Větrací systémy s rekuperací tepla pro bytovou výstavbu - teorie, návrh a použití (II)
Způsob dimenzování větracích systémů, popis vlastností rovnotlakého větracího systému s rekuperací tepla a vytápění s vnitřní cirkulací vzduchu. Rozebrána jsou i obecně přejímaná tvrzení podle praktických zkušeností.
Dimenzování výkonu větrání, temperování objektů, vazba na relativní vlhkost interiéru
Pro vytvoření správné pohody v interiéru je nutné zajistit kromě tepla i přívod čerstvého vzduchu. Tuto hodnotu stanovují hygienické předpisy. Jako ve všech oblastech, i zde panují rozdílné názory. Pro dimenzování můžeme použít jeden ze tří základních parametrů (obvykle se volí ten, který má požadavek na větrání na nejvyšší úrovni). Odtah je pak řešen odsáváním vzduchu ze sociálních zařízení.
a) Z hodnoty obestavěného prostoru - pro nucené větrací zařízení předepisují v řadě vyspělých států intenzitu výměny v rozsahu n - 0,3 - 0,5 h-1. V tomto případě se "n" vypočítává z obestavěného prostoru, není brán v úvahu počet a typ místností v domě, ani počet osob, které v objektu žijí.
b) Vzhledem k typu místností v domě - v tabulce č. 6 je uvedeno, kolik vzduchu je nutné minimálně odsávat ze sociálních zařízení a kuchyní.
| Předpis | Kuchyně | Koupelny | WC | |||
| [m3/h] | [h-1] | [m3/h] | [h-1] | [m3/h] | [h-1] | |
| DIN 18017/3 | - | - | 40 - 60 | - | 20 - 30 | - |
| DIN 1946/6 | 40 - 60 | - | 40 - 60 | - | 20 - 30 | - |
| ECE Compendium | 36 - 180 | - | 36 - 180 | - | - | - |
| BSF 199838 | 36 - 54 | - | 36 - 108 | - | 36 | - |
| ČR | 100 - 150 | ≥ 3 | 60 | 3 - 5 | 25 | 3 |
Po zprůměrňování můžeme konstatovat, že z koupelen a kuchyní bychom měli odsávat 40 - 60 m3/h; z WC 25 - 40 m3/h, ze šaten a zádveří se pak doporučuje odsávat cca 10 - 15 m3/h.
(první hodnota udává odsávání v trvalém režimu odvětrání, druhá hodnota pak nárazové komfortní zvýšení výkonu pro dokonalejší provětrání prostor v době větrání menší než 12 h/den)
Obvyklý dům má 1x kuchyň, 1x koupelnu, 1x WC a 1 - 2 šatny a zádveří. Když sečteme požadavky na větrání dle těchto parametrů, pak dostaneme výkon odvětrání 135 - 170 m3/h.
c) Dimenzování na počet osob - jako nejčastější a obecně udávaný údaj se používá hodnota přívodu 25 m3/h na osobu. Pro osobu adaptovanou ("zvyklou") na interiér objektu je možné snížit množství přiváděného vzduchu až na cca 18 m3/h. Pro běžnou 4-člennou rodinu je pak požadavek na větrání 72 - 100 m3/h.
Z předchozích údajů pak jasně vychází dimenzování dle typu místností. Kromě odtahu ale musíme zároveň zajistit dokonalý přívod (alt. rozvod) čerstvého vzduchu po objektu. Přiváděné množství (cca 100 - 170 m3/h) musíme po objektu dokonale rozprostřít, abychom "propláchli" celý obestavěný obytný prostor. A zde nastává první výrazný rozdíl mezi rovnotlakým větracím systémem a větráním s vnitřní cirkulací. Následující údaje platí jen pro okruh větrání (nikoliv případného vytápění). Přívod vzduchu do jednotlivých obytných místností se dimenzuje dle předpokládaného počtu osob, které se průměrně v místnosti vyskytují. V tabulce č. 7 jsou základní požadavky na přívod čerstvého vzduchu z hlediska větrání do jednotlivých místností.
| Typ místnosti; počet osob | Přívod v m3/h |
| Ložnice; 2 | 40 |
| Dětské pokoje - celodenní provoz; 1 | 30 |
| Dětské pokoje - celodenní provoz; 2 | 50 |
| Kuchyň - samostatná místnost; rodina (4) | 60 |
| Obývací pokoje vč. kuchyní; (počet osob = x) | x * 25; min. 100 |
| Obývací pokoje; (počet osob = x) | x * 25 |
| Pracovny; 1 | 30 |
| Ostatní prostory (šatny, chodby, ...) | 10 |
Pokud bychom sečetli dohromady minimální počty místností v objektu (OP, ložnice, dětský pokoj /2 os./ a chodbu: 100+40+50+10) = 200 m3/h. Toto množství je vyšší, než kolik potřebujeme z prostoru odvádět. Když bude v objektu více obytných místností, je disproporce ještě markantnější. Samozřejmě, že není problém zvýšit množství odváděného vzduchu tak, aby se vyrovnalo množství přiváděnému. Narážíme ale na vazbu na rh interiéru - nikoliv ale na celkovou - průměrnou v prostoru, ale na rh v každé místnosti. Větrací vzduch totiž přivádíme do každé místnosti samostatně. Produkci vlhkosti z koupelen není možné do celkové bilance započítávat, je lokálně okamžitě odsávána. Pokud bude intenzivní produkce v obývacím pokoji (např. odpar z květin), nijak to neovlivní bilanci v ložnici. Ta ale obvykle přes den není využívána, často zde nejsou květiny, ve skříních je uloženo ložní prádlo těsně po žehlení = částečný absorbér vzdušné vlhkosti. Při podlahové ploše střední ložnice (nebo dětského pokoje) 14 m2 je obestavěný prostor 35 m3. Při přívodu vzduchu cca 40 m3/h (na 2 os.) je prostorová výměna n = ~ 1 - 1,15 h-1!!!. V tomto případě pak rh klesá ještě výrazněji, než v příkladu na začátku tohoto článku - v zásadě po 1 h na rh ~ 30 %. Přesto může celková bilance relativní vlhkosti v objektu teoreticky i prakticky vycházet - v OP totiž může být rh = 50 % a produkce vlhkosti může dokonce způsobovat růst hodnoty rh i při současném větrání.
Jedno z možných řešení, jak tento stav zlepšit, je větrat minimálními výkony (dle požadavků na odsávání prostorů soc. zařízení) a přívod do místností provést tzv. zónově - přivádět vzduch pouze tam, kde je předpoklad pobytu osob. Když jsou v OP, není důvod větrat ložnici plným výkonem a obráceně. Pomocí přepínací klapky a časových hodin je tak možno přivádět vzduch tam, kde je to nutné. Jako každé řešení má i toto řešení své ale - není možné pak využít rovnotlakou větrací soustavu pro vytápění - nevětráním ložnice by nebyl přes den (v OP v noci) zajištěn přívod dostatečného množství energie pro pokrytí tepelných ztrát prostoru. Jak je to s teorií využití rovnotlaké větrací soustavy pro temperování (vytápění) objektu?
Využití větracích systémů pro temperování objektů
V současné době se již realizují i v ČR objekty (RD), které splňují tzv. pasivní standard výstavby. Požadavek těchto objektů na pokrytí tepelných ztrát se blíží 10 W/m2 podlahové plochy, celková tepelná ztráta (vč. větrání s rekuperací) je v rozsahu 1,6 - 1,8 kW. Běžně se publikuje a vzájemně přejímá, že v těchto domech již není nutná samostatná otopná soustava (radiátory, podl. topení atd.), vše zajistí větrací systém. Ten musí mít účinnou rekuperaci - kolem 90 % (procento stanovuje, kolik energie z odváděného vzduchu dokážeme v rekuperačním výměníku získat pro předehřev vzduchu přiváděného).
Mezi veřejností jsou rozšířeny dvě základní teorie pro využití rovnotlaké větrací soustavy k temperování objektu, vycházející z následujících předpokladů a vlastností tohoto systému.
(zdůraznění - objekt musí splňovat přísné požadavky, kladené na EPD = nízké tepelné ztráty domu, nezapočítávají se vnitřní zisky z provozu domu, hlavně ne z pobytu a činnosti osob):
- Tepelná ztráta objektu (vč. koupelen) je např. 1 600 W (při venkovní výpočtové teplotě pro danou oblast a včetně ztráty větráním). Topná tělesa v koupelnách (případně na WC) jsou dimenzována na výkon:
QTěles = (tepelná ztráta domu/účinnost rekuperace v %) x 100 x přirážky na straně bezpečnosti
QTěles = ~1800 W.
Pro prostor koupelen je tedy topný výkon mnohonásobně předimenzován, je trvale temperováno na teplotu min 24 °C. Předpokládá se, že při využití účinnosti rekuperace a odsávání vzduchu z koupelen o této teplotě bude teplota přiváděného vzduchu do obytných částí po rekuperaci cca 21 - 22 °C. Tímto přívodním vzduchem pak bude temperována celá zbývající obytná část domu. - Při stejných parametrech a provedeních je systém VZT ještě vybaven ohřívačem (elektrickým, teplovodním), který vzduch po rekuperaci dohřeje na požadovanou teplotu tak, aby bylo možné udržet teplotu v interiéru na požadované hodnotě. V tomto řešení je topný výkon v koupelnách dimenzován dle tepelné ztráty tohoto prostoru.
Podíváme-li se ale na celou záležitost z hlediska vzduchu jako nosiče tepelné energie, pak potřebujeme určité množství vzduchu, které přenos zabezpečí. Budeme-li předpokládat, že dům bez koupelen má tepelnou ztrátu cca 1400 W, pak potřebujeme následující množství vzduchu:
1.1. v této variantě potřebujeme pro přenos 1400 W pří teplotě přiváděného vzduchu do místnosti 22 °C a teplotě interiéru 20 °C (Δt = 22 - 20 = 2 °C) množství:
V = Q/ (σ * C * Δt) = 1,4 / (1,2 *1,01 * 2) = 0,577 m3/s ≈ 2 079 m3/h.
Z hlediska větrání je to absolutně nereálné. Navíc - běžné větrací jednotky pro bytovou výstavbu (pro byty a rodinné domy) mají max. větrací výkon 160 - 350 m3/h. Také účinnost rekuperace - běžně uváděná hodnota lepších výrobců 85 - 95 % - je při průtoku vzduchu 100 m3/h. Rekuperační výměník, který by měl účinnost 90 % při průtoku vzduchu cca 2079 m3/h, v současné době není v nabídce žádné firmy.
1.2. Druhá varianta počítá s ohřevem vzduchu po rekuperaci. Otázkou je, na jakou teplotu. Jako maximální teplota pro ohřev vzduchu se udává 50 °C. Nad touto teplotou již dochází k tzv. přepalování prachu (karbonizaci), který se rozpadá na menší částice a uvolňují se další těkavé látky. Ty pak pronikají do plicních komůrek, způsobují problémy při dýchání (dráždění, kašel). Teplejší vzduch má také velmi nízkou relativní vlhkost (při stejné měrné vlhkosti), takže v blízkosti vyústek může docházet k výraznému místnímu přesušení (jak vzduchu, tak i konstrukce). Když budeme tedy počítat s max. teplotou 50 °C, pak je (Δt = 50 - 20 = 30 °C). Potřebné množství vzduchu pro přenos 1400 W je:
V = Q/ (σ * C * Δt) = 1,4 / (1,2 *1,01 * 30) = 0,00385 m3/s ≈ 139 m3/h.
Teoreticky tedy vychází hodnota i vzhledem k požadavku na větrání. Je třeba si ale uvědomit, že při požadavku na topení je potřeba větrat - bez ohledu na to, jaká je produkce vlhkosti v interiéru, kolik osob se v domě nachází (čím měně osob, tím méně zisků tepla z jejich tělesné činnosti = větší požadavek na výkon topné soustavy). Při maximálním požadavku na temperování je zároveň venku nejnižší teplota = velmi nízká měrná vlhkost a vracíme se do úvodu tohoto článku - nízká relativní vlhkost. Že to není jen tvrzení, dokazují i zkušenosti z provozu bytových domů standardu energeticky pasivní výstavby z Rakouska, které byly postaveny v rámci projektu CEPHEUS v letech 1999 - 2001. Při měřeních rh interiéru byly v nejchladnějších obdobích naměřeny hodnoty v rozsahu 40 - 30 %; v některých bytových jednotkách dokonce 30 - 20 %. Ve zdůvodnění se v některých pramenech uvádí: "tyto hodnoty jsou sice nízké, ale vzhledem k vysokým teplotám interiéru (neznáme je, nebyly uvedeny) ještě v hranici přijatelnosti." Tento VZT systém, pokud je bez další otopné soustavy použit pro temperování prostoru, neumožňuje rychlý zátop. Jeho použití (pro vytápění) je také omezeno na objekty s velmi nízkou tepelnou ztrátou.
Vytápění objektu pomocí vnitřní cirkulace vzduchu, větrání s rekuperací
Jako alternativa k předchozímu způsobu vytápění byl vyvinut v ČR systém, který díky tzv. cirkulaci může být použit i pro objekty, jejichž tepelná ztráta při výpočtové venkovní teplotě je až 8 kW, aniž by bylo jakýmkoliv způsoben narušeno větrání (vč. zvýšených požadavků na intenzitu výměny vzduchu). Dokonce i relativní vlhkost interiéru může být udržováno v rozsahu 40 - 50 %, jak prokázala měření v realizovaných a trvale obydlených objektech (viz graf č. 8).
Obr. č. 8 - graf měření relativní vlhkosti v obydleném domě, vybaveném systémem teplovzdušného cirkulačního vytápění
a nárazového větrání s rekuperací odp. tepla. Výtah je z období 15. - 21.2.2005. Hodnoty se pohybují v rozsahu 42 - 50 %
(nárazové zvýšení nad 55 % bylo způsobeno žehlením napařovací žehličkou pod měřicím čidlem)
Jakým způsobem vše funguje a jaké další rozšíření základního rovnotlakého větracího systému cirkulace umožňuje?
Princip systému s vnitřní cirkulací byl popsán v úvodu tohoto článku. Ve většině zemí Evropy je tento systém neznámý. Centrální teplovzdušná vytápěcí a větrací jednotka se velmi zásadně liší od větracích rovnotlakých jednotek. Má totiž pět hrdel pro vstup/výstup vzduchu (standardní větrací jednotka má hrdla čtyři). V zásadě je to kombinace amerického cirkulačního vzduchově-vytápěcího systému, který je doplněn o samostatný okruh větrání (německý model). V centrální jednotce, díky soustavě klapek a řízení, je možné využít a skloubit přednosti obou systémů. Díky cirkulačnímu okruhu je celý obytný prostor (mimo WC, koupelny) spojen do jednoho velkého prostoru, který je "opticky" rozdělen příčkami. Díky tomu osoby, které v objektu jsou, mají k dispozici celou kapacitu obestavěného prostoru - když sedí v obývacím pokoji, dýchají vzduch i z ložnice, která není obsazena. Tento systém umožňuje cirkulovat po objektu vnitřní vzduch o výkonu 300 - 1200 m3/h - dle velikosti domu a dle tepelné ztráty. Nejedná se ale v žádném případě o vzduch větrací!!! Je to vzduch interiérový, využitý v tomto systému pro transport tepla po objektu. Není dokonce ani nutné, aby se větralo - např. v době, kdy v objektu nejsou žádné osoby, je temperování objektu dle požadavku zajištěno cirkulačním okruhem s ohřevem interiérového vzduchu. Větrání je pak omezeno na minimum, v nárazovém spouštění postačující na odvod škodlivin z nábytku apod.
Cirkulační vzduch je nasáván ze společného prostoru (nejčastěji chodby) o teplotě cca 20 - 22 °C, přiváděn do jednotky, zde prochází přes filtr (snižování prašnosti interiéru), dle potřeby ohříván na cca 40 - 50 °C a rozváděn zpět do všech obytných místností. Je tedy možné pomocí tohoto cirkulačního vzduchu do objektu přivádět topný výkon 2,5 - 10 kW!! V režimu větrání (ať už stálém nebo nárazovém) je pak z objektu odváděno množství vzduchu dle požadavku na větrání (např. 100 - 180 m3/h). Množství interiérového cirkulačního vzduchu potřebného pro temperování objektu, který je nasáván zpětnou cirkulační větví k centrální VZT jednotce, je v tomto režimu sníženo o výkon větrání (nižší o 100 - 180 m3/h, které jsou odváděny z interiéru objektu přes koupelny, WC a kuchyně). Deficit je pak nahrazován čerstvým vzduchem stejného množství, který je v jednotce smíchán se zbývajícím vzduchem cirkulačním - tím je k dispozici opět potřebné množství vzduchu pro přenos tepelné energie na temperování objektu. Po průchodu filtrem je celé toto množství dohřáno dle požadavku na vytápění a rozvedeno do obytných místností. Odvětrávají se koupelny, WC, kuchyně; čerstvý vzduch se přivádí do obytných místností. Vnitřní řízení jednotek je obvykle upraveno tak, aby např. v době vaření byl cirkulační okruh uzavřen. Tím se teplovzdušná cirkulační VZT jednotka přestaví do systému rovnotlaké větrací jednotky. Předpokládá se, že při vaření je do objektu vyzařováno teplo z vaření, uvažuje se i s akumulací tepla v konstrukcích domu (i v dřevostavbách), postačující na udržení teploty v požadované úrovni po dobu vaření. Tím nemůže dojít k rozšíření pachů z vaření cirkulačním okruhem po celém objektu.
Tímto systémem je pak možné nahradit samostatnou otopnou soustavu tak, jak je chápána v tradičním evropském pojetí - rozvod otopné vody a otopné plochy v jednotlivých místnostech (radiátory apod.). Je také jednodušší na ovládání a řízení - vše (temperování, větrání i chlazení) je ovládáno jedním ovladačem.
Doplňkové systémy úpravy přiváděného vzduchu
Pro nasávání vzduchu jsou realizovány další systémy přívodu vzduchu, umožňující úpravu teploty (chlazení v letním období a předehřev v období zimním). Jedná se o tzv. zemní registry (kolektory). Této problematice bude věnován samostatný příspěvek.
Závěr
Zkušenosti, získané v zahraničí při dlouholetých pokusech a při ověřování návrhů VZT systémů pro bytovou výstavbu, nám umožňují celé toto pionýrské období přeskočit. Můžeme začít a pokračovat dle posledních poznatků vědy a techniky. Zároveň v naší republice nejsme zatíženi těmito zaběhlými zahraničními postupy, které jsou mnohdy přejímány a používány jako šablony. Můžeme proto přinést nový, neotřelý názor na zjednodušení těchto systémů tak, aby byly přístupné pro každou realizaci moderního, nízkoenergetického domu. V zahraničí jsou některé "české úpravy" často předem odsuzovány a zůstávají nepochopeny. Využijme toho a společně pozvedněme oblast českého TZB na přední místo v oblasti světové vědy a techniky.