M07-Systémy větrání a teplovzdušného vytápění

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FAKULTA STAVEBNÍ
JIŘÍ HIRŠ, GÜNTER GEBAUER
TZB - VZDUCHOTECHNIKA
MODUL BT02-07
SYSTÉMY VĚTRÁNÍ A TEPLOVZDUŠNÉHO VYTÁPĚNÍ

STUDIJNÍ OPORY
PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
TZB-Vzduchotechnika, modul BT02-07, Větrání a teplovzdušné vytápění


































© Ing. Günter Gebauer, CSc., Brno 2005
- 2 (28) -
Obsah
OBSAH
1 Úvod ...............................................................................................................5
1.1 Cíle ........................................................................................................5
1.2 Požadované znalosti..............................................................................5
1.3 Doba potřebná ke studiu .......................................................................5
1.4 Klíčová slova.........................................................................................5
1.5 Použitá terminologie .............................................................................5
2 Větrání přirozené..........................................................................................7
2.1 Fyzikální podstata .................................................................................7
2.2 Tlakové poměry v budovách.................................................................8
2.2.1 Charakter přirozeného větrání.................................................8
2.3 Klasifikace systémů ..............................................................................9
2.3.1 Větraní infiltrací......................................................................9
2.3.2 Větrání aerací..........................................................................9
2.3.3 Větrání okny..........................................................................10
2.3.4 Šachtové větrání....................................................................11
2.3.5 Šachtové větrání využívající dynamický účinek větru .........12
3 Nucené větrání ............................................................................................13
3.1 Základní pojmy ...................................................................................13
3.2 Výměna vzduchu v místnosti větráním...............................................13
3.2.1 Výměna vzduchu při přerušovaném větrání .........................13
3.2.2 Výměna vzduchu při trvalém větrání....................................14
3.2.3 Minimální výměna vzduchu a jeho objemové průtoky.........14
3.3 Klasifikace a charakteristika větracích systémů .................................15
3.4 Provedení a skladba zařízení...............................................................16
3.5 Nucené větrání přetlakové ..................................................................17
3.6 Nucené větrání podtlakové..................................................................17
3.7 Nucené větrání rovnotlaké ..................................................................18
3.8 Celkové větrání ...................................................................................18
3.9 Návrh systému větrání ........................................................................19
3.10 Účelové větrání a havarijní větrání, místní větrání .............................20
3.11 Hodnocení efektu větrání ....................................................................22
3.12 Návrh nuceného větrání ......................................................................22
4 Teplovzdušné vytápění...............................................................................22
4.1 Průtoky vzduchu pro teplovzdušné vytápění ......................................23
4.2 Provedení zařízení a základní prvky ...................................................24
4.3 Návrh systému teplovzdušného vytápění............................................24
4.4 Typické případy a užití .......................................................................24
4.5 Příklad .................................................................................................25
4.6 Úkol.....................................................................................................26
4.7 Kontrolní otázky .................................................................................26
5 Závěr............................................................................................................27
- 3 (28) -
TZB-Vzduchotechnika, modul BT02-07, Větrání a teplovzdušné vytápění
5.1 Shrnutí ................................................................................................ 27
5.2 Studijní prameny ................................................................................ 27
5.2.1 Seznam použité literatury..................................................... 27
5.2.2 Seznam doplňkové studijní literatury................................... 28
5.2.3 Odkazy na další studijní zdroje a prameny .......................... 28

- 4 (28) -
Úvod
1 Úvod
1.1 Cíle
Tvorba interního mikroklimatu budov vzduchotechnikou je oblastí se širokými
možnostmi realizace. Základní možnosti tvorby interního mikroklimatu
umožňují systémy větrání a teplovzdušného vytápění, zajišťující nezbytnou
výměnu vnitřního vzduchu za vzduchu venkovní.
Cílem modulu je seznamení s problematikou větrání a teplovzdušného vytápění
budov vzduchotechnikou. Z přehledu, klasifikace, algoritmu návrhů a
typických sestav i řešení získá čtenář poznatky nezbytné k zajištění interního
mikroklimatu budov.
1.2 Požadované znalosti
Výchozí jsou poznatky modulu BT02-01 až 06.
1.3 Doba potřebná ke studiu
Doba potřebná ke studia 3 hodiny.
1.4 Klíčová slova
Větrání, klasifikace větrání, systémy větrání, větrání přirozené, větrání nucené,
teplovzdušné vytápění, vzduchotechnické jednotky
1.5 Použitá terminologie
Agencie – složky fyzické reality, která vytváří toky hmotnostního či energetic-
kého charakteru (látky, teplo) a působí na subjekt
Exfiltrace - samovolné vnikání venkovního vzduchu do budovy spárami oken
a dveří vlivem podtlaku v budově
Infiltrace - samovolné vnikání venkovního vzduchu do budovy spárami oken a
dveří vlivem podtlaku v budově
Intenzita větrání - poměr objemového průtoku čerstvého venkovního vzduchu
přiváděného do prostoru k objemu tohoto prostoru
Intenzita výměny vzduchu - poměr objemového průtoku přiváděného vzdu-
chu přiváděného do prostoru k objemu tohoto prostoru
Mikroklima – omezená složka prostředí formovaná tepelnými a látkovými
toky, které exponují subjekt a vytvářejí jeho celkový stav
Obraz proudění - zviditelněné proudění v prostoru (skutečné nebo virtuální),
umožňující představu o primárních a sekundárních proudech vzduchu
- 5 (28) -
TZB-Vzduchotechnika, modul BT02-07, Větrání a teplovzdušné vytápění
Pohoda tepelná - stav tepelné rovnováhy mezi člověkem a prostředím dosaže-
ný bez nadměrného pocení, také tepelná neutralita
Prostředí - environment je soubor přírodních, umělých (antropogenních),
sociálních a kulturních činitelů okolního světa, působících na člověka
Provětrávání - větrání občasným otevíráním oken či dveří
Součinitel spárové průvzdušnosti – hodnota vyjadřující míru propustnosti
vzduchu spárou
Škodlivina - látka, která působí nepříznivě na živé organizmy, objekty a tech-
nická zařízení
Teplota operativní - jednotná teplota černého (z aspektu sdílení tepla sáláním)
uzavřeného prostoru ve kterém by člověk sdílel konvekcí a radiací stejně tepla,
jako ve skutečném teplotně nestejnorodém prostoru
Teplota výsledná - teplota měřená kulovým teploměrem
Teplota vzduchu - teplota měřená stíněným teploměrem
Úprava vzduchu - čištění, míšení, ohřev, chlazení, odvlhčování vzduchu
Větrání - výměna znehodnoceného vzduchu za čerstvý venkovní vzduch
Větrání celkové - větrací systém zajišťující výměnu vzduchu v celém větra-
ném prostoru za čerstvý
Větrání místní - větrací systém zajišťující výměnu vzduchu v části větraného
prostoru za čerstvý
Větrání nucené - řízená výměna znehodnoceného vzduchu za čerstvý venkov-
ní vzduch s dopravou vzduchu ventilátorem
Větrání nuceným přívodem vzduchu - způsob větrání s nuceným přívodem a
přirozeným odvodem vzduchu
Větrání podtlakové - větrací systém s větším průtokem nuceně odváděného
vzduchu z prostoru vzhledem k průtoku vzduchu nucené přiváděného
Větrání přetlakové - větrací systém s větším průtokem nuceně přiváděného
vzduchu do.prostoru vzhledem k průtoku vzduchu nuceně odváděného
Větrání přirozené - pohyb větracího vzduchu je vyvolán rozdílem hustot
vzduchu vně a uvnitř objektu a působením větru
Větrání rovnotlaké - větrací systém při rovnosti průtoků nucené přiváděného i
odváděného vzduchu
Větrání s nuceným odvodem vzduchu - větrání s nuceným odvodem a přiro-
zeným přívodem vzduchu
Větrání šachtové - přirozený odvod škodlivin teplým vzduchem šachtou


- 6 (28) -
Větrání nucené
2 Větrání přirozené
Přirozené větrání lze definovat jako výměnu vzduchu ve vnitřním pro-
storu vlivem tlakového rozdílu, který je vyvolán účinkem přírodních sil
vznikajících rozdílem teplot nebo dynamickým účinkem větru.
Výměna vzduchu představuje přívod jistého množství vnějšího vzduchu k
náhradě vzduchu vnitřního. Nutná množství vyplývají ze zákonných předpisů,
event. ČSN či doporučení. Blíže modul BT02-03.
2.1 Fyzikální podstata
Fyzikální podstatu přirozeného větrání tvoří děje, které lze popsat základními
zákony a veličinami. Primárními jsou tlak hydrostatický a dynamický, rovnice
kontinuity a průtoky vzduchu. Pomocí uvedených rovnic lze určit další veličiny
zejména tlaky, jenž jsou zásadní pro funkcí přirozeného větrání.
Hydrostatický tlak (1) hgmp ..=∆
Dynamický tlak (2) ρ..5,0
2
wp =∆
Rovnice kontinuity konstwSwSV ==== .......
2211
(3)
Hmotnostní průtok vzduchu ρ..wSm = (4)
Objemový průtok vzduchu wSV .= (5)
Průtok vzduchu reálnými otvory wSV ..µ= ρµ ... wSm = (6)
Tlak vyvozený vlivem rozdílu teplot je dán Eulerovou rovnici hydrostatiky. Pro
konstantní teploty vzduchu a t
i
> t
e
s hustotu ρ
e
> ρ
i
platí pro rozdíl tlaku a výš-
ku h rov. 7.
( )
ie
ghp ρρ −=∆ . (7)
Tlak vyvozený účinkem větru je výsledkem jeho silového působení na budovu.
Pro dynamický tlak větru o rychlosti w platí rov. 8.
∆p
w
= 0,5.w
2
.ρ
e
(8)
Tlak vyvolaný současným působením teploty a větru je dán součtem předcho-
zích případů
∆p = h.g.(ρ
e
- ρ
i
) + 0,5.w
2
.ρ
e
(9)
kde t
i,
t
e
– teplota vnitřního a venkovního vzduchu
ρ
i
, ρ
e
– hustoty vnitřního a venkovního vzduchu
x, h – vzdálenost, výška
S, µ – plocha a výtokový součinitel otvoru
- 7 (28) -
TZB-Vzduchotechnika, modul BT02-07, Systémy větrání a teplovzdušného vytápění
2.2 Tlakové poměry v budovách
Každá budova či místnost je vystavena působení přírodních sil, vznikající roz-
dílem teplot a působení větru. Vlivem rozdílu teplot se po výšce budovy i míst-
ností formují tlakové poměry, jenž nabývající podobu přetlaku a podtlaku vůči
vnějšímu okolí s tlakem atmosféry p
a
. Ve výšce místnosti či budovy, ve které
se tlak p
i
rovná tlaku okolní atmosféry se nachází tzv. neutrálná rovina NR.
Ve svislém směru nad touto rovinou tlak vlivem rozdílu hustost vnitřního a
vnějšího vzduchu roste a pod touto rovinou analogický klesá. Působením toho-
to rozložení tlaku vzniká ve schodišťovém prostoru vícepodlažních budovách
tzv. komínový efekt způsobující podtlak v místnostech spodního podlaží. Tato
skutečnost způsobuje přenos odéru do místností horních podlaží budovy. Ko-
mínový efekt se projevuje zejména u výtahových šachet, světlíků ap.
Účinek větru se projeví dynamickým tlakem, jehož hodnotu ovlivňuje aerody-
namický součinitel. Průměrná hodnota aerodynamického součinitele návětrné
strany budovy je A
n
= 0,6 a závětrné strany A
z
= - 0,3. Tlakové poměry jsou
výchozí veličinou pro řešení přirozeného větrání

h
Účinek větru na budovu
Komínový efekt
p
npz
w
vítr
Interní
mikroklima
A
z

Aerodynamický
stín pa
t
e

t
i
NR
t
i

t
in

t
i

Odéry
NR
Schodiště
Komínový
efekt
Odéry
Exteriér
t
e
, p
a

p
i

t
i
p
a
pi
A
n


Obr. 1 Schéma tlakových poměrů v budovách
2.2.1 Charakter přirozeného větrání
Přirozeného větrání lze hodnotit základní veličinou, kterou je průtok vzduchu.
K vyčíslení průtoku vzduchu se vychází z rozložení tlaku po výšce budovy,
vyvolaného oběma zdroji přirozeného větrání. Typickou pro přirozené větrání
je skutečnost, že vlivem proměnného rozdílu teplot (odpovídající okamžitým
klimatickým podmínkám) a nahodilého vlivu větru je větrací účinek zcela vari-
abilní. Proto je přirozené větrání základním systémem tvorby mikroklimatu
v jen budovách s nenáročnými požadavky na mikroklima. Výměnu vzduchu ve
vnitřním prostoru k zajištění zpravidla jen odérového mikroklimatu splní
v případě, že intenzita výměny n je větší než nutné. V případě oken s nízkým
součinitelem průvzdušnosti je nutno zajistit výměnu vzduchu, tedy přívod ven-
kovního vzduchu, doplňujícím zařízením nebo nuceně vzduchotechnikou. Při-
rozené větrání lze úspěšně provozovat i k výměně vzduchu v průmyslových i
zemědělských objektech zejména s vnitřními tepelnými zdroji.
- 8 (28) -
Větrání nucené
2.3 Klasifikace systémů
Přirozené větrání se dělí na větrání infiltrací, aerací, okny, šachtové a šach-
tové s větrací hlavicí. Principiální schéma je na obr. 2.


M
13
t
e
, k
e
M
14
t
e
, k
e
t
i
, k
i

E, t
e
, k
e

M
11

t
i
, k
i

m M
12
t
i
, k
i
t
e
, k
e

Infiltrace Okny Aerací Šachtové

Obr. 2 Schémata systémů přirozeného větrání
Primárními veličinami sledujícími jejich návrh a efekt je tlakový rozdíl ∆p,
objemový průtok vzduchu V a event. průtočná plocha S.
2.3.1 Větraní infiltrací
Větrání infiltrací tvoří výměna vzduchu v místnostech vlivem netěsnosti sta-
vebních konstrukcí. Zcela zásadní je výměna vzduchu spárami otvíravých oken
či venkovních dveří. Objemový průtok vzduchu V proudícího do místnosti dél-
kou spár l otevíraných křídel oken či dveří se určí z rovnice 10b.
∆p = ∆p
t
+ ∆p
w
V = i.l.∆p
n
(10a,b)
kde i - součinitel provzdušnosti spáry (m
3
s
-1
/mPa
n
)
∆p - rozdíl tlaku vyvolaný rozdílem teplot ∆p
t
a působením větru ∆p
w

l – délka spár (m), např. l = 2.(a + H)
n - exponent charakterizující proudění vzduchu spárou, běžně n = 0,67.

m, t
e

m, t
i

H

a
H

∆p
t

NR
∆p
v

t
e

Exfiltrace
t
i

Infiltrace
zdroj
∆t
vítr
zdroj
VZT

Obr. 3 Schéma větrání infiltrací
Poznámka
Exfiltrace představuje samovolné unikání vzduchu z budovy účinkem přetlaku
v budově spárami. Zdrojem přetlaku je nucený přívod vzduchu do místnosti
vzduchotechnickým zařízením.
2.3.2 Větrání aerací
Větrání aerací je způsob výměny vzduchu pomocí otvorů umístěných nad se-
bou s osovou vzdáleností h dle obr. 4. V případě dvou otvorů o ploše S
1
a S
2

umístěných v místností nad sebou vznikne při rozdílné teplotě v interiéru a
exteriéru pro t
i
> t
e
rozdíl tlaku ∆p
e
rov. 11. Hmotnostní průtok vzduchu m je
dán vztahem 12.
- 9 (28) -
TZB-Vzduchotechnika, modul BT02-07, Systémy větrání a teplovzdušného vytápění
∆p = h.g.(ρ
e
- ρ
i
) (1)
222111
..2....2.. pSpSm
ie
∆=∆= ρµρµ (12)
kde S
1
, S
2
- průřezy přiváděcího a odváděcího otvoru
µ
1
, µ
2
- výtokový součinitel pro přiváděcí a odváděcí otvor
obvykle µ
1
= µ
2
= 0,6 až 0,7
ρ
e
, ρ
i

- hustoty venkovního a vnitřního vzduchu

∆p
2

∆p
2

∆p
S
2
S
1
t
i
, ρ
i
t
e
ρ
e

h
h
2

h
1

m2
m1
te ρe
NR

Obr. 4 Schéma větrání aerací
Po úpravách a pro předpoklad S
1
= S
2
= S se rovnice zjednoduší na tvar 13a.
Pro hmotnostní průtok otvory platí rovnice 13b.

( )
ie
ie
ie
gh
Sm
ρρ
ρρ
ρρµ
+
−
=
..
..2..
ρ
m
V = (13a,b)
Příklad aplikace aerace pro větrání hal dokumentuje [3].
2.3.3 Větrání okny
Větrání okny umožňuje přirozenou výměnu vzduchu při účinku rozdílu teplot a
působení větru. Účinek větru má nahodilý charakter a je zdrojem diskomfortu.
Proto se v návrhu jeho účinek běžně neuvažuje. Řešení tohoto větrání se pře-
vádí na aeraci s tím, že jediný otvor (okno) slouží jak pro přívod i odvod vzdu-
chu. Základní veličiny k řešení úlohy jsou uvedeny na obr. 5. Za předpokladu
rovnosti hmotnostních průtoků přívodního m
p
a odvodního m
o
vzduchu se vli-
vem nerovnosti hustot obou vzduchu neutrálná rovina, jenž tvoří rozhraní mezi
proudy vzduchu, posune pod rovinu středu okna. Odvození průtoku vzduchu
vychází z rovnic pro rozdíly tlaků a průtok vzduchu plošným elementem dle
[3].

x
∆p a
b
z b/
2
M, t
e

M, t
i

b

a

Obr. 5 Schéma větrání okny
Pro předpokládaný ustálený stav lze pro rovnost hmotnostních toků přívo