Optimální řešení vzduchotechniky

Úvodem

Na začátku bývají představy o nákladech, záměry a schémata řešení. Projektant, který má záměrům "vdechnout život", musí být opravdu špičkový a mít konstruktivní myšlení. Je to důležité, protože "vzduchotechnik - specialista" byl dnes z procesu - rovněž kvůli nákladům - vypuštěn a na jeho místo nastoupil tzv. "manažer projektu". Ten kontroluje převážně náklady, tok materiálu a termíny. Aby si to zjednodušil, povýší úvodní projekt po jeho převzetí na montážní - "je přeci povinností vedoucího montéra, aby z toho na místě vytvořil to nejlepší". Myšlenky vyjádřené na papíře, dobré a účelné konstrukční řešení zvláště s ohledem na praktickou proveditelnost, a to vše v duchu celého návrhu - to se dnešních manažerů projektu mnohdy spíše netýká. Zákazníci a budoucí uživatelé zařízení tak nedostanou, co by dostat mohli, kdyby se mu v celém procesu výstavby věnovalo poněkud více pozornosti (a finančních prostředků).

Snížení objemového průtoku vzduchu a energetické náročnosti

Doprava a úprava vzduchu jsou poměrně náročné na spotřebu materiálu a energie. Požadavek na její snížení je ze všeho nejdůležitější. Vždy je tedy třeba si nejprve položit otázku, k jakým účelům je vzduch požadován:

• Je znám přesný počet osob, pro který má být čerstvý vzduch přiváděn?
• Má přiváděný vzduch sloužit také k vytápění nebo chlazení? Lze pro tyto účely nějak využít raději vodu jako teplonosnou látku?
• Má být zvyšována nebo snižována vlhkost vzduchu a je objemový průtok vzduchu regulován podle nějakého výpočtového schématu?
• Dochází v místnosti ke vzniku škodlivin, jejichž obsah musí být snižován nebo odstraňován, aby byly dodrženy hodnoty MAK?
• Jaká výměna vzduchu je požadována v místnostech, rozdělených do různých tříd podle čistoty?
• Je možné použít prvky pro zpětné získávání tepla?
• Je třeba ve vybraných místnostech dodržet určitou výměnu vzduchu?
• Jedná se v místnosti o mírně přetlakový provoz, pouze s jednoduchou úpravou vzduchu?

Jak jsou tyto otázky ve všech fázích projektování důležité, vyplývá z následujícího příkladu z praxe:

U prodejen v nákupní pasáži požadovala podnikatelská správa osminásobnou výměnu s podílem 50 % čerstvého venkovního vzduchu, připadajícího na přítomné osoby. Připojená podpovrchová garáž měla navrženo vlastní větrací zařízení.

Z pohledu montážního podniku se zde přímo nabízel prostor pro řadu vylepšení. Například - proč budovat zařízení se zbytečnou zátěží 50 % cirkulačního vzduchu? Jen kvůli dosažení osminásobné výměny? Skutečná výměna je čtyřnásobná (4 h^-1) a odpovídá podílu čerstvého vzduchu. Podnikatelská správa se svým souhlasem sice váhala, ale nakonec souhlasila s odůvodněním, že cirkulační vzduch by se přirozeným způsobem postupně obohacoval o bakterie, viry a pachy, a to zvláště v oblasti výskytu více lidí. Cirkulace by tak mohla být použita jen s vysokovýkonnými jemnými filtry - ale k čemu by vůbec cirkulace byla?

U instalované větrací soustavy se 100% podílem venkovního vzduchu a čtyřnásobnou výměnou (4 h^-1) mohly být všechny vzduchotechnické prvky menší, s následnými výraznými úsporami materiálu a energie.

Další návrh se týkal větrání garáže: Vzduch odváděný z prostor nákupní pasáže je nyní používán jako přívodní do garáží (obr. 1).

Při zavádění nového schématu řešení byly optimalizaci podrobeny i detaily.

Obr. 1 - Dvojí využití vzduchu: Do prodejen je přiváděno 100 % venkovního vzduchu.
Vzduch odváděný z prodejen je dále využíván k větrání a vytápění podzemních garáží.

Pod nátlakem podnikatelské správy jsou často cíleně zmenšovány jednotlivé vzduchotechnické prvky, u nichž pak dochází při průchodu ke zvyšování rychlosti vzduchu na maximum. Následkem toho jsou vyšší tlakové ztráty a otáčky ventilátoru - a tedy i vyšší provozní náklady a větší tlumiče hluku. V popisovaném případě byly jednotlivé prvky dimenzovány dostatečně velkoryse. Rychlosti vzduchu a s nimi i požadovaný příkon se snížily. Znamená to i snížení hladiny hluku, menší tlumiče hluku a menší požadavky na úložný prostor ve strojovně vzduchotechniky. Obecné požadavky na dimenzování průmyslové vzduchotechniky v závislosti na provozní době obsahuje Směrnice VDI č. 3803 (tab. 1).

Provozní doba (h/rok)	Rychlost vzduchu (m/s)
pod 1500	< 4,0
1500-3000	< 3,0
3000-6000	< 2,5
6000-8760	< 2,0

Tab. 1 - Největší rychlost vzduchu při průtoku
vzduchotechnickými prvky, v závislosti na provozní době (VDI 3803)

Dopravní charakteristika ventilátoru

Dopravní charakteristika je jakýmsi "osobním průkazem" ventilátoru, podle něhož se ventilátor pro danou soustavu vybírá. I zde se nabízí prostor k přemýšlení. Autor si zakládá na volbě pokud možno největšího ventilátoru a tím i udržení nízkých otáček a nízké hladiny hluku.
Následuje příklad:

Obr. 2 - Letmo uložené oběžné kolo v klimatizační jednotce

Při projektování odsávacího zařízení byl navržen odstředivý ventilátor jednostranně sací, se vstupním průměrem 630 mm. Pro požadované tlumiče hluku na sací a výtlačné straně se však nenašlo dostatek místa.

Alternativně byl použit ventilátor se vstupním průměrem 900 mm. Vzhledem k velmi nízkým otáčkám bylo pak možné vypustit jeden tlumič na přívodu. Je vlastně trapné, že hospodárné řešení bylo nalezeno až kvůli problémům s místem.

Použití ventilátoru s letmým uložením

Ventilátory s letmým uložením a jejich velké přednosti bývají často opomíjeny. Dosahují objemového průtoku až 45 000 m³/h a dopravního tlaku až 1500 Pa, což jim otevírá opravdu značný prostor využití. Na obr. 2 je znázorněno oběžné kolo, tvořící takovou jednotku s přímým pohonem, jehož vlastnostmi a přednostmi jsou:

• Axiální (souosý) vstup za filtry a výměníky tepla - beze ztrát, které by vznikaly v důsledku změn směru proudění;
• Volný výstup vzduchu po obvodu oběžného kola do skříně ventilátoru;
• Výstup vzduchu z ventilátoru je možný na libovolné straně. Průřez potrubí na výstupu je volitelný v poměrně velkém rozmezí (např. pro osazení tlumiče hluku);
• Jednotka nemá řemenový, ale přímý motorový pohon (B3 - motor). Odpadá údržba řemenového pohonu a nemůže dojít k poruše přetržením řemenu (důležité u větrání tzv. čistých prostor);
• Je možná změna provozního bodu - vzájemným osovým posunutím motoru a oběžného kola (obr. 3);
• V prostoru vstupní dýzy je možné zabudovat kruhovou sondu, pro případné nastavení potřebného tlakového rozdílu a jeho kontrolu měřením (provozní bod);
• Lepší možnost udržení stálého objemového průtoku vzduchu použitím frekvenčního měniče.

Obr. 3 - Vzájemným posunutím motoru a letmo uloženého oběžného kola je možné změnit provozní bod ventilátoru.
Znaménko "-" u štěrbiny znamená, že se objemový průtok zmenší, znaménko "+", že se objemový průtok zvětší

Regulace objemového průtoku vzduchu

Zmínili jsme se právě, že u ventilátoru s letmým uložením je možné pomocí frekvenčního měniče (FM) regulovat průtok vzduchu tak, aby byl udržován stálý. V praxi dochází k jeho snižování např. v důsledku zanášení filtrů - obecně pak při jakýchkoliv změnách tlakových poměrů. Je to řešení po technické stránce jistě elegantní.

Obr. 4 - U popisované soustavy byly znalosti a zkušenosti nahrazeny zbytečnými tlakovými ztrátami. Za každou odsávací vyústkou byl osazen regulátor objemového průtoku vzduchu. Soustavu je však možné dobře navrhnout a provozovat i bez těchto prvků

Zcela odlišně je ale třeba posuzovat odsávací soustavu podle obr. 4. Za každou odsávací vyústku tu byl navržen samostatný regulátor, takže funkční soustavu lze rychle namontovat, a to bez výpočtů a nějakých konstrukčních úvah - ovšem taková soustava je pak den co den provozována nehospodárně. Bylo by zde lepší rozpomenout se na staré způsoby řešení a výpočty. Buď jak buď, dobré větrací soustavy vznikaly, i když jsme ještě žádné regulátory průtoku neměli.

Správné projektování vzduchových filtrů

K naší radosti se stále více prosazuje poznatek, že by na vstupu do vzduchotechnického zařízení neměly být používány hrubé filtry jakostní třídy G4 či G5, nýbrž jemný filtr třídy F7 ("G" = grob = hrubý, "F" = fein = jemný - pozn. překl.). Pouze ten zachytí škodlivý prach organického původu, který by mohl vést k usazování kolonií různých plísní v soustavách. Optimalizaci filtrace poslouží zařazení ještě druhého jemného filtru F7, čímž dosáhneme celkového účinku filtrace F9. Toto řešení s sebou přináší výhodu, že první filtr lze vyměnit i za provozu soustavy a že se zjednoduší skladování. Jako třetí stupeň by mohly být v případě potřeby použity vysoce účinné filtry třídy H11 ("H" = hoch = vysoce - viz EN 1822 - pozn. překl.). Filtry s obsahem aktivního uhlí se již používají spíše zřídka. Osazují se tam, kde musí být ze vzduchu odstraněny příměsi s intenzívním pachem nebo korozivním účinkem. Zde je ale nutné se poradit s dodavatelem, aby mohly být zodpovězeny všechny související otázky. Ovšem pozor: filtry s obsahem aktivního uhlí nejsou určeny k zachycování částic, a proto jim musí být předřazen ještě filtr třídy F9. Bohužel - někteří dodavatelé však pro tento účel udávají filtr G5.

Konstrukční řešení a výpočet mohou ovlivnit úsporu energie

Je třeba usilovat zejména o účelné zacházení s dopravovaným vzduchem a o úsporný přenos tepelné/chladicí energie. Z dalšího příkladu vyplývá, že to není vždy samozřejmé:

Byla navržena jednoduchá větrací soustava s jedním filtrem, trubkovým teplovodním výměníkem tepla a odstředivým ventilátorem s oboustranným sáním. Vzduch měl být dopravován jednoduchou, přehledně uspořádanou potrubní sítí, vybavenou regulátory konstantního průtoku a vzduchovými vyústkami. Objemový průtok byl 12 000 m³/h, při celkovém tlakovém rozdílu 1500 Pa.

Pohon byl dimenzován na základě tohoto zadání. Zástupce stavebníka však vznesl opodstatněnou námitku a požádal, aby byly škrtnuty všechny regulátory průtoku a soustava byla dimenzována na celkovou tlakovou ztrátu 700 Pa.

Úspora energie zpětným využíváním tepla

Zpětné využívání tepla je téma, jež je třeba doplnit také o termíny, jako jsou "přečerpávání tepla" a "využívání tepla". V příkladu podle obr. 1 docházelo k "využívání tepla" - již použitý vzduch byl využíván ještě k vytápění podzemních garáží.

Dalším příkladem "inteligentního" způsobu zpětného využívání tepla k dohřívání vzduchu se nabízí např. tam, kde je regulována (snižována) jeho vlhkost pomocí chladicího agregátu. Všude, kde je k přímému chlazení vzduchu používán výparník, může jednořadý výměník kondenzátoru sloužit k dohřívání vzduchu. Jedná se o řešení jednoduché a levné. Různé způsoby rekuperačního a regeneračního zpětného využívání tepla nelze mnohdy použít kvůli jejich nárokům na prostor. Při malých průtocích vzduchu často ani nejsou z hlediska provozních nákladů hospodárné. Průmysl ovšem nabízí i kompaktní jednotky. Použití takové jednotky pro ohřívání vzduchu je na obr. 5. Dále existují standardizované jedno-, dvou- a také třístupňové jednotky pro zpětné využívání tepla, dosahující účinnosti přibližně 90 % (systém "Menerga"), jež mohou být v provozu prakticky bez přitápění.

Rozmístění vyústek a směr proudění vzduchu

Dobrý projekt potrubní sítě pro dopravu a rozdělování vzduchu, má-li být v souladu se všemi požadavky, je náročným inženýrským úkolem. Jednotlivé případy je nutné promýšlet samostatně, s ohledem na místní podmínky. Vše se musí pečlivě zvážit, propočítat a dořešit i z konstrukčního hlediska. Každý návrh potrubní sítě může přeci vést buď ke spokojenosti nebo nespokojenosti zákazníků a často mohou do hry vstupovat i nepředvídané vlivy. Tam, kde byla síť nesprávně dimenzována či provedena, se pak setkáváme s reakcemi jako např.: "je tu průvan", "je tu dusno", "není tu dost vzduchu", "je tu zima na nohy, vzduchotechnika dost netopí". V zimním období se pak vyskytují obvykle stesky: "vzduch je příliš suchý", "spouští se mi krev z nosu - vzduch je nutné vlhčit!". V příspěvku se můžeme zmínit pouze o typických problémech, tvořících podstatu častých reklamací a které v mnoha případech platí obecně.

Obr. 5 - Teplovzdušná vytápěcí jednotka spojená se zpětným využíváním tepla. Pomocí axiální vyústky s tangenciální složkou může být ohřátý vzduch přiváděn do pracovní oblasti z výšky 10 m

Průvan může být aktuálním tématem reklamací jak v létě, tak v zimě. Příčina může spočívat: v nesprávném návrhu a dimenzování potrubí, nevhodném umístění vyústek, špatném zaregulování, jakož i v "příliš chladném vzduchu". Každý, kdo chce v takovém případě opravdu pomoci, musí nejprve ověřit průtoky vzduchu měřením a pomocí kouře proudění zviditelnit. Často pomůže pouhé snížení průtoku vzduchu a jemné zvýšení jeho teploty. Někdy se ovšem ukáže nutné vyměnit vyústku za jinou, s odlišnou průtokovou charakteristikou.

Hodně problémů s "průvanem" se objevilo jako následek rozšířeného používání malých kompaktních klimajednotek systém "Split". Na trhu se např. objevily i nástěnné jednotky, které nevyhovují mentalitě lidí v dané oblasti. Mezitím však trh začal nabízet i vnitřní jednotky se zvláště propracovanými způsoby dopravy vzduchu, umožňující velký výběr různých nastavení. Proudění od nástěnných nebo stropních jednotek směrem ke stropu s sebou indukčním účinkem strhává i vzduch z místnosti. Na delší cestě k pobytové oblasti pak dochází k přijatelnému snížení rychlosti i teplotních rozdílů. Tepelnou pohodu lze vylepšit i pomocí skříňových klimatizačních jednotek (vzhledem k jejich lepší regulovatelnosti), připojených k rozvodu chladicí vody nebo pomocí tzv. soustav VRV, s regulovaným rozvodem chladicí vody. Průvan vzniká v letním období i tehdy, když ochlazený vzduch naráží na průvlaky, osvětlovací pásy nebo na stěny a potom podle všech pravidel klesá k podlaze.

Pečlivý projektant nejprve navrhne přívodní vyústky v místnosti podle údajů objednatele a potom dobře zváží vnitřní proudění vzduchu. Mimo jeho pozornost by přitom neměly zůstat ani vzduchotechnické a fyzikální zákonitosti v okolí okenní plochy. Je třeba zdůraznit, že v praxi vzduch obvykle neproudí přesně podle šipek na papíře, hlavní směr proudění by však měl být v podstatě zachován.

Na obr. 6 je znázorněn řez kancelářskou místností, vytápěnou a chlazenou pouze pomocí vzduchotechniky, podle schématu: veškerý vzduch je odváděn nahoře, nad čelní plochou okna. Do místnosti je vzduch přiváděn štěrbinovou vyústkou shora k podlaze, ve vzdálenosti asi 1 m (od okna). Na opačném konci místnosti nahoře je další vyústka, kterou je vzduch vyfukován směrem k podlaze a k oknu. Tímto řešením se zamezilo vzniku nežádoucího proudění chladného vzduchu při podlaze od okna v zimním období - ovšem za předpokladu, že je zajištěna odpovídající automatická regulace teploty vzduchu v místnosti. Výhodná je zde také možnost použití záclon a různých způsobů ochrany proti slunečnímu záření - je však třeba počítat s ponecháním přibližně 10 cm mezery nad podlahou.

Ať již se jedná o jednotlivou místnost, určitou část budovy nebo o celou budovu, je důležité, aby byly všechny použité soustavy - tj. tradiční vytápění, případně i vzduchotechnika a klimatizace - projektovány a budovány současně, podle jednotného schématu. Mimořádný důraz je přitom třeba klást na požadavky regulace. Zvláště je nutné dbát, aby regulace vytápění a regulace vzduchotechniky/klimatizace byla vždy v určitém pořadí. Názor: "Vždyť máme přeci termostatické ventily" ve spojení s klimatizací neplatí. Obraz proudění vzduchu a tepla se např. může v mnoha případech navrhovat podle obr. 7. Tímto řešením se zabrání vzniku průvanu v zimě a běžné vytápění se tak využije nejlepším možným způsobem. K "tepelné cloně" zde dochází před okny, v protikladu k obrazu proudění vzduchu/tepla podle obr. 6. Otopné těleso vytváří vlastní cirkulaci vzduchu a z energetického hlediska by proto nemělo smysl nad tělesem vzduch zase odsávat. Vzniká zde samostatné, tepelně odstíněné proudění vzduchu, přijatelné v každém ročním období - i z hlediska regulace.

Z komentáře k obr. 6 a 7 vyplývá, jakou pozornost je třeba regulaci věnovat. Již umístění snímače teploty do prostoru nebo do potrubí může někdy rozhodnout o funkci celé soustavy. U mnoha soustav se tak po celý rok plýtvá energií a dochází k neustálým reklamacím třeba jen kvůli nesprávně umístěnému snímači teploty.

Výrobci nabízejí projektantům i odborným pracovníkům montážních podniků velký výběr prvků pro rozvody vzduchotechniky, s použitím pro vytápění/nebo chlazení. Případ od případu je třeba se též rozhodnout, jestli je účinnější "směšovací" nebo "zdrojové" větrání, zda musí být rozvod vzduchu řešen pro proměnlivé průtoky či zda je nezbytné navrhnout vyústky s automatickým ovládáním, které se režimu vytápění/chlazení automaticky přizpůsobí.

Jestliže se chceme řídit podle některých zmíněných námětů a přívod čerstvého, centrálně upravovaného vzduchu pokud možno omezit, pak může být účelné použít pro rozvod tepla/chladu vodu, případně jinou teplonosnou látku. Pro chlazení lze také použít stropní plochy, konvektory s ventilátory nebo také klimatizaci s řízeným průtokem chladicí látky (soustavy VRV), ve spojení s různými současnými způsoby regulace.

Obr. 6 - Uspořádání vyústek u "čistě" vzduchotechnické soustavy, v místnosti s prosklenou fasádou.
Z hledisek tepelné pohody prostředí a regulace proudí vzduch směrem k oknu, odsáván je nahoře

Obr. 7 - Otopné těleso pod oknem brání v zimě vzniku průvanu. Vzduch pro větrání a klimatizaci místnosti musí být
přiváděn v určité vzdálenosti od okna. Vyústka pro odvod vzduchu je umístěna na opačné straně místnosti nahoře

Předcházení škodám způsobeným vodou

Ve většině případů je možné se vyhnout nejrůznějším škodám způsobovaným vodou, známe-li nebezpečí a vhodným konstrukčním řešením a regulací je omezíme. Typické škody tohoto druhu vznikají:

• účinkem mrazu (porušení pláště výměníků tepla pro vytápění i chlazení)
• působením kondenzátu (mnoho škod)
• působením dešťové vody.

Škody způsobené mrazem

Škody vznikají v případech, kdy dojde k porušení pláště výměníku tepla (prasknutí) při zamrznutí jeho vodního obsahu. Po opětovném roztání pak voda z výměníku vytéká. Škodám se můžeme vyhnout např. řešením samostatných vodních okruhů s příměsí proti zamrzání. Hlavně bychom však měli poznat a vyloučit možné příčiny:

• Netěsné venkovní sací žaluzie, jimiž pak proniká venkovní vzduch, i když je zařízení mimo provoz;
• Schází termostat s ochrannou funkcí proti zamrzání, umístěný na straně vzduchu a/nebo vody;
• Nefunkční, špatně udržovaná automatická regulace;
• Nedostatečná ochranná opatření u klimatizačních soustav s přímým chlazením pomocí výparníku. K němu má patřit i ochrana proti námraze. Může se zde lehko stát, že výměník (trubkový registr) zamrzne a praskne i ve žhavém létě, zatímco výparník zůstane v provozu při záporných teplotách.

Škody způsobené kondenzátem

K většině škod způsobených kondenzátem dochází u menších klimatizačních soustav s přímým chlazením pomocí výparníku.

• Často schází ochrana proti námraze, nebo
• Jednotka byla zavěšena "šikmo", případně
• Odvod kondenzátu je znečištěn/ucpán, nebo je potrubí pro odvod kondenzátu zaústěno v protisměru (nahoře).
• Vyskytlo se rovněž: poškozené potrubí, poruchy kondenzátních čerpadel a také příliš nízké vany na kondenzát u výparníků umístěných v potrubí.

Ve vybraných místnostech by proto měly být osazeny přídavné, bezpečnostní vany na odkapávání kondenzátu. Nad určitým zařízením by jednotky s výparníkem nikdy neměly být umísťovány.

Škody způsobené kondenzátem se vyskytují také tam, kde není tepelná izolace potrubí dostatečně těsná proti difuzi - ať již se jedná o vzduchovod, potrubí s chladicí vodou nebo vodovod. Kondenzace může vznikat i u stropního chlazení, jestliže jím protéká příliš chladná voda a vlhkost vzduchu je vysoká.

Škody způsobené dešťovou vodou

Těmto škodám můžeme většinou zabránit. Potrubí s chladivem ani vzduchovod nesmí být uloženy se spádem směrem k prostupu do budovy. Musí tím směrem stoupat a být opatřeny lapači kapek. Na plochých střechách mohou být výhodné i ochranné zákryty proti dešti, např. podle obr. 8.

Obr. 8 - Při montáži potrubí je třeba brát ohled na to, že voda teče "shora dolů".
Vyhnuli bychom se mnoha škodám, kdybychom si tuto maličkost vždy uvědomili.

V současné době obory vzduchotechnika a klimatizace strádají, vzhledem k diktátu stavby a drastickému snižování nákladů u staveb. Tvrdá soutěž nutí firmy i k částečně riskantním kalkulacím. Tím důležitější je žádat, aby si každý ve své práci udržel určitou úroveň jakosti. Dobrou vizitkou pro projektanty, architekty a montážní podniky budou jen kvalitní soustavy.