Studie „Vliv tlakových podmínek na výkon lokálních větracích jednotek ve vícepodlažních budovách“

Obvyklá řešení mají své limity

Většina výrobců nabízí decentrální jednotky s tzv. kyvadlovým provozem neboli se systémem push&pull, který je problematický z hlediska schopnosti zajištění včasného odvodu odpadního vzduchu při pravidelném intervalu přepínání fází, z hlediska účinnosti filtrace, ale hlavně z hlediska zajištění rovnotlakého provozu nutného pro účinnou rekuperaci. Tlakové podmínky jsou však obecně jedním z faktorů významně ovlivňujících účinnost větrání a rekuperace tepla, což lze pozorovat zejména ve výškových budovách nebo vyšších patrech obytných domů, například při větrném nebo jinak nestabilním počasí. Vlivu tlakových a povětrnostních podmínek na účinnost větrání se věnuje rozsáhlá studie provedená v roce 2019 výzkumným týmem estonské Tallinn University of Technology pod vedením prof. Alo Mikoly s názvem „Měření vlivu tlakových podmínek na výkon decentrálních větracích jednotek se systémem push&pull ve vícepodlažních budovách“ (The Impact of Air Pressure Conditions on the Performance of Single Room Ventilation Units in Multi-Story Buildings“, Alo Mikola, Raimo Simson, Jarek Kurnitski, Nearly Zero Energy Research Group, Tallin University of Technology, Tallin, Estonia, published June 9, 2019).

Studie vlivu tlaku na výkon větracích jednotek

V této studii byla provedena terénní měření tlakových rozdílů v obvodovém plášti budovy během tříměsíčního období topné sezóny v kompletně zrekonstruovaném 5podlažním bytovém domě. Výsledky byly použity k ověření simulačního modelu celé budovy IDA-ICE, který umožňuje simulovat hodinové celoroční tlakové podmínky a proudění vzduchu. S ohledem na naměřené a simulované tlakové podmínky byl studován výkon dvou různých lokálních větracích jednotek: zařízení s rekuperačním protiproudým výměníkem tepla (HEX) s příčným průtokem vzduchu se dvěma radiálními ventilátory a zařízení s regeneračním keramickým HEX a axiálním ventilátorem.

Studie porovnávala jednotky s odlišnými parametry: (a) zařízení s rekuperačním protiproudým výměníkem HEX s příčným průtokem vzduchu se dvěma radiálními ventilátory a (b) jednotku s regeneračním keramickým HEX a axiálním ventilátorem.

V obou případech způsobily tlakové rozdíly velké odlišnosti v průtoku přiváděného a odváděného vzduchu. Vzhledem k vyššímu nárůstu tlaku byl rozdíl v rovnováze průtoku vzduchu mnohem menší v případě jednotky s radiálními ventilátory ve srovnání s jednotkou s axiálním ventilátorem. To mělo za následek menší změnu účinnosti rekuperace tepla HEX ve srovnání s regenerativním HEX, který prakticky ztratil rekuperaci tepla kvůli dominantnímu tlaku komínového efektu.

Výsledky simulace ukazují, že v chladných obdobích mohou být byty v prvním patře pod podtlakem až −20 Pa po delší dobu. Při plánování větracích systémů lze jako návrhové hodnoty pro větrací jednotky doporučit hodnoty −10 Pa v 5. patře, −15 Pa ve 3. patře a −20 Pa v 1. patře. Výsledky simulace lokálních jednotek s rekuperačním výměníkem s technologií push&pull ukazují, že během topné sezóny byla teplota přiváděného vzduchu blízká venkovní teplotě a průtok přiváděného vzduchu byl mnohem vyšší než průtok odpadního vzduchu, což ukazuje, že jednotka pracovala jako přívod studeného vzduchu. Vzhledem k rozdílům v proudění přiváděného a odváděného vzduchu existuje riziko zamrznutí výměníku tepla, což vylučuje použití studovaných větracích jednotek v místnostech s vysokou vlhkostí.

Cykly přívodu a výfuku, které jsou znázorněny na obrázku (b), vykazují rychlý pokles teploty přiváděného vzduchu po změně cyklu. Během testů se teplota venkovního vzduchu blížila −5 °C. Pokud jsou průtoky přiváděného a odváděného vzduchu stejné, teplota přiváděného vzduchu byla přibližně 7 °C, ale pokud se tlakový rozdíl zvýšil z 0 Pa na 20 Pa ve zkušební místnosti, teplota přiváděného vzduchu na konci pracovního cyklu přívodu byla přibližně −2 °C.

Výsledky laboratorních měření potvrdily, že axiální ventilátor použitý ve větrací jednotce se systémem push&pull nebyl schopen pracovat v typických tlakových podmínkách vyskytujících se ve vícepodlažních budovách v chladných obdobích tak, aby bylo dosaženo dostatečné rychlosti výměny vzduchu, rekuperace tepla a teploty přiváděného vzduchu s hladinami hluku pod přijatelnými mezemi. V případě jednotky s rekuperačním výměníkem HEX zůstala za stejných okolností teplotní účinnost jednotky vyšší než 0,5 i při podtlaku až −25 Pa, což umožnilo použití zařízení v bytech v prvním patře.

Křivky výkonu ventilátoru byly zkonstruovány pro rychlosti ventilátoru 25 %, 50 %, 75 % a 100 % (viz obr. (a)). Křivky výkonu ventilátorů ukazují, jak proudění přívodu a odsávání vzduchu ventilačních jednotek souvisí s rozdílem vstupního a venkovního tlaku. Je také možné ukázat, jak rozdíl tlaků souvisí s teplotní účinností studovaných větracích jednotek (viz obr. (b)). Výsledky ukazují, že pokud se tlakový rozdíl zvýší, sníží se teplotní účinnost. Stejný trend se objevuje u všech testovaných otáček ventilátorů. Například v případě 50 % úrovně otáček je teplotní účinnost vyšší než 0,5, pokud je tlakový rozdíl menší než 4 Pa.

Studie tak prokázala, že funkčnost větracího systému je závislá na tlakových poměrech interiér vs. exteriér, které se mění v závislosti na tlaku větru na fasádu, přičemž změny výrazně ovlivňuje podlaží bytu a plocha fasády. Tyto faktory významně ovlivňují účinnost zpětného získávání tepla z keramických akumulátorů. Při tlakové nevyváženosti dochází v zimních měsících často k průniku venkovního vzduchu s teplotou i pod 0 °C na konci kyvného cyklu. Interiér bytu byl tímto větracím systémem často vyváděn z rovnotlakého stavu v rámci dispozice bytu s mnoha nepříjemnými následky.

Decentrální větrací jednotky se systémem push&pull od různých výrobců se liší pouze designem, kyvadlový systém proudění vzduchu je shodný u všech jednotek tohoto typu. Jednotky jsou problematické z hlediska schopnosti zachování rovnotlakého provozu.

Jak zajistit stabilní výkon větrání ve vyšších patrech

Zabránit nestabilnímu výkonu lze nejlépe správnou volbou decentrální větrací jednotky. Optimálním řešením jsou jednotky se souběžným provozem, které na český trh přináší švýcarský výrobce Zehnder – přední světový výrobce v oblasti komfortního větrání s rekuperací tepla. „Hlavní výhodou decentrálních větracích jednotek Zehnder je striktně oddělené proudění přiváděného čerstvého a odváděného vydýchaného vzduchu,“ říká Ing. Roman Šubrt, odborník na větrání s rekuperací švýcarského výrobce Zehnder, a dodává: „Nedochází tak k setkávání odpadního vzduchu s přiváděným čerstvým vzduchem, protože unikátní křížový protiproudý entalpický výměník zajišťuje jejich souběžné proudění, aniž by docházelo k mísení.“ Jejich provoz je navíc tichý a na rozdíl od systému push&pull není potřeba řešit problém s odvodem kondenzátu.

Dalším parametrem, v němž decentrální rekuperační jednotky Zehnder vynikají, je stabilita výkonu a marginální vliv povětrnostních podmínek na výkon rekuperace v souběžném provozu. Minimální je i vliv tlaku, který je velkým problémem právě systémy push&pull. „Zejména ve vyšších patrech je vliv povětrnostních a tlakových podmínek na výkonnost větracích jednotek push&pull značný: Teplota přiváděného vzduchu po změně cyklu rychle klesá, což je problém, který pocítí zejména majitelé bytů ve vyšších patrech výškových budov a panelových domů, zejména v zimním období,“ vysvětluje Ing. Roman Šubrt. „Dosažení rovnotlakého provozu potřebného pro zajištění stabilně vysokého výkonu rekuperace navíc komplikují i tradiční odtahové trasy ve výškových budovách,“ doplňuje výčet nevýhod systému push&pull Ing. Šubrt. Trasy jsou obvykle vedeny nad toaletami či kuchyněmi a ve výškových budovách způsobují tzv. komínový efekt. I s tím si snáze poradí rekuperační jednotky Zehnder s obousměrným provozem, které dokážou zajistit dlouhodobě rovnotlaký provoz. Díky tomu jsou také úspornější, účinnost zpětného získávání tepla rekuperací je vyšší, a řešení je tak ekologičtější a udržitelné. Kromě úspory primární energie uživatelé ocení také mimořádně tichý provoz, vynikající filtraci, bezpečný provoz a velmi snadné a komfortní ovládání.

Jednotky se souběžným provozem jsou schopny podstatně efektivněji pracovat i při velkých tlakových a povětrnostních výkyvech a jsou mimořádně vhodné pro použití v rekonstrukcích i vícepodlažních novostavbách. Decentrální jednotku s křížovým entalpickým výměníkem se souběžným prouděním přiváděného a odváděného odpadního vzduchu a dvojí filtrací Zehnder ComfoSpot 50 je možné instalovat do obvodové konstrukce o tloušťce 350–600 mm. Jednotka ComfoAir 70 vyžaduje parametry zdi 275–600 mm. Při použití 300 mm nástavce si obě jednotky poradí s tloušťkou stěny až do 900 mm.

Entalpický protiproudý křížový výměník pro zpětné získávání tepla a vlhkosti umožňuje souběžnou výměnu přiváděného a odpadního vzduchu bez vzájemného mísení a kontaminace a díky velké předávací ploše zajišťuje efektivní rekuperaci až 95 % tepla. Velmi snadno se čistí, zabraňuje vzniku kondenzátu a tím znečištění fasády. Membrány výměníku zabraňují šíření pachů, vzniku plísní a šíření bakterií.

Optimální řešení pro vícepatrové novostavby i rekonstrukce

A jaké konkrétní doporučení má pro investory a stavitele odborník na větrání? „Není-li k dispozici místo pro centrální větrací jednotku, je skvělým řešením buď menší decentrální jednotka ComfoSpot 50, nebo robustnější jednotka ComfoAir 70, která může fungovat i jako semicentrální. Pro bytové domy, a zejména jejich rekonstrukce, můžeme doporučit střešní umístění větrací jednotky Zehnder Caladair s rozvodem vzduchu do jednotlivých bytů, anebo decentrální systém v jednotlivých bytech s využitím podstropní jednotky Climos nebo čerstvé novinky – ploché stropní větrací jednotky Zehnder ComfoAir Flex, jejíž konstrukce umožňuje snadnou instalaci i ve stísněných prostorech, například v chodbách bytů, které jsou obvykle pouze 1 m široké,“ uzavírá Ing. Šubrt své doporučení, které považuje za sázku na jistotu, ať už řešíme větrání v novostavbách, anebo v rekonstrukcích.

Zdroj:

Článek
„The Impact of Air Pressure Conditions on the Performance of Single Room Ventilation Units in Multi-Story Buildings“, Alo Mikola, Raimo Simson, Jarek Kurnitski, Nearly Zero Energy Research Group, Tallin University of Technology, Tallin, Estonia. Publikováno 9.července 2019 na www.mdpi.com 9. července 2019. Autoři jsou členy výzkumné skupiny Almost Zero Energy Research Group, Tallinn University of Technology, Tallinn 19086, Estonsko. Článek je součástí speciálního vydání titulu Energies („Energies Special Issues“) Performance and Indoor Climate Analysis in Buildings“ (Performance and Indoor Climate Analysis in Buildings). Autoři prováděli laboratorní a terénní měření a analýzy naměřených dat. Simulační model byl kalibrován.

Licence: Creative Commons Attribution (CC BY)