Rotující hlavice – mýty a realita
Autor se ve svém článku zabývá rotujícími větracími hlavicemi, které jsou s oblibou dodávány jako náhrada za nástřešní ventilátory pro systémy centrálního odsávání bytových jader. Na základě provedených měření prokazuje, jaká mohou být reálná očekávání uživatelů po instalaci tohoto větracího systému.
ÚVOD
V tzv. komplexní bytové výstavbě, což byl název pro velkosériovou "výrobu" panelových domů, byla v Československu za socialismu stavěna převážná většina bytů. Panelová výstavba pak ještě přesahovala do 90tých let 20. století. U této výstavby bylo příslušenství (koupelna, WC) standardně řešeno formou bytových jader, situovaných uprostřed domovní dispozice, čili bez oken. Řešení větracích systémů bytových jader se pak v posledních desetiletích uvedené bytové výstavby ustálilo na centrálním odsávání s nástřešními větracími (ventilátorovými) jednotkami. Kromě vlastního příslušenství bytu byly těmito ventilátory odsávány i kuchyňské digestoře. Vzhledem k tomu, že nebyl instalován žádný nucený přívod vzduchu, jednalo se vlastně o větrání celých bytů - vzduch proudí infiltrací (netěsnostmi) okny přes jednotlivé pokoje do bytového jádra, odkud je odsáván vyústkami, resp. proudí infiltrací do kuchyně, odkud je odsáván digestoří nad sporákem.
V poslední době bývají tyto nástřešní ventilátory často nahrazovány rotujícími větracími hlavicemi poháněnými (roztáčenými) větrem, původně určenými k provětrávání podstřešních prostorů. Důvodem bývá někdy nefunkčnost či opotřebovanost původních jednotek, někdy i jiné důvody, jako například omezení hlučnosti, nebo snahy o úsporu elektrické energie. Tyto hlavice bývají dodavateli označovány marketingově vděčným názvem "ventilační turbíny" z anglického "ventilation turbine". V tomto názvu jsou však hned dvě chyby: jednak se nejedná o turbínu (rotační stroj převádějící energii proudící tekutiny na mechanickou energii) a jednak správný překlad slova "ventilation" je větrací. Odborný název daného prvku je "hlavice" s bližším určením "větrací". Větrací hlavice pak jsou buď bez pohyblivých částí, nebo s rotujícím oběžným kolem. Tzn. správný název pro uvedené zařízení je: "rotující větrací hlavice".
Protože výrobci těchto rotujících hlavic neuvádějí potřebné technické parametry, byla jedna taková, z dostupných výrobků náhodně vybraná hlavice s připojovacím průměrem 125 mm, proměřena v laboratořích Ústavu techniky prostředí FS ČVUT v Praze, nejprve před několika lety orientačně během studentské bakalářské práce, nyní podrobně v rámci jedné etapy výzkumného záměru řešeného na Ústavu techniky prostředí (etapa "koncové prvky větracích zařízení").
VLASTNOSTI HLAVICE
Podrobné výsledky měření hlavice vč. popisu měřicího zařízení a měřicí metodiky jsou uvedeny v [5]. Základní charakteristikou ventilátoru, tzn. i větrací hlavice je závislost vytvářeného celkového (dopravního) tlaku na průtoku vzduchu. U ventilátoru nestačí udávat parametr průtok, ventilátor musí překonávat i tlakovou ztrátu, odpor, který proti průtoku klade potrubí. Pokud totiž nedává dostatečný tlak, nemůže daný průtok potrubím protlačit. Jinak řečeno, je-li v technických podkladech ventilátoru udáván pouze průtok, je tento údaj nepoužitelný, protože nemůžeme určit, zda bude schopen vyvinout tlak potřebný k překonání tlakové ztráty potrubí. Naměřené závislosti dopravního tlaku na průtoku (charakteristiky) měřené hlavice jsou pro jednotlivé rychlosti nabíhajícího proudu ("větru") uvedeny na obr. 1. Protože průtok závisí na velkosti hlavice, jsou závislosti celkového tlaku vyneseny na obecnější veličině - rychlosti ve vstupním průřezu hlavice, průtoky jsou na vedlejší x-ové ose.
Obr. 1 Naměřené tlakové charakteristiky měřené hlavice pro různé rychlosti větru.
Komentář: pro představu o jak velké rychlosti větru se jedná, byly rychlosti větru v diagramu znázorněny s ohledem na Beafortovu stupnici větru, založenou na viditelných účincích větru. "Bezvětří" a "vánek" (do 1,5 m/s) nebyly pro měření vůbec uvažovány, 2 a 3 m/s patří do "slabého větru" (začíná se pohybovat větrná směrovka), rychlost 4 a 5 m/s odpovídá "mírnému větru" (vítr napíná praporky a čeří hladinu vody), 6 a 7 m/s je "dosti čerstvý vítr" (vítr zdvíhá prach a kousky papíru), 8, 9 a 10 m/s je "čerstvý vítr" (na vodě tvoří zpěněné hřebeny), 11, 12 a 13 m/s odpovídá "silnému větru" (telegrafní dráty sviští, nelze používat deštníky). Větší rychlosti větru nebyly pro měření vůbec uvažovány, to jde již o "prudký vítr" (je problém jít proti větru), nehledě na ještě vyšší stupně dané stupnice.
V diagramu jsou ještě znázorněny tři body z výsledků měření jiného provedení hlavice ("hlavice X"), jediných relevantních publikovaných údajů [7], které se podařilo získat. V diagramu jsou tyto body znázorněny hranatými značkami. Nejednalo se však o měření celých charakteristik, ale jen o měření jednoho bodu charakteristiky u několika rychlostí "větru". Tato hlavice byla větší velikosti, měla připojovací průměr 350 mm, proto pro ni na obr. 3 platí jen hlavní (dolní) x-ová osa. Pro rychlosti "větru" kolem 10 m/s tento bod leží přesně na příslušné charakteristice měřené hlavice. U nižších rychlostí "větru" je mírně nad naměřenými charakteristikami (rozdíl se dá vysvětlit větší rolí pasivních odporů v ložisku u menšího průměru hlavice při malé rychlosti větru). To, že se u různých hlavic dospělo k podobným výsledkům, ukazuje, že vlastní konstrukční provedení, tvar hlavice nebude mít významnější vliv.
RYCHLOST VĚTRU V ČR
Protože odsávací schopnost hlavice pochopitelně závisí na rychlosti větru, je nutné se zabývat otázkou, jakou rychlost větru považovat za relevantní. Statistická charakteristika aritmetický průměr není pro tento účel vypovídající. Správné je použití tzv. kvantilů. Kvantil je statistická kategorie - poměrná četnost, kdy nabývá sledovaný fyzikální parametr hodnoty menší nebo rovné dané hodnotě. Jednoduše řečeno, v našem případě to znamená v kolika procentech z celkové doby (roku) je skutečná rychlost větru nižší než zadaná rychlost. Nás ale vlastně zajímá doplněk kvantilu do 100 %, čili jak často se u nás vyskytuje rychlost větru vyšší než určitá, zadaná rychlost. V [3] je uvedeno rozdělení četností rychlosti větru v ČR - viz obr. 2 (pozn. skutečná závislost je samozřejmě hladká, "schody" na křivce jsou způsobeny metodikou meteorologických pozorování).
Obr. 2 Četnosti rychlosti větru v ČR pro referenční rok.
Při pohledu na diagram je zřejmé, že vysoké rychlosti větru jsou výjimečné. Například rychlost větru 9 m/s ("čerstvý vítr" - na vodě tvoří zpěněné hřebeny) a vyšší se během roku vyskytuje jen v méně než jednom procentu doby, tzn. řádově jen desítky hodin. S ohledem na sledování vhodnosti použití hlavic pro uvedený účel budeme pro další úvahy uvažovat dva případy - 50% četnost (splněno v polovině celkové doby) a 10% četnost rychlostí větru vyšších než uvažovaná rychlost. Je potřeba zdůraznit, že ve druhém případě je podmínka splněna jen v deseti procentech doby, jinak řečeno "budeme 9 dní čekat, než nám zařízení bude 1 den odsávat". První případ (50 %) odpovídá rychlosti větru 2 m/s a druhý (10 %) rychlosti cca 5 m/s (přesně je to 5,1 m/s)
PROBLEMATIKA APLIKACE HLAVICE NA ODSÁVÁNÍ BYTOVÝCH JADER
Obr. 3 Hlavice na "sběrné komoře
V úvodu bylo řečeno, že impulzem pro měření rotující hlavice bylo časté použití těchto hlavic jako náhrady za nástřešní ventilátory u centrálního odsávání bytových jader panelových domů. Proto budeme nyní sledovat, jak takovýto systém funguje. Z důvodu zjednodušení si pro úvahy vybereme jeden dům, a to některý z typických panelových domů. Nejčastěji se stavěly devítipodlažní (8 pater) a třináctipodlažní (12 pater). Budeme raději uvažovat méně nepříznivý případ. Z hlediska větrání je příznivější menší počet podlaží, proto si za modelový dům vybereme osmipatrový. Výška domu je 27 m (stavební výška podlaží 3 m), odbočky jsou vlastně po celé délce svislého potrubí, nejnevýhodnější podmínky však bude mít většinou odbočka nejvzdálenější od ventilátoru (hlavice), tedy v přízemí. Odsávací zařízení bylo podle [8] projektováno na průtoky odsávaného vzduchu 200 m3/h/byt, 100 m3/h připadalo na kuchyň, 100 m3/h na příslušenství. Pro 9 podlaží tak připadá na jedno zařízení 1800 m3/h. "Stoupací" - svislá potrubí byla dvě: jedno bylo pro kuchyň a druhé pro příslušenství, protože z hygienických důvodů bylo potřeba oddělit větrání kuchyně od větrání WC. Obě svislá potrubí byla na střeše zaústěna do tzv. sběrné komory, odkud byl dalším potrubím vzduch veden k ventilátorové jednotce typu NRC8 [9]. Rotující větrací hlavice bývají většinou montovány na "sběrné komory" stávajícího odsávacího zařízení - viz obr. 3. Důsledkem tohoto uspořádání je, že maximální průměr hlavice, který je možné takto připojit je 400 mm. Charakteristiky rotující hlavice pro uvažované rychlosti větru 2 až 5 m/s přepočtené na tento průměr jsou na obr. 4.
Názornou představu o jak "silné" či "slabé" parametry se jedná, nám ukáže obr. 5, kde je možné tyto charakteristiky porovnat s charakteristikou původně instalovaného ventilátoru, získanou z podkladu [9]. Toto porovnání není třeba komentovat, markantní rozdíl parametrů je patrný na první pohled.
Obr. 4 Tlakové charakteristiky měřené hlavice pro rychlosti větru 2 až 5 m/s
(přepočteno na vstupní průměr hlavice 400 mm).
Nyní se podíváme, co nastane, když nástřešní ventilátor nahradíme větrací hlavicí. Neboli, budeme sledovat funkci systému stávající potrubní síť - rotující hlavice. Je známé, že množství vzduchu dopravovaného vzduchotechnickým zařízením je dáno charakteristikou potrubní sítě (závislost tlakové ztráty na průtoku) a charakteristikou ventilátoru (závislost dopravního tlaku na průtoku), který je k této potrubní síti připojen. Pracovní bod tohoto systému síť - ventilátor je na průsečíku obou charakteristik, tzn. když nastane takový průtok, že tlaková ztráta potrubní sítě je rovná dopravnímu tlaku ventilátoru (obr. 5).
Obr. 5 Pracovní body vzduchotechnického systému s rotující hlavicí.
Pro naše úvahy není třeba detailně zkoumat, jak je v modelovém případu panelového domu provedeno odsávací potrubí. Vyjdeme jednoduše z původního pracovního bodu. Jmenovitý průtok zde byl, jak je uvedeno výše, 1800 m3/h. Bod na charakteristice ventilátoru NRC8 odpovídající průtoku 1800 m3/h je tím hledaným původním pracovním bodem. Když tímto bodem proložíme křivku - charakteristiku sítě, kterou je obecně parabola 2. stupně, dostaneme charakteristiku odsávacího zařízení, tak jak byla vypočtena pro původní systém. Popsaný postup je znázorněn na obr. 5.
Obr. 6 Zdvojené hlavice
Nový pracovní bod (body) po záměně původního ventilátoru za větrací hlavici najdeme na průsečíku zkonstruované paraboly s charakteristikou náhradního "ventilátoru", tedy větrací hlavice, respektive s řadou charakteristik pro různé rychlosti větru. Na obr. 5 jsou vyneseny nové pracovní body pro uvažované rychlosti větru 2 a 5 m/s. Z obrázku je zřejmé, že při rychlosti větru 5 m/s stačí hlavice na odsávání pouze jednoho bytu a při 2 m/s je průtok cca polovina průtoku potřebného pro jeden byt.
Protože se mnohdy "pro zvýšení výkonu" hlavice zdvojují (řadí paralelně) - viz obr. 6, je na obr. 5 vynesena pro 5 m/s i charakteristika platná pro tento případ. Při paralelním řazení ventilátorů mají body nové charakteristiky stejný tlak a dvojnásobný průtok oproti bodům původní charakteristiky. Z diagramu je patrná nesmyslnost takového uspořádání (rozumí se nesmyslnost z hlediska funkce zařízení): zdvojením hlavice se průtok zvýší jen nepatrně (zakótovaná vzdálenost).
NEPŘÍZNIVÉ VLIVY PŮSOBÍCÍ NA FUNKCI HLAVICE
Vliv vztlaku
V letních podmínkách musí odsávací zařízení překonávat ještě záporný vztlak - obrácený "komínový" efekt způsobený tím, že venkovní vzduch je teplejší než vzduch uvnitř budovy. Při vnitřní teplotě v domě 25 °C, venkovní teplotě vzduchu 35 °C a uvedené výšce činí 10 Pa (přesně 9,9 Pa). Pohledem na obr. 4 zjistíme, že při rychlosti větru 5 m/s nám není schopna hlavice překonat tento opačně působící vztlak ani ze tří čtvrtin. V důsledku toho nebude zařízení odsávat, dokonce bude docházet ke zpětnému proudění vzduchu.
V zimních podmínkách nám vztlak, komínový efekt naopak pomáhá odsávat, což se jeví na první pohled jako příznivé. Pro vnitřní teplotu 20 °C a venkovní teplotu vzduchu -5°C a pro danou výšku domu činí vztlak cca 30 Pa (28,8 Pa). Jenže u našeho zařízení jsou odbočky po celé délce (výšce) potrubí. Pokud je přirozený vztlak výrazně větší než tlak vyvozovaný hlavicí, tak hlavice brání průtoku vzduchu, působí jako hydraulický odpor a v důsledku toho v horní části vzduchovodu nastane přetlak se všemi jeho negativními důsledky. V horní části domu nedochází k odsávání, ale naopak vzduch odsátý z dolních podlaží je zde vyfukován do bytů (pokud systém není opatřen spolehlivými zpětnými klapkami). To znamená, že v domě bude docházet k nežádoucímu přenášení pachů vzduchotechnikou. Abychom tomu zabránili, potřebujeme k posunutí tzv. neutrální osy (v ní není ani podtlak ani přetlak) nad horní podlaží, tzn. kdy nastane v celém vzduchovodu podtlak, cca polovinu z uvedené hodnoty vztlaku, čili 15 Pa. Takový tlak však není hlavice schopna při rychlosti větru 5 m/s vyvodit ani z poloviny. Při nižších teplotách je deficit ještě výraznější": pro venkovní teplotu -15 °C vyvine hlavice třetinu tlaku potřebného k zabránění přenosu pachů odsávacím zařízením. Navíc je všeobecně známo, že při teplotních extrémech bývá rychlost větru nižší než při "středních" venkovních teplotách (viz např. [4]), což znamená, že četnosti uvedené v kapitole o rychlosti větru budou ještě nižší.
Vliv tlaku větru na fasádu
Rozložení tlaku na fasádě domu vlivem větru je komplikovaná problematika, pro naše zjednodušené úvahy můžeme dle [1] uvažovat obecné přibližné hodnoty aerodynamických součinitelů pro návětrnou stranu +0,5 až +0,9, s tím že nejběžnější hodnota je +0,6. Pro závětrnou stranu pak -0,3 až -0,6, nejběžnější hodnota je -03. Tento součinitel vyjadřuje, jakou částí dynamického tlaku větru tlak působící na fasádu je. Z diagramu na obr. 8 je vidět, že i při nulových průtocích dává hlavice tlak jen cca 0,45 až 0,5 hodnoty dynamického tlaku větru, což je méně, než tlak větru působící na fasádu. Z toho vyplývá, že hlavice nemůže eliminovat náhodné otevírání oken nebo i jen okenní ventilace uživateli jednotlivých bytů. Když bude v některém z bytů otevřeno či jen pootevřeno okno na návětrné straně, přetlak z fasády "vnikne" do tohoto bytu a způsobí, že se pach např. ze smažené cibulky bude z tohoto bytu šířit potrubím do ostatních bytů. Tento vliv se neodstraní vyšší rychlostí větru - hlavice při ní sice lépe odsává, ale současně vzroste hodnota tlaku větru na fasádu. Pro zabezpečení alespoň minimální funkčnosti odsávacího zařízení je v případě použití hlavice podmínkou, že nebudou obyvatelé domu otevírat okna ani "ventilačky".
Vliv těsnosti budovy
Protože se odsávaný vzduch dostává do prostoru bytu netěsnostmi obvodového pláště budovy, musí odsávací zařízení překonávat tlakový rozdíl, který při tom vzniká. Není zcela zřejmé, zda se v původních projektech s tímto počítalo, nebo zda zařízení bylo navrženo jen na překonání tlakových ztrát sítě, nicméně vzhledem k tehdy běžné netěsnosti pláště budovy a dostatečně výkonnému nástřešnímu ventilátoru to není podstatné. V každém případě však utěsňování pláště (oken) vede nárůstu nároků na dopravní tlak hlavice takovým způsobem, že průtok při zavřených oknech klesá ještě výrazněji, než bylo uvedeno, u těch plastových oken, která nemají záměrně zavedenou netěsnost (trvalá mikroventilace), až prakticky k nule.
VĚTRACÍ HLAVICE BEZ POHYBLIVÝCH ČÁSTÍ
Obr. 7 Hlavice CAGI.
Abychom si udělali představu o přínosnosti rotujících větracích hlavic, provedeme jejich základní porovnání s hlavicemi bez pohyblivých částí. Nejvýznamnějším představitelem hlavic bez pohyblivých částí je hlavice CAGI (podle autorství - ústavu Centralnyj aerogidrodynamičeskij institut), která byla kdysi velmi populární a dodnes je na trhu nabízena. Její tvar podle [6] je znázorněn na obr. 7. Hlavice velmi efektivně využívá účinku úplavu, podle dostupných pramenů se jedná o aerodynamicky nejlépe vyřešenou nepohyblivou hlavici. Její charakteristika převzatá z [2]., je výsledkem experimentů a je uvedena na obr. 8 (čárkovaná čára). Charakteristika je vynesena ve zobecněných souřadnicích: na vodorovné ose je poměr rychlosti v hlavici k rychlosti větru a na svislé ose poměr celkového dopravního tlaku hlavice k dynamickému tlaku větru. V diagramu jsou v těchto zobecněných parametrech vyneseny i charakteristiky měřené rotující hlavice. Z obrázku je patrné, že pro uvažované rychlosti větru jsou v celém rozsahu průtoků parametry CAGI lepší než vlastnosti rotující hlavice, v oblasti od středních průtoků hlavicí výše jsou pak výrazně lepší.
Obr. 8 Zobecněné charakteristiky hlavic.
Hlavice typu CAGI u nás též dříve vyráběla Janka Radotín, projekční podklady pro návrh této hlavice [10] vycházejí z pracovního bodu, který je vynesen v diagramu na obr. 8. Jestliže pro stejný dopravní tlak (rovný 0,254 hodnoty dynamického tlaku větru) jako má tento pracovní bod, vyhodnotíme poměr průtoků měřené rotující hlavice a hlavice CAGI Janka (při stejném vstupním průměru hlavice) získáme závislost uvedenou na obr. 9. Ze závislosti je patrné, že za těchto podmínek dává hlavice CAGI dvoj až trojnásobek množství vzduchu než hlavice rotující.
Obr. 9 Poměr průtoku měřenou hlavicí ku průtoku hlavicí CAGI
Janka v závislosti na rychlosti větru.
ZÁVĚR
Technické parametry rotujících hlavic poháněných větrem jsou takové, že jejich použití jako náhrady nástřešních ventilátorů pro centrální odsávání bytových jader vede k naprostému znefunkčení celého vzduchotechnického zařízení. Protože vzduchotechnika zde slouží nejen k odsávání bytových jader a kuchyňských digestoří, ale i k celkovému větrání bytů, dochází pak v případě, kdy skoro nulová funkce vzduchotechniky není nahrazována častým větráním okny, k nepříznivým hygienickým dopadům vlivem nedostatku čerstvého vzduchu.
Hlavice jsou předurčeny pro použití v případech, kdy byl systém již od začátku dimenzován pro přirozené větrání. Pro větrací zařízení, která mají vhodně dimenzované přívodní i odvodní prvky, tzn. mají dostatečné průřezy, malé tlakové ztráty a kde požadavky na větrání zohledňují možnosti přirozeného větrání. Dobře se uplatní v případech, kdy nezáleží na okamžité potřebě odsávacího výkonu, jako např. u odvětrání dvouplášťových střech nebo skladišť. Ale i v těchto případech je vhodnější použití větracích hlavic bez pohyblivých částí, které při lepších vlastnostech mají nižší pořizovací náklady a větší spolehlivost a životnost.
Obchodní úspěch při použití hlavic k centrálnímu větrání bytových domů je založen na marketingu a na neznalostech investorů, nikoli na funkčních vlastnostech výrobku.
Příspěvek vznikl s podporou výzkumného záměru MSM č. 6840770011 Technika životního prostředí.
LITERATURA
[1] CIHELKA J. Vytápění, větrání a klimatizace. SNTL Praha 1985
[2] KAMENĚV P. N. Otoplenie i venitlacija, časť II. Izdatělstvo litěratury po strojitělstvu, Moskva 1964
[3] LAIN M. Nízkoenergetické chlazení budov. Disertační práce, ČVUT v Praze, 2007
[4] MAREŠ L. Souvislost mezi rychlostí větru a teplotou venkovního vzduchu. Zdravotní technika a vzduchotechnika 1/1976: 29 - 37, 1976
[5] MAREŠ L. Vlastnosti rotujících větracích hlavic. Vytápění, větrání, instalace 3/2010
[6] PULKRÁBEK J. Větrání. SNTL, Praha 1961
[7] Zkušební protokol č. A00027-07-07, VVUÚ Ostrava - Radvanice, 2007, dostupný na www.
[8] ČSN 74 7110 Bytová jádra. ÚNM Praha, 1987
[9] PK 12 7326 Jednotky větrací nástřešní NRC. Podniková norma Janka Radotín, 1984
[10] TPE 13 0464 Samotahová hlavice CAGI. Podniková norma Janka Radotín, 1965
In this article, the author deals with the vent rotating heads, which are widely available as replacements for roof fans in the ventilation systems of sanitary units. Measurements that have been carried out will show what may be the realistic expectations of users who install these ventilation systems.
