Hvězdicovité vzduchotechnické rozvody a porovnání tlakové ztráty kruhového a plochého potrubí

Hygiena vnitřního prostředí je kritérium, které se v rámci požadavků investorů velmi rychle vyvíjí a je jedním ze základních kritérií při volbě technologií použitých pro technické zařízení budov současnosti. Této problematiky se týká i čím dál tím častější používání řízeného větrání, které zajišťuje příjemné a zdravé prostředí nejen pro obyvatele domu, ale i pro objekt samotný. Tento velmi častý problém spojený s instalací těsných oken, dveří a současného „nevětrání“ má totiž velký význam na znehodnocování objektu nadměrnou vlhkostí pronikající do stavebních konstrukcí, výskytem různorodých plísní. I vyhláška č. 264/2020 Sb. o energetické náročnosti budov, která je účinná od 1. 9. 2020, tuto problematiku zohledňuje a poměrně značně zvýhodňuje stavby s řízeným větráním s rekuperací tepla. Právě rekuperací je totiž možno získat zpět i 90 % tepla z odváděného vzduchu. Dojde tedy ke snížení celkové tepelné ztráty objektu, jejíž značný díl činí právě tepelná ztráta větráním.

Důležitost rekuperace tepla dále roste s vývojem nových stavebních hmot, prvků a provedení, která snižují ztrátu tepla prostupem. Nové stavební projekty už tedy s řízeným větráním velmi často počítají, v řadě případů se bez něj ani neobejdou a uzpůsobují mu velikost jinak často velmi malé nebo dokonce neexistující technické místnosti z důvodu potřeby místa na umístění vzduchotechnické jednotky. Tato jednotka bývá mozkem i srdcem větrání objektu. Neméně důležitou je ovšem i distribuce vzduchu do jednotlivých místností a zpětný odtah znečištěného, spotřebovaného vzduchu z nich. O to se starají vzduchotechnické rozvody, které mohou mít více provedení.

Druhy vzduchotechnických rozvodů v rodinných domech

Tradičním principem je použití hlavní kmenové větve, která se dále rozvětvuje, dělí a přivádí tak vzduch do jednotlivých místností. Tento princip se mimo jiné opírá i o dříve, před nástupem plastů, jediné možné provedení vzduchotechnických rozvodů zhotovením z ocelového pozinkovaného plechu. Provedení s kmenovou větví má však značnou nevýhodu v dimenzích potrubí, které často nekorespondují s běžnou světlostí podhledu současných staveb. Navíc se jedná o spojování prvků nepřizpůsobivého materiálu, složité řešení ohybů mimo vymezený rozsah úhlů a velmi těžko se tedy řeší i případné rozměrové nepřesnosti vyplývající z nemožnosti přesného zaměření nebo nedodržení projektu.

Dnes pro rodinné domy velmi hojně využívaným principem je zapojení do hvězdicovité soustavy, jejímž středem je distribuční box a z něj vychází rozvody do místností. Toto provedení spočívá v umístění minimálně dvou distribučních boxů uvnitř objektu, přičemž jeden zajišťuje přívod čistého vzduchu a druhý potom odtah vzduchu znečištěného. Tyto boxy jsou s větrací jednotkou spojeny potrubím standartní dimenze s tlumiči hluku, ale díky možnosti volby umístění například do technické místnosti se nejedná o limitní vlastnost tohoto provedení.

S distribučními boxy lze velmi jednoduše řešit větrání jednotlivých podlaží zvlášť, příklad je na obrázku. Lze také použít pro každé podlaží samostatnou dvojici boxů.

Od těchto distribučních boxů jsou potom jednotlivé větve provedeny flexibilním potrubím o standartní výšce 75 až 90 mm, které je možno velmi snadno ohýbat či tvarovat. Je tedy možno se například vyhnout ostatním rozvodům nebo trámu, a to plynule s ohyby bez omezení úhlu ohybu. Nejsme proto omezeni ve volbě přesně definovaných prvků, které umožní potrubí složit jen v konkrétně definovaných úhlech. Flexibilní prvky jsou lehké, snadno se s nimi pracuje a jejich délku je možno snadno upravit. K jejich propojení není zapotřebí žádný nástroj, i samotná práce s tímto systémem je tedy velmi jednoduchá a snadná.

Konstitučně je možno větve vzduchovodů i zdvojit. Při potřebě většího množství přiváděného nebo odváděného vzduchu může vést k jedné vyústce dvojice potrubí. Tím je zajištěna rychlost proudění nižší než 3 m/s, provoz tedy bude velmi tichý.

Při potřebě instalovat vzduchovod do podhledu s velmi malou světlostí je možno využít i plochého potrubí o výšce 50 mm. To má průřez ve tvaru plochého obdélníku – „chlebíku“ – a je velmi oblíbené pro vedení vzduchu v podlaze. Právě i možnost výběru způsobu vedení potrubí, v podhledu, ve stěně nebo v podlaze je jednou z předních výhod tohoto systému. V případě bungalovů je potom běžné vedení potrubí v půdním prostoru pod izolací tak, aby nemohlo docházet ke kondenzaci na vnitřní straně potrubí. Pokud je potrubí nutné vést nad touto izolací, je nutné ho izolovat dostatečnou vrstvou převlečné izolace.

Distribuční boxy mohou být i součástí podlahy. Je zde kladen pouze požadavek na přístupnost revizního otvoru. Revizní otvor slouží nejen jako přístup pro čištění rozvodů, ale umožňuje i hlavní zaregulování jednotlivých větví, které probíhá vkládáním clonek revizním otvorem do výstupních portů distribučních boxů. Clonky jsou opatřeny vylamovatelnými přepážkami, které se odebírají na základě teoretického výpočtu a pozdějšího měření anemometrem na konkrétních vyústkách. Postupným vylamováním přepážek tedy snižujeme tlakovou ztrátu jednotlivých větví a zároveň regulujeme průtoky vzduchu potrubím do jednotlivých větví systému.

Hvězdicovitý rozvod s distribučními boxy s vyměnitelnými a upravitelnými regulačními clonkami má velkou výhodu v možnosti dodatečných změn, například po stavebních úpravách v objektu. Dále je velmi vhodný i po stránce akustiky. Na vyústkách v místnostech, které mohou při škrcení průtoku vzduchu vydávat různé hlukové šelesty, můžeme regulovat až sekundárně. K hlavní regulaci slouží clonky v boxu a jen k jemnému doregulování je možno využít vyústky.

Oblíbeným způsobem spojité regulace je potom vřazený manuální regulátor, který je umístěn na kterékoli větvi za distribučním boxem.

Hygienické parametry

Pokud se pro princip hvězdicovité soustavy rozhodneme, je také nutno sledovat provedení vnitřního povrchu potrubí. Některé výrobky jsou totiž z vnitřní strany opatřeny speciální vrstvou, která zajišťuje antistatičnost a antibakterialitu. Jedná se o vlastnosti, které mají skutečně velký význam pro uchování hygienického prostředí v objektu. Mohlo by dojít k distribuci prachových částic dříve sedimentovaných na vnitřním povrchu potrubí a dalších vzduchotechnických prvků, kde by tak mohly tvořit živnou půdu pro různorodé mikroorganismy. Je tedy zcela jistě na místě tuto vrstvu vyžadovat, a i tak průběžně systém čistit běžným konvenčním způsobem.

V současné době se lze často setkat s dotazy investorů na vliv řízeného větrání na přenos virů a bakterií. Je logické, že standartní provedení vícestupňové filtrace vzduchu současných větracích jednotek není k zachycení virů a bakterií přímo určeno, rodinný dům by neměl být považován za tzv. čistý prostor. Běžnými třídami filtrů těchto jednotek jsou G4 a F7, které tuhé částice a pyly velmi dobře zachycují. Za normálních podmínek viry a bakterie v dostatečné míře prochází, nedochází k jejich systematickému omezování a následnému snižování imunity obyvatel objektu. Přiváděn je vzduch z venkovního prostředí, který považujeme za přiměřeně čistý. Návrh větrání by tedy měl být proveden k zajištění přiměřené intenzity výměny vzduchu. Zároveň odváděný vzduch z místností není s přiváděným vzduchem směšován. Pokud by se tedy zdroj virů nebo bakterií vyskytoval uvnitř objektu, platí, že dobře navržené řízené větrání velmi redukuje čas setrvání těchto částic v objektu a tím chrání zdraví ostatních obyvatel.

Řízené větrání s rekuperací se postupně stává jednou ze základních součástí novostaveb rodinných domů, s jejich aplikacemi se budeme setkávat čím dál tím častěji, a i když se jedná o další investici, její význam je velmi rozsáhlý a nelze jej omezit jen na úsporu energie. Toto řešení je velmi vhodné pro rodinné domy a další obytné prostory, naopak není vhodné jej používat například pro účely větrání bazénů nebo dalších prostor s výskytem chemických znečišťovatelů.

Porovnání tlakových ztrát potrubí kruhového nebo plochého průřezu

Nabízí se myšlenka, jak se mění tlakové ztráty ve vzduchotechnickém potrubí v návaznosti na průtok vzduchu. Za účelem zjištění těchto skutečností jsme provedli analýzu našich potrubí kruhového průřezu v dimenzích DN 75 mm (s označením produktu AE34c) a DN 90 (s označením AE48c), a také potrubí plochého shodně ve dvou provedeních s rozměrem 102 × 50 mm (s označením AE35sc) a 140 × 50 mm (s označením AE45sc). Nutno podotknout, že potrubí nemá zcela hladký vnitřní povrch a z důvodu hygieny a snadnějšího přizpůsobování tvaru obsahuje zvlnění, nejedná se tedy o hladké potrubí.

Tato analýza má za úkol posoudit vhodnost jednotlivých potrubí pro jednotlivé průtoky. Zcela záměrně se věnuje pouze přímému vedení potrubí bez jakýchkoli záhybů či změn průřezů, zanedbáváme zde také změny způsobené vstupem a výstupem vzduchu z potrubí.

V praxi se snažíme dimenzovat potrubí vždy tak, aby nebyla rychlost proudění vyšší než 3 m/s. V rámci tohoto hodnocení se tedy budeme věnovat závislostem tlakových ztrát potrubí na průtoku vzduchu pouze do této kritické hodnoty. Porovnávat mezi sebou budeme jak rozdílné průměry stejného průřezu, tak i jednotlivé průřezy mezi sebou. Analýza se zabývá také paralelním vedením dvou větví vedle sebe. Pro účely porovnání byla použita data poskytnutá výrobcem.

Část A – Porovnání potrubí AE34c (DN 75) s potrubím AE48c (DN 90)

Na základě rozdílné světlosti je zcela logický a očekávatelný rozdíl mezi tlakovou ztrátou větší a menší dimenze potrubí ve prospěch dimenze DN 90. Rozdíl je zde patrný již od minimálních průtoků. S růstem průtoku roste v obou případech i tlaková ztráta a nedochází zde k žádným překvapením.

Část B – Porovnání plochého potrubí AE35sc (102 × 50 mm) s plochým potrubím AE45sc (140 × 50 mm)

S obdobným jevem se můžeme setkat i v případě použití plochého potrubí dvou rozdílných dimenzí.

Část C – Porovnání potrubí AE34c (DN 75) s plochým potrubím AE35sc (102 × 50 mm)

Pokud vzájemně porovnáme potrubí menších světlostí, tedy AE34c (DN 75) a ploché potrubí AE35sc (102 × 50 mm), zjistíme, že do průtoku zhruba 26 m³/h vychází lépe potrubí kruhového průřezu, nad touto hranicí naopak vítězí potrubí ploché. V mezní hodnotě 3 m/s rychlosti proudění, tedy přibližně 34 m³/h, vychází rozdíl přibližně na 0,7 Pa na délkový metr potrubí.

Část D – Porovnání potrubí AE48c (DN 90) s plochým potrubím AE45sc (140 × 50 mm)

Obdobným porovnáním v případě větších dimenzí (tedy AE48c a AE45sc) byla zjištěna značná podobnost tlakových ztrát až do průtoku 37 m³/h. Zde se křivky začínají rozcházet a při hodnotě 48 m³/h náležící v obou případech rychlosti proudění 3 m/s činí rozdíl přibližně 0,3 Pa na délkový metr potrubí.

Část E – Porovnání paralelního vedení potrubí AE34c (2× DN 75) s paralelním vedením plochého potrubí AE35sc (2× 102 × 50 mm)

Za předpokladu vedení dvou paralelních větví menších dimenzí (AE34c a AE35sc) vedle sebe se situace opakuje. Bod protnutí křivek se přesouvá do hodnoty průtoku 58 m³/h, rozdíl tlakových ztrát při 67 m³/h – tedy odpovídající hodnotě maximální rychlosti proudění, je však přibližně 0,3 Pa na délkový metr potrubí.

Část F – Porovnání paralelního vedení potrubí AE48c (2× DN 90) s paralelním vedením plochého potrubí AE45sc (2× 140 × 50 mm)

K obdobné situaci dochází i v případě porovnání paralelních vedení dvou větví dimenzí větších, tedy AE48c a AE45sc. Mezi hodnotami 68 a 85 m³/h jsou však křivky závislosti tlakových ztrát na rychlosti proudění téměř totožné. Při maximálním přípustném průtoku vzduchu 95 m³/h je pak rozdíl přibližně 0,2 Pa na metr potrubí.

Závěr

Porovnání různých dimenzí obdobných průřezů potrubí mělo zcela předpokládaný výsledek. S navýšením dimenze klesá tlaková ztráta, a to platí bez významných rozdílů pro oba průřezy potrubí. Pokud však budeme porovnávat potrubí rozdílných průřezů, i když se jedná o potrubí vhodné pro vedení obdobného množství vzduchu, objevují se patrné rozdíly.

V případě malých průtoků vzduchu vítězí potrubí kruhového průřezu, existuje však průsečík obou křivek a následně se role mění. V případě porovnání potrubí AE34c a AE35sc je tento průsečík umístěn v hodnotě průtoku přibližně 26 m³/h, v případě porovnávání potrubí AE48c a AE45sc potom v průtoku 37 m³/h. Nad tyto hodnoty je tedy dle výpočtů vhodnější užití potrubí plochého, a tuto teorii potvrzuje i paralelní vedení dvou větví potrubí vedle sebe. Při použití menších dimenzí najdeme průsečík křivek v hodnotě 58 m³/h.

Průběhy tlakových ztrát potrubí AE48c a AE45sc jsou mezi hodnotami průtoků 68 a 85 m³/h téměř shodné. Nad tímto rozmezím se křivky opět začínají rozcházet ve prospěch plochého potrubí. Výsledky tohoto zkoumání se vyjadřují pouze k přesně definovaným průřezům potrubí, není tedy vhodné je vztahovat ke kruhovým a plochým průřezům vzduchovodných kanálů obecně.

Ukazuje se, že vhodnou volbou potrubí lze provedení vzduchovodů z hlediska tlakové ztráty i přiměřeně optimalizovat. Příčinou zvýhodnění plochého potrubí při větších průtocích je menší drsnost plochého potrubí. V návaznosti na tento rozdíl se mění i koeficient Lambda, tedy i tlaková ztráta třením.