Lenka MICHNOVÁ 1 VYUŽITÍ VZDUCHOTECHNIKY A POSOUZENÍ JEJICH FUNKCE

Transkript

1 Lenka MICHNOVÁ 1 VYUŽITÍ VZDUCHOTECHNIKY A POSOUZENÍ JEJICH FUNKCE Abstrakt V dnešní době stále častěji přecházíme od přirozeného větrání k větrání nucenému. Je to dáno především změnou stavebních materiálů a samotnou skladbou konstrukcí na hranici s venkovním vzduchem nebo zeminou. Nastavit optimální mikroklimatické podmínky v jakýchkoliv vnitřních prostorech je nelehký úkol. V případě přirozeného větrání lze ovlivnit pouze jeden parametr vnitřního vzduchu. Jinak je tomu u řízeného větrání, kdy lze vzduch jak ohřívat, tak chladit, zvlhčovat či odvlhčovat. Nucené větrání tedy celkově umožňuje zlepšit komfort v užívání daných prostorů. Tento příspěvek byl zpracován v rámci absolvování odborné praxe ve firmě, která se převážně zabývá instalací kogeneračních jednotek, kde vzduchotechnika je nedílnou součástí. Klíčová slova Teplota, vzduchotechnika, KGJ, metoda PPD,metoda PMV, respondent 1 ÚVOD Absolvování odborné stáže ve firmě Menergo, a.s. mi přineslo neocenitelné zkušenosti. Společnost disponuje týmem velmi erudovaných odborníků, kteří nabízejí své pracovní zkušenosti v oblasti výroby energií v centrálních zdrojích, kombinované výroby elektřiny a tepla, v oblasti distribuce energií a v oblasti realizace velkých energetických staveb. Menergo, a.s. se věnuje zejména návrhům konkrétního technického řešení, výpočtu doby návratnosti, zpracování projektové dokumentace až po vlastní instalace kogeneračních jednotek o různých výkonech (dále jen KGJ). Měla jsem to štěstí, že jsem byla přidělena právě do týmu, který se zabývá návrhem a zpracováním dokumentace pro instalaci kogeneračních jednotek (dále také KGJ). Pro upřesnění se jedná o kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla. Výhoda kogenerace proti oddělené výrobě elektrické energie v elektrárnách a výrobě tepla 1 Ing. Lenka Michnová, Katedra Prostředí staveb a TZB, Fakulta stavební, VŠB-Technická univerzita Ostrava, Ludvíka Podéště 1875/17, Ostrava - Poruba, tel.: (+420) , lenka.michnova@vsb.cz. 1

2 ve výtopnách je jednoznačná. Spočívá jednak v nižší spotřebě primárních energetických zdrojů, a zejména příznivě působí na zlepšování životního prostředí nízkými emisemi. Nejdůležitějšími parametry KGJ jsou bezesporu účinnosti při výrobě elektrické energie a tepla, které je spíše vedlejším produktem. Rozdíly mezi účinností kombinované a oddělené výroby tepla a elektřiny dosahují až 60% ve prospěch KGJ. Obrázek níže nabízí lepší představu. [1] Obr. 1: Rozdíl mezi KGJ a běžným zdrojem. [1] Každý návrh a zpracování projektové dokumentace KGJ je jedinečný. Ve většině případů jsou KGJ instalovány v průmyslových aplikacích, kde nacházejí široké využití. Jedná se především o průmyslové technologie jako je např.: lakovací linky, sušárny dřeva, průmyslové haly, lokální kotelny, velké i menší hotely, satelitní města, ale i nemocnice, polikliniky, wellness a bazény. Nesmíme opomenout, že nedílnou součástí instalací KGJ jsou i druhotné technologie, bez kterých by provoz těchto zařízení nemohl fungovat. V prvé řadě jde o napojení v oblasti prostředí staveb a TZB: vytápění; chlazení; vzduchotechnika; plyn; zdravotechnika; spalinovody, kouřovody a komíny; vodovodních a kanalizačních rozvody. V oblasti elektra jde o napojení: trafostanice; rozvody VN a NN (vysoké a nízké napětí); měření a regulace systému. 2

3 Vše při správném návrhu a později provedení samotné instalace pak zajišťuje bezchybný provoz kogeneračních jednotek v každém odvětví průmyslu. Tento přípěvek je dále zaměřen na specifickou oblast technického zařízení budov : využití vzduchotechniky. 2 VZDUCHOTENIKA Vzduchotechnika (dále také VZT) jako taková patří do skupiny technického zařízení budov, která zvláště v nových průmyslových a administrativních budovách tvoří složité technologické celky. VZT tak tvoří nemalou část investičních a posléze i provozních nákladů objektu. Nejčastěji dochází k realizaci buď při technologickém využití vzduchu v průmyslu nebo pro vytvoření požadovaného vnitřního mikroklimatu v budovách. Vzduchotechnika se dnes netýká jen průmyslu a administrativy, ale postupně proniká i do českých domácností ve formě rekuperace vzduchu v nízkoenergetické výstavbě, ale také jednodušší systémy jako odvětrání toalet, koupelen a kuchyní a v případě umístění krbu se vzduchotechnické potrubí může využít pro rozvody horkého vzduchu do horních pater. Tepelná pohoda, odvod škodlivin, filtrace vzduchu a přivádění čerstvého vzduchu, které jsou primární funkcí VZT, jsou pro člověka nezbytné a zásadně ovlivňují nejen kvalitu života, ale i pracovní nasazení a produktivitu práce. Nedílnou součástí vzduchotechniky mohou být i vzduchotechnické jednotky s cirkulací vzduchu, které vyžadují až extrémní úpravy ať již teplotní, vlhkostní nebo kvalitativní. 2.1 Základní rozdělení Dle tlaku větraného vzduchu můžeme VZT systémy rozdělit na: rovnotlaké; podtlakové a přetlakové systémy. Dle použité jednotky rozdělujeme VZT systémy dále na: větrací jednotky; jednotky zajišťující teplovzdušné vytápění; jednotky klimatizace. Obr. 2: Princip rekuperace a řez rekuperační jednotkou. 3

4 2.2 Jednotky zajišťující teplovzdušné vytápění Společnost Menergo,a.s. se mimo jiné zabývá také poradenstvím v oblasti energetiky, kdy zajišťuje zpracování průkazů energetické náročnosti staveb (dále PENB) a také energetické audity. Mnohem častěji se zpracovávají PENB pro rodinné domy a byty určené pro prodej, než pro průmyslovou oblast. V návaznosti na výše zmíněné jsem byla požádána ve spolupráci s katedrou Prostředí staveb a TZB, fakulty stavební, VŠB - TU Ostrava o ověření funkce VZT jednotek zajišťující teplovzdušné vytápění a větrání v pasivních stavbách. Veškeré nové stavby mají dnes problém, co s tepelnou zátěží v letních měsících. Pokud uvnitř objektů dochází v létě k přehřívání interiéru, ne vždy je na vině špatný návrh skladeb konstrukcí a dispoziční řešení staveb. V mnoha případech za to může poddimenzovaný systém vzduchotechniky včetně jednotky. 3 POSOUZENÍ FUNKCE VZDUCHOTENIKY V dřívějších dobách výstavby klasických zděných domů se zdvojenými či kastlíkovými okny nebyl problém s tepelnou zátěží v letních měsících. Pozornost se tehdy obracela spíše na zajištění tepelné pohody v zimě. Dnes je tomu naopak. V rámci české legislativy, kdy byla přijata Směrnice evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU, je nutné snížit spotřebu energie o 20% do roku Jednotlivé členské země EU jsou na základě této směrnice povinny stanovit minimální požadavky na energetickou náročnost budov. V důsledku toho jsme vedeni k tomu, že veškeré nově budované stavby musí mít nízkou nebo velmi nízkou spotřebu tepla. Opomíná se však na splnění normových požadavků v letních měsících. To vše má za následek přehřívání interiéru, a z důvodu těsnosti obálky budovy je toto teplo obtížně přirozeně větratelné. Pasivní stavby jsou svou konstrukční skladbou a prosklenými částmi, nejčastěji orientovanými na jih, k přehřívání nejnáchylnější. U těchto staveb je později problém se energetických zisků zbavit. Právě z těchto důvodů je třeba takovéto objekty zajistit také druhotnými systémy pro zvýšení energetické efektivity především vzduchotechnickými zařízeními. 3.1 Tepelná pohoda Zajištění optimální tepelné pohody v letních měsících není lehký úkol. Vše závisí na několika faktorech, které jsou úzce spjaty jak s prostředím, tak se samotnými osobami [2]. Mezi faktory ovlivňující vnitřní klima nepatří jen teplota t a [ C], ale také relativní vlhkost vzduchu φ i [%], rychlost proudění vzduchu v ar [m/s] a také tzv. střední radiační teplota t r [ C]. V našich klimatických podmínkách nedosahuje relativní vlhkost vzduchu vysokých hodnot a proto je její vliv na tepelnou pohodu nevýrazný [3]. Energetický výdej člověka M [W/m 2 ] a jeho tepelný odpor oděvu I cl [m 2.K/W] patří mezi nejdůležitější osobní faktory. Tepelný odpor oděvu je nejčastěji vyjádřen jednotkou clo. Jedno clo odpovídá izolační hmotě s tepelným odporem 0,155 m 2. C/W [4]. Základním parametrem, podle kterého se především dimenzují vzduchotechnická zařízení, je teplota vzduchu. Návrh je také ovlivněn činností osob, které se v daném 4

5 prostoru vyskytují. Pro teplotu vzduchu 24 C ± 2,0 C a běžné kancelářské a školní prostory odpovídá činnost při sezení s celkovým tepleným tokem 1,2 met, kdy 1 met = 58 W/m 2 [5]. Tepelná pohoda lze stanovit celkem třemi způsoby: Výpočtem Měřením Subjektivním hodnocením osob V případě stanovení tepelné pohody výpočtově, je třeba vycházet ze základní tepelné bilance člověka. Tepelná pohoda je stav, při němž organismus produkuje právě tolik tepla, kolik je odebíráno okolím konvekcí, radiací, respirací, perspirací a případně vedením. Pokud je třeba přebytečné teplo odvést mokrým pocením, nejsou dodrženy podmínky tepelné pohody. V rámci vyhodnocení optimálního mikroklimatu školícího centra MSDK v Ostravě, byla záměrně vybrána varianta se subjektivním hodnocením osob. Při tomto hodnocení respondenti zaznamenali postupné změny prostředí dle škály viz. tabulka 1 a 2. Tab. 1: Stupnice tepla pro hodnocení metodou PPD Cold Cool Slightly cool Neutral Slightly warm Warm Hot Tab. 2: Stupnice koncentrace CO 2 pro hodnocení metodou PPD Rain fresh Fresh Slightly fresh Neutral Slightly stuffy Stale Unbreathable Na základě těchto záznamů byl proveden výpočet PPD z průměrných 10-ti minutových záznamů dle vzorce: PPD = *exp[-( * PMV * PMV 2 )] (1) kde: PPD - Predicted percentage dissatisfied: Předpověď procentuálního podílu nespokojených PMV - Predicted mean vote: Předpověď středního tepelného pocitu člověka PMV na základě jeho činnosti, oděvů a faktorů prostředí v 7 stupňové stupnici. 3.2 Subjektivní hodnocení tepelné pohody Objekt pasivního domu (školícího centra MSDK), který využívá Fakulta stavební pro výzkumné účely, byl vybrán záměrně. Objekt je monitorován a parametry mikroklimatu jsou zaznamenávány. Díky tomu je možné veškeré subjektivní hodnocení porovnávat s objektivními hodnotami. Měření probíhalo ve dnech se dvěma skupinami respondentů. Ti měli za úkol v pravidelných intervalech zaznamenávat své subjektivní hodnocení vnitřního mikroklimatu. U všech respondentů bylo zaznamenáno množství a typ oděvu pro potřeby hodnocení. První den měření probíhalo při vypnuté vzduchotechnice a větrání probíhalo pouze nárazově okny. Jelikož se jedná o pasivní stavbu, bez zapnuté vzduchotechniky bylo nemožné udržet optimální mikroklima v místnosti. V tabulce 3. a 4. je patrné postupné zhoršování komfortu jak z hlediska teploty, tak množství CO 2, které se projevuje vydýchaným vzduchem a pocitem únavy. Zanedbáme-li únavu, kterou mohli způsobit 5

6 přednášející, pak je možné z odpovědí respondentů usuzovat, že v takto omezeně větraném prostoru docházelo ke zvýšení hladiny CO 2 v řádech minut. Z důvodu stále se zhoršujícího mikroklimatu byla ve 13:52 záměrně otevřena okna a došlo tak k rázovému větrání prostoru. Tab. 3: Subjektivní hodnocení teploty respondenty dne Time\Respondent : : : : : : : Tab. 4: Subjektivní hodnocení koncentrace CO 2 respondenty dne Time\Respondent : : : : : : : Druhý den měření byla v provozu vzduchotechnika, což se na respondentech projevilo tak, že jejich subjektivní hodnocení se narozdíl od předchozího dne vzájemně výrazně lišilo. Při absenci nuceného větrání hodnotili všichni mikroklima přibližně stejně a rovnoměrně. Při nuceném větrání velice záleželo na rozsezení jednotlivých respondentů v místnosti. V tabulce 5. a 6. jsou patrné výkyvy. Blízko vyústek VZT bylo prostředí rovnoměrnější a respondenti ho vnímali rovnoměrněji než ti, kteří seděli poblíž interiérových stěn. Tab. 5. Subjektivní hodnocení teploty respondenty dne Time\Respondent : : : : : : : Tab. 6. Subjektivní hodnocení koncentrace CO2 respondenty dne

7 Time\Respondent : : : : : : : Hodnocení probíhalo pomocí stupnice dle metody PMV (+3 horko, 0 neutrální a -3 zima). K tomu byla dodána druhá stupnice na čerstvost / vydýchanost vzduchu (taktéž +3 až -3). 4 ZÁVĚR Na základě zaznamenaných pocitů respondentů byl vyhodnocen celkový procentuální počet nespokojených osob v daném prostředí, viz. tabulka 8. a 9. Z dostupných výsledků vyplývá, že v místnosti s námi nastaveným režimem, kterým jsme záměrně zhoršovali vnitřní mikroklima, bylo dosaženo vysokého podílu nespokojených jednotlivců. Zajímavým zjištěním je, že vyšší procentuální nespokojenost připadá právě na režim s řízením vzduchotechnikou. Tab. 7: Případy doporučených kategorií pro návrh strojně vytápěných a chlazených budov [6] Category Thermal state of the body as a whole PPD [%] Estimated mean thermal feeling I < 6-0,2 < PMV < 0,2 II < 10-0,5 < PMV < 0,5 III < 15-0,7 < PMV < 0,7 IV > 15 PMV < - 0,7 or +0,7 < PMV Vliv na to může mít jak malé množství respondentů, tak také jejich rozmístění vzhledem k vyústkám VZT. Při přirozeném větrání jsou jasně patrné výkyvy mezi časovými úseky se zavřenými či otevřenými okny. Je nutno podotknout, že výše zmíněné režimy se dají považovat za extrémní a v běžném případě prakticky nenastávají. Pocity respondentů jsou také umocněny jejich zvýšeným očekáváním, spojeným s návštěvou experimentálního pasivního domu MSDK v Ostravě. Pokud by se námi zvolené režimy daly považovat za běžné, pak by daná místnost odpovídala kategorii IV. dle tabulky 7. Tab. 8: Vyhodnocení počtu nespokojených osob s vnitřním prostředím dne

8 Time PMV PPD PMV CO2 PPD CO2 13:20 0,18 5,7% 0,05 5,0% 13:30 0,77 17,6% 0,45 9,3% 13:40 1,14 32,2% 1,18 34,4% 13:50 1,41 46,0% 1,73 63,2% 14:00 0,27 6,5% 0,36 7,8% 14:10 0,09 5,2% -0,18 5,7% 14:20 0,14 5,4% -0,23 6,1% Tab. 9: Vyhodnocení počtu nespokojených osob s vnitřním prostředím dne Time PMV PPD PMVCO2 PPDCO2 13:20 0,27 6,5% 0,36 7,8% 13:30 0,64 13,5% 0,55 11,2% 13:40 1,36 43,6% 0,64 13,5% 13:50 1,18 34,4% 0,55 11,2% 14:00 1,27 38,9% 0,55 11,2% 14:10 1,36 43,6% 0,45 9,3% 14:20 1,36 43,6% 0,73 16,1% Námi zjištěné hodnoty budou dále analyzovány a porovnávány s vypočtenými objektivními hodnotami z měření, která v objektu probíhají. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek byl zpracován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/ , členem katedry Prostředí staveb a TZB na Fakultě stavební VŠB-TUO v rámci absolvování odborné praxe ve společnosti Menergo, a.s., kteří jsou partneři MSEK. LITERATURA [1] MENERGO, a.s.: Komplexní služby v energetice. [online]. [cit ]. Dostupné z: [2] JANEČKA, J.: Diagnostika tepelného stavu prostředí. In: Sborník z konference TD 2008 Diagon 2008, Academia centrum UTB ve Zlíně, 2008, s , ISBN

9 [3] LAIN M., BARTÁK M., SVOBODOVÁ H., Posouzení parametrů prostředí v místnosti klimatizované jednotkou SPLIT In: tzb-info [online] 2013, [cit ] Dostupné na www: [4] ČSN ISO 7730 Ergonomie tepelného prostředí Analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního tepelného komfortu. [5] VDOLEČEK, F. ZUTH, D.: Sledování tepelné pohody člověka. Technická diagnostika, 2006, roč. 15, č. XX, s , ISSN: X. [6] ČSN EN Vstupní parametry vnitřního prostředí pro návrh a posouzení energetické náročnosti budov s ohledem na kvalitu vnitřního vzduchu, tepelného prostředí, osvětlení a akustiky. CONTRIBUTION TITLE IN ENGLISH Keywords Temperature; air-condition; KGJ; PPD; PMV; respondent Summary To set optimal climatic conditions in any interior space is a difficult task. In the case of natural ventilation we can affect only one parameter of indoor air. It is different with controlled ventilation; we can warm up the air as well as cool down and change the humidity. The primary function of air conditioning is primarily air exchange, which is in some cases underestimated because of economic costs. In this paper, the authors attempt to compare methods of assessing PPD and PMV with real respondents feels. In earlier times, the construction of the classic brick home with double or "kastlíkovými" windows was not a problem with the heat load in the summer months. Attention was then turned to ensure thermal comfort in winter. The opposite problem is solved today. It is necessary to reduce energy consumption by 20% till 2020, because of Czech legislation, which was adopted by European Parliament and Council 2010/31/EU. EU countries are required to establish minimum requirements for the energy performance of buildings under this Directive. As a result, we are encouraged that all newly constructed buildings must have a low or very low heat consumption. They fails to meet the standard requirements in the summer months. All this has resulted in overheating of the interior and because of tightness of the building envelope, this heat is difficult to naturally ventilate. Passive buildings are more susceptible to overheating due their structural composition and glass parts of the south-facing. In these buildings The problem is to reduce energy gains. And that is why it is necessary to provide secondary systems to improve energy efficiency in these buildings - particularly by air-conditioning equipment. It is not an easy tack to ensure optimal thermal comfort in summer months. Everything depends on several factors, which are closely linked with the environment and the people themselves [1]. The factors influencing the indoor climate it is not only the temperature t a [ C], but also the relative humidity φ i [%], the air velocity v ar [m/s] and the 9

10 mean radiant temperature t r [ C]. The relative humidity is not achieving high values in our climate and therefore its influence on the thermal comfort is insignificant [2]. The energy expenditure of human M [W/m 2 ] and the thermal resistance of clothing I cl [m 2.K/W] is one of the most important personal factors. Thermal resistance of clothing is most often expressed in "clo". One clo corresponds to the insulation of material with a thermal resistance of m 2. C/W [3]. The basic parameter by which the air conditioning equipment is primarily dimensioned are the air temperature, relative humidity and concentration of pollutants in the area. The design is also influenced by the actions of people in a specified area. For the air temperature 24 C ± 2.0 C in general office and school buildings means the sitting activity heat flux of 1.2 met when 1 met = 58 W/m 2 [4]. Thermal comfort can be set by three ways: Calculation Measurements Subjective assessment of persons In the case of the thermal comfort determination by calculation, it must be based on fundamental human heat balance. Thermal comfort is a condition in which the body produces just as much heat as is consumed by the surroundings by convection, radiation, respiration, perspiration and possibly by heat conduction. If there is a need to excess heat by wet sweating, the conditions of thermal comfort are not met. During the evaluation of the optimum microclimate in MSDK training center in Ostrava a variant with a subjective assessment of people was deliberately chosen. The overall percentages of dissatisfied people in the environment were evaluated and it was based on recorded respondents feelings, see. Table no. 8 and 9. The available results indicate that in the room with conditions set by us, which we have deliberately worsened the internal microclimate, there is a high proportion of dissatisfied individuals. An interesting finding is that a higher percentage of dissatisfaction is when the air conditioning running. It can be caused by small number of respondents, as well as their positioning in relation to ventilation exhausts. When natural ventilation is used there are clearly noticeable fluctuations between the time segments with closed or opened windows. It should be noted that the above mentioned modes can be regarded as extreme and should normally not occur in usual cases. The respondents feelings are also intensified by the increased expectations associated with the visit of the experimental passive house MSDK in Ostrava. If our chosen modes can be considered as normal, then the specified room fit the category IV. according to Table no