KLIMATIZACE A PRŮMYSLOVÁ VZDUCHOTECHNIKA

KLIMATIZACE A PRŮMYSLOVÁ VZDUCHOTECHNIKA Prof. Ing. František Drkal, CSc. Ing. Miloš Lain, Ph.D. Ing. Jan Schwarzer, Ph.D. Ing. Vladimír Zmrhal, Ph.D. Praha 2009 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Jednotlivé kapitoly sepsali: Prof. Ing. František Drkal, CSc. - kapitoly 1, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 15 a 16 Ing. Miloš Lain, Ph.D. - kapitoly 2, 5, 11 a 19 Ing. Jan Schwarzer, Ph.D. - kapitoly 12, 13, 14, 17 a 18 Ing. Vladimír Zmrhal, Ph.D. - kapitola 10

Obsah 1 Charakteristika oboru větrání a klimatizace... 7 1.1 Vývoj oboru... 7 1.2 Požadavky na úpravu prostředí... 8 1.3 Literatura... 9 2 Hlavní funkční prvky větracích a klimatizačních zařízení... 10 2.1 Ohřívače... 12 2.1.1 Vodní ohřívače... 12 2.1.2 Parní ohřívače... 15 2.1.3 Elektrické ohřívače... 15 2.1.4 Chladivové ohřívače... 16 2.1.5 Spalovací komory... 16 2.2 Chladiče... 17 2.2.1 Vodní chladiče... 17 2.2.2 Přímé výparníky... 19 2.3 Ventilátory... 19 2.4 Vlhčení vzduchu... 21 2.4.1 Parní zvlhčovače... 21 2.4.2 Zvlhčování vodou... 23 2.5 Čištění vzduchu... 24 2.5.1 Třídění filtrů... 25 2.5.2 Použití hrubých filtrů... 25 2.5.3 Použití jemných filtrů... 25 2.5.4 Použití vysoceúčinných filtrů... 26 2.5.5 Provedení filtrů... 26 2.6 Zpětné získávání tepla... 26 2.7 Odvlhčování... 28 2.7.1 Adsorpční odvlhčování... 28 2.7.2 Kondenzační odvlhčování... 29 2.8 Další funkční prvky větracích a klimatizačních zařízení... 29 2.9 Provedení a návrh klimatizačních jednotek... 29 2.10 Literatura... 30 3 Rozptýlení vzduchu v místnostech... 31 3.1 Obecné poznatky... 31 3.2 Vyústky pro přívod vzduchu... 32 3.2.1 Obdélníkové mřížky... 32 3.2.2 Trysky... 33 3.2.3 Vířivé anemostaty... 35 3.2.4 Stropní štěrbiny... 36 3.2.5 Podlahové vyústky... 37 3.2.6 Velkoplošné vyústky... 37 3.2.7 Textilní vyústky... 38 3.3 Modelování rychlostních, teplotních a koncentračních polí... 39 3.3.1 Metody počítačové simulace... 39 3.3.2 Metoda přímé simulace... 39 3.3.3 Metoda velkých vírů... 39 3.3.4 Metoda časového středování... 40 3.3.5 Modelování proudění v blízkosti stěny... 40 3.3.6 Dvouvrstvý model... 40 1

3.3.7 Stěnové funkce... 41 3.3.8 Obecný postup řešení... 41 3.4 Hodnocení kvality větrání... 43 3.5 Literatura... 45 4 Klimatizační systémy... 46 4.1 Třídění klimatizačních systémů... 47 4.2 Charakteristické vlastnosti klimatizačních systémů... 47 4.2.1 Vzduchové, vodní, kombinované, chladivové systémy... 47 4.2.2 Systémy jednozónové, vícezónové... 48 4.3 Porovnání vzduchových, vodních a chladivových systémů... 48 4.3.1 Vzduchový systém, jednokanálový nízkotlaký vzduchovod pro chlazení... 48 4.3.2 Vzduchový systém, jednokanálový vysokorychlostní (vysokotlaký) vzduchovod pro chlazení... 49 4.3.3 Vodní systém s ventilátorovými konvektory - rozvod vody pro chlazení... 49 4.3.4 Chladivový systém rozvod kapalného/plynného chladiva... 50 4.3.5 Výsledek porovnání... 50 4.4 Literatura... 50 5 Zdroje chladu pro klimatizační zařízení... 51 5.1 Chladicí faktor... 52 5.2 Výparníky... 54 5.3 Vodou chlazené kondenzátory... 54 5.4 Vzduchem chlazené kondenzátory... 56 5.5 Adiabatické chlazení kondenzátorů... 58 5.6 Regulace zdrojů chladu... 59 5.7 Absorpční zdroje chladu... 59 5.8 Alternativní zdroje chladu... 59 5.8.1 Noční chlazení... 59 5.8.2 Adiabatické chlazení... 59 5.8.3 Využití chladu zemského polomasivu... 60 5.9 Literatura... 60 6 Vzduchové klimatizační systémy... 61 6.1 Vzduchový jednokanálový systém, jednozónový... 61 6.2 Vzduchový jednokanálový systém s proměnným průtokem vzduchu, vícezónový. 61 6.3 Vzduchový dvoukanálový vícezónový systém... 62 6.4 Literatura... 63 7 Vodní klimatizační systém s ventilátorovými konvektory... 64 7.1 Popis systému... 64 7.2 Funkce systému a ventilátorového konvektoru... 65 7.2.1 Letní provoz (φ I není zadáno)... 65 7.2.2 Zimní provoz (φ I = 0,5)... 65 7.3 Literatura... 67 8 Kombinovaný klimatizační systém vzduch-voda s indukčními jednotkami... 68 8.1 Popis systému... 68 8.2 Funkce systému a indukční jednotky... 68 8.2.1 Letní provoz (φ I není zadáno)... 69 8.2.2 Zimní provoz (φ I = 0,5)... 69 8.3 Literatura... 71 9 Chladivové systémy... 72 9.1 Koncepce systémů... 72 9.2 Split systém, jednozónový... 72 2

9.3 Multisplit systém, vícezónový s konstantním průtokem chladiva... 72 9.4 Multisplit systém, vícezónový s proměnným průtokem chladiva... 73 9.5 Literatura... 74 10 Chladicí stropy... 75 10.1 Výhody a nevýhody... 75 10.1.1 Riziko kondenzace... 75 10.1.2 Tepelný komfort... 75 10.1.3 Úspory energie... 76 10.2 Rozdělení chladicích stropů... 76 10.3 Základní typy chladicích stropů... 77 10.3.1 Potrubní systémy... 78 10.3.2 Sálavé chlazení s akumulační hmotou - aktivace betonu... 79 10.3.3 Kapilární rohože... 79 10.3.4 Chladicí panely... 79 10.3.5 Otevřené chladicí stropy... 80 10.3.6 Speciální provedení... 80 10.4 Sdílení tepla v prostoru s chladicím stropem... 80 10.5 Výkony chladicích stropů... 81 10.6 Literatura... 82 11 Větrání bytů a rodinných domků... 83 11.1 Větrání bytů... 83 11.2 Větrání rodinných domů... 85 11.3 Literatura... 85 12 Větrání kuchyní... 86 12.1 Průtok odsávaného vzduchu... 87 12.2 Průtok přiváděného vzduchu... 88 12.3 Hlavní zásady... 89 12.4 Literatura... 91 13 Větrání a klimatizace bazénů... 92 13.1 Tepelná a vlhkostní zátěž... 92 13.1.1 Tepelné zisky sluneční radiací okny... 92 13.1.2 Prostup tepla stavebními konstrukcemi... 93 13.1.3 Tepelné zisky od osob... 93 13.1.4 Přestup tepla mezi vodní hladinou a okolním vzduchem... 93 13.1.5 Zátěž vázaným teplem... 93 13.1.6 Množství odpařené vody... 93 13.2 Celková tepelná bilance... 94 13.3 Dimenzování větracího zařízení... 94 13.4 Distribuce vzduchu... 97 13.5 Literatura... 98 14 Čisté prostory... 99 14.1 Klasifikace čistých prostorů... 99 14.2 Zdroje částic... 101 14.3 Systém větrání a klimatizace... 102 14.4 Literatura... 105 15 Větrání garáží... 106 15.1 Principy větrání garáží... 106 15.1.1 Zdroje znečišťování ovzduší... 106 15.1.2 Větrací systémy... 106 15.2 Výchozí podklady pro návrh větrání garáží... 107 3

15.2.1 Přípustné výpočtové koncentrace oxidu uhelnatého... 107 15.2.2 Emise oxidu uhelnatého... 108 15.2.3 Parkovací doba, frekvence výměny vozidel v garáži, současný výjezd... 109 15.2.4 Délka trasy vozidel, doba jízdy... 110 15.2.5 Doba volnoběhu... 110 15.3 Průtok vzduchu pro parkovací garáže s průběžnou výměnou vozidel... 111 15.3.1 Emise oxidu uhelnatého v úseku garáže... 111 15.3.2 Průtok vzduchu pro větrání úseku garáže... 111 15.3.3 Měrný průtok vzduchu vztažený na počet stání vozidel v úseku... 112 15.4 Literatura... 112 16 Větrání plynových kotelen... 113 16.1 Požadavky na přívod vzduchu... 113 16.1.1 Přívod spalovacího vzduchu... 113 16.1.2 Požadovaná intenzita větrání, bezpečnost plynových kotelen... 115 16.1.3 Tepelný stav v kotelnách... 117 16.1.4 Tepelná zátěž kotelen... 117 16.2 Systémy větrání plynových kotelen... 118 16.2.1 Obecné zásady pro větrací systémy... 119 16.2.2 Přirozené větrání... 119 16.2.3 Nucené, sdružené větrání... 121 16.3 Literatura... 121 17 Větrání halových objektů... 122 17.1 Provozy teplé a horké... 122 17.1.1 Teplotní součinitel B... 122 17.1.2 Průtok větracího vzduchu... 123 17.1.3 Účinný tlak... 124 17.1.4 Stanovení velikosti aeračních otvorů... 125 17.1.5 Okrajové podmínky výpočtu a kombinované větrání... 125 17.2 Chladné provozy... 126 17.2.1 Specifické vlastnosti chladných provozů... 126 17.2.2 Zaplavovací větrání kombinované se sálavým vytápěním... 128 17.3 Literatura... 129 18 Požární větrání... 130 18.1 Větrání únikových cest... 130 18.2 Větrání požárních úseků... 132 18.2.1 Přirozené větrání požárních úseků... 133 18.2.2 Nucené požární větrání... 134 18.3 Požární klapky... 135 18.4 Literatura... 136 19 Potřeba energie pro větrání a klimatizaci budov... 137 19.1 Roční spotřeba energie... 137 19.2 Literatura... 138 Příloha 12.1... 139 4

Označení B teplotní součinitel (-) C koncentrace (mg/m 3, ppm) kumulativní četnost částic (1/m 3 ) H hybnost proudu (N) výhřevnost plynného paliva (MJ/m 3 ) I intenzita sluneční radiace (W/m 2 ) intenzita větrání (1/h) M hmotnost (kg) hmotnostní průtok (kg/s) O objem (m 3 ) odlučivost (%) P příkon (W) Q teplo (J) tepelný tok (W) R tepelný odpor (m 2 K/W) S průřez, plocha (m 2 ) T termodynamická teplota (K) Tu intenzita turbulence (-) U součinitel prostupu tepla (W/m 2 K) V objemový průtok (m 3 /s) a rozměr (průměr) částice (µm) a,b délkový rozměr (m) c měrná tepelná kapacita (J/kg K) c č součinitel sálání dokonale černého tělesa (W/m 2 K 4 ) d průměr (m) délkový rozměr (m) f frekvence (Hz, 1/h) g tíhové zrychlení (m/s 2 ) h měrná entalpie (J/kg s.v. ) l výška (m) skupenské teplo (J/kg) délkový rozměr (m) n otáčky (1/s, 1/min.) p tlak (Pa) p v parciální tlak vodních par (Pa) p vs parciální tlak sytých vodních par (Pa) q měrný tepelný tok (W/m 2 ) r měrná plynová konstanta (J/kg K) poloměr (m) tepelný odpor (m 2 K/W) t teplota ( C) w rychlost (m/s) x měrná vlhkost (kg/kg s.v., g/kg s.v. ) x,y délkový rozměr (m) Φ teplotní faktor (-) Ψ vlhkostní faktor (-) α součinitel přestupu tepla (W/m 2 K) úhel ( ) β součinitel přenosu hmoty (m/h) δ směr změny v h x diagramu (J/kg s.v. ) ε emisivita (-) ζ součinitel místní ztráty (-) η účinnost (-) λ součinitel tření (-) součinitel přebytku vzduchu (-) µ dynamická viskozita (Pa s) průtokový součinitel (-) ν kinematická viskozita (m 2 /s) ρ hustota (kg/m 3 ) τ čas (s,h) τ stř místní střední stáří vzduchu (s) φ relativní vlhkost vzduchu (%, -) 5

1 Charakteristika oboru větrání a klimatizace 1.1 Vývoj oboru Úprava prostředí pro vytvoření tepelného komfortu i čistého ovzduší úzce souvisí s vývojem lidské civilizace. Již v období starověku, ale i později v novověku nalezneme ve stavbách a obydlích technická řešení větrání i tepelné a vlhkostní úpravy vnitřního ovzduší, i z dnešních hledisek, plně funkční. Vývoj poznatků o hygieně člověka vedl k postupnému definování hygienických požadavků na kvalitu tepelného a vlhkostního mikroklimatu i čistoty ovzduší a na související problematiku větrání. Nucené větrání se uplatnilo nejprve v dolech, později byly nuceně větrány budovy nemocnic, divadel i průmyslových dílen. I když o škodlivinách vznikajících při různé pracovní činnosti psal již v roce 1700 italský lékař B. Ramazzini (1633-1714), teprve v roce 1859 byl vydán v Rakousko-Uhersku živnostenský zákon, který kromě jiného kladl majitelům živností zajistit větrání a čistotu pracoven. Dávka venkovního vzduchu v místnostech, kde pobývají lidé, byla stanovena Maxem von Pettenkoferem v roce 1877 [1.1] z podmínky, aby koncentrace oxidu uhličitého ve vnitřním vzduchu nepřekročila 0,1 obj. % (Pettenkoferovo číslo); odpovídající dávka vzduchu pro běžnou činnost tak činila přibližně 25 m 3 /h osobu. První českou práci z oboru větrání publikoval Jan Ev. rytíř Purkyně (vrchní inženýr odboru pro ústřední topení a větrání při První českomoravské továrně na stroje v Praze) "Topení a větrání obydlí lidských (1890)". V roce 1904 publikoval ve Vídni lékař Josef Rambousek, od roku 1907 soukromý docent na německé vysoké škole technické v Praze, spis "Luftverunreinigung und Ventilation mit Rücksicht auf Industrie und Gewerbe" - pravděpodobně první spis, pojednávající o znečištění ovzduší a větrání v průmyslu. Počátky klimatizace, založené na přirozených principech proudění, přenosu tepla i vlhkosti, nalezneme již v minulosti. Jak uvádí Carrier [1.2], v některých oblastech Indie, za horkého období, bylo využito intenzivního stabilního proudění větru k úpravě teploty a vlhkosti v palácových stavbách. Přes otvory na návětrné straně budov byly zavěšovány vlhčené rohože z trávy k adiabatickému chlazení (vypařováním) přiváděného vzduchu. Rohože byly vlhčeny ručně, nebo z perforovaných žlabů, zásobovaných gravitačně vodou z rezervoáru. Prvky úpravy vzduchu, o kterých lze říci, že později formovaly "klimatizaci" byly uplatněny v Anglii v druhé polovině 19. století v několika budovách (parlament v Londýně, koncertní hala v Liverpoolu) - nucený přívod i odvod čerstvého venkovního a oběhového vzduchu ventilátory, ohřev vzduchu parními ohřívači, vlhčení a chlazení vzduchu sprchováním vodou, vlhčení přidáváním páry i chlazení užitím přírodního ledu. V USA byl poprvé použit pojem "air conditioning" v textilním průmyslu. Navrhl jej v roce 1907 S.W. Cramer v příspěvku o úpravě vlhkosti v textilních továrnách pro National Cotton Manufacturers Association. K podstatnému pokroku v klimatizační technice přispěly vědecké práce z oblasti termodynamiky vlhkého vzduchu (vytvoření diagramu a tabulek vlhkého vzduchu). V USA to byly práce Dr. W. H. Carriera, který v roce 1911 připravil text "Rational Psychrometric Formulae - Their Relation to the Problems of Meteorology and of Air Conditioning", vycházející z jeho předchozí několikaleté práce z oboru psychrometrie (termodynamiky vlhkého vzduchu). V práci byly publikovány vztahy mezi veličinami určujícími stav vlhkého vzduchu společně s psychrometrickým diagramem. Diagram vlhkého vzduchu se v americké literatuře označuje jako psychrometrický diagram (psychrometric chart); původně byl konstruován v souřadnicích t (teplota vzduchu) a t m (teplota mokrého teploměru); v současnosti jsou to souřadnice h -x (entalpie - měrná vlhkost). 7

V Evropě (r. 1923 a 1929) publikoval diagram vyjadřující vztah entalpie a měrné vlhkosti vzduchu (h-x diagram podle Molliera) R. Mollier [1.3], [1.4]. Rozdílnost diagramů vlhkého vzduchu podle Molliera a psychrometrického diagramu ASHRAE je pouze v poloze souřadných os. 1.2 Požadavky na úpravu prostředí Klimatizace se tradičně zabývá tepelnou a vlhkostní úpravou vzduchu, větráním (přívodem čerstvého vzduchu) a prouděním vzduchu, spojeným s filtrací vzduchu. Do historicky starších oborů vytápění a větrání přinesla procesy vlhčení, chlazení i odvlhčování vzduchu a automatické řízení úpravy vzduchu v závislosti na změnách klimatických podmínek. Požadovaný stav vzduchu v místnostech určují dvě základní hlediska - požadavky osob (klimatizace pro komfort) a požadavky technologické, procesní (a obdobné, např. biologické - v prostředí pro rostliny, zvířata). Jsou oblasti, kde se obě hlediska propojují u technologií s vysokými nároky na kvalitu ovzduší se mohou vyskytovat i náročné požadavky na kvalitu prostředí pro činnost osob (řídící počítačová střediska, operační sály aj.); mohou však nastat i případy, kdy požadavky jsou značně rozdílné. Stále se rozšiřující požadavky na uplatnění klimatizačních systémů přináší i jejich nová technická řešení. Úprava vzduchu může být velmi jednoduchá (dílčí), pro dodržení pouze některého parametru ovzduší (např. pouze teploty), nebo komplexní (úplná) pro přesné dodržení všech definovaných parametrů v přísných tolerancích. Hlavní určující veličiny tepelného a vlhkostního stavu prostředí pro komfortní klimatizaci jsou: teplota vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, rychlost proudění vzduchu, intenzita turbulence a střední radiační teplota (vyjadřující sálavý účinek ploch v místnosti). Současný vliv teploty vzduchu, střední radiační teploty i rychlosti proudění vzduchu vyjadřuje operativní teplota - určující parametr tepelného stavu prostředí pro osoby [1.7]. Teplota vnitřního vzduchu pro komfortní klimatizaci se pohybuje v rozmezí 22 C (v zimě) až 26 C (v létě). Maximální rozdíl mezi teplotou venkovního vzduchu a teplotou vzduchu ve vnitřním klimatizovaném prostředí nemá (dle hygienických doporučení) překročit 6 K; tj. při venkovní teplotě 32 C by neměla teplota vnitřního vzduchu poklesnout pod 26 C. Relativní vlhkost vnitřního vzduchu je pro potřeby komfortu obvykle definována v širokých mezích: 30 až 70 %, i když optimální hodnota se uvádí 50 %. Výzkumy v posledních letech ukazují, že lidé subjektivně preferují relativní vlhkost poněkud nižší než 50 %. Rychlost proudění vzduchu v pásmu pobytu osob v klimatizovaném prostoru se zpravidla požaduje v úzkém rozmezí 0,1 až 0,2 m/s. Intenzita turbulence dosahuje v klimatizovaném prostředí hodnot 10 až 60 %. Nižší hodnoty se dosahují u usměrněného proudění vytěsňováním, zaplavováním, vyšší hodnoty u přívodu vzduchu směšováním např. u vířivých výustí. Při vyšší intenzitě turbulence pociťuje člověk vyšší ochlazovací účinek. Čistotu vnitřního ovzduší definují požadavky na limitní obsah škodlivin v ovzduší - pro pracovní prostředí platí přípustné expoziční limity (PEL) a nejvyšší přípustné koncentrace NPK -P [1.7]. Základním požadavkem při úpravě stavu prostředí kde vznikají škodliviny je - pokud možno vyloučit tok škodlivin do upravovaného prostředí; zde se uplatňují v nejširší míře technologická opatření a účinné místní odsávání. Přívod čerstvého venkovního vzduchu do komfortního i pracovního prostředí pro osoby lze řešit přirozeně i nuceně. V kombinaci s klimatizací se přívod čerstvého vzduchu řeší vždy nuceně. Požadované dávky čerstvého vzduchu pro osoby (m 3 /h os.) viz [1.7]. 8

Klimatizace pro technologické účely zpravidla upravuje teplotu vzduchu a relativní vlhkost vzduchu; častým požadavkem bývá i vysoká kvalita čistoty vnitřního vzduchu, zvláště se požadují limitní koncentrace i velmi jemných tuhých částic. Pro mnohá zařízení se požadují konstantní parametry prostředí celoročně a to i ve velmi úzkém tolerančním pásmu. Větrání (přívod čerstvého venkovního vzduchu) u zařízení pro technologii, pokud v prostorech nejsou přítomny osoby, není nutné - což je poměrně málo častý případ. Ve všech případech je však třeba udržovat v prostorech vyváženou vzduchovou bilanci - průtok odpadního vzduchu se nahrazuje přívodem venkovního vzduchu. V technologických provozech, např. v jaderných elektrárnách, jsou přísné požadavky na proudění vzduchu mezi místnostmi; mezi místnostmi s různými požadavky na kvalitu ovzduší se udržuje tlakový rozdíl, tak aby čerstvý vzduch z náročných provozů proudil přetlakem do prostorů méně náročných. Třídění větracích a klimatizačních systémů v odborné literatuře není jednotné, ani v literatuře evropské (např. německé [1.6]) a americké [1.5]). Německá terminologie spojuje větrací a klimatizační systémy v jeden celek. Třídění větrání a klimatizace zde vychází z pojmu "Lufttechnik" (vzduchotechnika) s dělením na: a) "Raumlufttechnik" (vzduchotechnika místností, prostorová vzduchotechnika), b) "Prozesslufttechnik" (procesní vzduchotechnika, kam se řadí sušení, technologické odlučování, pneumatický transport aj.). Americká literatura naproti tomu nezná pojem ekvivalentní pojmům "vzduchotechnika", "Lufttechnik". Rovněž třídění, obdobné německé literatuře, se v americké literatuře nevyskytuje, přednostně jsou popisovány jednotlivé konkrétní systémy. Přehled větracích a klimatizačních systémů v české literatuře poskytuje publikace [1.8]. Terminologickou pomůckou je Názvoslovný výkladový slovník z oboru Techniky prostředí [1.9]. Předložený text Klimatizace a průmyslová vzduchotechnika navazuje na současně vydávaný text Vzduchotechnika [1.7]. V jednotlivých kapitolách předloženého textu se předpokládají základní znalosti, které jsou obsahem publikace [1.7]. 1.3 Literatura [1.1] PETTENKOFER, Max,v. Über den Luftwechsel in Wohngebäuden. München: Literarisch-Artistische Anstalt der J.G.Cottaschen Buchhandlung, 1858. [1.2] CARRIER, W. H.; CHERNE, R. E.; GRANT, W. A. Modern Air Conditioning, Heating and Ventilating. New York: Pitman Publishing Corp,1940. [1.3] MOLLIER, R. Ein Neues Diagramm für Dampfluftgemische. Z VDI 67, 1923. [1.4] MOLLIER, R. Das i-x Diagramm für Dampfluftgemische. Z VDI 73, 1929. [1.5] 2008 ASHRAE Handbook. HVAC Systems and Equipment. Atlanta: ASHRAE, Inc., 2008. ISBN 978-1-933742-34-2. [1.6] SCHRAMEK, E.R. Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München: Oldenbourg Industrieverlag, 2007. ISBN 10:3-8356-3104-7. [1.7] DRKAL, F.; LAIN, M.; SCHWARZER, J.; ZMRHAL, V. Vzduchotechnika. Praha: Evropský sociální fond, 2010. [1.8] CHYSKÝ, J.; HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. 3.vyd. Brno: BOLIT-B-press, 1993. ISBN 80-901574-0-8. [1.9] Názvoslovný výkladový slovník z oboru Technika prostředí. 2. vyd. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2008. ISBN 978-80-02-02081-3. 9

2 Hlavní funkční prvky větracích a klimatizačních zařízení Větrací a klimatizační zařízení lze dělit podle funkce na zařízení pro větrání, teplovzdušné vytápění, částečnou klimatizaci nebo úplnou klimatizaci. Dále se rozlišují zařízení pro pouze přívod vzduchu (přetlaková), kdy je odvod vzduchu z větraného prostoru zajištěn otvory a netěsnostmi, zařízení pouze pro odvod vzduchu, kdy je přívod neupraveného vzduchu zajištěn otvory a netěsnostmi, a zařízení s nuceným odvodem i přívodem, případně zařízení cirkulační bez větrání. V praxi se pak vyskytují zařízení s následujícími funkcemi. 1. Větrání pouze nuceným odvodem znečištěného vzduchu se používá pro větrání hygienických zařízení a menších provozoven. Vzduch se dostává do větraného prostředí otvory a netěsnostmi buď z venkovního prostředí nebo z okolních místností (kaskádové větrání). Jediným funkčním prvkem takových zařízení je odtahový ventilátor. Tepelnou úpravu přiváděného vzduchu musí zajistit systém vytápění. Filtrace ani vlhčení nejsou zajištěny. 2. Větrání nuceným přívodem čerstvého venkovního vzduchu může být bez ohřevu, s ohřevem na teplotu větrané místnosti nebo kombinované s teplovzdušným vytápěním, kdy je větrací vzduch ohříván na teplotu vyšší než je teplota prostoru. Větrací zařízení (jednotky) obsahují filtr, ventilátor, většinou ohřívač a výjimečně i zvlhčovač. Odvod vzduchu je otvory a netěsnostmi. Ve větrané místnosti vzniká přetlak. Při větších průtocích vzduchu je třeba odváděcí otvory vhodně dimenzovat, aby byl zajištěn odvod vzduchu. 3. Větrací zařízení s nuceným přívodem čerstvého venkovního vzduchu a současně i nuceným odvodem vzduchu znečištěného. Jednotky tohoto typu mají dva ventilátory (jeden pro přívod, druhý pro odvod), filtr (vždy v přívodu, případně i v odvodu), někdy zařízení pro zpětné získávání tepla, většinou ohřívač a výjimečně zvlhčovač. Větrací jednotky s ventilátory, filtry a rekuperačním deskovým výměníkem tepla se často označují jako jednotky rekuperační a pro větrání rodinných domů, bytů a malých provozoven bývají v provedení s vysokou účinností ZZT a bez ohřívače. 4. Zařízení pro teplovzdušné vytápění pracují především s oběhovým vzduchem. Obsahují ventilátor, ohřívač a většinou i filtr. 5. Místní cirkulační jednotky pro dílčí klimatizaci. Tyto jednotky zajišťují chlazení, případně i vytápění prostoru. Jejich funkčními prvky jsou ventilátory, chladiče, filtry i ohřívače; jednotky jsou napojeny na centrální zdroje tepla a chladu. V provedení s vodními výměníky se označují ventilátorové konvektory (fan coil), v případě přímých výparníků jsou to vnitřní jednotky split či VRV systémů. 6. Klimatizační jednotky zajišťují kompletní úpravu vzduchu a obsahují ventilátory (přívod, odvod), filtry, ohřívače, chladiče, někdy ZZT, obvykle i zvlhčovače, případně další prvky. Tato kapitola je věnována především klimatizačním jednotkám. Větrací a klimatizační zařízení lze dělit podle typu konstrukce na: Samostatné prvky určené pro montáž do potrubí. Sestavné větrací, či klimatizační jednotky (podstropní, centrální). Kompaktní větrací, či klimatizační jednotky (podstropní, centrální, skříňové). Vnitřní cirkulační jednotky (parapetní, podstropní, nástěnné, kazetové, případně podlahové). Komorová zděná klimatizační zařízení, která se nyní již neinstalují. 10

Sestavné i kompaktní jednotky pro větrání nebo klimatizaci se někdy označují souhrnným pojmem vzduchotechnické jednotky. Samostatné prvky pro montáž do potrubí se používají především pro menší průtoky vzduchu. Jejich využití je převážně u zařízení určených pouze pro větrání. Obr. 2.1 Samostatné prvky pro montáž do potrubí: radiální ventilátor do čtyřhranného potrubí (vlevo), elektrický ohřívač (uprostřed) a radiální ventilátor do kruhového potrubí (vpravo) Sestavné větrací a klimatizační jednotky jsou velmi rozšířené. Vzduchotechnická jednotka je složena z jednotlivých komor s funkčními prvky. Komory daného typu mají shodné připojovací rozměry a lze je tedy spojovat a kombinovat do různých sestav podle potřeby a sestavit jednotku pro větrání, teplovzdušné vytápění nebo klimatizaci. Sestavné jednotky v podstropním (plochém) provedení se vyrábějí pro menší průtoky vzduchu (500 až 4 500 m 3 /h). Průřez jednotek je obdélníkový s delší vodorovnou stranou. Díly pro odvod vzduchu se umisťují vedle přívodních, aby byla zachována nízká stavební výška jednotky. Jednotky jsou určeny k montáži pod strop. Přístup k jednotlivým dílům pro údržbu a servis bývá zajištěn ze spodu. Obr. 2.2 Klimatizační jednotka v podstropním plochém provedení Sestavné jednotky pro větší průtoky (2 000 až 100 000 m 3 /h) se konstruují v průřezu čtvercovém či mírně obdélníkovém. Části pro přívod a odvod vzduchu se umisťují většinou nad sebe nebo za sebou. Je samozřejmě možné i samostatné provedení přívodní a odvodní jednotky. Jedna strana jednotky (obslužná) má dvířka pro servis a údržbu. V jednotlivých komorách sestavných klimatizačních jednotek jsou většinou: směšovací klapky, filtr, výměníky ZZT (deskový, rotační, a další), ohřívač (vodní, parní, elektrický, kondenzátor), chladič (vodní, přímý výparník), ventilátor, zvlhčovač (pračka, parní zvlhčovač), tlumič hluku. Jednotka bývá sestavena na základovém rámu. Plášť jednotek tvoří obvykle tzv. sendvič, kde je tepelná izolace mezi dvěma Obr. 2.3 Sestavná klimatizační jednotka ocelovými plechy s povrchovou 11

úpravou. V případě, že je jednotka určena pro montáž do venkovního prostředí, je kladen větší důraz na kvalitnější tepelnou izolaci i ochranu proti povětrnostním vlivům a vlhkosti. Kompaktní jednotky pro větrání a klimatizaci jsou provedeny, jak název napovídá, jako kompaktní v jedné skříni pevných rozměrů. Výhodou tohoto provedení jsou menší rozměry, dané možností efektivnějšího uspořádání jednotlivých funkčních prvků. To se projeví především u jednotek se zpětným získáváním tepla. Jednotky se používají pro aplikace, kde je jasně daná sestava s minimálními možnostmi změn, nebo tam, kde se používají atypické prvky, které je možné zapojit jen v určité sestavě. Kompaktní jednotky se vyrábějí ve třech základních provedeních: podstropní ploché, centrální s čtvercovým či mírně obdélníkovým průřezem (podobně jako u jednotek sestavných) a skříňové, které mohou být určené jak pro připojení na potrubí, tak i pro bezpotrubní systémy (například výpočetní centra se zdvojenou podlahou). Obr. 2.4 Kompaktní jednotky zleva shora: klimatizační jednotka se ZZT ohřevem i chlazením, podstropní jednotka se ZZT, klimatizační jednotka s nepřímým adiabatickým chlazením, skříňová jednotka přesné klimatizace pro počítačové sály Vnitřní cirkulační jednotky jsou popsány v kapitolách věnovaných vodním, chladivovým a kombinovaným systémům. 2.1 Ohřívače Ohřívače patří v našich klimatických podmínkách mezi základní komponenty větracích a klimatizačních systémů. Ohřev přiváděného venkovního větracího vzduchu musí být zajištěn nejen v zimním období, ale i po značnou část přechodového období. Podle teplonosné látky rozlišujeme ohřívače vodní, parní, elektrické a chladivové (kondenzátor). Samostatnou kategorii tvoří plynové či olejové hořáky. Podle konstrukce ohřívače dělíme na výměníky z hladkých trubek a výměníky žebrované. Ohřívače lze rozlišovat i podle počtu řad a způsobu zapojení trubek (sériové, paralelní). 2.1.1 Vodní ohřívače Pro ohřev vzduchu ve větracích a klimatizačních zařízeních jsou nejrozšířenějším typem vodní ohřívače. Jsou to vlastně rekuperační výměníky voda-vzduch. Teplonosnou látkou je 12

voda s teplotním spádem odpovídajícím zdroji tepla, obvykle mezi 90/70 C a 55/45. Maximální teplota teplovodních zdrojů 95 C ani horkovodních soustav se nyní již téměř nepoužívá. Ohřívače bývají konstruovány jako jednořadé či víceřadé výměníky s lamelami na straně vzduchu. Běžné je provedení z měděných trubek s hliníkovými lamelami. Hliníkové lamely mají obvykle tloušťku 0,12-0,2 mm. Otvory v lamelách se prorážejí mírně menší než je vnější průměr trubek. Po navlečení lamel se ještě trubka roztahuje protahovacím trnem nebo tlakováním pro zajištění dobrého styku a vedení tepla mezi trubkou a lamelou. Vodní ohřívače jsou sestaveny většinou jako výměníky s jednoduchým nebo kombinovaným křížovým proudem. V poslední době nacházejí stále širší uplatnění i výměníky s mikrokanály. Nicméně pro ohřev vzduchu ve vzduchotechnických jednotkách se zatím nepožívají. Výjimkou jsou například ohřívače v dopravních prostředcích. Při tepelných výpočtech vodních ohřívačů se vychází ze tří základních rovnic. Za prvé je to rovnice výměníku tepla a dále pak bilanční rovnice obou tekutin (topné vody a ohřívaného vzduchu). Při předpokladu zanedbatelných ztrát do okolí platí následující rovnice: Q = M A c A t A = M W cw tw = U S t m (W) (2.1) kde M je hmotnostní průtok (kg/s), c - měrná tepelná kapacita (J/kg K), t rozdíl teplot (K), U - součinitel prostupu tepla výměníku, S teplosměnná plocha, t m - střední teplotní rozdíl, index A značí vzduch a index W - vodu. Pro výkon vodního ohřívače vzduchu je tedy rozhodující teplosměnná plocha a teplotní rozdíl mezi vzduchem a vodou. Proto, je-li dostatečně vysoká teplota vody, je velký i teplotní rozdíl (většinou více než 50 K). Teplosměnná plocha může být menší a ohřívače mají potom jednu, max. dvě řady. V případě malých teplotních rozdílů při nízkoteplotních zdrojích tepla zejména u kapalinových okruhů ZZT jsou teplotní rozdíly malé a ohřívače musí mít více řad (větší teplosměnnou plochu). Při dostatečně rozdílných teplotách vody a vzduchu lze počítat střední teplotní rozdíl jako by byla teplota vody ve výměníku stálá a rovnala se aritmetickému průměru t Wm vstupní a výstupní teploty vody t A2 t A1 ( tw1 + tw 2 ) t m = (K) přičemž twm = ( C) (2.2) twm t A1 2 ln twm t A2 kde indexem 1 jsou označeny vstupní teploty a indexem 2 teploty výstupní. Střední teplotní rozdíl lze použít pro přepočet výkonů výměníků na jiné podmínky. Při kompletním řešení ohřívačů jako výměníků tepla je třeba zohlednit lamely a zahrnout do výpočtu účinnost žebra. Při navrhování výměníků vycházíme z údajů výrobce, který je povinen uvádět hodnoty výkonů výměníků. Přepočty na jiné podmínky lze většinou provést pomocí kalibrovaného návrhového programu. Z hlediska úpravy stavu vzduchu dochází v ohřívači k ohřevu bez změny měrné vlhkosti, roste entalpie a klesá relativní vlhkost. Výkon ohřívače určíme ze základních bilančních rovnic a rozdílu teplot nebo entalpií. Dalšími důležitými parametry ohřívače je jeho tlaková ztráta na straně vody i na straně vzduchu. Na straně vody se vychází z běžných vztahů pro tlakovou ztrátu hladké měděné trubky. Rozhodujícím parametrem je rychlost proudění, která bývá 0,4 až 1 m/s. Pro celkový odpor 13 Obr. 2.5 Ohřev v h-x diagramu vlhkého vzduchu

výměníku na straně vody je důležitá i tlaková ztráta regulační armatury na vstupu do výměníku. Tlaková ztráta na straně vzduchu závisí především na rychlosti vzduchu, dále na počtu řad a konstrukci výměníku (rozteči a provedení lamel). Pro tlakovou ztrátu lze použít obecný vztah : a p A = A n w (Pa) (2.3) kde n je počet řad výměníku a w je rychlost vzduchu; součinitel A a exponent a musí být určeny dle měření pro konkrétní výměník (exponent a bývá mezi 1,5 a 2). Rychlost vzduchu ve volném průřezu mezi trubkami a lamelami bývá 4 až 12 m/s. Vyšší rychlosti sice zlepšují přestup tepla u výměníku, ale zároveň zvyšují tlakové ztráty. Obr. 2.5 Ohřívače sestavných jednotek - zleva : schematický pohled, boční pohled na komoru bez pláště, záběr části rozvaděče a lamelového výměníku Konkrétní osazení ohřívače záleží na typu zařízení. Pro sestavné vzduchotechnické jednotky bývá v komoře výměník osazen kolmo k proudu vzduchu. Pláštěm jednotky prochází vstupní a výstupní trubka výměníku, které pokračují do rozdělovače, resp. sběrače, na něž jsou napojeny jednotlivé vodní cesty. V komoře ohřívače bývá osazeno čidlo protimrazové ochrany. Ohřívače se při běžné údržbě z komory nevyjímají. Z tohoto důvodu obvykle nebývá komora ohřívače opatřena otevíratelnými dvířky. Případné čištění lamel se většinou provádí ze sousední komory. Před jednotkou nebo pod jednotkou (u podstropních jednotek) je třeba ponechat volný prostor umožňující demontáž ohřívače v případě havárie. Kompaktní jednotky mívají různě osazené ohřívače (často šikmo) tak, aby se maximálně využilo prostoru v jednotce a zároveň byl zajištěn rovnoměrný ohřev vzduchu. Vodní ohřívač by měl být vždy vyspádován tak, aby bylo možné jeho vypuštění a odvzdušnění. Regulace vodních ohřívačů je možná kvalitativní (směšováním vody), kdy se nemění průtok vody, ale mění se její teplota. To však vyžaduje samostatné čerpadlo pro ohřívač. Obr. 2.6 Regulace vodních ohřívačů: nahoře kvalitativní, dole kvantitativní rozdělování a škrcení Tato regulace by se měla používat pro všechny ohřívače venkovního vzduchu. Druhou možností regulace vodních ohřívačů je kvantitativní regulace škrcením či rozdělením průtoku. V tomto případě zůstává konstantní vstupní teplota vody přiváděné do ohřívače. Protože pro 14

výkon výměníku je rozhodující rozdíl teploty vody a vzduchu, je kvantitativní regulace mnohem méně účinná a lze ji použít pouze pro malá zařízení nebo tam, kde je zajištěna předregulace teploty vody na zdroji tepla. Obecně je třeba si uvědomit, že větrací a klimatizační zařízení mají jiný charakter potřeby tepla než běžné otopné soustavy, a proto by měly být vzduchotechnické jednotky napojeny na zdroj tepla samostatnou větví, případně by měly mít vlastní zdroj tepla. Při použití odpadního tepla k ohřevu vzduchu je třeba ověřit současnost zdroje a potřeby a dostatečně dimenzovat akumulaci teplé vody a náhradní zdroj v případě nesoučasného provozu. Vzduchotechnické systémy mají totiž oproti budovám poměrně malou setrvačnost. Protimrazová ochrana výměníků je nutná především u vodních ohřívačů, do kterých je v zimě přiváděn neupravený venkovní vzduch. Použití nemrznoucích směsí není v otopných soustavách běžné. Při normálním provozu jsou teploty vody výrazně vyšší než 0 C a zamrznutí tudíž nehrozí. Při poruše nastalé v zimních měsících, kdy není zajištěn dostatečný průtok teplé vody v celém výměníku či jeho části, je nebezpečí zamrznutí vody ve výměníku poměrně velké. Proto by měla být regulace ohřívačů venkovního vzduchu kvalitativní, s konstantním průtokem. Pokud dojde k zamrznutí vody ve výměníku, většinou se díky většímu objemu ledu poruší trubka výměníku, výměník je znehodnocen a může dojít i k úniku vody a poškození dalších zařízení. K zamrznutí může dojít i pouze v jedné části výměníku. Proto není vhodné sledovat pouze jedinou hodnotu teploty vzduchu za výměníkem. Jako čidla protimrazové ochrany se většinou používají kapiláry na výstupní ploše, které sledují teploty po celé ploše výměníku. V případě, že teplota klesne pod nastavenou hodnotu, čidlo hlásí alarm a systém měření a regulace vypne ventilátor, uzavře vstupní klapku a zapne naplno přívod vody do ohřívače (čerpadlo, ventil). Někdy se kontroluje i teplota vody na zpátečce za ohřívačem. Obr. 2.7 Kapilára protimrazové ochrany za ohřívačem 2.1.2 Parní ohřívače Parní ohřívače se ve vzduchotechnických jednotkách používají především v průmyslu, pro velké výkony, pro ohřev na vysoké teploty, a to zejména tam, kde je k dispozici pára. Konstrukce výměníků je podobná jako u výměníků vodních, jen je třeba zohlednit vyšší tlaky a namáhání. Z tohoto důvodu se používají často ocelové trubky. U parních výměníků je kladen velký důraz na správné spádování, aby byl zajištěn odtok kondenzátu. Regulace parních výměníků se může provádět na straně kondenzátu zaplavováním, nebo škrcením páry na vstupu do výměníku. Pro regulaci na páře se používají kombinované ventily s pneumatickým pohonem, protože běžné el. servopohony reagují příliš pomalu. Při výpočtech parních výměníků se uvažuje teplota páry konstantní a v bilanční rovnici je zahrnuto kondenzační teplo. Kondenzaci páry ovlivňuje i součinitel přestupu tepla, a tím i prostup tepla. Ohřev vzduchu parním výměníkem je v h-x diagramu znázorněn stejně jako ohřev výměníkem vodním a měrná vlhkost ohřívaného vzduchu zůstává konstantní. 2.1.3 Elektrické ohřívače Elektrické ohřívače vzduchu by se měly používat jen výjimečně tam, kde není k dispozici jiný zdroj tepla. To znamená především u malých zařízení nebo jako doplňkové či havarijní ohřívače. Pro ohřev vzduchu se používá různých typů topných tyčí a spirál. Jejich tvar a parametry lze přizpůsobit konkrétnímu uplatnění ve vzduchotechnické jednotce. Většina el. 15

ohřívačů je konstruována tak, aby rychlost proudění kolem tyčí byla alespoň 1,5 m/s. Regulace el. ohřívačů se obvykle provádí kaskádovým spínání jednotlivých sekcí. Větší el. ohřívače bývají třífázové, zatížení jednotlivých fází by mělo být souměrné. Regulaci lze provádět i změnou napětí či proudu. Takto regulované el. ohřívače se využívají spíše ke speciálním účelům (např. pro laboratorní měření). Velkou výhodou el. ohřívačů je, že nepotřebují protimrazovou ochranu. Obr. 2.8 Žebrované topné tyče 2.1.4 Chladivové ohřívače el. ohřívače Jako ohřívač může být použit kondenzátor kompresorového parního oběhu. Toto řešení se používá u reverzního provozu chladivových klimatizačních systémů (v režimu tepelného čerpadla), kdy se výměník ve vnitřní jednotce při přepnutí oběhu stane kondenzátorem. Kondenzátory se pro ohřev vzduchu uplatní i u kompresorových odvlhčovacích jednotek s parním oběhem, kde je nejdříve vzduch ochlazován výparníkem a pak ohříván kondenzátorm. Případně se může v zimě přímo využívat kondenzační teplo z jiné technologie chlazení. V takovém případě je však nutné ověřit současnost provozu větrání a dané technologie, stejně jako výkon po dobu celého roku. Regulaci výkonu kondenzátorů je třeba individuálně řešit s dodavatelem kompresorového zařízení, pro větší ohřívače je vhodné rozdělení výměníku na několik okruhů. 2.1.5 Spalovací komory Pro ohřev vzduchu se mohou používat i spalovací komory s hořáky na zemní plyn, případně kapalná paliva. Komory pro spalování zemního plynu mohou být otevřené (kde plyn hoří přímo ve větracím vzduchu, jímž se odvádějí i spaliny), nebo uzavřené, kde vzduch proudí kolem spalovací komory a spaliny se odvádějí komínem mimo jednotku. Otevřené spalovací komory se používají méně často, uplatňují se spíše v průmyslu. Je to jediný způsob ohřevu, kdy dochází i k nárůstu měrné vlhkosti (spaliny zemního plynu obsahují vodní páru). Výhodou těchto ohřívačů je vysoká účinnost. Hořáky pro otevřené spalovací komory bývají konstruovány tak, aby docházelo k co nejnižší produkci škodlivin, především NO X. Uzavřené spalovací komory s hořáky na plynná nebo kapalná paliva nacházejí uplatnění ve větších vzduchotechnických jednotkách s topnými výkony nad 20 kw. Kromě spalovací komory se vzduch ohřívá i výměníky spaliny - vzduch (tzv. ekonomizéry). Vzhledem k nízkým teplotám vzduchu v zimním období dochází většinou ke kondenzaci vodních par ze spalin. Proto musí být výměníky z materiálů odolávajících korozi (nerezový plech). SPALOVACÍ KOMORA SPALIN. VÝMĚNÍK SMĚŠOVÁNÍ OBTOK Bypass Obr. 2.9 Komora pro přímé spalování (vlevo), plošný hořák s se směšovacími deskami a nízkými emisemi (uprostřed) a nepřímá spalovací komora s obtokem a směšovacím dílem (vpravo) 16

Regulace výkonu se provádí spínáním a modulací výkonu hořáku kombinovaným s obtokem spalovací komory. Problematické bývá míchání chladného vzduchu, který byl veden obtokem a vzduchu ohřátého spalovací komorou. Hrozí zde rozvrstvení vzduchu v jednotce. To řeší někteří výrobci speciálními směšovacími díly umístěnými za ohřívačem. 2.2 Chladiče Chladiče slouží k ochlazování vzduchu a jsou základní komponentou klimatizačních zařízení. Podle teplonosné látky rozlišujeme chladiče vodní a chladivové (přímé výparníky). Pobíhá i výzkum použití ledové kaše (ice slurry) jako teplonosné látky. Chladiče jsou stejně jako ohřívače rekuperační výměníky tepla. Základním rozdílem oproti ohřívačům je u chladičů nižší teplotní rozdíl mezi teplonosnou látkou a vzduchem a to, že ve většině případů dochází při chlazení ke kondenzaci vodních par ze vzduchu. Díky tomu se chladiče mírně liší od ohřívačů i konstrukcí a provedením. Chladiče potřebují větší teplosměnnou plochu, proto mívají více řad než ohřívače, u chladičů pro chlazení s kondenzací musí být ošetřeno zachytávání vodních kapek a odvod kondenzátu. 2.2.1 Vodní chladiče Vodní chladiče jsou rekuperační výměníky vzduch voda. Teplonosnou látkou je voda s teplotním spádem odpovídajícím zdroji chladu. Obvykle je vstupní teplota chladicí vody 3 až 8 C a výstupní teplota o 5 až 8 K vyšší. Vodní chladiče bývají konstruovány jako víceřadé (obvykle 2 až 5ti řadé) s lamelami na straně vzduchu. Běžné je provedení z měděných trubek s hliníkovými lamelami. Lité výměníky s mikrokanály se zatím pro chlazení vzduchu v klimatizaci budov téměř nepožívají. Při tepelných výpočtech vodních chladičů vycházíme ze tří základních rovnic (podobně jako u ohřívačů). Jsou to bilanční rovnice obou tekutin (chladicí vody a ochlazovaného vzduchu) a rovnice výměníku tepla. Při předpokladu zanedbatelných ztrát do okolí potom platí: Q = M A h = M W cw tw = U S t m (W) (2.4) kde h (J/kg) je rozdíl entalpie vlhkého vzduchu před a za chladičem. Pro výkon vodního chladiče je stejně jako u ohřívače rozhodující teplosměnná plocha a teplotní rozdíl mezi vzduchem a vodou. Teplotní rozdíly při vodním chlazení však bývají malé, proto mají chladiče větší teplosměnnou plochu. Výpočet středního teplotního rozdílu nelze zjednodušovat jako u ohřívačů, ale pro výměníky se čtyřmi a více řadami lze používat vztah pro protiproudý výměník ( t t ) ( t t ) Obr. 2.10 Suché chlazení (vlevo) a chlazení s kondenzací (vpravo) v h-x diagramu vlhkého vzduchu A1 W 2 A2 w1 t m = (K) (2.5) t A1 tw 2 ln t A2 tw1 Středního teplotního rozdílu lze použít pro přepočet výkonů výměníků na jiné podmínky. Při kompletním řešení chladičů jako výměníků tepla je třeba zohlednit lamely a zahrnout do výpočtu účinnost žebra, stejně jako případnou kondenzaci. 17

Při navrhování výměníků se vychází z údajů výrobce, který musí mít pro své výměníky změřeny hodnoty výkonů. Přepočty na jiné podmínky se provádí většinou pomocí kalibrovaného návrhového programu. stejně jako u ohřívačů. Z hlediska úpravy stavu vzduchu dochází v chladiči buď k suchému chlazení, kdy je střední povrchová teplota chladiče vyšší než teplota rosného bodu upravovaného vzduchu. Teplota vzduchu se potom snižuje bez změny měrné vlhkosti, klesá entalpie a roste relativní vlhkost. Výkon chladiče při chlazení bez kondenzace se určí ze základní rovnice Q ( h h ) = M c ( t ) = M (W) (2.6) A 1 2 A A 1 t2 Pokud je střední povrchová teplota chladiče nižší než teplota rosného bodu upravovaného vzduchu, dochází při chlazení ke kondenzaci (tzv. mokré chlazení). Teplota vzduchu se snižuje, podobně se snižuje i měrná vlhkost, klesá entalpie a naopak roste relativní vlhkost. Celkový výkon chladiče Q se určí ze základních bilančních rovnic a rozdílu entalpií vzduchu, citelný výkon Q cit z rozdílu teplot a množství zkondenzované vody M W z rozdílu měrných vlhkostí x ( h 1 h 2 ) c A ( t 1 t 2 ) ( ) Q = M A (W) (2.7) Q M cit w = M (W) (2.8) A = M A x 1 x 2 (kg/s) (2.9) kde M A je hmotnostní průtok vzduchu výměníkem (kg/s). Při výpočtech chladiče s kondenzací vodních par většinou vycházíme z přímkového průběhu změny stavu (obr. 2.10 vpravo, spojnice 1-2), kdy je směr změny dán povrchovou teplotou chladiče. Pouze v případě potřeby přesného řešení odvlhčování je třeba vyjít z průběhu vycházejícího z detailních naměřených hodnot pro konkrétní výměník (obr. 2.10, spojnice 1-2re). Tlakové ztráty chladičů jak na straně vody, tak i na straně vzduchu jsou vyšší než u ohřívačů, neboť chladiče mají více řad a teplotní spád vody je nižší. Pro výpočet tlakových ztrát se používá vztah (2.3), kde konstanty vycházejí z měření. V případě, že je místo vody použita nemrznoucí směs, je třeba tuto skutečnost zohlednit jak při výpočtu sdílení tepla, tak při řešení tlakových ztrát. Konkrétní osazení chladiče záleží podobně jako u ohřívačů na typu zařízení. Za chladiče se osazují lapače kapek, které zachycují kapky zkondenzované vody stržené proudem vzduchu a odvádějí je do vany, která je pod chladičem. Odtud kondenzát odtéká přes zápachovou uzávěrku do kanalizace. Bez lapače kapek a vany na zachycení kondenzátu mohou být pouze takové chladiče, u kterých je jistota, že teplota chladicí vody je vyšší než teplota rosného bodu upravovaného vzduchu. Teplota chladicí vody pro takové systémy bývá okolo 15 C a teplosměnné plochy chladiče musí být výrazně větší. Pro přístupnost a provedení chladičů platí obdobná pravidla jako u ohřívačů. Podobně jako u ohřívačů existují dvě možnosti regulace vodních chladičů. Vzhledem k menším teplotním rozdílům se častěji používá kvantitativní regulace. U menších systémů rozvodu chladné vody bývá problematická regulace zdroje chladu. Zdroj chladu musí mít schopnost regulace chladicího výkonu nebo musí být mezi zdrojem a chladičem osazen akumulační zásobník, který umožní plynulou regulaci chladicího výkonu i v případě, že zdroj chladu pracuje jen s regulací vypnuto - zapnuto. Protimrazová ochrana chladičů není při letním provozu nutná. Chladiče se v klimatizačních jednotkách umisťují až za ohřívače, takže v zimním provozu jsou chráněny protimrazovou ochranou ohřívače. V případě, že je v jednotce chladič před ohřívačem nebo v jednotce protimrazová ochrana chybí (např. el. ohřívač), musí být použita nemrznoucí směs nebo se 18

musí voda ze systému chlazení v zimě vypouštět. V případě vedení rozvodů chladicí vody ve venkovním prostředí je třeba rovněž zajistit protimrazovou ochranu těchto rozvodů. 2.2.2 Přímé výparníky Přímé výparníky nacházejí poměrně široké uplatnění, a to jak v cirkulačních jednotkách chladivových zařízení, tak v centrálních klimatizačních jednotkách. Rekuperační výměník chladivo - vzduch je součástí oběhu chladiva. Před přímým výparníkem je osazen škrticí ventil, kapalné chladivo vstřikované do výparníku se odpařuje a přes stěny výměníku odebírá teplo proudu vzduchu. Mezi hlavní výhody přímých výparníků patří vyšší chladicí faktor zařízení, schopnost dosahovat nižších teplot vzduchu a absence vodního okruhu. Mezi nevýhody patří riziko namrzání a obtížnější regulace, případně i vyšší nároky na kvalitu montáže chladivového okruhu. Přímé výparníky mívají vyšší rozteč lamel než vodní chladiče, protože přestup tepla je na straně chladiva horší a námraza, která na výparnících často vzniká, zmenšuje průřez. Odmrazování přímých výparníků snižuje jejich výkon a zhoršuje chladicí faktor systému. Regulace přímých výparníků je obtížnější. Obvyklá je regulace vypnuto - zapnuto. Moderní elektronické škrticí ventily mají též určité omezené možnosti regulace výkonu. Někteří výrobci regulují výkon přímých výparníků mikrospínáním. Pro systémy s plynulou regulací výkonu výparníku je nutný proměnný průtok chladiva okruhem a regulace otáček kompresoru. Další hojně využívanou možností, především u větších klimatizačních jednotek, je zapojení výměníku do několika chladicích okruhů s několika škrticími ventily a vícestupňovým spínáním kompresorů. Podcenění regulace přímých výparníků je častou chybou projektů klimatizačních zařízení. 0 0 5000 10000 15000 Obr. 2.11 Schéma jednookruhového přímého výparníku 2.3 Ventilátory Pro větrací a klimatizační zařízení se používá řada typů ventilátorů. Axiální ventilátory se uplatní pro nucený odvod, případně přívod tepelně neupraveného vzduchu. Diametrální ventilátory jsou součástí některých parapetních či nástěnných cirkulačních jednotek. Pro rozsáhlejší zařízení s úpravou vzduchu se však nejčastěji používají ventilátory radiální nízkotlaké někdy i středotlaké. Funkcí ventilátoru ve větracím nebo klimatizačním zařízení je doprava vzduchu do větraného prostoru. Ventilátor musí zajistit dostatečný tlakový rozdíl pro pokrytí tlakových ztrát jak vzduchotechnické jednotky, tak rozvodů vzduchu a jeho distribuce v prostoru. Pracovní bod ventilátoru je průsečíkem charakteristiky ventilátoru a charakteristiky potrubní sítě, do které musí být zahrnuty všechny výše zmíněné odpory. Na obrázku 2.12 je čárkovaně znázorněn podíl klimatizační jednotky na tlakových ztrátách. Ventilátory se osazují jak samostatně do potrubí, tak do ventilátorových komor klimatizačních jednotek sestavných či do jednotek kompaktních. Ventilátor, jakožto rotační stroj, se při Tlak (Pa) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Průtok (m3/h) Pracovní bod Obr. 2.12 Charakteristika ventilátoru a potrubní sítě 19

provozu chvěje. Proto by měl být vždy uložen pružně, aby nedocházelo k přenosu chvění na jednotku a potrubí. Ventilátor je zdrojem hluku, který se šíří do potrubní sítě i do okolí. Z tohoto důvodu je třeba zajistit tlumení hluku, a to tlumiči v potrubní síti či jednotce a také hlukovou izolací komory, ve které je ventilátor umístěn. Základními částmi ventilátoru je rotor, skříň, základový rám a pohon s převodovým ústrojím. Elektromotor je s ventilátorem spojen buď řemenicí nebo spojkou. V případě malých ventilátorů bývá oběžné kolo nasazeno přímo na čepu hřídele elektromotoru. V poslední době nacházejí v klimatizačních jednotkách stále širší uplatnění ventilátory s volným oběžným kolem, bez spirální skříně, které mají vyšší účinnosti při regulaci průtoku změnou otáček. Obr. 2.13 Ventilátor s volným oběžným kolem a motorem napřímo Regulace průtoku vzduchu ventilátorem se provádí změnou otáček ventilátoru, tím se posouvá charakteristika ventilátoru. Průtok vzduchu je možné regulovat i škrcením nebo obtokem, ale tyto způsoby regulace jsou energeticky ztrátové. Při návrhu ventilátoru se volí otáčky tak, aby pracovní bod odpovídal projektovanému průtoku a tlakové ztrátě. Nastavení otáček se provede jednorázově volbou motoru a převodu. V případě, že klimatizační zařízení bude pracovat s proměnným průtokem vzduchu, musí být možná změna otáček za provozu. Existuje několik možností, jak měnit otáčky motoru: Víceotáčkové motory, u kterých je změna otáček prováděna skokově přepínáním počtu pólů u asynchronních motorů. Napěťová regulace je založena na změně napětí, ke které dochází v závislosti na zařazení odporu do obvodu rotoru. Tento způsob regulace je vhodný pro ventilátory o nižších výkonech, neboť napěťová regulace je ztrátová. Regulace kmitočtu frekvenčními měniči představuje plynulou regulaci výkonu, která umožňuje regulovat průtok vzduchu v plném rozsahu od 0 do 100 %. Použití frekvenčních měničů u klimatizačních jednotek je stále rozšířenější. Snižováním průtoku vzduchu v době kdy není maximální průtok potřebný, dochází k značným úsporám jak el. energie na pohon ventilátoru, tak tepla či chladu na tepelnou úpravu větracího vzduchu. Pro přepočet příkonu ventilátoru P při změně otáček n platí vztah X n2 P P n 2 = 1 (W) (2.10) 1 kde X je exponent který má teoreticky hodnotu 3, ale pro příkon elektromotoru je vlivem měnící se účinnosti X = 1,7 při napěťové regulaci, a X = 2,2 až 2,4 u ostatních typů regulace. 20