Srovnání adiabatických a izotermických zvlhčovacích systémů
Adiabatické zvlhčování vždy přináší efekt ochlazení. Musí však být adiabatické chlazení vždy zdrojem vlhkosti? Potřeba vlhkosti se objevuje během průmyslové revoluce v textilním průmyslu. Pro strojní zpracování vlákna je vysoká relativní vlhkost nezbytností. Chlazení je i zde spíše „side efekt“, který je ale při velkých teplotních ziscích od technologií žádoucím přínosem.
Obr. 1 – Římský akvadukt Pont du Gard - Provence
Voda a vlhkost v průběhu dějin stavitelství
(Kdo nemá v lásce historii, ať laskavě přeskočí následující odstavec…)
Voda a chladivé účinky jejího odpařování jsou lidstvu známé od nepaměti. Bez vody nelze přežít, ale i ochlazení zvyšovalo v horkých podmínkách schopnost přežití.
Voda má ve všech světových kulturách mystický, kultovní charakter, symbolizuje zrození, život a očištění. Nedostatek vody způsoboval neúrodu, migraci zvěře a následně stěhování národů.
Obr. 2 – Plán ideálního uspořádání kláštera ze St. Gallen z roku 820. V ambitech jsou situovány fontány pro ochlazení vzduchu
S architekturou a stavitelstvím je voda spjatá od počátku civilizací. Zavlažování půdy každoročními životodárnými záplavami ve starověkém Egyptě mělo božský atribut. Osou Mezopotámie byly řeky Eufrat a Tigris, které jsou ve Starém zákoně popisovány jako hranice rajské zahrady.
V římském stavitelství byly akvadukty jednou z nejdůležitějších civilních staveb. Dodnes nacházíme jejich zachovalé části například v jižní Francii (Pont du Gard – obr. 1). Atria domů tak mohla být vybavena fontánami, kde tekoucí voda ochlazuje okolní prostor. Přerušení dodávek vody bylo jednou z příčin úpadku antického Říma.
Tradice vody jako symbolu života, ale i způsobu ovlivnění prostředí, se přenáší i do křesťanského středověku. Proslulý plán dokonalého imaginárního kláštera nalezeného v benediktinském opatství v St. Gallen roku 820 se stává se vzorem pro všechny klášterní stavby. Klíčovým prvkem dispozice plánu jsou ambity s fontánami přiléhající k chrámové lodi (obr. 2)
Santiniho konvent v Plasích – barokní klimatická laboratoř
Od poloviny 12. století v Čechách působil řád cisterciáků, nejprve v Sedlci u Kutné Hory, o něco později v Plasích severně od Plzně, Vyšším Brodě, Zlaté koruně, na Zbraslavi a dalších místech. Jméno řádu se odvozuje od místa jejich založení v Citeaux, ale i od „cisteren“ - nádrží na vodu, které mniši systematicky budovali. Hospodářský a kulturní rozvoj klášterů brutálně ukončilo v 15. století husitské drancování.
Obr. 3 – Šroubovice schodiště sloužila jako větrací šachta pro vzduch ochlazovaný zaplavením pilotů
Za obnovou klášterů v Sedlci a Plasích stojí jeden z nejvýznamnějších barokních stavitelů v Čechách Jan Blažej Santini – Aichl (1677 – 1723). Santini pracuje v Plasích od roku 1707 až do své smrti. Jeho geniálním dílem byla výstavba budovy nového konventu, založeného na 5000 dubových pilotách v nivě Střely a jejích přítoků. Piloty musely být pro zachování nosnosti trvale zaplaveny, proto jsou v základech stavby v rohových schodištích zřízeny bazény, jejichž výška hladiny udržovaná pomocí soustavy stavidel a podzemních kanálů na přítocích Střely řídí úroveň zaplavení pilot.
Voda v otevřených bazénech u paty širokých schodišť ochlazuje okolní vzduch, k jehož cirkulaci jsou jako vzduchotechnické kanály využívány šroubovité schodišťové věže. Pro regulaci proudění vzduchu byly využívány okenice, které využívaly v letním období rozdílů teplot na různě orientovaných fasádách. I když ochlazování vzduchu je zde spíše vedlejší efekt celého důmyslného větracího systému konventu, dokázal Santini cílevědomě využít vlastností chladného a vlhkého vzduchu pro snížení tepelné zátěže celé budovy (obr. 3).
(Poznámka: budova Konventu prochází rekonstrukcí, bývá však přístupná včetně podzemních kanálů. V areálu je dále pozoruhodná expozice NPÚ a NTM Centrum stavitelského dědictví)
Průmyslová revoluce a rozvoj zvlhčování
Potřeba vlhkosti se objevuje během průmyslové revoluce v textilním průmyslu. Pro strojní zpracování vlákna je vysoká relativní vlhkost nezbytností. Chlazení je i zde spíše „side efekt“, který je ale při velkých teplotní ziscích od technologií žádoucím přínosem.
Vnitřní prostředí s rozšiřováním klimatizovaných budov přináší četnější problémy s nízkou vlhkostí vzduchu. První komplexní vědecké studie o nepříznivém vlivu na zdravotní stav se objevují až v 80-tých letech (Sterling – Scofield), vlhkost vzduchu se ale řeší pro komfortní klimatizaci na základě negativních zkušeností již od 50-tých let, kdy se na trhu objevují první elektrické vyvíječe páry značky Defensor, později Condair.
Počátky a vývoj adiabatického zvlhčování a chlazení
Obr. 4 – Mobilní adiabatický zvlhčovač Defensor PH pro galerie a muzea
Od poloviny 19. století dochází k rozvoji velkých občanských staveb, obzvláště divadel. Pro velký počet návštěvníků je zapotřebí zajistit komfortní prostředí jednak teplovzdušným vytápěním, v létě pak dostatečným větrání bezokenního prostoru hlediště. Podobně jako Santini v Plasích i zde využívají stavitelé ochlazování přiváděného vzduchu kontaktem s vodou. Velmi často se jedná o umístění vodou smáčené plochy nebo trysek do podzemních zděných kanálů o velkých průřezech.
Zásadním omezením adiabatického chlazení přiváděného vzduchu je nárůst vlhkosti nad hranici pohody. Pro adiabatické vlhčení se postupně využívaly pračky vzduchu různé konstrukce (sprchová, blánové, náplňové), které pracují s velkými objemy vzduchu. Znakem praček je obtížná regulovatelnost (prakticky pouze on/off s využitím nutného předehřevu a následného dohřevu se složitou regulací). Noční můrou všech provozovatelů jsou těžko řešitelné hygienické problémy, známé od 70. let jako Legionářská nemoc. Úprava vody a její dezinfekce pro využití v klimatizaci se rozvíjí až na konci 20. století. Do té doby se pracuje v podstatě pouze s pitnou vodou. Příchod strojního chlazení na počátku 20. století postupně odsouvá adiabatické chlazení na vedlejší kolej.
Obr. 5 – Dvousložkové trysky vzduch / vody pro přímé zvlhčování prostoru pracují podobně jako fixírka
V 70-tých letech získaly popularitu různé lokální mechanické zvlhčovače, pracující na principu rotačních disků nebo odstředivek. Proti cenové dostupnosti, snadné instalaci a nízkých provozních nárocích vystupují hlučnost, hygienické problémy při použití pitné vody a následné riziko „zaprášení“ prostoru z minerálů při vyšší tvrdosti vody. Obvykle ani provozní spolehlivost těchto typů zařízení nebyla příliš vysoká.
Přesto existují téměř ikonické vyjímky. Kvalitu prostředí v řadě světových i českých galerií a muzeí řídí mobilní zvlhčovače Defensor PH (obr. 4). Za jejich oblibou stojí nízká hlučnost, zlepšená hygiena vody i vzduchu (uhlíková filtrace vzduchu + ionizace vody) a neuvěřitelná životnost. Setkáváme se s instalacemi, která jsou v provozu dvacet i více let.
Pro průmyslové aplikace v polygrafickém, textilním a dřevařském průmyslu se využívají trysky, které rozprašují do prostoru vodní mlhu pomocí stlačeného vzduchu. Systémy jsou schopné pracovat s běžnou pitnou vodou i vyšší tvrdosti při poměrně dobré hygieně provozu. Jejich slabinou je vysoká hlučnost a spotřeba stlačeného vzduchu, který je velmi drahým médiem. Rizikem je opět i zaprášení prostoru při vyšší tvrdosti vody.
Vývoj parních zvlhčovačů vzduchu
K mohutným, špatně regulovatelným a hygienicky problematickým pračkám vzduchu bylo třeba najít ekvivalent. Použití páry pro zvlhčování zjednodušilo regulaci – izotermické zvlhčování až do meze sytosti nemění významně teplotu vzduchu, zároveň bezpečně vyřešilo hygienické problémy.
Obr. 6 – Condair Esco pro zvlhčování tlakovou parou z centrálního zdroje
Tlaková pára z centrálního zdroje
Prvním řešením, které se nabízelo především ve stavbách, které disponovaly zdrojem páry, bylo zvlhčování pomocí čisté syté páry z centrálního zdroje. Na první pohled byla tato varianta ideálním řešením pro nemocnice, které disponovaly čistou párou pro sterilizátory. Nejslabším místem těchto systémů byly chyby při instalaci rozvodů páry, případně použití technologické páry, která nesplňovala hygienické podmínky. Netěsnost některých kuželkových regulačních ventilů vyřešil Conadir absolutně těsným rotačním keramickým ventilem, jehož segmenty navíc umožňují lineární regulaci v celém rozsahu (obr.6). Přestože ventily jsou maximálně spolehlivé s minimálním nároky na údržbu, je nutná důkladné péče o celý systém rozvodu páry, který u větších staveb může být opravdu rozsáhlý. Zároveň je velmi obtížné provozovat pouze část systému, problémem může být i delší reakce na výkon zdroje.
Obr. 6 – Elektrodový zvlhčovač Condair s vyvíjecí nádobou
Elektrodové parní zvlhčovače
Princip funkce elektrodových zvlhčovačů je až překvapivě jednoduchý. Mezi elektrodami ponořenými do pitné vody probíhá díky přirozené vodivosti vody elektrický proud, který ohřívá přímo vodu ve vyvíjecí nádobě. Regulace výkonu se pak provádí změnou výšky hladiny a tím ponořením větší nebo menší plochy elektrod. Vyvíječe se obvykle vyrábějí ve výkonech od 1 kg/h až do 40, 80 nebo 120 kg/h. Je však nutno pamatovat, že na výrobu páry 100 kg/h potřebujeme 75 kW příkonu. Díky jednoduché instalaci, snadné regulovatelnosti a dostupné ceně jsou elektrodové zvlhčovače dnes velmi rozšířené (obr. 7).
Pro elektrodové zvlhčovače ale existují i zásadní omezení. Tím největším je kvalita pitné vody a její tvrdost, kterou určuje obsah minerálů, způsobujících přirozenou vodivost. Jinými slovy elektrodové zvlhčovače s demineralizovanou či destilovanou vodou nemohou pracovat. Pokud je voda příliš tvrdá, bude docházet k extrémně rychlé tvorbě kotelního kamene a vyvíjecí nádoby či elektrody bude nutno čistit či vyměnit již po několika týdnech. Proto je zapotřebí ověřit kvalitu místní pitné vody, která by se měla pohybovat v rozmezí cca 250 – 1200 µS/cm. Snížení tvorby kotelního kamene použitím změkčené vody také není řešením – agresivní změkčená má odlišné povrchové napětí a při varu vytváří pěnu, která zásadně narušuje funkci regulace výkonu zařízení.
Obr. 7 – patentovaný systém odstraňování kotelního kamene u odporového zvlhčovače Condair RS
Odporové parní zvlhčovače
Jak napovídá název, voda v odporových zvlhčovačích je přiváděna k varu elektrickými topnými tyčemi. Na rozdíl od elektrodových zařízení pracuje zvlhčovač s konstantní výškou hladiny vody ve vyvíjecí nádobě.
U odporových zvlhčovačů je v podstatě jedno, s jakou vodou pracují. Zvládají provoz s demineralizovanou i tvrdou pitnou vodou, pouze změkčená voda ani zde není pro provoz příliš vhodná. Při srovnatelné spotřebě energie jsou odporové vyvíječe provozně stabilnější a přesnější, při provozu s demineralizovanou vodou dosahuje laboratorní verze Condair RS Process přesnosti ±1% r. v.. Odporový vyvíječ Condair RS zároveň používá unikátní systém samočinného odstraňování kotelního kamene a tím zásadně snižuje náročnost údržby a množství spotřebního materiálu (obr. 7).
Plynové zvlhčovače
Vysoké příkony elektrického proudu pro provoz parních vyvíječů (na 100 kg/h 75 kW) daly prostor plynovým vyvíječům s vyššími výkony, které poskytují rychlou návratnost investice. Zvlhčovače s výkony až 240 kg/h se dodávají i ve venkovním provedení. Vzhledem k velkému objemu vody doporučuje provoz výhradně na demineralizovanou vodu.
Infra – zvlhčovače
Parní zvlhčovače, které využívají v kompaktních jednotkách ohřev vody pomocí infračervené lampy, jsou kvůli horší účinnosti spíše okrajovou záležitostí.
Současné adiabatické systémy
V období energetického poválečného blahobytu spotřebu elektrické energie nikdo příliš neřešil. Fyzikálně je spotřeba energie izotermického a adiabatického zvlhčování při zanedbání účinnosti rovnocenná, rozdíl je pouze v cenách vstupních energií.
Situace se změnila s ropnou krizí v sedmdesátých letech. Jom-kipur válka, při které Egypt a Sýrie napadly Izrael, vyvolala ropné embargo. Na německých dálnicích se jezdilo rychlostí 100 km/h a posedlost zhasínáním žárovek překonala dokonce i železnou oponu.
Energetický šok však odstartoval zájem o alternativní zdroje a o úspory elektrické energie. V této době dochází k rozvoji systémů pro zpětné získávání tepla z klimatizačních zařízení, hledají se řešení s vyšší účinností.
Rozvoj moderních technologií a nových materiálů vrací do hry adiabatické zvlhčování. Na přelomu tisíciletí se samozřejmostí stávají membrány reverzní osmózy pro výrobu demineralizované vody, dostupnější jsou i elektronické komponenty (frekvenční měniče, řídící obvody, zabezpečení). Používají se i nové materiály odpařovacích ploch na bázi polyesteru, keramiky neztuženého skelného vlákna s úpravou proti úletu částic.
Hybridní zvlhčovač Condair DL
Společnost Condair vyvinula adiabatický systém, který jako první získal prestižní hygienický certifikát Fresenius. Hybridní zvlhčovač Condair DL (původní označení Condair Dual) rozprašuje vodu nízkotlakými tryskami, následně dochází k odpařování na panelech z inertních průlinčitých keramických desek (obr. 8). Pro zvlhčování se používá zásadně demineralizovaná voda ošetřená stříbrnou ionizací. Sekvenční ovládání trysek poskytuje velmi dobrou regulovatelnost. Kromě zaručené hygieničnosti a vysoké účinnosti při nízké tlakové ztrátě je výhodou i možnost vestavby prakticky do jakéhokoliv profilu s potřebnou minimalistickou instalační délkou 600-900 mm. Celkovou spotřebu elektrické energie se i při zvlhčovacích výkonech ve stovkách kg/h podařilo snížit na několik desítek W.
Obr. 8
Obr. 9 – Odpařovací zvlhčovač Condair ME pro nepřímé adiabatické chlazení
Condair ME – adiabatický odpařovač pro zvlhčování a nepřímé adiabatické chlazení
Vedle sofistikovaného hybridního zvlhčovače Condair DL působí Condair ME spartánsky, nicméně jednoduchost v precizním provedení skrývá řadu pokrokových řešení (obr. 9). Podle kvality vody leze volit jak systém s cirkulací vody (demi-voda) nebo s přímým odtokem do odpadu. Rovněž materiál odpařovacích kazet může být ze ztuženého bezúletového skelného vlákna nebo z polyesteru pro použití demineralizované nebo měkčené vody. Hydraulický modul se sestavou napájecích čerpadel umožňuje kvalitní regulaci výkonu, odčerpávání zbytkové vody a hygienický proplach systému. Regulace Condair ME komunikuje v protokolu Modbus, BACnet a LonWorks.
Obr. 10 – Ultrazvukový zvlhčovač s velmi jemnou regulací produkce aerosolu
Ultrazvukové zvlhčovače
Mezi adiabatické zařízení náleží i ultrazvukové zvlhčovače, které produkují pomocí piezoelektrických chvějek z vodní hladiny zásobníku velmi jemný aerosol, který je dále strháván proudem vzduchu do vzduchotechnického kanálu nebo přímo do prostoru. Kvůli citlivosti chvějek na znečištění je možný provoz pouze s demineralizovanou vodou. Výhodou ultrazvukových zařízení je okamžitá odezva a přesná regulace při nízké spotřebě elektrické energie. (obr. 10) Slabinou je vysoká cena a citlivá budící elektronika. Často se zapomíná na opotřebení chvějek a nutnost jejich komplikované výměny intervalech 1-2 let provozu.
Obr. 11 – Vysokotlaká tryska Microcool
Vysokotlaké trysky
Vysokotlaké systémy pracují s přetlakem vody v rozvodech okolo 80 bar. Požadovaný tlak v systému udržuje čerpadlo s frekvenčním měničem. Vodní aerosol je bez hluku do okolí rozprašován tryskami s ústím o velikosti 100 – 150 µm, proto je nezbytnou podmínkou použití demineralizované vody. Vysokotlaké systémy jsou použitelné jako velmi flexibilní samostatné trysky nebo v kombinaci s ventilačními hlavicemi (obr. 11). Za určitých podmínek je možná i aplikace do VZT kanálu.
Při požadavku konstantního tlaku v systému je regulovatelnost omezená pouze na uzavírání jednotlivých v sekcích.
Nejnovější trendy? Membránové zvlhčování
Inspirativní myšlenkou je zvlhčovač pro rodinné domy Condair HumiLife. Pro zvlhčování se používá vložka s membránou, která podobně jako goretexová fólie propouští vodní páru, ale nikoliv vodu (obr. 12, 13).
Obr. 12 – Membránový zvlhčovač Condair Humilife
Inspirace k tomuto řešení je obdivuhodně stará. Tuaregové pro uchování chladné vody používali kožené vaky ze stažených koz již před 5000 let, v oblasti severní Sahary v Maroku jej používají dodnes. Povrch kůže se průsakem vody navlhčí, při odpařování dochází k ochlazení. Srst na kůži zároveň působí jako tepelná izolace (obr. 14).
Obr. 14 – Kožený vak ze stažené kozy udržuje chladnou vodu i na poušti
Zvlhčovače parní, adiabatické. Odvlhčovače bazénové, stavební. Adsorbční odvlhčování. Klimajednotky a tepelná čerpadla pro bazény. Chladicí jednotky a přesná klimatizace. Dveřní clony. Předizolované potrubí ALP. Konvektory. Distribuční elementy pro VZT.
