Reklama

Vytápění a podtlakové větrání – CFD simulace

Ing. Martin Kny, Ph.D., České vysoké učení technické v Praze, UCEEB, ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov

Recenzovaný

Příspěvek hodnotí rozložení teplot vzduchu v pobytové místnosti při použití centrálního podtlakového větrání. V závislosti na poloze přívodního prvku pro čerstvý vzduch je hodnoceno několik variant systému. Představené výsledky jsou výstupem z CFD simulace z programu ANSYS Fluent.

Reklama

1. Úvod

Zvolená koncepce bytového větrání může významně ovlivnit celkovou kvalitu stavby. Na větrání jsou často kladeny protichůdné požadavky. Na straně jedné je třeba snižovat energetickou náročnost, na straně druhé je nutné dodržovat požadavky na intenzitu větrání. U většiny stávajících objektů (a také u některých novostaveb) je upřednostňována energetická náročnost. Objekty jsou zatepleny a opatřeny moderními (těsnými) okny. Na řešení systému větrání se však často zapomíná. Důsledkem je snížení kvality vnitřního prostředí (zvýšená vlhkost, zápach, plísně), tak i snížení životnosti konstrukcí (kondenzace vody). Příspěvek se věnuje nejjednoduššímu systému větrání, který dokáže splnit požadavky na bytové větrání. Jedná se o centrální podtlakové větrání. Čerstvý vzduch je u tohoto systému do místností v důsledku podtlaku nasáván přívodními prvky umístěnými v obvodovém plášti budovy. Jak ukazují závěry prezentované v příspěvku, může být výsledné rozložení teplot výrazně ovlivněno polohou přívodních prvků.

2. Požadavky a způsoby řešení bytového větrání

Základní požadavky na bytové větrání jsou uvedeny v ČSN EN 15665 [1]. Jsou zde zejména stanoveny požadované hodnoty intenzity větrání (pobytové místnosti min. 0,3), případně množství čerstvého vzduchu na osobu (25 m³/hod). Dále je požadováno, aby systém větrání pracoval nezávisle na uživatelích bytu (větrání pomocí otevřených oken tak není přípustné). V současné době je bytové větrání nejčastěji řešeno následujícími způsoby:

Obr. 1 Centrální podtlakové větrání, schéma (PPV přívodní štěrbina, ECA přívodní prvek) [2]

Bez koncepčního řešení: Pouze nucený odtah vzduchu z kuchyně, koupelny a WC. Bez otevírání oken je systém nefunkční.
Centrální podtlakové větrání (hybridní): Vzduch z bytu je odváděn do centrálního stoupacího potrubí. Podtlak v potrubí je vytvářen ventilátorem, u větrání hybridního také přirozeným vztlakem. Čerstvý vzduch do pobytových místností je přiváděn přívodními prvky umístěnými v obvodové stěně (viz Obr. 1).
Lokální rovnotlaké větrání: Lokální větrací jednotky s rekuperací tepla jsou umístěny v každé větrané místnosti (zavěšeny na stěně, případně zabudovány).
Centrální rovnotlaké větrání: Pro každý byt je použita samostatná vzduchotechnická jednotka (rekuperace tepla často s možností dohřevu).

První 2 varianty pracují bez rekuperace tepla, do místnosti je tak přiváděn vzduch o venkovní teplotě. To není z hlediska spotřeby tepla vhodné, stejně tak může přiváděný studený vzduch způsobovat problémy v tepelném komfortu. Oba důvody mohou vést k tomu, že někteří uživatelé bytů přívodní prvky různým způsobem utěsňují a znemožňují tak jejich funkci.

3. Popis modelu a hodnocených variant

V současné době je na trhu k dispozici velké množství typů přívodních prvků a štěrbin. Jejich nejčastější doporučené umístění je pod stropem místnosti. S ohledem na častou přítomnost věnce nebo překladu se prvky nejčastěji umísťují vedle okna v úrovni jeho nadpraží. Z hlediska konstrukce je vnitřní část prvku tvarována tak, aby byla výtoková rychlost relativně velká tak, aby došlo k rychlému promíšení se vzduchem v místnosti. Takto přiváděný proud vzduchu je nejčastěji směřován podél stěny místnosti. Pro dále představený model systému byla použita geometrie přívodních prvků AERECO EHT 816 (viz Obr. 2).

Obr. 2 Přívodní prvek AERECO EHT 816 použitý v modelu [3]

V programu ANSYS Fluent [4] byla pro potřeby hodnocení modelována místnost o rozměrech 4,5 × 3 m a světlé výšce 2,6 m. Jednalo se o rohovou místnost v průběžném podlaží, ochlazována byla stěna s oknem (1,5 m šířka, 1,4 m výška) a levá boční stěna (při pohledu na okno z exteriéru). Součinitel prostupu tepla okna U = 1,0 W/m²K, obvodové stěny 0,25 W/m²K. Součinitel U pro vnitřní konstrukce (strop, podlaha a stěny) měl hodnotu 3,0 W/m²K. Místnost byla vytápěna deskovým otopným tělesem o rozměrech 1600 × 800 mm umístěným pod oknem. Celková geometrie modelu je patrná z Obr. 3).

Na modelu bylo ověřeno rozložení teplot vzduchu po výšce místnosti (střed místnosti) a sledováno teplotní pole pro 3 různé polohy přívodních prvků. U varianty 1 byl přívodní prvek osazen dle doporučení výrobce ve výšce nadpraží okna. Pro variantu 2 byla zvolena výška parapetu a pro variantu 3 byl přívodní prvek umístěn za otopné těleso. Vzduch byl z místnosti ve všech variantách odváděn otvorem u podlahy v zadní stěně. Hodnocení bylo provedeno pro následující okrajové podmínky. Teplota exteriéru −5 °C, teplota okolních místností 20 °C, teplota otopného tělesa 75 °C, množství přiváděného vzduchu do místnosti 25 m³/hod.

Výpočtovou síť tvořilo cca 500 000 polyhedral buněk. Proudění bylo uvažováno jako turbulentní (model k-ε Realizable) se započtením vztlaku pomocí funkce Full Buoyancy Effect. V modelu byl uvažován pouze objem vzduchu v místnosti, obvodové konstrukce byly nahrazeny okrajovou podmínkou. Radiace byla řešena pomocí DO modelu.

4. Výsledky

Na následujících obrázcích číslo 3, 4, 5 a v grafu na obr. 6. jsou znázorněna teplotní pole pro hodnocené varianty.

Obr. 3 Teplotní pole pro variantu 1 (nadpraží)

Obr. 4 Teplotní pole pro variantu 2 (parapet)

Obr. 5 Teplotní pole pro variantu 3 (za otopným tělesem)

Obr. 6 Průběh teplot po výšce místnosti (střed) pro jednotlivé hodnocené varianty

5. Diskuse

Z průběhů teplot v hodnocené rovině v místnosti (viz Obr. 3 až 5) i z výškového rozvrstvení ve středu místnosti (viz Obr. 6) je zřejmé, že největší homogenitu teplot vykazuje variata 3 (přívodní prvek za otopným tělěsem). Naopak nejhorší výsledky má varianta 2 s přívodním prvkem v úrovni parapetu. Takovéto výsledky bylo možno očekávat. V případě umístění přívodního prvku v malé výšce nad podlahou nemá vystupující studený vzduch dostatečnou dráhu pro dobré promíšení se vzduchem v místnosti. Relativně studený proud vzduchu tak proniká až k podlaze. Umístění přívodního prvku za otopným tělesem je z hlediska rozložení teplot výhodné, výrobci přívodních prvků však často není doporučováno. Problematická může být montáž, čistění i případné ovládání (regulace průtoku) prvku. Z tohoto pohledu by se jako optimální jevily přívodní prvky integrované v otopné ploše, případně prvky jejichž výstupní proud by směřoval na otopné těleso.

6. Závěr

Poloha přívodních prvků pro přívod čerstvého vzduchu může výrazně ovlivnit rozložení teplot vzduchu v interiéru. Nejvhodnější je umístění přívodních prvků za otopným tělesem. Tato poloha je však často z mnoha důvodů problematická (instalace, čistění, regulace). Pokud není tato poloha možná, je vhodné umístit prvek co nejvýše nad podlahu místnosti tak, aby měl studený proud přiváděného vzduchu k dispozici dostatečnou vzdálenost k promíšení s teplým vzduchem v místnosti.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.

Literatura

ČSN EN 15665/Z1 Větrání budov – Stanovení výkonových kritérií pro větrací systémy obytných budov, Praha: ÚNMZ, 2011.
ELEKTRODESIGN ventilátory spol. s r.o., Rekonstrukce větrání bytových domů, b.r. [cit. 2016-08-10]. Dostupné z: https://elektrodesign.cz
AERECO S.A., b.r. [cit. 2016-08-11]. Dostupné z: https://www.aereco.com
ANSYS FLUENT 16.02, b.r. [cit. 2016-04-09]. Dostupné z: https://support.ansys.com

English Synopsis

Heating and Exhaust Ventilation System – CFD Simulation

Paper evaluates the distribution of air temperature in residential room using a central system of ventilation. Depending on the position of the feeder element for fresh air is evaluated by several variations of the system. The presented results are output from the CFD simulation from ANSYS Fluent.