Větrání místností při činnosti plynových spotřebičů typu A
Při činnosti plynových spotřebičů typu A pronikají při hoření plynu do místnosti spaliny plynu, které obsahují škodliviny (oxid uhelnatý CO, oxid uhličitý CO2, vodní páru H2O). Při spalování plynu také klesá koncentrace kyslíku O2. Vodní páru musíme považovat také za škodlivinu. Z výsledků výpočtů vyplývá, že množství této vlhkosti je dominantní pro stanovení minimálního objemu místnosti nebo minimálního objemového průtoku větracího vzduchu.
Aby objemové koncentrace škodlivin v místnosti nepřekročily maximální přípustné hodnoty, musí být zajištěn buď minimální objem místnosti, nebo minimální objemový průtok větracího vzduchu místností. Pokud nelze zajistit ani jednu z minimálních hodnot, je možná kombinace obou opatření. Předmětem tohoto příspěvku je stanovení hodnot minimálního objemu místnosti nebo minimálního objemového průtoku větracího vzduchu v místnosti, a to pro spotřebiče produkující pouze škodliviny ze spalin, např. ohřívače vody. Ne spotřebiče, které navíc produkují škodliviny z technologického procesu, např. z vaření potravin.
Minimální objem místnosti se určuje z přírůstku škodliviny, minimální objemový průtok větracího vzduchu se určuje z maximálního průtoku škodliviny.
1. Škodliviny ve spalinách
1.1 Stanovení množství a průtoku škodlivin ze spalin
Protože zemní plyn u nás je tvořen z 98 % metanem CH4, můžeme se dále zabývat pouze metanem. Jeho spalovací rovnice je
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O.
Z rovnice plyne, že spalování se zúčastní 1 m3 CH4 a 2 m3 O2. Vznikne 1 m3 CO2 a 2 m3 H2O. Při spalování se získá spalné teplo bh ve výši 11 kWh/(m3 CH4). Z prostoru se odeberou 2 m3 O2. Dusík N2 ze vzduchu se spalovací reakce nezúčastňuje.
Ze spalovací rovnice plyne, že ze spalin vzniklých spálením 1 m3 CH4 (dále jen plynu) vznikne:
- objemové množství oxidu uhličitého CO2 ve výši
- objemové množství vodní páry H2O ve výši
kde Op1 je jednotkové objemové množství spáleného plynu (m3).
Pro spálení 1 m3 plynu je nutné objemové množství kyslíku O2 (m3) ve výši
Objem kyslíku je záporný, protože kyslík je z prostoru odebírán, takže jeho objemová koncentrace v prostoru klesá.
Ze vztahů (1 až 3) lze vyvodit obecný vztah pro objemové množství škodliviny (m3)
kde
e - součinitel množství škodliviny = Os / Op (-)
Op - objemové množství spáleného plynu (m3).
Součinitel množství škodliviny má hodnoty pro CO2 e =1, pro H2O e = 2 a pro O2 e = -2.
Tepelný výkon (kW) provázející spalování plynu je dán vztahem
Vp - objemový průtok plynu (m3.h-1)
bh - spalné teplo plynu = 11 (kWh.m-3).
Další tvar vztahu pro objemové množství škodliviny (m3) je
kde e je součinitel množství škodliviny (viz vztah 4). (-)
Pro objemový průtok škodliviny (m3.h-1) platí, že
Pokud spotřebič pracuje během doby τ s několika hodnotami tepelného výkonu, musí být nahrazen součin (Qp . τ), což je teplo z hořáku Ep (kWh), teplem podle vztahu
Qpi je dílčí výkon působící v dílčí době činnosti τi (kW) τi - dílčí doba činnosti s dílčím výkonem Qpi (h).
Pro výpočty vlhkostí je vhodné používat hmotnost vodní páry H2O (kg) v spalinách, která je dána vztahem
a hmotnostní průtok vodní páry (kg.h-1) rovněž ve spalinách, který je dán vztahem
Číselná konstanta ve vztazích (9 a 10) představuje hmotnost vodní páry (kg) ve spalinách vzniklých spálením 1 m3 plynu. K této hodnotě je možno dojít touto úvahou. Ze spalovací rovnice totiž plyne, že z látkového množství CH4 ve výši 1 kmol vznikne látkové množství vodní páry ve výši 2 kmol o hmotnosti 2 . 18 = 36 kg. Protože molární objem plynných látek je 22,4 m3.kmol-1, vznikne z 1 m3 plynu 36 / 22,4 = 1,6 kg vodní páry.
1.2 Odvození základních vztahů
Objemovou koncentraci škodliviny (-) lze vyjádřit vztahem (platí pouze pro malé hodnoty)
Os je objem škodliviny v místnosti (m3)
Om - objem místnosti (m3).
Při produkci škodliviny do místnosti bude nový objem škodliviny (m3) dán vztahem
Os1 je původní objem škodliviny v místnosti (m3)
Vs - objemový průtok škodliviny do místnosti (m3.h-1)
τ - doba působení průtoku škodliviny do místnosti (h).
Po úpravě vztahu (12) dělením veličinou Om získáme vztah
fs2 je nová objemová koncentrace škodliviny v čase τ (-)
fs1 - původní (počáteční) objemová koncentrace škodliviny (-).
Nakonec zavedeme vztah pro objemový průtok škodliviny (m3.h-1)
Objemové nebo hmotnostní množství škodliviny je možno stanovit ze součinu objemového nebo hmotnostního průtoku škodliviny a doby průtoku.
1.3 Průběh tepelného výkonu spotřebiče
Průběhem tepelného výkonu spotřebiče rozumíme závislost jeho tepelného výkonu na čase. Plynový spotřebič nemusí pracovat při stálém tepelném výkonu. Výkon je často regulován automaticky nebo ručně. Z hodnot, které udávají průběh výkonů, stanovíme teplo vydané plynovým sporákem Ep (kWh), podle vztahu (8). Toto teplo je charakteristickou veličinou sporáku potřebnou pro další výpočty.
1.4 Odvození vztahů pro minimální objem místnosti
Obr. 1 Produkce škodliviny v místnosti bez větrání
Ze vztahů (13), (6), (14) a (8) vyplývá vztah pro minimální objem místnosti (m3)
fs2d je maximální přípustná objemová koncentrace škodliviny v místnosti (-).
U vztahů, které se týkají vlhkosti, je výhodné používat hmotnostní koncentraci (-) danou vztahem
Mo je hmotnost vlhkosti v místnosti (kg)
Ma - hmotnost suchého vzduchu v místnosti (kg)
ρa - hustota suchého vzduchu v místnosti (kg.m-3).
Veličina x se také nazývá měrnou vlhkostí vzduchu nebo také vodním obsahem.
Minimální objem místnosti (m3) je možno odvodit ze vztahu (16), kdy
ΔMo je přírůstek hmotnosti vlhkosti v místnosti = Mo2d - Mo1 (kg)
Mo2d - dovolená vlhkost na konci procesu (kg)
Mo1 - vlhkost na počátku procesu (kg)
x2d - dovolená měrná vlhkost na konci procesu (-)
x1 - měrná vlhkost na počátku procesu (-).
Po dosazení přírůstku hmotnosti vlhkosti v místnosti ze vztahu (9) do (17) získáme potřebný výpočtový vztah pro minimální objem místnosti (m3)
1.5 Odvození vztahů pro oxid uhelnatý
Zvláštním případem produkce škodliviny ze spalin je produkce oxidu uhelnatého CO, jehož nejvyšší dovolená objemová koncentrace vztažená k objemu suchých spalin je podle ČSN 07 5801 fCOd = 5. 10-4. Suché spaliny vzniklé spálením 1 m3 CH4 jsou podle spalovací rovnice složeny z 1 m3 CO2 a z 8 m3 N2, čili mají objem 9 m3.
Objemový průtok spalin (m3.h-1) lze proto popsat vztahem
Objemový průtok CO ve spalinách (m3.h-1) je potom dán vztahem
Zavedeme-li maximální přípustnou koncentraci CO v místnosti (-) vztahem
získáme po dosazení za VCO (vztah 20)
ze kterého vyjádříme
Nakonec upravíme vztah (23) do tvaru vhodného pro výpočet minimálního objemu místnosti (m3)
1.6 Odvození výpočtového vztahu pro minimální objemový průtok větracího vzduchu místností (obr. 2)
Obr. 2 Produkce škodliviny v místnosti s větráním
Bilanci škodliviny lze popsat vztahem
Va je objemový průtok větracího vzduchu (m3.h-1)
fsi - objemová koncentrace škodliviny v místnosti (-)
fse - objemová koncentrace škodliviny ve vnějším prostředí (-).
Pokud vztah (25) dělíme veličinou Va, získáme po úpravě vztah
Ze vztahu (26) vyplývá vztah pro minimální objemový průtok větracího vzduchu (m3.h-1)
Qpmax je maximální objemový průtok plynu (m3.h-1) fsid - maximální přípustná objemová koncentrace škodliviny v místnosti (-).
Při použití hodnot pro měrnou vlhkost vytvoříme bilanční vztah pro vlhkost
mo je hmotnostní průtok vlhkosti do místnosti (kg.h-1)
xe - měrná vlhkost vzduchu přiváděného do místnosti (-)
xid - dovolená měrná vlhkost vzduchu v místnosti = měrné vlhkosti vzduchu odváděného z místnosti (-).
Hledaný vztah pro stanovení minimálního objemového průtoku větracího vzduchu (m3.h-1) získáme pomocí vztahu (10) a po úpravě vztahu (28)
V případě oxidu uhelnatého CO bude minimální objemový průtok větracího vzduchu (m3.h-1)
1.7 Stanovení potřebného objemového průtoku větracího vzduchu místností při daném objemu místnosti
Potřebný objemový průtok větracího vzduchu místností (m3.h-1) se stanoví ze vztahu
kde Om je objem místnosti (m3).
2. Příklad výpočtů minimálních objemů místnosti a minimálních objemových průtoků větracího vzduchu místností
Pro výpočty se předpokládá, že tepelný výkon je 9,2 kW a doba běhu ohřívače 0,2 h. Teplo z ohřívače je 9,2 . 0,2 = 1,84 kWh, zaokrouhleně 1,9 kWh.
2.1 Pro oxid uhličitý CO2
Komentář
Pro výpočty jsou potřebné následující výchozí údaje. Maximální přípustná objemová koncentrace CO2 v místnosti fsid = 25 . 10-3 (hygienické předpisy), objemová koncentrace CO2 v okolním vzduchu fsid = 0,3. 10-3 (údaj z učebnic fyziky), maximální tepelný výkon plynového hořáku Qpmax = 9,2 kW, teplo z plynového hořáku Ep = 1,9 kWh, spalné teplo plynu bh = 11 kWh.m-3.
Řešení
Minimální objem místnosti je podle vztahu (15)
Omd = 1 . 1,9 / {11 . (25,0 - 0,3) . 10-3} = 7 m3.
Minimální objemový průtok větracího vzduchu je podle vztahu (27)
Vad = 1 . 9,2 / {11 . (25,0 - 0,3) . 10-3} = 34 m3.h-1.
2.2 Pro vlhkost
Komentář
Pro výpočty jsou potřebné následující výchozí údaje. Měrná vlhkost na počátku procesu x1 = 9 . 10-3 (teplota vzduchu 20 °C, relativní vlhkost 60 %), dovolená měrná vlhkost na konci procesu x2d = 16. 10-3 (teplota vzduchu 24 °C, relativní vlhkost 82 %), maximální tepelný výkon plynového hořáku Qpmax = 9,2 kW, teplo z plynového hořáku Ep = 1,9 kWh, spalné teplo plynu bh = 11 kWh.m-3.
Řešení
Minimální objem místnosti je podle vztahu (18)
Omd = 1,6 . 1,9 / {11 . (16 - 9) . 10-3 . 1,16} = 34 m3.
Minimální objemový průtok větracího vzduchu je podle vztahu (29)
Vad = 1,6 . 9,2 / {11 . (16 - 9) . 10-3 . 1,16} = 164 m3.h-1.
2.3 Pro kyslík O2
Komentář
Pro výpočty jsou potřebné následující výchozí údaje. Minimální přípustná objemová koncentrace O2 v místnosti fO2d = 0,19 (hygienické předpisy), počáteční objemová koncentrace O2 v místnosti fO21 = 0,21 (současně i objemová koncentrace O2 vnějšího vzduchu fO2e), maximální tepelný výkon plynového hořáku Qpmax = 9,2 kW, teplo z plynového hořáku Ep = 1,9 kWh, spalné teplo plynu bh = 11 kWh.m-3. Ve vzorcích se již zohledňují dvě znaménka minus. U veličiny e = -2 a koncentrace O2, kde se nejedná o nárůst ale o opak, čili pokles.
Řešení
Minimální objem místnosti je podle vztahu (15)
Omd = 2 . 1,9 / {11 . (0,21 - 0,19)} = 17,3 m3.
Minimální objemový průtok větracího vzduchu je podle vztahu (27)
Vad = 2 . 9,2 / {11 . (0,21 - 0,19)} = 84 m3.h-1.
2.4 Pro oxid uhelnatý CO
Komentář
Pro výpočty jsou potřebné následující výchozí údaje. Nejvyšší dovolená objemová koncentrace CO ve spalinách fCOd = 5. 10-4 (ČSN 07 5801), maximální přípustná objemová koncentrace CO v místnosti fCOmax = 131 . 10-6 (hygienické předpisy), maximální tepelný výkon plynového hořáku Qpmax = 9,2 kW, teplo z plynového hořáku Ep = 1,9 kWh, spalné teplo plynu bh = 11 kWh.m-3.
Řešení
Minimální objem místnosti je podle vztahu (24)
Omd = 9 . 5 . 10-4 . 1,9 / (131 . 10-6 . 11) = 6 m3.
Minimální objemový průtok větracího vzduchu je podle vztahu (30)
Vad = 9 . 5 . 10-4 . 9,2 / (11 . 131 . 10-6) = 28,8 m3.h-1.
3. Přehled výsledků výpočtů a komentář
Výsledky výpočtů minimálních objemů místnosti a minimálních objemových průtoků větracího vzduchu místností pro plynové ohřívače vody jsou uvedeny v tab. 1. Nejvyšší hodnoty minimálního objemu místnosti a minimálního objemového průtoku větracího vzduchu místností vycházejí z bilancí vlhkosti.
4. Zajištění větracího vzduchu přirozeným tahem
Pokud je pro místnost s plynovým spotřebičem požadován určitý objemový průtok větracího vzduchu, který má být zajištěn přirozeným tahem, musí být v místnosti provedeny dva větrací otvory do vnějšího prostředí. Jeden pod stropem, druhý nad podlahou (obr. 3). Shodné průřezy těchto otvorů budou stanoveny podle následujících vztahů.
Obr. 3 Schema přirozeného větrání v místnosti
Předběžný průřez větracích otvorů (m2) se vypočítá ze vztahu
Va je požadovaný objemový průtok větracího vzduchu (m3.s-1)
va1 - předběžná rychlost větracího vzduchu ve větracích otvorech; volí se ve výši 0,5 (m.s-1).
Přirozený tah (Pa) je dán vztahem
h je svislá vzdálenost mezi středy větracích otvorů (m)
g - zemské zrychlení = 9,81 (m.s-2)
ρe - hustota vnějšího vzduchu při 15 °C = 1,18 (kg.m-3)
ρi - hustota vnitřního vzduchu při 25 °C = 1,14 (kg.m-3).
Tlaková ztráta (Pa) při proudění větracího vzduchu
ζc je součet součinitelů místních odporů, nejčastěji = 3 (-).
Pokud z výsledků výpočtů vyplývá, že tah je větší nebo roven tlakové ztrátě, jsou průřezy větracích otvorů dostatečné. Jinak musí být průřezy větracích otvorů zvětšeny a výpočet tlakové ztráty musí být opakován.
Když pro přívod nebo odvod větracího vzduchu bude použit vzduchovod nebo větrací šachta, bude výpočet tlakové ztráty odlišný.
4.1 Příklad na dimenzování větracích otvorů
Zadání
Má být určen průřez větracích otvorů pro místnost s plynovým spotřebičem. Přirozeným tahem má být zajištěn požadovaný objemový průtok větracího vzduchu Va = 175 m3.h-1 = 135 / 3600 = 0,049 m3.s-1. Svislá vzdálenost mezi středy větracích otvorů h = 2 m.
Řešení
Předběžný průřez větracích otvorů, při zvolené rychlosti větracího vzduchu ve větracích otvorech va1 = 0,5 m.s-1, bude podle (32)
A1 = 0,049 / 0,5 = 0,098 m2.
Přirozený tah bude podle (33)
Δpt = 2 . 9,81 . (1,18 - 1,14) = 0,8 Pa.
Tlaková ztráta při proudění větracího vzduchu, při volbě součtu součinitelů místních odporů ζc = 3, bude podle (34)
Δpz = 3 . 0,52 . 1,18 / 2 = 0,44 Pa.
Protože Δpt ≥ Δpz, je průřez větracích otvorů A1 = 0,098 m2 dostatečný. Rozměry mohou být např. 310x310 mm.
Oponentní posudek
Posuzovaný článek je s hlediska problematiky velmi aktuální. Tím spíše, že v řadě prostor /bytových jednotkách/, kde došlo k výměně oken, jsou v provozu plynové spotřebiče uvedeného typu. Jsou zde uvedeny postupy pro stanovení množství větracího vzduchu a to přes stanovení produkce škodlivin, které vznikají při spalování plynu ve spotřebičích uvedeného typu. Dále jsou zde uvedeny vztahy pro výpočet objemového množství větracího vzduchu při vývinu škodlivin, jako jsou: kysličník uhelnatý, kysličník uhličitý, vlhkost apod. V závěru článku jsou uvedeny výpočty pro stanovení množství větracího vzduchu tahem a výpočty dimenzí přívodních otvorů.
Celá problematika je doplněna obrazovými schématy. Závěrem konstatuji, že pokyny, které plynou z uvedeného článku, jsou velmi užitečné a jsou aplikovatelné pro praxi. Tato problematika bude v budoucnu ještě více doceněna. Doporučuji vydání článku.
doc. Ing. Karel Papež, CSc.
Products resulting from the combustion of gas that contain harmful substances (carbon monoxide CO, carbon dioxide, CO2, water vapor, H2O) can penetrate into a room during the activity of Type A gas appliances. The concentration of oxygen, O2, also decreases during the combustion of gas. Water steam should also be considered harmful. The results of calculations show that the rate of humidity is most important for determining the minimum volume of the room or the minimum volumetric flow rate of ventilation air.