Vzduchotechnika a klimatizace - teorie

"Přirozené větrání" a pomocná vzduchotechnika

Je mnoho hal, kde nám základní ventilaci obstará přirozené větrání, ale vynikajících výsledků kvality vzduchu dosáhneme kombinací vlastní infiltrace budovy s pomocnou vzduchotechnikou. V první řadě se zde jedná o lokální odsávání nečistot a zplodin z výroby. K vidění jsou také oblíbené axiální ventilátory umístěné v obvodovém plášti a jako doplňkové větrání je možné využít i teplovzdušných jednotek se směšovací komorou. Tyto možnosti rozeberu zvlášť s upozorněním na jejich možnosti a nedostatky.

Lokální odsávání nečistot

Uvažujeme halu, jenž větrá celkem dobře. Veškerá výroba je z hlediska vzniku škodlivin bezproblémová, až na několik pracovišť. V praxi to bývají svařovací místa nebo lakovací boxy případně ojedinělá bruska a podobně. Bylo by hrubou chybou, kdyby nečistoty pronikaly do celé haly a větrali bychom celý objem. Z hlediska nákladů na vytápění ale i z hlediska čistoty prostředí je nanejvýše vhodné dané pracoviště lokálně odsávat. Jsou k vidění zařízení, jenž odsávají výfukové plyny z projíždějícího auta. Odsávání někdy připomíná kuchyňské digestoře a nebo odsavače pilin u dřevoobráběcích strojů.

Lokální odsávání není tedy jen snaha vyhnout se instalaci plnokrevného a drahého vzduchotechnického systému ale skutečně to nejlepší co můžete pro čistou v hale udělat. Jen jediné co si musíte ověřit, je množství odsávaného vzduchu vztažené k celkovému objemu haly. Pokud bychom odsávali příliš mnoho, byla by hala tzv. „podtlaková“ a to by mohlo mít nepříznivý dopad na teplotní rozložení vzduchu v pracovní zóně. Jedná se samozřejmě o zimní období, v létě můžete odsávat bez omezení. Množství odsávaného vzduchu zjistíte tak, že sečtete údaje od jednotlivých zařízení kterými vzduch odsáváte. Objem haly většinou znáte a tak můžete vypočítat poměr těchto dvou čísel.

Odsávaný objem v m3 za hodinu / Objem haly v m3 = Nárůst infiltrace způsobený odsáváním

Pojem „nárůst infiltrace“ je poněkud nepřesný, nicméně dané číslo charakterizuje celý proces. Rozdělil jsem možný rozsah do tří kategorií.

Nárůst infiltrace je menší jak 0,15 x za hodinu

Ve většině případů není co řešit, nárůst potřebného výkonu na vytápění je většinou kryt z rezervy na akceleraci. Více informací o výkonu naleznete v odkazu Výpočet potřebného výkonu. Pouze u moderních těsných hal je hranice „bezproblémovosti“ mírně menší, zhruba na hodnotě 0,10 x.

Nárůst infiltrace je v rozmezí 0,15 až 0,50 x za hodinu

Hodně záleží na hale a na způsobu vytápění a odsávání. Roli hraje souběh agregátů a doba využití. Co se týče haly, je dobré, když si může nasávat vzduch z okolních lodí, jenž odsávání nemají (to znamená, že prostor je součástí komplexu hal). Zde doporučuji konzultaci a obezřetnost.

Nárůst infiltrace je větší jak 0,50 x za hodinu

V naprosté většině případů je nutné do haly v zimě přivádět předehřátý vzduch a tak vyrovnat úbytek daný odsáváním. S takovým pod tlakem si hala neporadí sama. Musí být instalována centrální vzduchotechnika nebo teplovzdušné jednotky se směšovací komorou.

Lokální odsávání může zajistit vynikající čistotu vzduchu v hale s minimálním zvýšením nákladů na vytápění.

Axiální odtahové ventilátory umístěné v obvodovém plášti haly

Odtahové ventilátory v horní části konstrukce haly nezahrnuji do kapitoly vzduchotechnických systémů, stejně jako kolo s pomocným motorkem nepovažuji za motocykl. Tím chci naznačit, že funkce ventilátorů je pomocná a slouží pouze k lepšímu provětrávání haly v době, kdy hala nemůže větrat sama, tedy v době, kdy je teplota v hale stejná jako teplota venkovní. Centrální vzduchotechnická jednotka s rozvodem vzduchu je plnohodnotné řešení jenž je určeno pro celoroční provoz. Odtahové ventilátory jsou většinou zapínány ručně a to v okamžiku, kdy se v hale zhorší kvalita vzduchu. Zůstávají zapnuty dokud v prostoru nepoklesne teplota natolik, že to někoho donutí jít je vypnout. Jejich používání během topné sezóny je úloha jako šitá pro inteligentní regulaci. Omlouvám se, ale popis regulace je mimo rámec těchto textů.

Použití je tedy jasné a bezproblémové ale jen v létě, respektive při venkovní teplotě nad 10°C. Při nízkých teplotách pro tento způsob platí obdobná pravidla jako pro předchozí lokální odsávání, s tím rozdílem, že halu stejně nikdy neudrží čistou a pokud ano tak se nedoplatíte na palivu, respektive nedokážete v hale udržet požadovanou teplotu. Pravdou je, že se v zimě nemusejí vůbec používat, neboť drtivá většina hal větrá v zimě sama a to tak dokonale, že to tyto vypnuté ventilátory roztáčí. Je nanejvýš vhodné ventilátory opatřit tlakovou žaluzií. Ta se musí občas ošetřit, aby její listy nezůstávaly otevřené. Pokud není dost peněz na přetlakové žaluzie, je možné ventilátory na zimu zakrýt třeba kartónem nebo polystyrénovou deskou.

Mám zdokumentován případ, kdy čtyři nezakryté (samozřejmě vypnuté) ventilátory o průměru 500 mm dokázaly přes zimu zvýšit roční náklady na palivo o zhruba 15 %. Jednalo se o halu vysokou 12 metrů a instalovaným výkonem okolo 200 kW. Řešit jsem to začal proto, že za třeskutých mrazů systém nestíhal i když by teoreticky měl. V hale nebylo možné realizovat plánovaný noční útlum, nebyla rezerva výkonu. Axiální odtahový ventilátor připravený na zimu je vyobrazen na fotografii. Návratnost investice z úspory nákladů na palivo byla 7 dní a problém s nedostatečným výkonem byl vyřešen.

Axiální ventilátory jenž mají vzduch do haly vhánět

Představa, že levně a spolehlivě vyřešíme problém s přísunem čerstvého vzduchu do konkrétní oblasti v hale je natolik lákavá, se čas od času některý projektant nebo dodavatel pokusí zrealizovat tuto alternativu. Dokonce i jedno ministerstvo před pár lety uvolnilo poměrně hodně peněz na výzkum tohoto řešení. Byl jsem účastníkem projektu a tak máte výsledky bádání „z první ruky“. Některé osobní zkušenosti jsou však nesdělitelné a tak si je musí každý vyzkoušet sám.

Informace o tom co to je a co má vliv na pocitovou teplotu naleznete v následujících kapitolách. Pro naši potřebu jenom ve zkratce. Jistě znáte situaci, kdy si v parném létě zapnete větrák a necháte se příjemně ovívat. Tuto rozkoš znají nelépe panovníci z tropických oblastí, tam bylo ovívání samozřejmostí. Pokud jste v proudu vzduchu o rychlosti 2 m/s, téměř ho nevnímáte, ale Vaše pocitová teplota je o 2 až 5°C nižší. To znamená, je li teplota vzduchu 25°C, máte pocit, jako by okolní teplota vzduchu byla jen 20°C. Pokud je ovšem rychlost proudu vyšší jak 10 metrů za vteřinu a teplota 10°C, máte pocit že je ukrutná zima.

Nepříjemný je proud vzduchu s teplotou nižší jak 20°C a s rychlostí vyšší jak 3 metry za vteřinu.

Pokud chceme zajistit přísun čerstvého vzduchu do haly, můžeme samozřejmě do pláště umístit axiální ventilátor a zacílit ho na pracoviště, kam chceme vzduch dopravit, ale příjemné to bude pouze v případě, že se k lidem dostane s rychlostí okolo dvou metrů a s teplotou v rozmezí 23 až 25°C. Pokud bude teplota v hale nepatrně vyšší, může být i teplota proudu vyšší ale od 27°C to už nebývá příjemné. Vyšší teploty jsou ovšem tou lepší stránkou, s tím nejsou takové problémy jako když začneme do haly pumpovat vzduch s teplotou nižší jak 10°C. Dnů, respektive hodin, kdy máme k dispozici optimální teplotu vzduchu pro vhánění do haly je zoufale málo.

Málokdo si dokáže představit, jak se vháněný vzduch bude v hale chovat. Těžko se najde takový střelec, co proud vzduchu pustí přímo do lidí. Mezi projektanty zvítězí spíš názor dát ventilátor co nejvýš a osu ventilátoru umístit vodorovně (kolmo na stěnu budovy). Mylná představa je taková, že osvěžující déšť čerstvého chladivého vzduchu příjemně dopadne na bedra pracujícího lidu. Kdo byl na vojně u dělostřelců ví, jak se počítá balistická dráha střely. Podobný algoritmus můžeme použít i pro další příklad (samozřejmě byl počítán jinak).

Kam a v jaké kvalitě dopadne vzduch do pracovní zóny?

Budu tedy uvažovat běžný axiální ventilátor průměru 630 mm jenž dává 10 000 m3 vzduchu za hodinu. Umístím ho na čelní stěnu budovy do výšky 10 metrů a budu ho krmit různě teplým vzduchem. Bude mě zajímat místo dopadu do pracovní zóny, tedy do roviny 1,5 metru nad podlahou. Dále mě zajímá teplota a rychlost dopadajícího vzduchu. Hala je 12 metrů vysoká a 30 metrů dlouhá. Je v ní konstantní teplota 20°C. Tento příklad jsem proměřoval z koše vysokozdvižné plošiny a viděl jsem kouřový model. Věřte, že předkládané výsledky odpovídají skutečnosti.

Varianta	Teplota okolního vzduchu	Místo dopadu proudu (vzdálenost od stěny)	Teplota vzduchu při dopadu	Rychlost vzduchu při dopadu
A	30°C	20 metrů, na střeše	25°C	1,0 m/s
B	20°C	protější stěna	20°C	0,1 m/s
C	10°C	25 metrů až stěna	18°C	0,5 m/s
D	0°C	23 až 25 metrů	12°C	1,5 m/s
E	- 10°C	18 až 20 metrů	5°C	3,5 m/s
F	- 20°C	15 metrů ± 5 cm	- 2°C	5,0 m/s

Z tabulky a z obrázku je jasně patrné, že optimálních pracovních podmínek lze dosáhnout velmi těžko. Pokud do haly vháníte teplejší vzduch než je teplota v hale, nikdy Vám do pracovní zóny nedopadne, vždycky skončí pod střechou. Vzduch v rozmezí 15 až 20°C by byl možná vhodný, ale skončí s minimální rychlostí na protější stěně a všechno ostatní spíš připomíná hasičské cvičení. Pro Vaši představu, proud vzduchu s původní teplotou –10°C dopadne na podlahu během čtyř vteřin, má teplotu 5°C a co je překvapivé, zřetelně ohraničené jádro (teplotou i rychlostí vzduchu) nemá větší průměr jak 1,5 metru. Pokud tím někoho trefíte, jistě mu moc příjemně nebude. Tento vzduch se okamžitě začne rozlévat po podlaze takže v širokém okolí ochladí pracovní zónu, ale jen do výšky zhruba 30 cm. Účinky jsou srovnatelné, jako když při venkovní teplotě –10°C otevřete v hale vrata.

Samotný axiální ventilátor směřovaný do haly tedy není možné doporučit pro celoroční provoz, ale snaha problém vyřešit vedla k dalším pokusům. Prvním „nápadem“ byla instalace směšovací komory. Ventilátor byl umístěn víc do haly a mezi zdí a ventilátorem byla umístěna směšovací komora. Do haly se dostávala polovina venkovního vzduchu, jenž vytvořila směs s vnitřním vzduchem, takže výsledný rozdíl teplot byl poloviční. Pro lepší zacílení byly na ventilátoru namontovány ovladatelné žaluzie, jenž zároveň efektivně snižovaly výstupní rychlost na minimum, jelikož kompaktní proud vzduchu „rozřezali“ na velké množství různě směrovaných proudů a ty okamžitě ztrácely kinetickou energii, tedy rychlost. Vzduch dopadl pod ventilátor a ani se moc neohřál, stejně jako v případě otevřeného okna v zimním provozu.

Další inovací byla montáž tepelného výměníku, jenž měl vzduch dohřívat a elektronicky ovládané žaluzie, jenž měly reagovat na teplotu vzduchu a automaticky se naklápět do požadovaného směru. Výkon dohřívací jednotky byl optimalizován na 35 kW. Těžko se hledala takováto jednotka, jenž by měla plynule regulovatelný výkon a regulace zapnuto-vypnuto nebyla schopná udržovat výstupní teplotu v požadované toleranci 20 až 23°C. Pokud bylo dohřívání v provozu, teplota vzduchu byly moc vysoká a bez ohledu na žaluzie vzduch stoupal vzhůru a o pracovní zónu ani nezavadil, když bylo dotápění vypnuté, byla situace obdobná jako předtím. Výrazné zlepšení přinesla montáž elektricky ovládané klapky u směšovací komory. Další výzkum byl zastaven pro nedostatek financí.

Tímto se dostáváme k problematice jenž souhrnně nazýváme teplovzdušné vytápění a ta je předmětem následující stránky. Pokud Vás však zajímá tento konkrétní problém, věřte, že pro přivedení vzduchu do pracovní zóny je nutné použít vzduchotechnických rozvodů zakončených elementem pro distribuci vzduchu. Teplota vzduchu by neměla být více jak o 10°K nižší v případě chlazení a o více jak 15°K vyšší, v případě, že vzduchotechnika slouží zároveň pro vytápění. Vytěsňovací vyústě a nebo vířivé anemostaty jsou vyzkoušené a fungují. Jejich fotografie si můžete prohlédnout pokud kliknete na zvýrazněný text názvů.