Technické aspekty navrhování komfortní klimatizace Vladimír Zmrhal ČVUT v Praze, Fakulta strojní Únor 2014 Ústav techniky prostřed edí 1 Návrh klimatizačního systému Vstupní údaje parametry vnitřního vzduchu t i, ϕ i parametry venkovního vzduchu t e, h e citelná tepelná zátěžq z,c [W] podle ČSN 73 0548 vlhkostní zátěžm w [g/h] tepelná ztráta Q ztr [W] podle ČSN EN 12 831 průtok větracího vzduchu na osobu V e [m 3 /(h.os)] a obsazenost Prostory: pracovní (Nařízení vlády č. 93/2012 Sb.) pobytové (Vyhláška č. 20/2012 Sb.) obytné (ČSN EN 15665/Z1) 2
Požadavky na větrání Nařízení vlády č. 93/2012 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zaměstnanců při práci minimální množství přiváděného venkovního vzduchu 25 m 3 /h osobu pro práci převážně vsedě, bez přítomnosti chemických látek, nebo jiných zdrojů znečištění (I nebo IIa) 36 m 50 m 3 /h osobu pro práci, 3 /h osobu reálná hodnota pro kanceláře s přítomností chemických látek, prachů nebo jiných zdrojů znečištění (I nebo IIa) 70 m 3 /h osobu při práci převážně vstoje (IIb, IIIa, IIIb) 90 m 3 /h osobu při těžké fyzické práci +10 m 3 /h osobu při další zátěži teplem nebo pachy (kouření) 3 Požadavky na větrání ČSN EN 13779 Větrání nebytových budov Základní požadavky na větrací a klimatizační systémy Třída kvality vnitřního vzduchu IDA 1 vysoká IDA 2 střední IDA 3 středně nízká IDA 4 nízká Doporučený minimální průtok venkovního vzduchu [m 3 /(h.os)] Nekuřácké prostory > 54 36 až 54 22 až 36 < 22 Kuřácké prostory > 108 72 až 108 43 až 72 < 43 4
Požadavky na větrání - ČSN EN 15251 ČSN EN 15251 - Doporučené průtoky větracího vzduchu [m 3 /(h.os)] Typ prostoru Jednotlivé kanceláře Kategorie I II III Velkoplošná I 38 65 92 146 38 kancelář II 27 43 65 103 27 III pro osoby 36 25 14 16 velmi nízké 54 36 22 27 Znečištění vnitřního prostředí nízké 72 50 29 38 výrazné 108 76 43 59 přídavek na kouření 25 18 11 16 5 Požadavky na větrání v rámci EU Zdroj: REHVA 2012 6
Třídění klimatizačních systémů Klimatizační systémy Sdílení tepla - konvektivní - sálavé Počet zón - jednozónové - vícezónové Účel - komfortní - technologické Teplonosná látka - vzduchové - vodní - kombinované (vzduch voda) - chladivové - jednokanálové, VAV, dvoukanálové - chladicí stropy, ventilátorové konvektory - indukční jednotky (chladicí trámce) - split, multisplit, VRV 7 Výhody (+) a nevýhody ( ) Charakteristické vlastnosti FCU VRV IJ (CHT) Typ systému vodní konvektivní chladivový konvektivní kombinovaný konvektivní Teplota vstupní / vratné vody 16/18 6/12 C - 16/18 C Povrchová teplota chladiče vnitřní jedn. 17 C 9 4-5 C 17 C Teplota přiváděného vzduchu 16 var. C var. 16 C Odvod kondenzátu ano ( ) ano ( ) ne (+) Možnost využití pro vytápění ano (+) ano (+) ano (+) El. napájení ventilátoru ano ( ) ano ( ) ne (+) Filtrace oběhového vzduchu ano ( ) ano ( ) ano ( ) Hlučnost ano ( ) ano ( ) ne (+) Pro přívod čerstvého vzduchu ano/ne (0) ano/ne (0) ano (+) Každý systém má své výhody i nevýhody! 8
Indukční jednotky (chladicí trámce) kombinovaný systém vzduch voda IJ plní funkci koncového distribučního prvku (přívod větracího vzduchu + chlazení popř. vytápění) paralelně pracující větrací zařízení t pr konst. 16 C vysokoteplotní systém (nízkoenergetický) t w 16 C filtrace / čištění bez odvodu kondenzátu bez elektrického napájení příznivé hlukové parametry 9 Uspořádání indukčních jednotek 10
Návrh systému s IJ 1) Chladicí výkon primárního vzduchu ( ) Q& = V& ρc t t pr, c pr i pr 2) Indukční poměr V& sek i = & = 2 6 V pr 3) Potřebný chladicí výkon výměníku IJ z hygienické dávky na osobu Q& = Q& Q& = V& ρc t t t ( ) sek z, c pr, c sek i sek sek 11 Návrh systému s IJ 4) Kontrola navlhčení v místnosti x = x x = i p M& w ρ ( V& + & pr Vsek ) a platí x i M x = & ρ & w pr V pr 5) Celkový výkon chladiče centrální jednotky Q& = V& h h ρ ( ) ch, VZT pr, celk e pr 6) Průtok vody chladičem IJ 12
Úprava vzduchu v h-x diagramu (IJ) Letní provoz E CH Pr stav venkovního vzduchu t e, h e t ch (podle druhu chladiče) dáno úpravou primárního vzduchu např. t pr = 16 C I např. t i = 26 C x i z navlhčení vzduchu dle 4) Sek t sek dle bodu 3) P směšování M sek a M pr (pákové pravidlo) 13 Praktický návrh systému s IJ Zadání V pr, t pr, t i, t w, ϕ i, V w Volba jednotky typ jednotky, typ trysek Kontrola citelného chladicího výkonu Q z,c Q sek + Q pr Kontrola rychlosti proudění w L, w H1 14
Parametry venkovního vzduchu Celkem 1989 hodin - teplé období roku 1. 5. až 30. 9.; 7.00 až 19.00 h; 1 % = 20 hodin 15 Chlazení venkovního vzduchu Recknagel: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik 16
Reálné vodní chladiče Zdroj: Lloyd coils 17 Reálné vodní chladiče Zdroj: Lloyd coils 18
Rychlosti proudění ve VZT jednotkách Podle ČSN EN 13053 Třída Třída V1 Třída V2 Třída V3 Třída V4 Třída V5 Třída V6 Třída V7 Třída V8 Třída V9 Rychlost proudění [m/s] < 1,6 > 1,6 až 1,8 > 1,8 až 2,0 > 2,0 až 2,2 > 2,2 až 2,5 > 2,5 až 2,8 > 2,8 až 3,2 > 3,2 až 3,6 > 3,6 roste spotřeba energie 19 Chlazení venkovního vzduchu Výkon chladiče pro extrémy venkovního vzduchu (t ch = 9 C) A) pro t e = 32 C a h e = 58 kj/kg h A,t = 22 kj/kg B) pro t e = 30 C a h e = 70 kj/kg h B,t = 29 kj/kg Q& ha t 22 = = = 0,75 h 29 ch &, A, ch, B B, t Q o 25 % menší výkon chladiče, než je v extrému zapotřebí tj. skoro 120 hodin ve zkoumaném roce (2003) výkon chladiče nepostačuje k ochlazení (odvlhčení) vzduchu Teoretický průběh: chlazení po přímce 20
Chlazení venkovního vzduchu Teoretický a reálný výkon chladiče (t ch = 9 C) Stav vzduchu t e = 32 C h e = 58 kj/kg t e = 30 C h e = 70 kj/kg teorie (přímka) 21,8-29 - výpočet h [kj/kg] Q r / Q t 18,4 0,84 27,7 0,95 výrobce 17 0,78 26,5 0,92 Důsledek: Q Q ch, v, A ch, t, B 17 = = 0,58 29 tj. o 42 % menší výkon 21 Chlazení venkovního vzduchu (35 m 3 /h.os) t pe2 = 22 C, x pe2 = 12,2 g/kg 22
Riziko kondenzace Předpoklady extrémní klimatický rok 2003 nucené větrání 25, 35, 50 m 3 /h přímý výparník t ch 5 C teplota primárního vzduchu t pr = 16 C reálný průběh na chladiči vzduchu (Recknagel) Celkem 1414 hodin - teplé období roku 7.00 až 19.00 h; 1 % = 14 hodin 23 Riziko kondenzace Opatření měření regulace zónování budovy prediktivní řízení www.wunderground.com www.yr.no www.noaa.gov 24
Riziko kondenzace 25 Riziko kondenzace Regulace teploty vody Riziko kondenzace Regulace teploty vody t w1 Teoretická Skoková Průtok venkovního vzduchu na osobu [m 3 /h.os] 25 35 50 Teplota přiváděného vzduchu t p [ C] 16 20 16 20 16 20 2,41 % 9,62 % 0,28 % 3,04 % 0,07 % 1,14 % 4,60 % 19,09 % 0,64 % 8,63 % 0,14 % 3,55 % v případě, že riziko kondenzace přes všechna opatření nastane uzavření přívodu chladicí vody 1 % = 14 hodin v roce 26
Doporučení pro projekční praxi - IJ Větrání a úprava venkovního vzduchu hygienická dávka vzduchu pro osobu pracující v kanceláři: 36 m 3 /h teplota primárního vzduchut pr = 16 C přirozené větrání nedoporučuje se Návrh jednotky - chladiče vzduchu pro extrémní hodnoty (např. rok 2003 t e = 30 C ah e = 70 kj/kg) přímé výparníky t ch = 4 až 5 C (vyšší EER) rychlost vzduchu v průřezu VZT jednotky / počet řad výměníku Měření a regulace centrální regulace teploty vody (zónová) kvalitativní lokální regulace průtoku (v místnosti) kvantitativní 27 Ventilátorové konvektory (fan-coil) vodní systém přívod větracího vzduchu (do místnosti / do jednotky) chlazení / vytápění paralelně pracující větrací zařízení není bezpodmínečně nutné vzduch chladit (odvlhčovat) většinou se navrhuje jako nízkoteplotní - 6/12 C, ale může pracovat variantně (10/15; 14/18 C ) změna výkonu odvod kondenzátu obsahuje ventilátor - elektrické napájení hluk zejména při vyšších otáčkách ventilátoru 28
Ventilátorové konvektory (fan-coil) Provedení parapetní kazetové nástěnné podlahové podstropní potrubní ( kanálové ) 29 Ventilátorové konvektory (fan-coil) Varianta a) do místnosti Varianta b) do FCU 30
Úprava vzduchu v h-x diagramu (FCU) Letní provoz varianta a) E CH PE I P S stav venkovního vzduchu t e, h e t ch (podle druhu chladiče) dáno úpravou venkovního vzduchu např. t pe = 20 C např. t i = 26 C, volba ϕ i t p dáno maximálním pracovním rozdílem teplot směšování M ob a M e (pákové pravidlo) 31 Návrh systému s ventilátorovými konvektory 1) Návrh výkonu konvektoru pro odvod tepelné zátěže platí: ( & & ) ρ ( ) Q& = V + V c t t z, c e ob i s Q& = Q& + Q& z, c FCU,cit pe, cit ( ) ( ) Q& = V& ρc t t V FCU,cit ob i p ob Q& = V& ρc t t pe,cit e i pe pro daný pracovní rozdíl t p z hygienické dávky vzduchu 32
Návrh systému s ventilátorovými konvektory 2) Max. pracovní rozdíly teplot t p = (t i t p ) t p = 3-6 K pro podlahové konvektory podle polohy t p = 8 K pro parapetní konvektory t p = 12 K podstropní konvektory + vířivé anemostaty 3) Celkové výkony výměníků & ch, FCU = & obρ ( i p ) Q& ( ) ch, AHU = V& eρ he hpe Q V h h 4) Kontrola navlhčení v místnosti x = x x = i s M& w ( & e + & ob ) V V ρ 33 Úprava vzduchu v h-x diagramu (FCU) Letní provoz varianta b) bez úpravy venkovního vzduchu E I S CH P stav venkovního vzduchu t e, h e např. t i = 26 C, volba ϕ i směšování M ob a M e (pákové pravidlo) t ch (podle druhu chladiče) t p dáno maximálním pracovním rozdílem teplot 34
Návrh systému s ventilátorovými konvektory 1) Návrh výkonu konvektoru pro odvod tepelné zátěže ( & & ) ρ ( ) Q& = V + V c t t z, c e ob i p 2) Celkový výkon výměníku ( & & ) ρ ( ) Q& = V + V h h ch, FCU e ob s p 3) Kontrola navlhčení v místnosti x = x x = i p ρ M& w ( V& e + V& ob ) 35 Návrh systému s ventilátorovými konvektory Porovnání obou variant návrhu t i = 25 C, V e = 70 m 3 /h, Q z,c = 2000 W Teplota větracího vzduchu t pe [ C] = t e = t i = 27 C = 17 C Q FCU,cit / Q FCU,celk [kw] 32 C / 58 kj/kg 30 C / 70 kj/kg Var. a) Var. b) Var. a) Var. b) 2,16 / 2,44 2,16 / 2,44 2,12 / 2,66 2,12 / 2,68 2,0 / 2,23 2,0 / 2,23 2,0 / 2,44 2,0 / 2,46 1,81 / 1,99 1,81 / 1,98 1,81 / 2,10 1,81 / 2,10 36
Návrh systému s ventilátorovými konvektory Varianta a) do místnosti Varianta b) do FCU 37 Návrh systému s ventilátorovými konvektory Příklad: Varianta a) přívod venkovního vzduchu do místnosti t i = t pe = 25 C, V e = 70 m 3 /h, Q z,c = 2000 W t e = 32 C; h e = 58 kj/kg t p [ C] V ob [m 3 /h] Q FCU,cit [kw] Q FCU,celk [kw] 12 495 8 743 2,0 2,23 6 990 38
Návrh systému s ventilátorovými konvektory Správný je výběr podle průtoku pro příslušný pracovní rozdíl teplot Qz, c 2000 3600 tp = = = 7,44 V ρc 798 1,2 1010 ob 39 Návrh systému s ventilátorovými konvektory 40
Doporučení pro projekční praxi (FCU) volba pracovního rozdílu teplot t p podle umístění jednotky návrh realizovat pro střední otáčky ventilátoru výkon jednotky kontrolovat pro zadaný teplotní rozdíl t w1 /t w2 v případě napojení distribučních elementů je důležitým údajem pro návrh dispoziční (externí) tlak ventilátorů p ext pracovní bod ventilátoru riziko kondenzace není závažným problémem odvod kondenzátu vyšší spotřeba chladu dimenzování na běžné návrhové parametry venkovního vzduchu nedílnou součástí komfortní klimatizace je řízená úprava čerstvého venkovního vzduchu 41 Chladivové klimatizační systémy split, multisplit chladivový systém vysoké hodnoty EER minimální prostorové nároky na rozvody teplonosné látky (chladiva) přímé výparníky t ch = 4 až 5 C odvod kondenzátu riziko vzniku průvanu návrh systému je obdobný jako pro ventilátorové konvektory 42
Chladivové klimatizační systémy Způsoby přívodu venkovního vzduchu a) do místnosti b) do jednotky c) přirozeně 43 Doporučení pro projekční praxi nutno zohlednit riziko vzniku průvanu vysoké chladicí výkony vnitřních jednotek t p návrh realizovat pro střední otáčky ventilátoru riziko kondenzace není závažným problémem odvod kondenzátu vyšší spotřeba chladu dimenzování na běžné návrhové parametry venkovního vzduchu výkon zdroje chladu se dimenzuje na součet výkonu vnitřních jednotek (současnost) často výkonově předimenzované otevíratelná okna kontakty přerušení dodávky chladu maximální tepelná zátěž / teplota venkovního vzduchu výkon 44
Důležitost volby systému Zdroj chladu VRV 5x40 = 200 kw FCU 118,4 kw (řada 500) IJ / CHS 95 kw (řada 300) Pořizovací cena??? Příklad administrativní budovy 2. 6.np J vnitřní žal. 0,8 kw 1,45 kw 1,2 kw 45 Nenavrhujete vnitřní jednotky (indukční jednotky, konvektory) navrhujete klimatizační systém. 46
Děkuji za pozornost Vladimir.Zmrhal@fs.cvut.cz http://users.fs.cvut.cz/~zmrhavla 47