technika prostředí - Odbor termomechaniky a techniky prostředí

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ
ODBOR TERMOMECHANIKY A TECHNIKY PROSTŘEDÍ EÚ
TECHNIKA PROSTŘEDÍ
Doc. Ing. Eva Janotková, CSc.
BRNO 2009
OBSAH
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
4
1.1 Definice a struktura životního prostředí
4
1.2 Vnitřní prostředí a pohoda prostředí
4
TEPELNÁ POHODA A JEJÍ HODNOCENÍ
6
2.1 Tepelná pohoda prostředí
6
2.2 Hodnocení tepelného stavu prostředí
8
ČISTOTA VZDUCHU A ÚČINKY ŠKODLIVIN NA ČLOVĚKA
10
3.1 Čistota vzduchu v místnostech
10
3.2 Hygienické limity látek v ovzduší
11
3.3 Účinek škodlivin na lidský organismus
11
VĚTRÁNÍ A PROUDĚNÍ VZDUCHU
13
4.1 Rozdělení větrání
13
4.2 Výpočet výměny vzduchu při větrání
13
4.3 Proudění vzduchu ve větraném prostoru
15
OBRAZY PROUDĚNÍ
18
5.1 Obrazy proudění ve větraném prostoru
18
5.2 Provedení vyústek
19
PŘIROZENÉ A NUCENÉ VĚTRÁNÍ
22
6.1 Větrání s přirozeným oběhem vzduchu
22
6.2 Nucené větrání celkové
25
6.3 Místní odsávání
25
6.4 Místní přívod vzduchu
27
KLIMATIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ
29
7.1 Klimatizační zařízení a jejich komponenty
29
7.2 Výpočet pračky vzduchu
33
KLIMATIZAČNÍ SYSTÉMY
35
8.1 Vzduchové systémy
35
8.2 Systémy kombinované
36
8.3 Systémy vodní
36
8.4 Chladivové systémy
37
DIMENZOVÁNÍ KLIMATIZAČNÍCH ZAŘÍZENÍ
40
2
10. PŘEHLED SYSTÉMŮ VYTÁPĚNÍ A VYTÁPĚNÍ TEPLOVODNÍ
44
10.1 Přehled používaných systémů vytápění
44
10.2 Teplovodní vytápění
44
10.2.1 Teplovodní vytápění s přirozeným oběhem vody
44
10.2.2 Teplovodní vytápění s nuceným oběhem vody
45
10.2.3 Otopná tělesa
47
11. VYTÁPĚNÍ TEPLOVODNÍ VELKOPLOŠNÉ, HORKOVODNÍ A PARNÍ
49
11.1 Velkoplošné teplovodní vytápění
49
11.2 Horkovodní vytápění
50
11.3 Vytápění parní
50
11.4 Výpočet tepelných ztrát budov
51
12. VYTÁPĚNÍ TEPLOVZDUŠNÉ A SÁLAVÉ
52
12.1 Vytápění teplovzdušné
52
12.2 Sálavé vytápění velkoprostorových místností
53
12.2.1 Vytápění zavěšenými sálavými panely
53
12.2.2 Vytápění přímotopnými plynovými zářiči
54
13. HLUK
57
13.1 Hluk a vibrace a jejich hodnocení
57
13.2 Fyziologické účinky hluku
59
13.3 Zdroje a šíření hluku
59
13.4 Prostředky ke snižování hluku
60
LITERATURA
62
3
1. ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
1. 1. Definice a struktura životního prostředí
Pod pojmem „životní prostředí“ většinou chápeme životní prostředí člověka, pro které se
v praxi používá následující definice: „Životní prostředí člověka se rozumí ta část světa, s níž
člověk přichází do styku, kterou přetváří a využívá pro uspokojování svých potřeb. Pozornost
se soustřeďuje především na hmotnou část prostředí, která je dána prostorem, kde člověk
bydlí, pracuje a odpočívá.“
Uvedená definice chápe prostředí i člověka jako jediný neoddělitelný celek, neboť člověk
svého prostředí nejen používá a ovlivňuje je, ale také se mu přizpůsobuje. Vztah mezi
člověkem a prostředím je tedy aktivní, nemohou pouze existovat vedle sebe, ale jsou na sobě
závislí, a to daleko více, než si člověk je ochoten přiznat.
Životní prostředí člověka lze rozdělit podle různých hledisek. Podle umístění se používá
členění na prostředí vnější a prostředí vnitřní.
- Vnější prostředí je životní prostředí vně staveb.
- Vnitřní prostředí je životní prostředí ve stavbách, tj. v interiéru budov.
Ve vnějším prostředí jsou hlavními problémy znečištění vzduchu, vody a půdy,
znečišťování oblasti živých organismů, eroze půdy, změny obsahu minerálních látek v půdě
aj. K znečišťování vnějšího prostředí dochází odpady z různých výrobních i nevýrobních
činností poněvadž tyto končí buď ve vzduchu, ve vodě, nebo v půdě a dostávají se tak do
koloběhu látek v přírodě a také do lidského těla.
Ve vnitřním prostředí budov, ve kterém tráví člověk 70 až 80 % svého života, hlavními
problémy jsou čistota ovzduší, zajištění tepelného stavu prostředí, ochrana proti hluku,
vhodné osvětlení, ochrana před ionizujícím a elektromagnetickým zářením a další.
Vztahy bezprostřední interakce mezi člověkem a jeho životním prostředím se realizují
především lidskou činností. Z tohoto hlediska je účelné členit životní prostředí podle činnosti
člověka. Jedná se o tzv. funkční vymezení životního prostředí na:
- pracovní prostředí, tj. životní prostředí určené nebo využívané pro práci (např. výrobní a
administrativní budovy, kabiny dopravních zařízení, řídící kabiny, polokrytá a otevřená
pracoviště),
- obytné prostředí, tj. životní prostředí určené nebo využívané pro bydlení včetně
krátkodobé rekreace,
- rekreační prostředí, tj. životní prostředí určené nebo využívané pro rekreaci,
- další druhy prostředí – podle jiných činností, např. léčebné, výchovné, společenskokulturní apod.
V jednotlivých konkrétních prostředích zkoumáme především ty vlastnosti určitých složek
životního prostředí, které působí na člověka. U ovzduší je to např. jeho čistota, teplota,
vlhkost, proudění atd. Takové vlastnosti složek životního prostředí označujeme jako faktory
prostředí. Analýza faktorů prostředí je základem zjišťování a hodnocení stavu a úrovně
životního prostředí i základem cílevědomé péče o životní prostředí.
1. 2. Vnitřní prostředí a pohoda prostředí
Důležitou součástí životního prostředí je tedy prostředí vnitřní, zejména pak prostředí
pracovní. Kvalita vnitřního prostředí (mikroklimatu) se hodnotí podle stavu činitelů prostředí.
Hlavní mikroklimatické činitele (faktory) jsou:
4
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
16)
17)
čistota okolního vzduchu,
teplota vzduchu,
teplota povrchu stěn a předmětů,
rychlost proudění vzduchu,
vlhkost vzduchu,
oděv,
intenzita osvětlení,
hluk, vibrace a ultrazvuk,
koncentrace iontů ve vzduchu,
intenzita elektrických a magnetických polí,
intenzita ionizujícího záření,
prostorové, dispoziční a estetické řešení prostředí,
tělesná konstituce člověka,
činnost člověka,
schopnost aklimatizace,
klima, rasové zvláštnosti a návyky lidí,
další vlivy jako tlak vzduchu, psychické stavy atd.
Optimální stav vnitřního prostředí je takový stav, který vytváří člověku podmínky pro
zdravý pobyt a tvořivou práci. Takový optimální stav prostředí se nazývá pohoda prostředí.
Pohodu prostředí člověk cítí komplexně, přesto se rozlišuje pohoda celková a pohoda dílčí,
kdy předmětem zájmu je pouze některý, nebo některé z činitelů celkové pohody – tj. pak
podle jednotlivých činitelů pohoda prostředí toxická, aerosolová, mikrobiální, odérová,
tepelná, světelná, akustická, ionizační, elektrostatická, elektroiontová, psychická aj.
Některé z výše uvedených činitelů (1 až 11) se dají upravit technickými opatřeními, k nimž
patří:
- zařízení na úpravu tepelného a vlhkostního mikroklimatu a čistoty vzduchu, tj. zařízení
větrací, klimatizační, vytápěcí, odsávací a odlučovací,
- opatření na ochranu proti hluku a vibracím,
- zařízení osvětlovací,
- zařízení na úpravu iontového složení vzduchu,
- opatření na ochranu proti ionizujícímu a neionizujícímu záření aj.
Činitele 2 až 6, 13 a 14 se navzájem ovlivňují a jejich vhodné hodnoty vytváří stav, který
se nazývá tepelná pohoda prostředí.
5
2. TEPELNÁ POHODA A JEJÍ HODNOCENÍ
2.1 Tepelná pohoda prostředí
Tepelná pohoda prostředí se obvykle definuje jako pocit spokojenosti člověka s tepelným
stavem prostředí. Při látkových přeměnách probíhajících v lidském těle se uvolňuje tepelná
energie – metabolické teplo, která se přenáší do okolí. Množství uvolňované energie závisí
především na intenzitě fysické činnosti a na hmotnosti člověka. Jen malá část této energie se
přenáší formou mechanické práce konané člověkem, zatímco většina se přenáší formou tepla
(90 až 100 %).
Vnitřní tělesná teplota zdravého člověka musí být asi 36,5 ± 0,5 °C, a proto musí být teplo
uvolňované v těle přenášeno do okolí. K přenosu tepla do okolí dochází vedením, konvekcí,
radiací, vypařováním, dýcháním a velikost přenosu tepla ovlivňuje termoregulační centrum
těla. Uplatňuje se termoregulace chemická, vázomotorická a vypařovací.
První podmínkou tepelné pohody je, aby energie produkovaná v těle zmenšená o energii
přenášenou formou mechanické práce konané člověkem byla rovna energii odvedené formou
tepla do okolí vedením, konvekcí, radiací, vypařováním, dýcháním. Tepelnou rovnováhu lze
vyjádřit rovnicí
Q& m ( 1 − η ) = Q& ved + Q& k + Q& r + Q& v + Q& d [W],
(2.1)
kde
Q& m je metabolický tepelný tok, Q& m = q& m S [W], který závisí na činnosti člověka, q& m je
hustota metabolického tepelného toku [W.m-2],
S je plocha povrchu těla [m2],
η je mechanická účinnost lidského těla,
Q& ved , Q& k , Q& r , Q& v , Q& d jsou tepelné toky přenášené z lidského těla do okolí vedením, konvekcí,
radiací, vypařováním a dýcháním [W].
Za normálních okolností je tepelný tok přenášený vedením jen velmi malou položkou v
tepelné bilanci člověka, a proto jej lze zanedbat a také mechanická účinnost lidského těla je
velmi malá.
Tepelný tok přenášený z vnějšího povrchu oblečeného člověka do okolního vzduchu
konvekcí je dán vztahem
Q& k = α S k ( t p − t ) [W],
(2.2)
kde
α - je součinitel přestupu tepla konvekcí [W.m-2K-1],
tp - je střední teplota vnějšího povrchu oděvu,
t - je teplota okolního vzduchu,
Sk = fcl S – povrch oblečeného člověka, S – povrch lidského těla (S = 1,9 m2 pro průměrného
dospělého muže, S = 1,75 m2 pro ženu), fcl - poměr povrchu oblečeného člověka k povrchu
lidského těla – závisí na druhu oděvu.
Tepelný tok přenášený mezi povrchem těla a okolními plochami radiací je dán rovnicí
Q& r = ε σ o S r ( T p4 − Tr4 ) [W],
(2.3)
6
kde
ε - je poměrná zářivost mezi povrchem těla a okolními plochami, pro pokožku a většinu
tkanin má hodnotu ε = 0,95;
σo - Stefanova –Boltzmannova konstanta, σo = 5,67.10-8 W.m-2 K-4;
Sr - povrch lidského těla přenášející teplo radiací, který je menší než povrch oblečeného
člověka, Sr ≈ 0,71 Sk;
Tr - střední radiační teplota [K], tj. myšlená společná teplota všech okolních ploch, při níž by
byl radiační tepelný tok přenášený mezi povrchem oděvu a okolními plochami stejný
jako ve skutečnosti.
Tepelný tok přenášený vypařováním je roven součtu tepelného toku odváděného tzv.
suchým pocením Q& vs a tepelného toku odváděného tzv. mokrým pocením Q& vm
Q& v = Q& vs + Q& vm .
(2.4)
Tepelný tok odváděný suchým pocením je dán vztahem
Q& vs = 3,05 . 10 −3 S ( p ′p′( tk ) − p p( t ) ) [W],
(2.5)
kde
S je plocha povrchu těla [m2],
p ′p′( tk ) [Pa] – parciální tlak sytých vodních par při teplotě pokožky tk,
pp(t) [Pa] – parciální tlak vodních par v okolním vzduchu závislý na teplotě okolního vzduchu
t a relativní vlhkosti okolního vzduchu ϕ.
Tepelný tok odváděný z povrchu těla mokrým pocením Q& vm je významným nástrojem
termoregulace a jeho hodnota se řídí podle potřeby udržení stálé teploty lidského těla.
Vydechovaný vzduch, jehož množství závisí na intenzitě fyzické činnosti, se v plicích
zahřeje na teplotu 34 až 36 °C a současně se nasytí vodní parou. Tepelný tok odváděný
dýcháním můžeme vyjádřit vztahem
Q& d = m& c p ( t v − t ) + m& l 23 ( x ′′ − x ) [W],
(2.6)
kde
m& [kg.s-1] je hmotnostní tok vzduchu plícemi,
cp – měrná tepelná kapacita vzduchu za konstantního tlaku (cp = 1,01 kJ.kg-1K-1),
tv – teplota vydechovaného vzduchu (tv ≈ 34 °C),
l23 – měrné výparné teplo vody (l23 = 2560 kJ.kg-1),
x”, x [kg/kg s. v.] – měrná vlhkost vydechovaného (vlhkostí nasyceného vzduchu) a okolního
vdechovaného vzduchu.
Tepelný tok přenášený konvekcí a radiací z povrchu oblečeného člověka prostupuje
oděvem, což vyjadřuje rovnice
Q& k + Q& r = S (t k − t p ) / Rcl ,
(2.7)
kde
Rcl [m2K.W-1] je tepelný odpor oděvu. Pro tepelný odpor oděvu se používá také bezrozměrná
veličina Icl definovaná Icl = Rcl/0,155, pro níž se zavedlo jednotkové označení clo.
7
První podmínkou pro dosažení tepelné pohody je, aby byla splněna rovnice tepelné
rovnováhy (2.1). Při stavu tepelné pohody však musí být tepelné rovnováhy dosaženo při
minimálních zásazích tělesné regulace. Pro stav tepelné pohody jsou proto střední teplota
pokožky a tepelný tok mokrým pocením vyjádřeny v závislosti na činnosti člověka vztahy
a
tk = 35,7 – 0,0275 q& m [°C]
(2.8)
Q& vm = 0,42 S (q& m − 58) [W].
(2.9)
Tyto vztahy se pokládají za druhou a třetí podmínku stavu tepelné pohody.
Řešením rovnic (2.1) až (2.9) dostaneme rovnici tepelné pohody vyjádřenou funkční
závislostí
(2.10)
Q& m = f ( Rcl , f cl , t , w, t r , ϕ ) .
Rovnice tepelné pohody vyjadřuje vzájemné vztahy mezi hlavními činiteli tepelné pohody.
Tyto činitele charakterizují:
- Q& m
- Rcl, fcl
- t, w, tr, ϕ
činnost člověka,
vlastnosti oděvu,
tepelný stav prostředí.
2.2 Hodnocení tepelného stavu prostředí
Vzhledem k tomu, že tepelná pohoda prostředí závisí na řadě činitelů, pro zjednodušení
hodnocení tepelného stavu prostředí se používají odvozené veličiny zahrnující společný
účinek několika nebo všech činitelů určujících tepelný stav prostředí, k nimž patří např.
operativní teplota nebo výsledná teplota měřená kulovým teploměrem.
Operativní teplota to (°C) je definována jako jednotná teplota uzavřeného černého prostoru,
ve kterém by tělo sdílelo radiací a konvekcí stejně tepla, jako ve skutečném teplotně
nehomogenním prostředí. Při známé střední radiační teplotě tr (°C) a teplotě vzduchu t (°C) se
určí z výrazu
t o = t r + A (t − t r ) ,
(2.11)
kde A je funkcí rychlostí proudění vzduchu a podle literatury [2] pro w = 0,05 až 1 m.s-1 je
A = 0.75 w0.16.
Střední radiační teplotu lze stanovit výpočtem dle vztahu
[
]
t r = (t g + 273) + 2,9 . 10 8 . w 0,6 (t g − t )
4
0 , 25
− 273 ,
(2.12)
kde tg je výsledná teplota kulového teploměru o průměru 0,10 m,
nebo dle vztahu
[
]
t r = (t g + 273) + 2,9 . 10 8 . w 0,6 (t g − t )
4
0 , 25
− 273 ,
kde tg je výsledná teplota kulového teploměru o průměru 0,15 m.
8
(2.13)
Přípustné hodnoty operativní teploty pro pracovní prostředí v závislosti na vykonávané
činnosti (třídě práce, nebo energetickém výdeji) a použitém oděvu (tepelném odporu oděvu)
jsou uvedeny v Nařízení vlády č.361/2007 Sb. [13].
Výsledná teplota měřená kulovým teploměrem tg se používá pro hodnocení tepelného
stavu prostředí v pobytových místnostech některých staveb. Požadavky na výslednou teplotu
kulového teploměru v pobytových místnostech jsou uvedeny ve Vyhlášce č.6/2003 Sb. [16].
Pro hodnocení tepelné pohody prostředí se také používá norma ČSN ISO 7730 [7], která
hodnotí tepelný stav prostředí pomocí ukazatelů PMV a PPD.
Ukazatel PMV předpovídá střední tepelný pocit podle sedmistupňové stupnice
+3
+2
+1
0
-1
-2
-3
horko,
teplo,
mírně teplo,
neutrálně,
mírně chladno,
chladno,
zima.
Ukazatel PMV je možné vypočíst z energetického výdeje, tepelného odporu použitého oděvu,
teploty vzduchu, střední radiační teploty, vlhkosti a rychlosti proudění vzduchu dle rovnic
uvedených v [7].
Ukazatel PPD předpovídá procentuální podíl osob, které budou nespokojeny s tepelnými
podmínkami prostředí (5% nespokojených – tepelná pohoda, 10% – přípustné podmínky, 20%
– přijatelné podmínky). Je – li známa hodnota PMV, je možné PPD odečíst z obrázku nebo
vypočítat z rovnice uvedené v [7].
Ukazatele PMV a PPD hodnotí tepelný stav prostředí pro tělo celkově.
Citovaná norma také vyjadřuje místní tepelný diskomfort, který může být způsoben
průvanem, vertikálním rozdílem teplot vzduchu, příliš teplou nebo chladnou podlahou nebo
asymetrií radiační teploty.
Diskomfort v důsledku průvanu je vyjádřen jako procento osob obtěžovaných průvanem
DR. Je možné ho vypočítat z místní teploty a rychlosti vzduchu a z místní intenzity
turbulence. Procento nespokojených PD vlivem vertikálního rozdílu teploty vzduchu je zde
vyjádřeno závislostí na vertikálním rozdílu teplot mezi hlavou a kotníky. Procento
nespokojených PD vlivem příliš teplé nebo chladné podlahy je vyjádřeno v závislosti na
teplotě podlahy. Procento nespokojených PD v důsledku asymetrie radiační teploty je zde
vyjádřeno pro asymetrii způsobenou teplým stropem, chladnou stěnou, chladným stropem a
teplou stěnou.
9
3. ČISTOTA VZDUCHU A ÚČINKY ŠKODLIVIN NA ČLOVĚKA
3.1 Čistota vzduchu v místnostech
Vzduch v místnostech může být znečišťován plynnými škodlivinami, různými zápachy,
prachem, choroboplodnými zárodky, ale také nadměrným teplem sálavým i konvekčním.
Plyny a páry unikající z výrobních zařízení tvoří velkou skupinu průmyslových škodlivin.
K odstraňování plynných škodlivin je nejvýhodnější odsávání přímo v místě jejich vzniku. I
v tomto případě musíme však počítat s jistým únikem škodlivin do pracovního prostředí a
celkovým větráním pak musíme udržovat jejich koncentrace pod nejvyšší přípustnou
hodnotou.
V místech kde pobývají lidé, přichází do ovzduší při dýchání CO2 a vodní pára.
Vydechovaný vzduch obsahuje přibližně objemově 4 % CO2, 5 % vodní páry, 16 % kyslíku a
75 % dusíku. Zvyšování koncentrace CO2 ve vzduchu je vždy spojeno s jistým poklesem
obsahu kyslíku. Tento pokles však nemá nepříznivý vliv na dýchání, neboť ani při dosažení
nejvyšší přípustné koncentrace CO2 (0,5 % obj.) obsah kyslíku by neklesl pod 20,5 % obj. a
tvrzení, že v místnosti je vydýchaný kyslík neodpovídá skutečnosti. Většinou jde o
nepříjemný pocit, vyplývající z porušení tepelné pohody při velké relativní vlhkosti vzduchu,
způsobené vydechovanou vodní parou.
Velmi častou příčinou zhoršování jakosti vzduchu v místnostech jsou zápachy (odéry).
V obytných a občanských budovách jsou zdroji zápachů nejčastěji kuchyně, záchody,
laboratoře atd. V obsazených shromažďovacích místnostech je vzduch znečišťován lidskými
pachy, které vznikají rozpadem epitelu kůže a sliznic a rozkladem výpotků a jiných sekretů.
Velmi nepříjemný je také zápach z oděvů a z nábytkových textilií. V průmyslových
provozovnách jsou zdroji pronikavých zápachů různé chemické látky používané při
technologických procesech. Pachy se odstraňují výměnou vzduchu větráním a někdy také
rozstřikováním vonných látek, tzv. dezodorizací vzduchu.
Vzduch v uzavřených místnostech je také znečišťován prachem, který vzniká rozkladem a
rozpadem anorganických i organických látek. V některých průmyslových odvětvích vniká při
výrobních procesech tzv. průmyslový prach, jehož některé druhy (např. křemičitý nebo
azbestový) jsou velmi škodlivé.
V uzavřených místnostech, zejména kde se shromažďuje větší počet osob, obsahuje vzduch
vždy choroboplodné zárodky (bakterie, viry, plísně apod.). Protože choroboplodné zárodky
nemohou ve vzduchu existovat volně, ale jen usazeny na nosičích, např. částečkách prachu,
kapénkách atd., je nejjednodušším způsobem jejich odstraňování ze vzduchu intenzívní
větrání a filtrace vzduchu. Ve zdravotnictví nebo farmaceutickém průmyslu se vzduch také
chemicky nebo fyzikálně dezinfikuje. K chemické dezinfekci se používá kapalných
dezinfekčních prostředků, které se rozstřikují přímo v místnosti. Velmi účinná je fyzikální
dezinfekce prozařováním přiváděného větracího vzduchu nebo přímo vzduchu v místnosti
ultrafialovými paprsky, které ničí všechny druhy mikroorganismů ve vzduchu.
Také nadměrné teplo, projevující se vysokými teplotami vzduchu a intenzitami sálání,
počítáme mezi škodliviny (nadměrně zatěžují cévní systém).
Jako ochrana proti nadměrnému sálavému teplu se provádí tato opatření:
- Snížení intenzity sálání zdroje (snížením povrchové teploty zdroje nebo snížením
součinitele sálání povrchu zdroje),
- Clony proti sálání – mechanické nebo vodní.
- Ochlazování pracovníka pomocí vzduchové sprchy, přímého rozprašování vody nebo
sálavých ochlazovacích panelů.
10
- Tepelná izolace pracovníka oděvem. Použití vícevrstvého oděvu, světlého oděvu,
polepy oděvu hliníkovou fólií, nebo oděv z pokovené tkaniny. Ve zvlášť horkém
prostředí se používá oděv chlazený vzduchem, např. při čištění kotlů, opravách pecí.
3.2 Hygienické limity látek v ovzduší
Hygienické limity látek v ovzduší pracovišť a způsoby jejich měření stanovuje Nařízení
vlády č.361/2007 Sb. [13].
Pro plyny, páry a aerosoly uvádí přípustné expoziční limity PEL a nejvyšší přípustné
koncentrace NPK – P. PEL jsou celosměnové časově vážené průměry koncentrací v
pracovním ovzduší, jímž může být vystaven zaměstnanec v osmihodinové nebo kratší směně
týdenní pracovní doby, aniž by u něho došlo i při celoživotní pracovní expozici k poškození
zdraví. NPK – P je taková koncentrace chemických látek, které nesmí být zaměstnanec
v žádném úseku pracovní směny vystaven.
Pro prach výše citované Nařízení vlády uvádí přípustné expoziční limity, a to pro celkovou
koncentraci (vdechovatelnou frakci) prachu označenou PELc a pro respirabilní frakci prachu
označenou PELr. Vdechovatelnou frakcí prachu se rozumí soubor částice polétavého prachu,
které mohou být vdechnuty nosem nebo ústy. Respirabilní frakcí se rozumí hmotnostní frakce
vdechnutých částic, které pronikají do té části dýchacích cest, kde není řasinkový epitel a do
plicních sklípků.
Koncentrace škodlivin se vyjadřují koncentracemi hmotnostními [mg.m-3] nebo
objemovými [% obj.; ppm]. Jednotka ppm (parts per milion) je 10-4 % obj.
3.3 Účinek škodlivin na lidský organismus
Škodlivý účinek částečkových a plynných škodlivin na lidský organismus je závislý jednak
na celkovém množství škodliviny, které se do těla dostává, jednak na její koncentraci. Účinky
mohou být buď místní, nebo celkové (po absorpci v těle) a jejich charakter může být
dráždivý, toxický nebo kumulovaný.
Místní účinek se může projevit v místě kontaktu nebo vstupu do organismu (např. horní
cesty dýchací, nosní sliznice, hrtan, průduškový epitel, plícní tkáně, v zažívacím ústrojí, na
kůži, spojivce oka aj.). Místní účinky se projevují drážděním, které může být mechanické
nebo chemické. Vyšší koncentrace pak způsobují zánětlivé změny. K dráždivým škodlivinám
patří např. oxid siřičitý, ozón, oxidy dusíku, chlor, fluoridy, sirovodík, aldehydy, ketony,
prach textilní (bavlna, len, konopí, syntetická vlákna), živočišný (peří, vlna, srst), rostlinný
(mouka, čaj, káva, koření, ze dřeva).
Působení škodlivin po absorpci v těle může mít průběh mnohem složitější. Plynné
škodliviny, které se absorbují do krve, se přenáší do ostatních částí těla, kde mohou vyvolávat
různé škodlivé účinky. Část absorbovaného plynu může být z cirkulující krve vyloučena
v plicích, část v ledvinách.
Škodlivost tuhých a kapalných škodlivin závisí nejen na jejich chemickém složení a
koncentraci ve vzduchu, ale i na velikosti částic. V nosních dutinách a horních cestách
dýchacích dochází k odlučování větších částic – přibližně nad 5 mm. Částice o menších
rozměrech se dostávají do dolních cest dýchacích. Nerozpustné částice, které se dostanou do
dolních cest dýchacích, mohou způsobit tzv. zaprášení plic (např. uhelný prach), nebo částice
fibrogenní, tj. prach, který obsahuje více než 1 % fibrogenní složky (křemen, kristobalit,
triadymit, gama oxid hlinitý) působí fibrogenní změny na tkáních plic (silikóza). Částice o
velikosti menší než 0,1 mm se znovu vydechují. Nejškodlivější jsou prachy respirabilní, ve
kterých převažují částice o velikostech dovolujících volné pronikání do plicních sklípků, tj. o
11
velikostech asi 0,1 až 5 mm. Rozpustné škodliviny pronikají s tělními tekutinami do
organismu. Některé škodliviny jsou vylučovány ledvinami, jiné střevním traktem. Může
docházet i k jejich hromadění v některých orgánech a mohou vyvolávat funkční a strukturální
změny.
12
4. VĚTRÁNÍ A PROUDĚNÍ VZDUCHU
4.1 Rozdělení větrání
Účelem větrání je zajistit čisté ovzduší ve vnitřních prostorech pracovních, obytných i
společenských. Dosahuje se toho výměnou vzduchu za venkovní. Vzduch se může vyměňovat
v opakujících se časových intervalech – občasné větrání, nebo se vyměňuje spojitě – trvalé
větrání.
Výměnu vzduchu lze provádět v celém prostoru nebo v jeho části. Podle toho se větrání
dělí na:
- Celkové – navrhuje se tam, kde nelze předem určit místa vzniku škodlivin, nebo kde
jsou zdroje škodlivin rovnoměrně rozmístěny (např. shromažďovací místnosti).
- Místní – navrhuje se do prostorů s většími zdroji škodlivin soustředěnými do
vymezeného místa. Škodliviny se odvádějí od zdroje místním odsáváním, nebo se na
pracoviště do míst pobytu lidí přivádí čerstvý vzduch místní zavzdušnění (vzduchová
sprcha, oáza, clona).
Soustavy větrání se dělí podle toho, zda k výměně vzduchu dochází samočinně (vlivem
přirozeného tlakového spádu vznikajícího účinkem rozdílných hustot vzduchu uvnitř a vně
větraného prostoru a účinkem větru), nebo nuceně (ventilátory) na:
- Větrání přirozené – infiltrace, větrání okny (provětrávání), aerace, šachtové větrání.
- Větrání nucené, které může mít ventilátory jen pro přívod, nebo jen pro odvod,
popřípadě pro přívod i odvod vzduchu. Podle dimenzování obou skupin ventilátorů,
může být poměr objemových toků nuceně přiváděného V&p a nuceně odváděného
vzduchu V& , označovaný jako součinitel větrací rovnováhy,
o
ε=
V& p
.
V&
(4.1)
o
Při ε = 1 – rovnotlaké větrání - nevzniká činností větrání žádný rozdíl tlaků uvnitř a vně
větraného prostoru; používá se, nemá–li docházet k proudění vzduchu mezi
okolním prostředím a větranou místností;
ε > 1 – přetlakové větrání – používá se tam, kde se přiváděný vzduch upravuje a kde je
třeba zabránit vnikání vzduchu ze sousedních místností (např. operační sály,
výroba televizních obrazovek, řídící kabiny);
ε < 1 - podtlakové větrání – navrhuje se tam, kde je nutno zabránit pronikání vzduchu
s přimíšenými škodlivinami do okolních prostorů (větrání laboratoří, sociálních
zařízení apod.).
Dnes se začíná používat větrání hybridní, tj. kombinace přirozeného a nuceného větrání,
kdy oba systémy pracují samostatně. Je to inteligentní větrací systém, který může automaticky
přepnout mezi přirozeným a nuceným větráním. V době příznivých klimatických poměrů je
v činnosti větrání přirozené, nepostačuje-li, uvede se do provozu větrání nucené.
4.2 Výpočet výměny vzduchu při větrání
Průtok čerstvého venkovního vzduchu při celkovém větrání můžeme určit:
a) z bilance škodlivin ve větraném prostoru,
b) z tepelné bilance větraného prostoru,
c) z bilance vlhkosti ve větraném prostoru,
13
d) z dávek vzduchu na osobu,
e) na základě doporučené intenzity výměny vzduchu.
a) Stanovení objemového toku venkovního vzduchu z hmotnostní bilance škodlivin ve
větraném prostoru, kterou vyjadřuje diferenciální rovnice větrání
O dk = V&p kp dτ + S dτ - V&p k dτ ,
(4.2)
kde O je objem místnosti [m3],
S - množství vznikající škodliviny [g.s-1] (předpokládáme rovnoměrné rozložení
škodliviny v místnosti),
&
V p - objemový tok přiváděného vzduchu [m3s-1] (předpokládáme, že se stejné množství
vzduchu odvádí),
kp - koncentrace škodliviny v přiváděném vzduchu [g.m-3] ,
k - okamžitá koncentrace škodliviny [g.m-3],
dk - změna koncentrace škodliviny v čase dτ.
Řešením této rovnice v časovém intervalu od 0 do t pro změnu koncentrace škodliviny
v místnosti z k1 na k2 dostaneme množství vyměňovaného vzduchu
V&p =
S
O k 2 − k1
[m3s-1].
−
k2 − k p τ k2 − k p
(4.3)
Při dlouhodobém větrání a rovnoměrném nepřetržitém vzniku škodliviny lze použít τ = ∞ .
Rovnice (4.3) pak dává
V&p =
S
[m3s-1].
k2 − k p
(4.4)
b) Stanovení objemového toku venkovního vzduchu z tepelné bilance větraného
prostoru. Při větrání místností se zdroji tepla (od technologických zařízení, lidí, osvětlení,
sluneční radiace a prostupu tepla pláštěm budovy) o celkovém tepelném toku Q& [W] je
objemový tok větracího vzduchu
V& p =
Q&
[m3s-1],
ρ c p (t o − t p )
(4.5)
kde r je hustota vzduchu [kg.m-3],
cp - měrná tepelná kapacita vzduchu při konstantním tlaku [J.kg-1K-1],
to, tp – teplota odváděného a přiváděného vzduchu [°C].
c) Stanovení objemového toku venkovního vzduchu z bilance vlhkosti větraného
prostoru. Potřebné množství vzduchu do větraného prostoru, které má zajistit požadovanou
vlhkost v místnosti je dáno vztahem
V& p =
m& w
[m3s-1],
ρ v ( xo − x p )
(4.6)
14
kde
m& w je hmotnostní tok vlhkosti vyvíjené v místnosti [kg.s-1],
rv – hustota suchého vzduchu [kg.m-3],
xo, xp – měrná vlhkost vzduchu odváděného a přiváděného [kg/kgs.v.].
d) Stanovení objemového toku venkovního vzduchu z dávek vzduchu na osobu.
Používá se pro prostory, kde se zhoršuje kvalita vzduchu v důsledku přítomnosti lidí. Pro
pracovní prostředí minimální množství přiváděného venkovního vzduchu na zaměstnance
stanovuje Nařízení vlády č.361/2007 Sb. [13]. Hodnoty dávek vzduchu na osobu jsou
uvedeny s ohledem na vykonávanou práci:
50 m3 h-1 na osobu - pro práci s energetickým výdejem do 105 W.m-2
70 m3 h-1 na osobu - pro práci s energetickým výdejem od 106 do 200 W.m-2
90 m3 h-1 na osobu - pro práci s energetickým výdejem od 201 do 301 a více W.m-2
V místnostech, kde je povoleno kouření se zvyšuje dávka vzduchu na osobu o 10 m3 h-1.
e) Stanovení objemového toku venkovního vzduchu na základě intenzity výměny
vzduchu. Pro některé druhy místností bez větších zdrojů škodlivin, jako např. šatny, obytné
místnosti apod., se navrhují větrací zařízení na základě doporučených hodnot intenzity
výměny vzduchu n (poměr průtoku venkovního přiváděného vzduchu do prostoru k jeho
objemu), tj.
n=
V& p
O
[h-1],
(4.7)
kde V& p je objemový tok venkovního vzduchu [m3h-1],
O – objem místnosti [m3].
4.3 Proudění vzduchu ve větraném prostoru
Pohodu osob ve větraných a klimatizovaných prostorech podstatně ovlivňuje proudění
vzduchu. Proto ke správnému řešení větrání prostorů patří nejen stanovení intenzity výměny
vzduchu, ale i návrh vhodné distribuce vzduchu ve větraném prostoru. Hlavním úkolem
distribuce vzduchu je zajistit požadovaný stav vzduchu především v pracovní či pobytové
oblasti.
Ve větraných prostorech je téměř vždy proudění turbulentní. Proud vzduchu přiváděný do
relativně rozměrného prostoru, neomezeného stěnami a předměty v místnosti, se nazývá volný
proud. Proudy, jejichž šíření je ovlivněno stěnami a předměty v prostoru se nazývají omezené.
Proudy šířící se podél stěn, které se mohou rozšiřovat jen na jedné straně, jsou nazývány
poloohraničené. Má-li prostředí stejné fyzikální vlastnosti jako proud a je klidné, je proud
zatopený.
Podle charakteru proudění v prostoru se rozlišují dva základní způsoby přívodu vzduchu, a
to přívod osamocenými vyústkami a přívod velkoplošnými vyústkami.
Základem pro objasnění vlastností proudů z vyústek je volný izotermní proud, jehož
schéma je na obr. 4.1. Vzduch o teplotě shodné s teplotou v místnosti je přiváděn otvorem
kruhového průřezu. Turbulentní proud se směrem od výstupního otvoru kuželovitě rozšiřuje.
Částice proudu, vykonávající příčný fluktuační pohyb, předávají hybnost částicím okolního
klidného vzduchu, příčně pronikají do proudu a jsou jím unášeny. S rostoucí vzdáleností od
otvoru se množství proudícího vzduchu stále zvětšuje, současně se také zvětšuje průřez
proudu a naopak se zmenšuje jeho rychlost. Hranice proudu tvoří dvě na sebe navazující části
15
kuželových ploch. V proudu rozlišujeme krajní oblast o délce xk a hlavní oblast s úhlem
rozšiřování 2ϑ. Obrysové přímky v hlavní oblasti se protínají na ose proudu v pólu P.
Obr. 4.1 Schéma volného izotermního proudu z kruhové vyústky
V krajní oblasti zůstává osová rychlost proudu wx konstantní a rovná se výtokové rychlosti
z vyústky wo. V hlavní oblasti se osová rychlost postupně zmenšuje a je vyjádřena vztahem
So
wx
= Ks
,
wo
x
(4.8)
kde Ks je konstanta vyústky vztažená k výstupnímu průřezu vyústky So. Konstanta vyústky se
určuje pro každý typ vyústky experimentálně.
V hlavní oblasti lze příčný rychlostní profil vyjádřit podle Schlichtinga vztahem
 y
= 1 −  x
wx   R x

wx, y



1, 5
2

 .

(4.9)
Volný proud z vyústky obdélníkové se po krátkém úseku, kde je jeho průřez daný tvarem
vyústky, mění postupně na průřez kruhový. Pro výpočet parametrů tohoto proudu, např. osové
rychlosti lze proto použít rovnici (4.8).
Proud vytékající z nekonečně dlouhé přímé štěrbiny se nazývá plochý proud. V praxi lze za
plochý proud považovat proud ze štěrbinové vyústky s poměrem stran větším než 25 : 1. Osová
rychlost v hlavní oblasti proudu je vyjádřena vztahem
b
wx
= Kb o ,
wo
x
(4.10)
kde Kb je konstanta štěrbinové vyústky a bo šířka štěrbiny.
V literatuře jsou uváděny poloempirické vztahy pro výpočet dalších parametrů kruhových
a plochých proudů, např. objemového toku, střední rychlosti podle průřezu a střední rychlosti
podle hybnosti. Tyto vztahy se liší pro proud kruhový a plochý a také pro krajní a hlavní
oblast těchto proudů. Někteří autoři ve svých poloempirických výpočtových vztazích namísto
konstanty vyústky (KS, Kb) používají součinitele vířivosti při výtoku (a), který se obdobně
jako konstanta vyústky určuje pro každý typ vyústky experimentálně.
16
Bez ohledu na to, zda vyústka je kruhová, čtyřhranná, s usměrňovacími listy nebo mřížkou,
vytvoří se v krátké vzdálenosti od vyústky kuželovitě se rozšiřující proud kruhového průřezu.
Pro výpočet parametrů tohoto proudu lze proto použít vztahy pro kruhový proud, do kterých
dosadíme za průměr kruhové vyústky Do ekvivalentní průměr podle průřezu
4 So
De =
,
π
(4.11)
kde So je průřez vyústky.
Při přívodu teplejšího nebo chladnějšího vzduchu do místnosti se mezi proudem a okolím
sdílí nejen hybnost, ale i teplo. Spolu s poklesem rychlosti se vyrovnávají teploty.
Bezrozměrné teplotní profily v hlavní oblasti proudu jsou s profily rychlostí vázány vztahem
t x, y − t i
 wx, y
= 
t x − t i  wx



PrT
,
(4.12)
kde tx,y, wx,y je teplota a rychlost v místě x, y, tx,, wx je teplota a rychlost v ose proudu ve
vzdálenosti x od vyústky, ti je teplota okolního vzduchu a PrT je turbulentní Prandtlovo číslo.
O stupni neizotermičnosti proudu rozhoduje poměr sil vztlakových k silám setrvačným,
působících na částice vzduchu, který je vyjádřen Archimédovým číslem. Pro poměry ve
vyústce je Archimédovo číslo definováno vztahem
Aro =
g l o To − Ti
2
wo Ti
,
(4.13)
v němž g je tíhové zrychlení, lo je charakteristický rozměr vyústky, To je teplota vzduchu ve
výusti a Ti je teplota okolního vzduchu. Proudy jsou mírně neizotermní při Aro ≤ 0,001 a
značně neizotermní při Aro > 0,01. Nejvýraznějším účinkem vztlakových sil je vertikální ohyb
proudu. U mírně neizotermních proudů lze předpokládat, že obdobně jako proudy izotermní,
se v prostoru šíří přímočaře.
17
5. OBRAZY PROUDĚNÍ
5.1 Obrazy proudění ve větraném prostoru
Představa o rychlostním a teplotním poli ve větraném prostoru je tzv. obraz proudění.
Proudění ve větrané místnosti dělíme na primární a sekundární. Primární je proudění od
větracích otvorů, sekundární je vyvolané primárními proudy. Zatopený proud strhává,
zejména v počáteční části, okolní vzduch, takže objem proudícího vzduchu se zvětšuje.
Odváděcím otvorem se při rovnotlakém izotermním větrání odvádí stejný objem vzduchu,
jako se přivedl a vzduch stržený do proudu z okolí cirkuluje v místnosti.
Charakter proudění vzduchu ve větrané místnosti určuje především:
- Počet, poloha a velikost přiváděcích otvorů – vyústek, výstupní rychlosti a teploty
přiváděného vzduchu.
- Umístění, povrchová teplota a velikost zdrojů tepla a chladu v prostoru. Zdroje tepla podle
své velikosti způsobují větší či menší stoupající proudy ohřátého vzduchu, které strhávají
vzduch z okolí a v místnosti působí jako komíny. Zdroji chladu jsou např. okna a stěny
venkovních zdí, po nichž ochlazený vzduch klesá dolů.
Pozn.: Pohyb strojních součástí, pohyb lidí a poloha odváděcích otvorů vzduchu mají jen
malý podřadný vliv na obrazy proudění.
Při izotermním větrání ideální výměna vzduchu (ideální obraz proudění) nastává,
přivádíme-li do místnosti vzduch malou rychlostí – celou stěnou a odvádíme otvorem
v protilehlé stěně (obr. 5.1a).
a)
b)
Obr. 5.1 Obrazy izotermického proudění vzduchu a) ideální (přívod celou stěnou),
b) přívod vyústkou
Zcela jinak vypadá proudění, přivádíme-li vzduch menší vyústkou (obr. 5.1b). V tomto
případě vzniká v prostoru účinkem primárního proudu pohyb druhotný – sekundární.
Přiváděným vzduchem se uvede do pohybu mnohem více vzduchu než je odváděno.
Nerovnoměrná výměna vzduchu v různých místech větraného prostoru způsobí, že
v primárních proudech je koncentrace škodlivin nižší a v sekundárních proudech vyšší než je
koncentrace průměrná. Je proto důležité, aby pobytová či pracovní oblast byla provzdušněna
čerstvým venkovním vzduchem.
Při neizotermickém větrání jsou obrazy proudění ovlivňovány vztlakovými silami, které
proudy zakřivují, zejména je-li vzduch přiváděn malou rychlostí. Je-li teplota přiváděného
vzduchu to vyšší než teplota vzduchu v místnosti ti, odchyluje se proud vzduchu směrem
nahoru, je-li naopak to < ti, odchyluje se proud dolů.
Vede-li se nucený proud vzduchu vertikálně (při použití perforovaného stropu a podlahové
mříže), lze mluvit o větrání shora – dolů nebo naopak zdola – nahoru a o tzv. ideálních
obrazech proudění viz obr. 5.2c, b. Přivádí –li se teplejší vzduch zdola – nahoru (obr. 5.2a)
18
nebo naopak teplejší vzduch shora – dolů (obr. 5.2d) vytváří se osamocené vzestupné nebo
sestupné proudy, takže prostor není provětrán rovnoměrně.
Obr. 5.2 Obrazy neizotermního proudění vzduchu
Podle těchto obrazů proudění lze učinit závěr, že při neizotermním větrání s malou
výtokovou rychlostí z vyústek je nutno vést proud vzduchu proti směru přirozeného proudění.
5.2 Provedení vyústek
Vyústky slouží k přívodu vzduchu do větraných místností a také k jeho odvádění. Podle
polohy se dělí na:
- nástěnné,
- stropní,
- podlahové.
Vyústky nástěnné. Jako nástěnné vyústky se nejčastěji používají vyústky obdélníkové,
mřížkové štěrbiny, velkoplošné vyústky a dýzy.
Obdélníkové vyústky s usměrňovacími listy jsou nejrozšířenější (obr. 5.3). Podle počtu
soustav usměrňovacích listů se dělí na jednořadé (umožňují regulaci směru proudu v jedné
rovině) a dvouřadé (umožňují prostorovou regulaci). K regulaci požadovaného množství
vzduchu se nejčastěji používá regulace protiběžnými klapkami. Druhý možný typ regulace, tj.
náběhovými listy lze použít pouze u přiváděcích vyústek.
Mřížkové štěrbiny mají tvar protáhlého obdélníku, jejich délka je o mnoho větší než šířka.
Mohou být opatřeny podélnou nebo příčnou mříží.
Velkoplošné vyústky se sestavují ze skříní s jednou perforovanou stěnou, do nichž se vhání
vzduch, případně jsou provedení válcového, půlválcového nebo čtvrtválcového – tyto jsou
vhodné pro umístění volně do prostoru, ke stěně nebo do rohu místnosti.
Dýzy jsou vhodné pro přívod upraveného vzduchu vysokými rychlostmi do velkých
prostorů (např. konferenčních sálů, sportovních hal, krytých atrií atd.). Výhodami jsou velký
dosah proudu a nízká hlučnost i při vysokých výtokových rychlostech. Používají se dýzy
pevné s definovaným směrem výtoku vzduchu, nebo nastavitelné s regulací směru výtoku.
19
Obr. 5.3 Obdélníková vyústka. a) pohled, b) regulace průtoku klapkami a náběhovými listy,
c) příklad možnosti nastavení předních listů
Vyústky stropní. Používá se několik typů, z nichž nejpoužívanější jsou anemostaty, vířivé
vyústky, velkoplošné vyústky, dýzy a štěrbinové vyústky.
Anemostaty jsou různého provedení kruhového nebo čtyřhranného, oba typy i
v difuzorovém provedení. Příklad kruhového anemostatu s kuželovými difuzory je na obr.
5.4. Polohu soustavy kuželových difuzorů lze v axiálním směru měnit a tím regulovat směr
výtoku vzduchu.
Vířivé vyústky nazývané také vířivé anemostaty se vyrábí se čtvercovou nebo kruhovou
čelní deskou, se vsazenými pevnými lamelami, nebo nastavitelnými lamelami, u nichž je
možné výstupní proud nasměrovat nastavením lamel jako horizontální, šikmý nebo vertikální.
Směr výfuku lze měnit ručně nebo motoricky.
Stropní velkoplošné vyústky se sestavují z perforovaných panelů, tj. skříní do nichž se
vhání vzduch a jejichž dno je z jemně perforovaného plechu.
Štěrbinové vyústky (obr. 5.5) se vyrábí s šířkou štěrbiny 15 až 50 mm, jejich délka je
mnohem větší než šířka. Dodávají se s definovaným nastavením směru výtoku vzduchu, nebo
s možností nastavení směru výtoku.
20
Obr. 5.4 Difuzorový anemostat kruhový
Obr. 5.5 Štěrbinová vyústka
Podlahové vyústky. K nejčastěji používaným patří vyústky čtyřhranné, štěrbinové a
velkoplošné.
Čtyřhranné podlahové vyústky mají oproti stěnovým zvýšenou nosnost. Mají jednu řadu
pevně nastavených listů.
Velkoplošné podlahové vyústky se umisťují v celé podlaze, nebo v její části. Při využití celé
podlahy je umožněno rovnoměrné rozložení větracího vzduchu. Toto řešení však vyžaduje
existenci zdvojené podlahy – nosné a průlinčité podlahy polepené např. kobercem
vykazujícím požadované vzduchové vlastnosti.
K odvodu vzduchu mimo většiny uvedených typů vyústek mohou být využity jednoduché
otvory překryté síťkou, nebo jednořadou pevnou mřížkou, doplněné v případě potřeby o
regulační klapky.
21
6. PŘIROZENÉ A NUCENÉ VÉTRÁNÍ
6.1 Větrání s přirozeným oběhem vzduchu
U větrání s přirozeným oběhem je průtok vzduchu vyvolán rozdílem tlaků uvnitř a vně
větraného prostoru, který vzniká rozdílem teplot uvnitř a vně větraného prostoru (místnosti,
budovy) a tlakovým (dynamickým) účinkem větru na budovu.
Rozdělení tlaku na boční stěny budovy vlivem rozdílných teplot vzduchu venku a uvnitř je
na obr. 6.1a. Je-li vnitřní teplota vyšší než venkovní je horní část místnosti přetlaková, dolní
podtlaková. Mezi oběma oblastmi je místo nulového tlakového rozdílu, kterým prochází
neutrální rovina n.
Tlakový rozdíl ∆p v libovolném místě h od neutrální roviny je
∆p = h(ρ e − ρ i ) g ,
(6.1)
kde ρe a ρi značí hustoty vnějšího a vnitřního vzduchu a g gravitační zrychlení.
Působením větru vznikne na návětrné straně budovy jistý přetlak a na závětrné straně
naopak jistý podtlak. Velikost přetlaku, resp. podtlaku se vyjadřuje vztahem
∆p = A p d = A
we2
ρe ,
2
(6.2)
kde A je aerodynamický součinitel (tlakový součinitel větru) – průměrné hodnoty na straně
návětrné jsou 0,9 a na straně závětrné -0,4.
Obr. 6.1 Rozložení tlaku na stěny budovy a) vlivem rozdílu teplot vzduchu, b) vlivem rozdílu
teplot a působení větru
Při současném působení větru a rozdílných teplot vzduchu vně a uvnitř budovy (místnosti)
se výsledný tlak působící na stěnu rovná součtu obou tlaků dílčích (obr. 6.1b).
Přirozené větrání dělíme na infiltraci (provzdušnění), větrání okny (provětrávání), aeraci a
šachtové větrání.
Infiltrace. Při infiltraci proudí vzduch spárami netěsných oken a dveří a pórovitými
stěnami.
Větrání okny (provětrávání) je nejrozšířenějším způsobem přirozeného větrání. Je
specifické tím, že jediný otvor – okno – slouží pro přívod i odvod vzduchu. Používá se
přerušovaně a energeticky je úsporné pokud provětráváme krátce, často a velkými průřezy.
Aerace. Aerace je přirozené větrání regulovatelnými větracími otvory ve stěnách a ve
střeše. Je rozšířena zejména v teplých a horkých průmyslových provozech (měrná tepelná
22
zátěž od vnitřních zdrojů > 25 W.m-3), např. provozech hutních, strojírenských a sklářských
závodů.
Schéma aerace a proudění vzduchu v hale je na obr. 6.2. Konvekční proud vzduchu nad
zdrojem tepla Q& i se pod střechou dělí na část odcházející světlíkem a část cirkulující
v prostoru m& c . Tato část po příchodu do spodního pásma se mísí s přiváděným vzduchem
venkovním a proudí pracovní oblastí ke zdroji tepla.
Obr. 6.2 Aerace haly teplého provozu
Základními rovnicemi pro výpočet aerace jsou:
- Rovnice tepelné rovnováhy, kterou lze psát ve tvaru
m& p c p t e + Q& i = m& o c p t o = m& o c p t o ± Qe ,
(6.3)
kde
m& c a m& c jsou hmotnostní toky vzduchu přiváděného a odváděného,
te a to – teploty přiváděného a odváděného vzduchu,
cp – měrná tepelná kapacita vzduchu,
Q& i - vnitřní zdroj tepla,
Q& - tepelná ztráta v zimě, vnější tepelná zátěž v létě.
e
- Rovnice větrací rovnováhy – hmotnostní tok vzduchu přiváděného se rovná hmotnostnímu
toku vzduchu odváděného
m& p = m& o = m& .
(6.4)
Tuto rovnici můžeme psát ve tvaru
µ p S p 2 ∆p p ρ e = µo S o 2 ∆po ρ o ,
(6.5)
kde
mp a mo jsou výtokové součinitele přiváděcích a odváděcích otvorů,
Sp a So - plochy přiváděcích a odváděcích otvorů,
23
Dpp, Dpo – tlakové spády na přiváděcích a odváděcích otvorech,
ρe a ρo - hustoty vzduchu o teplotě te a to.
Hmotnostní tok větracího vzduchu m& se vypočte z rovnice tepelné rovnováhy (6.3), za
podmínky větrací rovnováhy – rovnice (6.4). Teplota to se určuje z teplotního součinitele B
definovaného vztahem
B=
t po − t e
to − te
,
(6.6)
kde tpo je teplota v pracovní oblasti.
Teplotní součinitel B je určován experimentálně a jeho doporučené hodnoty pro různé typy
provozů jsou uváděny v literatuře.
Dle rovnice (6.1) vypočteme účinný tlak Dp. Hustotu vzduchu ri vystupující v rovnici
(6.1) určíme pro střední teplotu vzduchu v hale ti, která je vyjádřena vztahem ti = (tpo + to)/2.
Účinný tlak se rozdělí na přiváděcí otvory a odváděcí otvory ∆p = ∆p p + ∆p o v poměru
∆p o ∆p p = 1 až 2 , přičemž má být ∆p p ≤ 5 Pa.
Účinný tlak je větší v zimě. Větrací otvory pro zimu mohou být proto menší a jsou
v pásmu nad pracovní oblastí, aby se zvýšila teplota chladného vzduchu před vstupem do
pracovní oblastí.
Plochy větracích otvorů se vypočtou z rovnice větrací rovnováhy a jsou vyjádřeny vztahy
S p=
µp
m&
2 ∆p p ρ e
So =
;
m&
µo
2 ∆p o ρ o
.
(6.7)
Šachtové větrání se používá k odvádění škodlivin od stabilního zdroje s dostatečnou
produkcí tepla. Účinný tah šachty o výšce h je dán vztahem
∆p = h(ρ e − ρ i ) g .
(6.8)
Tento tlakový spád se spotřebuje na překonání tlakových ztrát třením a místními odpory,
na vytvoření dynamického tlaku ve výstupu a k překonání rozdílu tlaků vně a uvnitř budovy.
Platí vztah
(
∆p = λ h / d +
∑ ξ + 1)ρ w
2
/ 2 + ( p e − pi ) ,
kde
λ je součinitel tření,
d – průměr šachty,
ξ - součinitel místního odporu,
w – rychlost proudění vzduchu šachtou,
re, ri, r – hustota vzduchu vně budovy, uvnitř větrané místnosti a v šachtě,
pe, pi – tlak vzduchu vně budovy a uvnitř větrané místnosti.
24
(6.9)
6.2 Nucené větrání celkové
Nucené celkové větrání se navrhuje tam, kde nelze předem určit místa vzniku škodlivin,
nebo kde jsou zdroje škodlivin rovnoměrně rozmístěny. Nucené větrání zajišťuje výměnu
vzduchu nezávisle na vnějších klimatických podmínkách a proti přirozenému větrání má řadu
dalších předností:
- umožňuje regulaci intenzity větrání podle potřeb větraného prostoru,
- umožňuje vzduch filtrovat a také teplotně upravovat,
- umožňuje zpětné využití tepla z odpadního vzduchu,
- umožňuje upravit tlakové poměry v budově a vytvořit vhodné obrazy proudění ve
větraném prostoru.
Soustavy nuceného větrání jsou podle tlaku ve větraném prostoru vzhledem k tlaku
v okolních prostorách přetlakové, podtlakové, nebo rovnotlaké.
Větrací zařízení jsou buď jednotková, nebo ústřední. Jednotková zařízení se instalují
převážně do větraného prostoru a jsou svým provedením podokenní nebo skříňová. Používají
se jednotky pro přívod a odvod vzduchu. Jednotka pro přívod vzduchu má směšovací komoru,
filtr, ohřívač, ventilátor a výfukovou komoru s vyústkou. Větrací jednotku pro odvod vzduchu
tvoří ventilátor.
Ústřední větrací zařízení se vyrábí většinou jako sestavná, umisťují se do strojovny a
spojují se s větranými místnostmi vzduchovody. Slouží obvykle k větrání více místností.
Příklad sestavné větrací jednotky vybavené zařízením pro zpětné získávání tepla je na obr. 6.3
Tato jednotka po doplnění o chladicí a zvlhčovací díl se stává klimatizační.
Obr. 6.3 Ústřední větrací jednotka. V – ventilátorová komora, F – filtrační komora,
O – ohřívací komora, K – klapková komora, ZZT – komora zpětného získávání tepla
Větrací zařízení jsou energeticky náročná. Úsporu provozních nákladů lze dosáhnout
především odstraňováním škodlivin v místě jejich vzniku, navrhováním větracích zařízení
s cirkulací vzduchu a využíváním různých systémů zpětného získávání tepla ze vzduchu
odpadního odváděného do venkovního ovzduší. Používáním zařízení s cirkulací vzduchu (část
odváděného vzduchu se vrací po filtraci do větraného prostoru) lze dosáhnout úsporu
provozních nákladů především v zimním období, kdy venkovní vzduch, kterým se odváděný
vzduch nahrazuje, musí být ohříván až o 30 K i více.
6.3 Místní odsávání
Místní odsávání slouží k zachycení škodlivin v místě vzniku a jejich odvedení z místnosti
přímo u zdroje. Místní odsávání je vždy hospodárnější než celkové větrání pro stejný zdroj
škodlivin, neboť koncentrace v odváděném vzduchu mohou být vyšší než u větrání
25
celkového, kde nesmí překročit nejvyšší přípustné koncentrace. Vyšší hodnoty koncentrací
škodlivin ve vzduchu místně odsávaného jsou přípustné proto, že odváděný vzduch nepřichází
do styku s člověkem.
Odsávací zařízení mohou být ústřední, skupinová a jednotková. Ústředním zařízením se
odsává několik zdrojů škodlivin pomocí potrubní sítě zapojené na společný ventilátor,
umístěný mimo pracovní prostory. Skupinové zařízení se používá při odsávání od
technologických procesů, při nichž vznikají u skupin strojů chemicky různé látky, které by
mohly být po smíšení hořlavé případně výbušné. Jednotková zařízení se používají zejména
pro odsávání od prašných zdrojů. Tvoří je ventilátor, odlučovač a zásobník prachu. Umisťují
se do bezprostřední blízkosti zdroje a vzduch po vyčištění se vrací do provozovny.
Důležitou součástí odsávacích zařízení je sací nástavec, který slouží zachycení škodlivin u
zdrojů. Hlavními typy sacích nástavců jsou:
- odsávací skříně – chemické digestoře, kabiny pro stříkání nátěrových hmot, tryskání
odlitků apod.,
- odsávací zákryty – střechovité (nad zdroji tepla), nebo tvarově přizpůsobené strojům (u
kovoobráběcích a dřevoobráběcích strojů, např. brusek, fréz, transportních zařízení na
dopravu sypkých materiálů aj.),
- boční odsávací štěrbiny, nejčastěji používané v technologii povrchových úprav, u
průmyslových van pro čištění, moření a galvanické pokovování strojírenských výrobků,
- odsávací podlahové rošty, používané např. při stříkání nátěrových hmot, při čištění
odlitků apod.,
- jednoduché sací nástavce – vyústění kruhových, obdélníkových nebo štěrbinových
sacích vzduchovodů, používané ve spojení s pružnými hadicemi k odsávání škodlivin
vznikajících na proměnných místech.
Výpočet sacích nástavců vychází z teorie potenciálního proudění, a to z případu, který se
nazývá propadem. Ekvipotenciální plochy (plochy stejných rychlostí), kolmé na proudnice,
jsou kulové. Rychlost wr na kulové ploše ve vzdálenosti r od propadu je
wr =
V&
4 π r2
,
(6.8)
kde V& je objemový tok vzduchu odsávaný propadem.
Při výpočtu odsávání štěrbinou se vychází z rovinného propadu. Zde jsou ekvipotenciální
plochy válcové. Radiální rychlost wr ve vzdálenosti r od rovinného propadu je
wr =
V&
2π r
,
(6.9)
kde V& je objemový tok vzduchu nasávaný štěrbinou délky 1 m.
Rychlostní pole skutečných sacích nástavců se od uvedených teoretických případů liší,
zejména v oblasti blízké odsávacímu otvoru. Proto se v praxi pro blízkou oblast používá
experimentálně stanovených průběhů rychlostí, zobrazených v bezrozměrných parametrech.
Vztah (6.8) lze použít pro x/D > 1 a vztah (6.9) pro x/b > 2 (D je průměr odsávacího otvoru a
b šířka odsávací štěrbiny).
26
Pro návrh sacích nástavců platí tyto hlavní zásady:
- sací nástavec má být co nejblíže u zdroje, popř. zdroj úplně uzavírat,
- sací nástavec musí být nastaven tak, aby škodliviny směřovaly do odsávacího otvoru,
- musí být navržen tak, aby pracovník při obsluze nepřicházel mezi zdroj škodlivin a sací
nástavec,
- musí zaručovat bezpečnost při práci.
6.4 Místní přívod vzduchu
Místní přívod vzduchu zajišťuje výměnu vzduchu v omezeném místě vnitřního prostoru.
K místnímu přívodu vzduchu patří vzduchové sprchy, vzduchové oázy a vzduchové clony.
Vzduchové sprchy jsou určeny k ochraně před účinky sálavého tepla. Vyfukuje se jimi
proud vzduchu ve směru působení toku sálavého tepla. Zvětšením rychlosti proudění vzduchu
se zvýší součinitel přestupu tepla konvekcí na povrchu osálaného oděvu, čímž se zvýší
tepelný tok přenášený konvekcí do okolí, a sníží se tepelný tok prostupující oděvem k tělu.
Vzduchové sprchy se dělí na jednotkové a ústřední.
Jednotkové vzduchové sprchy se konstruují obvykle jako přenosné nebo pojízdné a jako
stabilní. Většinou pracují bez úpravy vzduchu. Přenosné a pojízdné vzduchové sprchy se
upevňují na stojanu, jsou výškově stavitelné a naklápěcí v rozmezí ±30°. Na obr. 6.4 je
příklad pojízdné vzduchové sprchy, která se skládá z ventilátoru a krátkého vzduchovodu.
Stabilní vzduchové sprchy se upevňují na konstrukcích, např. sloupech a slouží jako trvalé
zařízení pro určité pracoviště.
Ústřední vzduchové sprchy mají centrální strojovnu s úpravou vzduchu (ochlazování,
vlhčení, filtrace), ze které se vzduch rozvádí potrubím do vyústek. Pracují s čerstvým
vzduchem.
Obr. 6.4 Pojízdná vzduchová sprcha
Vzduchová sprcha se počítá jako volný zatopený proud, u něhož se vychází z rychlosti
vzduchu a průměru proudu na pracovišti. Rychlost vzduchu na pracovišti se volí, a to
maximálně 3 m.s-1. Také průměr proudu na pracovišti se volí, a to podle místní situace;
minimálně 1,2 m za předpokladu, že pracovník nemění místo. Vzhledem k tvaru rychlostního
profilu zatopeného proudu (rychlost na okraji proudu je nedostatečná) neuvažuje se na
pracovišti celý průměr zatopeného proudu Dx, ale pouze vnitřní část, jejíž průměr se označuje
jako redukovaný Dxr
27
D xr = k D x ,
(6.10)
kde k = 0,64 pro rychlostní profil podle Schlichtinga.
Při návrhu vzduchové sprchy je potřeba respektovat některé zásady:
- Teplota proudu vzduchové sprchy na pracovišti nemá být o mnoho nižší než teplota
okolního vzduchu (max. O 3 K). Relativní vlhkost přiváděného vzduchu nemá být vyšší
než 70 %.
- Proud vzduchové sprchy má směřovat na osálanou stranu pracovníka.
- Vzduchové sprchy se nehodí pro pracovní místa, kde se často přechází z místa
osálaného na neosálané a naopak.
Vzduchové oázy. Je to místní přívod vzduchu buď na pracoviště, nebo na místa odpočinku
v provozu, který slouží ke snížení koncentrací škodlivin. Používají se také na pracovištích se
zdroji tepla, zejména konvekčního. K vytvoření vzduchových oáz se používá zástěn. Vzduch
se přivádí velkoplošnými vyústkami těsně nad místa pobytu pracovníků, nebo bočně.
Rychlosti ve vzduchové oáze bývají nižší než u vzduchových sprch, nepřesahují 0,5 m.s-1.
Vzduchové clony snižují volný průtok otvorem (otevřenými dveřmi nebo vraty), který
spojuje dva prostory, mezi nimiž je tlakový rozdíl. Vzduchovou clonu vytváří plochý proud
vzduchu ze štěrbiny umístěné podél jedné strany otvoru, nebo dvou protilehlých stran otvoru,
namířený šikmo do prostoru s vyšším tlakem. Hybnost tohoto proudu je zdrojem síly, která
působí proti přetlaku v otvoru a tím snižuje průtok vzduchu otvorem.
Podle umístění štěrbiny jsou clony spodní, boční jedno nebo dvoustranné a clony horní,
které jsou dnes nejpoužívanější. Horní clony mohou mít v podlaze otvor cirkulačního
vzduchu.
28
7. KLIMATIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ
7.1 Klimatizační zařízení a jejich komponenty
Klimatizační zařízení upravují vzduch na požadovanou teplotu, vlhkost a čistotu, a to
automaticky po celou roční dobu. Podle použití se dělí na komfortní a průmyslová. Komfortní
zajišťují nejvhodnější stav vnitřního ovzduší s ohledem na osoby pobývající
v klimatizovaném prostoru. Průmyslová klimatizační zařízení upravují stav vzduchu na stav
požadovaný technologií výroby.
Klimatizační zařízení se skládá z řady komponent, v nichž probíhají dílčí úpravy vzduchu,
tak aby výsledný stav odpovídal požadovanému. Hlavními komponentami klimatizačních
zařízení jsou ohřívače a chladiče, zvlhčovače, chladicí zařízení, ventilátory, filtry a zařízení
pro zpětné získávání tepla.
Ohřívače a chladiče slouží k tepelné úpravě vzduchu. Většinou se používají rekuperační
lamelové výměníky. Teplonosným médiem u ohřívačů bývá teplá či horká voda, nebo pára.
Pro chladiče vzduchu se používá jako chladicí médium voda, někdy i přímo chladivo
(výparník chladicího zařízení slouží přímo jako chladič vzduchu).
Lamelové trubky se používají proto, aby se zvýšil tepelný tok na straně menšího
součinitele přestupu tepla (na straně vzduchu). Lamelové výměníky nejčastěji vznikají
navléknutím hliníkových lamel obdélníkového tvaru na měděné trubky. Tloušťka lamel bývá
asi 0,2 mm a rozteč 2 až 3 mm. Před lamelovými výměníky musí být umístěn filtr vzduchu.
Ohřívače čerstvého vzduchu musí být samostatným regulačním okruhem zajištěny proti
zamrznutí vody.
Zvlhčovače vzduchu slouží především k úpravě vlhkosti. Vlhčení se provádí vodou, nebo
parou. Pro vlhčení vodou se používají blánové a sprchové pračky vzduchu, které bývají
součástí sestavných klimatizačních zařízení. Pro dovlhčování vzduchu v klimatizovaných
místnostech slouží zvlhčovače s mechanickým rozprašováním vody, nebo pneumatické
zvlhčovače. Parní zvlhčovače se používají u komfortních klimatizačních zařízení a u zařízení,
kde jsou kladeny přísné hygienické požadavky na upravený vzduch.
Pračky blánové pracují s menším množstvím vody než sprchové, také jejich rozměry jsou
menší. Účinná odpařovací plocha je tvořena soustavou desek, vrstvou vláken či kroužků, které
jsou zvlhčovány rozstřikováním vody z trysek (obr. 7.1).
Obr. 7.1 Blánová pračka vzduchu. 1 – odlučovač kapek, 2 – ponorné čerpadlo,
3 – rozprašovací trysky
29
Sprchové pračky jsou směšovací výměníky, v nichž nastává zvlhčování vzduchu
odpařováním vody z povrchu drobných kapiček. Voda se ve skříni pračky rozstřikuje
tryskami umístěnými rovnoměrně v celém průřezu pračky. Podle požadovaného výkonu se
používají pračky s 1 až 4 sprchovacími registry (řadami trysek). Ve spodní části skříně pračky
je vodní vana s plovákovým regulátorem hladiny. Z vany se odebírá voda přes filtr do sání
čerpadla. Množství rozprašované vody je mnohonásobně větší než odpařené, proto jsou
sprchové pračky rozměrné.
Zvlhčovače s mechanickým rozprašováním vody mohou být různé konstrukce,
nejobvyklejší jsou s rotujícími kotouči. Voda je přiváděna trubkou na spodní část rotujícího
kotouče a při vysokém počtu otáček se rozpráší na jemné kapičky, které jsou unášeny
vzduchem z ventilátoru.
Pneumatické zvlhčovače využívají pro rozprašování vzduchu stlačený vzduch o přetlaku
0,03 až 0,07 MPa. Tyto zvlhčovače obdobně jako zvlhčovače s mechanickým rozprašováním
vody se používají k dovlhčování vzduchu přímo v klimatizovaném prostoru. Obvykle se
umisťují za přiváděcí vyústky.
Parní zvlhčovače se skládají z redukčního ventilu a z trubky s tryskami, kterými se
vyfukuje pára do zvlhčovací komory klimatizačního zařízení, nebo přímo do vzduchovodu.
Zvlhčování přiváděním páry je jednoduché, dobře se reguluje (přidávaná pára téměř
neovlivňuje teplotu vzduchu) a je hygienicky nezávadné. Pro větší klimatizační zařízení se
pára přivádí z centrálního zdroje, musí však být kvalitní. Menší klimatizační zařízení vyrábějí
páru přímo (elektrickým ohřevem).
Chladicí zařízení slouží k přípravě chladicí vody pro chladiče vzduchu, nebo jejich
výparník slouží přímo jako chladič vzduchu. Chladicí zařízení pro klimatizaci mají poměrně
velké výkony, avšak na plný výkon pracují pouze několik dní v roce. Proto je nutné, aby byla
dobře regulovatelná a měla dobrou účinnost i při částečném zatížení. Tomu nejlépe vyhovují
chladicí zařízení s turbokompresory a chladicí zařízení absorpční a pro menší výkony zařízení
s pístovými kompresory. Nejčastěji se používají zařízení kompresorová. Pouze v případech,
kde je k dispozici dostatečný zdroj levného tepla, lze pro velké chladicí výkony použít
absorpční chladicí zařízení, která jsou investičně dražší než kompresorová.
Ventilátory jsou lopatkové stroje sloužící k dopravě plynů při poměru tlaků ve výtlačném
a sacím hrdle maximálně 1,3. Podle směru průtoku plynu oběžným kolem se ventilátory dělí
na axiální, diagonální, radiální a diametrální. Podle hodnoty maximálně dosažitelného tlaku
se dělí na nízkotlaké (do 1000 Pa), středotlaké (1000 až 3000 Pa) a vysokotlaké (nad 3000 Pa).
Zdrojem energie je vždy motor, nejčastěji elektromotor. Podle spojení motoru s rotorem
ventilátoru rozlišujeme ventilátor s pohonem na přímo (hřídel oběžného kola ventilátoru je
společná i pro elektromotor), na spojku (točivý moment elektromotoru se přenáší na hřídel
ventilátoru
Ventilátory používané v klimatizačních zařízeních jsou většinou radiální nízkotlaké, nebo
středotlaké. Pouze k dopravě velkých toků vzduchu při malé tlakové ztrátě sítě se používají
ventilátory axiální. Pro vyšší dopravní tlaky se axiální ventilátory skládají za sebou. Axiální
ventilátory jsou při vyšších tlacích hlučnější než radiální.
Filtry atmosférického vzduchu. Jsou určeny k zachycování příměsí (škodlivin) ze vzduchu
venkovního nebo oběhového v klimatizačních a větracích zařízeních. Slouží k zachycení jak
částečkových škodlivin (tuhých i kapalných) tak i škodlivin plynných a odérů.
Základem filtrace částečkových škodlivin je odlučování částic ve vrstvě filtračního
materiál. Filtrační materiály jsou převážně vláknité a volí se podle požadavků na odlučivost –
ze syntetických, skleněných nebo organických vláken. Oblast velikosti odlučovaných částic
30
bývá od 0,01 do 100 µm. Podle provedení lze tyto filtry rozdělit na filtry vložkové a pásové.
Pro menší objemové toky vzduchu se používají filtry vložkové. Vložky jsou ve tvaru desek,
kapes nebo krabic (obr. 7.2) a zasouvají se do filtračních komor. Pro větší objemové toky
vzduchu se používají filtry pásové, u nichž je filtrační vrstva ve tvaru pásu, většinou řešené
jako odvinovací (obr. 7.3).
Obr. 7.2 Filtrační vložky
Obr. 7.3 Odvinovací filtr
Pro zachycení plynných znečišťujících látek a pachů se používají filtry založené na
principu adsorpce a absorpce.
Adsorpce je difúzní pochod, při němž dochází k zachycování plynu na povrchu pevné látky
– adsorbentu. Základní sorpční látka (adsorbent) je aktivní uhlí, aktivní koks, silikagel aj.
Nejpoužívanější je aktivní uhlí. Rozlišuje se adsorpce fyzikální a chemická. Při fyzikální
adsorpci dochází k zachycování molekul adsorbované látky na povrchu adsorbentu,
působením van der Waalsových sil. Při chemické adsorpci dochází k chemické reakci mezi
adsorbovanou látkou a adsorbentem a ke vzniku nové povrchové sloučeniny. Jako adsorbent
se používá opět nejčastěji aktivní uhlí, ale na povrchu impregnované, např. bromem nebo
jinými látkami, čímž se rozšiřuje možnost zachycení některých plynů a pachů
neadsorbovatelných fyzikální adsorpcí. Konstrukce sorpčních filtrů jsou různé, ale nejčastěji
se skládají z dutých válcových vložek (patron) naplněných aktivním uhlím, které jsou
uchyceny na nosné desce (obr. 7.4), nebo z vrstvy aktivního uhlí nanesené na povrchu
filtračního materiálu (viz obr. 7.2).
Obr. 7.4
31
Absorpce je difúzní pochod, při němž dochází k pohlcování plynu ve vhodné kapalině –
absorbentu, který musí být dostatečně selektivní, aby pohlcoval pouze složku, kterou je třeba
odstranit. Jako absorbenty se používají nejčastěji alkalické roztoky. Jako absorbéry (zařízení,
v nichž absorpce probíhá) jsou vhodné bezvýplňové sprchové absorbéry, výplňové absorpční
komory a pěnové absorbéry.
Zařízení pro zpětné získávání tepla (ZZT) slouží k předávání tepla z odváděného
odpadního vzduchu čerstvému přiváděnému vzduchu. Proto ZZT zhospodárňuje provoz
klimatizačních a větracích zařízení. Bez použití tohoto zařízení teplo spotřebované pro ohřev
větracího vzduchu uniká většinou bez užitku v teplém odváděném vzduchu. K základním
způsobům ZZT patří:
- přenos tepla pomocí dvojice lamelových výměníků,
- přenos tepla v deskových výměnících,
- přenos tepla pomocí tepelných trubic,
- přenos tepla, případně i vlhkosti v regeneračních výměnících (převážně rotačních),
- přenos tepla pomocí tepelných čerpadel.
Systém dvojice lamelových výměníků se skládá ze dvou sekcí (dvou samostatných
výměníků z lamelových trubek) propojených potrubím, jímž proudí nemrznoucí kapalina.
Jednou sekcí (jedním z lamelových výměníků) protéká teplý odváděný vzduch, druhou sekcí
(druhým lamelovým výměníkem) vzduch přiváděný. Oba proudy jsou od sebe odděleny a
mohou být i značně vzdáleny. Účinnost přenosu se obvykle vyjadřuje vztahem
η=
t p − to
ti − te
,
(7.1)
kde
te, tp jsou teploty přiváděného vzduchu na vstupu a výstupu z výměníku,
ti je teplota odváděného vzduchu na vstupu do výměníku.
U tohoto systému ZZT se účinnost přenosu tepla pohybuje od 40 do 60 %.
Deskové výměníky jsou tvořeny soustavou desek s mezerami 3 až 6 mm. Plochými kanály
(štěrbinami) mezi deskami, jejichž povrch je hladký, tvarovaný, nebo žebrovaný, protéká
vystřídaně teplý a chladný vzduch. Desky jsou z hliníku, z plastických hmot (s různě
tvarovaným povrchem), případně skleněné (pro chemické provozy). Dosažitelná účinnost
přenosu tepla je 50 až 70 %.
Obr. 7.5 Schéma gravitačních tepelných trubic
32
Tepelné trubice jsou jednotlivé žebrované trubky, naplněné z části chladivem, uchycené do
rámu. Nejčastěji se používají trubice gravitační, jejichž uspořádání je na obr. 7.5. Teplý
vzduch proudí kanálem, v němž je umístěna spodní část trubic. Teplý vzduch zde předává
teplo kapalnému chladivu, toto chladivo se vypařuje a syté páry chladiva stoupají vzhůru. V
horní části předávají teplo přiváděnému studenému vzduchu, proudícímu horním kanálem,
kondenzují a zkapalněné chladivo stéká dolů. Účinnost se pohybuje od 50 do 60 %.
Regenerační výměníky jsou výměníky, u nichž teplosměnný povrch přichází střídavě do
styku s proudem teplého a chladného vzduchu. Konstrukčně jsou řešeny jako rotační, nebo
přepínací. Nejpoužívanější jsou rotační (obr. 7.6), u nichž je hlavním článkem rotující buben
s teplosměnnou plochou vytvořenou z úzkých kanálků o průměru asi 3 mm. V uvedeném
obrázku je spodní částí bubnu veden proud odváděného teplého vzduchu, horní částí proud
čerstvého studeného vzduchu.
Obr. 7.6 Schéma rotačního regeneračního výměníku
Regenerační výměníky mohou sloužit k přenosu tepla (teplosměnný povrch bývá
hliníkový), nebo k přenosu tepla a vlhkosti (povrch musí být hygroskopický). Ze všech
systémů ZZT mají nejvyšší účinnost, 80 až 90 %.
Tepelná čerpadla jsou kompresorová chladicí zařízení, u nichž činným článkem je
kondenzátor. Výparníkem zařízení proudí odváděný vzduch a předává teplo chladivu, které se
odpařuje. Po zvýšení tlaku a teploty chladiva v kompresoru, předává chladivo v kondenzátoru
teplo přiváděnému vzduchu. Investičně i provozně jsou ze všech systémů ZZT nejdražší.
K nejpoužívanějším systémům ZZT patří deskové výměníky, dvojice lamelových
výměníku a regenerační rotační výměníky.
7.2 Výpočet pračky vzduchu
Pračka vzduchu je směšovací výměník, v němž dochází k přenosu tepla a vlhkosti. U
sprchové pračky je voda rozprašována do proudícího vzduchu – k přestupu tepla a vlhkosti
dochází mezi vodními kapkami a vzduchem. U blánových praček voda smáčí povrch vestavby
a stéká po ní; zde dochází k přestupu tepla a vlhkosti mezi vzduchem a mokrým povrchem.
Při výpočtu pračky vzduchu vycházíme z hmotnostních a tepelných bilancí sprchového
prostoru a vodního okruhu. Z těchto bilančních rovnic pro adiabatický režim pračky, tzn., že
ve vodním okruhu není zařazen výměník tepla a zanedbáváme teplo přenášené mezi
povrchem komory pračky a okolím, dostaneme
i2 − i1
= c w t wo ≈ 0 ,
x 2 − x1
(7.2)
33
kde i1, i2 je měrná entalpie vzduchu na vstupu a výstupu z pračky a x1, x2 je měrná vlhkost
vzduchu na vstupu a výstupu z pračky, cw je měrná tepelná kapacita vody a two je teplota vody
doplňované do vodního okruhu. Z této rovnice vyplývá, že směrnice změny stavu vzduchu
v adiabatické pračce je stejná jako při vlhčení vodou o teplotě two. Pro malý odklon této
směrnice od směrnice nulové nahrazujeme směr změny stavu vzduchu v adiabatické pračce
izoentalpou. Grafické zobrazení v i - x diagramu vlhkého vzduchu je na obr. 7.7.
Obr. 7.7 Vlhčení vzduchu v adiabatické pračce
Účinnost adiabatické pračky je vyjádřena vztahem
η ad =
x 2 − x1
,
x 2id − x1
(7.3)
kde x2id je měrná vlhkost vzduchu nasyceného o stavu 2id (viz obr. 7.7).
34
8. KLIMATIZAČNÍ SYSTÉMY
Systémy klimatizačních zařízení se dělí na ústřední systémy a klimatizační jednotky.
Ústřední klimatizační systémy se skládají z ústřední klimatizační strojovny, potrubního
rozvodu a případně decentrálních jednotek, sloužících k dodatečné úpravě vzduchu
v jednotlivých místnostech. Pro ústřední klimatizační systémy se používají převážně sestavná
klimatizační zařízení v plechovém provedení. Jednotlivé díly (tzn. filtrační, směšovací,
ohřívací, chladicí, zvlhčovací, ventilátorový, ZZT, tlumicí) jsou tvořeny skříněmi, které se
mohou jednoduchým způsobem spojovat.
Klimatizační jednotky jsou kompaktní zařízení obvykle skříňového provedení, která se
používají ke klimatizaci jednotlivých místností.
Podle druhu teplonosné látky, zajišťující požadavky komfortu, či technologické, se
klimatizační systémy dělí na:
- vzduchové (teplonosným prostředím je pouze vzduch),
- kombinované (vzduch – voda),
- vodní,
- chladivové.
8.1 Vzduchové systémy
Vzduchové systémy se dělí na nízkotlaké (rychlost v hlavním rozváděcím potrubí do 12
m.s-1) a vysokotlaké (rychlost až 25 m.s-1). Ke vzduchovým systémům patří především
jednokanálová zařízení nízkotlaká a vysokotlaká a vysokotlaká zařízení dvoukanálová.
Nízkotlaká zařízení jednokanálová (obr. 8.1) mají společnou úpravu vzduchu pro všechny
klimatizované místnosti. Jsou jednoduchá a levná. Jejich nedostatkem je, že čidlo automatické
regulace je možno umístit pouze v jedné místnosti.
Obr. 8.1 Nízkotlaké ústřední klimatizační zařízení jednokanálové. O1 – předehřívač, F – filtr,
CH – chladič, P – zvlhčovač, O2 – dohřívač, V1, V2 – ventilátor pro přívod a odvod vzduchu
Vysokotlaká zařízení jednokanálová se liší od nízkotlakých tím, že jako koncové prvky
jsou použity expanzní skříně, na něž se připojuje nízkotlaký rozvod vzduchu k vyústkám.
Odvádění vzduchu z místnosti je nízkotlaké. Tato zařízení jsou vhodná zejména pro objekty,
které je třeba intenzívně větrat, např. posluchárny, obchodní domy.
Vysokotlaká klimatizační zařízení dvoukanálová. V nich se vzduch upravuje ve strojovně
na dva stavy – vzduch chladný a teplý, které se rozvádí budovou v samostatných
35
vzduchovodech (obr. 8.2). Pro každou místnost nebo zónu se provádí samostatné míšení
vzduchu z obou vzduchovodů ve směšovací skříni. Poměr míšení je řízen termostatem.
Umožňuje tedy individuální regulaci stavu vzduchu v každé místnosti či zóně. Nevýhodou
tohoto systému je především rozměrnost dvojího rozvodu.
Obr. 8.2 Dvoukanálové vysokotlaké klimatizační zařízení. 1 – teplý vzduch,
2 – chladný vzduch, 3 – směšovací skříň, 4 – odváděný vzduch
8.2 Systémy kombinované
Systémy kombinované jsou vysokotlaké, umožňují individuální regulaci stavu vzduchu
v každé místnosti. Ve strojovně se upravuje pouze čerstvý (primární) vzduch. Sekundární
vzduch se přisává v klimatizovaných místnostech v indukčních jednotkách (IJ), v nichž
probíhá konečná úprava vzduchu (obr. 8.3). Sekundární vzduch zde prochází přes lamelový
výměník, v němž se ohřívá nebo chladí a směšuje se vzduchem primárním. Rozvod vody k IJ
se používá především dvoutrubkový přepínací, nebo čtyřtrubkový. Tyto systémy jsou vysoce
komfortní, ale investičně náročné.
Obr. 8.3 Vysokotlaké klimatizační zařízení s indukčními jednotkami. 1 – centrální strojovna,
2 – rozvod primárního vzduchu, 3 – indukční jednotka, 4 – výměník tepla, 5 – filtr, 6 – přívod
a odvod teplonosného média, 7 – potrubí pro odvod vzduchu
8.3 Systémy vodní
U systémů vodních jsou na rozvod teplé a chladné vody (dvoutrubkový nebo čtyřtrubkový)
připojeny klimakonvektory (fan-coily) – obr. 8.4.
36
Obr. 8.4 Podokenní klimakonvektor. K – klapka, F – filtr, V – ventilátor, O – ohřívač,
Ch – chladič, č.v. – čerstvý vzduch, o.v. – oběhový vzduch
Klimakonvektory obsahují filtr, ventilátor, ohřívač a chladič. Pracují pouze s oběhovým
vzduchem, nebo nasávají také větrací vzduch, nejčastěji otvorem ve fasádě. Vodní systémy
jsou levnější než vzduchové nebo kombinované (odpadají vzduchovody) a také provozní
náklady jsou nižší, protože mohou být v provozu jen ty klimakonvektory, které jsou potřebné.
Nevýhodou je větší hlučnost. Tyto systémy se dnes často používají místo systémů
kombinovaných.
8.4 Chladivové systémy
Chladivové systémy slouží především ke klimatizaci jednotlivých místností. Patří sem:
- okenní klimatizátory,
- mobilní klimatizační zařízení,
- dělená klimatizační zařízení (split systémy).
Obr. 8.5 Okenní klimatizátor. 1- filtr, 2 – radiální ventilátor, 3 – axiální ventilátor,
4 – chladicí kompresor, 5 – výparník, 6 – kondenzátor, 7 – žaluzie, 8 – klapka,
9 – vyústka, 10 – elektromotor
37
Okenní klimatizátory mají vestavěné chladicí zařízení se vzduchem chlazeným
kondensátorem, který musí být umístěn vně místnosti. Mohou pracovat buď jen s oběhovým
vzduchem, nebo s určitým podílem čerstvého vzduchu. Umisťují se do okna, nebo do
venkovní stěny (obr. 8.5).
Mobilní klimatizační zařízení mají celý chladicí okruh ve skříni umístěné v klimatizované
místnosti. Zařízení je vybaveno pružnou hadicí pro odvod kondensačního tepla do
venkovního prostředí. Vzduch pro chlazení kondensátoru se nasává z klimatizované místnosti.
Split systémy (dělené chladivové systémy) mají výparník společně s ventilátorem uložen ve
vnitřní jednotce umístěné v klimatizované místnosti. Příklady provedení vnitřních jednotek
jsou na obr. 8.6. Srážník chlazený vzduchem, chladicí kompresor a expanzní ventil jsou
uloženy ve venkovní jednotce, umístěné na venkovní fasádě, nebo střeše objektu (obr. 8.7).
Jednotky jsou propojeny chladivovým potrubím.
Obr. 8.6 Příklad provedení vnitřních jednotek systému split
38
Obr. 8.7 Venkovní jednotka split systému
Dělené chladivové systémy existují také v provedení, kdy na jednu venkovní jednotku lze
připojit až 5 vnitřních jednotek, tzv. multisplit systémy. Každá vnitřní jednotka je s venkovní
propojena samostatným chladivovým potrubím a může být řízena individuálně.
Další skupinou chladivových dělených systémů jsou multisplit systémy s proměnným
průtokem chladiva, pro něž se vžil název VRV (variable refrigerant volume) systémy. U
těchto systémů je možné na jednu venkovní jednotku napojit až 64 vnitřních jednotek. VRV
systém je řízen počítačem. Provoz tepelného čerpadla je zde samozřejmostí. Současně mohou
být některé jednotky v režimu chlazení a jiné v režimu topení. Je to velmi rozšiřující se
systém.
Dělené chladivové klimatizační systémy byly vyvinuty především pro komfortní chlazení
pracující s cirkulačním vzduchem. Nezajišťují větrání. Pouze v některých aplikacích lze
přívod čerstvého vzduchu realizovat přímo do vnitřní mezistropní (kanálové) jednotky
39
9. DIMENZOVÁNÍ KLIMATIZAČNÍCH ZAŘÍZENÍ
Správné dimenzování klimatizačních zařízení je závažnou záležitostí hygienickou, ale také
ekonomickou. Nedostatečné dimenzování způsobí, že zařízení nevyhovuje při špičkových
zátěžích a předimenzovaná zařízení jsou především zbytečně nákladná.
Při dimenzování klimatizačních zařízení je třeba znát tyto údaje:
- letní tepelnou zátěž a zimní tepelné ztráty klimatizovaného prostoru,
- požadované mikroklima v místnostech (pro letní a zimní provoz),
- výpočtové parametry venkovního vzduchu (pro letní a zimní provoz),
- druh provozu v klimatizovaných prostorech a s tím spojené zdroje škodlivin.
Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů se provádí podle ČSN 730548 [8].
Výpočet tepelných ztrát podle normy ČSN EN 12831 [10].
Požadované parametry vnitřního vzduchu (teplota a vlhkost) se pro komfortní klimatizaci
volí tak, aby v místnosti byla zajištěna tepelná pohoda, pro průmyslovou klimatizaci jsou
dány požadavky technologickými.
Výpočtová teplota a vlhkost pro letní provoz se berou podle klimatický dat pro danou
lokalitu a pro zimní provoz buď dle klimatických dat, nebo jako při výpočtu tepelných ztrát,
ale s teplotou o 3 K nižší než odpovídá výpočtové venkovní teplotě v dané oblasti.
Dimenzování klimatizačního zařízení zahrnuje tyto dílčí úkony:
1. Volba systému klimatizace, podle účelu ke kterému má zařízení sloužit.
2. Stanovení minimálního množství čerstvého vzduchu. Počítá se obdobně jako při
dimenzování větrání, na základě známého množství vznikajících škodlivin a jejich
přípustných koncentrací, z dávek vzduchu na osobu nebo z doporučených hodnot
intenzity výměny vzduchu za hodinu.
3. Znázornění procesu úpravy vzduchu v i – x diagramu vlhkého vzduchu při extrémních
letních a zimních podmínkách a dimenzování jednotlivých částí zařízení, tzv. provedení
psychrometrického výpočtu.
Dimenzování klimatizačních zařízení se provádí podle letního provozu. Při dalším postupu
budeme předpokládat, že klimatizační zařízení pracuje se stejným množstvím vzduchu v létě i
v zimě.
Znázornění procesu úpravy vzduchu v i – x diagramu
Letní provoz klimatizačního zařízení
Uvažujme nízkotlaké klimatizační zařízení jednokanálové dle obr. 8.1. Pro letní provoz
jsou zadány tyto hodnoty:
te, ϕe
stav venkovního vzduchu
ti, ϕi
požadovaný stav vnitřního vzduchu
celková tepelná zátěž klimatizovaného prostoru Q& i
m& wi
množství vznikající vlhkosti
minimální hmotnostní tok venkovního vzduchu m& ve
Nejběžnější klimatizační zařízení v létě pracují pouze s chladičem, takže letní provoz
zařízení je jednoduchý. Oběhový vzduch z místnosti o stavu I se mísí se vzduchem
venkovním o stavu E (obr. 9.1). Směs o parametrech S se ochlazuje v chladiči na stav P,
s nímž se dostává do místnosti.
40
Obr. 9.1 Znázornění letního provozu klimatizačního zařízení v i – x diagramu
V důsledku tepelné zátěže Q& i a vznikající vlhkosti m& wi dochází v místnosti ke změně
stavu vzduchu I-P. Q& a m& lze vyjádřit vztahy
i
wi
Q& i = m& v (ii − i p ) ,
(9.1)
m wi = m& v ( xi − x p ) .
(9.2)
Směr změny stavu vzduchu I-P je dán poměrem
∂i =
ii − i p
Q& i
=
,
m& wi xi − x p
(9.3)
kde ∂ i je hodnota na okrajovém měřítku i - x diagramu.
Ze zvoleného pracovního rozdílu teplot ∆tprac = ti - tp = 6 až 10 K se stanoví teplota
přiváděného vzduchu tp a tím je v i-x diagramu určen stav přiváděného vzduchu P, tj. průsečík
izotermy tp se směrnicí ∂ i procházející bodem I.
Celkový hmotnostní tok vzduchu přiváděného do klimatizovaného prostoru se vypočítá
např. z rovnice (9.1)
m& v =
Q& i
.
ii − i p
(9.4)
Hmotnostní tok oběhového vzduchu pak je
m& vc = m& v − m& ve .
(9.5)
41
Z vlhkostní bilance míšení vzduchu čerstvého a oběhového
m& ve xe + m& vc xi = (m& ve + m& vc ) x s
(9.6)
se stanoví měrná vlhkost vzduchu po smíšení xs. Průsečík směrnice míšení (spojnice bodů E a
I) s měrnou vlhkostí xs udává stav směsi S.
Spojnice bodů S a P v průsečíku s křivkou ϕ = 1 dává rosný bod chladiče R a jemu
odpovídající teplotu. Podle této hodnoty se volí typ chladiče. Tepelný výkon chladiče je
Q& ch = m& v (i s − i p ) .
(9.7)
Zimní provoz klimatizačního zařízení.
Jsou zadány tyto hodnoty:
stav venkovního vzduchu
požadovaný stav vnitřního vzduchu
tepelné ztráty klimatizovaného prostoru
množství vznikající vlhkosti
minimální hmotnostní tok venkovního vzduchu
celkový hmotnostní tok přiváděného vzduchu
te, ϕe
ti, ϕi
Q& z
m& wi
m& we
m& v
Při zimním provozu (obr. 9.2) se venkovní vzduch E nejdříve předehřeje (na ochranu proti
zamrznutí a kondenzaci vodní páry) na stav K, potom se mísí se vzduchem oběhovým o stavu
I. Vzniklá směs S je adiabaticky vlhčena ve sprchové pračce na stav O a po dohřátí na stav P
je vedena do klimatizované místnosti.
Obr. 9.2 Znázornění zimního provozu klimatizačního zařízení v i – x diagramu
Z tepelné bilance klimatizovaného prostoru rov. (9.1) se vypočítá entalpie přiváděného
vzduchu
42
i p = ii +
Q& z
m& v
(9.8)
a v průsečíku ip se směrnicí změny stavu vzduchu v místnosti ∂ i
∂i =
Q& z
m& wi
( 9.9)
dostaneme stav přiváděného vzduchu do klimatizované místnosti P.
Volbou teploty předehřátí vzduchu tk (asi 5 až 10 °C) se určí stav vzduchu za
předehřívačem K. Stav vzduchu po smíšení S je dán průsečíkem směšovací úsečky I-K
s měrnou vlhkostí směsi xs, která se vypočítá z bilance míšení rov. (9.6). Vlhčení vzduchu
v adiabatické pračce je děj izoentalpický a stav vzduchu po vlhčení O je dán v průsečíku
izoentalpy is s měrnou vlhkostí xp. Adiabatická účinnost pračky je pak dána vztahem
η ad =
xo − x s
.
xoid − x s
(9.10)
Tepelné výkony předehřívače Q& o1 a ohřívače za vodní pračkou jsou vyjádřeny vztahy
Q& o1 = m& ve (ik − ie ) ,
(9.11)
Q& o 2 = m& v (i p − io ) .
(9.12)
43
10. PŘEHLED SYSTÉMŮ VYTÁPĚNÍ A VYTÁPĚNÍ TEPLOVODNÍ
10.1 Přehled používaných systémů vytápění
Teplo k vytápění budov se vyrábí buď místním (lokálním) způsobem, nebo ústředně. U
lokálního vytápění je zdroj tepla přímo ve vytápěném prostoru. U ústředního vytápění je zdroj
tepla umístěn mimo vytápěný prostor, nebo v některé z provozních místnosti. Ze zdroje tepla
se teplo rozvádí teplonosnou látkou – vodou, parou nebo vzduchem do vytápěného prostoru.
Podle toho rozlišujeme vytápění vodní (teplovodní, horkovodní), parní (nízkotlaké,
vysokotlaké) a teplovzdušné.
Ze všech druhů vytápění je nejrozšířenější vytápění teplovodní s teplotou vody do 95 °C.
Používá se v obytných domech a dále všude tam, kde se z hygienických důvodů požaduje
nízká teplota otopných těles. Zvláštním druhem teplovodního vytápění je tzv. velkoplošné
vytápění s teplotou vody obvykle do 60°C, u kterého otopnou plochou je některá ze stěn
ohraničujících vytápěný prostor.
Nízkotlaké parní vytápění s přetlakem páry do 50 kPa se zřizuje zejména v průmyslových
objektech. Má větší provozní pohotovost, uplatňuje se především u přerušovaného provozu
vytápění.
Vysokotlaké parní vytápění a horkovodní vytápění (teplota teplonosné látky nad 110 °C) se
používá pouze v průmyslových závodech. Vyšší povrchová teplota otopného tělesa je méně
hygienická, avšak investiční náklady jsou nižší.
Teplovzdušné vytápění se u nás používá nejčastěji pro vytápění průmyslových hal a jiných
půdorysně rozlehlých a vysokých místností. Teplý vzduch je v centrálním ohřívači, nebo v
nástěnných teplovzdušných soupravách ohříván vodou nebo parou.
Pro průmyslové haly a jiné půdorysně rozlehlé a vysoké místnosti se používá také vytápění
sálavé, a to zavěšenými sálavými panely, nebo lokální plynové sálavé vytápění tmavými či
světlými zářiči. Otopným médiem pro sálavé panely je horká voda nebo pára s teplotou až
160 °C. Vytápění sálavé je investičně dražší, ale provozně levnější než vytápění teplovzdušné.
10.2 Teplovodní vytápění
Teplovodní vytápění pracuje obvykle s jmenovitými teplotami 90/70 °C. V průběhu
otopného období se teplota vody mění v závislosti na teplotě venkovního vzduchu. Dnes se
používá také teplotní spád 70/50 °C v souvislosti se zvyšováním tepelné izolace budov a u
objektů s velmi dobrou tepelnou izolací i teplotní spád 55/45 °C. Nižší teplotní spád vede ke
zvýšení komfortu ve vytápěných místnostech.
Podle zdroje tlakového spádu se rozlišuje teplovodní vytápění s přirozeným oběhem
(vyvozeným rozdílem hustot vody ochlazené a teplejší přívodní) a s nuceným oběhem
(vyvozeným čerpadlem). Další rozdělení teplovodních soustav je na dvoutrubkové (ke
každému otopnému tělesu se přivádí dvě potrubí – přívodní a vratné) a jednotrubkové (těleso
je připojeno na rozvod vody pouze jedním potrubím). Dále se soustavy dělí podle umístění
hlavního vodorovného přívodního potrubí na soustavy se spodním a horním rozvodem. Podle
konfigurace propojovacích potrubí může být rozvod vertikální a horizontální.
10.2.1 Teplovodní vytápění s přirozeným oběhem vody
Toto výtápění lze používat pro menší, půdorysně nepříliš rozlehlé budovy. Nyní se používá
jen zcela zřídka. Soustava je většinou dvoutrubková, může být se spodním i horním
rozvodem.
44
U soustavy s horním rozvodem se dosáhne poněkud většího oběhového tlaku než u
soustavy se spodním rozvodem a také uvedení do provozu je rychlejší. Soustava s horním
rozvodem je však dražší. Schéma teplovodní otopné soustavy vertikální dvoutrubkové
s horním rozvodem a přirozeným oběhem je na obr. 10.1 a se spodním rozvodem na obr. 10.2
(bez čerpadla).
Obr. 10.1 Dvoutrubková vertikální otopná soustava s horním rozvodem a přirozeným oběhem
vody. K – kotel, SP – svislé přívodní potrubí, HP – horizontální přívodní potrubí, T – otopné
těleso, HV – horizontální vratné potrubí, EN – expanzní nádoba, 1, 2, 3 – svislé větve
10.2.2 Teplovodní vytápění s nuceným oběhem vody
Oproti vytápění s přirozeným oběhem má řadu výhod:
- menší průměry trubek a tím menší investiční náklady,
- jednodušší montáž sítě,
- možnost připojit i otopná tělesa ležící níže než zdroj tepla,
- kratší doba zátopu a snadnější regulace.
Nevýhodou nuceného oběhu je závislost na dodávce elektrické energie, větší provozní
náklady a jistá hlučnost čerpadel.
Schéma otopné soustavy s nuceným oběhem je v podstatě stejné jako při přirozeném
oběhu. Soustava může být se spodním nebo horním rozvodem, dvoutrubková nebo
jednotrubková. Oběhové čerpadlo je vřazeno do vratného, nebo přívodního potrubí. Schéma
vertikální dvoutrubkové soustavy se spodním rozvodem a čerpadlem ve vratném potrubí je na
obr. 10.2. Celá soustava je zde spojena s expanzní nádobou pojistným potrubím připojeným
na přívodní i vratné straně. Odvzdušnění soustavy se provádí buď ručně odvzdušňovacími
ventily připojenými k nejvýše položeným otopným tělesům (větev 1), nebo samočinně
odvzdušňovacím potrubím (větev 2 a 3).
Horizontální otopné soustavy jsou vhodné tam, kde je třeba zmenšit počet svislých větví
hlavního rozvodu nebo kde se požaduje připojit na společnou svislou větev všechna otopná
tělesa samostatné skupiny místností, např. jednoho bytu. Lze je použít pro oběh přirozený i
nucený.
45
Obr. 10.2 Dvoutrubková vertikální otopná soustava se spodním rozvodem a nuceným oběhem
vody. K – kotel, HP – horizontální přívodní potrubí, HV – horizontální vratné potrubí,
T – otopné těleso, EN – expanzní nádoba, Č – čerpadlo,
PP, PV – pojistné potrubí na přívodní a vratné straně, 1, 2, 3 – svislé větve,
OV – odvzdušňovací ventil, OP – odvzdušňovací potrubí
Velmi rozmanitým způsobem lze při nuceném oběhu řešit jednotrubkové soustavy. Rozvod
může být buď vertikální, nebo horizontální, otopná tělesa mohou být připojena v obtoku, nebo
průtoku.
Obr. 10.3 Vertikální jednotrubková soustava s horním rozvodem a s tělesy v obtoku.
K – kotel, Č – čerpadlo,, T – otopné těleso, EN – expanzní nádoba
Jednotrubková vertikální soustava s horním rozvodem vody (obr. 10.3) je vhodná zejména
pro budovy s půdním prostorem. K regulaci průtoku vody otopnými tělesy připojenými
v obtoku se používají trojcestné ventily zařazené v dělicích bodech před každým tělesem. Do
vzdálenějších těles od kotle se přivádí postupně chladnější voda. Tato změna teploty vody se
46
respektuje při dimenzování otopných těles. Soustava se spodním rozvodem se používá
především u budov s plochou střechou.
Různé způsoby připojení těles k horizontální jednotrubkové soustavě jsou znázorněny na
obr. 10.4. U horizontální soustavy s průtokem není možné individuálně regulovat jednotlivá
tělesa. U soustavy s tělesy připojenými v obtoku lze průtok vody každým tělesem regulovat.
Často se zde používá regulační armatury, nebo regulovatelné clony ve zkratu. K progresivním
řešením patří použití čtyřcestné armatury s jednobodvým, nebo s dvoubodovým připojením.
Obr. 10.4 Horizontální jednotrubková soustava. a) s průtokem, b) s obtokem, c) s regulační
armaturou ve zkratu, d) s regulovatelnou clonou ve zkratu, e) s čtyřcestnou armaturou
s jednobodovým připojením, f) s čtyřcestnou armaturou s dvoubodovým připojením
10.2.3 Otopná tělesa
Jako otopná tělesa pro teplovodní vytápění se používají tělesa desková, článková, trubková
a konvektory.
Nejpoužívanější jsou dnes tělesa desková. Jsou svařovaná z ocelového plechu, mají hladký,
nebo mírně zvlněný povrch. Vyrábí se v provedení jednoduchém, zdvojeném a ztrojeném, bez
dodatkových ploch, nebo s dodatkovými plochami (obr. 10.5). Výhodou jednoduchých
deskových těles bez dodatkových ploch je malá stavební hloubka, snadné čištění a velký podíl
sálání na tepelném toku přenášeném z přední strany. Teplo přenášené sáláním velmi
významně přispívá k rovnoměrnému vytápění místnosti. Použitím dodatkových ploch, které
tvoří např. vlnovce z tenkého ocelového plechu přibodované k základnímu deskovému tělesu,
se dosahuje zvětšení tepelného výkonu. Zvětšuje se ale podíl konvekční složky přenášeného
tepla a zhoršuje se jejich čistitelnost.
47
Obr. 10.5 Provedení deskových otopných těles
Článková otopná tělesa se vyrábí z litiny. Z jednotlivých článků lze sestavit otopné těleso
libovolné plochy. Teplo z povrchu tělesa se přenáší konvekcí a radiací (radiací 33 %
celkového tepelného výkonu).
Trubková tělesa jsou hady nebo registry z hladkých trubek. Používají se pro vytápění
schodišť, sociálních zařízení a jiných pomocných místností.
Konvektory (trubková tělesa se zákrytem) tvoří vodorovné žebrované trubky obklopené
dvojitým zákrytem, který jako šachta podporuje proudění vzduchu (obr. 10.6). Teplo se
z povrchu přenáší především konvekcí. Konvektory mají nepatrnou setrvačnost, nevýhodou
však je intezívnější cirkulace vzduchu, kterou se roznáší prach po místnosti.
Obr. 10.6 Konvektor
48
11. VYTÁPĚNÍ TEPLOVODNÍ VELKOPLOŠNÉ, HORKOVODNÍ A PARNÍ
11.1 Velkoplošné teplovodní vytápění
Velkoplošné vytápění je zvláštním druhem teplovodního vytápění, u něhož otopnou
plochou je některá ze stěn ohraničujících vytápěnou místnost. Podle toho se rozlišuje vytápění
stropní, podlahové a stěnové. Povrchová teplota otopné plochy je poměrně nízká; u stropního
vytápění 40 až 45 °C, u podlahového 25 až 30 °C a u stěnového 55 až 60 °C. U stropního
vytápění je až 70 % celkového tepelného výkonu otopné plochy přenášeno sáláním. U
stěnového a podlahového vytápění je to asi 50 %. V poslední době se velkoplošné vytápění
začíná více uplatňovat, a to v nových objektech s velmi dobrými tepelně izolačními
vlastnostmi. Stropních ploch velkoplošného vytápění lze také použít v letním období
k chlazení místnosti.
Oběh vody v soustavě velkoplošného vytápění je nucený. Nízká teplota otopné vody se
získá směšováním vody vystupující z kotle a vratné vody, pomocí trojcestného regulačního
ventilu. Velkoplošnou otopnou soustavu lze také kombinovat s teplovodní soustavou
s otopnými tělesy. Aby bylo možné oba systémy odděleně regulovat (je to nutné vzhledem
k jejich rozdílné tepelné setrvačnosti), je třeba tyto soustavy zařadit vedle sebe podle obr.
11.1.
Obr. 11.1 Kombinace velkoplošného vytápění s vytápěním otopnými tělesy. K – kotel,
Č – čerpadlo, HP – horizontální přívodní potrubí, HV – horizontální vratné potrubí,
TV – trojcestný ventil, T – otopné těleso, EN – expanzní nádoba,
PP, PV – pojistné potrubí na přívodní a vratné straně, OP – odvzdušňovací potrubí
Dříve nejrozšířenější provedení otopných ploch bylo s ocelovými hady zabetonovanými do
konstrukce podlahy, stropu nebo stěny. Dnes se převážně používají polyethylenové trubky,
které se montují do podkladové polystyrénové desky. K uchycení trubek slouží hliníkové
lamely, které současně zaručují rovnoměrný rozvod tepla. Na povrch se pokládá
suchopotěrová deska, nebo cementový suchý potěr.
Tepelné poměry ve vytápěném prostoru.
Při velkoplošném teplovodním vytápění stropním přenáší otopná plocha menší část tepla
vnitřnímu vzduchu konvekcí a větší část tepla přenáší sáláním (tj. bez prostřednictví vzduchu)
49
na plochy ohraničující vytápěný prostor. Teplota osálaných ploch je pak poněkud vyšší než
teplota vnitřního vzduchu, což je z fyziologického hlediska výhodnější než případ opačný.
Teplý vzduch ohřátý od otopné plochy zůstává pod stropem, takže v místnosti nevzniká
proudění (nerozviřuje se prach) a vertikální rozložení teploty je velmi rovnoměrné.
Při velkoplošném teplovodním vytápění podlahovém nepřevažuje sice přenos tepla sáláním
nad konvekcí, ale je pro ně charakteristické téměř ideální rozdělení teplot ve svislém směru,
což je teplota ve výšce hlavy o 2 K nižší než ve výšce kotníků.
Při převážně konvekčním způsobu vytápění zahřívá otopné těleso především vzduch
v místnosti a ten pak konvekcí přenáší teplo stěnám; teplota vzduchu je vyšší než teplota stěn.
Teplý vzduch proudí od otopného tělesa nahoru ke stropu a k tělesu spodem přitéká chladnější
vzduch. V místnosti vzniká proudění a vlivem tohoto proudění vzniká poměrně velký rozdíl
mezi teplotou vzduchu u stropu a u podlahy, např. při vytápění na teplotu 22 °C je u podlahy
teplota 19 °C a u stropu 25 °C.
11.2 Horkovodní vytápění
Horkovodní vytápění, tj. vytápění vodou o teplotě nad 110 °C, se používá pouze
v případech s mírnějšími nároky na pohodu prostředí, např. v průmyslových provozovnách.
Vlivem vyšší teploty otopné vody je menší otopná plocha při stejném tepelném výkonu,
menší průměr potrubí, a tím menší investiční náklady. Soustava horkovodního vytápění se
podobá soustavě teplovodního vytápění s nuceným oběhem vody. Celé zařízení je při provozu
pod tlakem, který odpovídá teplotě vody. Jako otopná tělesa se nejčastěji používají trubková
tělesa z hladkých, nebo žebrovaných trubek a konvektory.
11.3 Vytápění parní
Vytápění parní dělíme na nízkotlaké a vysokotlaké.
Nízkotlaké parní vytápění se používá zejména v průmyslových objektech. Má větší
pohotovost než vytápění teplovodní. U nízkotlakého parního vytápění dosahuje tlak max. 0,15
MPa. Pára se vede od kotle parním potrubím k otopnému tělesu, ve kterém předává
kondenzační teplo a kondenzát se vrací kondenzátním potrubím zpět do kotle. Přiváděné
množství páry má být tak velké, aby pára vyplnila celé těleso a stačila přitom zkondenzovat.
Přivádí-li se menší množství páry, zaplní se těleso parou jen v horní části, kdežto spodní část
vyplní vzduch vnikající z kondenzátního potrubí a otopný výkon se zmenšuje. Tímto
způsobem je možné do jisté míry regulovat nízkotlaké parní vytápění přímo na otopných
tělesech. Pokud se přivede do tělesa více páry, než v něm může zkondenzovat, pronikla by
pára do kondenzátního potrubí. Aby se tomu zabránilo, musí se umístit za otopné těleso
odvaděč kondenzátu.
Otopné soustavy rozdělujeme podle umístění hlavního parního potrubí na soustavy
s horním rozvodem a se spodním rozvodem. Dále se dělí na soustavy se suchým
(nezatopeným) kondenzátním potrubím a mokrým (zatopeným) kondenzátním potrubím.
Soustava se spodním rozvodem a se suchým kondenzátním potrubím je na obr. 11.2.
Hlavní parní potrubí je u této soustavy vedeno pod stropem suterénu se spádem asi 5 promile
ve směru toku. Kde není možné vést potrubí s průběžným spádem, je nutné provést na potrubí
odskok (obvykle v místě připojení svislých větví) a v místě odskoku připojit odvodňovací
smyčku. Kondenzátní potrubí je odvzdušňovací trubkou spojeno s vnějším ovzduším. Proti
překročení nejvyššího přípustného tlaku je soustava chráněna zabezpečovacím zařízením.
Nejjednodušší způsob vracení kondenzátu do kotle je samospádem. Tento způsob lze použít
jen v případě, kdy otopná tělesa ve spodním podlaží jsou dostatečně vysoko nad vodní
50
hladinou v kondenzátním potrubí. Pokud to není splněno, je nutné kondenzát z níže
položených těles do kotle přečerpávat.
Obr. 11.2 Nízkotlaká parní soustava se spodním rozvodem a suchým kondenzátním potrubím.
K – kotel, PP – hlavní parní potrubí, KP – sběrné kondenzátní potrubí,
KS – odvodňovací smyčka, T – otopné těleso, OK – odvaděč kondenzátu,
O – odvzdušňovací trubka, ZZ – zabezpečovací zařízení
Výhodou nízkotlakého parního vytápění oproti teplovodnímu je malá tepelná setrvačnost
soustavy, levnější zařízení a možnost soustavu libovolně rozšiřovat. K nevýhodám patří velmi
obtížná ústřední regulace tepelného výkonu, poměrně vysoká povrchová teplota otopných
těles, rychlejší koroze potrubí, zejména kondenzátního.
Jako otopná tělesa se používají článková litinová tělesa, konvektory a trubková tělesa.
Vysokotlaké parní vytápění, tj. vytápění s tlakem páry nad 0,15 MPa až do 0,3 MPa, se
používá zcela výjimečně, např. v průmyslových závodech, kde tato pára slouží také pro
technologické účely. Používá se obvykle soustava s horním rozvodem. Nevýhodou
vysokotlakého parního vytápění je mimo vysoké povrchové teploty těles především to, že
jediným možným způsobem regulace otopného výkonu je vypínání těles. Vzhledem k tomu se
většinou nahrazuje vytápěním horkovodním. Jako otopná tělesa se používají výhradně tělesa
trubková.
11.4 Výpočet tepelných ztrát budov
V současné době je pro výpočet tepelných ztrát budov a dimenzování otopných ploch
v platnosti norma ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu
[10].
Tato norma stanovuje postup výpočtu návrhové tepelné ztráty a návrhového tepelného
výkonu:
pro jednotlivé místnosti nebo vytápěný prostor pro dimenzování otopných ploch;
pro celou budovu nebo její funkční část pro dimenzování tepelného výkonu.
Tato norma také uvádí zjednodušenou výpočtovou metodu, která se smí použít pro obytné
budovy, ve kterých je intenzita výměny vzduchu (při tlakovém rozdílu 50 Pa mezi vnitřním a
vnějším prostředím budovy) n50 < 3 h-1.
Dříve používaná norma pro výpočet tepelných ztrát budov a dimenzování otopných
soustav ústředního vytápění ČSN 06 0210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním
vytápění [9] byla v září 2008 zrušena.
51
12. VYTÁPĚNÍ TEPLOVZDUŠNÉ A SÁLAVÉ
12.1 Vytápění teplovzdušné
Při teplovzdušném vytápění se do vytápěného prostoru přivádí teplý vzduch. Teplovzdušné
vytápění vyniká velkou provozní pohotovostí, umožňuje kombinaci s větráním a investičně je
levnější než jiný způsob ústředního vytápění. Nevýhodou je, že prouděním vzduchu se víří
prach, že zcela chybí sálavá složka přenosu tepla, že jsou větší dimenze rozvodů než u
teplovodního či parního vytápění a také to, že nejvyšší teploty vzduchu jsou pod stropem.
Vzduch se ohřívá buď ve strojovně – ústřední teplovzdušné vytápění, nebo ve vytápěném
prostoru – vytápění místními teplovzdušnými jednotkami. V druhém případě odpadá potrubí
pro rozvod vzduchu a k místním jednotkám se rozvádí pouze teplonosná látka (voda nebo
pára) nebo palivo (např. plyn).
Teplovzdušné vytápění se používá především pro vytápění průmyslových hal, skladů,
prodejních prostor, tělocvičen a jiných vysokých a půdorysně rozlehlých místností.
V posledních letech kdy se u nás kromě zděných obytných staveb objevují lehké stavby na
bázi dřeva s vyhovujícími tepelně-izolačními vlastnostmi, ale minimální akumulací tepla, pro
které je teplovodní soustava málo pružná, se v těchto objektech začíná používat teplovzdušné
vytápění, jehož použití je běžné především v USA a Kanadě.
Pro teplovzdušné vytápění půdorysně rozlehlých a vysokých místností se používá buď
ústřední teplovzdušné vytápění, kdy přiváděný vzduch se ohřívá ve strojovně, nebo častěji
vytápění místními teplovzdušnými jednotkami umístěnými ve vytápěném prostoru. V druhém
případě odpadá potrubí pro rozvod vzduchu a k místním jednotkám se rozvádí pouze
teplonosná látka (voda nebo pára). Jednotky se skládají z ohříváku z lamelových trubek,
z ventilátoru a z vyústky s regulačními klapkami; v některých případech jsou opatřeny ještě
zařízením pro směšování oběhového a čerstvého vzduchu (obr. 12.1). Podle umístění ve
vytápěném prostoru se dělí na jednotky nástěnné, podstropní a podokenní. Nejčastěji jsou
používány jednotky nástěnné, které se zavěšují obvykle na stěny ve výšce 3 až 4 m nad
podlahou. Výtoková rychlost z vyústky se volí tak velká, aby dosah proudu byl minimálně 25
m. Teplota přiváděného vzduchu je až 70°C. Pro vytápění velkých hal se obvykle používá
většího počtu jednotek rovnoměrně rozmístěných v prostoru. Používají se také teplovzdušné
jednotky na kapalná paliva nebo plyn.
Obr. 12.1 Nástěnná teplovzdušná jednotka. 1 – ohřívák, 2 – ventilátor, 3 – klapka
Pro teplovzdušné vytápění rodinných domů byl u nás vyvinut systém teplovzdušného
vytápění s centrální dvou zónovou jednotkou. Systém spočívá ve dvou okruhovém uspořádání
52
vzduchotechnických rozvodů (obr. 12.2). Oba okruhy jsou vyústěny do dvou zónové
vzduchotechnické jednotky.
Obr. 12.2 Soustava dvou zónového teplovzdušného vytápění se ZZT pomocí deskového
výměníku
Primární okruh zajišťuje cirkulační teplovzdušné vytápění s řízeným podílem čerstvého
vzduchu a ZZT z odváděného vzduchu. Přívod vzduchu do každé obytné místnosti je
plochými vzduchovody v podlaze a podlahovými vyústkami umístěnými nejlépe pod okny.
Cirkulační vzduch proudí z místností podříznutými dveřmi do předsíně a odtud zpět
do jednotky. V jednotce se mísí v nastavitelném poměru s čerstvým vzduchem, který je
předehřívaný v deskovém výměníku pro ZZT a směs se dohřívá a vede do obytných místností.
Sekundární okruh zajišťuje přívod odpadního vzduchu z hygienických zařízení a kuchyně
k jednotce. V deskovém výměníku pro ZZT pak předehřívá čerstvý vzduch.
Podle zvoleného programu na regulátoru jednotka zajišťuje celoroční požadavky na
mikroklima. Zvýšení teploty v koupelně se řeší topnými žebříky nebo podlahovým
vytápěním.
Z používaných systémů zajišťujících teplovzdušné vytápění i větrání rodinných domů je
tento systém nejúspornější, investičně je však nejnáročnější.
Nevýhodou teplovzdušného vytápění s centrální tepelnou úpravou je ve srovnání
s teplovodními systémy obtížná regulace teploty v jednotlivých místnostech. Používá se
pouze ruční regulace na vyústkách podle pocitu uživatele. I když prvky pro regulaci množství
přiváděného vzduchu podle teploty v interiéru existují, nepoužívají se, poněvadž velmi
zvyšují investiční náklady.
12.2 Sálavé vytápění velkoprostorových místností
Pro vytápění půdorysně rozlehlých a vysokých místností se mimo teplovzdušného vytápění
používá také sálavé vytápění zavěšenými sálavými panely, nebo vytápění přímotopnými
plynovými zářiči světlými či tmavými.
12.2.1 Vytápění zavěšenými sálavými panely
Při vytápění zavěšenými sálavými panely otopnou plochu tvoří kovové desky (panely)
zahřívané horkou vodou nebo parou proudící připojenými trubkovými registry (obr. 12.3).
53
Sálavé panely se zhotovují z ocelového nebo hliníkového plechu, jejich šířka je 500 až 1000
mm, zavěšují se ve velké výšce nad podlahou, nejméně 5 m, nejčastěji 8 až 12 m. Panely
přenáší teplo hlavně sáláním (podíl sálání je 75 až 85 %) dolů do oblasti pobytu lidí.
Vytápěcího účinku se dosáhne především zvýšením teploty povrchu podlahy a
technologických zařízení.
Obr. 12.3 Vytápění haly zavěšenými sálavými panely
Při sálavém vytápění, tedy i při vytápění sálavými panely, se požadované operativní
teploty dosahuje vyšší střední radiační teplotou, a proto teplota vzduchu v oblasti pobytu osob
může být o 3 až 8 K nižší než při vytápění teplovzdušném; tím se výrazně sníží tepelná ztráta
větráním. Protože teplo přenášené z panelů konvekcí je malé (15 až 25 %) nedochází téměř ke
zvýšení teploty vzduchu v horní části prostoru. Celková spotřeba tepla je při vytápění
sálavými panely ve většině případů o 20 až 30 % menší než při vytápění teplovzdušném
K dalším výhodám vytápění zavěšenými sálavými panely patří, že ve vytápěném prostoru
nedochází k proudění vzduchu a není zviřován prach a vytápěcí zařízení je dokonale
bezhlučné. Nevýhodou jsou poměrně velké pořizovací náklady – o 50 % vyšší než při
vytápění teplovzdušném. Tyto náklady se ve většině případů uhradí během 2 až 4 roků
úsporami paliva.
12.2.2 Vytápění přímotopnými plynovými zářiči
Vytápění přímotopnými plynovými zářiči je jeden z nejvýhodnějších způsobů vytápění. Při
přímém spalování plynu ve vytápěném prostoru se odstraní tepelné ztráty ve zdroji tepla,
které činí 15 % pro vodu a až 20 % pro páru a ztráty ve venkovních rozvodech, které činí asi 5
%, je-li teplonosnou látkou voda a asi 10 % pro páru. V porovnání se zavěšenými sálavými
panely jednoznačně vyplývají výhody přímotopných zářičů s až 30 % zisku. Používají se
plynové zářiče světlé a tmavé.
Plynové zářiče světlé. U těchto zářičů je zdrojem sálání perforovaná keramická deska,
která se spalováním plynu zahřeje na teplotu 750 až 900 °C. Vzduch potřebný pro spalování
se nasává injektorem a směs vzduchu a plynu pak přichází do komory, jejíž jednu stěnu
vyplňuje keramická deska. Na vnějším povrchu desky se plyn spaluje. Povrch desky se tím
zahřívá do červeného žáru (obr. 12.4).
Světlé zářiče je možné použít i ve velmi vysokých halách (přes 20 m). Při vytápění nižších
místností je nutno použít většího počtu menších zářičů a zavěsit je ve výšce 4 až 5 m nad
podlahou. V nízkých a úzkých místnostech je možné zářiče zavěsit na stěnu ve skloněné
poloze ve výšce od 2,5 m nad podlahou. Výkon zářičů lze do jisté míry řídit přivíráním
přívodu plynu.
54
Obr. 12.4 Schéma plynového zářiče světlého. 1 – keramická deska, 2 – komora zářiče,
3 – injektor, 4 – přívod plynu, 5 – přívod vzduchu
Vhodné podmínky pro použití světlých plynových zářičů jsou také při vytápění určitých
částí místností a ke zlepšení tepelného stavu na volném prostranství.
Plynové zářiče tmavé. Příkladem provedení zářičů tmavých jsou sálavé pásy ohřívané
horkým vzduchem s uzavřenou cirkulací (obr. 12.5). Pásy jsou vytvořeny z trubek velkých
průměrů (180 až 600 mm), které mohou být řazeny dvě až šest vedle sebe. Teplota povrchu
trubek se pohybuje v rozmezí od 150 do 350 °C. Zdrojem tepla pro ohřev otopného vzduchu
je přímotopný ohřívač vytápěný plynovým hořákem. Cirkulaci vzduchu zajišťuje ventilátor.
Potrubí sálavého systému může být také ohříváno směsí spalin a vzduchu.
Obr. 12.5 Tmavý zářič – tři paralelní sálavé trubky ohřívané vzduchem
Dále se také používají tmavé plynové zářiče s uzavřeným okruhem spalování. Okruh je
tvořen přívodem venkovního vzduchu do hořákové komory, spalováním v uzavřeném
prostoru radiační trubice zářiče a podtlakovým odvodem spalin z radiační trubice ventilátorem
mimo vytápěný prostor (obr. 12.6).
Porovnání vlastností světlých a tmavých zářičů. Světlé zářiče jsou vhodné především pro
haly s větší stavební výškou. Mají mnohem menší rozměry pro stejný výkon než zářiče tmavé
a mají také vyšší sálavou účinnost a z toho plynoucí nižší spotřebu energie. Výhodou je také
snadná montáž. Nejsou však vhodné pro prašné provozy, vzhledem k možnosti zanesení
porézních keramických desek. Tmavé zářiče lze použít pro nižší haly. Prašné prostředí
55
nemůže podstatněji ovlivnit jejich výkon. Mají nižší měrné tepelné výkony než zářiče světlé a
z toho plynoucí velké rozměry sálavých ploch a velké pořizovací náklady. Navíc mají nižší
sálavou účinnost a větší spotřebu energie než světlé zářiče pro stejný sálavý výkon.
Obr. 12.6 Tmavý plynový zářič s uzavřeným okruhem spalování
A/ s trubicí ve tvaru „U“, B/ s trubicí ve tvaru „I“
56
13. HLUK
13.1 Hluk a vibrace a jejich hodnocení
Hluk je nežádoucím produktem civilizace a stává se závažným hygienickým faktorem,
který ovlivňuje lidské zdraví. V dnešní době působí na člověka běžně a dlouhodobě hluk, na
jehož intenzitu není přizpůsoben a člověk nemá proti působení hluku závažnější ochranné
funkce. Hluk je stále podceňován, protože většina jeho negativních účinků se neprojevuje
bezprostředně bolestí ani poruchou funkce.
Jako hluk označujeme každý zvuk, který působí na člověka nepříjemně, rušivě nebo
škodlivě. Zvuk je vjem sluchového orgánu, jehož příčinou je zvukové (akustické) vlnění.
Zvukovým vlněním v širším slovy smyslu je jakékoliv mechanické vlnění pružného prostředí
plynného, kapalného nebo pevného. Zvukové vlnění budí zvukový vjem v lidském sluchovém
orgánu, je-li jeho frekvence v intervalu asi 16 Hz až 18 000 Hz. Zvukové vlnění o frekvenci
nad 18 000 Hz se nazývá ultrazvuk a o frekvenci nižší než 16 Hz infrazvuk.
Zvuk je tedy mechanické vlnění pružného prostředí v kmitočtovém rozsahu lidského
sluchu, které se šíří pružným prostředím. Jednotlivé částice přitom kmitají kolem své původní
polohy a působí střídavé zhuštění a zředění, které se projevuje střídavým vzrůstem a
poklesem tlaku prostředí. Sluchový orgán vnímá právě tuto střídavou složku tlaku, zatímco
stálou složku (atmosférický tlak), daleko vyšší, nevnímá. U plynů a kapalin je toto
mechanické vlnění prostředí podélné, u tuhých látek se vyskytuje za určitých okolností mimo
vlnění podélného i vlnění příčné.
Vibrace jsou akustické vlnění přenášené pevnými tělesy na lidské tělo. Lidský organismus
vnímá vibrace o frekvencích v rozsahu asi od 0,2 Hz do 16 kHz.
Základní akustické veličiny jsou fyzikální veličiny, které popisují zvukové vlnění. Jsou to
především:
Akustická energie W [J]. Je to energie, která se přenáší do prostředí ze zdroje zvuku.
Akustický výkon zdroje P [W], tj. akustická energie vyzářená zdrojem za jednotku času.
Akustické výkony zdrojů hluku se pohybují přibližně v rozmezí od 1.10-8 W (šepot) do 104 W
(nadzvukové letadlo).
Akustický tlak p [Pa] – je nejsnáze měřitelnou veličinou v akustickém poli. Je to střídavá
složka tlaku vyvolaná zvukem, která způsobuje odchylky od tlaku barometrického. Používá se
efektivní tlak p = p max 2 . Nejnižší slyšitelný akustický tlak, nazývaný prahový (vztažný),
je po = 2.10-5 Pa. Nejvyšší pro lidský sluch ještě bez bolestivého pocitu snesitelný tlak je asi
60 Pa.
Intenzita zvuku I [W.m-2] – je akustický výkon procházející jednotkovou plochou kolmou
ke směru šíření zvukové vlny. Lidský sluch vnímá akustické intenzity v rozsahu od prahové
hodnoty Io = 10-12 W.m-2 až do hodnoty 10 W.m-2.
Hladiny. Lidský sluch je schopen vnímat akustické tlaky a akustické intenzity ve velkém
rozsahu. Bylo však zjištěno, že zvukový vjem nestoupá se vzrůstem akustického tlaku či
intenzity lineárně, ale že je úměrný logaritmu akustického tlaku nebo intenzity. Proto byly
zavedeny jako měřítka sluchového vjemu logaritmické (decibelové) stupnice, např. hladina
intenzity zvuku LI a hladina akustického tlaku L, které jsou definovány vztahy
LI = 10 log
I
[dB]
Io
(13.1)
57
L = 20 log
p
[dB]
po
(13.2)
Pro posouzení účinku vibrací se používá hladina zrychlení vibrací, která je určena vztahem
La = 20 log
a
[dB]
ao
(13.3)
kde ao = 10-6 m.s-2 a a je efektivní hodnota zrychlení v daném bodě v m.s-2.
Používají se jednak celkové hladiny, které se vztahují k celkovému vnímanému
kmitočtovému pásmu, dále hladiny v oktávovém pásmu, tj. hladiny v kmitočtovém pásmu
jedné oktávy a hladiny v třetinooktávovém pásmu, tj. v kmitočtovém pásmu třetiny oktávy.
Hladina akustického tlaku v oktávovém pásmu (Lo) je hladina v kmitočtovém pásmu jedné
oktávy. Pásmem jedné oktávy přitom rozumíme rozsah frekvencí mezi hodnotami f1 a f2 pro
něž platí
f2
= 2.
f1
(13.4)
Oktávová pásma byla mezinárodně normalizována a označují se tzv. střední frekvencí
v oktávě, kterou lze vyjádřit vzorcem
f stř =
f1 f 2 .
(13.5)
Celé pásmo slyšitelnosti je pokryto desíti oktávami o středních frekvencích 31,5; 63; 125;
250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 a 16000 Hz.
Hladina akustického tlaku A, B, C. Snaha po co nejvěrnějším zachycení zvukového vjemu
měřicím přístrojem vedla k používání kmitočtově závislých filtrů označovaných A, B, C, které
upravují citlivost zvukoměru v souladu s kmitočtovými závislostmi sluchového orgánu, tj.
tlumí kmitočtové složky zejména pod 500 Hz a nad 8000 Hz. Hodnoty útlumu DL těchto
filtrů v závislosti na frekvenci f jsou uvedeny na obr. 13.1. Hladiny akustického tlaku LA, LB,
LC se opět vyjadřují v dB.
Obr. 13.1 Útlumové charakteristiky filtrů A, B, C
58
Přípustné hodnoty hluku a vibrací. Nařízení vlády 502/2000 Sb. [14] a 88/2004 Sb. [15]
o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací stanovují maximální přípustné
hodnoty hluku a vibrací
- v pracovním a mimopracovním prostředí,
- ve stavbách pro bydlení,
- ve stavbách občanského vybavení,
- ve venkovním prostoru.
Přípustné hodnoty hluku se zde vyjadřují nejvyšší přípustnou ekvivalentní hladinou
akustického tlaku A LAeq v dB a nejvyšší přípustnou ekvivalentní hladinou akustického tlaku
A při časové charakteristice I LAieq v dB, která se používá pro hodnocení impulsního hluku.
Impulsní hluk je hluk tvořený jedním impulsem nebo sledem zvukových impulsů, tj.
jednorázových akustických dějů, kratších než 0,2 s, převyšujících nejméně o 10 dB hluk
pozadí.
Přípustné hodnoty vibrací se zde vyjadřují především váženou hladinou zrychlení vibrací
v třetinooktávových pásmech Lat v dB a váženou efektivní hodnotou zrychlení vibrací aew
v m.s-2.
13.2 Fyziologické účinky hluku
Hluk člověk vnímá prostřednictvím sluchového orgánu, částečně vedením kostmi a
povrchem těla. Účinky hluku na lidský organismus je možné rozdělit na :
- specifické – vyvolané přímým působením hluku na sluchový orgán,
- nespecifické – mimosluchové účinky hluku.
Specifické poškození zdraví hlukem se projevuje vznikem tzv. profesionální
nedoslýchavosti, která se může rozvinout až v praktickou hluchotu. Vzniká při opakovaně
působícím nadměrném hluku, kdy zpočátku dočasné zmenšení citlivosti sluchu se po jisté
době projeví nedoslýchavostí až hluchotou. Vady sluchu způsobené hlukem jsou neléčitelné.
Nespecifickým účinkem hluku jsou změny v psychice a nervovém systému. Hluk již od 50
dB negativně působí v tvůrčí, koncepční a řídící práci – zmenšuje přesnost výkonu,
soustředění, kombinační schopnosti. Hluk nad 65 dB ovlivňuje autonomní (vegetativní)
nervstvo, které ovládá srdečně cévní, dýchací, zažívací, hormonální, termoregulační aj.
systémy organismu. Projevuje se zvýšením krevního tlaku, žaludečními vředy, močovými
kameny, cukrovkou, agresivitou, závratěmi apod. Bylo zjištěno další zhoršení
neurovegetativních funkcí lidského organismu vlivem kombinovaného účinku hluku a vibrací.
Z fyziologického hlediska neexistuje adaptace na hlučné prostředí.
13.3 Zdroje a šíření hluku
Zdrojem hluku jsou zařízení a předměty nebo vymezené oblasti proudění, kde vzniká
akustická energie a od nichž se akustickými vlnami šíří do okolí.
Akustické vlny se mohou od zdroje šířit přímo prostřednictvím média, které zdroj
obklopuje (převážně vzduchem), nebo prostřednictvím spojovacích prvků, jimiž je zdroj
připevněn do konstrukce. Ve druhém případě se zvuk dále vede pevnou konstrukcí ve formě
chvění a posléze, v některém místě konstrukce, je vyzářen do vzduchu, kde se nachází člověk.
Tak dochází často k vyzařování hluku v místech značně vzdálených od zdroje.
Nejvíce nás zajímá šíření hluku vzduchem, neboť takto zvuk dospívá k lidskému uchu.
Šíří-li se akustické vlnění ve volném prostoru, vytváří se tzv. volné pole, v němž jsou pouze
59
přímé vlny přicházející od zdroje hluku. V uzavřeném prostoru dospějí přímé vlny k jeho
stěnám, od nichž se odráží zpět. Tak vzniká akustické pole, v němž jsou vlny přímé i
odražené.
Ve volném prostoru se vyzařovaná akustická energie se vzrůstající vzdáleností od zdroje
stále více rozptyluje. V uzavřeném prostoru vzniká v určité vzdálenosti od zdroje (v
dozvukové vzdálenosti) tzv. difúzní zvukové pole, v němž se akustická energie šíří všemi
směry stejnou intenzitou a rozložení energii v prostoru je naprosto rovnoměrné.
13.4 Prostředky ke snižování hluku
Prostředky ke snižování hluku se volí především podle toho, zda člověk se pohybuje v poli
přímých vln, nebo v poli odražených vln.
V poli přímých vln, tj. v blízkosti zdroje hluku, jsou hlavními prostředky ke snižování
hluku:
- snižování akustického výkonu zdroje (stroje či zařízení),
- umístění hlučných zdrojů, nebo jejich obsluhy do zvukově izolovaných místností.
Praktické zásahy snižující hluk zdrojů jsou:
- Konstrukční úpravy strojů vedoucí ke snížení akustického výkonu zdrojů hluku (např.
použití materiálu s vyšším vnitřním tlumením, vymezení mechanických vůlí, použití
vhodného mazacího prostředku, vyvážení rotujících dílů, omezení možnosti vzniku
turbulence a sirénového hluku).
- Použití krytů a přepážek. V případě když není možné snížit hluk vznikající ve zdroji, lze
zdroj umístit do krytu nebo za stínící přepážku. Tyto se vyrábí se z tenkých plechů.
Vyšší útlum hluku se dosáhne při vnitřním obložení krytů či přepážek zvuk pohltivým
materiálem.
- Použití tlumičů hluku. Slouží k omezení aerodynamického hluku. Pro pulzující proudění
v potrubí menších průměrů se používají reflexní tlumiče. Pro stroje dopravující velké
objemové toky (např. ventilátory) se používají absorpční tlumiče.
- Použití izolátorů chvění. Tyto zabraňují především šíření hluku vedeného konstrukcí.
Používají se při ukládání strojů na základové desky, při uchycování a napojování
potrubí, při izolování jednotlivých stavebních prvků apod.
- Použití materiálů omezujících vyzařování hluku z povrchu strojů a zařízení. Patří sem
např. zvuková izolace potrubí pro rozvod tlakového vzduchu a páry, omezení chvění
tenkých plechů nanesením antivibračního nátěru nebo použitím třívrstvé konstrukce (na
plech nanesena vrstva tlumicího materiálu a překryta tuhou fólií).
- Změna technologie nebo pracovního postupu. V mnoha případech je nadměrný hluk dán
pracovním principem (např. nýtování, ražení, setřásání nárazem). Zlepšení hlukových
poměrů je zde možné jen náhradou hlučné operace jiným pracovním postupem či
technologií.
Umístění hlučných zdrojů nebo jejich obsluhy do zvukově izolovaných místností. Stěny
místností se konstruují dvojité s dostatečně širokou mezerou vyplněnou zvuk pohltivým
materiálem, obdobně se konstruují dveře. Okna se používají s trojitým zasklením. Místnost
musí být zcela uzavřená.
Tlumení hluku v poli odražených vln se provádí obložením stěn zvuk pohltivými
materiály, nebo zavěšením zvuk pohlcujících těles.
60
Základním typem zvuk pohlcujících materiálů jsou porézní materiály, které se používají
především jako obklad pro pohlcování středních a vysokých kmitočtů. Jsou to materiály
pórovité (molitan) nebo vláknité (skelná vata, minerální vata). Druhou skupinou zvuk
pohlcujících materiálů jsou resonanční prvky (panely s kmitajícími membránami). Tyto
splňují požadavek širokopásmovosti. Materiály pohlcující zvuk se používají nejen pro snížení
hluku v prostoru, kde je umístěn zdroj, ale i pro snížení hluku v prostoru, do kterého hluk
proniká z vnějšího prostředí. Zvuk pohlcující tělesa jsou akustická tělesa ve tvaru desek, klínů
nebo konoidů, která se zavěšují do prostoru 0,5 až 1 m nad zdroj hluku.
Pokud není možné technickými prostředky snížit hluk pod přípustnou hranici, musí
pracovníci používat osobní ochranné prostředky proti hluku. Používají se:
-
zátky do zvukovodů – používají se pro hluky o hladině akustického tlaku A max. 100
dB,
-
sluchátkové chrániče ( skládají se z mušlí s upínacím zařízením) – používají se pro
hluky o hladině akustického tlaku A max. 110 dB,
-
protihlukové kukly a přilby (chrání kromě sluchu i celou hlavu proti vedení hluku
kostmi lebky) – používají se v nejhlučnějších provozech, ale maximálně do hladiny
akustického tlaku A 140 dB.
Osobní ochranné prostředky tlumí především vyšší frekvence. Jsou vždy provizorním
řešením, neboť nikdy nezaručují stoprocentní ochranu a způsobují pracujícím určitá omezení.
Jejich použití navíc není vždy možné, např. na pracovištích, kde je potřeba hovorových
sdělení nebo kde se používá zvuková signalizace. V některých případech jsou však jedinou
cestou, jak pracovníky chránit před nepříznivým působením hluku.
61
LITERATURA
[1]
Janotková, E.: Technika prostředí. Ediční středisko VUT Brno, 1991
[2]
Chyský, J. – Hemzal, K. a kol.: Větrání a klimatizace. Technický průvodce č. 31. Bolit –
Bpress Brno, 1993
[3]
Brož, K.: Vytápění. Vydavatelství ČVUT, Praha 1994
[4]
Bašta, J.: Otopné plochy. Vydavatelství ČVUT, Praha 2001
[5]
Lázňovský, M. – Kubín, M. – Fišer, P.: Vytápění rodinných domků. Nakladatelství T.
Malina, Praha 1996
[6]
Nový, R.: Hluk a chvění. Vydavatelství ČVUT, Praha 2000
Normy a legislativní dokumenty
[7]
ČSN EN ISO 7730 Ergonomie tepelného prostředí – Analytické stanovení a interpretace
tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního
komfortu: říjen 2006
[8]
ČSN 730548 Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů: 1986
[9]
ČSN 060210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění: 1994
[10] ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu: 2005
[11] ČSN 730540-3 Tepelná ochrana budov – Část 3: Návrhové hodnoty veličin: 2005
[12] ČSN 730540-4 Tepelná ochrana budov – Část 4: Výpočtové metody: 2005
[13] Nařízení vlády 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci
[14] Nařízení vlády 502/2000 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací
[15] Nařízení vlády 88/2004 Sb., kterým se mění Nařízení vlády 502/2000 Sb.
[16] Vyhláška č.6/2003 Sb., kterou se stanoví hygienické limity chemických, fyzikálních a
biologických ukazatelů pro vnitřní prostředí pobytových místností některých staveb
62