Přirozené a hybridní větrání, principy návrhu. Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. Katedra technických zařízení budov

Transkript

1 Přirozené a hybridní větrání, principy návrhu. Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. Katedra technických zařízení budov

2 Osnova Rozdělení větrání Přirozené větrání Přirozené větrání a okolní podmínky Strategie přirozeného větrání Hybridní větrání 2

3 Rozdělení větrání Shrnutí důvodů proč větráme: Přivádíme čerstvý vzduch obyvatelům větraného prostředí. Odvádíme či ředíme škodliviny, které v prostředí vznikají. Bráníme přenosu škodlivin z okolí do větraného prostředí (pouze u nuceného přetlakového větrání). Chladíme přiváděným venkovním vzduchem (pasivní chlazení). Další přidané funkce mohou zajistit teplovzdušné vytápění či klimatizaci. 3

4 Rozdělení větrání Jak dosáhneme účinku větrání? Obecná definice: Větrání představuje výměnu znehodnoceného vzduchu v prostoru za venkovní čerstvý vzduch, případně neznehodnocený vzduch přiváděný z okolních prostor. Jak větrání probíhá: Pro zajištění větrání musíme uvést vzduch do pohybu - vytvořit vzduchový proud určitého průtoku. Hybným činitelem je rozdíl tlaků vzduchu. 4

5 Rozdělení větrání Jak dosáhneme účinku větrání? Přirozené větrání Principem je účinek vztlakového proudění mezi interiérem a exteriérem o různé teplotě vzduchu a působením větru. Nucené větrání Nucené větrání je založeno výhradně na změně tlaku vynucené prací mechanického zařízení ventilátoru. Hybridní větrání Využívá obou principů přirozeného a nuceného větrání v takové kombinaci při níž je dosaženo cílů větrání při co nejnižší spotřebě energie. 5

6 Přirozené větrání Princip Základní principy podmiňující přirozené větrání: Účinek vztlaku daný rozdílem měrných hmotnostní vnitřního a venkovního vzduchu o různé teplotě. Dynamické působení větru. Natural ventilation, Okanagan College Centre of Excellence, 6

7 Přirozené větrání Princip Účinek vztlaku daný rozdílem měrných hmotnostní vnitřního a venkovního vzduchu o různé teplotě p p e p i h g ( r e r ) i [Pa] LÉTO ZIMA t e, r e t e, r e N.R. neutrální rovina atmosférický tlak p a t i, r i v letním období: menší rozdíl t než v zimě nižší p vyšší požadovaná výška HL t i > t e r i < r e 7

8 Přirozené větrání Princip Působení větru Účinek tlaku a sání větru na budovu podporuje proudění vzduchu budovou. Proudění ve směru od návětrné na závětrnou stranu budovy. Oblast s pod tlakem vyvozeným prouděním vzduchu kolem budovy Vítr Větrem podpořený průtok vzduchu 8

9 Přirozené větrání Princip Působení větru Tlak větru na budovu p s : p s = C p p d [Pa] Dynamický tlak větru p d : p d = 1 2 ρv h 2 [Pa] C p souhrnný aerodynamický součinitel zohledňující vlivy okolí (terén, překážky, apod.) [-] v h rychlost větru ve výšce h [m/s], r měrná hmotnost vzduchu [kg/m 3 ], 9

10 Přirozené větrání Rozdělení: Infiltrace (průvzdušnost spár) výměna vzduchu spárami v obvodových konstrukcích (funkční spáry oken) Podle ČSN se nepřipouští netěsnosti a neutěsněné spáry - vzduchotěsnost Provětrávání cílené větrání otevíranými okenními otvory 10

11 Přirozené větrání Rozdělení: Aerace větrání místnosti pomocí otvorů pro přívod a odvod vzduchu umístěných s dostatečným výškovým rozdílem (účinný vztlak) Šachtové větrání pomocí kombinace otvorů a šachet h min h Aerační světlík h max p t i, r i t e, r e p p e p i h g ( r r ) e [Pa] i 11

12 Vliv okolních podmínek Přímé vlivy na účinek přirozeného větrání: Teplota venkovního vzduchu vliv tepelných ostrovů měst, Vliv na proudění vzduchu v okolí stavby terén, okolní zástavba, tvar budovy Další neopomenutelné vlivy: Omezení přirozeného větrání přenos škodlivin a hluku z venkovního prostředí do budovy 12

13 Vliv okolních podmínek Teplota venkovního vzduchu Tepelné ostrovy Zvýšení teploty vzduchu v městském prostředí vlivem akumulace slunečního záření do zpevněných ploch, budov, aj. a následné tepelné výměny s okolím. 14 Temperature Increase USA cities European cities London Essen Fribourg (CH) Gotemborg Bale-Berne Malmoe Fribourb (D) Paris Athnes 3 C 4 C 5 C 6 C 6 C 7 C 10 C 14 C 14 C 0 1'000 10' '000 1'000'000 10'000'000 Population Maximum difference in urban and rural temperature for US and European cities. From (Littlefair 2000), data from (Oke 1982). Rozložení tepelné zátěže [kwh/m 3 ] v Aténách při nastavené teplotě v klimatizovaném prostředí 26 C.

14 Vliv okolních podmínek Působení větru Vliv terénu při proudění větru kolem budovy Rychlost větru, turbulence, tvar proudu 14

15 Vliv okolních podmínek Působení větru Vliv okolních budov Expozice a orientace budovy Rychlost větru a vyvozený tlak větru jsou v městském prostředí výrazně omezeny Vhodná orientace Převažující směr větru v zimě Nevhodná orientace Převažující směr větru v létě 15

16 Vliv okolních podmínek Působení větru Vliv tvaru budovy Směr větru, tvar budovy 16

17 Vliv okolních podmínek Působení větru Porovnání rychlosti vzduchu ve větracím otvoru s rychlostí větru nad terénem 17

18 Vliv okolních podmínek Omezení přirozeného větrání Přenos škodlivin z venkovního prostředí Příklad - Průběh poměru koncentrací ozónu ve vnitřním a venkovním prostředí Indoor/outdoor ratio, I/O (-) a) V závislosti na intenzitě větrání b) V závislosti na venkovní koncentraci Zavřené CW okno Částečně otevřené POW okno OW Otevřené okno Hayes 1991 Weschler et al Iordache Air changes per hour, ach (h -1 ) Indoor/outdoor ratio, I/O (-) I/O at 0,6 (vol./h) Weschler et al I/O at 4,0 (vol./h) Weschler et al I/O Shair et Heitner 1974 I/O=1-exp(-0.027*C o ) I/O=exp(-0,379*C o 0,368 ) I/O=1-exp(-0,027*C o ) Outdoor concentration, C o (ppb) 18

19 Vliv okolních podmínek Omezení přirozeného větrání Přenos hluku z venkovního prostředí Hladinu hluku před větracím otvorem ovlivňuje mnoho parametrů doprava, poměr šířky ulice k výšce nad ulicí. Plochy značené jako OK umožňují využití přirozeného větrání Kdyby přijatelná hladina hluku v kanceláři se uvážila do 60 db při útlumu v otevřeném okně přibližně db, potom venkovní hluk do 70 db by byl pro přirozené větrání akceptovatelný. F Nicol, M Wilson, The effect of street dimensions and traffic density on the noise level and natural ventilation potential in urban canyons, Energy and Buildings, Volume 36, Issue 5, May 2004, Pages , ISSN , 6/j.enbuild

20 Vliv okolních podmínek Omezení přirozeného větrání Přenos hluku z venkovního prostředí Hladinu hluku před větracím otvorem ovlivňuje mnoho parametrů doprava, poměr šířky ulice k výšce nad ulicí. Plochy značené jako OK umožňují využití přirozeného větrání Kdyby Neplatí přijatelná pro chráněná hladina hluku vnitřní v kanceláři prostředí se uvážila podle NV do 60 db při útlumu v otevřeném 272/2011 okně Sb. přibližně db, potom venkovní hluk do 70 db by byl - pro Nemocniční přirozené větrání pokoje, akceptovatelný. - Lékařské ordinace, - Obytné místnosti, - Hotelové pokoje, - Přednáškové síně, učebny, aj. F Nicol, M Wilson, The effect of street dimensions and traffic density on the noise level and natural ventilation potential in urban canyons, Energy and Buildings, Volume 36, Issue 5, May 2004, Pages , ISSN , 6/j.enbuild Hygienický limit ekvivalentní hladiny akustického tlaku A se stanoví pro hluk pronikající vzduchem zvenčí a pro hluk ze stavební činnosti uvnitř objektu součtem základní hladiny akustického tlaku A LAeq,T se rovná 40 db a korekcí přihlížejících ke druhu chráněného prostoru a denní a noční době podle přílohy č

21 Strategie přirozeného větrání Jednostranné provětrávání Přívod a odvod vzduchu stejným otvorem. Méně účinné. Příčné provětrávání Přívod a odvod na stejném podlaží Protilehlými otvory napříč podlažím Dveře, příčky vybavené větracími otvory Účinné při otevřených otvorech na návětrné straně Volné chlazení e t < comfort t Stínění Tepelná a vizuální pohoda Šachtové větrání Přívod vzduchu otvory v obvodových stěnách Odvod šachtou Není nutný vliv větru F. ALLARD- CHAMPS Seminar Nanjing 20-22/03/2011 Noční chlazení Dostatečná tepelná kapacita Minimální výměna vzduchu 10 h -1

22 Strategie přirozeného větrání Využití působení větru Badgir (WindCatcher) Příčné provětrávání 22

23 Strategie přirozeného větrání Využití působení větru Jednostranné větrání podpořené větrem Model De Gidds a Phaff Výměna vzduchu vypočtená pro místnost vysokou 2,7 m s okny vysokými 1,5 m o ploše 1/20 plochy podlahy místnosti A w efektivní plocha otevřeného okna v eff efektivní rychlost proudícího vzduchu v okně F. ALLARD- CHAMPS Seminar Nanjing 20-22/03/

24 Strategie přirozeného větrání Šachtové větrání Větrání využívající účinného vztlaku p h min p e p i h g ( r r ) p = p vstup + p šachta + p výstup p výstup e i [Pa] Účinný vztlak v závislosti na teplotním rozdílu vnitřního a venkovního vzduchu a výšce šachty F. ALLARD- CHAMPS Seminar Nanjing 20-22/03/2011 h max p šachta p vstup,2 p p vstup,1 24

25 Strategie přirozeného větrání Prvky pro přívod venkovního vzduchu Požadavek na minimální tlakovou ztrátu Samoregulační pro snížení vlivu intenzivního větru. samoregulační samoregulační S útlumem hluku z okolí 25

26 Příklady přirozeného větrání School of Engineering, De Montfort University, Leicester, UK. Využití systému větracích šachet. Odpadní vzduch Pozor na místní průvan! Proud vzduchu učebnami a chodbami Čerstvý vzduch řízenými prvky 26

27 Příklady přirozeného větrání Library and Resource Centre Coventry University, UK. Základní fakta: Univerzitní knihovna otevřena v roce 2000; lokalita městského centra; rozlehlá budova (50 m x 50 m); čistě přirozené větrání bez podpory ventilátorů; noční chlazení; stínění přímému slunečnímu záření; čerstvý vzduch pro vnitřní atrium kanálem pod budovou; větrací šachty na obvodě v kombinaci s centrálním odvodem přes atrium; zónové řízení podle koncentrace CO 2 s kontrolou teploty vzduchu; klimatizace pouze v počítačových sálech. Vnímání uživateli: Tepelná pohoda přijatelná, Velmi pozitivní přijetí, Hlášen mírný přenos hluku knihovnou (Simons et al International Journal of Ventilation, Vol 2, N 1,2003) F. ALLARD- CHAMPS Seminar Nanjing 20-22/03/

28 Příklady přirozeného větrání 28 F. ALLARD- CHAMPS Seminar Nanjing 20-22/03/2011

29 Hybridní větrání Systém dvou režimů Režim přirozeného větrání Režim nuceného větrání Pokud systém je schopen zajistit požadavky větraného prostředí využije se co nejvíce přirozeného větrání. Pokud účinek přirozeného větrání není dostatečný doplňuje jej nebo nahrazuje větrání nucené 29

30 Hybridní větrání Cíle: Zajistit kvalitu vzduchu ve větraném prostředí Při maximální úspoře energie Aniž je degradována jiná složka vnitřního prostředí (např. tepelná pohoda průvanem). Účinek větrání Přirozené větrání Požadovaná úroveň Nucené větrání Rychlost větru 30

31 Hybridní větrání Strategie větrání: IAQ Tepelná pohoda Přirozené Nucené Alternativní provoz. Smíšený provoz 31

32 Hybridní větrání time fraction Průtok vzduchu v čase: nucené hybridní přirozené volume flow rate dm3/s 32

33 Hybridní větrání Stálost průtoku: CO 2 concentration in ppm time in hours 33

34 Hybridní větrání Rozdělení, typické příklady: Alternativní využití přirozeného a nuceného větrání Ventilátorem podporované přirozené větrání Šachtové větrání s podporou nuceného větrání Integrovaný přístup návrhu: Architektura Stavební řešení Stavební fyzika Nucené větrání Měření a řízení Nižší spotřeba energie 34

35 Hybridní větrání Příklad: Media school Grong Norway Ventilátorem podporované přirozené větrání 35

36 Hybridní větrání 36

37 Hybridní větrání Spínač světel, snímače kvality a teploty vzduchu 37

38 Závěr Rozdělení větrání dosažení požadovaných účinků větrání (způsoby přirozené, nucené, hybridní) Přirozené větrání využívá přírodních sil, účinku vztlaku daného teplotním rozdílem mezi venkovním a vnitřním vzduchem a účinků větru. Přirozené větrání a okolní podmínky vlivy a handicapy. Strategie přirozeného větrání postupy, které respektují vlastnosti přirozeného větrání. Hybridní větrání z pohledu kvality vzduchu a spotřeby energie výhodné sloučení přirozeného a nuceného větrání

39 děkuji za pozornost! Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. Katedra technických zařízení budov