Vztlakové vetranie v kombinácii so sálavými systémami

Takéto spojenie zabezpečí pri správnom návrhu dobrú kvalitu ­vzduchu a komfortné tepelné prostredie. Vztlakové vetranie bolo vyvinuté a začalo sa používať koncom 70. a začiatkom 80. rokov minulého storočia v Škandinávii a dnes je rozšírené najmä v severnej Európe. Je vhodným vetracím a súčasne aj chladiacim systémom najmä v prípade priemyselných hál, reštaurácií, učební, supermarketov či administratívnych budov. Experimentálne štúdie ukazujú, že pri správnom výbere a návrhu vetracieho systému možno so vztlakovým vetraním dosiahnuť vyššiu kvalitu vzduchu a šetriť energiou vďaka vyšším teplotám privádzaného vzduchu v porovnaní so zmiešavacím vetraním.

Vztlakové vetranie možno kombinovať so sálavými vykurovacími a chladiacimi systémami, čím sa zabezpečí dobrá kvalita vzduchu. Zároveň sa dosiahne komfortné tepelné prostredie aj pri vyššej tepelnej strate, respektíve tepelnej záťaži.

Vztlakové alebo radšej zmiešavacie vetranie?
Vo vetraných priestoroch rozoznávame podľa spôsobu prúdenia vzduchu dva základné typy vetrania – zmiešavacie vetranie a vztlakové vetranie. Pri zmiešavacom vetraní sa privádzaný vzduch zmiešava so znečisteným vzduchom v priestore, čím sa znižuje koncentrácia znečistenia. Pri vztlakovom vetraní sa privádza na úrovni podlahy čerstvý studený vzduch, ktorý sa zohrieva vnútornými zdrojmi tepla, pôsobením vztlakovej sily prúdi smerom zdola nahor a vytláča znečistený vzduch v miestnosti do jej hornej časti, odkiaľ sa z miestnosti odvádza. Predpokladá sa, že vztlakové vetranie poskytuje pri rovnakom prietoku vzduchu lepšiu kvalitu vzduchu než zmiešavacie vetranie. Navyše, vďaka optimálnemu rozloženiu teplôt môže byť teplota privádzaného vzduchu v porovnaní so zmiešavacím vetraním mierne vyššia, čo znižuje nároky na chladenie privádzaného vzduchu. Vztlakové vetranie možno použiť, ak sa do miestnosti privádza relatívne veľké množstvo vzduchu.

Pri nesprávnom návrhu môže vztlakové vetranie spôsobovať tepelnú nepohodu užívateľov v dôsledku prievanu či vysokého vertikálneho rozdielu teplôt vzduchu. Vztlakové vetranie sa odporúča v miestnostiach s výškou nad 3 m, jeho aplikácia sa neodporúča v miestnostiach so  stropom nižším než približne 2,3 m. Ak je to potrebné na pokrytie tepelných strát alebo elimináciu tepelnej záťaže, vztlakové vetranie možno kombinovať so sálavým systémom, napríklad s podlahovým vykurovaním či chladením. Približný návod na určenie vhodného vetracieho, resp. chladiaceho systému tak, aby sme sa vyhli tepelnej nepohode v dôsledku prievanu, je na obr. 1.

Princíp vztlakového vetrania
Pri vztlakovom vetraní sa vzduch privádza na úrovni podlahy pri teplote nižšej, než je teplota vzduchu v miestnosti. Čerstvý vzduch sa šíri po podlahe, v blízkosti vnútorných zdrojov tepla (napríklad ľudia, počítače či osvetlenie) sa zohrieva na teplotu vyššiu, než je teplota okolitého vzduchu v miestnosti, tým sa znižuje jeho hustota a v dôsledku vztlakovej sily vzniká vertikálny pohyb smerom zdola nahor. Ak sú zdroje tepla zároveň zdrojmi znečistenia, t. j. kontaminant má vyššiu teplotu ako okolitý vzduch, vztlaková sila ho efektívne odvedie do hornej časti miestnosti – nad pobytovú zónu (hranica pobytovej zóny človeka sa zvyčaje uvažuje vo výške 1,8 m nad podlahou). Vytvorí sa tak hranica medzi spodnou časťou miestnosti s čistým vzduchom a hornou časťou miestnosti so znečisteným vzduchom, kde sa vzduch z miestnosti odvádza. V závislosti od sily a geometrie zdrojov tepla stúpajú konvekčné prúdy nahor až k stropu (silné zdroje tepla) alebo sa ustália na nižšej hladine (obr. 2). Problém nastáva, ak kontaminant pochádza zo slabého zdroja tepla a stúpajúci prúd teplého vzduchu nad zdrojom tepla je príliš slabý na to, aby dosiahol hornú časť miestnosti nad pobytovou zónou. V takomto prípade nie je kontaminant účinne odvedený mimo pobytovú zónu, ale skôr naopak, zmieša sa so vzduchom v stúpajúcom konvekčnom prúde v blízkosti človeka a je transportovaný do jeho inhalačnej zóny, čím sa účinnosť vetrania znižuje.

Obr. 2 Vertikálny pohyb vzduchu v dôsledku konvekcie. V závislosti od sily a geometrie zdrojov tepla stúpajú konvekčné prúdy až nahor k stropu alebo sa ustália na nižšej hladine [2]

Ak od sumy konvekčných tokov smerom nahor odrátame toky vzduchu v blízkosti chladných plôch prúdiace smerom nadol, dostaneme prietok čerstvého vzduchu privádzaného do miestnosti. Zvýšené množstvo čerstvého vzduchu privádzaného do miestnosti posúva hranicu medzi čistým vzduchom a znečisteným vzduchom smerom nahor, naopak, znížený prítok čerstvého vzduchu posúva túto hranicu smerom nadol. Vztlakové vetranie pracuje efektívne pri vyšších prietokoch vzduchu. Ak je množstvo privádzaného vzduchu relatívne malé, hranica hornej vrstvy so znečisteným vzduchom sa bude nachádzať príliš nízko a stratí sa výhoda zvýšenej kvality vzduchu v porovnaní so zmiešavacím vetraním. Aby vztlakové vetranie správne fungovalo, musí byť privádzaný čerstvý vzduch chladnejší než okolitý vzduch v miestnosti. V opačnom prípade vzduch krátko po privedení do miestnosti stúpa nahor, vzniká skrátené prúdenie a časť čerstvého vzduchu nikdy nedosiahne inhalačnú zónu užívateľov.
–>–>
Príčiny tepelnej nepohody pri vztlakovom vetraní
Jednou zo základných podmienok tepelnej pohody je celkový tepelne neutrálny pocit osoby. Táto podmienka však sama osebe ešte nezaručuje tepelnú pohodu. Ďalšou dôležitou podmienkou na dosiahnutie tepelnej pohody je eliminácia príčin lokálnej tepelnej nepohody, medzi ktoré patrí prievan, vertikálny rozdiel teplôt vzduchu, horúca alebo chladná podlaha a rozdiel sálavých teplôt. V priestoroch so vztlakovým vetraním, kde sa väčšie množstvo chladného vzduchu privádza na úrovni podlahy, je reálne riziko vzniku nepohody v dôsledku prievanu, ktorý je však často zapríčinený nesprávnym návrhom prívodnej výustky. Správnym návrhom teda možno prípadné riziko prievanu znížiť na prijateľnú mieru. Riziko prievanu sa dá vypočítať pomocou rovnice odvodenej z experimentálnych meraní [3] ako

Prievan = (34 – t_a) . (v – 0,05)0,62 (0,37 . v . T_u + 3,14)
    (%) (1)

kde    ta    je    teplota vzduchu (°C),
    v    –    rýchlosť prúdenia vzduchu (m/s),
    T_u    –    miera turbulencie (%).

Dôležitou podmienkou správneho fungovania vztlakového vetrania je teplotný gradient. V priestore so vztlakovým vetraním sa teda vždy vyskytuje pozitívny vertikálny rozdiel teplôt vzduchu, čo však môže mať za následok tepelnú nepohodu, ak je vertikálny rozdiel teplôt vzduchu medzi členkami a hlavou privysoký. Nepohoda v dôsledku vertikálneho rozdielu teplôt vzduchu sa pripisuje pocitu horúcej hlavy alebo chladných chodidiel, alebo obom nežiaducim pocitom súčasne. Aby sme sa vyhli tepelnej nepohode, odporúča sa udržiavať vertikálny rozdiel teplôt medzi členkami (0,1 m nad podlahou) a hlavou (1,1 m nad podlahou pre sediacu osobu) do 3 °C. Limity na obmedzenie výskytu tepelnej nepohody odporúčané podľa [4] sú v tab. 1. Kategória A reprezentuje najvyššie požiadavky na kvalitu vnútorného prostredia, zatiaľ čo kategória C predstavuje najnižšie, no ešte stále prípustné limity na zaručenie tepelnej pohody.

Návrh vztlakového vetrania
V bežných aplikáciách možno pri návrhu vztlakového vetrania vychádzať z tzv. pravidla 50 %, ktoré hovorí, že teplota vzduchu na úrovni podlahy je približne v polovici ­medzi teplotou privádzaného vzduchu a teplotou odvádzaného vzduchu a že teplota vzduchu sa zvyšuje lineárne od podlahy k stropu (obr. 3). Vzostup teploty privádzaného vzduchu na úrovni podlahy nastáva v dôsledku sálania teplejšieho stropu (zohrievaného teplým vzduchom v hornej časti miestnosti), ktoré spôsobuje zohrie­vanie podlahy a ná­sledné odovzdávanie tepla vzduchu na úro­vni podlahy. Vo vyso­kých miestnostiach sa často stáva, že vzostup z prívodnej teploty na teplotu na úrovni podlahy je menej než 50 % celkového vzostupu teploty. V týchto prípadoch mož­no hovoriť o pravidle 33 %.

Mundt [5] na základe mnohých meraní odvodila model, ktorý umožňuje odhadnúť chladiaci výkon vztlakového vetrania ako funkcie minimálneho prietoku vzduchu pri rôznych hodnotách súčinu teplotného gradientu a výšky miestnosti. Ak je napríklad výš­ka miestnosti 3 m, teplotný gradient 2 °C/m a prietok vzduchu 3,5 l/(s . m²), chladiaci výkon vztlakového vetrania je približne 40 W/m² (obr. 4).

Pri návrhu vztlakového vetrania treba brať do úvahy aj limity požiadaviek na komfortné tepelné prostredie. Podľa väčšiny štúdií dokáže vztlakové vetranie pri dodržaní požadovaných limitov na vertikálny rozdiel teplôt vzduchu a prievan pokryť tepelnú záťaž maximálne okolo 40 W/m². Pri vyšších záťažiach možno skombinovať vztlakové vetranie so sálavým systémom, napríklad s podlahovým alebo stropným chladením.

Vztlakové vetranie kombinované s podlahovým sálavým systémom
Vztlakové vetranie kombinované s podlahovým vykurovaním
Ak je tepelná záťaž príliš vysoká alebo ak treba pokryť tepelnú stratu v zimnom období, možno vztlakové vetranie kombinovať s po­dlahovým sálavým systémom. Praktické skúsenosti a experimentálne merania ukázali, že v zime sa dá vztlakové vetranie dobre kombinovať s podlahovým vykurovaním. Príklad vertikálneho teplotného profilu získaného z experimentálnych meraní v simulovanej kancelárii so vztlakovým vetraním a podlahovým vykurovaním je na obr. 5. Teplotný profil bol nameraný pri výmene vzduchu 3,1-krát za hodinu, teplote privádzaného vzduchu 14 °C a pri vnútorných tepelných ziskoch 31 W/m² podlahovej plochy. Pri podlahovom vykurovaní pôsobí teplá podlaha na okolité chladné povrchy sálaním. Okrem toho prebieha prenos tepla odovzdávaním z podlahy do chladného vzduchu, ktorý sa šíri na úrovni podlahy. Pri návrhu systému treba venovať pozornosť teplote podlahy, priveľmi teplá podlaha by totiž mohla zohriať privádzaný chladný vzduch prirýchlo a vzduch by mohol stúpať nahor pred dosiah­nutím inhalačnej zóny užívateľov, v dôsledku čoho by sa znížila účinnosť vetrania. Prax ukázala, že teplota podlahy pod približne 25 °C a teplota privádzaného vzduchu približne 2 °C pod teplotou vzduchu v miest­nosti by mali zabezpečiť bezproblémové prúdenie privádzaného vzduchu na úrovni podlahy [2]. Pri kombinácii vztlakového vetrania so sálavým systémom už viac neplatí pravidlo 50 %, pretože zákonitosti distribúcie teploty sa zmenia. Napríklad so zvyšujúcou sa teplotou podlahy sa zvyšuje aj teplota vzduchu na úrovni podlahy, a tak napríklad pri výkone podlahy 60 W/m² môže platiť pravidlo 80 %, čo znamená, že teplota vzduchu na úrovni podlahy je v 80 % medzi teplotou privádzaného vzduchu a teplotou odvádzaného vzduchu [6].

Obr. 5 Príklad vertikálneho profilu teploty vzduchu z experimentálnych meraní v simulovanej kancelárii so vztlakovým vetraním a podlahovým vykurovaním [6]

Vztlakové vetranie kombinované s podlahovým chladením
Ak je tepelná záťaž priestoru v lete pomerne nízka, môže vztlakové vetranie slúžiť na vetranie a zároveň aj na chladenie. Pri vyššej tepelnej záťaži možno vztlakové vetranie kombinovať s podlahovým chladením.
Podlahové chladenie má niekoľko výhod – ak sa podlahový systém využíva na vykurovanie v zime, môže byť praktické tento systém vy­užiť aj na chladenie v lete. Navyše, podlaha sa zo všetkých povrchov v miestnosti nachádza najbližšie k ťažisku človeka, a preto účinne ovplyvňuje jeho tepelný pocit [7]. Po tretie, podlahové chladenie dosahuje vysoký chladiaci výkon v priestoroch s priamym alebo nepriamym slnečným žiarením na podlahu.

Nevýhodou podlahového chladenia môže byť to, že v kombinácii so vztlakovým vetraním sa ešte zvyšuje vertikálny rozdiel teplôt vzduchu medzi hlavou a členkami, čo môže viesť k zvýšenej miere tepelnej nepohody. Príklad vertikálneho teplotného profilu získaného z experimentálnych meraní v simulovanej kancelárii so vztlakovým vetraním a podlahovým chladením je na obr. 6. Teplotný profil bol nameraný pri výmene vzduchu 2,1-krát za hodinu, teplote privádzaného vzduchu 18 °C, resp. 24 °C a pri celkovej tepelnej záťaži odhadnutej na 40 W/m² podlahovej plochy.

Pozitívnym príkladom kombinácie vztlakového vetrania a podlahového chladenia je medzinárodné letisko v Bangkoku (Thajsko). Tepelná záťaž letiskovej haly bola odhadnutá na 97 W/m², pričom chladiaca podlaha pokryje 80 W/m² a vetrací vzduch 17 W/m² pri prívodnej teplote 18 °C. Teplota privádzaného vzduchu sa môže znížiť až na 16 °C, čím sa pokryjú náhle výkyvy tepelnej záťaže, kým zareaguje podlahové chladenie [8].

Obr. 6 Príklad vertikálneho profilu teploty vzduchu z experimentálnych meraní v simulovanej kancelárii so vztlakovým vetraním a podlahovým chladením

Vztlakové vetranie kombinované so stropným sálavým systémom
Vztlakové vetranie kombinované so stropným vykurovaním
Alternatívou k podlahovým sálavým systémom sú stropné systémy. Veľmi vhodná je kombinácia vztlakového vetrania so stropným vykurovaním. Za bežných podmienok bez potreby vykurovania je strop o niekoľko stupňov teplejší než podlaha v dôsledku ohrevu teplým vzduchom v hornej časti miestnosti, pričom teplý strop odovzdáva teplo podlahe prostredníctvom sálania. Mierne zvýšenie teploty stropu by malo zabezpečiť dostatok tepla na pokrytie tepelných strát [2].

Vztlakové vetranie kombinované so stropným chladením
Stropný systém kombinovaný so vztlakovým vetraním, využívaný na chladenie v letnom období, je schopný pokryť tepelnú záťaž až do výšky približne 100 W/m². V tomto prípade je vzduch stúpajúci zo spodnej časti miestnosti v interakcii so vzduchom, ktorý sa ochladzuje v blízkosti chladného stropu a v dôsledku zvýšenia hustoty klesá nadol. Ak je teplota stropu príliš nízka, množstvo vzduchu prúdiaceho smerom nadol je enormné, v dôsledku interakcie stúpajúceho a klesajúceho vzduchu nastáva podobná distribúcia vzduchu ako pri zmiešavacom vetraní a vztlakové vetranie stráca výhodu vysokej kvality vzduchu. Zmiešavanie vzduchu sa prejaví homogénnym teplotným profilom (obr. 7).

Obr. 7 Teplotný profil v miestnosti so vztlakovým vetraním a chladiacim stropom ako funkcia teploty stropu [9]

Približný návod na určenie možných kombinácií chladiaceho stropu so vztlakovým alebo zmiešavacím vetraním je na obr. 8. Kritériom pri zostavovaní grafu bola schopnosť systému zabezpečiť komfortné tepelné prostredie a zároveň čo najlepšiu kvalitu vzduchu. Pri vysokej tepelnej záťaži možno kombinovať chladiace stropy so vztlakovým, prípadne so zmiešavacím vetraním. Pri nižšej tepelnej záťaži a vysokých prietokoch vzduchu postačí zmiešavacie alebo vztlakové vetranie bez doplnkového chladiaceho systému.

Obr. 8 Graf na určenie možných kombinácií chladiaceho stropu so vztlakovým alebo zmiešavacím vetraním [10]
ZV – zmiešavacie vetranie, VV – vztlakové vetranie, CHS – chladiaci strop

Záver
Vztlakové vetranie predstavuje systém, ktorý je rozšírený v zahraničí, najmä v krajinách severnej Európy, na Slovensku je však zatiaľ len málo známy. Vztlakové vetranie možno kombinovať s podlahovými aj strop­nými sálavými systémami, ale aj s vykuro­vacími telesami či konvektormi. Je alternatí­vou k rozšírenejšiemu zmiešavaciemu vetraniu a v porovnaní s ním môže pri správnom návrhu a vhodnej kombinácii s doplnkovým vykurovacím alebo chladiacim systémom poskytnúť komfortné tepelné prostredie, vysokú kvalitu vzduchu a úsporu energie.

Ing. Michal Krajčík
Obrázky: archív autora
Ilustračné foto: Dano Veselský

Autor pôsobí na Katedre technických zariadení budov SvF STU v Bratislave.

Recenzoval: prof. Ing. Dušan Petráš, PhD.

Literatúra
1. Fitzner, K.: Displacement Ventilation and Cooled Ceilings, Results of Laboratory Tests and practical Installations. In: Proceedings of Indoor Air, 1996, Nagoya.
2.    Skistad, H. – Mundt, E. – Nielsen, P. V. – Hagström, K. and Railio, J.: Displacement Ventilation in Non-industrial Premises. Rehva: Rehva Guidebook No 1, second ed., Brussels, 2004.
3.    CR 1752 Ventilation for Buildings – Design Criteria for the Indoor Environment. European Committee for Standardization, Brussels, 1998.
4.    STN EN ISO 7730 Ergonómia tepelného prostredia. Analytické určovanie a interpretácia tepelnej pohody pomocou výpočtu ukazovateľov PMV a PPD a kritérií miestneho tepelného pohodlia. European Committee for Standardization, Brusel, 2005.
5.    Mundt, E.: Displacement Ventilation Systems – Covection Flows and Temperature Gradients.
In: Building and Environment, Vol. 30, 995,
p. 129 – 133.
6.    Causone, F. – Baldin, F. – Olesen, B. W. and Corgnati, S. P.: Floor Heating and Cooling Combined with Displacement Ventilation: Possibilities and limitations. In: Energy and Building, Vol. 42, 2010, p. 2 338 – 2 352.
7.    Babiak, J. – Olesen, B. W. and Petráš, D.: Low Temperature Heating and High Temperature Cooling. Rehva: Rehva Guidebook No 7, Brussels, 2007.
8.    Simmonds, P. – Holst, S. – Reuss S. and Gaw W.: Comfort Conditioning for Large Spaces. In: ASHRAE Transactions, Vol. 105, 1999, p. 1 037 – 1 048.
9.    Loveday, D. L. – Parsons, K. C. – Taki, A. H. – Hodder, S. G. and Jeal, L. D.: Designing for Thermal Comfort in Combined Chilled Ceilings/Displacement Ventilation Environments. In: ASHRAE Transactions, Vol.104, 1998, p. 901 – 911.
10.    Behne, M.: Indoor Air Quality in Rooms with Cooled Ceilings. Mixing Ventilation or rather Displacement Ventilation? In: Energy and Buildings, Vol. 30, 1999, p. 155 – 166.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.