Vzduchotechnika a klimatizace - teorie

Co to je a jak vlastně funguje přirozené větrání

Přirozené větrání je vzájemná výměna vzduchu mezi objektem a atmosférou, jenž nepotřebuje žádné motory, oběžná kola nebo vrtule. Funguje jednoduše, ale výklad do kterého se pustím bude rozsáhlý. Pokládám ho totiž za zásadní a jeho správné pochopení vysvětluje i jiné pasáže těchto textů.

Pro námi sledovaný děj platí v prvé řadě Archimédův zákon. Ten neplatí jen pro tělesa ponořená do kapaliny, ale platí všeobecně i pro vzdušiny, tedy pro vzduch kolem nás. Krásným příkladem, kdy můžeme demonstrovat tento zákon je teplovzdušný balón a nebo třeba jen obyčejný mrak na obloze.

Budeme tedy uvažovat určitý objem vzduchu V na který působí dvě síly, je to jednak vztlaková síla Fv a vlastní tíha tohoto vzduchu Fg. Zřejmě bude platit, že:

Fv = V * g * hustota okolního vzduchu

Fg = V * g * hustota vzduchu vyšetřovaného objemu

kde g je tíhové zrychlení a V je objem tělesa, tedy objem vyšetřovaného vzduchu

Z jednoduchých termodynamických vztahů vyplývá, že při stejném tlaku vzduchu jsou hustoty nepřímo úměrné absolutním teplotám. Následující rovnice vyjadřuje skutečnost, že teplý vzduch má menší hustotu, je tedy lehčí než studený.

hustota vzduchu vyšetřovaného objemu / hustota okolního vzduchu = T/T´

kde T je absolutní teplota okolního vzduchu a T´ je absolutní teplota vzduchu vyšetřovaného

Teplý vzduch je lehčí a stoupá vzhůru. Studený vzduch je vždy dole a teplý nahoře. Teplý a studený vzduch se dobrovolně nemísí, naopak vytvářejí oddělené vrstvy.

Abychom získali reálnou představu o tlakových poměrech v hale, zkusíme si do uvedených rovnic dosadit konkrétní (trochu jednoduchá) čísla.

Tlakové poměry přirozeného větrání

Budeme uvažovat halu 12 metrů vysokou, plocha podlahy je pouze 1 m2. Teplota v hale je + 15°C, což je v absolutní hodnotě 288°K. Je leden a teplota vzduchu venku je -15°C, což je v absolutní hodnotě 258°K. Zatímco hustota vzduchu v hale je zhruba 1,2 kg/m3, hustota venkovního vzduchu je 1,2 * 288 / 258 = 1,34 kg/m3. Pro jeden kubík vzduchu je rozdíl hustoty 0,14 kg/m3. Vzduch v celé hale je nadlehčován silou

Fk = 0,14 * 12 * 9,81 = 16,5 N

Rozdíl hustoty vzduchu v hale a venkovního vzduchu odpovídá rozdílu vztlakové a gravitační síly. Tento rozdíl sil nazýváme silou konvektivní a označíme ji Fk. Tato síla nadzvedává střechu i podlahu, působí tedy rovnoměrně na ploše 2 * 1 m3. Síla působící na plochu je vlastně tlak a jako v každém dobrém komínu je v dolní části haly podtlak a v horní přetlak. V našem konkrétním případě je hodnota podtlaku a přetlaku ± 8 Pa. Pokud ovšem v hale otevřeme dveře a tlakové poměry se vyrovnají (stejný tlak venku jako u podlahy) bude na střechu působit přetlak 16 Pa. Obdobně působí otevřený světlík (pak se zvyšuje podtlak u podlahy).

K opačné situaci dochází v létě ve dne, kdy je vzduch v hale chladnější než vzduch venkovní. V tomto případě je konvektivní síla Fk záporná. Dole je přetlak a pod střešním pláštěm podtlak. Na obrázku barevné šipky označují proudění vzduchu, tedy výměnu vzduchu mezi halou a venkovním prostředím. Rozložení teplot v hale a proudění vzduchu se budeme věnovat později.

Jak tedy funguje přirozené větrání? Motorem je různá teplota vzduchu v hale a vzduchu kolem haly. Pokud je vzduch v hale teplejší a tedy lehčí než okolní, chová se hala jako komín, dolní partií si nasává čerstvý vzduch z okolí a v horní části naopak vzduch halu opouští netěsnostmi. V případě, že je vzduch v hale chladnější než je okolní atmosféra, je mechanizmus opačný. Vzduch se nesnaží z haly vyletět střechou, nýbrž z haly vytéká vraty a netěsnostmi v dolní části. Střechou a světlíkem si naopak hala nasává teplejší vzduch z atmosféry.