Úpravy vzduchu v klimatizačních zařízeních (I)

1. ÚVOD

Podle doporučeného obsahu projektové dokumentace vzduchotechniky [1] by součástí projektu měly být i h-x diagramy s naznačenou úpravou vzduchu.

1.1. ZÁKLADNÍ ÚDAJE POTŘEBNÉ K NÁVRHU ZAŘÍZENÍ

Pro návrh a dimenzování klimatizačních zařízení je nutné znát vstupní parametry výpočtu. Následujících tabulky zobrazují některé z těchto parametrů (pro běžné aplikace), které jsou potřebné jak k návrhu zařízení tak i k zakreslení úpravy vzduchu v h-x diagramu.

Pro určení stavu venkovního vzduchu jsou zde uvedeny konkrétní hodnoty používané při návrhu zařízení v klimatických podmínkách ČR. Parametry vnitřního vzduchu se mohou lišit v závislosti na konkrétní aplikaci. Uvedené hodnoty platí např. pro kancelářské prostory. V případě výskytu odlišností od základních údajů bude v textu na tuto skutečnost upozorněno.

Dále je nutné znát parametry klimatizačního zařízení, které se stanoví z tepelné a vlhkostní zátěže prostoru. Tepelná zátěž a tepelná ztráta prostoru se vypočítá dle platných českých norem (ČSN 73 0548 a ČSN 06 0210). Pracovní rozdíl teplot t se stanovuje s ohledem na použitou distribuci vzduchu. Pro znázornění úpravy vzduchu chlazení je potřeba znát typ chladiče vzduchu (vodní, přímý výparník) a jeho parametry (povrchová teplota).

PARAMETRY VENKOVNÍHO VZDUCHU

	ozn.	veličina	Léto	Zima
Teplota	te	°C	30 (32)	te výp - (3 až 5) K *
Entalpie	he	kJ/kg	56	-
Relativní vlhkost	φe	%	-	100

PARAMETRY VNITŘNÍHO VZDUCHU

	ozn.	veličina	Léto	Zima
Teplota	ti	°C	25 až 27	20 až 22
Relativní vlhkost	φi	%	30 až 70	30 až 70

TEPELNÉ A VLHKOSTNÍ ZÁTĚŽE

	ozn.	veličina	Léto	Zima
Tepelné zisky	Qi,c	kW	ano	ne**
Tepelné ztráty	Qi,c	kW	ne	ano
Vlhkostní zisky	Mw	kg/s	ano	ano

PARAMETRY KLIMATIZAČNÍHO ZAŘÍZENÍ

	ozn.	veličina	Léto	Zima
Průtok větracího vzduchu	V	m3/h	ano	ano
Pracovní rozdíl teplot	Δt	K	3 až 10 (12)	3 až 15 (20)
Parametry chladiče	tw1/tw2	°C	6/12	ne**

Poznámky:

*) t_{e výp} je výpočtová venkovní teplota podle ČSN 06 0210 (-12; -15; -18 °C)
**) pro běžné aplikace

2. KLIMATIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ S OHŘEVEM, VLHČENÍM A CHLAZENÍM

Na obrázku 2.1 je znázorněno klimatizační zařízení sloužící pro úpravu vzduchu v obecném prostoru. Zařízení je vybaveno ventilátory pro odvod a přívod vzduchu (V), ohřevem (O) a parním zvlhčovačem (PV) pro zimní provoz a chladičem (CH) pro provoz letní. Pro úplnost je na schématu znázorněn i filtr atmosférického vzduchu (F) a uzavírací klapky (K).

Obrázek znázorňuje případ, kdy je klimatizovaný prostor vystaven tepelným ziskům (letní provoz). Jedná se o vnitřní tepelné zisky Q_i (osoby, el. vybavení, aj.) a zisky z venkovního prostředí Q_e (oslunění, prostup tepla). V zimním období bude převažovat tepelná ztráta (tok tepla bude převážně z místnosti ven). Ve schématu je naznačena i produkce vlhkostních zisků M_w (např. od osob pobývajících v prostorách).

Klimatizační zařízení, pracující s konstantním průtokem čerstvého vzduchu V, slouží k úpravě tepelného stavu prostředí v daném prostoru. Požadovaný stav vzduchu v místnosti je určen teplotou t_i a relativní vlhkostí vzduchu φ_i. Parametry přiváděného vzduchu jsou dány obdobně teplotou a měrnou vlhkostí t_p a x_p.

Obrázek 2.1 - Schéma vzduchového systému s ohřevem, vlhčením a chlazením vzduchu
(obrázek platí pro letní provoz - tepelné zisky)

Pro řešení klimatizačního zařízení a znázornění úprav vzduchu v h-x diagramu budeme předpokládat následující:

• Letní provoz - tepelná zátěž prostoru je zcela odváděná vzduchem z klimatizačního zařízení
• Zimní provoz bez vytápění - zařízení slouží pouze k přívodu čerstvého vzduchu do místnosti - nehradí tepelnou ztrátu místnosti
• Zimní provoz s vytápěním - klimatizační zařízení hradí tepelnou ztrátu místnosti

2.1. LETNÍ PROVOZ

Citelná tepelná zátěž prostoru Q_i,c je odváděná vzduchem přiváděným do místnosti z klimatizačního zařízení

kde

V	objemový průtok vzduchu	[m3/s]
c	měrná tepelná kapacita vzduchu c = 1010	[J/kg.K]
ρ	hustota vzduchu = 1,2	[kg/m3]

Do klimatizační jednotky se nasává venkovní vzduch V o stavu E, který se upravuje v chladiči na požadovanou teplotu přiváděného vzduchu P (dáno pracovním rozdílem teplot Δt). Směr změny stavu vzduchu je dán bodem CH, který určuje povrchová teplota chladiče t_ch (detailně popsáno v [3]).

Konstrukce úpravy vzduchu v h-x diagramu

Stav E: t_e = 30 (32) °C, h_e = 56 kJ/kg
Stav I: dáno t_i, φ_i odhadneme 30 - 60 %
Stav CH: povrchová teplota chladiče: t_ch = (t_w1+t_w2)/2 = 9 °C pro vodní chladič 6/12 °C, nebo t_ch = tvýp pro přímý výparník
Stav P: čára ECH x t_p (dáno pracovním rozdílem teplot Δt) - pracovní rozdíl teplot Δt (v létě) se volí v rozmezí t_i - t_p = 3 až 10 (12) K podle způsobu distribuce vzduchu v prostoru
Čára PI: změna stavu vzduchu v místnosti

Obrázek 2.2 - Letní provoz vzduchového klimatizačního systému

Kontrola vzájemné polohy čar x_i a x_p

Musí platit rovnost mezi produkcí vlhkosti v místnosti a vlhkostí odvedenou

Z vlhkostních zisků v místnosti vypočítáme

a zkontrolujeme zda vypočtený rozdíl měrných vlhkostí Δx_vyp souhlasí s rozdílem zakresleným v h-x diagramu Δx_h-x diagram

pokud uvedená rovnost neplatí je nutné změnit polohu bodu I na izotermě t_i.

kde

M = Vρ	hmotnostní průtok vzduchu	[kg/s]
Mw	produkce vlhkosti v prostoru	[g/s]
x	měrná vlhkost vzduchu	[g/kg s.v.]

Stanovení výkonu chladiče vzduchu

Celkový výkon chladiče vzduchu je dán součtem citelného a vázaného tepla

kde

l	výparné teplo vody l = 2500.103	[J/kg]
h	entalpie vzduchu	[kJ/kg]

2.2. ZIMNÍ PROVOZ - BEZ VYTÁPĚNÍ

Zařízení slouží pouze k přívodu čerstvého vzduchu do místnosti (nehradí tepelnou ztrátu místnosti), tzn. že do místnosti je přiváděn izotermní proud vzduchu (pracovní rozdíl teplot Δt = 0). Venkovní vzduch o stavu E je nejprve upravován v ohřívači na stav E' a po té je zvlhčován na stav přiváděného vzduchu P.

Konstrukce úpravy vzduchu v h-x diagramu

Bod E: t_e = -15 °C, φ_e = 100 %
Bod I: dáno např. t_i = 21 °C, φ_i odhadneme
Bod E´: ohřev vzduchu na t_e´ = t_i
Bod P: t_p = t_i, x_p plyne z bilance vlhkosti
Čára PI: změna stavu vzduchu v místnosti

Princip kontroly vzájemné polohy čar x_i a x_p je totožný jako pro letní provoz.

Obrázek 2.3 - Zimní provoz vzduchového klimatizačního systému
(bez vytápění)

2.3. ZIMNÍ PROVOZ - VYTÁPĚNÍ

Na obrázku 2.2 je znázorněno klimatizační zařízení odpovídající předchozímu popisu s tím rozdílem, že je vybaveno deskovým výměníkem zpětného získávání tepla (ZZT). V tomto případě zařízení hradí tepelnou ztrátu místnosti

Obrázek 2.4 - Schéma vzduchového systému s ohřevem a vlhčením v zimě a chlazením v létě
(obrázek platí pro zimní provoz - tepelná ztráta)

Venkovní vzduch E je nasáván do jednotky a v rekuperačním výměníku se předehřeje na stav ZZT. Odtud vzduch proudí do ohřívače, kde se dohřívá na stav E' a v parním zvlhčovači dojde k jeho navlhčení na požadovaný stav přiváděného vzduchu P.

Konstrukce úpravy vzduchu v h-x diagramu

Stav E: t_e = -15 °C, φ_e = 100 %
Stav ZZT: t_ZZT je dána účinností výměníku zpětného získávání tepla
Stav E´: ohřev vzduchu na t_e´ = t_p je dán pracovním rozdílem teplot Δt
Stav I: t_i = 21 °C, φ_i odhadneme
Stav P: t_p, x_p plyne z bilančních rovnic - obecně pro pracovní rozdíl teplot (v zimě) platí t_p - t_i ≤ 15 (20) K
Čára PI: změna stavu vzduchu v místnosti

Princip kontroly vzájemné polohy čar x_i a x_p je totožný jako pro letní provoz.

Obrázek 2.5 - Zimní provoz vzduchového klimatizačního systému
(vytápění)

LITERATURA

[1] DVOŘÁK, J. Projektová dokumentace, profese VZT, dostupné z http://www.tzb-info.cz/612-projektova-dokumentace-profese-vzduchotechnika
[2] CHYSKÝ, J., HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. 1993, Brno: Bolit B-press. 560 s. ISBN 80-901574-0-8
[3] SCHWARZER, J., Teorie vlhkého vzduchu, dostupné z http://www.tzb-info.cz/3323-teorie-vlhkeho-vzduchu-i
[4] ČSN 73 0548. Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů. 1985.
[5] ČSN 06 0210. Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním výtápění. 1994.
[6] Nařízení vlády č. 523/2002 Sb., kterým se mění nařízení vlády č. 178/2001 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví zaměstnanců při práci

Příspěvek byl napsán s podporou výzkumného záměru MSM 6840770011.