Mikroklima budov Přirozené větrání

Transkript

1 AT 02 TZB II a technická infrastruktura LS 2012 Mikroklima budov Přirozené větrání 7. Přednáška Ing. Olga Rubinová, Ph.D. 1

2 Harmonogram AT02 t. část Přednáška Cvičení 1 UT Mikroklima budov, výpočet tepelných ztrát Tepelná ztráta obálkovou metodou 2 Otopné soustavy základní rozdělení prvků Tepelná ztráta dle ČSN Otopná tělesa, potrubní rozvody, armatury, zabezpečovací zařízení Zdroje tepla pro vytápění, plynové spotřebiče, příprava teplé vody Otopná tělesa Rozvody 5 Kotelny a předávací stanice Výkresy 6 Obnovitelné zdroje energie pro vytápění Kotel 7 VZT Význam vzduchotechniky, přirozené větrání Solární ohřev TV + LABORATOŘ 8 Proudění vzduchu, nucené větrání Přirozené větrání 9 Strojovna vzduchotechniky a prostorové nároky VZT Distribuce vzduchu 10 Tepelné bilance VZT potrubí a VZT jednotka 11 Klimatizační systémy a chlazení pro vzduchotechniku Tepelná zátěž 12 Hluk ve vzduchotechnice, zpětné získávání tepla Klimatizace 13 Aplikace vzduchotechnických systémů v občanských stavbách Zápočet

3 Struktura předmětu Architektura pozemních staveb Bakalářský studijní program Ročník 3. - LS OSNOVA PŘEDMĚTU t. část Přednáška 1 UT Mikroklima budov, výpočet tepelných ztrát 2 Otopné soustavy základní rozdělení prvků 3 4 Otopná tělesa, potrubní rozvody, armatury, zabezpečovací zařízení Zdroje tepla pro vytápění, plynové spotřebiče, příprava teplé vody 5 Kotelny a předávací stanice 6 Obnovitelné zdroje energie pro vytápění PŘEDNÁŠKA pdf / web Text Vzorové příklady 7 VZT Význam vzduchotechniky, přirozené větrání 8 Proudění vzduchu, nucené větrání 9 Strojovna vzduchotechniky a prostorové nároky VZT 10 Tepelné bilance 11 Klimatizační systémy a chlazení pro vzduchotechniku 12 Hluk ve vzduchotechnice, zpětné získávání tepla 13 Aplikace vzduchotechnických systémů v občanských stavbách CVIČENÍ - Jednotné osnovy (web) Základní úlohy při návrhu systémů vytápění, větrání a klimatizace pro zadaný objekt

4

5 Životní prostředí člověka 2. Vnitřní Pracovní obytné 1.Vnější VZDUCHOTECHNIKA UTVÁŘÍ VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ BUDOV VZT zařízení řízeně ovlivňuje: Koncentrace látek ve vzduchu (škodlivin plynných, pevného i kapalného aerosolu) Teplota v zimním i letním období Vlhkost vzduchu v zimním i letním období Proudění vzduchu, tlakové poměry

6 Faktory utvářející vnitřní prostředí plynné látky pevný aerosol toxické plyny mikroby odéry ODÉROVÉ TOXICKÉ MIKROBIÁLNÍ AEROSOLOVÉ KVALITA VZDUCHU teplo vodní pára pohyb vzduchu TEPELNĚ VLHKOSTNÍ ELEKTROMAGNETICKÉ ELEKTROSTATICKÉ ELEKTROIONTOVÉ AKUSTICKÉ SVĚTELNÉ IONIZAČNÍ

7 Význam jednotlivých složek prostředí (mikroklimatu) SVĚTELNÉ 24 30,1 TEPELNĚ VLHKOSTNÍ AKUSTICKÉ 21,9 6,6 7,5 9,9 ODÉROVÉ

8

9 Klimatizace v dávnověku Staří Egypťané znali chlazení stěn vodou přiváděnou akvadukty. Takové využití vody je samozřejmě drahé, najdeme je jen v luxusních domech bohatých lidí.

10 Z historie větrání

11 Teplovzdušné vytápění v antice Hypokaustum = začátkem 1. století př.n.l. C. Sergiem Oratou vynalezené vytápění horkým vzduchem a spalinami vedenými pod podlahou a dutinami ve zdech nad střechu; užívalo se v lázních, obdobné systémy lze nalézt i v Číně a Koreji i v některých objektech středověké Evropy. Podlahové kanály v zámku Vranov nad Dyjí Teplovzdušný rozvod pod podlahou v římské vile

12 Originální systém větrání hygienických místností v historické budově

13 Původní větrací systém kostela

14 Z historie větrání a klimatizace ve světě 16.st známý ventilátor, od 19. stol. s mechanickým pohonem 1700: O škodlivinách vznikajících při různé pracovní činnosti psal italský lékař B. Ramazzini Michael Farady zkonstruoval kompresorový chladící okruh (čpavek) pro přímé chlazení vzduchu 1821 Vídeňský inženýr Meissner navrhuje cirkulační teplovzdušné vytápění, které se až do roku 1870 stane nejrozšířenějším druhem. Doporučují jej významné autority, jako německý profesor Herman Rietschel a v roce 1900 český inženýr rytíř Jan Purkyně provedl projektant setník von Brauckmann první tepelně-technický výpočet v souvislosti s návrhem teplovzdušného vytápění budovy gymnasia v Heilbronnu. Až do roku 1870 je nejrozšířenějším druhem ústředního vytápění.

15 Z historie větrání a klimatizace ve světě 1877 Dávka venkovního vzduchu v místnostech, kde pobývají lidé, byla stanovena Maxem von Pettenkoferem v roce z podmínky, aby koncentrace oxidu uhličitého ve vnitřním vzduchu nepřekročila 0,1 obj.% (Pettenkoferovo číslo) 2/2 19. st.: Prvky úpravy vzduchu byly uplatněny v Anglii v několika budovách (parlament v Londýně, koncertní hala v Liverpoolu) - nucený přívod i odvod venkovního a oběhového vzduchu ventilátory, ohřev vzduchu parními ohřívači, vlhčení a chlazení vzduchu sprchováním vodou, vlhčení přidáváním páry i chlazení užitím přírodního ledu

16 Z historie větrání a klimatizace ve světě 1844 zařízení pro komfortní klimatizaci (s využitím větrání a přímého chlazení vzduchu) sestavené amerického lékaře a technika Dr. Johna Gorrie (malárie na Floridě) - první klimatizované nemocniční oddělení 1907 V USA byl poprvé použit pojem "air conditioning" v textilním průmyslu. Navrhl jej S. W. Cramer, který použil adiabatické chlazení pro snížení teploty a zvýšení vlhkosti 1911 Dr. Carrier sestavil psychrometrické tabulky a grafy, kompresorové chlazení

17 Vzduchotechnika na počátku 20. století Nashville Union Station (1900) Hotel Nashville Union Station (1900)

18 Vzduchotechnika na počátku 20. století Andrew Carnegie Free Library, Pittsburgh (1906)

19 Vzduchotechnika na počátku 20. století Morgan Memorial Building, Hartford (1910)

20 Z historie větrání a klimatizace v ČR 80. léta 19.st. Parní ventilátory pro větrání dolů na Ostravsku 1890 Ev. rytíř Purkyně (vrchní inženýr odboru pro ústřední topení a větrání při První českomoravské továrně na stroje v Praze) vydává spis Topení a větrání obydlí lidských založena firma Janka (Janem Jankou), 1907 přemístěna do Radotína, od následujícího roku moderní výroba parních i elektrických ventilátorů, kde funguje dodnes.

21 Z historie vzduchotechniky Vzduchotechnika zajišťuje tvorbu vnitřního prostředí tam, kde stavba tuto funkci neplní (z různých důvodů). První systémy větrání a klimatizace se vyvíjely pro tyto prostory: DOLY NEMOCNICE DIVADLA PRŮMYSL

22 Polní nemocnice V rámci interiéru je vytvořeno prostředí, které odpovídá daným podmínkám stacionárního pracoviště (sterilní prostředí, teplotní podmínky, dostatečný prostor pro manipulaci se zraněnými a pod.). Význam vzduchotechniky tvorba požadovaného vnitřního prostředí tam, kde stavební řešení tuto funkci nezajistí.

23 Význam vzduchotechniky a její místo ve 21. století

24 Význam vzduchotechniky a její místo ve 21. století

25 Význam vzduchotechniky a její místo ve 21. století VYTVÁŘÍ UŽIVATELSKÝ KOMFORT STAVBA FYZIKA (PRIMÁRNÍ FUNKCE) TZB - PODMÍNKY PRO POBYT A ČINNOST (PRÁCI) ČLOVĚKA ZTI UT VZT odvod kouře a tepla MaR BMS - SI EPS SHZ EZS STA výtahy osvětlení PC sítě přístupový systém kamerový systém odpadové hospodářství provoz a údržba

26 Význam vzduchotechniky a její místo ve 21. století Nároky na vnitřní prostředí tvorba interního mikroklimatu místností a budov s cílem formovat vnitřní prostředí pro optimální pobyt a činnost jeho uživatelů zajištění prostředí pro průběh technologických procesů s případnou likvidaci doprovodných škodlivin Technické prostředky k jeho tvorbě

27 Požadavky na stavby a TZB v budovách 137/1998 Sb. VYHLÁŠKA Ministerstva pro místní rozvoj ze dne 9. června 1998 o obecných technických požadavcích na výstavbu Stavba musí být navržena a provedena tak, aby byla při respektování hospodárnosti vhodná pro zamýšlené využití a aby současně splnila základní požadavky, kterými jsou mechanická odolnost a stabilita, požární bezpečnost, ochrana zdraví, zdravých životních podmínek a životního prostředí, ochrana proti hluku, bezpečnost při užívání, úspora energie a ochrana tepla

28 Vzduchotechnické zařízení bezprostředním dopadem na stav vnitřního prostředí, příp. venkovní ovzduší (ekologie) investiční a zejména provozní náročností vysokými prostorovými nároky sociologickými faktory souvisejícími s provozem

29 Vzduchotechnika kolem nás - příklady Vzduchotechnické zařízení může být umístěno vně nebo uvnitř stavby.

30 Vzduchotechnika kolem nás - příklady Vzduchotechnické zařízení může být umístěno vně nebo uvnitř stavby.

31 Vzduchotechnika kolem nás - příklady Vzduchotechnika se vyznačuje vysokými prostorovými nároky.

32 Vzduchotechnika kolem nás - příklady Typické umístění VZT zařízení je ve strojovnách VZT.

33 Vzduchotechnika kolem nás - příklady Typické umístění VZT zařízení je ve strojovnách VZT.

34 Vzduchotechnika kolem nás - příklady Vzduchotechnika také dotváří interiér budov.

35 Vzduchotechnika kolem nás - příklady Vzduchotechnika je funkční součástí budovy.

36 Vzduchotechnika kolem nás - příklady Vzduchotechnika také dotváří interiér budov.

37 Základní členění - úpravy vzduchu Klimatizace úprava čistoty, teploty a vlhkosti vzduchu KVALITA VZDUCHU v závislosti na klimatických podmínkách KVALITA VZDUCHU TRVALE TEPLOTA V ZIMĚ TEPLOTA V LÉTĚ VLHKOST VZDUCHU ŘIDITELNÉ PARAMETRY PROSTŘEDÍ PŘIROZENÉ VĚTRÁNÍ NUCENÉ VĚTRÁNÍ TEPLOVZDUŠNÉ VYTÁPĚNÍ KLIMATIZACE

38

39 Přirozené větrání - princip funkce Přirozené větrání představuje výměnu vzduchu v (prostoru) budově (místností) vlivem tlakového rozdílu, který je vyvolán účinkem přírodních sil vznikajících rozdílem teplot nebo dynamickým tlakem větru. Tento účinný vztlak se spotřebovává prouděním vzduchu přes vřazené odpory (spáry oken, dveří, mřížky na fasádě i uvnitř budovy).

40 Vliv zeleně a jiných překážek proudění vzduchu Vliv zeleně a dalších překážek na proudění vzduchu budovou

41 Tlakové poměry v budově Ve výšce místnosti či budovy, ve které se tlak p i rovná tlaku okolní atmosféry se nachází tzv. neutrálná rovina. Komínový efekt způsobuje podtlak v místnostech spodního podlaží. KOMÍNOVÝ EFEKT SCHODIŠTĚ NEUTRÁLNÍ ROVINA ŠÍŘENÍ ODÉRŮ NEUTRÁLNÍ ROVINA

42 Vliv dispozice na proudění vzduchu budovou Proudění vzduchu budovou záleží na dispozičním řešení tlakovým odporům při proudění vzduchu, na výšce nad terénem, s kterou roste rychlost větru. RYCHLOST VZDUCHU PRŮTOK VZDUCHU

43 Hodnocení větrání průtok a výměna vzduchu Efekt přirozeného větrání lze hodnotit základní veličinou, kterou je průtok vzduchu. Typickou pro přirozené větrání je skutečnost, že vlivem proměnného rozdílu teplot (odpovídající okamžitým klimatickým podmínkám) a nahodilého vlivu větru má účinek zcela variabilní. Proto je přirozené větrání základním systémem tvorby mikroklimatu v jen budovách s nenáročnými požadavky na mikroklima. Intenzita výměny vzduchu poměr objemového průtoku vzduchu přiváděného do prostoru V k objemu tohoto prostoru O ( = kolikrát za hodinu se vzduch v místnosti vymění za čerstvý, venkovní) Orientační hodnoty: obytné prostředí n = 0,5 /h školy n = 2,0 /h n = V O

44

45 Druhy přirozeného větrání infiltrace aerace okna šachtové šachtové (i s využitím účinku větru nebo Slunce)

46 Infiltrace Větraní infiltrací představuje výměnu vzduchu v místnostech probíhající vlivem netěsnosti stavebních konstrukcí. Zcela dominantní je výměna vzduchu spárami otvíravých oken či venkovních dveří. Objemový průtok vzduchu V proudícího do místnosti délkou spár l otevíraných křídel oken či dveří: SMĚR VĚTRU V = i. L. p 0,67 A = 0,6 A = 0,3 PROUDĚNÍ VZDUCHU BUDOVOU p = p t + p w = h.g.(ρ e - ρ i ) + 0,5. A.w 2.ρ e i součinitel provzdušnosti spáry (m 3 s -1 /mpa n ) Dp rozdíl tlaku vzduchu vyvolaný rozdílem teplot Dp t a působením větru Dp w n exponent charakterizující proudění vzduchu spárou, běžně n = 0,67

47 Infiltrace Exfiltrace unikání vzduchu z budovy vlivem přetlaku v budově. Infiltrace vnikání venkovního vzduchu do budovy spárami oken a dveří vlivem podtlaku v budově. i = 1, i V = i.l. p n V i = 0, Součástí moderních oken jsou prvky pro přívod vzduchu, které umožňují zejména v kombinaci s podtlakovým větráním jednoduché a efektivní přirozené větrání. V okenním rámu mohou být integrovány štěrbiny pro přívod vzduchu, nebo systém otevírání okenního křídla umožňuje nastavit křídlo do polohy, kdy mezi okenním křídlem a rámem vzniká širší spára, dostatečná pro infiltraci. Tyto systémy se označují jako mikroventilace).

48 Současný stav systémů podtlakového bytového větrání V nevětraných bytech ať nových nebo zateplených s vyměněnými okny se projevily důsledky nedostatečné výměny vzduchu především vytvořením plísní. Mikroventilace zajišťuje výměnu vzduchu v místnosti pomocí speciálního členu v kování. Pokud se klikou otočí o 45 (4. poloha kliky), křídlo se "odtěsní" cca o 4-6 mm. Vytvoří se spára umožňující infiltraci vzduchu. Použití je závislé na uživateli, není to poloha trvalá.

49 Přívod vzduchu pro přirozené větrání prvky v oknech Přívod vzduchu ve styku okenního rámu a křídla Štěrbinový větrací systém Větrací mřížka v prosklené části okna Přívod vzduchu v okenním rámu

50 Přívod vzduchu pro přirozené větrání prvky v oknech Větrání se zavřeným oknem - Schüco VentoTherm

51 Přívod vzduchu pro přirozené větrání samostatný prvek Tubus s vloženým tlumičem hluku a prachovým fitrem

52 Aerace = způsob výměny vzduchu pomocí otvorů umístěných nad sebou s osovou vzdáleností h. V případě dvou otvorů o ploše S 1 a S 2 umístěných v místností nad sebou vznikne při rozdílné teplotě v interiéru a exteriéru pro t i > t e rozdíl tlaku Dp e. Hmotnostní průtok vzduchu (rovnice větrací rovnováhy) m je dán: m = S. µ ρ p = S µ ρ p e i. 2 S 1, S 2 průřezy přiváděcího a odváděcího otvoru μ 1, μ 2 výtokový součinitel pro přiváděcí a odváděcí otvor (obvykle µ 1 = µ 2 = 0,6 až 0,7) ρ e, ρ i hustoty venkovního a vnitřního vzduchu Pro předpoklad pouze vlivu teploty a S 1 = S 2 = S se rovnice zjednoduší na tvar: m = S. µ. 2. ρ. ρ e i h. g. ρ ( ρ ρ ) e e + ρ i i t e t i S h p e p 2 p 1

53 Aerace Aerace je vhodný způsob jednoduchého větrání pro haly s vývinem tepla.

54 Větrání okny = základní prostředek větrání menších místností. Výměna vzduchu je odvozena pouze pro účinek teploty a vychází z řešení problematiky aerace s tím, že jediný otvor (okno) slouží jak pro přívod i odvod vzduchu. V p = 2. µ. a 3. ρ s. 2. b 3 ρ. ρ ( ρ ρ ) ( 0,33 0,33 ρ + ρ ) 3 i e i e e i. g a šířka okna b výška okna µ výtokový součinitel ρ s. střední hustota vzduchu α α μ 15 0, , , , ,67

55 Šachtové větrání = druh přirozeného větrání, při kterém je vzduch do místnosti přiváděn (sací šachtou), nebo z místnosti odváděn (výtlačnou šachtou), nebo přiváděn i odváděn otvory zaústěnými do svislých průduchů. Výškovým rozdílem sacího a výtlačného otvoru vznikne tlakový rozdíl p. Tento tlak se spotřebuje na překonání hydraulických ztrát při proudění vzduchu šachtou. 3 h p = h. g w 3 t 3 Odváděcí výtlačná šachta S 3 λ 3 ξ 3 ( ρ ρ ) e i h 2 ρ o t o Přívodní sací šachta S 3 λ 3 ξ 3 w 1 t 1 h 3

56 Šachtové větrání - atrium

57 Tlakové poměry v budově Ve výšce místnosti či budovy, ve které se tlak p i rovná tlaku okolní atmosféry se nachází tzv. neutrálná rovina. Komínový efekt způsobuje podtlak v místnostech spodního podlaží. NEUTRÁLNÍ ROVINA ŠÍŘENÍ ODÉRŮ KOMÍNOVÝ EFEKT SCHODIŠTĚ NEUTRÁLNÍ ROVINA

58 Kvalita venkovního vzduchu měření ČHMÚ polétavý prach Leden 2006

59 Kvalita venkovního vzduchu měření ČHMÚ polétavý prach

60 Kvalita ovzduší ve vybraných městech ČR Do zpracování indexu kvality ovzduší (IKO r ) byly zahrnuty naměřené koncentrace SO 2, NO x, TSP a PM 10.

61 61

62 Samotahová hlavice = koncová součást montovaná na střechu: zabraňuje pronikání povětrnostních srážek a nečistot do svislého potrubí Využívá vítr ke zvětšení podtlaku odpadového vzduchu v potrubí. Používá se k přirozenému větrání provozů s vysokým vývinem tepla. Za bezvětří má minimální výkon, tehdy účinkuje pouze konvektivní proudění vzduchu. d h VÍTR PŘETLAK PODTLAK rozvinutá délka šachty (,2) L = l + ξ + d 0,02 1 h vztlak vlivem větru 2 p h = 0,025. v. g průměr hlavice d hs 2. LV.. g = p h

63 Lomanco - ventilační turbíny Větrání panelových domů - kombinace turbíny Lomanco a malých axiálních ventilátorů. K regulaci se použijí uzavíratelné mřížky na výstupech v bytě. Regulace klapkou ruční nebo se servopohonem Průtok vzduchu dle rychlosti větru TYP 8 km/h 13 km/h 24 km/h BIB m3/h 930 m3/h 1750 m3/h BIB m3/h 1200 m3/h 2250 m3/h GT m3/h 930 m3/h 1750 m3/h IB m3/h 295 m3/h 565 m3/h TIB m3/h 930 m3/h 1750 m3/h TIB m3/h 1200 m3/h 2250 m3/h

64 Větrací hlavice (gravitační ventilátory)

65 Šachtové větrání s využitím sluneční energie Experimentální dům pro výzkum větrání Odboru termomechaniky a techniky prostředí Fakulty strojního inženýrství VUT Solární komín, který je instalován nad schodištěm, slouží k intenzivnímu větrání budovy v teplém ročním období, kdy výměna vzduchu v domě není spojena s tepelnou ztrátou a právě naopak je žádoucí odvádět tepelnou zátěž větráním. Principiálně je solární komín vzduchovým kolektorem, ve kterém se slunečním zářením ohřívá vzduch a zvyšuje se tak vztlaková síla pro přirozené (šachtové) větrání