Návrh vetrania budovy Starej tržnice

Diplomová práca s touto témou získala Cenu SSTP za rok 2013. Diplomová práca bola zameraná na úpravu mikroklímy pomocou adiabatických odparovacích chladičov vzduchu, na merania a výpočet dosahovaných výstupných parametrov z chladiacej jednotky v danej oblasti Slovenska a na aplikáciu technológie v rámci návrhu vetrania hlavnej lode budovy Starej tržnice.

Počas letných dní sa často stáva, že teplota vzduchu v miestnostiach presahuje tepelnú pohodu. V priestoroch s požiadavkou na presne dodržanú mikroklímu je preto nevyhnutné použiť kompresorové chladenie. Zariadenie obsahuje prvky na zabezpečenie pohybu tekutín, na úpravu vzduchu, ako aj motorizované škrtiace elementy. Takéto kom­ponenty sa podieľajú na celkovej energetickej náročnosti celej zostavy, a to v závislosti od stavu vonkajšieho vzduchu a mikroklimatických požiadaviek. Úlohou projektanta je poznať nároky na vyžadované parametre v priestore a následne zvážiť prípadné použitie ekologickejšieho a ekonomickejšieho variantu úpravy vzduchu. V mnohých prípadoch sa požaduje výmena vzduchu s menším dôrazom na jeho čistotu a výsledný tepelno-vlhkostný stav. Pri podmienkach s vyššou vonkajšou teplotou, keď je vlhkosť vzduchu v prevažnej väčšine prípadov nízka, možno využiť technológiu adiabatického chladenia.

Adiabatické chladenie vzduchu

V adiabatických chladičoch vzduchu sa voda dopravuje čerpadlom do vrchnej časti zariadenia a účinkom zemskej gravitácie voľne steká po poréznych celulózových paneloch, ktoré sú vlhčené. Do priestoru jednotky sa pritom ventilátorom nasáva vonkajší vzduch prúdiaci cez panely. Následne dochádza k odparovaniu vody pri využití energie prúdiaceho vzduchu (obr. 1). Zníži sa tak teplota vzduchu a zvýši sa jeho vlhkosť. Platí pritom, že čím je vzduch na vstupe do chladiča teplejší a suchší, tým viac klesne teplota a stúpne vlhkosť na výstupe z neho.

Obr. 1  Znázornenie principiálneho fungovania adiabatického odparovača

Vzduch sa však prakticky nikdy nenasýti úplne, čo zohľadňuje adiabatická účinnosť η_ad. Jej hodnotu ovplyvňuje najmä intenzita sprchovania a rýchlosť prúdenia vzduchu cez priestor chladiča. Odparené množstvo kvapaliny sa dopĺňa do chladiacej jednotky pomocou plavákového ventilu a pripojenia na zdroj pitnej vody. Chladiče sa montujú na strechu budovy a upravený vzduch sa dopravuje pomocou vzduchotechnického potrubia. Úprava vzduchu adiabatickými chladičmi predstavuje spôsob združeného vetrania, keď sa upravený vzduch vháňa do priestoru nútene a odpadový vzduch sa prirodzeným spôsobom odvádza cez vetracie otvory (otvorené okná, pretlakové klapky). Toto opatrenie zároveň eliminuje možný nežiaduci efekt tvorby rosy na okolitých predmetoch, preto je použitie tejto technológie vhodné aj v rodinných domoch (vzhľadom na klimatické podmienky sa často využíva v Austrálii) (obr. 2).

Obr. 2  Adiabatický chladič umiestnený na streche rodinného domu

Praktické merania a výpočty

Praktické merania a výpočty, ktorých výstupom bol výkon adiabatického chladiča v závislosti od vonkajších klimatických podmienok, sa vykonali počas štyroch dní na jednotke ICON 190 od firmy Breezair s regulovateľnými otáčkami v rozpätí 170 až 584 za minútu. S týmto parametrom sa mení aj prietok vzduchu. Maximálny objemový prietok vzduchu je 9 300 m³/h, ktorý pri ideálnych klimatických podmienkach (vysoká teplota a nízka relatívna vlhkosť) zodpovedá maximálnemu chladiacemu výkonu udávanému výrobcom 14,4 kW. Keďže klimatické podmienky sú v miernom podnebnom pásme Slovenska premenlivé a dodávané množstvo vzduchu do priestoru je voliteľný parameter, je potrebné poznať výkon aj v podmienkach, ktoré nie sú krajné. V prvej časti merania sa počítal chladiaci výkon z nameraných hodnôt na reálnom modeli. Pomocou snímačov teploty a vlhkosti sa zaznamenávali vstupné a výstupné parametre prúdiaceho vzduchu (obr. 3). Namerané hodnoty sa spracovávali pomocou riadiacej jednotky každých päť sekúnd a tieto zmeny bolo možné pomocou dátového kábla a softvéru sledovať aj na obrazovke počítača. Pri konštantných otáčkach, keď sa na ovládacom zariadení nastavili otáčky ventilátora na druhý stupeň zo šiestich možných, sa anemometrom namerala prietoková rýchlosť na výstupe z chladiča, na základe toho sa určil hmotnostný prietok vzduchu m..

Obr. 3  Zapojenie snímačov na meranie vlhkosti a teploty

Z týchto parametrov sa počítal výkon chladiča Q. = m. . c_p, v (t_e – t_p). Takýto postup sa opakoval každý merací deň. Zároveň sa počítala adiabatická účinnosť práčky η_ad, ktorej priemerná hodnota sa použila pri výpočte výkonu na základe údajov od SHMÚ. Na určenie výkonu chladiča sa využili hodinové údaje od SHMÚ z roku 2011 – medzi 6.00 hod. až 20.00 hod. v kalendárnych mesiacoch apríl až september. V každom mesiaci sa sledovala závislosť výstupnej teploty od vstupnej teploty. Na os x sa vynášali zľava doprava priemerné hodnoty vonkajších teplôt vzťahujúce sa na konkrétnu hodinu v mesiaci. V auguste, keď boli najväčšie priemerné vonkajšie teploty, by sa dosahovali výstupné teploty z chladiča znázornené graficky na obr. 4.

Obr. 4  Dosahovaná výstupná teplota v mesiaci august

Závislosť priemerne dosahovaného chladiaceho výkonu v jednotlivých mesiacoch (v jednotlivých hodinách počas dňa) je znázornená graficky na obr. 5. Pri pozorovaní a analýze dosahovaných grafických výsledkov sa potvrdili očakávania, že vonkajšia klíma Slovenska sa stáva teplejšou, suchšou, s väčším počtom tropických dní v roku, je teda vhodná na chladenie pomocou odparovacích zariadení.

Obr. 5  Výkon chladiča v sledovaných mesiacoch v roku

Návrh vetrania veľkoplošnej haly Starej tržnice

Návrh systému vetrania a chladenia budovy vznikol na podnet občianskeho združenia Aliancia Stará tržnica, ktoré sa usiluje o rekonštrukciu a opätovnú prevádzku tohto kul­túrno-historického objektu mesta Bratislavy. Budova Starej tržnice sa nachádza v centre Bratislavy na Námestí Slovenského národné­ho povstania. Je delená – pozostáva z hlavnej lode a priľahlých priestorov s osobitnou prevádzkou (štyri poschodia). Súčasťou objektu sú aj podzemné priestory so samostatným vetraním. Nosný skelet tvorí oceľová rámová konštrukcia a murivo z pálenej tehly hrubé 0,7 m. Strešná konštrukcia z dreveného záklopu je v priečnom uložení na oceľových nosníkoch. Krytinu nad hlavnou loďou predstavuje plech, nad galériami (bočné lode) je to lepenka. V plánovaných projektoch je plocha exponovanej veľkoplošnej haly určená na akcie kultúrneho vyžitia (koncerty, tanečné po­dujatia, divadelné predstavenia), ako aj na trhy a predaj potravín poľnohospodárskej produkcie. Z dôvodov požiarnej bezpečnosti sa uvažuje o maximálnom počte osôb na státie 1 500. Pri žiadnej z pripravovaných akcií sa nebudú produkovať chemické škodliviny, ktoré by si vyžadovali osobitnú filtráciu a úpravu pred vypustením do okolia.

Po potvrdení vhodnosti použitia adiabatických chladičov v klimatickom pásme Slovenska sa technológia použila aj v hlavnej časti diplomovej práce pri návrhu vetrania a chladenia veľkoplošnej haly Starej tržnice. Dimenzovanie sa vykonalo na základe výpočtu tepelnej záťaže klimatizovaného priestoru podľa normy STN 73 0548.
Pri projektovaní vetracieho systému ako celku, ktorý bude zabezpečovať vhodnú mikroklímu v danom priestore, sa vychádzalo z týchto podkladov:

• platná technická literatúra a hygienické predpisy,
• plošná a priestorová výkresová dokumentácia stavby,
• konzultácie s realizačným tímom a obhliadka skutkového stavu.

Základnou časťou celého návrhu vetrania objektu bolo naprojektovanie vhodného spôsobu distribúcie vzduchu na tvorbu vyhovujúcej mikroklímy vo veľkoplošnej hale. S týmto cieľom sa vykonal výpočet tepelnej záťaže hlavnej lode, psychrometrický výpočet, zvolil sa počet a typ chladičov, navrhlo sa rozmiestnenie vzduchotechnických prvkov a pripravil sa plánovaný rozpočet projektu (riešil výlučne vetranie hlavnej lode budovy, nie vetranie špecifických druhov priľahlých prevádzok).

Výpočet tepelnej záťaže hlavnej lode

Výpočtom podľa normy sa získali údaje uvedené v tab. 1.

Psychrometrický výpočet

Pri psychrometrickom výpočte (dimenzovaní klimatizačného zariadenia) sa použili konštantné hodnoty parametrov vzduchu bežne používané v praxi. Pre adiabatickú účinnosť sa zvolila priemerná hodnota určená na reál­nom modeli:

• barometrický tlak – p_b = 100 kPa,
• stav vonkajšieho vzduchu – t_e = 32 °C, t_em = 20 °C,
• požadovaná vnútorná teplota v klimatizovanom priestore – t_i = 27 °C,
• tepelné záťaže priestoru – Q_.ic = 225,241 kW, Q._iv = 120,833 kW,
• adiabatická účinnosť zariadenia – η_ad = 86 %.

Touto analytickou metódou sa vypočítal objemový prietok privádzaného vzduchu V._p = 125 839 m³/h, ktorý bol smerodajný pri návrhu počtu jednotiek.

Výber chladiča

Pri výbere konkrétneho typu chladiča sa kládol dôraz nielen na požadovaný prietok vzduchu, ale aj na špecifickosť prevádzky objektu. Stará tržnica je historická budova, ktorá má prísne nariadenia a obmedzenia týkajúce sa zásahov narúšajúcich jej unikátnosť. Navyše treba navrhnúť spôsob vetrania, ktorého realizácia bude staticky únosná s ohľadom na nadimenzovanú jestvujúcu strešnú konštrukciu. Pri tomto je dôležité uviesť aj to, že združené vetranie sa v prípade haly Starej tržnice plánuje s odvodom vzduchu cez žalúziové otvory v hornej časti budovy, ktoré sú súčasťou jestvujúceho aerač­ného spôsobu vetrania.

Vzhľadom na uvedené skutočnosti sa do veľkoplošného priestoru Starej tržnice navrhlo vetranie a chladenie deviatimi nezávislými odparovacími chladičmi Breezair EXH 210. Z technických parametrov (tab. 2) je zrejmé, že sumárny objemový prietok všetkých deviatich chladičov je menší ako vypočítaný. Keďže počet dní v kalendárnom roku, keď je vonkajšia teplota vyššia a relatívna vlhkosť nižšia ako výpočtové hodnoty, je veľmi malý, je navrhovaná výdatnosť zariadení postačujúca – eliminuje sa tak možnosť predimenzovania systému. Jednotky budú osadené na streche nad bočnými galériami objektu. Cez vodovodný potrubný rozvod sa bude chladiace médium dopravovať priamo k inštalovaným chladičom. Vzhľadom na motorickú funkciu čerpadla a ventilátora je nutné pripojiť sa na zdroj elektrickej energie.

Vzduchotechnika vs. architektúra

Pri výbere vhodného vzduchotechnického rozvodného systému bolo nevyhnutné klásť dôraz aj na estetiku a vkusnosť riešenia. Výrobcom udávaný statický tlak na výstupe z ventilátora je pri maximálnom prietoku vzduchu 80 Pa. Keďže plánovaný vzduchotechnický rozvod je v pomere k vzniknutému pretlaku relatívne krátky a potrubie nebude vetvené, tlakové straty budú zanedbateľné, takže sa neaplikuje projekčná metóda stáleho tlakového spádu. Navyše, pri odparovacích chladičoch Breezair EXH 210 sa prednostne používajú štvorhranné oceľové potrubia s rozmermi 550 × 550 mm s hrúbkou steny 0,7 mm. Uvedené fakty boli rozhodujúce pri samotnom ideovom návrhu.

Obr. 6  Vzduchotechnická zostava chladiča vzduchu a rozvodných potrubí

Prívod vzduchu priamo do bočných galérií nie je vhodný, keďže vzduch na výtoku z potrubia by narúšal komfort ľudí zdržiavajúcich sa v tejto oblasti a aplikácia difúzora ako koncového prvku by bola v danom koncepte tržnice neestetická. Preto sa navrhuje plynulý prechod zvislého potrubia do horizontálneho smeru cez oblé koleno so štvorhranným prierezom. Potrubia sa budú spájať prírubami za pomoci rozoberateľného skrutkového spoja. Následné použitie plechového potrubia na prívod vzduchu do hlavnej časti lode je architektonicky neakceptovateľné a okrem toho nezabezpečuje rovnomernú distribúciu v danom priestore. Za najvhodnejší spôsob finálneho prívodu upraveného vzduchu do priestoru sa tak zvolilo použitie textilných výustiek od firmy PRÍHODA. Použité textilné výustky budú perforované, s kruhovým prierezom s priemerom 500 mm, na konci zaslepené.

Na krajoch budú poplastovanými oceľovými lankami uchytené o stavebnú konštrukciu – každých 500 mm po celej dĺžke výustky. Vzhľadom na nadimenzovaný priemer výustky, zvolenú perforáciu, maximálny objemový tok vzduchu na výstupe z jednotky (10 030 m³/h) a parametre výrobcu sa vybralo potrubie s dĺžkou 6 800 mm (obr. 6). Zmienená realizácia distribúcie vzduchu kombináciou oceľových a textilných potrubí je navrhnutá rovnako pri všetkých deviatich odparovacích chladičoch. Situovanie vzduchotechnických zostáv je symetrické s vertikálnou rovinou hlavnej lode objektu. Na lepšiu názornosť sa vytvoril zjednodušený 3D model Starej tržnice s navrhovaným spôsobom distribúcie vzduchu (obr. 7 až 9).

Obr. 7  3D model Starej tržnice s detailom umiestnenia chladiča

Obr. 8 Priečny rez hlavnej lode objektu

Obr. 9  Pohľad zdola na situovanie potrubí vnútri budovy

Navrhnutá prevádzka

Navrhnutý spôsob vetrania budovy pomocou adiabatických odparovačov je nadimenzovaný výlučne na letnú prevádzku. Počas zimy je potrebné, aby sa voda z jednotiek vypustila a zaistila sa ochrana (prikrytie fóliou) vnútorných komponentov chladiča (obalové materiály sú odolné proti zimným extrémom). Keďže vonkajšie podmienky sú aj počas letných období premenlivé, je potrebná inštalá­cia regulačného orgánu, ktorý bude prispôsobovať a meniť chod jednotiek v závislosti od prednastavených požiadaviek užívateľa. Pri jednotkách Breezair EXH 210 sa navrhla regulácia IWC 05, ktorej činnosť je založená na hodnotách zaznamenaných tepelno-vlhkostným snímačom vnútri budovy. Tie sa následne prevádzajú na elektrický signál.

Na reguláciu IWC sú pomocou dátového kábla napojené rozbočovače Smart Hub, ktoré sú prepojené aj vzájomne. Zabezpečujú reguláciu samotných chladiacich jednotiek na základe informácie privedenej snímačom do regulačného orgánu. Na každý rozbočovač možno napojiť maximálne štyri chladiace jednotky, vzhľadom na to sa pri deviatich jednotkách Breezair EXH 210 navrhujú tri kusy rozbočovačov Smart Hub.

Záver

Pre občianske združenie Aliancia Stará tržnica bol okrem overenia vhodnosti použitia vybranej technológie a celkového nadimenzovania systému dôležitý aj finálny rozpočet projektu vetrania.
Ceny za realizáciu projektu a jeho materiálové vyhotovenie sú uvádzané na základe cenovej politiky firmy CLIMAT, s. r. o., a poskytovaných cenových ponúk od externých dodávateľov. V cene je už zahrnutá DPH 20 % aktuálna v roku 2013 (tab. 3). Autor práce odporúča po konzultáciách s projekčným tímom a nadobudnutí poznatkov týkajúcich sa problematiky navrhovanú technológiu na vetranie a chladenie veľkoplošného priestoru Starej tržnice ako komfortný, ekonomický a ekologický spôsob vytvárania mikroklímy v budove.

Foto a obrázky: autor, Dano Veselský
Autorova vďaka za ochotu a ponúknutú príležitosť na spoluúčasť na tomto iniciatívnom projekte patrí Ing. Petrovi Botekovi, Ing. Danielovi Čurkovi, firme COFELY a občianskemu združeniu Aliancia Stará tržnica.

Ing. Martin Bučka
Autor pracuje na projekte ELI Beamlines v Prahe.

Článok bol uverejnený v TZB Haustechnik.