K vývoji klimatizace (I)

1. Historie

Historie úpravy prostředí pro vytvoření tepelného komfortu i čistého ovzduší v lidských obydlích je stará jako sám lidský rod. Již první užití ohně k přípravě potravy vedlo k zpříjemnění prostředí našich předků a přispělo k formování prvních lidských společenství. Počáteční jednoduchá zařízení byla založena výhradně na přirozených principech proudění a přenosu tepla - a to až do doby objevu a uplatnění pracovních strojů (parního stroje, později elektrického motoru). Ventilátory, ve své principiální podobě známé z 16. století, zdokonalené na počátku 18. století, byly poháněny ručně, případně vodními i větrnými lopatkovými koly. Složitější zařízení v novodobém období (od počátku 19. století) využívala již k dopravě médií (vody, vzduchu) i mechanické energie.

Nepochybně nejstarším principem úpravy prostředí byl ohřev, nejprve s přímým účinkem sálání od ohňů, později, po umístění otevřených ohnišť do prvních vnitřních obytných prostorů (jeskyň, chýší, stanů), dochází i k využití konvekčního tepla k zvýšení teploty vnitřního vzduchu i teploty okolních stěn. Pokročilým systémem známým ze starověku je římské hypocaustum (podlahové vytápění lázní spalinami z odděleného topeniště - cca r. 90 př.n.l.); obdobné systémy lze nalézt i v Číně a Koreji i v některých objektech středověké Evropy. Historie evropského vytápění popisuje vývoj krbů (od 11. století) a od 16. století i pokojových kamen. Počátky ústředního parního vytápění se datují kolem roku 1770, první teplovodní vytápění s přirozeným oběhem od roku 1777, horkovodní vytápění od r. 1831.

Spalování paliv pro vytápění vedlo k přívodu venkovního vzduchu do topenišť, převážně přes prostory, v nichž pobývali lidé. To představuje počátky větrání, kdy spalovací vzduch odváděl i příměsi znehodnocující ovzduší v obydlích. Jiné aplikace větrání (přirozeného) jsou známy ze staveb egyptských, řeckých i římských. Ve středověku se používalo přirozené větrání různě zřizovanými otvory a šachtami v obytných místnostech, chrámových i klášterních stavbách. Významné je i uplatnění důlního větrání ve středověkých dolech.

Vývoj poznatků o hygieně člověka vedl k postupnému definování hygienických požadavků na kvalitu tepelného a vlhkostního mikroklimatu i čistoty ovzduší a na související problematiku větrání. Nucené (mechanické) větrání se uplatnilo nejprve v dolech, později byly nuceně větrány budovy nemocnic, divadel i průmyslových dílen. I když o škodlivinách, vznikajících při různé pracovní činnosti, psal již v roce 1700 italský lékař B. Ramazzini (1633-1714), teprve v roce 1859 byl vydán v Rakousku-Uhersku živnostenský zákon, který kromě jiného kladl majitelům živností za povinnost zajistit větrání a čistotu pracoven. Dávka venkovního vzduchu v místnostech, kde pobývají lidé, byla stanovena Maxem von Pettenkoferem v roce 1877 [1] z podmínky, aby koncentrace oxidu uhličitého ve vnitřním vzduchu nepřekročila 0,1 obj. % (Pettenkoferovo číslo); odpovídající dávka vzduchu pro běžnou činnost činí 30 m³/h osobu. První českou práci z oboru větrání publikoval Jan Ev. rytíř Purkyně (vrchní inženýr odboru pro ústřední topení a větrání při První českomoravské továrně na stroje v Praze) "Topení a větrání obydlí lidských (1890)". V roce 1904 publikoval ve Vídni lékař Josef Rambousek, od roku 1907 soukromý docent na německé vysoké škole technické v Praze "Luftverunreinigung und Ventilation mit Rücksicht auf Industrie und Gewerbe" - pravděpodobně první spis, pojednávající o znečištění ovzduší a větrání v průmyslu.

Počátky klimatizace, založené na přirozených principech proudění, přenosu tepla i vlhkosti, nalezneme již v minulosti. Jak uvádí Carrier [2], v některých oblastech Indie, za horkého období, bylo využito intenzivního stabilního proudění větru k úpravě teploty a vlhkosti v palácových stavbách. Přes otvory na návětrné straně budov byly zavěšovány vlhčené rohože z trávy k adiabatickému chlazení (vypařováním) přiváděného vzduchu až na teploty 20-30 °C. Rohože byly vlhčeny ručně, nebo z perforovaných žlabů, zásobovaných gravitačně vodou z rezervoáru. Prvky úpravy vzduchu, o kterých lze říci, že později formovaly "klimatizaci", byly uplatněny v Anglii v druhé polovině 19. století v několika budovách (parlament v Londýně, koncertní hala v Liverpoolu) - nucený přívod i odvod venkovního a oběhového vzduchu ventilátory, ohřev vzduchu parními ohřívači, vlhčení a chlazení vzduchu sprchováním vodou, vlhčení přidáváním páry i chlazení užitím přírodního ledu.

Počátky novodobé klimatizační techniky souvisejí s vývojem důležitých technických prvků uplatňovaných v klimatizaci (elektrické motory pro pohon ventilátorů, čerpadla, zdokonalení ventilátorů, kotlů na přípravu teplé vody a páry, uplatnění chladicích zařízení).

Historicky první záznamy o komfortní klimatizaci (s využitím větrání a chlazení vzduchu) jsou od amerického lékaře a technika Dr. Johna Gorrie (1802-1855), jehož návrhy na úpravu vzduchu vycházely z lékařských zkušeností s malárií, která se v té době široce vyskytovala na Floridě. V roce 1844 navrhuje, aby "domy v teplých krajinách byly stavěny s tepelnou izolací a aby byly vydávány prostředky na snížení teploty a zmenšení vlhkosti vzduchu". V roce 1844 navrhl, postavil a provozoval zařízení pro komfortní chlazení s větráním v prvním klimatizovaném nemocničním oddělení [3].

V USA byl poprvé použit pojem "air conditioning" v textilním průmyslu. Podle [2] jej navrhl v roce 1907 S. W. Cramer v příspěvku o úpravě vlhkosti v textilních továrnách pro National Cotton Manufacturers Association; do té doby se pro úpravu vlhkosti v textilkách používalo označení "conditioning".

K podstatnému pokroku v klimatizační technice přispěly vědecké práce z oblasti termodynamiky vlhkého vzduchu (vytvoření h-x diagramu a tabulek vlhkého vzduchu). V USA to byly práce Dr. W. H. Carriera, kterého v roce 1911 vyzvala společnost American Society of Mechanical Engineers (A.S.M.E.), aby připravil text "Rational Psychrometric Formulae - Their Relation to the Problems of Meteorology and of Air Conditioning", vycházející z jeho předchozí několikaleté práce z oboru psychrometrie (psychrometrics - nauka o teplotě a vlhkosti vzduchu). V práci byly publikovány vztahy mezi veličinami určujícími stav vlhkého vzduchu společně s psychrometrickým diagramem. Určité nepřesnosti dat v citované práci (neovlivňující inženýrské výpočty) byly odstraněny v roce 1936. Jednu z prvních souborných publikací o klimatizační technice představuje kniha autorů Carrier, Cherne, Grant [2]. Termodynamické vlastnosti vlhkého vzduchu znovu podrobně zpracovali v USA autoři Goff and Gratch v letech 1943 až 1949 [4] a Hyland a Wexler (1983) [5]. Poslední podrobnou prací vydanou ASHRAE z oboru psychrometrie je [6]. Diagram vlhkého vzduchu se v americké literatuře označuje jako psychrometrický diagram (psychrometric chart); původně byl konstruován v souřadnicích t (teplota vzduchu) a t_m (teplota mokrého teploměru), v současnosti jsou to souřadnice h-x.

K roku 1911 (vydání citované práce Dr. Carriera) se v USA váže i uznání klimatizace jako samostatného inženýrského oboru. V té době ovšem již existovala (od roku 1895) American Society of Heating and Ventilating Engineers a od r. 1904 American Society of Refrigerating Engineers. Společnost ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) vznikla spojením obou uvedených organizací až v období po roce 1945.

V Evropě (r. 1923 a 1929) publikoval diagram vyjadřující vztah entalpie a měrné vlhkosti vzduchu (h-x diagram podle Molliera) R. Mollier [7], [8]. Rozdílnosti diagramů vyjadřujících vlastnosti vlhkého vzduchu podle Molliera a psychrometrického diagramu ASHRAE (USA) jsou známé - jde pouze o otočení souřadných os.

V Československu se v třicátých létech minulého století poměrně příznivě rozvíjel průmysl z oboru větrání a vytápění, který vycházel z tradiční domácí strojírenské výroby. Ve vzduchotechnice byla jednou z prvních firem oboru firma Janka v Radotíně, založená v roce 1872 Janem Jankou, vyučeným ve Vídni. Dalším výrobcem z oboru vzduchotechniky byla (od roku 1913) firma Podhajský v Hostivaři. Výrobou a dodávkami vytápěcí a větrací techniky se zabývala První Českomoravská továrna na stroje v Praze, ve které působili mnozí reprezentanti oboru (Jan Ev. rytíř Purkyně, profesor Hýbl, profesor Srbek). První rozsáhlejší klimatizační zařízení v Praze pro budovu Elektrických podniků u Hlávkova mostu a budovu Penzijního ústavu na Žižkově řešila koncepčně zahraniční firma Carrier. Škodovy závody Plzeň převzaly plnou záruku za dodávku za podmínek, že nebude více než 10 % dodávky zakoupeno v cizině. Kromě Škodových závodů se na realizaci podílely Janka Radotín, Pragoferra Strašnice, Ing. Podhajský Hostivař; vzduchotechnické elementy (podle F. Mácy) byly podrobovány zkouškám na ČVUT v Praze. Úspěch těchto zařízení podnítil další uplatňování klimatizace u nás, i když výuka klimatizace na pražské technice se rozvinula až po roce 1945.

Literatura
[1] Pettenkofer, Max,v. : Über den Luftwechsel in Wohngebäuden. Literarisch-Artistische Anstalt der J.G. Cotta´schen Buchhandlung. München, 1858.
[2] Carrier, W., H.; Cherne, R., E.; Grant, W., A.: Modern Air Conditioning, Heating and Ventilating. Pitman Publishing Corp. New York, 1940.
[3] Gladstone, J.: John Gorrie, The Visionary. ASHRAE Journal. December 1998. ASHRAE, Atlanta, 1998.
[4] Goff, J., A.: Standardization of Thermodynamic properties of Moist Air. Heating, Piping, and Air Conditioning, No. 11, 1949.
[5] Hyland, R., W., and Wexler, A.: Formulations for the Thermodynamic Properties of Dry Air and of Saturated Moist Air. ASHRAE Transactions 89, 1983.
[6] Olivieri, J.; Singh, T. : Psychrometrics. Theory and Practice. ASHRAE, Atlanta, 1996.
[7] Mollier, R.: Ein Neues Diagramm für Dampfluftgemische. Z VDI 67, 1923.
[8] Mollier, R.: Das i-x Diagramm für Dampfluftgemische. Z VDI 73, 1929.