní koncentraci sytých vodních par ρvs (při stejné teplotě t)
ϕ=
ρv p r T p = v ⋅ v = v ρ vs rv T p vs p vs
(-)
(4.6)
V praxi se používá převážně vyjádření φ z parciálních tlaků pv, pvs . Vzduch nenasycený vodními parami (vodní páry jsou ve stavu přehřátém) má φ < 1, vzduch nasycený vodními parami (vodní páry jsou v sytém stavu) má φ = 1. Tlak sytých vodních par pvs je závislý pouze na teplotě (příloha 4.2). Měrná vlhkost Při tepelných úpravách vlhkého vzduchu se nemění hmotnost suchého vzduchu, proměnná je hmotnost vodních par (při vlhčení, odvlhčování). Veličiny určující vlastnosti vlhkého vzduchu se proto vztahují na hmotnost 1 kg suchého vzduchu.
Měrná vlhkost vzduchu x je definována jako hmotnost (příp. vody nebo ledu) připadajících na 1 kg suchého vzduchu Mv Ma Ze stavových rovnic (4.2), (4.3) vyplývá x=
x=
pvV raT p ϕ pvs = 0,622 v = 0,622 rvT paV pa p − ϕ pvs
vodních
par
(kg)
(4.7)
(kg/kgs.v.)
(4.8)
Entalpie Entalpie vlhkého vzduchu (směsi 1 kg suchého vzduchu a x kg vodních par) je dána součtem entalpií obou složek h = ha + hv (4.9) Entalpie 1 kg suchého vzduchu ha = 1 ⋅ cat = 1010 t (J/kgs.v.) (4.10)
Entalpie x kg vodních par 42
hv = x (lv + cvt ) = x (2501 + 1,86 t ) .103 (J/kgs.v.)
(4.11)
kde ca, cv (J/kg K) je měrné teplo suchého vzduchu/vodních par. Entalpie se vztahuje k teplotě 0 °C, proto entalpie vodních par zahrnuje i výparné teplo lv (J/kg ). Entalpie vzduchu nenasyceného vodními parami (pv < pvs) h = [1,01t + x (2501 + 1,86 t )]10 3 (J/kgs.v.) (4.12) Pokud vzduch obsahuje vodní mlhu (nebo jinovatku, sníh, led) připočítá se k entalpii vzduchu nasyceného vodními parami hs entalpie vodních kapek h = hs + ( x − xs )cwt (4.13) nebo entalpie ledu h = hs + ( x − xs )(le + cet ) (4.14) kde cw (J/kg K) je měrné teplo vody, ce (J/kg K) je měrné teplo ledu, le (J/kg) skupenské teplo tání ledu (příloha 4.1). Příklad 2: Do klimatizačního zařízení se nasává atmosférický vzduch o objemovém průtoku V = 1,5 m3/s, teplotě t = 5 °C a relativní vlhkosti φ = 0,7; barometrický tlak p = 100 kPa. Stanovte měrnou vlhkost x a entalpii h. Dále určete hmotnostní průtok (vlhkého) vzduchu a hmotnostní podíly suchého vzduchu a vodních par ve směsi.
Řešení: Dle vztahů (4.8) a (4.12) je x = 3,8 g/kgs.v. a h = 14,6 kJ/kgs.v.
Hmotnostní průtok vlhkého vzduchu (hustota ρ byla stanovena v příkladu 1)
M = V ρ = 1,5 ⋅ 1,250 = 1,875 kg / s Hustota suchého vzduchu ve směsi, z rovnice (4.4) p 100 − 0,7 ⋅ 0,8718 ρa = a = ⋅ 10 3 = 1,245270 kg/m3 287,1 ⋅ 278 ra T Hmotnostní koncentrace vodních par obsažených ve směsi, z rovnice (4.4) p 0,7 ⋅ 0,8718 ⋅ 10 3 ρv = v = = 0,004777 kg/m3 rv T 461,5 ⋅ 278 Hmot. podíl suchého vzduchu ve směsi Ma = V ρa = 1,5 · 1,245270 = 1,867905 kg/s Hmot. podíl vodních par obsažených ve směsi Mv = V ρv = 1,5 · 0,004777 = 0,0071655 kg/s
4.2 Mollierův diagram vlhkého vzduchu h-x Tepelné a vlhkostní změny stavu vzduchu se znázorňují v diagramu h-x podle Molliera (1923) – schéma obr. 4.1. Již v roce 1911 publikoval Dr. Carrier psychrometrický diagram obdobného typu, který v původní podobě byl konstruován v souřadnicích t (teplota vzduchu) a tm teplota mokrého teploměru. V současné době v anglosaské literatuře se užívá psychrometrický diagram, který má kosoúhlé souřadnice h-x, jeho souřadné osy jsou však proti Mollierovu diagramu otočené (obr 4.2). Mollierův diagram obsahuje v kosoúhlé souřadné soustavě h-x (entalpie-měrná vlhkost, úhel souřadných os h a x je 135 °) přímky konstantních teplot t = konst. (izotermy) a křivky konstantních relativních vlhkostí φ = konst. Diagram se konstruuje pro konstantní celkový tlak vzduchu (barometrický tlak) p. V ČR jsou k dispozici diagramy pro p = 98 kPa (průměrný tlak vzduchu v městech ČR), ale také pro p = 100 kPa (příloha 4.3), rozdíl výsledků je mezích potřebné přesnosti výpočtů termodynamických úprav vlhkého vzduchu. Autorem prvních originálních verzí diagramu h-x pro ČR byl prof. Jaroslav Chyský. 43
Obr. 4.1 Schéma Mollierova h –x diagramu
Obr. 4.2 Schéma psychrometrického diagramu vlhkého vzduchu
Kromě čar h, x, t, φ se na spodní okraj diagramu vynáší parciální tlak vodních par pv; dále jsou po okraji diagramu vyneseny další dvě veličiny - směr δ (4.20) a faktor citelného tepla ϑ (4.21). Do kosoúhlých souřadných os h, x jsou zakresleny izotermy t = konst. podle rovnic (4.12) až (4.16). Konstrukci přímkových izoterem lze provést ze dvou bodů (pro dané t a dvě zvolená x se určí odpovídající h). V oblasti vzduchu nenasyceného vodními parami jsou izotermy t = konst. téměř rovnoběžné přímky, mírně se rozbíhající v závislosti na t, jak vyplývá z rovnice (4.12). Zde v lineární závislosti h = f(x) není směrnice přímky konstantní, ale mění se s teplotou vzduchu t. Směr izoterem se získá derivací vztahu (4.12)
δ = dh / dx = (2500 + 1,86 t ) ⋅ 10 3
4.15 Izotermy v oblasti vzduchu přesyceného vodními parami (v oblasti mlhy) jsou rovněž přímky; jejich směr lze určit z rovnice (4.13) pro t > 0
δ = dh / dx = cwt = 4,187 ⋅ 103 t
4.16
Směr izoterem v oblasti mlhy se téměř shoduje se směrem přímek h = konst. Pokud t < 0, pak izotermy v oblasti jinovatky se odchylují od izoterem pro t > 0; směr je (derivací (4.14))
δ = dh / dx = le + cet = (−333 + 2,09 t ) ⋅ 103
4.17
Křivky stálých relativních vlhkostí vzduchu φ = konst. se do diagramu zakreslí bod po bodu z následující rovnice (4.18), která se získá úpravou vztahu (4.8)
44
p x 4.18 pvs 0,622 + x Pro konstrukci je nutné, aby v diagramu h-x byly již vyneseny izotermy t = konst. a využije se závislosti pvs = f(t) (příloha 4.2).
ϕ=
Parciální tlak vodních par pv v závislosti na měrné vlhkosti x je (úpravou rovnice (4.18)) x pv = p 4.19 0,622 + x V diagramu h-x (příloha 4.3) pro p = 100 kPa jsou na ose x uvedeny i odpovídající hodnoty parciálního tlaku vodních par pv.
Při vyjadřování úprav vzduchu mají význam dvě další veličiny, které jsou zaneseny do diagramu h-x. Směr δ (kJ/g), definovaný vztahem δ = dh/dx (směrnice přímky v souřadnicích h, x). Směr δ umožňuje vyjádřit změnu stavu vlhkého vzduchu – z počátečního stavu 1 na konečný stav 2 h2 − h1 4.20 x 2 − x1 Směr δ se vynáší na okraj diagramu h-x a označuje se jako směrové (resp. okrajové) měřítko (obr. 4.1). V diagramu h-x (příloha 4.3) přímky určující směr δ vycházejí z bodu t = 20 °C, x = 5 g/kgs.v.
δ=
Faktor citelného tepla ϑ (-) vyjadřuje při procesu úpravy vzduchu poměr změny citelného tepla Qc k celkovému sdělenému teplu Q (citelnému Qc i vázanému Qv)
Qc Qc c ∆t = = a 4.21 Q Qc + Qv ∆h Při úpravách vzduchu v klimatizaci dochází ke změnám, kdy se mění současně tok citelného tepla Qc = M ca ∆t (vyjadřující změnu teploty vzduchu) i celkový tok tepla Q = M ∆h (zahrnující i teplo vázané ve vodní páře, jejíž množství se při dané úpravě mění ~ přírůstek, úbytek ∆x).
ϑ=
V diagramu h-x se faktor citelného tepla ϑ vynáší v jeho horní části (obr. 4.1). Výchozí bod v diagramu h-x (příloha 4.3) pro určení ϑ je stejný jako pro směr δ: t = 20 °C, x = 5 g/kgs.v.. Teplota rosného bodu Charakteristickou veličinou, používanou pro určení stavu vzduchu, je teplota rosného bodu tR. Rosným bodem R se označuje stav vlhkého vzduchu na křivce sytosti φ = 1, kterého se dosáhne „suchým“ ochlazením (při x = konst.) vzduchu o počátečním stavu 1 (obr. 4.3).
Teplotu rosného bodu tR lze (pro zadaný stav vzduchu (t1,φ1) určit výpočtem. V rosném bodě R na křivce φ = 1 jsou vodní páry v sytém stavu pvs. Tento tlak se určí ze vztahu (4.18) a z tabulky závislosti pvs = f (t) (příloha 4.2) se určí odpovídající teplota – teplota rosného bodu tR. Přímo lze odečíst teplotu rosného bodu tR z h-x diagramu (příloha 4.3). Teplota mokrého teploměru Teplota mokrého teploměru tM je teplota, které dosáhne v rovnovážném stavu teploměr s čidlem obaleným mokrou punčoškou (dostatečně chráněném proti přestupu tepla sáláním) při nuceném proudění vzduchu. Teplota tM se blíží fyzikálně definované teplotě mezního adiabatického ochlazení tad, což je teplota vodní lázně, při níž všechno teplo při izobarickém odpařování vody z hladiny je dodáno konvekcí ze vzduchu.
Teplota mokrého teploměru tM (pro zadaný stav vzduchu 1 (t1,φ1)) se určí (při praktických výpočtech v klimatizaci) jako průsečík M čáry vedené ve směru izoentalp (směr δ = 0) 45
s křivkou nasycení vzduchu φ = 1 (obr. 4.3). Přesný směr δ = cw tM = 4 186 tM se od izoentalp liší jen málo. Teplota mokrého teploměru se využívá při psychrometrickém měření relativní vlhkosti vzduchu. Měřením psychrometrem se stanoví teplota suchého teploměru (v obr.4.2 teplota vzduchu t1) a teplota mokrého (vlhčeného) teploměru tM . V průsečíku tM s křivkou φ = 1 (bod M) se vede přímka rovnoběžná s izoentalpami (h = konst.), průsečík s izotermou t1 určuje stav vzduchu 1 a odpovídající relativní vlhkost vzduchu φ1.
Obr. 4.3 Teplota rosného bodu tR a teplota mokrého teploměru tM
4.3 Literatura [4.1] [4.2]
CHYSKÝ, J. Vlhký vzduch. 2. vyd. Praha: SNTL, 1977. OLIVIERI, P.E; SINGH, T. Psychrometrics. Theory and Practice. Atlanta: ASHRAE, Inc., 1996. ISBN 1-883413-39-7.
46
5 Úpravy vzduchu Změny, které probíhají při úpravě vzduchu v klimatizačních/větracích zařízeních, a ke kterým dochází v klimatizovaných místnostech, jsou přibližně izobarické (celkový tlak vzduchu p se nemění). Výsledné procesy (směšování, ohřev, chlazení, vlhčení, odvlhčování) jsou určeny toky tepla a vlhkosti jednak v klimatizačním zařízení, jednak v klimatizovaném prostoru. Základní schéma klimatizačního zařízení s typickou klimatizační jednotkou na obr. 5.1, kde platí pro vzduch označení: E - venkovní, O - odváděný, Ob – oběhový, Od - odpadní, P – přiváděný, Sm – smíšený.
Obr. 5.1 Schéma klimatizační jednotky; Sm – směšovací komora, F – filtr, Oh – ohřívač, Ch – chladič, Zv – zvlhčovač, Ve – ventilátor, K - klapka
5.1 Směšování Dva proudy vlhkého vzduchu (stavy 1 a 2 - zpravidla venkovní a oběhový vzduch) se směšují v komoře Sm. Výsledný stav směsi je dán tepelnou a vlhkostní bilancí. Jsou-li hmotnostní průtoky suchého vzduchu obou proudů Ma1, Ma2 (kg/s) a stavy před směšováním h1, x1 a h2, x2 platí M a1h1 + M a 2 h2 = ( M a1 + M a 2 ) ⋅ h3
(5.1)
M a1 x1 + M a 2 x2 = ( M a1 + M a 2 ) ⋅ x3
(5.2)
Z rovnic (5.1) a (5.2) lze přímo určit hodnoty h3, x3, tj. výsledný stav směsi 3; celkový průtok suchého vzduchu je Ma3 = ( M a1 + M a 2 ) . Směr δ v diagramu h-x (obr. 5.2), úpravou rovnic (5.1) a (5.2), je h3 − h2 h1 − h3 (5.3) = x3 − x 2 x1 − x3 Vztah (5.3) ukazuje, že směr změny δ mezi body 2 a 3 i 1 a 3 je stejný – stav 3 leží tedy na úsečce, spojující oba výchozí stavy 1 a 2.
δ=
Z rovnice (5.2) je poměr M a1 x3 − x 2 (5.4) = M a 2 x1 − x3 Z (5.4) vyplývá, že výsledný stav směsi (bod 3) dělí vzdálenost (x2 – x1) a tedy i úsečku 21 na dvě části a to v nepřímém poměru hmotnostních průtoků suchého vzduchu obou proudů (obr. 5.2).
Pokud výsledný stav 3 se nachází pod čarou φ = 1 (v oblasti mlhy), vzniká směs vzduchu nasyceného vodními parami (stav 3sy) a vodních kapek (x3 – x3sy) (g/kgs.v.) o teplotě t3.
47
Obr. 5.2 Směšování dvou proudů vzduchu
Obr. 5.3 Ohřev vzduchu
5.2 Ohřev K ohřevu vzduchu dochází ve výměnících tepla, zpravidla ze žebrových nebo lamelových trubek. Teplonosnou látkou je voda, pára, kondenzující páry chladiva; specifickou formu mají ohřívače elektrické. Ve všech případech se jedná o povrchové ohřívače, jejichž teplota povrchu tOh je vyšší, než teplota vzduchu přiváděného do ohřívače t1. Při ohřevu nedochází ke změně obsahu vlhkosti ve vzduchu, proces probíhá při konstantní měrné vlhkosti x2 = x1 = konst., tj. ∆x = 0 → směr δ = ∞ (obr. 5.3). Entalpie vstupujícího vzduchu (o průtoku Ma (kg/s)) h1 se zvýší na hodnotu h2 . Tepelný tok předaný vzduchu ve výměníku Q = M a (h2 − h1 )
(5.5)
(W)
5.3 Chlazení Chlazení vzduchu probíhá v povrchových výměnících tepla, konstruovaných převážně z lamelových trubek. Teplonosnou látkou je chladná voda, nebo vypařující se chladivo. Rozlišují se dva základní případy podle toho, jaká je teplota povrchu chladiče tCh vzhledem k teplotě rosného bodu tR vzduchu přiváděného do chladiče: - tCh > tR , proces chlazení probíhá za stavu x2 = x1 , obdobně jako při ohřevu, obr. 5.4 a), - tCh < tR, při chlazení se snižuje měrná vlhkost ze stavu x1 na x2 → dochází ke kondenzaci vodních par na povrchu chladiče, obr. 5.4 b). 48
Obr. 5.4 Chlazení vzduchu; a) tCh > tR , bez kondenzace b) tCh < tR , s kondenzací vodních par
a)
b)
Proces chlazení při tCh < tR lze idealizovat jako směšování vzduchu přiváděného do chladiče (Ma (kg/s), stav 1) se vzduchem na povrchu chladiče, kde kondenzují vodní páry – tento vzduch je vodními parami nasycen (φ = 1) a má teplotu shodnou s teplotou povrchu chladiče tCh (stav Ch). Výsledný stav vzduchu na výstupu z chladiče 2 leží na úsečce spojující body 1 a Ch. Množství vody, zkondenzované na povrchu chladiče
M w = M a ( x 2 − x1 )
(5.6)
Tepelný tok sdílený ve výměníku (pro oba případy chlazení)
Q = M a (h2 − h1 )
(5.7)
U lamelových výměníků s úzkou mezerou mezi lamelami (< 3 mm) nedochází k dokonalému odvedení zkondenzované vody, a reálný proces chlazení může probíhat přibližně po křivce do konečného stavu 2re, obr. 5.4 b).
5.4 Vlhčení párou, rozstřikováním vody Parní zvlhčovače patří v současné době k nejčastěji používaným zvlhčovačům vzduchu v klimatizaci. Zaujaly místo dříve velmi rozšířených praček vzduchu, jejichž uplatnění omezilo riziko bakteriálního znečištění (viz odst. 5.5). K rozprašování vody se používají mechanické (diskové) rotační rozprašovače nebo pneumatické rozprašovače, někdy instalované přímo v místnostech. Proces vlhčení vzduchu (o průtoku Ma) ze stavu 1 na stav 2s v parních zvlhčovačích nebo v agregátech rozprašujících vodu 2w lze popsat obecně shodnými rovnicemi tepelné a vlhkostní bilance
M a h1 + M s , w hs , w = M a h2
(5.8)
M a x1 + M s , w = M a x2
(5.9)
V rovnicích (5.8) a (5.9) je M s , w (kg/s) je hmotnostní tok páry nebo vody přidávané vzduchu,
h s , w (J/kg) – entalpie páry nebo vody přidávané do vzduchu. Z rovnic (5.8), (5.9) je směr
δ=
h2 − h1 = hs , w x 2 − x1
(5.10) 49
Směr změny stavu vzduchu δ (obr. 5.5) určuje entalpie přidávané páry nebo vody.
Obr. 5.5 Přidávání páry nebo vody do vzduchu Entalpie přidávané páry je v obvyklých případech hs = 2500 · 103 až 3000· 103 J/kg. Průběh změny se příliš neodchyluje od izoterem t = konst. Přidáváním páry v oblasti vzduchu nenasyceného vodními parami teplota vzduchu jen nepatrně vzrůstá. Po překročení křivky φ = 1 dochází k prudkému vzrůstu teploty směsi vzduchu nasyceného vodními parami a kapiček mlhy. Při přidávání vody do vzduchu je třeba zajistit rozptýlení vody ve formě jemných kapek (rozprašováním) tak, aby došlo beze zbytku k jejich vypaření. Entalpie rozprašované vody vody hw = cw · t se může měnit v rozmezí 0 až 420 · 103 J/kg. Směr změny je přibližně rovnoběžný s izoentalpami h = konst. Rozprašováním vody, jak vyplývá z obr. 5.5, teplota vzduchu v oblasti vzduchu nenasyceného vodními parami rychle klesá; po překroční křivky φ = 1 teplota jen mírně vzrůstá. Konečný stav po vlhčení 2s, 2w v obou případech (vlhčení párou, rozstřikováním vody) může ležet buď v oblasti vzduchu nenasyceného vodními parami, nebo v oblasti mlhy. Z rovnice (5.9) vyplývá
x 2 = x1 +
M s,w
(5.10)
Ma
5.5 Vlhčení ve sprchových pračkách Pračka vzduchu je komora, ve které se tryskami rozstřikuje voda (Mw (kg/s)) do proudícího vzduchu (Ma (kg/s)) - obr.5.6. Kapky vody, které se neodpaří, jsou odlučovány na elminačních plochách E na výstupu, voda se shromažďuje ve spodní vaně. K oběhu vody slouží čerpadlo Č, odpařené množství vody (Mwo (kg/s)) je doplňováno z rozvodu vody. Do oběhu vody, před tryskový registr může být umístěn výměník tepla Vy (ohřívač, chladič). Úpravu vzduchu popisují rovnice tepelné a vlhkostní bilance:
M a h1 + M w c w (t w 2 − t w1 ) + M wo c w t wo = M a h2 + Q z
(5.11)
M a x1 + M wo = M a x2
(5.12)
kde 1 a 2 jsou stavy vzduchu vstupujícího do a vystupujícího z pračky, tw1, tw2 – teplota vody před a za výměníkem, two (°C) – teplota vody doplňované z rozvodu, Qz – tepelné ztráty pračky. 50
Směr změny δ mezi počátečním (1) a konečným (2) stavem vzduchu, z rovnic (5.11) a (5.12), za předpokladu zanedbatelné tepelné ztráty (Qz = 0)
δ=
h2 − h1 M w c w (t w 2 − t w1 ) = + c w t wo x 2 − x1 M wo
(5.13)
Obr. 5.6 Vlhčení vzduchu ve sprchových pračkách
Nejčastěji se v pračkách používá cirkulační voda tw1= tw2, bez ohřevu a chlazení – tepelný tok potřebný k vypaření vodních kapek do vzduchu se odbírá proudícímu vzduchu, který se ochlazuje. Z rovnice (5.13) pak vyplývá δ = cw tw = 4186 J/kg ≈ 0 → h ≈ konst. Změna stavu probíhá po přímce přibližně rovnoběžné s izoentalpami h = konst. (adiabatické vlhčení a chlazení). Stav vzduchu 2 je v ideální pračce na křivce φ = 1, prakticky se dosáhne stavu 2 podle účinnosti pračky udávané výrobci. Pokud je rozstřikovaná voda ohřívána, nebo chlazena, pak změna stavu vzduchu probíhá po přímkách, přibližně směřujících z bodu 1 do průsečíku teploty tW2 s křivkou φ = 1. Úprava vzduchu pak může zahrnovat procesy vlhčení s ohřevem vzduchu až po chlazení vzduchu s odvlhčováním - obr. 5.6: a – vlhčení, ohřev, b- adiabatické vlhčení, chlazení, c – vlhčení, chlazení, d – chlazení bez změny vlhkosti, e – odvlhčování, chlazení. Pozn.: Provoz praček vzduchu může představovat hygienické bakteriální riziko, pokud se nádrže praček nečistí a voda v nich dlouhodobě zůstává v klidu (viz odst. 1.4.3).
5.6 Odvlhčování K odvlhčování vzduchu ve větrání a klimatizaci se uplatňují dvě základní metody:
• •
chlazení vzduchu odvlhčování adsorpcí.
5.6.1 Odvlhčování chlazením vzduchu Odvlhčování vzduchu chlazením se uskutečňuje v chladičích o teplotě povrchu tCh nižší, než je teplota rosného bodu tR vzduchu přiváděného do chladiče (o stavu 1). Proces chlazení byl popsán v odst. 5.3. Teplota povrchu chladiče tCh i teplota vzduchu vystupujícího z chladiče t2 je dána požadovaným odvlhčením na měrnou vlhkost x2; při výrazných požadavcích na odvlhčení je teplota t2 nízká a za odvlhčením (stav 2) musí následovat ohřev na stav 3 (obr. 5.7). Energetické nároky jsou dány výkonem ventilátoru, potřebným výkonem chladiče (kompresorového chladicího zařízení) a ohřívače vzduchu. 51
5.6.2 Odvlhčování adsorpcí Prakticky se uplatňuje odvlhčování adsorpcí při technologii chlazení vzduchu DEC (Desiccative and Evaporative Cooling) – odvlhčování a následné adiabatické chlazení [5.4] s využitím upravených rotačních regeneračních výměníků pro zpětné získávání tepla (kap. 6, obr. 6.6). Teplosměnný povrch rotoru je zhotoven z tkaniny ze skleněných vláken, na kterou je nanesena vrstva silikagelu (adsorbentu). Na povrch adsorbentu (v sekci odvlhčovaní - sorpční) se vlhkost z odvlhčovaného vzduchu váže v kapalné formě, po otoční rotoru do sekce desorpční (regenerační) se vlhkost odpařuje do regeneračního vzduchu – obr. 5.7. Obr. 5.7 Změna stavu vzduchu při adsorpčním odvlhčování Venkovní odvlhčovaný vzduch vstupuje do sorpční sekce, kde na povrchu adsorbentu dochází ke kondenzaci vodních par; adsorbent (silikagel) váže odnímanou vlhkost v kapalné formě. Uvolňovaným kondenzačním teplem se odvlhčovaný vzduch zahřívá – změna je teoreticky izoentalpická, odchylka od izoentalpy je způsobena tepelným tokem, který do odvlhčovaného vzduchu přestupuje z povrchu rotoru, zahřátého v regenerační sekci (změna stavu vzduchu z E1 na E2). Po otočení rotoru do sekce regenerační se kapalná vlhkost vypařuje do regeneračního vzduchu (proces přidávání vody do vzduchu - odst. 5.4). Regenerační vzduch má na vstupu do regenerační sekce teplotu až 75 °C. Teplo potřebné k vypaření vlhkosti se odnímá regeneračnímu vzduchu, ten se ochlazuje a navlhčuje – proces je teoreticky izoentalpický. Odchylka od izoentalpy je způsobena vychlazováním regeneračního vzduchu přestupem tepla z vychlazeného rotoru v sekci sorpční (změna stavu vzduchu z R1 na R2). Odvlhčený vzduch o stavu E2 má relativně vysokou teplotu, pro uplatnění v procesu DEC i v jiných variantách se následně chladí. Vzduch regenerační se naopak musí ohřívat na stav R2. Systém DEC [5.3] umožňuje zpětným využitím citelného tepla a kombinací s adiabatickým vlhčením (na obr. 5.7 neznázorněno) řešit chlazení a odvlhčování vzduchu bez použití kompresorového chladicího zařízení.
5.7 Zpětné získávání tepla Zpětnému získávání tepla je věnována následující samostatná kapitola 6.
5.8 Změna stavu vzduchu ve ventilátoru, vzduchovodech a klimatizované místnosti Ventilátor v klimatizační jednotce (obr. 5.8 a), v proudu vzduchu o průtoku Ma (kg/s) je i elektromotor. Předaný citelný tepelný tok Q(W) je roven příkonu elektromotoru Pp (W). Ohřátí vzduchu Pp (5.19) t 2 − t1 = Ma c je znázorněno v h –x diagramu na obr. 5.8.
52
Vzduchovod, který prochází prostředím o teplotě tok, odlišné od teploty ve vzduchovodu tstř ≈ (t3 + t2)/2 (obr. 8.5 b). Tepelný zisk (resp. tepelná ztráta) prostupem stěnou vzduchovodu vzduch ohřeje (ochladí). Platí (pro ohřev)
Q = k S (t ok − t stř ) = M a c (t 3 − t 2 )
(5.20)
tj. ohřátí ve vzduchovodu (obr. 5.8) t3 − t 2 =
k S (t ok − t stř ) Ma c
(5.21)
Klimatizovaná místnost (obr. 5.8 c). Přiváděný vzduch o průtoku Ma (kg/s) se ohřeje citelnou tepelnou zátěží Qza (W) z teploty t3 na teplotu t4 (teplotu vnitřního vzduchu v místnosti) a navlhčí produkovanou vlhkostí (vodní pára produkovaná osobami) Ms (kg/s). t 4 − t3 =
Q za Ma c
x 4 − x3 =
Ms Ma
(5.22)
Výsledný proces je znázorněn na obr. 5.8 úsečkou mezi body 34; navlhčení párou znázorňuje úsečka 33a, ohřev vzduchu úsečka 3a4. Na obr.5.8 je znázorněn v diagramu h-x návazně ohřev vzduchu ve ventilátoru (změna 12), ohřev ve vzduchovodu (změna 23), a v klimatizované místnosti (změna 34). Literatura
a)
b)
c)
Obr. 5.8 Změna stavu vzduchu: a) ve ventilátoru, b) ve vzduchovodu, c) v klimatizované místnosti
5.9 Literatura [5.1] [5.2] [5.3] [5.4]
CHYSKÝ, J. Vlhký vzduch. 2.vyd. Praha: SNTL, 1977. CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3.vyd. Brno: BOLIT – B press, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8. SZÉKYOVÁ, M.; FERSTL, K.; NOVÝ, R. Větrání a klimatizace. 1. vyd. Bratislava: JAGA GROUP, s.r.o., 2006. ISBN 80-8076-037-3. PUTTA, L.; CHMELÍK, A. Chlazení vzduchu na principu DEC – ekologická alternativa. Vytápění, větrání, instalace, 1998, roč. 7, č.3, s. 136-138. 53
6 Zpětné získávání tepla ve větrání a klimatizaci Zpětné získávání tepla lze definovat jako opatření pro využití entalpie vzduchu opouštějícího budovu nebo proces [6.3]. To je jinými slovy využití energie obsažené ve vzduchu odváděném z budovy. Za ZZT by neměl být považován provoz s recyklací (cirkulací) vzduchu a v rámci vzduchotechnických zařízení se neuvažuje ani využití tepla v jiném než vzduchotechnickém procesu. Tím se následně pojem ZZT zúží na zařízení, které odebírá teplo ze vzduchu opouštějícího budovu a předává ho venkovnímu vzduchu do budovy přiváděnému. Většinou se jedná o zpětné získávání citelného tepla (změna teploty), ale některá zařízení umožňují i přenos vlhkosti, tj. zpětné získávání tepla vázaného. Pro zařízení ZZT přenášející jak citelné tak vázané teplo se někdy používá i název entalpické výměníky. V praxi se pro ZZT používá řada nesprávných nebo zjednodušených názvů jako jsou regenerátory rekuperátory, spořiče, apod. ZZT lze v základě dělit na systémy: • rekuperační, kde se teplo předává mezi přiváděným venkovním vzduchem a odváděným vzduchem přímo přes stěnu výměníku • regenerační, kde se teplo z odváděného vzduchu předá do akumulační hmoty a z ní se pak teplo uvolňuje do přiváděného venkovního vzduchu • s pomocnou tekutinou, kde se teplo z odváděného vzduchu předává do pomocné tekutiny a z ní pak do přiváděného venkovního vzduchu. Mezi rekuperační systémy patří především deskové a trubkové výměníky. Regenerační systémy jsou pak výměníky rotační, přepínací. S pomocnou tekutinou pracují výměníky s kapalinovým oběhem, trubice s přirozeným oběhem chladiva (tepelné trubice) a chladivové systémy s kompresorem (tepelná čerpadla).
6.1 Účinnost ZZT Vyjdeme-li z definice ZZT v předchozím odstavci, je pro jeho účinnost rozhodující množství tepla předaného do venkovního vzduchu. Při výpočtech ZZT se většinou používá teplotní faktor Φ, který je sice závislý na provozu zařízení, nicméně umožňuje snadný výpočet teploty vzduchu za výměníkem. t −t Φ = E 2 E 1 , pro výpočet teploty lze upravit do tvaru t E 2 = t E1 + Φ ⋅ (t I 1 − t E1 ) (6.1) t I 1 − t E1 kde tE1 je teplota přiváděného vzduchu před výměníkem, tE2 - teplota přiváděného vzduchu za výměníkem a tI1 - teplota odváděného vzduchu před výměníkem. Pro zařízení ze zpětným získáváním vlhkosti je definován vlhkostní faktor Ψ x − x E1 (6.2) Ψ = E2 x I 1 − x E1 kde xE1 je měrná vlhkost přiváděného vzduchu před výměníkem, xE2 - měrná vlhkost přiváděného vzduchu za výměníkem a xI1 - měrná vlhkost odváděného vzduchu před výměníkem.
54
Účinnost zařízení ZZT může být velmi výrazně ovlivněna dimenzováním a provozem. Jako u všech výměníků tepla je základním parametrem určujícím tepelný výkon teplosměnná plocha, tj. velikost výměníku vzhledem k průtoku vzduchu. Je-li pro malý průtok použito velkého výměníku, roste účinnost a klesají tlakové ztráty a naopak. Je pravda, že snižování průtoku způsobí i pokles rychlosti a tím i snížení součinitele přestupu tepla, ale ve většině případů je vliv větší teplosměnné plochy výraznější. Protože je teplotní faktor u ZZT definován pouze pomocí teplot, ovlivňuje účinnost ZZT i poměr průtoku přiváděného a odváděného vzduchu. Je-li množství odváděného vzduchu větší než množství vzduchu přiváděného teplotní Obr. 6.1 Schéma zpětného získávání tepla faktor roste. Dalším parametrem výrazně ovlivňujícím účinnost je kondenzace vlhkosti z odváděného vzduchu. V případě že má odváděný vzduch vyšší vlhkost (tj. i entalpii), roste jeho teplota rosného bodu a tím i riziko kondenzace vodních par ze vzduchu. Při kondenzaci se předává do přiváděného vzduchu i vázané výparné teplo z odváděného vzduchu a roste i součinitel přestupu tepla na stěně výměníku. Proto má kondenzace velmi výrazný vliv na zvýšení teplotního faktoru. Těchto skutečností někdy zneužívají někteří výrobci a prezentují v prospektech tzv. maximální účinnosti, kterých však může výměník ZZT dosáhnout pouze za krajně příznivých podmínek (vysoká vlhkost odváděného vzduchu, více odváděného než přiváděného vzduchu, malý průtok vzduchu výměníkem) a nikoli při běžném provozu.
6.2 Výměníky ZZT ve větracích a klimatizačních zařízeních Výměníky ZZT mohou být dodávány samostatně pro montáž do potrubí, nebo jako součásti klimatizačních, či větracích jednotek. Před výměníky ZZT na přiváděném venkovním vzduchu i na odváděném vzduchu je třeba umístit filtry pro zamezení zanášení výměníků. K výměníkům ZZT by měl být umožněn přístup a má se provádět jejich kontrola a případné čištění, obzvláště při provozu ve znečištěném prostředí. Výměníky ZZT mají nezanedbatelné tlakové ztráty, které je třeba zohlednit při dimenzování ventilátorů. Přiváděný venkovní vzduch je ve většině případů za ZZT nutné ještě dohřát ohřívačem, výjimkou mohou být malé jednotky s vysokou účinností a malým průtokem vzduchu (větrání bytů), kde zajistí dohřev otopná tělesa. Přijatelné teploty přiváděného vzduchu tE2 lze bez dohřevu dosáhnout i tam, kde má odváděný vzduch z prostoru vyšší teplotu tI1, například tam, kde je ohříván odpadním teplem vznikajícím v prostoru (sporáky a jiné). Při návrhu je třeba analyzovat i situace, kdy zdroje tepla nejsou v provozu, například při ranním zahájení práce.
6.3 Úprava vzduchu při zpětném získávání tepla Jak již bylo zmíněno v předešlé části, některá zařízení pro zpětné získávání tepla přenášejí do přiváděného venkovního vzduchu pouze citelné teplo a některá mohou předávat i vodní páru, tudíž teplo vázané.
55
Ohřev vzduchu zpětným získáváním tepla bez přenosu vlhkosti, je shodný jako pro ohřívače vzduchu. Měrná vlhkost vzduchu zůstává konstantní a roste teplota (změna z E1 do E2 dle obrázku 6.2 vpravo). Teplota které dosáhneme (tE2) je dána teplotním faktorem Φ a teplotou odváděného vzduchu tI1 dle rovnice 6.1. Odváděný vzduch je ve zpětném získávání tepla ochlazován. Podobně jako u běžného chladiče může být chlazení suché nebo mokré s kondenzací vodních par. Rozhodující je, zda povrchová teplota výměníku je nižší nežli teplota rosného bodu odváděného vzduchu. Na obrázku 6.2 vpravo je znázorněn proces s kondenzací vodních par v odváděném vzduchu, který je v zimních podmínkách většinou běžný. V ZZT se zpětným získáváním vlhkosti (obr. 6.2 vlevo) je přiváděný venkovní vzduch ohříván a zvlhčován, směr změny záleží na teplotním faktoru a vlhkostním faktoru, ze kterých se vypočítá teplotní rozdíl ∆tE a rozdíl vlhkostí ∆xE.
Obr. 6.2 Úpravy vzduchu při zpětném získávání tepla - s přenosem vlhkosti (vlevo) a bez přenosu vlhkosti (vpravo) Tepelný tok předaný ZZT bez přenosu vlhkosti se vyjádří z rovnice Q = VE ⋅ ρ E ⋅ c ⋅ (t E 2 − t E1 ) = V E ⋅ ρ E ⋅ (hE 2 − hE1 ) = VI ⋅ ρ I ⋅ (hI 1 − hI 2 )
(6.3)
Při přenosu vlhkosti lze vyjádřit i vlhkostní tok M w = V E ⋅ ρ E ⋅ ( x E 2 − x E1 ) = V I ⋅ ρ I ⋅ ( x I 1 − x I 2 )
(6.4)
6.4 Deskové rekuperační výměníky ZZT Deskové rekuperační výměníky jsou velmi rozšířené především v zařízeních s menším průtokem vzduchu, pro domácnosti a menší provozovny. Proud odváděného vzduchu prochází výměníkem a od proudu přiváděného venkovního vzduchu je oddělen tepelně vodivými profilovanými deskami. Tyto desky jsou teplosměnnou plochou výměníku.
56
6.4.1 Konstrukce a účinnosti Desky mohou být z různých materiálů (nerez, ocel, hliník, plasty) a bývají slepeny nebo jinak mechanicky spojeny, sletovány nebo svařeny, výjimečně i sešroubovány. Profil desek a šířka průduchů záleží na předpokládaném znečištění vzduchu. Nejčastější je provedení deskových výměníků s kolmým křížením proudů ve tvaru čtverce.
Obr. 6.3 Schéma deskového výměníku s křížovým proudem Teplotní faktor deskových výměníků s křížením proudů je 40 až 80 %, ale vyšších hodnot než 50 % se dosahuje pouze při kondenzaci par v odváděném vzduchu. Existují i provedení s částečně protiproudým vedením proudů vzduchu, které mají vyšší teplotní faktor, a to až 95 %.
Obr. 6.4 Schéma deskového výměníku s protiproudem Účinnost ZZT závisí především na velikosti teplosměnné plochy, tj. na velikosti výměníku. S rostoucí plochou výměníku však stoupá i jeho cena. Je-li řazeno více výměníků za sebou, účinnost zařízení také roste, nicméně součastně rostou výrazně i tlakové ztráty. Účinnost ZZT u deskových výměníků lze zvýšit i zvyšováním součinitele přestupu tepla na teplosměnných plochách výměníku, buď vyšší rychlostí proudění a nebo úpravami (zdrsněním) povrchů. Avšak i toto řešení většinou vede k vyšším tlakovým ztrátám. Při rozdílném statickém tlaku vzduchu přiváděného a odváděného může diferenční tlak způsobit pronikání vzduchu netěsnostmi anebo i poškození výměníku. Deskové výměníky nemají žádné mechanické pohyblivé části a vlastní výměník není možné přímo vypnout či regulovat. Vzhledem k tomu, že po určitou část roku není většinou vhodné provozovat ZZT (například v letním období, kdy je teplota venkovního vzduchu nižší, než požadovaná teplota v interiéru) vybavují se většinou deskové výměníky obtokem s uzavírací klapkou, který zajistí průtok přiváděného vzduchu mimo výměník. 57
6.4.2 Námraza Při provozu deskových výměníků v našich klimatických podmínkách dochází v zimním období velmi často ke kondenzaci vlhkosti z odváděného vzduchu. Kondenzát z výměníků je třeba odvádět přes zápachovou uzávěrku do kanalizace. Při teplotách pod bodem mrazu pak dochází k namrzání vlhkosti, námraza zabraňuje průchodu vzduchu výměníkem, zhoršuje přestup tepla a v extrémním případě může vést i k poškození výměníku. Odstranění námrazy je často řešeno krátkodobým uzavřením přívodu venkovního vzduchu a využitím tepla ze vzduchu odváděného k roztání námrazy. Další možností je cirkulační režim, kdy je teplý vzduch z místnosti přiveden do výměnku místo čerstvého vzduchu. Některá zařízení jsou v kritických částech vybavena el. ohřevem pro odtání námrazy. U větších zařízení s vysokým rizikem námrazy lze použít i předehřevu přiváděného vzduchu před ZZT nebo smíšení s teplejším vzduchem. Takováto opatření sice sníží účinnost ZZT, ale zabrání namrzání. Krajním řešením je odstavení výměníku a použití obtoku pro přívod vzduchu v zimních teplotních extrémech. Pak je však třeba dimenzovat výkon ohřívače pro provoz bez ZZT. 6.4.3 Provoz zařízení V deskovém výměníku jsou proudy přiváděného a odváděného vzduchu odděleny. Proto jsou z pohledu bezpečnosti tyto systémy použitelné i pro případy, kde je odváděný vzduch znečištěn pachy, choroboplodnými zárodky, vlákny, prachem, tukem či olejem, ale součastně nepatrný přenos znečištění do přiváděného vzduchu nevadí. V případě, že není přípustný žádný přenos škodlivin lze deskové výměníky použít pouze je-li vybaven pomocným detekčním zařízením, či je-li speciální konstrukce. Deskové výměníky se však v zásadě nehodí tam, kde není dovolen přenos škodlivin ani při poruše nebo defektu zařízení. Deskové výměníky nejsou vhodné pro příliš znečištěný vzduch vzhledem k jejich špatné čistitelnosti. 6.4.4 Přenos vlhkosti Deskové výměníky neumožňují přenos vlhkosti, a to vzhledem k tomu, že materiály desek jsou většinou pro vodní páry nepropustné. Speciálním případem deskového výměníku s přenosem vlhkosti jsou výměníky z nasákavých materiálů, dodávané některými výrobci klimatizačních jednotek.
Obr. 6.5 Větrací jednotka s deskovým výměníkem ZZT s přenosem vlhkosti
6.5 Trubkové rekuperační výměníky ZZT Trubkové výměníky ZZT jsou svým principem podobné deskovým výměníkům, ale teplosměnnou plochou je svazek trubek, kterými protéká vzduch (většinou odváděný) a z vnější strany je svazek obtékán přiváděným venkovním vzduchem. 6.5.1 Konstrukce a účinnosti Výhodou trubek je jejich vyšší pevnost, což umožňuje i použití méně běžných materiálů, jako je sklo či plasty. Dále mohou být trubkové výměníky použity pro znečištěný vzduch, neboť je
58
jejich čištění snazší. Naproti tomu nevýhodou je menší teplosměnná plocha a z toho plynoucí nižší účinnost. Teplotní faktor trubkových výměníků dosahuje hodnot pouze 30 až 50%. Ostatní posuzované aspekty jsou u trubkových výměníků podobné jako u výměníků deskových. V praxi nacházejí trubkové výměníky ZZT uplatnění hlavně v technologických provozech, kde je přes ně odváděn znečištěný vzduch či spaliny.
6.6 Rotační regenerační výměníky Regenerační výměníky s rotující akumulační hmotou nacházejí velmi široké uplatnění především u větších klimatizačních zařízení. Jejich hlavní výhodou je velmi vysoká účinnost ZZT, relativně malé rozměry a možnost přenosu nejen tepla citelného, ale i vlhkosti (tepla vázaného). Akumulační hmota regeneračního výměníku ve tvaru válce s drobnými kanálky rotuje mezi proudem přiváděného a odváděného vzduchu.
tE1
tE2
tI2
tI1
Obr. 6.6 Schéma a fotografie rotačního regeneračního výměníku 6.6.1 Konstrukce a účinnosti Rotující teplosměnná a akumulační hmota je upevněna v rámu a poháněna el. motorem. Akumulační rotor může být z různých materiálů. Často je z je hliníkového plechu, používají se i plasty či tvrzená papírovina. Pro přenos vlhkosti se povrch teplosměnné plochy upravuje nanesením hygroskopické vrstvy. Při průchodu z odváděného do přiváděného vzduchu prochází rotor tzv. čistící zónou. Zde jsou kanálky profukovány proudem čistého venkovního vzduchu, čímž se snižuje přenos nečistot z odváděného vzduchu. Pro správnou funkci pročištění a zamezení pronikání odváděného vzduchu netěsnostmi okolo rotoru, je třeba zajistit mírný přetlak přiváděného vzduchu oproti vzduchu odváděnému. Teplotní faktor rotačních výměníků bez hygroskopické hmoty dosahuje 60 až 80% vlhkostní faktor 10 až 20 %. U rotorů s hygroskopickou vrstvou vzrůstá vlhkostní faktor na 60 až 70%. Rotační výměníky je možné snadno regulovat změnou otáček, nebo zcela vypnout. Aby se zabránilo zanášení a nestejnoměrnému opotřebení rotoru, zajišťuje většinou regulace občasné otoční rotoru i v době, kdy je mimo provoz. 59
6.6.2 Provoz zařízení V rotačních výměnících nejsou proudy přiváděného a odváděného vzduchu bezpečně odděleny a existuje proto vysoké riziko přenosu škodlivin. Z toho důvodu nejsou rotační výměníky vhodné pro případy, kde je odváděný vzduch znečištěn pachy, zárodky, vlákny, prachem, tukem či olejem. Rotační výměníky lze použít i tehdy, je-li přípustný nízký přenos škodlivin. V takovém případě je třeba doplnit pomocné detekční zařízení či využít speciální konstrukce.
6.7 Přepínací výměníky Přepínací výměníky regenerační jsou konstruovány tak, že akumulační hmota zůstává ve stejné poloze a přepínají se proudy vzduchu. Přepínací výměníky mají dvě komory naplněné akumulační hmotou a soustavu klapek, která přepíná přiváděný a odváděný vzduch tak, aby procházel přes tyto komory střídavě. Výměníky dosahují vysokých účinností ZZT, ale jejich konstrukce je poměrně složitá a jejich rozměry jsou větší. Teplotní faktor přepínacích výměníků je 60 až 90%, vlhkostní faktor může být 50 až 70 %. U přepínacích výměníků nelze zabránit přenosu škodlivin z odváděného vzduchu do vzduchu přiváděného, proto je lze použít pouze v případě, že odváděný vzduch není znečištěn, nebo tam, kde je nízký přenos škodlivin přípustný.
6.8 Systémy s kapalinovým okruhem Systém ZZT s kapalinovým okruhem je tvořen jedním rekuperačním výměníkem vzduch-voda v odváděném vzduchu, a druhým ve venkovním vzduchu přiváděném. Oba výměníky jsou propojeny kapalinovým okruhem s oběhovým čerpadlem, expanzní nádobou a regulačními prvky. Vzhledem k tomu, že zařízení je určeno i pro nízké teploty vzduchu, je třeba jako oběhovou kapalinu použít nemrznoucí směs. Konstrukce výměníků musí odpovídat čistotě a charakteru vzduchu, ve kterém je umístěn. Většinou se používají běžné rekuperační výměníky s lamelami. Pro silně znečištěný vzduch se mohou použít i výměníky bez žeber, či výměníky z chemicky odolných materiálů. Obr. 6.7 Schéma ZZT s kapalinovým Obvykle se používají běžné víceřadé (dvě až čtyři okruhem řady) výměníky, počet řad výměníku zásadně ovlivňuje účinnost tohoto systému. Systémy s kapalinovým okruhem mají vysokou flexibilitu. U těchto systémů není třeba společné vedení přiváděného a odváděného vzduchu. Systémy lze také snadno doplnit o další zdroj tepla nebo jej i kombinovat s dalšími vzduchotechnickými či jinými kapalinovými systémy. Tyto systémy nacházejí v poslední době stále širší uplatnění především díky své flexibilitě. Teplotní faktor běžného systému s kapalinovým okruhem je 30 až 50%. Jsou-li použity speciální víceřadé (deset až dvacet řad) konstrukce výměníků s rozdělovačem a částečně protiproudým zapojením trubek, může být dosaženo teplotního faktoru 70 až 80 %. 60
Odvod kondenzátu je řešen stejně jako u běžných chladičů. Systémy ZZT s kapalinovým okruhem patří mezi nejbezpečnější systémy vzhledem k nulovému riziku přenosu škodlivin z odváděného vzduchu do vzduchu přiváděného. Lze je použít i pro provozy, kde nesmí dojít k přenosu ani při havárii zařízení. 6.8.1 Tepelné trubice Systém ZZT s přirozeným oběhem chladiva je ve své základní variantě tvořen uzavřenou trubicí (tzv. termosifon), jejíž jedna polovina (spodní) je v proudu odváděného vzduchu a druhá (horní) v proudu vzduchu přiváděného. Tepelná trubice je naplněna chladivem, ve spodní části dochází k varu a odpařování chladiva. Teplo potřebné k odpaření se odebírá z proudu odváděného vzduchu. Páry chladiva stoupají vzhůru, kde kondenzují v proudu studeného venkovního vzduchu, kterému předají kondenzační teplo a znovu stékají po stěnách zpět do spodní části. Použité chladivo a tlak v trubici musí odpovídat teplotám venkovního a odváděného vzduchu tak, aby docházelo k varu a kondenzaci. Základní vertikální konstrukce prošla dalším vývojem, a existují i kapilární tepelné trubice, které je možné umístit Obr. 6.8 Schéma tepelné trubice i vodorovně. Tepelné trubice mají většinou vnější povrch opatřen žebry, aby se zvýšil přenos tepla ze vzduchu do tepelné trubice a naopak. Tepelné trubice patří mezi bezpečné systémy ZZT, kde je riziko přenosu škodlivin z odváděného vzduchu nepatrné. Lze je použít i pro případy, kdy je odváděný vzduch znečištěn pachy, zárodky, vlákny, prachem, tukem či olejem a přenos znečištění není přípustný. V případě pomocného detekčního zařízení je lze na znečištěný vzduch použít i tam, kde není dovolen přenos škodlivin ani při poruše nebo defektu zařízení.
6.9 Ekonomie, uplatnění ZZT Při posuzování prosté návratnosti investice do ZZT je třeba vyhodnotit cenu roční úspory energie na ohřev, vlhčení a případně i chlazení vzduchu a snížit ji o cenu energie, kterou spotřebovalo vlastní zařízení ZZT. Takto upravená snížená úspora se potom porovná s investičními náklady. Pro vyhodnocování návratnosti existuje řada ekonomických nástrojů, které však nejsou předmětem této publikace. Roční úsporu energie na ohřev vzduchu lze, při předpokladu konstantní účinnosti a průtoků vzduchu, stanovit ze střední teploty venkovního vzduchu v době provozu zařízení a počtu hodin provozu Q = Vm ⋅ ρ ⋅ c ⋅ Φ m ⋅ (t I 1 − t E1m ) ⋅ τ (6.5) kde Q je roční úspora tepla na vytápění (J), Vm - průměrný průtok venkovního vzduchu ZZT za dobu provozu (m3/h), tE1m - průměrná teplota venkovního vzduchu za dobu provozu ZZT (°C), Φm - průměrný teplotní faktor ZZT za dobu provozu (-) a τ - roční doba provozu ZZT (h). Energie spotřebovaná zařízením ZZT je součtem spotřeby el. energie pohonu systému ZZT (čerpadla vodních okruhů, pohon rotačních výměníků) a navýšení spotřeby el. energie ventilátorů díky tlakovým ztrátám ZZT. Při přesném výpočtu lze zohlednit i to, že většina el. 61
energie dodaná do čerpadel a ventilátorů se ve formě tepla dostane do přiváděného vzduchu a je tudíž využita k jeho ohřevu. Zřízení ZZT by měla být v nynější době již nedílnou součástí všech větracích a klimatizačních zařízení. Existuje řada typů ZZT a lze proto najít zařízení vhodné i pro méně typické aplikace a režimy provozu. Vývoj zařízení ZZT stále probíhá, a tím se zlepšují jak jejich technické parametry, tak jejich aplikace a provozování. Při návrhu nového vzduchotechnického zařízení či rekonstrukci stávajícího, by se již nemělo rozhodovat zda ZZT či bez ZZT, ale spíš jaká konstrukce ZZT je pro danou aplikaci vhodná. Menší zařízení pro zpětné získávání tepla nacházejí široké uplatnění při větrání nízkoenergetických domů či bytů, kde výrazně snižují spotřebu energie pro větrání. Široké uplatnění nacházejí zařízení ZZT při výstavbě nových administrativních budov, kde se výrazně uplatní i přenos vlhkosti. Pro případy, kdy není možné přivést odváděný a přiváděný vzduch do jednoho místa jsou stále zlepšovány parametry zařízení s kapalinovým okruhem.
6.10 Literatura [6.1] [6.2] [6.3] [6.4]
CHYSKÝ, J.; HEMZAl, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3.vyd. Brno: BOLIT – B press, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8. HEMZAL, K. Přenosové jevy v technice prostředí. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2007. VDI 2071: 1997. Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen. Berlin: Beuth Verlag GmbH. www stránky výrobců ZZT: Atrea, Klingenburg, Rekuper Sychrov, Menerga.
62
7 Proudění vzduchu v prostoru Prouděním vzduchu v místnostech se zajišťuje požadovaný stav ovzduší v pásmu pobytu osob. Pro dané okrajové podmínky je proudové pole popsáno obrazy proudění (proudnicemi), rozložením vektorů rychlosti, rozložením teploty vzduchu a koncentrací příměsí (škodlivin). Výsledné prostorové proudění má zpravidla za cíl vytvořit rovnoměrné rychlostní, teplotní i koncentrační pole. Struktura výsledného proudění závisí na třech určujících faktorech: 1. primární proudy z přiváděcích výustí 2. zdroje tepla (chladu) 3. proudění do odváděcích výustí (otvorů). Rozhodující vliv mají první dva faktory – primární proudy z přiváděcích výustí a přirozené konvekční proudy u zdrojů tepla. U přiváděcích otvorů je rozhodující dosah proudů, který je výrazně větší než dosah proudů do odváděcích otvorů. Na obr. 7.1 je porovnán dosah přiváděcího proudu z kruhového otvoru (volný zatopený proud) a dosah proudu do odváděcího otvoru stejného rozměru. Objemový průtok vzduchu je v obou případech stejný. Přirozené konvekční proudy vznikají nad horkými povrchy (např. pece, sporáky), ale i nad méně teplými povrchy (elektronická zařízení, osoby, aj.). Zdroje chladu se vyskytují podstatně méně, příkladem může být proudění chladného vzduchu podél oken i prosklených obvodových stěn budov v zimě. Účinek proudů vznikajících odsáváním vzduchu odváděcími výustěmi a odsávacími zákryty místního odsávání se omezuje na nevelkou oblast v blízkosti odsávacího otvoru; dosah proudu u odsávacího otvoru (obr. 7.1) je podstatně menší než u otvoru přiváděcího. Výsledný obraz proudění v prostoru je málo ovlivňován odváděcími otvory.
Obr. 7.1 Průběh osové rychlosti wx před otvory pro přívod a odvod vzduchu
7.1 Rozptýlení vzduchu Základní principy rozptýlení vzduchu ve větraných/klimatizovaných místnostech jsou • mísení, obr. 7.2 • vytěsňování, obr. 7.3 • zaplavování, obr. 7.4. 7.1.1 Mísení Hlavní, nejčastější případy rozptýlení vzduchu směšovacím principem jsou: • přívod vzduchu stěnovou výustí, dýzou, štěrbinou (obr. 8.5) • přívod vzduchu stropním anemostatem žaluziovým nebo vířivým (obr. 8.5).
63
a)
b)
c)
d)
Obr. 7.2 Rozptýlení vzduchu mísením; a) stěnová výusť, b) parapetní indukční jednotka, c) anemostat žaluziový, d) anemostat vířivý
a)
b)
Obr. 7.3 Rozptýlení vzduchu vytěsňováním; a) stropní přívod, b) stěnový přívod
Obr. 7.4 Rozptýlení vzduchu zaplavováním, přívod velkoplošnou výustí
Směšováním primárního proudu se vzduchem v prostoru dochází k vyrovnání rychlostí, teplot i koncentrací v proudovém poli; vysoká intenzita směšování je výhodná např. v klimatizaci pro přívod chladného vzduchu stropním anemostaty, kdy umožňuje přivádět do prostoru relativně malé množství vzduchu o velkém pracovním rozdílu teplot ∆tP = tP – tI . Na obr. 7.5 je schematicky znázorněn typický obraz proudění pro přívod vzduchu stěnovou výustí směšovacím principem. Primární proud vzduchu ze stěnové výustě přisává indukcí vzduch z prostoru a uvádí do pohybu primární vír. Účinkem primárního proudu vzniká v omezeném prostoru sekundární proudění – sekundární víry (viz obr. 7.5 i obr. 7.8). Pro kvalitní ovzduší ve větraném prostoru je důležité, aby pásmo pobytu osob bylo provětráváno primárním proudem. Při výskytu příměsí (škodlivin) v prostoru budou koncentrace v primárním proudu nižší, než v proudu sekundárním. Pokud se vyskytují v prostoru zdroje tepla, pak jejich vliv na výsledné proudění, při použití směšovacího principu, je potlačen. Proudění ze stropních anemostatů vytváří obdobně, jako stěnová výustˇ, oblasti primárního proudění a sekundárního proudění (obr.7.8). Vysokou intenzitou směšování se vyznačují vířivé anemostaty. Obr. 7.5 Obraz proudění vzduchu ze stěnové vyústky – rozptýlení vzduchu mísením; a) primární vír, b) sekundární vír
64
7.1.2 Vytěsňování Vytěsňovací princip se uplatňuje u rovnoměrného přívodu vzduchu stropem nebo stěnou do větraného prostoru. Je to v prostorech s vysokými nároky na kvalitu (čistotu) ovzduší (tzv. čistých místnostech), operačních sálech, laboratořích, kabinách pro stříkání nátěrů aj. V těchto případech je požadavkem, aby pásmo pobytu osob (resp. pracovní oblast) bylo provětráváno rovnoměrně primárním vzduchem, bez vzniku sekundárních proudů. Případně uvolňované příměsi (škodliviny) jsou „pístovým účinkem“ primárního proudu bezprostředně odváděny mimo pracovní oblast. Příklad rozptýlení vzduchu vytěsňováním v čistém prostoru je na obr. 7.6. Výstupní plocha je zpravidla tvořena filtračním materiálem krytým děrovanými panely.
Obr. 7.6 Schéma proudění v čisté místnosti – rozptýlení vzduchu vytěsňováním 7.1.3 Zaplavování Rozptýlení vzduchu zaplavováním je specifický případ vytěsňovacího principu, uplatňovaný pro větrání a klimatizaci halových prostorů i kancelářských místností. Na rozdíl od principu popsaného v odst. 7.1.2 nevyužívá k vytvoření rovnoměrného proudění vzduchu (bez sekundárních vírů) v pásmu pobytu osob „pístového účinku“, ale neizotermičnosti přiváděného proudu. Vzduch se přivádí velkoplošnými výustěmi (obr.8.5) u podlahy (obr. 7.7) relativně malou rychlostí (0,3 až 0,5 m/s) o teplotě 3 až 5 K nižší, než je teplota vnitřního vzduchu v místnosti. Přiváděný chladný vzduch (gravitačním účinkem) se udržuje u podlahy a provětrává pásmo pobytu osob, v průmyslu i do značné vzdálenosti (5 až 10 m). Relativně malý pracovní rozdíl teplot (tI – tP) ≤ 5 K i malá výstupní rychlost vzduchu z výustí jsou podmíněny tím, aby nebyl narušen tepelný komfort osob v blízkosti výustí a rovněž aby se minimalizoval vznik sekundárních proudů. U zaplavovacího principu dochází k výrazné vertikální stratifikaci teploty vzduchu i koncentrace příměsí. Zdroje tepla (u podlahy) proudění chladného vzduchu výrazně ovlivňují. Schéma větrání průmyslové haly zaplavováním je v kap. 2 na obr. 2.1. Na obr. 7.7 je schéma zaplavovacího principu pro klimatizaci kancelářské místnosti.
Obr. 7.7 Schéma klimatizace kanceláře – rozptýlení vzduchu zaplavováním
65
w (m/s) 1,0
0,5
0,0
Přívod vzduchu stěnovou výustí, izotermní proudění, kontury rychlostí
Přívod vzduchu stěnovou výustí, izotermní proudění, vektory rychlostí
Přívod chladného vzduchu stěnovou výustí, kontury rychlostí
Přívod chladného vzduchu stěnovou výustí, vektory rychlostí
Přívod teplého vzduchu stěnovou výustí, kontury rychlostí
Přívod teplého vzduchu stěnovou výustí, vektory rychlostí
Přívod vzduchu dvěma vířivými anemostaty, kontury rychlostí
Přívod vzduchu dvěma vířivými anemostaty, vektory rychlostí
66
Přívod vzduchu parapetní jednotkou, kontury rychlostí
Přívod vzduchu parapetní jednotkou, vektory rychlostí
Obr. 7.8 Obrazy proudění typických případů přívodu vzduchu směšovacím principem
7.2
Obrazy proudění
Na obr. 7.8 jsou znázorněny typické příklady obrazů proudění ve větraných/klimatizovaných místnostech, získané simulací CFD. V levé části obrázku jsou zobrazeny kontury rychlosti proudění, v pravé části vektory rychlosti vzduchu.
7.3
Literatura
[7.1] SCHRAMEK, E.R. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München: Oldenbourg Industrieverlag, 2007. ISBN 10:3-8356-3104-7. [7.2] NOVÝ, R. a kol. Technika prostředí. Praha: Nakladatelství ČVUT, 2006. ISBN 80-01-03492-5.
67
8
Vyústky pro přívod a odvod vzduchu
Charakter proudů vzduchu vystupujících z přívodních výustí a proudů vzduchu nasávaných do odváděcích výustí je podstatně odlišný, což dokumentují obr. 8.1 a 8.2. V levé části obrázků jsou kontury rychlosti, v pravé části vektory rychlosti proudového pole.
w (m/s) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
Obr. 8.1 Proudění do odsávacího otvoru; kontury rychlosti, vektory rychlosti
Obr. 8.2 Proudění z přiváděcího otvoru – volný izotermní zatopený proud; kontury rychlosti, vektory rychlosti Proud přiváděný do prostoru má počáteční hybnost, kterou si zachovává, omezeným přisáváním okolního vzduchu na svém povrchu (u turbulentního proudu z kruhového otvoru je to kužel) se postupně zvětšuje v proudu hmotnostní průtok a klesá (relativně pomalu) jeho střední rychlost. U různých typů výustí lze výstupní rychlostní profil upravit, např. divergentními lopatkami ve výusti, nebo šikmo uspořádanými lopatkami u vířivých anemostatů. Výstupní proud se pak rozšiřuje podstatně rychleji, než u prostého volného otvoru a pokles rychlosti může být výrazně intenzivnější. Proudění do odsávacích otvorů je charakterizováno rovnoměrným podtlakem na ploše otvoru, do kterého se vzduch nasává z celého prostoru. Změna rychlosti vzduchu z teoreticky nulové hodnoty v prostoru na konečnou rychlost v otvoru probíhá podstatně rychleji než u přiváděcího otvoru. Proudnice vyplňují celý prostor před otvorem, na rozdíl od otvoru přiváděcího, kde jejich obraz je vymezen počátečním rychlostním profilem v otvoru. 68
8.1 Vyústky pro přívod vzduchu 8.1.1
Volný izotermní zatopený proud
Volný izotermní zatopený proud z kruhového otvoru je základem pro objasnění vlastností proudů z výstupních otvorů. Volný proud je turbulentní pro Re0 > 2000; Re0 = w0 d0/ν0 , kde w0 (m/s) je rychlost ve výstupním otvoru o průměru d0 (m), ν0 - (m2/s) kinematická viskozita vzduchu. Turbulentní proud se směrem od výstupního otvoru kuželovitě rozšiřuje(obr. 8.2, obr. 8.3). Částice vzduchu v proudu vykonávají příčný fluktuační pohyb a předávají hybnost částicím okolního vzduchu, které pak příčně pronikají do proudu a jsou jím unášeny. Hranice proudu, podle zobecněných výsledků experimentů tvoří dvě na sebe navazující části kuželových ploch (obr. 8.3). V oblasti x > xp tvoří hranici proudu kuželová plocha o
úhlu 2 ϑ ≈ 25 °. U ideálně vyrovnaného rychlostního profilu ve výusti je počátek kužele v rovině výstupního otvoru.
Obr. 8.3 Schéma volného izotermního proudu Část proudu, kde x < xp se nazývá krajní oblast, část proudu, kde x > xp je oblast hlavní. Délka krajní oblasti u ideálně vyrovnaného rychlostního profilu ve výusti je xp = 6,2 d0. Část proudu v krajní oblasti, v níž je rychlost rovna rychlosti ve výusti se nazývá jádro proudu. V hlavní oblasti lze příčný rychlostní profil vyjádřit Schlichtingovým vztahem 1, 5 w ⎡ ⎛ 2y ⎞ ⎤ = ⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥ wx ⎢⎣ ⎝ d ⎠ ⎥⎦
2
(-)
(8.1)
kde d (m) je průměr proudu ve vzdálenosti x (m). Pro průměr proudu platí
d = 2 x tgϑ Pro 2ϑ = 25 ° je tgϑ = 0,22. Rychlost proudu v hlavní oblasti na ose x se stanoví na základě na základě věty o změně hybnosti. Protože na proud v prostoru nepůsobí vnější síly a zanedbáme-li úbytek hybnosti způsobený překonáváním odporu výstupní mřížky, nebo usměrňovacích lišt, je hybnost v proudu H (ve vzdálenosti x ) rovna hybnosti ve výstupním průřezu H0.
Hybnost ve výstupním otvoru H 0 = M 0 wH 0 = V0 ρ 0 wH 0 = S 0 wS 0 ρ 0 wH 0 = S 0 ρ 0 w0
2
(kg m/s2)
(8.2)
kde, při vyrovnaném rychlostním profilu v otvoru, je střední rychlost podle hybnosti wH0 shodná se střední rychlostí podle průřezu wS0 = w0. Hybnost proudu v hlavní oblasti H = M wH = Vρ wH = S wS ρ wH
(kg m/s2)
69
(8.3)
kde wH (m/s) - střední rychlost proudu podle hybnosti je definována vztahem wH =
1 w 2 dS ∫ V S
(8.4)
Pro výpočet je třeba definovat i střední rychlost proudu podle průřezu 1 w dS (8.5) S ∫S Po dosazení za rychlost w ze vztahu (8.1) do výše uvedených rovnic (8.4) a (8.5) a při platnosti: V = w S a S = πd2/4 lze po integraci získat výsledek (8.6) wS = 0,258 wx (8.7) wH = β wS , kde β = 2,02 wS =
Z podmínky rovnosti hybnosti H = H0 S ⋅ 0,258 wx ρ ⋅ 2,02 ⋅ 0,258wx = S 0 w0 ρ 0 2
(8.8)
Pro izotermní proudění je ρ = ρ0. Průřez S, podle obr. 8.3 S=
πd 2 4
=
π 4
(2 x tgϑ )2
(8.9)
Úpravou rovnice (8.7) (tgϑ = 0,22) wx = w0
S0
π 4
=7
⋅ 2 ⋅ 0,258 ⋅ 2,02 xtgϑ
S0 x
=
6,2 x d0
(8.10)
Na obr.7.1 je zakreslen průběh osové rychlosti wx/w0 podél osy proudu x. Do vzdálenosti x = xp (v krajní oblasti) je osová rychlost konstantní, v oblasti hlavní rychlost klesá podle rovnice (8.10). Délku krajní oblasti xp lze stanovit z rovnice (8.10), kde bude platit wx = w0 (na počátku hlavní oblasti je wx = w0) x p = 7 S0 = 7
πd 0 2 4
(8.11)
= 6,2 d 0
Při praktických řešeních bývá úkolem stanovit dosah proudu xl (m), tj. vzdálenost, ve které se dosáhne požadované rychlosti na ose proudu wx. Pro popisované proudění je xl =
w0 ⋅ 7 S0 wx
(8.12)
V obvyklých případech se volí rychlost wx = 0,5 m/s, což odpovídá střední rychlosti podle průřezu wS = 0,258 wx = 0,13 m/s. 8.1.2 Neizotermní proudění Při přívodu teplého nebo chladného vzduchu do místnosti (teplota vzduchu ve výusti t0 se liší od teploty vzduchu v místnosti tI) působí na proud (na jeho setrvačnost) vztlaková síla, vznikající rozdílem hustot vzduchu v přiváděném proudu a v okolním vzduchu. Výsledný vliv na deformaci proudu je určen vzájemným poměrem sil vztlakových a setrvačných.
70
Archimedovo číslo Působení vztlakových a setrvačných sil vyjadřuje Ar = vztlakové síly/setrvačné síly; vztlakové síly = f(∆t0 /TI), setrvačné síly = f(w02), viz vztah (8.10). Určující parametry neizotermního proudu z kruhového otvoru jsou: průměr výstupního přiváděcího otvoru d0 (m), teplota vystupujícího vzduchu t0 (°C), teplota vzduchu v prostoru tI (°C), rozdíl teploty vystupujícího proudu a vzduchu v místnosti ∆t0 = (t0 - tI) (K), rychlost vzduchu v přiváděcím otvoru w0 (m/s).
Archimedovo číslo ve výstupním kruhovém otvoru je Ar0 =
g ∆t 0 d 0 TI w0
(8.13)
2
Pro rovinný plochý proud o šířce výstupní štěrbiny b0 (m) platí stejný vztah, kam za d0 se dosadí b0. Mírně neizotermní proudy (0 < Ar0 < 0,001) mají zanedbatelné zakřivení osy proudu vlivem vztlaku. U silně neizotermních proudů, při horizontálním výstupu teplého vzduchu, se proud odklání směrem vzhůru, u přívodu chladného vzduchu se proud odklání směrem dolů. U vertikálních proudů vztlakové síly svisle vystupující chladné proudy urychlují, teplé proudy naopak brzdí. Poměrné souřadnice osy kruhového proudu (průměr výstupního otvoru d0) x/d0, y/d0 a rovinného plochého proudu (šířka výstupní štěrbiny b0) x/b0 a y/b0 při neizotermním proudění popisují následující rovnice: Kruhový proud y x x ⎛ ⎞ = ⋅ tgα ± 0,33 ⋅ m ⋅ Ar0 ⎜ ⎟ d0 d0 ⎝ d ⋅ cos α ⎠
3
(8.14)
Plochý proud y x = ⋅ tgα ± 0,4 ⋅ m ⋅ Ar0 b0 b 0
⎞ ⎛ x ⎟⎟ ⎜⎜ b cos α ⋅ 0 ⎠ ⎝
2,5
(8.15)
V rovnicích (8.14) a (8.15) platí: α (°) – výstupní úhel proudu od horizontály (kladný nahoru, záporný dolu), m – směšovací číslo (m = 0,15 kruhové otvory, dýzy; 0,2 pravoúhlé volné otvory, štěrbiny; m = 0,25 výustě s přímými listy; 0,5 výustě s divergentními listy 90 °), Ar0 – Archimedovo číslo (kladné při přívodu teplého vzduchu, záporné při přívodu chladného vzduchu). Na obr. 8.4 jsou podle rovnice (8.15) schematicky zakresleny osy plochého proudu (šířka výstupní štěrbiny b0 = 10 mm, m = 0,2) při konstantní teplotě vzduchu v místnosti tI = 25 °C. Obr. 8.4 Osa plochého proudu pro několik variant okrajových podmínek, při konstantní teplotě vzduchu v místnosti tI = 25 °C: a) chlazení, ∆tP = - 8 K, α = 45 °: a1) rychlost ve štěrbině w0 = 5,5 m/s, a2) w0 = 2,8 m/s , a3) w0 = 1,4 m/s , b) ohřev, ∆tP = + 8 K, α = - 45 °: rychlost ve štěrbině w0 = 5,5 m/s
71
8.1.3 Příklady provedení výustí pro přívod vzduchu Na obr. 8.5 jsou uvedeny hlavní typy výustí pro přívod vzduchu, některé se používají jak pro přívod, tak pro odvod vzduchu.
Vyústka obdélníková, stěnová s jednou nebo dvěma řadami pevných nebo natáčivých listů pro přívod i odvod vzduchu
Tryska (dýza) pro přívod vzduchu, s velkým dosahem vyfukovaného proudu
Anemostat difuzorový s kompaktním proudem pro stropní přívod vzduchu
Anemostat vířivý s podstropním radiálním vířivým proudem, s tangenciální složkou výstupní rychlosti, s natáčivými listy
Anemostat vířivý s podstropním radiálním vířivým proudem, s tangenciální složkou výstupní rychlosti, s pevnými listy
Štěrbinová výusť s podstropním plochým proudem s nastavitelným směrem výstupu vzduchu (k horizontále)
Kruhová vyústka pro přívod i odvod vzduchu s nastavitelným středovým talířem
Velkoplošná výusť pro přívod vzduchu zaplavováním do pásma pobytu osob
Textilní výusť – horizontální textilní perforovaný vzduchovod pro rovnoměrný přívod vzduchu
Obr. 8.5 Hlavní typy vzduchotechnických výustí
8.2
Vyústky pro odvod vzduchu
8.2.1 Kruhový sací otvor Proudové pole u kruhového sacího otvoru je podkladem pro vyjádření charakteristik proudění u odsávacích výustí.
72
Základním případem sacího otvoru je prostorový propad, jehož model lze vytvořit tenkou trubicí, do které se nasává vzduch (proudové pole prakticky trubice neomezuje) – obr. 8.6. Rychlost proudění ve vzdálenosti r od propadu má hyperbolický průběh wr =
V 1 = konst. 2 2 r 4πr
(8.16)
Reálné odsávací otvory v základní formě charakterizují dva typické případy • proudění do kruhového potrubí reálného rozměru • proudění do otvoru ve stěně. První případ se vyskytuje u různých odsávacích nástavců, vysavačů, druhý případ představují odsávací vyústky ve stěnách větraných/klimatizovaných místností. Proudění do kruhového potrubí reálného rozměru (do Obr. 8.6 Schéma kruhového volného otvoru) je řešitelné numerickým výpočtem propadu prostorového proudového pole. Simulací CFD lze získat obrazy proudění i vektorové rozložení rychlosti proudění v prostoru před otvorem, příklad je na obr. 8.1. Obraz proudění se často vyjadřuje i podle experimentálních výsledků. Proudění do kruhového otvoru ve stěně. Teoretické řešení je možné pro kruhový otvor v neomezené stěně. Spojitým rozložením bodových propadů po ploše kruhu o průměru d0 (obr. 8.7) lze odvodit vztah pro průběh rychlosti vzduchu wx podél osy x x d0
wx = −1 (8.17) 2 w0 ⎛ x ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ + 0,25 ⎝ d0 ⎠ kde w0 je rychlost v otvoru; záporné hodnoty v (8.17) vyznačují smysl proudění opačný souřadnému systému.
a)
b)
Obr. 8.7 Schéma kruhového sacího otvoru ve stěně; a) model proudového pole, b) schéma otvoru
Obr. 8.8 Rychlost proudění podél osy kruhových sacích otvorů; 1 – otvor ve stěně, 2 – volný otvor
73
Výraz (8.17), graficky znázorněný na obr. 8.8, se velmi dobře shoduje s výsledky experimentů a platí i pro otvory v omezené stěně, např. pro otvory opatřené rozměrnou přírubou o minimálním vnějším průměru 2 d0. Na obr. 8.8 je znázorněn průběh osové rychlosti podél osy x před sacím otvorem ve stěně (1) a volným sacím otvorem (2). Oba průběhy ukazují na rychlý pokles rychlosti proudu před sacími otvory. Reálné výustě pro odvod vzduchu ve větracích a klimatizačních systémech mají vstupní plochu krytou různě provedenými mřížkami. Takové úpravy, např. vloženými lopatkami však neovlivňují charakter proudění před otvorem. Výrobci výustí pro odsávání ve svých podkladech proto proudové pole nepopisují. Pro odvod vzduchu ve větrání/klimatizaci se v praxi používají některé typy výustí pro přívod vzduchu (případně upravené).
8.3
Literatura
[8.1]
NOVÝ, R. a kol. Technika prostředí. Praha: Nakladatelství ČVUT, 2006. ISBN 80-01-03492-5. www stránky výrobců výustí: Trox, Schako, Příhoda, Mandík.
[8.2]
74
9 Proudění vzduchu potrubím 9.1 Vzduchovody Potrubní rozvody ve větrání a klimatizaci se nazývají vzduchovody. Slouží k přívodu vzduchu určeného pro větrání nebo ke klimatizaci a odvodu vzduchu znehodnoceného. Vzduchovody se vyrábějí o kruhovém nebo čtverhranném průřezu. Kruhové potrubí má při stejném průřezu menší obvod a spotřeba materiálu při výrobě je proto výrazně nižší. Kruhové potrubí se také méně zanáší prachem než potrubí čtyřhranné a je aerodynamicky výhodnější, zejména při vyšších rychlostech proudění vzduchu. Čtyřhranné potrubí se lépe přizpůsobí objektu, proto se pro rozvody vzduchu používá častěji. Vzduchovody se převážně vyrábějí z pozinkovaného plechu o tloušťce 0,5 – 3,0 mm, délka potrubí je omezena rozměrem tabule plechu, nejčastěji 2000 mm. Vzduchovody kruhového průřezu se také vyrábějí navíjením z pásu plechu (tzv. Spiro potrubí). Často se také používají ohebné hadice, které se vyznačují snadnou montáží. Průměry kruhového potrubí jsou normalizované (d = 80, 100, 125, 160, 180, 200, 250, 315, 355, 400, 500, 630 mm, atd.). Normalizované rozměry platí i pro čtyřhranné potrubí, nicméně v současné době výrobní technologie umožňuje projektantovi navrhnout potrubí o libovolných rozměrech. Tepelným ztrátám a kondenzaci vodních par obsažených v dopravovaném vzduchu se zabraňuje tepelnou izolací. Při nebezpečí kondenzace vodních par uvnitř potrubí se vodorovné potrubí spáduje a opatřuje se odvodňovacími kanálku nebo vypouštěcími kohouty. Životnost vzduchovodů z pozinkovaného plechu se předpokládá 20 až 25 let. Ke zvýšení odolnosti proti korozi se potrubí opatřuje ochrannými nátěry. V agresivním prostřebí se více uplatňují potrubí z plastických hmot. Vzduchovody tvoří potrubní síť, často velmi členitou. Na správném návrhu a provedení potrubní sítě závisí spolehlivá činnost celého zařízení. Pořizovací náklady na rozvětvené potrubní sítě klimatizace budov tvoří asi čtvrtinu celkové ceny zařízení a jsou proto jejich důležitou součástí.
a) b) Obr. 9.1 Vzduchovody, a) kruhového průřezu, tzv. Spiro potrubí, b) ohebná hadice a ohebná hadice s tepelnou izolací
75
9.2 Základní rovnice Vzduch je stlačitelná tekutina. Při rychlostech proudění do w = 150 m/s lze stlačitelnost zanedbat. V následujících výpočtech proto bude platit předpoklad, že vzduch je nestlačitelný. Mezi základní vlastnosti vzduchu patří jeho hustota ρ (kg/m3). Ta je závislá na teplotě, pro běžné výpočty však lze hustotu uvažovat jako konstantní ρ = 1,2 kg/m3. Na základě těchto zjednodušení lze předpokládat, že platí jednoduchá stavová rovnice pro suchý vzduch
p = ρ ⋅ r ⋅T
(9.1)
Dalšími vlastnostmi vzduchu je tlak p (Pa) a teplota t (°C). Důležitou vlastností vzduchu je i viskozita. Dynamická viskozita µ pro vzduch o teplotě 15 °C a tlaku 100 kPa je
µ = 1, 76 ⋅10−5 (Pa.s)
(9.2)
Ve výpočtech se běžněji používá kinematická viskozita ν, která je dána vztahem
ν=
µ (m2/s) ρ
(9.3)
9.2.1 Rovnice kontinuity Pro ustálené proudění platí, že hmotnostní průtok M se po celé délce potrubní sítě nemění. Podmínka kontinuity proudu je vyjádřena vztahem
M = S ⋅ w ⋅ ρ (kg/s)
(9.4)
9.2.2 Energetická rovnice Zákon zachování energie proudící tekutiny vyjadřuje energetická rovnice. Její úpravou lze odvodit zobecněnou Bernoulliovu rovnici, která má v tlakové formě tvar
p1 + h1 ⋅ ρ ⋅ g +
ρ
w12 = p2 + h2 ⋅ ρ ⋅ g +
ρ
w22 + ∆pz1,2
(9.5) 2 2 Rovnice vyjadřuje energii proudící tekutiny mezi úseky 1 a 2 v podobě součtů statického, polohového a dynamického tlaku. V úseku 2 je součet zmenšený o tlakové ztráty ∆pz1,2.
9.3 Charakter proudění vzduchu Proudění vzduchu v potrubí může být laminární, přechodové nebo turbuletní. Charakter proudění udává Reynoldsovo číslo Re =
wS d h
ν
(-)
(9.6)
kde wS (m/s) je střední rychlost proudění podle průtoku, ν (m2/s) - kinematická viskozita a dh (m) - hydraulický průměr. Pokud pro kruhový průřez je Re ≤ 2 300, proudění bude laminární; je-li 2 300 < Re < 3000, bude charakter proudění přechodový. Bude-li Re ≥ 3 000, pak proudění bude turbulentní. V běžných vzduchovodech v oblasti větrání a klimatizace je proudění vzduchu převážně turbulentní. Vlivem vazkosti vzduchu je rychlost na stěnách potrubí nulová. Laminární proudění v potrubí má rychlostní profil parabolického tvaru, u turbulentního proudění se vzdáleností od stěny rychlost zpočátku prudce stoupá, gradient rychlosti pak směrem ke středu potrubí klesá (obr. 9.2). Rychlostní profil turbulentního proudění lze vyjádřit mocninným zákonem dle vztahu (9.7), exponent n závisí na velikosti Re. 76
w wmax
⎛ = ⎜1 − ⎝
y⎞ r
n
⎟ ⎠
(9.7)
kde wmax (m/s) je maximální rychlost v ose potrubí, r (m) - poloměr potrubí a n ( - ) -exponent závislý na Reynoldsově čísle (tab. 9.1). Objemový průtok potrubím se stanoví ze vztahu
V = wS ⋅ S
(9.8)
kde wS (m/s) je střední rychlost podle průřezu a S (m2) – průřez. Střední rychlost podle průřezu je definována
wS =
1 w ⋅ dS π r 2 ∫S
(9.9)
a dosazením za rychlost w dle vztahu (9.7) lze potom rovnici upravit pro kruhový vzduchovod r
1 y wS = 2 ∫ wmax ⎛⎜ 1 − ⎞⎟ ⋅ 2π ydy πr 0 ⎝ r⎠ n
(9.10)
Pro Re ≈104 je poměr střední rychlosti podle průřezu wS a maximální rychlosti v ose proudu wmax
wS = 0,817 wmax
(9.11)
Tab. 9.1 Závislost exponentu n na Reynoldsově čísle Re
Obr. 9.2 Rychlostní profil laminárního a turbulentího proudění
n
4.103
1/6
2,3.104
1/7
2.105
1/8
9.105
1/9
2.106
1/10
9.4 Tlakové ztráty Při proudění vzduchu potrubím se vlivem vazkosti přemění část mechanické energie v teplo. Nebudeme-li uvažovat stlačitelnost vzduchu, projeví se úbytek mechanické energie úbytkem tlaku. Hovoříme o tlakových ztrátách. Podle vzniku ztráty se jedná o ztráty třením a ztráty místní. Třecí ztráta vzniká po celé déle potrubí, místní ztráty vznikají tam, kde je proud vzduchu narušen.
77
9.4.1 Tlakové ztráty třením Pro překonání odporu přímého potrubí o průřezu S, obvodu O (konstantní po délce l), dojde k úbytku tlaku. Velikost tohoto úbytku závisí na délce potrubí l, hydraulickém průměru dh, rychlosti dopravovaného vzduchu w a součiniteli třecích ztrát λ. Tlaková ztráta třením se určí ze vztahu
∆pλ = λ
l l ρ 2 pd = λ w dh dh 2
(9.12)
kde λ ( - ) je součinitel třecích ztrát, dh (m) je hydraulický průměr a pd (Pa) je dynamický tlak. Při laminárním režimu nemá drsnost stěn na proudění vliv. Součinitel třecích ztrát λ je závislý pouze na Reynoldsově čísle a lze ho určit podle vztahu (9.13).
64 (9.13) Re V přechodové (kritické) oblasti může být proudění turbulentní i laminární. V oblasti turbulentního proudění bude pro nižší Re součinitel třecích ztrát závislý nejen na Reynoldsově čísle, ale i na drsnosti stěn potrubí, na obr. 9.3, oblast nalevo od čárkované křivky. Závislost může být vyjádřena například vztahem podle Coolebroka
λ=
⎛ 2,51 ε ⎞ = −2 log ⎜ + ⎟ λ ⎝ Re λ 3, 7 ⎠
1
(9.14)
Výše uvedený vztah je však řešitelný pouze iterační metodou. Pro přímý výpočet lze použít vztah
λ=
1,318 ⎡ ⎛ ε 5,74 ⎞⎤ + 0,9 ⎟⎥ ⎢ln⎜ ⎣ ⎝ 3,7 ⋅ d Re ⎠⎦
2
(9.15)
kde ε (-) je relativní (poměrná) drsnost. Ta je definována podílem ekvivalentní drsnosti k (m) a hydraulického průměru potrubí dh (m). V tab. 9.2 jsou uvedeny ekvivalentní drsnosti běžně používaných materiálů pro vzduchovody. Tab. 9.2 Ekvivalentní drsnosti běžných materiálů
Provedení vzduchovodu
k (mm)
Pozinkovaný plech
0,15
Ocelové trubky
0,045
Betonový kanál, hladký povrch
0,5
Betonový kanál, hrubý povrch
1,0 – 3,0
Potrubí z PVC
0,007
Ohebné hadice
0,6 – 3,0
Na obr. 9.3, v oblasti napravo od čárkované křivky je součinitel tlakové ztráty závislý pouze na relativní drsnosti ε. Tuto závislost lze vyjádřit vztahem
78
2
⎛ ⎞ 1 (9.16) λ =⎜ ⎟ ⎝ 1,138 − 2 log ε ⎠ Na obr 9.3 je vidět závislost součinitele třecích ztrát na Reynoldsově čísla a relativní drsnosti ε při proudění potrubím kruhového průřezu. Pro výpočet ztráty třením ve vzduchovodu o nekruhovém průřezu lze použít výše uvedené vztahy, hydraulický průměr v Reynoldsově čísle je však třeba určit dle vztahu 4S O kde S (m2) je průřez vzduchovodu a O (m) - obvod vzduchovodu. Pro obdélníkový vzduchovod potom platí dh =
dh =
4S 4ab 2ab = = O 2(a + b) a + b
(9.17)
(9.18)
Měřením bylo zjištěno, že součinitel tlakové ztráty třením λ je pro čtyřhranné potrubí třeba ještě korigovat korekčním součinitelem C
λ = Cλo
(9.19)
Korekce C závisí na Re. Pro turbulentní proudění a pro poměr stran potrubí b/a ≤ 1 však lze použít závislost C = 1,1 − 0,1 b/a
(9.20)
Obr. 9.3 Závislost součinitele tření λ na Re a relativní drsnosti ε při proudění potrubím kruhového průřezu
79
Na obrázku 9.4 je vidět typický nomogram pro určení tlakové ztráty třením na jeden metr potrubí. Pro zvolený průtok (na vodorovné ose) a průměr potrubí lze odečíst nejen tlakovou ztrátu třením na jeden metr potrubí, ale také rychlost vzduchu v potrubí. Nomogram na obrázku je platný pro hladké potrubí (ekvivalentní drsnost k = 0 mm). Někteří výrobci uvádějí tlakovou ztrátu potrubí pro konkrétní výrobek. Na obrázku (9.5) je vidět příklad diagramu pro určení tlakové ztráty třením na 1 metr délky ohebných hadic. Pro objemový průtok vzduchu V (svislá osa) a zvolený průměr hadice, lze přímo odečíst rychlost vzduchu w a tlakovou ztrátu. 9.4.2 Tlakové ztráty místní Místní tlakové ztráty vznikají Obr. 9.4 Nomogram pro určení tlakové ztráty třením na při každém narušení proudu jeden metr potrubí vzduchu. Může se jednat například o oblouk, zúžení, rozdělení či spojení proudů vzduchu v potrubní síti. Místní tlakové ztráty se počítají podle vztahu: ∆pξ = ζ pd = ζ
ρ 2
w2
(9.21)
kde ζ ( - ) je součinitel místní ztráty. Pro hodnoty Re > 104 ÷ 105 je součinitel místní ztráty ζ konstantní a tedy nezávislý na Re. V oblasti laminárního proudění je ζ = f (Re), s klesajícím Reynoldsovým číslem ζ roste. Součinitel místní ztráty ζ je dán většinou experimentálně. Výsledky analytických řešení se od naměřených hodnot totiž značně liší; jediné analytické řešení, které odpovídá experimentům, platí pro náhlé rozšíření proudu podle Bordova vztahu Obr. 9.5 Diagram tlakových ztrát třením na 1 metr délky ohebné hadice
80
∆pξ =
ρ
( w1 − w2 ) 2 (9.22) 2 Součinitel místní ztráty závisí na charakteru změny proudu vzduchu. V tab. 9.3 jsou vidět hodnoty součinitelů místních ztrát pro vybrané tvarovky. Tab. 9.3 Součinitele tlakových ztrát ζ vybraných tvarovek
Oblouk 90 °, kruhový průřez D, r/D = 1,5 D (mm)
100
125
180
200
250
ζ(−)
0,21
0,16
0,12
0,11
0,11
Oblouk 90 °, průřez a x b, r/a = 1,5 a/b ( - )
0,5
0,75
1,0
1,5
2,0
ζ(−)
0,20
0,19
0,17
0,15
0,14
Koleno ostré 90 ° b/a ( - )
0,5
0,75
1,0
1,5
2,0
ζ(−)
1,27
1,23
1,18
1,13
1,07
Dělení proudu vzduchu 90 °, kruhový průřez D1, D2, D3 V3 / V1 (V2 / V1) 0,3
0,4
0,5
0,7
0,9
0,4
1,94 (0,14)
1,20 (0,13)
0,88 (0,14)
0,64 (0,15)
0,63 (0,34)
0,5
2,91 (0,17)
1,74 (0,14)
1,20 (0,13)
0,77 (0,14)
0,63 (0,15)
0,7
5,51 (0,33)
3,19 (0,18)
2,12 (0,16)
1,20 (0,13)
0,85 (0,14)
S3 / S1 (S2 / S1)
Dělení proudu vzduchu 45 °, kruhový průřez D1, D2, D3 V3 / V1 (V2 / V1) 0,3
0,4
0,5
0,7
0,9
0,4
0,74 (0,14)
0,38 (0,13)
0,30 (0,14)
0,35 (0,15)
0,43 (0,34)
0,5
1,37 (0,17)
0,62 (0,14)
0,38 (0,13)
0,30 (0,14)
0,36 (0,15)
0,7
3,36 (0,33)
1,57 (0,18)
0,85 (0,16)
0,38 (0,13)
0,30 (0,14)
S3 / S1 (S2 / S1)
81
V některých případech může výrobce u jednotlivých tvarovek uvádět tlakovou ztrátu graficky. Příklad je vidět na obr. 9.6. Při návrhu potrubní sítě je třeba, s ohledem na hospodárnost provozu, volit tvarovky s co nejnižším součinitelem místní ztráty. Na obr. 9.7 je vidět charakter proudění v oblouku a ostrém koleni. Zatímco v oblouku za ohybem k úplavu nedochází, je u ostrého kolena úplav za ohybem jasně patrný. Vlivem úplavu pak dochází k zúžení volného průtočného průřezu, dochází zde k lokálnímu zvýšení rychlosti proudícího vzduchu. Důsledkem této skutečnosti je oproti oblouku vyšší součinitel místní (tlakové) ztráty. Totéž platí i u tvarovek pro dělení či spojení dvou (i více) proudů vzduchu. V tab. 9.3 jsou pro porovnání hodnoty součinitele místní ztráty pro tvarovku k dělení proudu vzduchu 90 °a 45 ° zvýrazněny tučným písmem. Z uvedených vztahů pro w (m/s) určení tlakové ztráty třením 10 (9.12) a tlakové ztráty 9 místními odpory (9.21) je patrné, že celková tlaková 8 ztráta třením je závislá na 7 druhé mocnině rychlosti. 6 Důležitý je proto poznatek, 5 že každé zvýšení rychlosti 4 vzduchu ve vzduchovodu 3 bude mít za následek zvýšení tlakové ztráty 2 s druhou mocninou. 1 0 9.5 Tlakové poměry
Obr. 9.6 Příklad grafického vyjádření místní tlakové ztráty pro vybranou tvarovku
v potrubí
úplav za ohybem
Změny tlaku a průběh Obr. 9.7 Chrakter proudění v oblouku a ostrém koleni, tlakových ztrát v potrubní výsledky získány na základě CFD simulace síti lze sledovat na grafickém znázornění na obr. 9.8. Průběh demonstruje změny velikostí jednotlivých členů Bernoulliovy rovnice. Vzhledem k předpokládanému malému rozdílu výšek lze zanedbat člen, vyjadřující polohovou energii. S uvažováním konst. hustoty ρ = konst., bude mít Bernoulliho rovnice v úseku mezi řezem (0) a (n), tvar p(0) +
ρ
w(0)2 = p( n ) +
ρ
w( n2 ) + ∆pz (0,n ) = konst.
2 2 Součet tlaku statického a dynamického se nazývá tlak celkový
82
(9.23)
pc = p + pd = p +
ρ
2
w (9.24) 2 Součet tlaků statického a dynamického v řezu (0) musí být roven součtu těchto tlaků v dalším, libovolném řezu (po směru proudění) a tlakové ztráty. Tlaková ztráta v uvažovaném úseku potrubí je tedy vyjádřena rozdílem celkových tlaků, podle vztahu (9.23) je
ρ 2 ⎞ ⎛ ρ 2 ⎞ ⎛ ∆pz (0,n ) = ⎜ p(0) + w(0) ⎟ − ⎜ p( n ) + w( n ) ⎟ ⇒ ∆pz (0,n ) = pc (0) − pc ( n ) 2 2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
(9.25)
Konkrétní aplikaci lze přiblížit na obr. 9.8. Vyšrafovaná oblast vyznačuje průběh tlakové ztráty. Potrubí je v podtlaku – je napojeno na sací hrdlo ventilátoru. Na vstupu do potrubí, řez (0), se tlaková ztráta vlivem kontrakce vstupujícího proudu vzduchu skokově zvýší. Dále tlaková ztráta vlivem tření lineárně narůstá, vzhledem ke konstantnímu průřezu mezi řezy (0 – 2) je rychlost vzduchu konstantní, konstantní je také dynamický tlak pd(0-2). Mezi řezy (2-3) dochází ke skokové změně tlakové ztráty, a to vlivem místní ztráty způsobené zúžením potrubí. Mezi řezy (3-5) tlaková ztráta vlivem tření opět lineárně narůstá a vzhledem ke konstantní rychlosti vzduchu je také dynamický tlak pd(0-2) konstantní. Nárůst tlakové ztráty třením v úseku (3-5) je však oproti úseku (0-1) strmější, a to díky vyšší rychlosti v tomto úseku, viz vztah (9.12). Totéž platí o dynamických tlacích, dynamický tlak v úseku (3-5) je vzhledem k vyšší rychlosti vzduchu v tomto úseku větší než v úseku (0-2), viz vztah (9.21). Výše uvedené úvahy o průbězích tlaků platí i pro proudění bočními větvemi.
Obr. 9.8 Změny tlaku a průběh tlakových ztrát v potrubní síti; po (Pa) je tlak okolí
9.6 Metodika návrhu potrubní sítě Potrubní síť se skládá přímých částí, z tvarovek, z regulačních klapek a koncových elementů. Tlaková ztráta je dána součtem ztrát třením a ztrát místních
83
⎛ l ⎞ ⎛ l ⎞ρ ∆pz = ⎜ λ + Σζ ⎟ pd = ⎜ λ + Σζ ⎟ w2 (Pa) ⎝ dh ⎠ ⎝ dh ⎠2
(9.26)
Ze vztahu je patrné, že tlaková ztráta je závislá na rychlosti proudění a hydraulickém průměru. S ohledem na tuto skutečnost je třeba při výpočtech potrubní síť rozdělit na jednotlivé úseky. Obecně lze říci, že hranice úseku je dána změnou hmotnostního průtoku (přítok z boční větve, odbočka - mění se rychlost proudění a většinou i hydraulický průměr) nebo změnou hydraulického průměru při konstantním průtoku (mění se rychlost proudění i hydraulický průměr). Postupů pro návrh potrubní sítě je několik. Nejrozšířenější je metoda rychlostí, používá se i metoda stálého tlakového spádu. Výjimečně se pro náročnost používá metoda zisků statického tlaku. Další postupy, jako například metoda dynamických tlaků, zde nejsou popsány. 9.6.1 Metoda rychlostí Návrh potrubní sítě touto metodou začíná volbou rychlosti proudění v hlavní a vedlejších větvích (hlavní větev je tvořená na sebe navazujícími úseky, jejichž součet tlakových ztrát je největší; jedná se zpravidla o nejdelší a nejčlenitější větev). V tab. 9.4 jsou uvedeny doporučené rychlosti pro různé typy objektů. Omezujícím faktorem v tomto případě jsou především hlukové parametry. Vzhledem k tomu, že potrubní rozvody mohou sloužit i pro účely odsávání jemných částic, jsou v tab. 9.5 uvedeny doporučené dopravní rychlosti pro jednotlivé materiály. Následuje rozdělení potrubní sítě do jednotlivých úseků. Pro každý úsek se na základě objemového průtoku a zvolené rychlosti stanoví průměr potrubí. Průměr potrubí se musí korigovat s ohledem na vyráběné normalizované rozměry, následuje výpočet skutečné rychlosti v daném úseku. Postup výpočtu pro jeden úsek je vyjádřen:
V = S ⋅w =
πd 2 4
w⇒d =
4 ⋅V 4 ⋅V ⇒ volba d norm ⇒ wskut = 2 π ⋅w π ⋅ d norm
(9.27)
Ze skutečných rychlostí a průměrů potrubí v jednotlivých úsecích se potom dle vztahů (9.12) a (9.21) stanoví tlaková ztráta hlavní větve. Stejným způsobem se stanoví i tlakové ztráty ve vedlejších větvích. Tlaková ztráta odbočky se musí rovnat tlakové ztrátě hlavní větve k místu spojení. Schéma potrubní sítě rozdělené do jednotlivých úseků je vidět na obr. 9.9. Hlavní větev je daná úseky a, b, c, d. Například součet tlakových ztrát úseků f, h se musí rovnat součtu tlakových ztrát úseků c, e nebo c, d. Obr. 9.9 Schéma potrubní sítě Výpočet by měl být prováděn po úsecích rozdělené do jednotlivých úseků směrem od ventilátoru k nejvzdálenějšímu úseku, přitom platí pravidlo, že rychlost proudícího vzduchu by směrem od ventilátoru měla mírně klesat. Tlaková ztráta hlavní větve zároveň určuje celkový tlak, který musí vyvinout ventilátor.
84
Tabulka 9.4 Doporučené rychlosti vzduchu ve vzduchovodech
Rychlost w (m/s) Hlavní větve větrání a nízkotlaká klimatizace
Vedlejší větve
doporučená
maximální
doporučená
maximální
obytné budovy
3,5 - 5
6
3
5
veřejné budovy
5–7
8
3 – 4,5
6,5
průmyslové budovy
6-9
11
4-5
9
vysokotlaká, vysokorychlostní klimatizace
8 - 12
15 - 20
8 - 10
18
9.6.2 Metoda stálého tlakového spádu Principem metody je volba tlakového spádu R, kdy se vychází z průtoku a zvolené rychlosti v úseku hlavní větve u ventilátoru. Takto zjištěný tlakový spád (obvykle 0,8 – 4,0 Pa/m) je pak stálý v celé hlavní větvi. Při dimenzování se postupuje směrem od ventilátoru, přičemž se vybírá nejbližší normalizovaný rozměr dnorm. Ostatní větve jsou dimenzovány obdobně. Tlakový spád R vyjadřuje tlakovou ztrátu jednoho metru potrubí:
Tabulka 9.5 Doporučené dopravní rychlosti
Rychlost w (m/s) suché třísky při obrábění dřeva
16
vlhké třísky při obrábění dřeva
20
brusky na kov
15 – 20
vlna
15 – 20
obilný prach
10 - 15
1ρ 2 w (9.28) d 2 Tlaková ztráta místními odpory se nahrazuje tlakovou ztrátou třením v přímém potrubí kruhového průřezu o tzv. ekvivalentní délce le (m). R=λ
le ρ 2 ρ ξ w = ξ w 2 ⇒ le = d 2 λ d 2 Tlakový spád je pak dán vztahem:
λ
∆p z = R(l + l e ) ⇒ R =
∆p z l + le
(9.29)
(9.30)
kde ∆pz (Pa) je tlaková ztráta větve, která může být v navrhované větvi předem dána. 9.6.3 Metoda zisků statického tlaku Metoda zisků statického tlaku je poměrně pracná a časově náročnější než metody předchozí. Výsledkem je však zlepšení rozvodu vzduchu. Použitelná není pro sací část potrubní sítě. Cílem je dodržet stejný statický tlak před každou odbočkou. Na obr. 9.10 je vidět princip návrhu. V řezu (1) před odbočkou má statický tlak určitou velikost. Stejný statický tlak však musí být i před
85
Obr. 9.10 Znázornění principu návrhu potrubní sítě metodou zisků statického tlaku
odbočkou v řezu (2). Toho lze dosáhnout vhodným poklesem dynamického tlaku. Úspěšnost této metody je silně závislá také na přesné znalosti součinitelů místních ztrát pro jednotlivé odbočky. V případě použití nestandardních tvarovek (například z prostorových důvodů), kdy součinitel místní ztráty není jasně daný, může dojít při výpočtu k určitým nepřesnostem.
9.7 Literatura [9.1] [9.2] [9.3] [9.4] [9.5] [9.6] [9.7]
2008 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment. Atlanta: ASHRAE, Inc., 2008. ISBN 978-1-933742-34-2. SCHRAMEK, E.R. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München: Oldenbourg Industrieverlag, 2007. ISBN 10:3-8356-3104-7. CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. Brno: BOLIT B-press, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8. DRKAL, F. Technika prostředí. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1978. NOVÝ, R. a kol. Technika prostředí. Praha: Nakladatelství ČVUT, 2006. ISBN 80-01-03492-5. BARTÁK, M. Základy mechaniky tekutin, kapitola 1.6. In Topenářská příručka. Svazek 1. Praha: GAS s.r.o., 2001. ISBN 80-86176-82-7. www.elektrodesign.cz
86
10 Ventilátory Součástí každého větracího a klimatizačního systému je ventilátor – zařízení sloužící k dopravě vzduchu (obecně plynů, spalin aj.). Jedná se o rotační lopatkový stroj, s širokým rozsahem použití nejen v zařízeních techniky prostředí. Hlavními parametry ventilátorů jsou celkový dopravní tlak, objemové množství vzduchu a příkon.
10.1 Třídění ventilátorů 10.1.1 Podle směru průtoku vzduchu Radiální ventilátory Hlavními součástmi radiálního ventilátoru (obrázek 10.1) jsou oběžné kolo (1), sací hrdlo (2), výtlačné hrdlo (3), spirální skříň (4) a elektromotor (5). Součástí oběžného kola lopatkové kanály, které při otáčení zajišťují nasávání vzduchu v axiálním směru a výtlak ve směru kolmém na osu rotace (odtud radiální). Úkolem spirální skříně je, obdobně jako u difusoru, přeměna kinetické energie na energii tlakovou.
Obr. 10.1 Schéma radiálního ventilátoru Podle tvaru lopatek oběžného kola, rozlišujeme radiální ventilátory s • dopředu zahnutými lopatkami • dozadu zahnutými lopatkami • radiálně zakončenými lopatkami. Nejpoužívanějšími ventilátory ve větrací a klimatizační technice jsou nízkotlaké ventilátory s dopředu zahnutými lopatkami. Oběžné kolo s konstantní šířkou je konstrukčně jednoduché, i když počet lopatek je značný (cca 40 až 50). Jako materiál bývá nejčastěji použit pozinkovaný plech. Celková účinnost tohoto typu ventilátoru dosahuje hodnot 0,55 až 0,65. Účinnější jsou ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami, jejichž celková účinnost se pohybuje v rozmezí 0,8 až 0,85. Tyto ventilátory se vyrábějí především jako středotlaké a vysokotlaké. Oběžná kola jsou většinou svařovaná s menším počtem lopatek (6 až 15). Axiální ventilátory Axiální ventilátor, jehož základní schéma je znázorněno na obrázku 10.2, se skládá zpravidla z rotoru (1) s oběžnými lopatkami (2), pláště (3), elektromotoru (4). Potrubní provedení axiálních ventilátorů bývá opatřeno přírubami (5). U axiálních ventilátorů proudí vzduch ve
87
směru osy otáčení oběžného kola a používají se tam, kde je požadován velký průtok vzduchu bez vysokých nároků na dopravní tlak. Axiální ventilátory je možné dále rozdělit na přetlakové a rovnotlaké. U přetlakových ventilátorů je statický tlak za oběžným kolem vyšší než před kolem. Objemové průtoky se pohybují v širokém pásmu hodnot; přetlakové ventilátory se používají pro větrací a klimatizační zařízení, ale i pro chladicí věže, atd. Celková účinnost těchto ventilátorů se pohybuje kolem hodnoty 0,85. Zejména v průmyslu se používají ventilátory rovnotlaké, u kterých je statický tlak za oběžným kolem stejný jako před kolem (v oběžném kole se proud vzduchu urychluje). Za oběžným kolem ventilátoru (průměr až 3 m) je umístěn difuzor, ve kterém při poklesu dynamického tlaku, roste tlak statický. Objemový průtok vzduchu dosahuje opět značných hodnot (až 300 m3/h), celková účinnost je cca 0,8.
Obr. 10.2 Schéma axiálního ventilátoru Diagonální ventilátory Diagonální ventilátor připomíná konstrukcí oběžného kola spíše radiální ventilátor, ve skutečnosti se jedná o přechod mezi axiálním a radiálním ventilátorem. Vzduch proudí do ventilátoru v axiálním směru, tedy ve směru osy rotace oběžného kola, avšak výtlak z ventilátoru je pod úhlem menším než 90°. Schéma tohoto typu ventilátoru je na obr.10.3, kde jsou vyznačeny hlavní součásti: oběžné kolo (1), skříň ventilátoru (2), sací hrdlo (3), výtlačné hrdlo (4) a elektromotor (5). Obr. 10.3 Schéma diagonálního ventilátoru
88
Diametrální ventilátory Schéma diametrálního ventilátoru je naznačeno na obr.10.4. Ventilátor nasává vzduch na vnějším obvodu oběžného kola (1) v sacím hrdle (2). Vzduch prochází příčně oběžným kolem a opět vystupuje na vnějším obvodu, odkud je dále vyfukován do výtlačného hrdla (3). Po obvodě oběžného kola jsou rozmístěny dopředu zahnuté lopatky. Šířka oběžného kola bývá 1 až 5-ti násobek vnějšího průměru oběžného kola. Tyto ventilátory se používají tam, kde je nutné nasávat vzduch v širokém podélném rozměru, např. je možné se s nimi setkat u některých typů ventilátorových konvektorů. Celková účinnost tohoto typu ventilátoru bývá 0,45 až 0,55. Obr. 10.4 Schéma diametrálního ventilátoru 10.1.2 Podle celkového dopravního tlaku Radiální ventilátory • nízkotlaké ∆p < 1000 Pa • středotlaké ∆p = 1000 až 3000 Pa • vysokotlaké ∆p > 3000 Pa. Axiální ventilátory • rovnotlaké • přetlakové. 10.1.3 Podle pohonu • na přímo • na spojku • na řemen. 10.1.4 Podle použití • bytové ventilátory • potrubní ventilátory • nástřešní ventilátory • ventilátory pro odvod tepla a kouře • nevýbušné ventilátory • kyselinovzdorné ventilátory • atd.
10.2 Vlastnosti ventilátorů a jejich charakteristiky Objemový průtok vzduchu V Množství vzduchu, které je schopen ventilátor dopravit, určuje objemový průtok vzduchu V (m3/s), který je udáván zpravidla pro hustotu vzduchu ρ = 1,2 kg/m3. Pro různé druhy ventilátorů se objemový průtok vzduchu může pohybovat v širokém rozmezí hodnot od 0,015 m3/s až po cca 300 m3/s.
89
Celkový dopravní tlak ∆p Ventilátor musí zajistit průtok vzduchu sítí, což je vlastnost určená celkovým dopravním tlakem ventilátoru ∆p (Pa). Pro překonání tlakové ztráty potrubního systému slouží statická složka tlaku. U vysokotlakých ventilátorů je potřeba navíc počítat se stlačitelností vzduchu, která se obvykle u nízkotlakých a středotlakých ventilátorů zanedbává. Výkon a příkon ventilátoru Výkon ventilátoru je dán součinem průtoku a celkového dopravního tlaku
P = V ∆p (W)
(10.1)
Příkon ventilátoru Pp se stanoví z výkonu ventilátoru P a celkové účinnosti ηc, která je definována jako poměr mezi výkonem a příkonem ventilátoru.
Pp =
P
ηc
=
V ∆p
ηc
(W)
(10.2)
Ohřátí vzduchu ve ventilátoru Ohřátí vzduchu ve ventilátoru ∆t (rozdíl teploty na sání a výtlaku ventilátoru) lze stanovit z bilance
Pp = P + Qv (W)
(10.3)
odkud lze vyjádřit tepelný tok Qv
Qv =
P
ηc
−P=
∆pV
ηc
− ∆pV = V ρ c∆t (W)
(10.4)
odkud plyne
∆t =
∆p (1 − ηc ) (K) ρ cηc
(10.5)
V klimatizačních zařízeních je však potřeba počítat s energií, kterou ventilátor předává proudícímu vzduchu. V potrubní síti se přemění na teplo celý výkon ventilátoru (je-li v proudu vzduchu i elektromotor ventilátoru pak celý příkon) a ohřátí vzduchu je
∆tc =
∆p (W) ρ cηc
(10.6)
Je zřejmé, že pro nízkotlaké ventilátory nehraje ohřátí vzduchu výraznou roli, s vyšším dopravním tlakem však rozdíl teplot lineárně roste.
10.3 Charakteristiky ventilátorů Na obrázku 10.5 jsou znázorněny charakteristiky ventilátorů, mezi něž patří: • tlaková charakteristika ∆p = f (V) • příkonová charakteristika Pp = f (V) • účinnostní charakteristika ηc = f (V). Charakteristické křivky jsou určeny měřením a výrobce je udává v katalogovém listu ventilátoru. Obvykle jsou vlastnosti ventilátorů udávány pro určitý stav vzduchu (ρ = 1,2 kg/m3).
90
Celková účinnost η (-)
600 500 400 300
0,8 0,6 0,4
Účinnostní charakteristika ventilátoru
0,2 0,0 6,0
Příkon P p (kW)
Celkový dopraní tlak ∆p (Pa)
Tlaková charakteristika ventilátoru
1,0
200 100
4,0 Příkonová charakteristika ventilátoru
2,0 0,0
0 0
5
10
15
0
20
5
10
15
20 3
3
Objemový průtok vzduchu V (m /s)
Objemový průtok vzduchu V (m /s)
Obr. 10.5 Charakteristiky ventilátorů
10.4 Přepočet vlastností ventilátoru Za předpokladu, že je hustota vzduchu ρ konstantní, lze teoreticky spočítat změny funkčních parametrů ventilátoru při změně otáček dle tabulky 10.1 a). Z uvedených vztahů je zřejmé, že objemový průtok vzduchu se mění úměrně s otáčkami. Celkový dopravní tlak se pak mění úměrně s druhou a příkon s třetí mocninou otáček. Většina výrobců uvádí charakteristiky ventilátoru pro hustotu vzduchu ρ = 1,2 kg/m3. V případě změny hustoty, která závisí na teplotě dopravovaného vzduchu (např. při odvodu tepla a kouře), lze parametry ventilátoru při daných otáčkách přepočítat dle tab.10.1 b). Tab. 10.1 Vztahy pro přepočet vlastností ventilátoru Parametr
a) změna otáček při ρ = konst.
V2 = V1
Objemový průtok vzduchu V (m3/s) Celkový dopravní tlak ∆p (Pa)
n2 n1
V2 = V1
⎛n ⎞ ∆p2 = ∆p1 ⎜ 2 ⎟ ⎝ n1 ⎠ ⎛n ⎞ P2 = P1 ⎜ 2 ⎟ ⎝ n1 ⎠
Výkon ventilátoru P (W)
b) změna hustoty při n = konst.
3
2
∆p2 = ∆p1 P2 = P1
ρ2 ρ1
ρ2 ρ1
10.5 Ventilátor v potrubní síti Na obr. 10.6 je naznačeno rozložení tlaku v potrubní síti, v níž je zařazen ventilátor. Vzduch se nasává a vytlačuje do prostoru o stejném tlaku pa. V sací větvi potrubní sítě (1) je zařazena klapka, která způsobuje místní tlakovou ztrátu. Ve výtlačné větvi (2) je umístěno náhlé zúžení průřezu, které kromě místní tlakové ztráty způsobuje zvýšení rychlosti proudění a tím i dynamického tlaku
w2 pd = ρ (Pa) 2
(10.7)
91
Celkový tlak v potrubní síti pc je roven součtu statického ps a dynamického tlaku pd. Z obr.10.6 vyplývá, že celkový dopravní tlak ventilátoru ∆p je dán rozdílem celkových tlaků na výtlaku pc1 a sání pc2 ventilátoru, resp. je roven součtu tlakových ztrát potrubní sítě ∆pz (sání i výtlak) a dynamického tlaku na výtlaku z potrubí pd2 ∆p = pc 2 − pc1 = ∆pc1 + ∆pc 2 = ∆pz1 + ∆pz 2 + pd 2 (Pa)
(10.8)
Obr. 10.6 Průběh tlaku v potrubní síti ventilátoru 10.5.1 Charakteristika potrubní sítě Ventilátor v potrubní síti zajišťuje dopravu vzduchu přičemž má za úkol překonávat hydraulické odpory (ztráty) v potrubí. Tlaková ztráta potrubní sítě je dána součtem tlakových ztrát třením a místními odpory 2 l w2 w2 ⎛ l ⎞w ∆pz = λ ρ + ∑ζ ρ = ⎜ λ + ∑ ζ ⎟ ρ = KV 2 (Pa) 2 d 2 ⎝ d ⎠ 2
(10.9)
kde w (m/s) je rychlost proudění, l (m) - délka potrubního úseku, d (m) - charakteristický rozměr (průměr) potrubí, K (Pa.s2/m6) - konstanta potrubní sítě, λ (-) - součinitel tření, ζ (-) součinitel místních ztrát, V (m3/s) - objemový průtok vzduchu. Pokud za rychlost ve vztahu (10.9) dosadíme w=
V 4V (m/s) = S πd2
(10.10)
dostaneme po úpravě vztah ⎛ λl K = ⎜ + ∑ζ ⎝d
⎞ 8ρ 2 6 ⎟ 2 4 (Pa.s /m ) ⎠π d
(10.11)
Jak vyplývá z rovnice (10.9), charakteristiku potrubní sítě tvoří parabola s vrcholem v počátku souřadnicového systému. Na obrázku 10.7 je zakreslena charakteristika potrubní sítě ∆pz = f(V) společně s tlakovou charakteristikou ventilátoru ∆p = f(V). V průsečíku obou charakteristik leží pracovní bod. 92
600 Charakteristika potrubní sítě Charakteristika ventilátoru
∆p, ∆pz (Pa)
500 400 300
Pracovní bod ventilátoru
∆p
200 100 V 0 0
5
10
15
20
3
V (m /s)
Obr. 10.7 Charakteristika ventilátoru a potrubní sítě 10.5.2 Paralelní řazení ventilátorů Pokud chceme dosáhnout vysokého objemového průtoku vzduchu (nebo z důvodu regulace průtoku), lze zařadit ventilátory paralelně vedle sebe. Na obrázku 10.8 a) je znázorněna tlaková charakteristika dvou stejných paralelně řazených ventilátorů, která se získá součtem objemových průtoků, při stejném dopravním tlaku. Černě je znázorněna charakteristika potrubní sítě. Jak vyplývá z obrázku, paralelním zařazením dvou stejných ventilátorů do dané potrubní sítě se nezíská dvojnásobný průtok vzduchu (V2 < 2V1). Při zařazení dvou nestejných ventilátorů, resp. ventilátorů s různým celkovým dopravním tlakem, může dojít ke vzniku zpětného proudění ve ventilátoru s nižším dopravním tlakem. 10.5.3 Sériové řazení ventilátorů Sériové řazení ventilátorů se používá zřídka, většinou, když chceme dosáhnout vyšších dopravních tlaků. Na obrázku 10.9 b) je znázorněna tlaková charakteristika dvou stejných sériově řazených ventilátorů, která se získá součtem celkových dopravních tlaků při stejném objemovém průtoků. Teoretický výsledný dopravní tlak nedosáhne dvojnásobku celkového dopravního tlaku jednoho ventilátoru (∆p2 < 2∆p1), jak je zřejmé z obrázku. Navíc první ventilátor narušuje proudění před druhým, což může výsledný dopravní tlak ještě o něco snížit.
93
600
1000
Charakteristika potrubní sítě 500
800
Char. paralelního chodu ventilátorů 400
∆p, ∆pz (Pa)
∆p , ∆p z (Pa)
Charakteristika potrubní sítě Charakteristika jednoho ventilátoru Char. sériového chodu ventilátorů
Charakteristika jednoho ventilátoru
P2
300 200
∆p2
600
P2
∆p1
400
P1
∆p
P1
100
200
V
V V1
0
∆p
V2
V1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
0
5
10
3
V (m /s)
V2 15
20
3
V (m /s)
a) b) Obr. 10.8 Tlaková charakteristika a) dvou stejných paralelně řazených ventilátorů, b) dvou stejných sériově řazených ventilátorů
10.6 Regulace ventilátorů 10.6.1 Regulace škrcením Regulace škrcením se provádí nejčastěji klapkami, které se zařazují buď před, nebo za ventilátor, čímž dojde ke změně charakteristiky potrubní sítě (změna místního odporu) a tím ke změně pracovního bodu ventilátoru (obrázek 10.9 a). Z hlediska energetické náročnosti se jedná o regulaci ztrátovou. Výkon, který se škrcením zmaří, je
(10.12)
600
600
500
500
400
∆p2
300
2
∆p, ∆pz (Pa)
∆p, ∆pz (Pa)
∆P = V2 (∆p2 − ∆p2 ' )
1
∆p1
200
2'
n1
400
∆p1
1 n2
300 200
2
∆p2
100
100
V2
V1
V2
0
V1
0
0
5
10
15
20
0
3
5
10
15
3
V (m /s)
V (m /s)
a) b) Obr. 10.9 Regulace ventilátoru a) škrcením s naznačením zmařeného výkonu, b) změnou otáček ventilátoru 94
20
10.6.2 Regulace změnou otáček Regulace změnou otáček motoru je jednou z nejhospodárnějších regulací. Při změně otáček dojde ke změně charakteristiky ventilátoru, při zachování charakteristiky potrubní sítě (obrázek 10.10b). Při změně pracovního bodu z 1 na 2 však dojde ke změně účinnosti ventilátoru (zpravidla k horšímu, pokud bod 1 je optimálním pracovním bodem ventilátoru). Existuje několik možností, jak měnit otáčky motoru. Víceotáčkové motory Základní možností je použití víceotáčkových motorů (zpravidla dvou-, nebo tří-otáčkových). Změna otáček je uskutečňována skokově, přepínáním počtu pólů u asynchronních motorů. Otáčky rotoru lze stanovit ze vztahu 120 f n= (1 − s ) (1/min) (10.13) p
kde f (Hz) je frekvence, p (-) - počet pólů, s - skluz (po rozběhu bývá skluz od 2 do 5 %). Napěťová regulace Napěťová regulace je založena na změně napětí, která je uskutečňována zařazením odporu do obvodu rotoru (např. motory s kroužkovou kotvou). Regulace výkonu ventilátoru může probíhat např. v 5-ti stupních s krokem cca 20 %, čemuž odpovídá 5 pracovních charakteristik ventilátoru. Tento způsob regulace je vhodný pro ventilátory o nižších výkonech, neboť napěťová regulace je ztrátová. Kmitočtová regulace Optimální regulací, z hlediska energetické náročnosti, je regulace kmitočtu. Jedná se o plynulou regulaci výkonu, která umožňuje regulovat průtok vzduchu v plném rozsahu od 0 do 100 %. Pro tento typ regulace se používají frekvenční měniče a lze ji použít pro všechny typy ventilátorů. Zejména je tato regulace vhodná pro vyšší výkony ventilátorů. Otáčky elektromotoru při změně frekvence, lze spočítat podle rovnice (10.13). 10.6.3 Regulace natáčením lopatek Natáčením lopatek (ve směru shodném s otáčením oběžného kola) v sání radiálních ventilátoru s dozadu zahnutými lopatkami dojde ke změně charakteristiky ventilátoru (snižuje se dopravní tlak). Tím dojde ke změně pracovního bodu ventilátoru. U nízkotlakých ventilátorů se tento druh regulace projevuje jako škrcení. U axiálních ventilátorů lze použít natáčení lopatek oběžného kola. Takové řešení je sice hospodárné a umožňuje regulaci v širokém rozsahu průtoků, avšak konstrukčně je složité a drahé.
10.7
Literatura
[10.1]
DRKAL, F. Distribuce vzduchu, vzduchotechnické sítě, ventilátory. Podklady ke kurzu CŽV. Praha: FS ČVUT v Praze, 2006 (nepublikováno). CHYSKÝ, J., HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3.vyd. Brno: BOLIT B-press, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8. NOVÝ, R. Ventilátory. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1997. ISBN 80-01-00987-4.
[10.2] [10.3]
95
11
Filtrace atmosférického vzduchu
11.1 Odlučování znečišťujících látek ze vzduchu ve větrání a klimatizaci Atmosférický vzduch obsahuje vždy určité množství příměsí, znečišťujících látek, které mají formu dispergovaných tuhých, případně kapalných částic, nebo jsou to plyny i páry. Odlučování znečišťujících látek ve vzduchotechnických zařízeních řeší problematiku - vnitřního ovzduší (obytného, pracovního) → odstraňování příměsí ze vzduchu přiváděného větracími a klimatizačními zařízeními do vnitřního prostředí, - venkovního ovzduší → odstraňování příměsí z odpadního vzduchu vyfukovaného odsávacími zařízeními (převážně průmyslovými) do venkovní atmosféry, viz [11.1]. Odlučování zahrnuje vlastní proces oddělení znečišťující látky z nosného plynu/vzduchu a v obecnějším pojetí i její shromáždění a likvidaci (využití, neutralizaci, uskladnění). Základní vlastnosti znečišťujících látek jsou popsány v odstavci 1.4. Další text je zaměřen na odlučování příměsí ze vzduchu přiváděného větracími a klimatizačními zařízeními do vnitřního prostředí. Účelem je snížit koncentrace znečišťujících látek v přiváděném vzduchu pod limitní hodnoty, které jsou dány hygienickými nebo technologickými požadavky. Hygienické požadavky v pracovním prostředí ČR uvádí nařízení vlády č. 361/07 Sb. [11.2]. Technologické požadavky (např. v elektronickém průmyslu) a některé specifické požadavky (ve zdravotnictví, farmacii) vyžadují snížit extrémně obsah tuhých částic ve větraných/klimatizovaných čistých prostorech – požadavky na kvalitu ovzduší udávají normy ČSN EN ISO [11.3]. K odlučování tuhých (i kapalných) částic z atmosférického vzduchu (o velikosti převážně 0,1 až 1,0 µm, min. 0,01, max. 20 µm) se uplatňují filtrační principy, realizované zpravidla ve filtrační vrstvě (vláknité, méně často zrnité nebo porézní) – (mechanické) filtry. Pro čištění vzduchu v obytném vnitřním prostředí i v průmyslovém pracovním prostředí jsou vyráběny i filtry, které využívají elektrický princip – elektrické, resp. dielektrické filtry. Plyny, páry, pachy se odlučují ze vzduchu ve větrání/klimatizaci převážně adsorpčním principem – sorpční filtry.
11.2 Filtry 11.2.1 Principy a vlastnosti filtrů Filtračním materiálem je vláknitá vrstva, kde dochází k odlučování difúzním, setrvačným a intercepčním principem - obr. 11.1 a), b), c). Částice, která přijde do kontaktu s vláknem, ztrácí svoji rychlost a ulpívá na povrchu vlákna, případně na již odloučených částicích. Odlučování difúzním principem je způsobeno náhodnými nárazy molekul nosného plynu (Brownův pohyb) na jemné částice (< 0,3 µm). U setrvačného principu hmotná částice zachovává směr svého pohybu (nesleduje při obtékání vlákna proudnici) a naráží na vlákna filtru; setrvačný princip se uplatňuje u větších částic (> 0,5 µm). Intercerpční princip - jemné částice, které sledují proudnici ve vzdálenosti od povrchu vlákna menší, než je polovina jejich průměru, se kontaktují s povrchem vlákna na kterém ulpívají. Popsanými mechanismy je možno prakticky zachytit částice o minimální velikosti 0,1 až 0,3 µm. Filtrační materiály jsou tvořeny ze syntetických, skleněných, celulosových vláken (o průměru jednoho až desítek µm) sestavených do formy rouna, rohoží, textilií i papíru. Filtry jsou konstruovány jako vložkové (s výměnnými filtračními vložkami) a pásové (s posuvným pásem filtračního materiálu).
96
a)
a)
b)
c)
Obr. 11.1 Odlučování na filtračních vláknech, principy: a) setrvavačný, b) intercepční, c) difúzní; w (m/s) – rychlost vzduchu, dč (µm) – rozměr (průměr) částice, d (µm) průměr vlákna
Účinnost filtrace vyjadřují veličiny: celková odlučivost, celkový průnik a frakční odlučivost. Celková odlučivost OC (%) částic všech rozměrů je definována vztahem OC =
C P − CV ⋅ 100 CP
(11.1)
kde CP je koncentrace částic před filtrem (přívod), CV – koncentrace za filtrem (výstup). Podle toho, zda se udávají koncentrace hmotnostní (mg/m3), nebo koncentrace početní (1/m3) jde o celkovou odlučivost hmotnostní, nebo početní. Celkový průnik PC (%) je definován vztahem PC =
CV ⋅ 100 CP
(11.2)
Frakční odlučivost OF vyjadřuje účinnost filtrace pro částice velikosti a (µm) v daném souboru. Podíl částic různé velikosti v souboru je vyjádřen distribuční křivkou (křivkou relativních četností) – kap. 1, obr.1.8. Frakční odlučivost OF = f(a) filtrů pro běžné větrání je vyjádřena (dle údajů LVZ, a.s.) na obr. 11.2. Tlaková ztráta filtru je důležitou konstrukční a provozní charakteristikou. Zahrnuje, kromě tlakové ztráty filtračních vláken, i tlakovou ztrátu ovlivněnou konstrukčním uspořádáním filtru. Filtry v počátečním (čistém) stavu mají tlakovou ztrátu ∆p0, která v provozu narůstá; jako konečná, provozně přiměřená tlaková ztráta se udává cca ∆pMax = (2 až 5) ∆p0 (dle údajů výrobce). Filtry atmosférického vzduchu se třídí podle evropské normalizace na - filtry pro běžné větrání: ČSN EN 779 [11.4] - filtry vysoceúčinné: ČSN EN 1822-1 [11.5]. 11.2.2 Filtry pro běžné větrání Zatřídění filtrů pro běžné větrání dle ČSN EN 779 [11.4] je dáno, podle experimentálně zjišťovaných odlučivostí, v tab. 11.1.
97
Tab. 11.1 Třídění filtrů pro běžné větrání podle ČSN EN 779 [11.4] Skupina
Třída
Hrubý
G1 G2 G3 G4 F5 F6 F7 F8 F9
Jemný
Konečná tlaková Střední odlučivost Střední odlučivost ztráta (Pa) Am (%) Em (%) 250 Am < 65 250 65 ≤ Am < 80 80 ≤ Am < 90 250 250 90 ≤ Am 450 40 ≤ Em < 60 60 ≤ Em < 80 450 450 80 ≤ Em < 90 450 90 ≤ Em < 95 450 95 ≤ Em
U filtrů hrubých se zjišťuje odlučivost Am gravimetricky (vážením) syntetického prachu (směsi jemného písku, sazí, bavlněných vláken - definované výrobcem). Odlučivost Em u filtrů středních a jemných se zjišťuje optickými počítači aerosolových částic o střední velikosti 0,4 µm. Vlastnosti filtrů jednotlivých tříd lze orientačně posoudit podle grafu frakčních odlupčivostí OF na obr. 11.2.
Obr.11.2 Frakční odlučivost OF (%) filtrů třídy G, F pro běžné větrání (dle LVZ a.s.)
11.2.3 Vysoceúčinné filtry Vysoceúčinné filtry jsou tříděny podle normy ČSN EN 1822-1 [11.5] – tab. 11.2 Při testování se stanoví nejprve velikost částice, která filtrem nejvíce proniká MPPS – Most Penetrating Particle Size (převážně v rozmezí 0,2 až 0,5 µm) a odlučivost se měří pro aerosol o střední velikosti částic rovné rozměru MPPS. Tab.11.2 Třídění vysoceúčinných filtrů dle ČSN EN 1822-1 [11.5] Skupina HEPA
ULPA
Třída H 10 H 11 H 12 H 13 H 14 U 15 U 16 U 17
Odlučivost (%) 85 95 99,5 99,95 99,995 99,9995 99,99995 99,999995
98
Třída HEPA: High efficiency particulare air filter, třída ULPA: Ultra low penetration air filter. 11.2.4 Konstrukce filtrů Filtrační materiály se zhotovují ze syntetických, skleněných i celulosových vláken spojovaných impregnací, tepelným zpracováním, vpichovací technologií i papírenskou technologií. Podle konstrukčního uspořádání se filtry dělí na - rámečkové - kapsové - kazetové. Rámečkové filtry – kovový rám, ve kterém je plochá filtrační vrstva ze syntetických vláken; pro hrubý prach může být rámečkový filtr vytvořen z několika vrstev tahokovu (obr.11.3a). Uplatnění jako filtry třídy G1 až G3, v klimatizačních zařízeních jako hrubý předfiltr (filtr I. stupně). Kapsové filtry – filtry z netkané textilie, šité do filtračních kapes klínovitého tvaru, obr. 11.3b) (délky cca 400 až 600 mm), materiál: syntetická vlákna pro třídy G3 až F5, skleněná vlákna pro třídy F6 až F9. Uplatnění: nižší třídy jako předfiltr (I.stupeň), vyšší třídy jako II.stupeň pro středně náročné klimatizační systémy (administrativní budovy, hotely aj.). Kazetové filtry (kompaktní vložky), obr. 11.3c) – v rámečku hloubky cca 300 mm je vložena skládaná filtrační vložka papírové struktury ze skleněných vláken, sklady jsou odděleny separátorem. Uplatnění jako filtry třídy H10 a vyšší, pro klimatizaci prostorů s vysokými nároky na čistotu vzduchu, koncové filtry pro čisté prostory, operační sály.
a)
b)
c)
Obr.11.3 Příklady provedení filtrů ; a) rámečkový filtr G1 až G3, b) kapsový filtr, F6 až F9, c) kazetový filtr (kompaktní vložka) H10 až H13 11.2.5 Aplikace filtrů Uplatnění filtrů vhodné třídy v klimatizačním/větracím zařízení závisí na kvalitě venkovního vzduchu v dané oblasti a požadované kvalitě vnitřního vzduchu. Směrné hodnoty poskytuje ČSN EN 13779 [11.6], kde kvalita vnitřního vzduchu je vyjádřena třídami IDA a kvalita venkovního vzduchu třídami ODA. Vnitřní vzduch IDA 1 - vysoká kvalita vnitřního ovzduší IDA 2 - střední kvalita vnitřního ovzduší IDA 3 - nepříliš vysoká kvalita vnitřního ovzduší IDA 4 – nízká kvalita vnitřního ovzduší. 99
Venkovní vzduch ODA 1 - čistý venkovní vzduch, který může být pouze přechodně znečištěn ODA 2 - venkovní vzduch s vysokými koncentracemi znečišťujících částic a/nebo plynů ODA 3 - venkovní vzduch s velmi vysokými koncentracemi znečišťujících částic a/nebo plynů. Ve venkovní atmosféře se hodnotí koncentrace SO2, O3, NO2, PM10. Porovnávají se skutečně naměřené imisní koncentrace s imisními limity: ODA 1 - skutečně naměřené koncentrace nepřekračují národní (resp. WHO -World Health Organization) imisní limity v průběhu ročního období ODA 2 - skutečně naměřené koncentrace překračují maximálně 1,5 násobkem imisní limity ODA 3 - skutečně naměřené koncentrace jsou více jak 1,5 násobek imisních limitů. V normě [11.6] jsou podle uvedených kriterií vyhodnocena tři evropská města Stuttgart, Londýn, Madrid - vesměs hodnotou ODA 2. Pozn.: Koncentrace PM10 je koncentrace částic menších jak 10 µm; větší částice se neuvažují, neboť ty nepronikají do dýchacího ústrojí člověka. Minimální požadavky na kvalitu filtrace (třídy filtrů dle tab. 11.1) pro dané vnitřní ovzduší (IDA) a venkovní ovzduší (ODA) jsou uvedeny v následující tabulce. Tab. 11.3 Požadované třídy filtrů venkovního vzduchu [11.6] Kvalita venkovního vzduchu ODA 1 ODA 2 ODA 3
IDA 1 F9 F7+F9 F7+F9+GF
Kvalita vnitřního vzduchu IDA 2 IDA 3 F8 F6+F8 F7+F9+GF
F7 F5+F7 F5+F7
IDA4 F5 F5+F6 F5+F6
GF- sorpční filtr na plynné látky
11.3 Elektrofiltry Pro odlučování tuhých i kapalných částic z atmosférického vzduchu (i vzduchu odsávaného od některých technologií, např. svařování) se používají elektrické dvouzónové odlučovače, které zachycují částice o rozměrech 0,01 až 50 µm (dle firemních údajů TRION). Mohou být použity i jako cirkulační filtry vzduchu ve větraných místnostech, průmyslových halách. Vyznačují se nízkou tlakovou ztrátou. V ionizační zóně je soustava drátových a deskových elektrod, kde dochází v poli o napětí ~ 14 kV k tvorbě kladných iontů plynu. Zde hmotné částice kontaktem s ionty plynu získávají kladný náboj. V následující odlučovací zóně, kterou tvoří soustava kladně a záporně nabitých deskových elektrod (napětí ~ 7 kV), kladně nabité částice se usazují na záporně nabitých deskových elektrodách. Čištění elektrod se provádí vystříkáním vodou ručně, nebo instalovanou soustavou trysek.
11.4 Sorpční filtry K čištění vzduchu od plynných příměsí se využívá ve větrání a klimatizaci adsorpčního procesu, kdy dochází difúzí k zachycování plynných látek na povrchu pevných látek.Hlavní používaná metoda (filtrace s aktivním uhlím) patří do kategorie fyzikální adsorpce, kde k odlučování dochází výhradně fyzikálním procesem – působením van der Waalsových sil.
100
Při chemické adsorpci dochází k chemické reakci mezi adsorbovanou příměsí a sorpční látkou. Filtrace s aktivním uhlím se používá k adsorpci škodlivých plynů, par i pachů, např. plynných látek odsávaných z kuchyní, masné výroby, škodlivin z chemických výroby, ale i k filtraci atmosférického vzduchu v klimatizačních jednotkách pro náročná pracoviště (operační sály, velíny aj.). Pro vzduchotechniku jsou vyráběny filtry, jejichž základním konstrukčním prvkem jsou filtrační patrony naplněné aktivním uhlím - obr.11.4 b). Patronu tvoří dva souosé válce z děrovaného plechu s meziprostorem vyplněným aktivním uhlím. Znečištěný vzduch vstupuje do patrony jejím vnějším povrchem, vystupuje středem patrony. Patrony se upevňují na nosný rám a tvoří tak kompaktní filtrační jednotku - obr. 11.4 a), kterou lze instalovat do větrací/klimatizační jednotky. Filtry s aktivním uhlím jsou citlivé na částice prachu, doporučuje se proto předřazovat filtry třídy F7. Dobře se adsorbují plyny, jejichž molekuly mají více než 3 atomy nevodíkové. Teplota nosného plynu by neměla překročit 40 °C.Pro účinné odlučování plynných látek na povrchu aktivního uhlí je třeba vytvořit maximální kontaktní plochu. Speciální úpravou při výrobě aktivního uhlí (vytvořením jemných pórů) z různých druhů uhlí, rašeliny, cukru lze dosáhnout adsorpční povrch až 1250 m2/g aktivního uhlí. Desorpce (regenerace) aktivního uhlí se provádí horkým plynem o teplotě cca 850 °C, případně parou o teplotě cca 130 °C.
Obr. 11.4 Adsorpční filtr s aktivním uhlím (Klima-Service a.s.); a) filtrační jednotka, b) filtrační patrona
a)
b)
11.5 Literatura [11.1] [11.2] [11.3]
HEMERKA, J. Odlučování tuhých částic. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1995. Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci. ČSN EN ISO 14644-1: 2000. Čisté prostory a příslušné řízené prostředí – Část 1: Klasifikace čistoty vzduchu. [11.4] ČSN EN 779: 2003. Filtry na odlučování částic pro všeobecné větrání – Stanovení filtračních parametrů. [11.5] ČSN EN 1822-1: 1999. Vysoce účinné filtry vzduchu (HEPA a ULPA) – část 1: Klasifikace, ověřování vlastností, označování. [11.6] ČSN EN 13779: 2007. Větrání nebytových budov – Základní požadavky na větrací a klimatizační zařízení.
101
12 Přirozené větrání Přirozené větrání patří v našich klimatických podmínkách stále k nejrozšířenějším způsobům větrání. V dřívějších dobách bylo přirozené větrání jedinou možností jak zajistit větrání prostor a dodnes můžeme v historických budovách najít zajímavé systémy pro přirozené větrání. V České republice je stále většina stávajících obytných budov, škol a řada nemocnic a administrativních budov větrána přirozeně okny. Základním nedostatkem přirozeného větrání je nemožnost filtrace a tepelné úpravy větracího vzduchu, nelze ani použít zpětného získávání tepla. Proto se přirozené větrání nehodí do oblastí s vysokou prašností a především v zimních měsících hrozí riziko průvanu. Určitým nedostatkem je i ztráta hlukové izolace fasády při otevření větracích otvorů; přirozené větrání se tedy nehodí ani do hlučných oblastí, nebo naopak pro hlučné provozy. Výhodou přirozeného větrání je nulová spotřeba elektrické energie. Pro přirozené proudění budovou existují dva zdroje tlaku. Jedná se o rozdíl měrných tíh chladnějšího a teplejšího vzduchu (většinou mezi venkovním a vnitřním prostředím), který způsobuje rozdíl hydrostatických tlaků sloupců venkovního a vnitřního vzduchu. Dále je to působení setrvačných sil větru na budovu. V důsledku takto vzniklých tlakových rozdílů dochází k proudění vzduchu otvory v budově. Část tlakové energie se mění na kinetickou energii vzduchu protékajícího budovou a část slouží pro pokrytí tlakových ztrát otvorů a šachet.
12.1 Proudění vlivem rozdílných hustot Rozdíl tlaku vzniklý mezi dvěma sloupci vzduchu o rozdílné hustotě ρ1, ρ2, (teplotě t1, t2) je dán vztahem h
h
0
0
∆p = p1 − p 2 = g ∫ ρ1 y dy − g ∫ ρ 2 y dy
(12.1)
Pokud hustoty vzduchu (tj. i teploty) v závislosti na výšce y lze považovat za konstantní, pak tlakový rozdíl p⎛ 1 1 ⎞ ⎜ − ⎟ r ⎜⎝ T1 T2 ⎟⎠ kde p (Pa) je barometrický tlak vzduchu, r (J/kg K) – měrná plynová konstanta vzduchu, T1,T2 – termodynamická teplota (K). Tyto vztahy jsou základem pro řešení větrání vlivem rozdílu teplot venkovního a vnitřního vzduchu. Vztah (12.1) je základem numerického řešení při počítačových simulacích a vztah (12.2) se používá při zjednodušeném řešení. Základní parametry ovlivňující tlakový rozdíl, jsou výška budovy a rozdíl vnitřní a vnější teploty. Pro proudění v budovách vlivem rozdílu teploty se používá i název komínový efekt v angličtině stack efekt. ∆p = p1 − p 2 = g ⋅ h ⋅ (ρ1 − ρ 2 ) = g ⋅ h ⋅
12.1.1 Neutrální rovina Neutrální rovina dělí při přirozeném větrání budovu na část, která je vůči venkovnímu prostředí v podtlaku a část která je v přetlaku. Pro polohu neutrální roviny je rozhodující rovnováha mezi tlakovými ztrátami přiváděcích a odváděcích otvorů. U objektů s jednou 102
(12.2) 15
+
Výška h (m)
12
9
Neutrální
rovina ∆p
6
-
3
0 -20
-10
0
10
20
Rozdíl tlaků (Pa)
Obr. 12.1 Vertikální průběh tlakových rozdílů uvnitř a vně budovy
řadou otvorů pro přívod (dole) a druhou pro odvod vzduchu (nahoře) je situace poměrně jednoduchá a neutrální rovina se posouvá v budově dle poměru velikostí těchto otvorů, aniž by docházelo k výraznějšímu ovlivnění proudění. Chceme-li zajistit přívod vzduchu okny a odvod střechou ve vícepodlažní budově je situace složitější. Je-li neutrální rovina níže než poslední podlaží bude v posledním podlaží vzduch okny odváděn a není zajištěn přívod čerstvého vzduchu. Proto je nutné zajistit jak dostatečnou plochu odváděcích otvorů v poměru k otvorům pro přívod vzduchu, tak výškový rozdíl mezi odváděcím otvorem a okny v posledním podlaží. Proto mají správně navržené budovy pro přirozené větrání většinou vyvýšená zakončení atrií, nebo solární komíny.
12.2 Tlakový rozdíl vyvolaný účinky větru Pozitivní tlak, nebo-li přetlak, je vytvářen na návětrné straně budovy, která je vystavena přímému účinku větru. Podtlaková oblast se formuje na protější, závětrné straně a na bočních stěnách budovy. Takto vyvolaný tlakový rozdíl má za následek proudění vzduchu přes vnitřní prostory budovy tak, že přiváděcí otvory jsou v místě obvodového pláště s přetlakem a odváděcí otvory v místě s podtlakem. Velikost tlaku vzduchu na určitou část obvodového pláště je dána následujícím vztahem:
CP ρ w2 (Pa) (12.3) 2 kde Cp (-) je bezrozměrný tlakový koeficient, ρ (kg/m3) - hustota okolního vzduchu a w (m/s) - rychlost vzduchu nabíhajícího na budovu. pw =
Tlakový koeficient Cp
Tlakový koeficient je empiricky odvozený parametr pro určení tlaku působícího na budovu, jenž je způsoben vlivem větru. Tlakový koeficient zahrnuje, kromě geometrie budovy, i vliv překážek obklopujících budovu. Hodnoty koeficientu se mění v závislosti na směru větru, orientaci plochy budovy a terénních nerovnostech proti směru větru v rozsahu Cp = – 1,4 až 1,2. Cp se zjišťuje experimentálně, simulací CFD, pro některé případy i z analytických vztahů.
12.3 Metody přirozeného větrání Existují čtyři základní metody přirozeného větrání: infiltrace, provětrávání, aerace a šachtové větrání. Komplexní řešení přirozeného větrání budovy může být kombinací těchto základních metod. 12.3.1 Infiltrace Infiltrace je přirozené větrání spárami oken a dveří. Infiltrace byla základním způsobem přirozeného větrání především obytných budov v zimních měsících. Průtok vzduchu M (kg/s) vychází ze vztahu
M = C⋅ l ⋅ (∆p )
n
(12.4)
kde ∆p (Pa) - tlakový rozdíl na otvoru, l (m) - délka štěrbiny, n = 0,6 až 0,7 (-) - průtokový exponent, C (kg s-1 m-1 Pa-n) - průtokový koeficient. Nová okna a dveře už bývají těsná, s velmi nízkým součinitelem průvzdušnosti spár a řízená infiltrace je možná pouze u oken s možností pootevření větracích spár. Průvzdušnost spár hraje významnou roli i pro systémy s nuceným odvodem a přirozeným přívodem vzduchu, kde je situace podobná jako při přirozeném proudění, pouze zdrojem tlaku je odtahový ventilátor (například v koupelně či kuchyni). 103
12.3.2 Provětrávání Provětrávání je přirozené větrání otevíráním oken. Tento běžný způsob přirozeného větrání se používá většinou přerušovaně, je-li větráno krátce a velkými průřezy může být provětrávání i energeticky úsporné. V letních měsících lze větrat dlouhodoběji, ale při extrémních letních teplotách je vhodné též omezit větrání. Průtok vzduchu při provětrávání se řeší dle rovnic pro průtok vzduchu rozlehlými otvory [12.2]. 12.3.3 Aerace Aerace je celkové přirozené větrání regulovatelnými otvory ve stěnách a ve střeše, a používá se především pro průmyslové haly se zdroji tepla, kde je teplená zátěž větší Obr. 12.2 Schéma aerace než 23 W/m3 [12.2]. Při řešení aerace se většinou zanedbává vliv větru. Zavádí se bezrozměrný součinitel B, který zohledňuje nerovnoměrnost teplot v prostoru haly a je definován jako poměr rozdílu teploty vzduchu v pracovní oblasti a teploty venkovního vzduchu (tPO - tE) ku rozdílu teploty vzduchu odváděného a teploty venkovního vzduchu (tO - tE). Například v provozech oceláren a válcoven dosahuje B hodnoty 0,25 až 0,4. 12.3.4 Šachtové větrání Při šachtovém větrání je vzduch odváděn z větraného prostoru svislou šachtou a přiváděn většinou okny. Vhodné je šachtové větrání pro odvod škodlivin od stabilního zdroje který produkuje i odpadní teplo. V případě, že nedochází k produkci odpadního tepla je průtok vzduchu během roku proměnlivý a v létě může docházet i k opačnému proudění. Zdrojem tlaku pro šachtové větrání je rozdíl hustot vzduchu ve venkovním prostředí a v šachtě a účinky větru, které se však při základním dimenzování šachtového větrání většinou zanedbávají. Tlak se spotřebuje na tlakové ztráty šachty a vstupních a výstupních otvorů [12.2]. Proto je důležité dostatečné dimenzování jak šachet tak otvorů. 12.3.5 Solární komíny Solární komíny nejsou základní metodou přirozeného větrání, jsou to prvky pro zvýšení tlakového rozdílu a posunutí neutrální roviny při přirozeném větrání. Obecně je solární komín svislá šachta ve které se ohřívá vzduch tepelnými zisky radiací a dochází k proudění vzduchu vlivem rozdílu hustot. Při přirozeném větrání se solární komín osazuje jako prvek odvodu vzduchu nad střechou budovy. Významný je vliv solárního komína především v létě, kdy se v něm může vzduch ohřát na teploty až 40 ºC a tím se výrazně zvýší tlakový rozdíl využitelný pro přirozené větrání budovy. Kromě toho zajistí i v letních měsících stejný směr toku vzduchu budovou (přívod okny, odvod na střeše) a posouvá neutrální rovinu nad úroveň posledního patra. Výhodou solárního komína je, že jeho funkce se zlepšuje s rostoucí intenzitou sluneční radiace stejně jak narůstá i tepelná zátěž objektu. Solární komín musí být správně dimenzován, tak aby došlo k dostatečnému ohřátí, ale zároveň nebyla tlaková ztráta komína Obr. 12.3 Solární komín překážkou pro přirozené větrání i v době bez slunečního svitu.
104
12.4 Literatura [12.1] [12.2] [12.3]
HEMZAL, K. Přenosové jevy v technice prostředí. Praha: Nakladatelství ČVUT, 2007. ISBN 978-80-01-02924-4. NOVÝ, R. a kol. Technika prostředí. Praha: Nakladatelství ČVUT, 2006. ISBN 80-01-03242-5. ALLARD, F.; SANTAMOURIS, M. Natural ventilation in buildings - A design handbook. London: James & James Ltd, 2002. 356 s. ISBN 1873936729.
105
13 Místní odsávání 13.1 Požadavky na odsávací systémy Místní odsávání slouží k zachycení škodlivých látek (plynů, par, tuhých částic) nebo nadměrného tepla přímo u zdroje, tj. v místě jejich vzniku. Místním zachycením škodlivin se zabraňuje jejich šíření do volného prostoru. Místní odsávání je vždy hospodárnější, než celkové větrání, průtok odsávaného vzduchu je vždy menší než při celkovém větrání. Tato skutečnost se pozitivně odrazí i v hospodárnosti provozu zejména pro menší spotřebu tepelné energie k ohřevu přiváděného venkovního vzduchu. Průtok vzduchu pro odvod škodliviny je dán vztahem V =
Mš (m3/s) CO − C P
(13.1)
kde Mš (kg/s) je hmotnostní tok unikající škodliviny, CO (kg/m3) – koncentrace škodliviny v odváděném vzduchu, CP (kg/m3) – koncentrace škodliviny v přiváděném vzduchu (většinou se předpokládá nulová). U celkového větrání nesmí koncentrace škodlivin v odváděném vzduchu COc překročit přípustný expoziční limit CPEL pro danou škodlivinu, tj. COc ≤ CPEL. U místního odsávání, kdy se nepředpokládá pronikání škodliviny do místnosti (odsávací zákryt je správně navržen), však může být COm >> CPEL. Dle vztahu (13.1) je zřejmé, že čím bude koncentrace škodlivin v odváděném vzduchu vyšší, tím nižší bude potřebný průtok vzduchu. Hlavní součásti odsávacích zařízení jsou: sací nástavec, potrubní odsávací síť, odlučovač (filtr), ventilátor, výfukové potrubí s výfukovou hlavicí. Odsávací systémy lze rozdělit na: - centrální - skupinové - dělené - jednotkové. Základní požadavky na odsávací zařízení: 1. Škodliviny musí být zachyceny bezprostředně u zdroje účelně navrženým sacím nástavcem. 2. Vzduch vyfukovaný do venkovního prostředí musí splňovat zákonné požadavky na emise [13.2]; podle potřeby musí být do odsávacího potrubí před výfuk vzduchu do atmosféry zařazen odlučovač, filtr. 3. Odsávací zařízení musí splňovat požadavky ochrany proti požáru a výbuchu (zabránění vzniku nebezpečné koncentrace látek hořlavých, výbušných v odsávaném vzduchu, tj. koncentrace nad (10 až 20) % dolní mezí výbušnosti CDMV), bezpečnostní požadavky (pevnost zákrytů rotujících součástí) i požadavky provozní spolehlivosti, čistitelnosti. 4. Odsávací zařízení musí být vždy doplněno větracím zařízením pro přívod venkovního vzduchu (s filtrací a ohřevem), které vyrovnává vzduchovou bilanci odsávaného prostoru. Větrací systém je zpravidla podtlakový, průtok přiváděného vzduchu VP je o 10 až 15 % nižší než průtok odsávaného vzduchu VO. Vhodnou instalací přiváděcího potrubí lze také dosáhnout vyhovující distribuce vzduchu. 5. Zákonné předpisy [13.3] umožňují využít pro přívod vzduchu do větraného prostoru i vzduch oběhový, pokud jeho kvalita, po případné filtraci splňuje požadavek: koncentrace znečišťující látky v oběhovém vzduchu COb ! ≤ 0,05 CPEL , kde CPEL je přípustný expoziční 106
limit pro danou látku uvedený v [13.3]. Využití oběhového vzduchu je účelné především pro výrazné snížení spotřeby energie na ohřev přiváděného vzduchu, teplota oběhového vzduchu tOb ≈ teplota vnitřního vzduchu tI. Schéma systému odsávání s oběhovým vzduchem je na obr. 13.5. 6. Nelze-li využít oběhový vzduch, je účelné do zařízení zařadit výměník pro zpětné získávání tepla z odváděného vzduchu k ohřevu vzduchu venkovního (ZZT, kapitola 6). Typ výměníku však musí být volen s ohledem na nebezpečí usazování částic prachu na teplosměnných plochách a odlučovač (filtr) před výměníkem ZZT musí zabránit znečištění výměníku.
13.2 Sací nástavce Sací nástavec slouží k bezprostřednímu zachycení škodlivin u místa zdroje a měl by být vždy navrhován jako součást technického zařízení, které škodlivinu produkuje. Musí být konstruován tak, aby pokud možno zcela obklopoval zdroj škodliviny. Průřez, kterým do sacího nástavce proudí vzduch, má být minimální; musí však umožňovat průtok vzduchu přijatelnou rychlostí (0,5 až 2,5 m/s), podle škodlivosti odsávané látky. Nelze li použít uzavřených sacích nástavců (z důvodů technologických, manipulačních), musí být jednoduchý sací nástavec umístěn co nejblíže zdroji tak, aby proud škodlivin směřoval do nástavce. Sací nástavec musí splňovat podmínky bezpečné práce a nesmí ztěžovat práci obsluze. Hlavní typy sacích nástavců: odsávací skříně (digestoře), odsávací zákryty, boční odsávací štěrbiny a jednoduché sací nástavce. Typické odsávací skříně jsou chemické digestoře; rychlost nasávaného vzduchu ve vstupním otvoru do odsávacích skříní se pohybuje v rozmezí 0,5 až 2,5 m/s (v závislosti na toxicitě škodliviny). Odsávací zákryty jsou jednak střechovité (nad zdroji tepla), jednak tvarově přizpůsobené stroji (např. zákryty brusek). Střechovité sací nástavce se instalují nejčastější v kuchyních nad varnými plochami; rychlost vzduchu v sacím průřezu by neměla být nižší než 0,2 m/s. Boční odsávací štěrbiny se využívají v těch případech, kdy nelze zdroj škodliviny zakrýt a ani nelze nad zdrojem zhotovit střechovitý zákryt; energeticky je tento způsob odsávání náročný. Jednoduché sací nástavce představují kruhová nebo obdélníková vyústění sacích vzduchovodů (zpravidla ohebných); umisťují se na pohyblivá ramena, což umožňuje přiblížit sací otvor co nejblíže zdroji škodlivin (např. při svařování rozměrných konstrukcí). Tyto nástavce bývají součástí jednotkových odsávačů - mobilních zařízení, tvořených ventilátorem a účinným filtrem. Vzduch po filtraci se vrací do prostoru jako vzduch oběhový. Účinnost zachycení škodlivin sacími nástavci těsně souvisí s vlastnostmi proudového pole před sacími otvory. Charakteristický je prudký pokles rychlosti nasávaného vzduchu s rostoucí vzdáleností od sacího ústí nástavce (odst. 8.2).
13.3 Odsávací systémy Centrální odsávací systémy Centrálním odsávacím systémem se odsává od více zdrojů stejného či podobného charakteru. Použita je společná potrubní síť. Odlučovač bývá umístěn na podtlakové části potrubní sítě, a to z toho důvodu, aby škodliviny (prach) neprocházely ventilátorem. Aby bylo možno hospodárně provozovat centrální systém pro odsávání pouze některých nástavců (při technologických změnách), je nutno instalovat uzavírací (těsné) klapky na sacích přípojkách a odsávací ventilátor vybavit vhodnou regulací, nejlépe řízením otáček. 107
Skupinové odsávací systémy Skupinové odsávací systémy slouží k odsávání pouze určité skupiny zdrojů stejného či podobného charakteru s ohledem na zabránění směšování látek, které by spolu mohly jakkoli reagovat, nebo vytvářet výbušné směsi. Dělené odsávací systémy Podstatou dělených odsávacích systémů je několik ventilátorů, které jsou napojeny na jeden technologický proces. Používají se především u rozměrných výrobních linek. Jednotkové odsávače Jednotkové odsávače představují z hlediska provozních nákladů nejvýhodnější variantu. Pracují s oběhovým vzduchem. Přefiltrovaný vzduch se přivádí zpět do místnosti, nároky na ohřev venkovního vzduchu proto odpadají. Výhodou je i snadná možnost manipulace, podle potřeby lze odsávače snadno přemisťovat. Filtrace musí splňovat hygienické požadavky na oběhový vzduch [13.3] .
Obr. 13.1 Schéma centrálního odsávacího systému
Obr. 13.3 Schéma děleného odsávacího systému
Obr. 13.2 Schéma skupinového odsávacího systému
Obr. 13.4 Schéma jednotkového odsávače
Obr. 13.5 Schéma odsávacího systému s oběhovým vzduchem; Ve – ventilátor, Oh – ohřívač, F – filtr, Sm – směšovací komora, Od - odlučovač
13.4 Literatura [13.1] [13.2] [13.3]
SCHRAMEK, E.R. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München: Oldenbourg Industrieverlag, 2007. ISBN 10:3-8356-3104-7. Nařízení vlády a vyhlášky ministerstva životního prostředí č. 417/2005 Sb. a č. 352/2002 Sb. až 356/2002 Sb., kterými se stanoví emisní limity. Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci. 108
14 Celkové nucené větrání Celkové nucené větrání zajišťuje, pokud možno rovnoměrné provětrání čerstvým venkovním vzduchem pásma pobytu osob, resp. pracovní oblasti, nebo jinak definovaného technologického prostoru. Celkové větrání se používá především tam, kde nevýrazné zdroje škodlivin (tepla) jsou v prostoru rovnoměrně rozmístěny. V kap. 2 na obr.2.1 je schéma celkového větrání průmyslové haly zaplavováním (zdrojovým přívodem vzduchu). I v obytných domech se stále více prosazuje nucené větrání (nucený přívod v zimě ohřívaného vzduchu, s využitím zpětného získávání tepla). Větrání (přívod čerstvého venkovního vzduchu) je nedílnou součástí každého komfortního klimatizačního systému.
14.1 Průtok venkovního vzduchu 14.1.1 Průtok venkovního vzduchu VE podle požadavků na čistotu vzduchu Průtok venkovního vzduchu dle dávky na osobu V prostorech, ve kterých pobývají lidé (komfortní prostředí), kde nevznikají specifické škodliviny (obytné, společenské prostory, i obdobné pracovní prostory - kanceláře) se určuje průtok VE podle dávky čerstvého venkovního vzduchu na osobu D (m3/h os.). Závazné požadavky pro pracovní prostředí jsou v nařízení vlády č. 361/2007 Sb. [14.7]: - 50 m3/h os pro převážnou práci v sedě (tj. i pro duševní práci) - 70 m3/h os při práci ve stoje a při chůzi - 90 m3/h os pro těžkou fyzickou práci. Doporučené hodnoty D uvádí ČSN EN 13779 [14.6]. Průtok venkovního vzduchu pro n osob je VE = n D (m3/h) (14.1) Pozn.: Výchozím podkladem při stanovení dávky čerstvého vzduchu pro osoby v prostoru větraném venkovním vzduchem je podmínka, kterou stanovil Max von Pettenkofer v roce 1877: koncentrace oxidu uhličitého ve vnitřním vzduchu, kde pobývají osoby, nemá překročit 0,1 % obj. (0,001 m3/m3) - Pettenkoferovo číslo. Tato koncentrace je podstatně nižší než přípustný expoziční limit pro CO2 dle [14.7] v pracovním prostředí (CPEL CO2 = 0,5 % obj.), ale vyjadřuje znehodnocení ovzduší nejen produkcí CO2, ale i produkcí tepla, vlhkosti, odérů od osob. Pro osoby s mírnou aktivitou fyzické činnosti je tok vdechovaného a vydechovaného vzduchu 0,45 m3/h os, koncentrace CO2 ve vydechovaném vzduchu je u člověka konstantní CCO2 vyd = 4 % (0,04 m3/m3). V přiváděném venkovním vzduchu je koncentrace CP = 0,035 % (0,00035 m3/m3). Výpočtem podle rovnice (14.4) pro dané podmínky vyplývá 0,45 ⋅ 0,04 VE = = 28 m3/h os (14.2) 0,001 − 0,00035 (pro CP = 0,0003 m3/m3, jak uvažoval Pettenkofer, je VE ≅ 25 m3/h os). V současných hygienických předpisech dávky čerstvého vzduchu pro osoby respektují vyšší intenzitu činnosti člověka (při práci) a vyšší tok vdechovaného vzduchu; do znehodnocení ovzduší vstupují i škodliviny (blíže nespecifikované) uvolňované z vnitřního vybavení místností.
Obr. 14.1 Schéma k stanovení průtoku venkovního vzduchu dle produkce škodlivin
109
Průtok venkovního vzduchu dle produkce škodlivin V prostorech, kde se do ovzduší uvolňují škodliviny, průtok venkovního čerstvého vzduchu VE (m3/s) je dán výpočtem podle množství uvolňované škodliviny Mš (mg/s) – obr. 14.1. Výchozím požadavkem je, aby koncentrace škodliviny v odváděném vzduchu C (mg/m3) nepřevyšovala přípustnou koncentraci Cpříp (z hledisek hygienických, technologických, ochrany proti výbuchu aj.). Koncentrace škodliviny v přiváděném venkovním vzduchu je CE. Bilance škodlivin pro ustálený děj C ≠ f(τ) Pro stacionární případ, tj. koncentrace C je časově ustálená, platí V E C E + M š = VO C
(14.3)
odkud potřebný průtok vzduchu VE (pro průtok odváděného vzduchu VO = VE ) je VE =
Mš (m3/s) C − CE
(14.4)
kde C ≤ Cpříp . Hodnoty Mš jsou známé pouze v některých případech, např. pro větrání garáží lze využít údaje o produkci oxidu uhelnatého ve výfukových plynech. Hygienicky přípustné expoziční limity Cpříp = CPEL (přípustný expoziční limit) jsou uvedeny v [14.7]. Přípustné koncentrace z hlediska ochrany proti výbuchu se odvozují z dolní meze výbušnosti – koncentrace CDMV, zpravidla se požaduje Cpříp = (0,1 až 0,2) CDMV. Koncentrace CDMV jsou uváděny v odborné literatuře. Předpokladem pro výpočet podle rovnice (14.3) je rovnoměrné promíšení škodliviny v prostoru a časově ustálený, konstantní tok škodliviny Mš , která je větracím vzduchem trvale odváděna. Pozn.: Pokud se uvolňují škodliviny do klimatizovaného prostoru, určuje se i v takovém případě průtok venkovního vzduchu podle výše uvedených pravidel. Tok škodlivin do klimatizovaného prostoru však zpravidla výrazně zvyšuje průtok venkovního vzduchu nad požadavky pro úpravu vnitřního klimatu, tím narůstají náklady na tepelnou úpravu vzduchu. Doporučuje se proto vždy instalovat samostatné odsávací zařízení a minimalizovat tok škodlivin do prostoru. Bilance škodlivin pro neustálený děj C = f(τ) Ve výše uvedeném odstavci bylo cílem určit potřebný průtok vzduchu VE pro odvod produkované škodliviny Mš při trvalém dodržení požadované koncentrace v prostoru Cpříp. Pokud jsou veličiny VE a Mš nezávislé (průtok vzduchu VE i tok škodliviny Mš je znám), bude se koncentrace C v odváděném vzduchu měnit v závislosti na čase τ (s) podle rovnice, vyjadřující hmotnostní bilanci škodliviny v časovém intervalu dτ (časovému úseku dτ odpovídá přírůstek/úbytek koncentrace škodliviny dC ve větraném prostoru o vnitřním objemu O (m3); předpokladem je VO = VE (14.5)
V E C E dτ + M š dτ = VE C dτ ± O dC
Řešením rovnice (14.5), za předpokladu, že v čase τ = 0 je v místnosti koncentrace CO = CE, se získá vztah pro výpočet koncentrace C v závislosti na čase τ C = CE +
Mš [exp (1 − τ VE / O )] (mg/m3) VE
(14.6) 110
Čas τ , v jakém bude dosaženo zadané koncentrace C, je
τ =−
(14.7)
Mš O ln (s) VE M š + VE (C E − C )
Výpočet podle rovnice (14.6) umožňuje stanovit, např. pro havarijní případy, jaké koncentrace C bude dosaženo ve zvoleném čase τ, uniká-li do větraného prostoru podstatně větší množství škodliviny, než s jakým bylo uvažováno při návrhu větracího zařízení. Nebo: v jakém čase τ bude dosaženo přípustné koncentrace C, pokud v prostoru v čase τ = 0 o počáteční koncentraci Cτ0 >> CE bude zahájeno větrání a škodlivina se již nevyvíjí. Průtok venkovního vzduchu dle intenzity větrání Přibližně lze stanovit průtok venkovního vzduchu VE (m3/h), nejsou-li známy údaje o produkci škodlivin Mš, podle intenzity větrání I =VE / O (1/h). Orientační hodnoty intenzity větrání I jsou v tab. 14.1, podrobně je uvádí odborná literatura, např. [14.2], [14.3]. Průtok venkovního vzduchu
VE = I· O (m3/h)
(14.8)
Tab. 14.1 Intenzita větrání I (informativní údaje) Druh místnosti, provozu
Intenzita větrání I (1/h)
Bazény Kanceláře Kina, divadla Knihovny Montážní haly Posluchárny Restaurace Shromažďovací místnosti Šatny Umývárny, koupelny Záchody – byty - kanceláře - veřejné
4 až 6 3 až 6 4 až 6 3 až 5 3 až 6 8 až 10 5 až10 5 až 10 3 až 6 4 až 6 2 až 3 4 až 6 10 až 15
14.1.2 Průtok VE pro vyrovnání vzduchové bilance u odsávacích systémů Existují dvě základní varianty: • Vzduch odsávaný odsávacími systémy VOds je odváděn (po případné filtraci dle požadavků [14.8]) jako odpadní do venkovní atmosféry. Pro vyrovnání vzduchové bilance je třeba přivádět do prostoru venkovní vzduch o průtoku VE shodném s VOds (u rovnotlakého větrání). Tento průtok je obvykle podstatně větší než průtok VE stanovený podle hygienických kriterií na čistotu vzduchu (odst. 14.1.1). • Odsávací zařízení je vybaveno účinnou filtrací tak, že je možno využít oběhový vzduch (odst. 14.2.1). V takovém případě se přivádí do větraného prostoru vzduch o průtoku VP = VOds = VE + VOb , kde VE je průtok venkovního vzduchu stanovený podle hygienických kriterií (odst. 14.1.1). 111
14.1.3 Průtok VE podle požadavků na odvod tepelné zátěže Přívodem venkovního, tepelně neupraveného vzduchu v létě lze odvádět vnitřní i venkovní tepelnou zátěž větraného prostoru. Rozlišují se dva základní případy: • Venkovní tepelná zátěž je nepodstatná, zanedbatelná – rozhodující je vnitřní konstantní tepelná zátěž od konvekčních zdrojů (např. ve výrobních objektech, umístěných ve středu budovy, kotelnách aj.). Průtok vzduchu VE za se určuje z ustáleného procesu, bez uvažování akumulace tepla do vnitřních hmot budovy. • Venkovní zátěž (sluneční radiací) je dominantní, průtok VE za respektuje akumulaci tepla do vnitřních hmot budovy. Vnitřní konstantní tepelná zátěž Hmotnostní průtok venkovního vzduchu ME (kg/s), resp. objemový průtok VE = ME / ρE (m3/s) pro odvod konstantní tepelné zátěže Qza (W) se určí z bilanční rovnice (14.9) M ct + Q = M ct E
E
za
O
O
pro MO = ME ME =
Q za c (t O − t E )
(m3/s)
(14.10)
kde c = 1010 J/kg K je měrná tepelná kapacita vzduchu, ρE (kg/m3) - hustota vzduchu. Za předpokladu rovnoměrného provětrání místnosti, je teplota odváděného vzduchu tO = tI. Teplota vnitřního vzduchu tI je dána hygienickými, resp. technologickými požadavky. Rozdíl teplot (tI – tE) je pracovním rozdílem teplot pro který platí obecné zásady v odst. 15.3.2. Venkovní letní tepelná zátěž V objektech, kde vnitřní klima v letním období je ovlivněno venkovními tepelnými zisky, je nutno respektovat denní periodické kolísání venkovních zisků i tepelnou kapacitu vnitřních stěn budovy (podlaha, stěny, pilíře, případně vnitřní technologické zařízení).Část venkovních tepelných zisků prostupujících do větraného prostoru sluneční radiací prosklenými plochami se akumuluje do vnitřních konstrukcí budovy. Akumulované teplo může být efektivně odvedeno provozem nuceného větrání v noci, kdy venkovní vzduch má relativně nízkou teplotu (při posuzování hospodárnosti je třeba uvažovat potřebu energie pro chod ventilátorů). Přenos tepla je nestacionární – k podrobnému řešení dynamických jevů se používají složitější výpočetní programy (např.[14.9]). Zjednodušené řešení [14.1] přinášející příznivé výsledky, vychází ze schématu na obr.14.2. Tepelná bilance ve formě dvou rovnic (rovnice tepelné bilance hmotných stěn (14.14) a rovnice tepelné bilance vzduchu (14.15)) se řeší postupně v časových intervalech ∆τ (zpravidla ∆τ = 3 600 s) během 24 hodin (index „j“).
Obr. 14.2 Schéma k stanovení průtoku venkovního vzduchu VE ¨ pro odvod letní tepelné zátěže
112
Výsledkem výpočtu je průběh teploty vnitřního vzduchu tI za extrémních letních podmínek, tj. za předpokladu, že několik dní po sobě se opakují stejné extrémní venkovní podmínky. Výpočet se provádí pro zvolený průtok venkovního vzduchu VE ; metoda neumožňuje vyjádřit explicitně průtok vzduchu. Opakovaným výpočtem (na počítači) lze ovšem určit takový průtok vzduchu, který zajistí, aby teplota vnitřního vzduchu nepřekročila požadovanou hodnotu. Výpočet je založen na následujících principech; intenzita sluneční radiace se určuje dle ČSN 73 0548 [14.4] : • Na počátku výpočtu se volí průtok venkovního vzduchu VEj (m3/s), teplota venkovního vzduchu během dne tEj (°C) se do výpočtu zadává (např. dle [14.4]); obě veličiny se zadávají číselně pro časové úseky j = 0 až 24 (VEj může být např. konstantní v průběhu 24 hodin, nebo rozdílné během dne a v noci). • Tepelný zisk prostupující konvekcí okny Qokj = kok Sok (tEj – tIj) (W) a vnitřní tepelné zisky QIj (W) přechází okamžitě do vnitřního vzduchu. Tepelný zisk prostupující venkovními stěnami zpravidla není rozhodující a zanedbává se; může však být k předešlým veličinám připojen, je však třeba respektovat časové zpoždění a zmenšení amplitudy (viz ČSN 730548). • Tepelný tok prostupující sluneční radiací prosklenými plochami (okny, světlíky) Qrj (W) se zčásti přenáší při dopadu na lehké materiály bez tepelné kapacity (lehké stavební příčky, nábytek) okamžitě do vnitřního vzduchu (1 - ν) Qrj (W), zčásti ν Qrj (W) dopadá na hmotné vnitřní stěny s výraznou tepelnou kapacitou. Poměrnou veličinu ν (-) je nutno odhadnout, zpravidla ν = 0,5. • Tepelný tok dopadající na vnitřní hmotné stěny ν Qrj (W) se zčásti do nich akumuluje (Qraj (W)) a zčásti přestupuje konvekcí do vnitřního vzduchu (Qrkj (W)). V čase τj platí pro sdílení tepla v časovém intervalu ∆τ (s):
Qraj = M c m (t mj − t mj −1 )
(J)
(14.11)
⎞ ⎛ t mj + t mj −1 Qrkj = α k S ⎜⎜ − t Ij ⎟⎟ ∆τ 2 ⎠ ⎝
(14.12)
(J)
• Tepelný tok, který přechází do venkovního vzduchu QEj (W) v čase τj je dán vztahem QEj = VEj ρ Ej c (t Ij − t Ej ) (W) (14.13) V rovnicích (14.11) až (14.13) je M (kg) - hmotnost vnitřních stěn uvažovaných pro akumulaci (u betonu, cihel a obdobných materiálů se uvažuje tloušťka stěn maximálně 0,1m; u vnitřní stěny o tloušťce menší jak 0,2 m se počítá pouze s polovinou její tloušťky); cm (J/kg K) – měrná tepelná kapacita materiálu hmotných vnitřních stěn; tmj, tmj-1 (°C) – teplota hmotných vnitřních stěn na konci a začátku časového intervalu ∆τ; αk (W/m2 K) – součinitel přestupu tepla konvekcí na povrchu hmotných vnitřních stěn; S (m2) – povrch hmotných vnitřních stěn; tIj (°C) – teplota vnitřního vzduchu na konci časového intervalu ∆τ . Rovnice tepelné bilance hmotných vnitřních stěn (teplo sdělené během intervalu ∆τ ) ⎛ t mj + t mj −1
ν Q rj ∆τ = M c m (t mj − t mj −1 ) + α k S ⎜⎜ ⎝
2
⎞ − t Ij ⎟⎟ ∆τ ⎠
113
(J) (14.14)
Rovnice tepelné bilance vzduchu (tepelný tok) ⎛ t mj + t mj −1
⎞ (14.15) − t Ij ⎟⎟ + k ok S ok (t Ej − t Ij ) + Q Ij = V Ej ρ Ej c (t Ij − t Ej ) (W) 2 ⎝ ⎠ Řešením rovnic (14.14), (14.15) se postupně v čase τj určí teplota vzduchu uvnitř větraného prostoru tIj a teplota hmotných stěn tmj. Na počátku výpočtu v čase τ = 0 se odhadne teplota stěn tm0. Na konci výpočtu v čase τ = 24 h se porovná teplota stěn tm24 s odhadnutou počáteční teplotou tm0; pokud se obě hodnoty neshodují, opakuje se cyklus výpočtu s opravenou teplotou tm0. Důvodem uvedeného postupu je modelování relativně nejméně příznivého stavu, kdy se předpokládají, po sobě následující, shodné dny s extrémní tepelnou zátěží.
(1 − ν ) Qrj + α k S ⎜⎜
Výsledné řešení poskytuje průběh teploty vnitřního vzduchu tI během 24 hodin (obr.14.3). Maximální teplota tImax nemá převyšovat hodnotu požadovanou hygienickými směrnicemi. Pokud je tImax vyšší než požadovaná hodnota, lze zvýšit průtok venkovního vzduchu VE, případně i měnit průtok VE během dne a noci.
Obr. 14.3 Teplota vnitřního vzduchu tI ve větrané hale v letním dni
14.2 Průtok oběhového vzduchu Větrací zařízení mohou přivádět do větraných i klimatizovaných prostorů buď pouze venkovní vzduch, nebo směs vzduchu venkovního a oběhového. Oběhový vzduch se využívá ze dvou hlavních důvodů: • pro kompenzaci průtoku vzduchu odváděného odsávacími zařízeními • ke snížení pracovního rozdílu teplot│tP – tI │, tj. - rozdílu mezi teplotou přiváděného vzduchu tP a teplotou vnitřního vzduchu tI při teplovzdušném vytápění, - rozdílu mezi teplotou vnitřního vzduchu tI a teplotou přiváděného vzduchu tP v klimatizaci při chlazení v létě. 14.2.1 Kompenzace průtoku vzduchu odváděného odsávacími zařízeními
U odsávacích zařízení, která odvádí vzduch do venkovní atmosféry, je nutno do odsávaného prostoru přivádět venkovní vzduch, v zimě ohřívaný ( VP = VE = VO). Spotřeba tepelné energie na ohřev venkovního vzduchu je vysoká, zvláště u průmyslových odsávacích zařízení. Jak bylo uvedeno v odst.14.1.2, bývá průtok odsávaného vzduchu VO zpravidla vyšší než průtok VE nutný pro splnění požadavků na čistotu vnitřního ovzduší (odst.14.1.1). Rozdíl VP – VE = VOb lze uhradit oběhovým vzduchem, pokud oběhový vzduch (po filtraci) splňuje hygienické požadavky na čistotu. Výhodou oběhového vzduchu je, že jeho teplota je shodná 114
s teplotou vnitřního vzduchu - není proto nutné oběhový vzduch ohřívat, což snižuje potřebu energie. V pracovním prostředí (především jsou to technologické provozy), podle [14.7], oběhový vzduch musí být vyčištěn tak, aby koncentrace škodliviny v oběhovém vzduchu byla po filtraci nižší než 5 % koncentrace CPEL udané v [14.7]. V provozech, kde v průběhu roku podíl čerstvého a oběhového vzduchu může kolísat, nesmí za všech okolností poklesnout podíl čerstvého vzduchu VE pod hodnotu 15 % VP . V prostorech bez vývinu technologických škodlivin (v místnostech pro pobyt osob) se považuje čistota vnitřního vzduchu, tj. i čistota odváděného vzduchu, za vyhovující pro zpětný přívod do větraného prostoru. 14.2.2 Snížení pracovního rozdílu teplot
Jak je uvedeno v odst. 15.3.2, při dimenzování klimatizačních zařízení, ale i větracích zařízení která slouží i k vytápění (teplovzdušné větrání a vytápění), případně k odvodu letní teplné zátěže je rozhodující určující veličinou rozdíl teploty vzduchu přiváděného a teploty vzduchu v místnosti (při vytápění), resp. rozdíl teploty vzduchu v místnosti a teploty přiváděného vzduchu (při chlazení) – tj. pracovní rozdíl teplot ∆tP = |tP – tI|. Tento rozdíl nemá překročit limitní hodnoty, které jsou dány hygienickými požadavky na vytvoření rovnoměrného teplotního pole v místnosti. Jak vyplývá z rovnic (15.1) a (15.2), pro danou tepelnou ztrátu Qzt, resp. danou tepelnou zátěž místnosti Qza, závisí průtok přiváděného vzduchu do místnosti VP na ∆tP. Zpravidla, i při využití maximální možné hodnoty ∆tP výpočtem z rovnic (15.1), (15.2) vychází potřebný průtok přiváděného vzduchu VP vyšší, než průtok venkovního vzduchu VE, který byl stanoven podle požadavků na čistotu vzduchu. (odst. 14.1.1). Aby byl dodržen potřebný průtok přiváděného vzduchu, stanovený podle ∆tP, použije se oběhový vzduch o průtoku VOb = VP – VE.
14.3 Koncepce systémů nuceného větrání Správně navržený systém nuceného větrání zajišťuje : • přívod venkovního čerstvého vzduchu • filtraci přiváděného vzduchu; pouze ve výjimečných případech (není-li zařízení vybaveno ohřívačem vzduchu) lze přivádět i nefiltrovaný venkovní vzduch - v garážích, tunelech, kotelnách • ohřev přiváděného vzduchu v zimním období; pouze ve výjimečných případech (v místnostech, kde se trvale nezdržují osoby) lze přivádět i vzduch neohřívaný – garáže, tunely, kotelny • odvod vzduchu (s přimíšenými škodlivinami, případně tepelnou zátěží) • odlučování látkových škodlivin ze vzduchu vyfukovaného do atmosféry, pokud to zákonné požadavky vyžadují [14.8]. Celkovým nuceným větráním lze zajistit ve větraných prostorech potřebné tlakové podmínky: • Podtlaková zařízení slouží k omezení průniku vnitřního vzduchu s přimíšenými škodlivinami do okolních prostorů; průtok nuceně přiváděného vzduchu je menší než průtok nuceně odváděného vzduchu VP < VO (m3/s) (v průmyslových provozech se zdroji škodlivin, v laboratořích, záchodech aj.); velikost podtlaku bývá 15 až 30 Pa, u náročných provozů 50 Pa, v prostoru jaderných reaktorů až 200 Pa. • Přetlaková zařízení zabraňují vnikání vzduchu z okolí (obvykle s vyšším obsahem škodlivin) do větraného prostoru: VP > VO (m3/s) (v čistých prostorech, operačních sálech, v
115
řídících kabinách a velínech v průmyslu aj.); velikost přetlaku bývá požadována minimálně 15 Pa. • Rovnotlaká zařízení (VP =VO) se uplatní, nejsou-li důvody pro přetlakové/podtlakové zařízení. Velikost podtlaku či přetlaku závisí i na těsnosti větraného prostoru vzhledem k okolnímu prostředí. U netěsných místností s rozměrnými spárami oken, dveří i spárami ve stavební konstrukci nelze požadovaný podtlak (přetlak) dosáhnout i při vysokých rozdílech v průtocích VP a VO. V běžných případech obytných, společenských i průmyslových objektů jsou rozdíly hodnot | VP - VO | v rozmezí 5 až 15 %.
14.4 Větrání a vytápění v zimním období Větrací systém v zimním období může sloužit i ke krytí tepelné ztráty objektu (větrání a teplovzdušné vytápění). Systém může hradit celou tepelnou ztrátu nebo pouze její část, podle toho, zda je v prostoru instalováno nezávislé vytápěcí zařízení. Větrací zařízení může být řešeno pouze s přívodem venkovního vzduchu, nebo také může využívat vzduch oběhový. Větrací jednotka je vybavena směšovací komorou, filtrem, ohřívačem a ventilátory pro přívod a odvod vzduchu. Zařízení je obecně definováno těmito údaji: průtokem venkovního vzduchu VE, průtokem oběhového vzduchu VOb, výpočtovými hodnotami teplot vnitřního vzduchu tI a venkovního vzduchu tE, pracovním rozdílem teplot ∆tP, tepelným výkonem ohřívače QOh a teplotou vzduchu za ohřívačem, tj. teplotu vzduchu přiváděného do prostoru tP. Průtok venkovního vzduchu VE v zimním období se stanoví podle požadavků na čistotu ovzduší (odst. 14.1.1); předpokladem je, že ve větraném prostoru není instalováno odsávací zařízení. Takto stanovený průtok představuje zpravidla minimální průtok venkovního vzduchu pro dané zařízení. 14.4.1 Kombinace větrání a vytápění, bez oběhového vzduchu
Při kombinaci větrání s vytápěním existují tři níže uvedené varianty, podle toho, jakou část tepelné ztráty objektu Qzt hradí větrací zařízení. Základní schéma na obr. 14.4 může být doplněno předehřevem venkovního vzduchu výměníkem zpětného získávání tepla z odváděného vzduchu.
Obr. 14.4 Kombinace větrání a vytápění, bez oběhového vzduchu Objekt je vybaven samostatnou otopnou soustavou Otopná soustava hradí svým výkonem Qvy plně celkové tepelné ztráty Qzt (W) pro dodržení požadované vnitřní teploty tI (°C). Větracím zařízením se přivádí do prostoru vzduch VE o teplotě tP = tI . Ohřívač vzduchu ve větrací jednotce bude dimenzován na tepelný výkon pouze pro ohřátí venkovního vzduchu na teplotu vnitřního vzduchu
116
QOh = VE ρ c (t I − t E min )
(W)
(14.16) kde ρ (kg/m ) je hustota venkovního vzduchu, c (J/kg K) – měrná tepelná kapacita vzduchu, tEmin (°C) – extrémní výpočtová teplota venkovního vzduchu, doporučuje se volit tEmin = tE obl – 3 K; tEobl (°C) – výpočtová venkovní teplota dle ČSN EN 12831 [14.5]. 3
Otopná soustava hradí tepelné ztráty objektu pouze zčásti Výkon otopné soustavy Qvy (W) zajišťuje při jejím samostatném provozu minimální požadovanou teplotu tIvy (např. 10 až 15 °C v noci, o víkendech). V pracovní době hradí větrací jednotka zbytkovou část tepelných ztrát (14.17) (W) Q = Q −Q zt vě
zt
vy
Tepelný výkon Qvy lze určit z následujícího vztahu (14.18), pokud je známá hodnota Qzt (W), stanovená pro dodržení teploty tI t Ivy − t E min (W) Qvy = Q zt (14.18) t I − t E min Ohřívač vzduchu ve větrací jednotce bude dimenzován na tepelný výkon
QOh = VE ρ c (t I − t E min ) + Q zt vě
(14.19)
(W)
Teplota přiváděného vzduchu v extrémních zimních podmínkách tP max (°C) se určí ze vztahu (14.20) pro známý tepelný výkon ohřívače (daný vztahem (14.19) (14.20) ) (W) Q = V ρ c (t −t Oh
E
P max
E min
odkud t P max =
QOh + t E min VE ρ c
(°C)
(14.21)
nebo ze vztahu pro tepelnou ztrátu hrazenou větracím zařízením
Q zt vě = VE ρ c (t P max − t I )
(14.22)
(W)
tj.
t P max =
Q zt vě VE ρ c
+ tI
(°C)
(14.23)
V objektu není instalována otopná soustava Celkové tepelné ztráty Qzt hradí větrací jednotka. Ohřívač vzduchu ve větrací jednotce bude dimenzován na maximální tepelný výkon (14.24) (W) Q = V ρ c (t − t )+Q Oh
E
I
E min
zt
Maximální teplota přiváděného vzduchu tPmax (°C) se určí ze vztahu (14.21). 14.4.2 Kombinace větrání a vytápění, s oběhovým vzduchem Teplota oběhového vzduchu se shoduje s teplotou vzduchu ve větraném prostoru, nebo se od ní zpravidla jen nepatrně odlišuje, tOb ≅ tI, ale také může být tOb ≠ tI .
Při dimenzování ohřívače vzduchu v systému s oběhovým vzduchem může nastat několik variantních stavů.
117
Např. větrací systém (obr.14.5) kryje plně tepelnou ztrátu místnosti Qzt, průtok přiváděného vzduchu do místnosti VP = VE + VOb. Jaký bude výkon ohřívače vzduchu QOh (W), jaká bude maximální teplota přiváděného vzduchu do místnosti (teplota vzduchu za ohřívačem) tPmax (°C) ?
Obr. 14.5 Kombinace větrání a vytápění, s oběhovým vzduchem
a) Varianta tOb = tI, výkon ohřívače QOh = V E ρ c (t I − t E min ) + Q zt
(14.25)
(W)
Pro smíšený venkovní a oběhový vzduch platí: MSm = VSm ρSm = ME + MOb = VE ρE + VOb ρOb a M Sm c t Sm = M E c t E + M Ob c t Ob ) (W) odkud lze určit teplotu tSm; výkon ohřívače je pak (W) QOh = M Sm c (t P max − t Sm )
(14.26)
a t P max =
Qoh + t Sm M Sm c
(14.27)
(°C)
b) Varianta tOb < tI, výkon ohřívače je dán vztahem (14.25), ke kterému se připočítá potřebný doplňkový výkon k ohřevu oběhového vzduchu (14.28) QOh Ob = VOb ρ Ob c (t I − t Ob ) (W) c) Varianta tOb > tI, výkon ohřívače je dán vztahem (14.25), od kterého je nutno odpočítat doplňkový topný výkon oběhového vzduchu (14.29) QOh Ob = VOb ρ Ob c (t Ob − t I ) (W)
14.5 Větrání v letním období Větrací zařízení v letním období se provozuje výhradně s venkovním vzduchem o teplotě tE, oběhový vzduch se nepoužívá (teplota vnitřního vzduchu tI je zpravidla vyšší než teplota venkovního vzduchu tE). Průtok venkovního vzduchu VE se určuje podle požadavku na odvod tepelné zátěže Qza (W) (odst. 14.1.3), podle požadavku na čistotu vnitřního ovzduší (odst. 14.1.1), případně i podle požadavku na vyrovnání vzduchové bilance (odst. 14.1.2). Pro dimenzování větrací jednotky se použije vyšší průtok. 118
Jak bylo uvedeno v odst. 14.1.3, při odvodu letní tepelné zátěže větráním venkovním vzduchem bude teplota vnitřního vzduchu tI vyšší než teplota přiváděného venkovního vzduchu tE. Výjimku mohou představovat objekty s vysokou tepelnou kapacitou vnitřních stěn, v noci intenzivně větrané, během dne s dobře stíněnými prosklenými plochami proti sluneční radiaci a s minimální intenzitou větrání. (např. obytné místnosti). V ostatních případech teplota vnitřního vzduchu výrazně závisí na průtoku venkovního vzduchu a jeho časovém rozložení, na vnitřní tepelné kapacitě objektu a na charakteru tepelné zátěže. Při stanovení průtoku vzduchu podle požadavku na odvod tepelné zátěže lze rozlišit dva případy: objekty, kde se neprojeví vliv letní venkovní zátěže, tj. kde výrazně převyšuje vnitřní a) zátěž - průtok venkovního vzduchu se určuje dle rovnice (14.10) objekty, kde letní tepelná zátěž je podstatně určena venkovními zisky, zvláště radiací b) prostupující prosklenými plochami - průtok venkovního vzduchu se určí dle metody charakterizované rovnicemi (14.14) a (14.15). Pozn.: Výpočty průtoku vzduchu pro zimní a letní provoz mohou poskytnout hodnoty VP, které mohou být blízké, nebo značně odlišné. Jsou-li průtoky značně odlišné, může být výhodným řešením návrh dvou samostatných zařízení, která při společném provozu zajistí vyšší požadovaný průtok. Větrací jednotka může být také navržena pro dvojí průtok (s dvouotáčkovým elektromotorem), nebo i s plynulou změnou průtoku vzduchu (s frekvenčním měničem pro elektromotor ventilátoru).
14.6 Literatura [14.1] [14.2] [14.3] [14.4] [14.5] [14.6] [14.7] [14.8] [14.9]
CHYSKÝ, J. Výpočet teplot vzduchu v místnostech bez klimatizace v letních podmínkách. Vytápění, větrání, instalace, 1995, roč. 5, č.1. CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3. vyd. Brno: BOLIT B-press, 1993. ISBN 80-901574-0-8. SCHRAMEK, E.R. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München: Oldenbourg Industrieverlag, 2007. ISBN 10:3-8356-3104-7. ČSN 73 0548: 1986. Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů. ČSN EN 12831: 2005. Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu. ČSN EN 13779: 2007. Větrání nebytových budov – Základní požadavky na větrací a klimatizační zařízení. Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci. Nařízení vlády a vyhlášky ministerstva životního prostředí č. 417/2005 Sb. a č. 352/2002 Sb. až 356/2002 Sb., kterými se stanoví emisní limity The ESP-r System for Building Energy Simulation – User Guide Version 10 Series. Glasgow: Strathclyde University, 2002. www.esru.strath.ac.uk
119
15
Vzduchový jednozónový klimatizační systém
Základním systémem, jehož funkční principy využívají i další klimatizační systémy, je jednozónový, jednokanálový vzduchový systém, obr.15.1, obr.15.2 a obr. 2.5. Hlavní výkonové parametry systému: • průtok přiváděného vzduchu do klimatizované místnosti VP (m3/s) • průtok venkovního vzduchu VE (m3/s) • průtok oběhového vzduchu VOb (m3/s) • tepelný výkon ohřívače vzduchu QOh (W) • chladicí výkon chladiče vzduchu QCh (W) • vlhčící výkon zvlhčovače vzduchu (tok vody) MZv (kg/s). Změny stavu vzduchu při úpravě v klimatizační jednotce a které probíhají v klimatizované místnosti se znázorňují v h - x diagramu vlhkého vzduchu.
15.1 15.1.1
Určující parametry venkovního a vnitřního prostředí Parametry venkovního klimatu
Maximální výkon hlavních prvků klimatizačního systému (ohřívačů, chladičů) se určuje pro extrémní zimní a letní podmínky, které byly vyhodnoceny z dlouhodobých (10 až 20 letých) období. V přechodném období jsou výkony ohřívačů, chladičů, zvlhčovačů i poměry směšování vzduchu venkovního a oběhového řízeny automatickou regulací tak, aby byly požadované vnitřní parametry dodrženy v závislosti na změnách venkovního klimatu i vnitřních tepelných a vlhkostních zátěží. Teplota vzduchu Zima • Teplota venkovního vzduchu, při které se určují tepelné ztráty klimatizovaného prostoru je oblastní teplotou (- 12, -15, -18 °C) dle ČSN EN 12831 [15.2]. Oblastní teploty byly stanoveny pro vytápění budov vyznačujících se akumulační schopností, nejsou to hodnoty extrémně nízké. • Pro dimenzování ohřívačů venkovního vzduchu se v klimatizačních/větracích zařízeních doporučuje používat teploty venkovního vzduchu minimálně o 3 °C nižší než oblastní teploty, neboť ve vzduchotechnickém systému se projeví okamžitě i krátkodobý pokles teploty venkovního vzduchu pod oblastní teplotu. Léto • Letní výpočtová teplota venkovního vzduchu pro výpočet tepelné zátěže je dle ČSN 73 0548 [15.3] jednotně 30 °C. Toto zjednodušení je možné, neboť teplota venkovního vzduchu v létě neovlivňuje podstatně venkovní letní zátěž; výrazně významnější je vliv sluneční radiace. • Pro dimenzování chladičů venkovního vzduchu se doporučuje uplatnit maximální teploty, dosahující v ČR cca 32 °C. Doporučené hodnoty letních výpočtových teplot venkovního vzduchu uvádí publikace J. Chyského [15.1]. Vlhkost vzduchu Při popisu funkce klimatizace se zpravidla používají údaje měrné vlhkosti x (g/kg), relativní vlhkosti ϕ (-) a parciálního tlaku vodních par pv (kPa). Vlhkost vzduchu může být zadána i údaji teploty vzduchu t (°C) entalpie h (kJ/kg).
120
Zima • V zimním období ve venkovním vzduchu se nachází nejmenší obsah vodních par; při teplotě venkovního vzduchu tE = - 15 °C je (v ČR) výpočtová měrná vlhkost xE = 1,0 g/kg, ϕE = 1. Léto • Při letních extrémních teplotách a bezmračných dnech (tE = 32 °C) se uvažuje měrná vlhkost xE = 10,5 g/kg (entalpie hE = 58 kJ/kg). Výpočtová entalpie venkovního vzduchu hE pro větší česká města je uvedena v publikaci J. Chyského [15.1]. Intenzita sluneční radiace • Údaje o intenzitě sluneční radiace I (W/m2), pro dimenzování klimatizace v ČR, jsou soustředěny v ČSN 73 0548 [15.3]. Norma poskytuje, kromě výpočetních vztahů, i tabelární hodnoty celkové intenzity sluneční radiace dopadající na orientované netransparentní povrchy budov i hodnoty celkové sluneční radiace prostupující jednoduchým standardním zasklením transparentních ploch v jednotlivých měsících. Údaje jsou stanoveny výpočtem ze vztahů popisujících sluneční geometrii (viz kap. 3). Tlak vzduchu • Střední barometrický tlak vzduchu pro výpočty v klimatizaci v ČR se uvažuje pb = 98,1 kPa, resp. 100 kPa. Pro oba tyto tlaky jsou v ČR konstruovány diagramy vlhkého vzduchu h – x, rozdíly jsou zanedbatelné. 15.1.2 Parametry vnitřního prostředí Teplota vzduchu • Pro komfortní klimatizaci se zpravidla doporučuje teplota vnitřního vzduchu - zimní období : tI = 22 až 20 °C, - letní období : tI = 24 až 26 °C. Požadavky na teplotu vzduchu u technologických klimatizačních zařízení mohou být obecně v širokém rozmezí, převážně se však blíží požadavkům komfortním. • Výpočty výkonů klimatizačních zařízení vychází z požadované teploty vnitřního vzduchu tI. Hygienická kriteria, uplatněná v nařízení vlády č. 361/07 Sb. [15.5], požadují dodržení operativní teploty to (odst. 1.3.3). Lze pouze velmi přibližně odhadnout, že v zimním období pro dosažení operativní teploty to je nutno při návrhu klimatizace uvažovat s teplotou vzduchu tI = to + 1(2) °C (nejsou-li v místnosti velké prosklené fasádní plochy), v letním období naopak tI = to - 1(2) °C (za předpokladu, že jsou stíněna okna proti přímé sluneční radiaci). Relativní vlhkost vzduchu • V zimním i letním období, pro pracovní prostředí, jsou hygienicky požadované parametry uvedeny v nařízení vlády č. 361/07 Sb.[15.5]: ϕI = 30 až 70 % celoročně. • Pro komfortní klimatizaci se udává jako optimální hodnota relativní vlhkosti vzduchu ϕI = 50 %. Některé výzkumy pocitů osob ukazují, že lépe vyhovuje relativní vlhkost nižší než 50 %, avšak ne pod 30 %. Aby nepoklesla relativní vlhkost vzduchu pod minimální hodnotu 30 %, je třeba v převážném počtu případů vzduch při klimatizaci v zimě vlhčit. V letním období, bez úpravy vlhkosti, se v komfortním chlazeném prostředí zpravidla dosáhne relativní vlhkosti vzduchu v rozmezí 40 až 60 %.
15.2
Tepelná zátěž, tepelná ztráta klimatizované místnosti
• Tepelná zátěž místnosti Qza (W) se určuje výpočtem dle ČSN 73 0548 [15.3]; zahrnuje citelné tepelné zisky od vnitřních zdrojů (QzaI) i citelné tepelné zisky z venkovního 121
prostředí (QzaE). Qza je citelný tepelný tok, který z místnosti odvádí klimatizační zařízení (viz kap. 3). Tepelná zátěž místnosti Qza je částí tepelného výkonu chladiče vzduchu QCh (W) v klimatizační jednotce, který zahrnuje dále citelný i vázaný tok tepla při chlazení venkovního vzduchu, tepelné zisky ve vzduchovodech i tepelný zisk od ventilátoru. • Tepelná ztráta místnosti Qzt (W) se určuje dle ČSN EN 12831 [15.2]. Při dimenzování klimatizačního zařízení pro zimní provoz je nutno znát koncepci úhrady tepelných ztrát v objektu, kde může být provozován i nezávislý vytápěcí systém. Existují tři možné varianty (Qzt kl je tepelná ztráta, kterou hradí klimatizační zařízení), obdobně jako u větracího a teplovzdušného zařízení – odst 14.4.1: a) Tepelná ztráta je plně hrazena vytápěcím zařízením Qvy = Qzt, klimatizace v zimě neslouží k vytápění (ke krytí tepelné ztráty), ale pouze k větrání (s případnou úpravou vlhkosti). b) Vytápěcí zařízení hradí tepelnou ztrátu místnosti částečně, celková tepelná ztráta místnosti, stanovená dle ČSN EN 12831, se rozdělí na dvě části Qzt = Qzt vy + Qzt kl, kde Qzt vy hradí vytápěcí systém. c) V objektu není instalována otopná soustava, klimatizační zařízení hradí plně tepelnou ztrátu místnosti Qzt = Qzt kl, vytápění není instalováno. Řešení ad b) je obdobné jako u větrání v bodě b) odst. 14.4.1.
15.3
Průtoky vzduchu
Při dimenzování klimatizace se určuje průtok • venkovního vzduchu VE, • přiváděného vzduchu do místnosti VP, • oběhového vzduchu VOb. 15.3.1 Průtok venkovního (čerstvého) vzduchu VE Zásady pro stanovení průtoku venkovního vzduchu v klimatizaci jsou shodné jako u větrání v odst. 14.1.1. 15.3.2 Průtok přiváděného vzduchu VPQ stanovený z tepelné bilance místnosti Pro stanovení průtoku VPQ je rozhodující extrémní tepelný tok, který má zařízení z místnosti odvést (v létě tepelná zátěž Qza) a který má zařízení do místnosti přivést (v zimě tepelné ztráty Qzt) Platí (obr. 15.1) •
léto
VPQl = Qza/ρ c (tI – tP)
(15.1)
•
zima
VPQz = Qzt /ρ c (tP – tI)
(15.2)
kde (tI – tP), resp. (tP – tI) (K) je pracovní rozdíl teplot ∆tP = |tP – tI |; tI (°C) - teplota vzduchu v místnosti, tP (°C) – teplota přiváděného vzduchu do místnosti, ρ (kg/m3) - hustota vzduchu, c (J/kg K) - měrná tepelná kapacita vzduchu. Pracovní rozdíl teplot ∆tP v létě se volí v rozmezí 3 až 12 K a závisí na způsobu rozptýlení vzduchu v místnosti. Nejnižší hodnoty (3 K) jsou vhodné pro systémy s malou intenzitou směšování (zaplavovací princip - zdrojové velkoplošné vyústky), kdy vzduch z vyústky se přivádí přímo do pásma pobytu osob. U systémů směšovacích je ∆tP převáženě v rozmezí 6 až 8 K. Nejvyšší rozdíl (až 12 K) se uplatní u výustí s vysokou intenzitou směšování přiváděného vzduchu se vzduchem v místnosti (vířivé anemostaty). Relativně malé pracovní rozdíly teplot v letním období jsou nutné, aby nedocházelo k nerovnoměrnému rozložení 122
teplot (až místnímu podchlazení) v pásmu pobytu osob, které může vzniknout vertikálním působením gravitačních sil směrem k podlaze, při přívodu výrazně chladného vzduchu. V zimě může být pracovní rozdíl teplot ∆tP vyšší než v létě (20 až 30 °C) vzhledem k tomu, že při přívodu teplého vzduchu vztlakové síly působí vertikálně směrem vzhůru. Pro zimní provoz, dle rovnice (15.2), vychází průtok vzduchu VPQz zpravidla menší než průtok VPQl pro léto. Je to dáno větším přípustným ∆tp v zimě a také zlepšující se tepelnou izolací budov - snížením tepelné ztráty Qzt. Naopak produkcí tepla od technických zařízení (elektroniky) a často rozměrně proskleným obvodovým pláštěm narůstá tepelná zátěž Qza v létě. Je-li klimatizační jednotka vybavena jednootáčkovým ventilátorem, pak je pro dimenzování průtoku vzduchu podle tepelné bilance rozhodující větší z obou průtoků VPQl, VPQz, tj. zpravidla VPQl. V případě dvouotáčkových elektromotorů, případně motorů s proměnnými otáčkami, může být zařízení provozováno v zimě s nižším průtokem VPQ . V takovém případě je třeba analyzovat rozptýlení vzduchu v prostoru při sníženém průtoku vzduchu. 15.3.3
Průtok přiváděného vzduchu klimatizační jednotkou VP, průtok oběhového vzduchu VOb
Průtok vzduchu VP, který do místnosti bude přivádět klimatizační jednotka, se určí z porovnání hodnot VE a V PQ pro daný případ. Jsou tyto možnosti: •
VPQ > VE, pak VP = VPQ , v zařízení se použije oběhový vzduch o průtoku VOb = VP - VE
• VPQ < VE , pak VP = VE, zařízení bude dopravovat pouze venkovní vzduch; v takovém případě je třeba provést přepočet pracovního rozdílu teplot ∆tP. Oběhový vzduch má parametry vnitřního vzduchu v místnosti. Jeho využití je ekonomické → z hlediska využívání tepla z odváděného vzduchu jde o 100 % využití tepelné energie. Oběhový vzduch lze ovšem použít pouze tehdy, pokud jeho kvalita vyhovuje hygienickým podmínkám [15.5], [15.4]. Pokud výpočtem, podle výše uvedených vztahů, vyjde možnost použití oběhového vzduchu, ale jeho kvalita nesplňuje požadavky, pak se oběhový vzduch nepoužije a do klimatizovaného prostoru se přivádí výhradně venkovní vzduch. V takovém případě je účelné použít výměník pro zpětné získávání tepla z odváděného vzduchu k ohřevu vzduchu venkovního (viz kap. 6). Pozn.: U klimatizačních zařízení je třeba uvažovat funkci nejen za extrémních letních resp. zimních podmínek, ale také v průběhu přechodných období mezi létem a zimou. Klimatizační zařízení, které využívá oběhový vzduch se provozuje s minimálním průtokem venkovního vzduchu VE (a maximem oběhového vzduchu VOb) zpravidla pouze za extrémních zimních klimatických podmínek. V přechodném období poměr mezi průtokem VE a VOb roste (řízením automatickou regulací) a zařízení může být z energetických důvodů efektivně provozováno i při VP = VE, kdy VOb = 0.
15.4
Tepelný, chladicí a vlhčící výkon klimatizačního zařízení
K řešení se použije h–x diagram vlhkého vzduchu. Následující postup platí pro typické komfortní vzduchové klimatizační zařízení, jednozónové, jednokanálové, schéma obr. 15.1. Klimatizační zařízení je vybaveno směšováním, ohřevem, chlazením a vlhčením vzduchu párou pro zimní provoz. Tepelný, chladicí a vlhčicí výkon zařízení se určuje pro extrémní letní a zimní podmínky. Pro tyto stavy se také proces úpravy znázorňuje v diagramu h – x. 123
Obr. 15.1 Schéma vzduchového jednozónového klimatizačního systému s oběhovým vzduchem; E, P, I, O, Ob – vzduch venkovní, přiváděný, vnitřní, odváděný, oběhový; Smsměšovací komora, F – filtr, Oh – ohřívač, Ch – chladič, Zv – zvlhčovač, Ve – ventilátor, K – klapka; Ms (kg/s) – produkce vodní páry od osob; QzaI, QzaE (W) – citelná tepelná zátěž vnitřní, venkovní, Qzt (W) – tepelné ztráty
Obr. 15.2 Schéma vzduchového jednozónového klimatizačního systému s výměníkem zpětného získávání tepla Zt; ostatní označení podle obr. 15.1 15.4.1 Letní provoz Řešení obvykle začíná letním provozem, jak bylo zdůvodněno v odst. 15.3. Prvky klimatizačního zařízení pro letní provoz • Směšování venkovního vzduchu ME a oběhového vzduchu MOb probíhá ve směšovací komoře Sm, poměr směšování se řídí v průběhu roku regulačními klapkami K. Stav odváděného vzduchu O (a tedy i oběhového vzduchu Ob), při účinném rozptýlení přiváděného vzduchu v místnosti, lze považovat za shodný se stavem vnitřního vzduchu I, tj. tOb ≈ tI, xOb ≈ xI. • Chlazení vzduchu na lamelovém výměníku tepla Ch, který může být proveden jako: a) Vodní chladič – teplota chlazené vody tw1zd / tw2zd = 6/12 °C, 7/14 °C (jmenovitá výstupní/vstupní (vratná) teplota vody na zdroji chladu - index zd). Voda přiváděná do chladiče klimatizační jednotky tw1 může mít teplotu upravenou směšováním vody tw1zd (vystupující ze zdroje chladu) s vodou zpětnou tw2 (z chladiče v klimatizační jednotce) na hodnotu tw1 vyšší než je jmenovitá hodnota tw1zd. Vyšší teplota chladicí vody vstupující do chladiče snižuje odvlhčování vzduchu na chladiči, které může být v letním období nežádoucí; přitom, pro stejný požadovaný citelný chladicí výkon, je však nutná větší teplosměnná plocha chladiče. Regulace tepelného výkonu vodního chladiče je zpravidla kvantitativní - změnou 124
průtoku vody chladičem. Teplota povrchu chladiče na straně vzduchu závisí na teplotách vody, přibližně tCh ≈ (tw1 + tw2)/2 + 1(2) °C. b) Přímý výparník - vypařování chladiva přiváděného z kompresorového chladicího zařízení. Regulace výkonu chladiče (změnou průtoku chladiva) může být, podle koncepce chladicího zařízení, plynulá nebo dvoupolohová (zapnuto/vypnuto). Teplotu povrchu chladiče (výparníku) tCh lze přibližně odhadnout na 4 až 5 °C. Chladicí zařízení pro klimatizaci s přímými výparníky k chlazení vzduchu mohou být provozována (po přepnutí režimu) jako tepelná čerpadla; přímé výparníky změní svoji funkci na kondenzátory a slouží k ohřevu vzduchu. Úprava vzduchu v diagramu h - x pro letní provoz, obr. 15.3 Analyzované klimatizační zařízení v letním období negarantuje relativní vlhkost vzduchu - v létě se vlhkost neupravuje. V komfortních klimatizačních zařízeních relativní vlhkost ϕI vnitřního vzduchu za letních podmínek (bez úpravy vlhkosti) dosahuje přibližně hodnot v rozmezí 40 až 60 %. Zdroje vlhkosti v místnostech jsou zpravidla malé - tok vlhkosti (vodní páry) je pouze od osob Ms (kg/s). Současně při chlazení vzduchu na chladiči v klimatizační jednotce dochází zpravidla k odvlhčování (teplota povrchu chladiče tCh je nižší než teplota rosného bodu tR vzduchu přiváděného do chladiče). V klimatizované místnosti se přiváděný vzduch navlhčí z měrné vlhkosti xP na hodnotu xI , přičemž platí (xI – xP) = Ms /MP
(15.3)
kde MP = ME + MOb (kg/s) je hmotnostní průtok vzduchu přiváděného do klimatizované místnosti. V letním období, kdy je dána teplota vnitřního vzduchu tI, ale není přesně zadaná relativní vlhkost ϕI (hodnota ϕI, resp. hodnota měrné vlhkosti xI je výsledkem bilance vlhkosti v místnosti), lze při stanovení stavu vnitřního vzduchu I postupovat takto: Na počátku výpočtu se relativní vlhkost ϕI odhadne (např. 50 %); stav vnitřního vzduchu I se zvolí na požadované izotermě tI a křivce ϕI = 0,5. Po znázornění procesu úpravy vzduchu v diagramu h-x (viz dále) se odečtením z diagramu určí navlhčení vzduchu v místnosti (xI – xP)diagr. Opakovanou změnou stavu I (změnou ϕI, při tI = konst.) se určí konečná relativní vlhkost vnitřního vzduchu ϕI → porovnáním navlhčení vzduchu zjištěného z diagramu h-x se skutečným navlhčením dle rovnice (15.3); musí platit (xI – xP)diagr = (xI – xP). Pozn.: Pro přesné dodržení požadované relativní vlhkosti vnitřního vzduchu ϕI v létě musí být klimatizační zařízení vybaveno dalšími úpravami vzduchu. Při řešení úpravy vzduchu v diagramu h-x (obr. 15.3) se znázorní výpočtové stavy venkovního vzduchu E a vnitřního vzduchu I (I dle předběžného odhadu ϕI). Zakreslí se povrchová teplota chladiče tCh (podle použitého chladiče vzduchu), bod Ch na čáře ϕ = 1, teplota vzduchu přiváděného do místnosti tP (daná zvoleným pracovním rozdílem teplot (tI – tP)) a znázorní se odpovídající změny stavu vzduchu (směšování venkovního vzduchu ME (kg/s), stav E a oběhového vzduchu MOb (kg/s), stav I, chlazení vzduchu na stav P, změna stavu vzduchu v místnosti z P na I). Analýzou bilance vlhkosti se určí konečný stavu vnitřního vzduchu I. Z rozdílu entalpie vzduchu před chladičem a za chladičem se určí potřebný celkový chladicí výkon chladiče vzduchu QCh = MP (hSm – hP ) (W)
(15.4) 125
kde MP = VP ρ (kg/s), hSm (J/kg) je entalpie vzduchu před chladičem (smíšeného vzduchu oběhového a venkovního vzduchu), hP (J/kg) - entalpie vzduchu za chladičem. Doporučuje se uvažovat za chladičem následné ohřátí vzduchu ve ventilátoru, případně i ohřátí vzduchu ve vzduchovodech (viz odst. 5.8) (je nutno zakreslit do diagramu h-x). Vzduchovody, ve kterých proudí upravený vzduch musí být vždy tepelně izolovány. 15.4.2 Zimní provoz Prvky klimatizačního zařízení pro zimní provoz • Směšování venkovního vzduchu ME a oběhového vzduchu MOb, probíhá ve směšovací komoře Sm obdobně jako v létě. • Ohřev vzduchu na lamelovém výměníku tepla Oh, který může být proveden jako: a) Teplovodní ohřívač – teplota vody na zdroji tepla tw1zd /tw2zd = 75/60, 70/60, 50/40 °C. Regulace teplovodních ohřívačů, do kterých se přivádí venkovní vzduch, je vždy kvalitativní, tj. změnou teploty topné vody tw1, trojcestným směšovacím ventilem, směšováním tw1zd a tw2 (z důvodů protimrazové ochrany). Teplovodní rozvod pro vzduchotechnické výměníky se navrhuje vždy samostatně od zdroje tepla - nenapojuje se na teplovodní sítˇ otopné soustavy. b) Parní ohřívač se uplatňuje výjimečně v průmyslových provozech, nevýhodou je obtížná regulace (uzavíráním přívodu páry nebo odvodu kondenzátu). c) K ohřevu venkovního vzduchu může být použit i výměník pro zpětné získávání tepla (ZZT) z odváděného vzduchu doplněný teplovodním ohřívačem (obr. 15.2). Výměník pro zpětné získávání tepla je výhodný pro případy, kdy (pro znečištění) nelze použít oběhový vzduch. • Vlhčení - v současné době se provádí více parními zvlhčovači, méně často vodními pračkami. K přenosu vlhkosti do přiváděného venkovního vzduchu se používají i entalpijní výměníky ZZT které, kromě citelného tepla, umožňují i přenos vlhkosti ze vzduchu odváděného do přiváděného venkovního vzduchu. Pokud se v zimním období vzduch přiváděný do klimatizované místnosti nevlhčí, může relativní vlhkost ϕI vnitřního vzduchu klesnout pod spodní hranici hygienicky přijatelné hodnoty (< 30 %). Úprava vzduchu v diagramu h - x pro zimní provoz, obr. 15.4, obr. 15.5 V zimní provozu se v h-x diagramu znázorní stavy venkovního vzduchu E a vnitřního vzduchu I, obdobně jako pro léto. Pro danou tepelnou ztrátu místnosti Qzt (W) (resp. část tepelné ztráty kterou hradí klimatizační zařízení Qzt kl) a průtok vzduchu MP = VP ρ (kg/s) stanovený pro letní provoz se vypočítá zimní pracovní rozdíl teplot při vytápění (tP – tI) = Qzt / VP ρ c
(15.5)
Při extrémně malém rozdílu (tP – tI) je možno zvážit snížení průtoku přiváděného vzduchu VP pro zimu (použitím dvouotáčkových elektromotorů, případně i motorů s plynulou regulací otáček). V h-x diagramu se zakreslí teplota přiváděného vzduchu tP. Pokud se používá oběhový vzduch (obr. 15.4), znázorní se proces směšování ME (stav E ) a MOb (stav I ) na stav Sm. Následuje ohřev vzduchu v lamelovém ohřívači vzduchu (úprava při xSm = konst.) na teplotu tP. Stav vzduchu za ohřívačem je Oh (tP, xSm). Tepelný výkon ohřívače vzduchu je 126
QOh = VP ρ (hOh - hSm )
(15.6)
kde hOh, hSm, (J/kg) jsou entalpie vzduchu odpovídající stavům Oh, Sm. Alternativně je možné pro předehřev venkovního vzduchu použít výměník ZZT (kap. 6). V takovém případě se nepoužívá oběhový vzduch, klimatizační jednotka přivádí výhradně venkovní vzduch. Do diagramu h-x (obr. 15.5) se zakreslí změna stavu vzduchu ve výměníku ZZT z bodu E na stav Zt (tZt, xZt). Při přenosu pouze citelného tepla je xZt = xE; teplota tZt se určí výpočtem z účinnosti výměníku. Následuje dohřev vzduchu v lamelovém ohřívači vzduchu (úprava při xZt = konst.) na teplotu tP. Stav vzduchu za ohřívačem je Oh (tP, xZt). Tepelné výkony výměníku ZZT QZt a ohřívače vzduchu QOh jsou QZt = VP ρ (hZt - hE )
(15.7)
QOh = VP ρ (hOh - hZt )
(15.8)
kde hE, hZt, (J/kg) jsou entalpie vzduchu odpovídající stavům E, Zt. V zimním období, při úpravě vlhkosti, je známý stav vnitřního vzduchu I (tI, ϕI) a tedy i měrná vlhkost xI (g/kg). Pokud jsou dány vlhkostní zisky (produkce vodní páry) od osob Ms, pak lze určit měrnou vlhkost vzduchu přiváděného o stavu P do místnosti ze vztahu xP = xI - (Ms / MP)
(15.9)
Protože jde o přívod páry, změna probíhá (přibližně) po izotermě ze stavu P na stav I. Stav P (tP, xP) je stav vzduchu přiváděného do místnosti, kde ochlazením a navlhčením se změní na I (tI, ϕI). Po ohřevu v ohřívači se změnil stav vzduchu na Oh (tP, xSm), resp. Oh (tP, xZt). Změna stavu po izotermě tP z bodu Oh do bodu P ≡ Zv vyjadřuje vlhčení vzduchu v parním zvlhčovači; měrná vlhkost se zvyšuje z hodnoty xSm, resp. xZt na xP. Výkon parního zvlhčovače (hmotnostní průtok páry) je dán vztahem MZv = VP ρ (xP – xOh)
(kg/s)
(15.10)
Pokud v místnosti nejsou přítomny osoby, pak v rovnici (15.10) platí xP = xI.
15.5
Literatura
[15.1] CHYSKÝ, J. Vlhký vzduch. 2. vyd. Praha: SNTL, 1997. [15.2] ČSN EN 12831: 2005. Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu. [15.3] ČSN 73 0548: 1986. Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů. [15.4] ČSN EN 13779: 2007. Větrání nebytových budov – Základní požadavky na větrací a klimatizační zařízení. [15.5] Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci.
127
Obr. 15.3 Úprava vzduchu v klimatizačním zařízení s oběhovým vzduchem (dle obr. 15.1) v diagramu h-x: letní provoz
128
Obr. 15.4 Úprava vzduchu v klimatizačním zařízení s oběhovým vzduchem (dle obr. 15.2) v diagramu h-x: zimní provoz
129
Obr. 15.5 Úprava vzduchu v klimatizačním zařízení s výměníkem zpětného získávání tepla (dle obr. 15.2) v diagramu h-x: zimní provoz
130
Příloha 4.1 Fyzikální vlastnosti suchého vzduchu, vodních par, vody, ledu (v rozsahu teplot – 50 °C až 50 °C) Suchý vzduch měrná plynová konstanta měrná tepelná kapacita Vodní páry měrná plynová konstanta měrná tepelná kapacita výparné teplo (při 0 °C) Voda měrná tepelná kapacita Led měrná tepelná kapacita skupenské teplo tání
ra = ca =
287,1 J/kg K 1010 J/kg K
rv = 461,5 J/kg K cv = 1860 J/kg K 3 lv = 2501· 10 J/kg cw =
4186
ce = 2050 le = - 333· 103
J/kg K J/kg K J/kg
Příloha 4.2 Parciální tlak sytých vodních par pvs Teplota t (°C) -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Syté páry pvs (kPa) 0,1651 0,1810 0,1982 0,2170 0,2374 0,2596 0,2834 0,3096 0,3377 0,3682 0,4012 0,4369 0,4756 0,5173 0,5624 0,6107 0,6565 0,7054 0,7574 0,8129
Teplota t (°C) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Syté páry pvs (kPa) 0,8718 0,9346 1,001 1,072 1,142 1,227 1,312 1,401 1,497 1,597 1,704 1,817 1,936 2,062 2,196 2,337 2,485 2,642 2,808 2,982
131
Teplota t (°C) 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44
Syté páry pvs (kPa) 3,167 3,360 3,564 3,778 4,008 4,241 4,491 4,753 5,029 5,318 5,522 5,940 6,274 6,624 6,991 7,375 7,777 8,198 8,639 9,100
Příloha 4.3 h-x diagram vlhkého vzduchu
132
