Bazénová vzduchotechnika – efektivní a provozně úsporné navrhování
Článek se zabývá současnými praktickými problémy bazénových hal spojenými s problémy návrhu a realizace vzduchotechnických systémů. Popisuje klíčové příčiny nežádoucích stavů vnitřního mikroklima. Následně poukazuje na nezastupitelnost spolupráce vzájemně kooperujících profesí, zejména s ohledem na měření a regulaci vzduchotechnického systému.
Úvod
Návrh vzduchotechnické jednotky pro odvod vlhkostní zátěže z prostorů bazénových hal apod. je spojený s mnoha okrajovými podmínkami, který tento návrh ovlivňují. Mezi ty základní patří požadovaná teplota a vlhkost vzduchu v interiéru větraného prostoru. Sestava jednotlivých prvků pro úpravy vzduchu je většinou navrhována na extrémní klimatické podmínky v exteriéru objektu v letním a zimním období. Jak ukazuje následující text, problémy s provozem zařízení a zajištění vnitřních mikroklimatických podmínek nastávají ne v projektech uvažovaných letních a zimních extrémů, ale v přechodných obdobích, kdy se venkovní klimatické podmínky v čase poměrně rychle mění a kdy jsou vzhledem k nasycení venkovního vzduchu vodní parou (vlhký podzim, období po dešti apod.) okrajové podmínky pro odvlhčovaní velmi nepříznivé.
Pro zjednodušení náročného výpočetního řešení je v technické praxi vyvíjen speciální software, který umožní kompletní výpočet návrhu daného vzduchotechnického zařízení a jeho optimální řízení v reálném provozu na základě komunikace s regulátory MaR.
V praxi využívané skladby vzduchotechnické jednotky
Obr. 1 Ukázka „standardní“ skladby VZT jednotky s některými úpravami vzduchu (rekuperace, směšování, předehřev, chlazení, dohřev, filtrace)
V praxi se v současné době používá několik způsobů odvodu vlhkostní zátěže pomocí vzduchotechnické jednotky. Jsou to varianty od nejjednodušších zařízení, které snižují vlhkost pouze větráním, tedy výměnou vzduchu v místnosti za vzduch venkovní, přes zařízení využívající ZZT, směšování a v létě chlazení (chladičem respektive výparníkem, kde dochází při nízkých povrchových teplotách chladiče ke snížení vzdušné vlhkosti v přiváděném vzduchu) až po zařízení vybavené tepelným čerpadlem, ZZT, směšováním, dohřevem apod. viz obr. 2.
Obr. 2 Ukázka možných úprav vzduchu bazénové jednotky určené pro řízené celoroční odvlhčování
Abychom mohli sestavovat a kombinovat jednotlivé úpravy vzduchu podle potřeby, byl sestrojen matematický model odvlhčovací jednotky, který zahrnuje nejčastěji používané úpravy vzduchu. Pro výpočet je potřeba definovat návrhové (okrajové) podmínky nutné a variabilní.
Nutné okrajové podmínky jsou:
- klimatické podmínky v exteriéru (teplota, vlhkost, atmosférický tlak, entalpie)
- mikroklima v interiéru, tj. parametry vzduchu, kterých chceme dosáhnout (teplota, vlhkost)
- vzduchové výkonové parametry VZT zařízení (jak na straně přívodu, tak i odvodu)
Variabilní okrajové podmínky jsou určeny podle toho, které úpravy vzduchu navrhujeme. Mezi ty nejčastější patří:
- zpětné získávání tepla rekuperací (ZZT)
- ohřev vzduchu v zimním období
- chlazení vzduchu v letním období (neřízené odvlhčení)
- cirkulace vzduchu
Pro řízené celoroční odvlhčení se variabilně používá:
- dohřev ochlazeného a odvlhčeného přiváděného vzduchu
- uzavřený okruh tepelného čerpadla s umístěním kondenzátoru v proudu přiváděného vzduchu, případně v provedení pro ohřev bazénové vody, či varianta s výměníkem umístěným v odpadním vzduchu s výtlakem do exteriéru
Z hlediska aplikace okrajových klimatických podmínek a požadovaných podmínek vnitřního mikroklima můžeme výpočet rozdělit do tří základních režimů v zimě, v létě a v přechodném období. Vzhledem k tomu, že v dnešní době je kladen důraz na energetickou náročnost provozu a následné provozní náklady těchto zařízení, byl do programu implementován optimalizační modul, tj. výběr kombinace nejvhodnějších termodynamických úprav, které máme k dispozici s ohledem na nejmenší celkovou energetickou náročnost. Na základě zadaných variabilních okrajových podmínek se provede mnohačetný iterační výpočet a nastaví jednotlivé výkony a příkony jednotlivých prvků tak, aby pokud to fyzikální zákony dovolí, byly zachovány požadované mikroklimatické parametry v interiéru a zároveň respektovány co nejmenší náklady na provoz zařízení.
Po provedení výpočtu nejvhodnějších termodynamických úprav jsou tato optimální nastavení prvků přenesena do dalšího výpočtového modulu jednotky nadřazeného programu AeroCAD. Zde se zobrazí nastavení řešených úprav vzduchu. Pro přehlednost zobrazovaných informací je možné všechny prováděné úpravy sledovat v H-X diagramu. Uživatelem vybrané nastavení je AeroCADem spočítáno po stránce tlakových ztrát jednotlivých výměníků, filtrů, návrhů elektromotorů apod. Následně je novým modulem vytvořeného programu proveden energetický výpočet. Při zadání této části výpočtu jsou jako hlavní vstupní okrajové podmínky uvedeny cena tepla a cena elektrické energie.
Možnost kombinace různých variant úpravy vzduchu představuje výpočtové schéma uvedené na obr. 3. Jedná se o jádro programu určující možné nastavení jednotky s ohledem na zadané podmínky výpočtu (venkovních klimatických a vnitřních požadovaných hodnot).
Obr. 3 Jádro výpočetního programu nastavení bazénové jednotky určené pro řízené celoroční odvlhčování
V programu je důsledně dbáno na energetickou náročnost vzduchotechnického zařízení jako celku s přihlédnutím k příkonu jednotlivých elektromotorů, nastavení jednotky (rekuperace, směšování, obtok, tlaková ztráta filtrů, ZZT apod.) a využití odpadního tepla nejen z odváděného vzduchu, ale taktéž z okruhu tepelného čerpadla využívaného pro řízené odvlhčování. Program umožňuje pracovat s různým umístěním kondenzátoru a tedy s možností využití tepla pro dohřev vzduchu, pro případný dohřev bazénové vody nebo v případě přebytku tepla, jeho odvod do odpadního vzduchu jednotky.
Obr. 4 Výpočtový model pro optimalizaci výpočtu a energetické náročnosti provozu zařízení
Jádro výpočtu je tvořeno jednotlivými objekty charakterizujícími reálné prvky vybavení jednotky (úpravy vzduchu pomocí výměníků, filtry, komory směšování atd.) Tyto jednotlivé objekty umožňují provádět v reálném čase výpočet všech stavových veličin na straně vzduchu při daných jeho úpravách. Dále výpočet zahrnuje technické parametry vybraných objektů, zejména se jedná o závislost reálného topného faktoru tepelného čerpadla s ohledem na odvlhčení respektive chladící výkon vestavěného výparníku. Z uvedené závislosti program počítá s aktuálním reálným elektrickým příkonem kompresoru. V programu je implementována funkce řízení chladícího respektive odvlhčovacího výkonu pomocí frekvenčního řízení kompresoru nebo pomocí obtoku přehřátých par kondenzátoru. Ukázka modulu pro optimalizaci výpočtu a nastavení vybrané varianty s ohledem na energetickou náročnost provozu zařízení je uvedena na obr. 4.
Dalším důležitým parametrem zavedeným do výpočtů ZZT je jeho odvodní účinnost. Z hlediska měření v reálně instalovaných VZT jednotkách za provozu je výhodné pro určení účinnosti využít teplotu za výměníkem ZZT na straně odváděného vzduchu. Zde je většinou čidlo MaR, které zajišťuje ochranu proti namrzání výměníku. Tato účinnost je samozřejmě jiná než přívodní a zahrnuje v sobě jak přenos citelné složky tepla, tak teplo vázané ve formě kondenzátu. Vztah popisující tepelnou rovnováhu je definován:
kde
- to
- – teplota odváděného vzduchu [°C],
- te
- – teplota venkovního vzduchu [°C],
- tp
- – teplota přiváděného vzduchu [°C],
- to,ZZT
- – teplota odváděného za výměníkem ZZT [°C],
- tp,ZZT
- – teplota přiváděného vzduchu za výměníkem ZZT [°C],
- Vp, Vo
- – průtoky přiváděného a odváděného vzduchu [m3/s],
- Mk
- – hmotnostní tok kondenzátu [kg/s],
- Lv
- – výparné teplo vody [J/kg.K],
- c
- – měrná tepelná kapacita vzduchu [J/kg.K],
- ρ
- – nominální hustota vzduchu ρ = 1,2 [kg/m3].
Uvedený početní přístup zahrnuje prakticky kompletní přístup návrhu specifického zařízení jako je zařízení pro dopravu a úpravu vzduchu v prostorách s vývinem vlhkosti. Výstupem je konkrétní optimalizovaný návrh centrální vzduchotechnické bazénové jednotky.
Případové studie současného stavu návrhu a realizace
Případové studie porovnávající současná technická řešení a řešení postavená na aktivních systémech měření a regulace v kombinaci s pokročilými metodami navrhování zazní přímo na konferenci.
Závěr
Článek poukazuje na náročnost problematiky odvlhčování vzhledem ke konstrukci a nastavení „odvlhčovací“ bazénové jednotky, ukazuje na náročnost výpočtu a předkládá softwarové řešení pomocí nového výpočetního modulu implementovaného do dnes již rozšířeného návrhového programu vzduchotechnických jednotek firmy Remak a.s. s názvem AeroCAD.
Předložené komplexní řešení návrhu bazénových jednotek je svým významem jedinečným přístupem aplikovaným v ČR. Možnost využití programu pro optimální řízení a nastavení regulátorů ovládajících zařízení při provozu dává specifickou možnost ekonomických úspor při provozu zařízení. Uvedenou a programem počítanou optimalizací lze dosáhnout (byly provedeny simulace provozu různých technických řešení a nastavení) celkových energetických úspor při provozu zařízení až 20 % oproti systémům řešených a provozovaných „klasicky“.
Článek vznikl za podpory specifického výzkumu na VUT v Brně Fakultě stavební.
Literatura
- [1] RUBINA, A.; TESAŘ, Z.; RUBINOVÁ, O.: Modelování fyzikálních jevů 2 – VZT jednotka a spotřeba energie na odvlhčování, článek v TZB Info, ISSN 1801-4399, Topinfo s.r.o., Praha, 2011
- [2] CHYSKÝ, J., HEMZAL, K. a kol. Technický průvodce větrání a klimatizace. 3. vyd. Praha: ČESKÁ MATICE TECHNICKÁ, 1993. 490 s. ISBN 80-901574-0-8.
- [3] SZÉKYOVÁ, M., FERSTL, K. a NOVÝ, R.. Větrání a klimatizace. 1. české vyd. Bratislava: JAGA, 2006. 359 s. ISBN 80-8076-037-3.
- [4] RUBINOVÁ, O.; RUBINA, A., Ověření účinnosti zařízení pro zpětné získávání tepla z odpadního vzduchu v reálném provozu, článek v Český instalatér, ISSN 1210-695X, ČNTL, spol. s r.o., Praha, 2011
- [5] JÍCHA, Miroslav. Přenos tepla a látky. 1. vyd. Brno: CERM, 2001, 160 s. ISBN 80-214-2029-4.
- [6] BLASINSKI, Petr. Vlhkostní bilance bytu. Brno, 2011. 75 s., 48 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technických zařízení budov. Vedoucí práce doc. Ing. Aleš Rubina, Ph.D.
The article deals with the current practical problems associated with the swiming pool hall design issues and implementation of air conditioning systems. Describes the key causes of adverse conditions of internal microclimate. Points to the irreplaceable cooperation mutually cooperating professions, especially with regard to measurement and control of HVAC systems. Here, the article points out the lack of monitoring during the real operation of equipment, including quantification of actual operating costs. These are closely associated with a primary HVAC equipment design itself - pool unit. Its amenities, structure, designed air treatment and subsequent control with regard to the real operating conditions are a determining factor in the effective design and operation. Case studies are compared to alternative solutions and that "as we used to" and "with the active measurement and control system combined with advanced design methods."
