Vzduchotechnické systémy u budov s téměř nulovou spotřebou energie
V úvodu článku autor představuje aktuální trendy návrhu a realizace systémů nuceného větrání a klimatizace, které zajišťují tvorbu vnitřního mikroklimatu pracovního, pobytového a obytného prostředí. Upozorňuje na nezbytnost těchto technických zařízení při stavbě budov s téměř nulovou spotřebou energie. V druhé části se zamýšlí nad směrem vývoje těchto vzduchotechnických systémů, a to nejen s ohledem na snižování energetické náročnosti budov, ale v současné době i nad aktuálním zabezpečením systémů proti šíření různých epidemiologických struktur.
Působí na Ústavu technických zařízení budov, VUT v Brně, Fakulta stavební, soudní znalec pro obory stavebnictví a ekonomika se specializací vzduchotechnická zařízení, klimatizace. Viceprezident autorizovaného společenstva Cechu topenářů a instalatérů ČR, člen ČKAIT, člen Společnosti pro techniku prostředí a energetický specialista MPO. Kromě přednáškové a publikační činnosti se věnuje technické praxi formou nejen projektové činnosti, ale v současné době hlavně formou supervizí a technických dozorů na stavbách zdravotnického charakteru.
Úvod
Je jaro, tedy období, kdy by lidé svůj volný čas po skončení zimy měli trávit částečně ve volném prostoru, v přírodě. Bohužel jak všichni vidíme, stačí jeden specifický mikrob, svět se zastavil a my z mnoha zřejmých důvodů trávíme i svůj volný čas v uzavřeném prostoru stavby, doma. I za „normální“ situace většina populace tráví velké procento svého života v uzavřeném prostoru, ale aktuálně také všechen čas. Je přitom zřejmé, že prostředí, ve kterém trávíme čas, má zásadní vliv na naše zdraví a pohodu. Toto prostředí je utvářeno z pohledu technika toky energie a hmoty (sluneční záření, vodní pára, prach, mikrobiologické činitele, odéry, různé plyny apod.). Podle působení daného faktoru rozlišujeme jednotlivé složky vnitřního prostředí. Mezi ty zásadní patří:
■ toxické mikroklima (např. koncentrace oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, těkavých látek, jako je třeba formaldehyd apod.);
■ aerosolové mikroklima (vzduch obsahuje tuhé znečišťující látky ve formě prachu od větších frakcí až po částice menší než jeden mikrometr);
■ mikrobiální mikroklima (ve vzduchu spolu s kapalným a pevným aerosolem jsou obsaženy i různé mikroorganismy, např. baktérie, plísně, viry apod.);
■ tepelně-vlhkostní mikroklima (prezentuje tepelný a vlhkostní stav vzduchu, tedy zastupuje energetický potenciál, který daný stav vzduchu představuje a bezprostředně ovlivňuje tepelnou pohodu člověka);
■ akustické mikroklima (obecně akustické pole vnitřního prostoru, ve kterém působí různé zdroje zvuku, mimo jiné např. i koncové prvky vzduchotechniky, vnitřní klimatizační jednotky apod.);
■ odérové mikroklima (člověk vnímá jak příjemné, tak i negativní pachy a na ty následně třeba i podprahově reaguje);
■ světelné mikroklima (přirozené a nucené osvětlení vnitřních prostorů, tuto složku přímo systémy vzduchotechniky neovlivňují, ale jsou s ní úzce spojeny, např. sluneční záření, prostup tepla okny a stínicími prvky).
Obecně je lidmi z pohledu techniky prostředí nejvíce vnímána složka tepelného mikroklimatu, ke které se váže vlhkostní část, následuje toxická a odérová složka. Bohužel s ohledem na velikost částic jemného aerosolu a velikost mikrobů, které nejsou rozeznatelné okem a zpravidla ani čichem či jinými smysly, tyto součásti vzduchu nevnímáme, řešíme až následky, jako jsou alergie a nemoci.
České právní předpisy definují základní limity pro jednotlivé koncentrace prachu a mikrobiální struktury. Např. vyhláška č. 6/2003 Sb., kterou se stanoví hygienické limity chemických, fyzikálních a biologických ukazatelů pro vnitřní prostředí pobytových místností některých staveb, uvádí v paragrafu 3 – mikroklimatické podmínky mimo jiné, že klimatizace nesmí být zdrojem žádné kontaminace. Limitní koncentrace chemických faktorů (toxické mikroklima) a prachu (aerosolové mikroklima) jsou stanoveny jako jednohodinové a jsou uvedeny v příloze 2, limity výskytu mikroorganismů jsou definovány hodnotou 500 KTJ/m3 (kolonie tvořící jednotku v jednom m3 vzduchu) pro bakterie a plísně. V tab. 1 jsou prezentovány vyhláškou č. 6/2003 Sb. limitní koncentrace vybraných frakcí prachu. Z pohledu hygieny jsou v tab. 1 představeny frakce pevného aerosolu pořád velké, jako přenosové částice malých mikroorganismů mohou sloužit i částice velikosti 0,5 µm.
Úkolem technika je tedy zajistit pro daný prostor takové vnitřní prostředí, aby splňovalo všechny podmínky stanovené předpisy podle typu prostoru. Komplexně, tedy s ohledem na řízení koncentrace jednotlivých škodlivin (škodlivinou může být i teplota, vlhkost apod.) lze udržovat vnitřní prostředí pouze technickými zařízeními, kterým se říká vzduchové systémy klimatizace (větrání), tedy vzduchotechnikou.
Současný stav řešení vzduchotechnických systémů
Jak je patrné z úvodu, české hygienické limity jsou definovány pro pracovní, pobytové a koneckonců i obytné prostory poměrně benevolentně. Podle evropského předpisu ECA No. 12 Indoor air quality and its impact on man (Biological particles in indoor environments EUR 14988 EN, 1993) jsou pro vnitřní prostory neprůmyslových staveb definovány kategorie znečištění. Tyto kategorie jsou realizovány na základě průměrných hodnot zjištěných měřením, nepředstavují tedy něco neobvyklého, ba naopak jsou standardem dobré praxe. Zatřídění je prezentováno v tab. 2.
Z tab. 2 je vidět, že naše současně nastavené limity v závazném právním předpisu odpovídají z hlediska přístupu hodnocení v evropských zemích kategorii středního znečištění. Potom lze dovodit, že s ohledem na pořizovací náklady spojené s realizací jednotlivých systémů větrání a klimatizace jsou z hlediska mikrobiálního mikroklimatu (mimo specifické zdravotnické, laboratorní a podobné prostory) větrací a klimatizační zařízení navrhována a realizována na střední kategorii znečištění. Samozřejmě, že jsou výrobci (i čeští), kteří do svých kompaktních vzduchotechnických zařízení (jednotek) implementují např. dvoustupňovou filtraci vzduchu, která většinu aerosolu transportovaného z venkovního prostředí zachytí. Nicméně při cirkulačních systémech jsou vnitřní zdroje škodlivin natolik významné (jak prostory pro bydlení, tak pracovní prostory), že v obsluhovaných prostorách potom nedochází k ředění škodlivin, ale k jejich nárůstu. Významnou úlohu při ředění těchto koncentrací má množství přiváděného čerstvého, oběhového a odpadního vzduchu. Návrh a realizace vzduchotechnických systémů podle typu a účelu tedy reaguje na aerosolové a mikrobiální okrajové podmínky instalací jednoho, či více stupňů filtrace, na tepelně-vlhkostní podmínky reagují zařízení různými typy výměníků tepla, u sofistikovanějších systémů je vlhkost vzduchu upravována řízeně, tj. zařízení obsahují zvlhčovací komory a zařízení pro provoz v zimním období a specifickou skladbu výměníků pro odvlhčování vzduchu v letním období.
Vzhledem k tomu, že velmi významnou roli při návrhu vzduchotechnického systému mají jeho provozní náklady a s tím spojená celková energetická náročnost budovy, jsou od roku 2016 systémy komfortní vzduchotechniky povinně vybavovány zařízením pro zpětné získávání tepla (ZZT). Podmínky jsou aktuálně definovány nařízením komise (EU) č. 1253/2014 ze 7. července 2014, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES. Uvedené zařízení se vztahuje na tzv. obousměrná větrací zařízení (jednotky). To znamená, že nucený systém vzduchotechniky zajišťuje výměnu vzduchu v obsluhovaných prostorách jak přívodem čerstvého vzduchu, tak i odvodem vzduchu znehodnoceného. Typické schéma takového systému vzduchotechniky je uvedeno na obr. 2.
Úspory dosažené zařazením ZZT jsou totiž velmi významné a v závislosti na volbě použitého systému lze ušetřit zpravidla od 40 % do 90 % nákladů za teplovzdušné větrání v zimním období. Výměníky ZZT se dělí do mnoha skupin podle mechanismu přenosu tepla, který následně ovlivňuje účinnosti tohoto přenosu. Tato účinnost je spolu s požadavkem na provoz základním výběrovým kritériem jednotlivých systémů ZZT. Sortiment výrobků ZZT je vzhledem k bohaté historii vývoje rozsáhlý a základní rozdělení je uvedeno na obr. 3. Nicméně požadavek na nízkou cenu výměníku a současně na vysokou účinnost vedl k tomu, že se v praxi používají pouze některé typy z níže uvedeného spektra možností. Nejčastěji z uvedených možností se navrhují rekuperační deskové výměníky a rotační regenerační výměníky. V klimatizačních zařízeních nebo při teplovzdušném vytápění se pro pokrytí vyšších tepelných ztrát či odvod větších tepelných zátěží využívá cirkulace oběhového vzduchu. Pokud tato zařízení slouží i jako větrací, musí být minimální podíl čerstvého vzduchu 15 %. V praxi se často setkávám s problematikou nedostatečného ohřevu přiváděného vzduchu na rekuperačních deskových výměnících, případně u regeneračních rotačních výměnících s přenosem agencií z odváděného vzduchu do čerstvého přívodního vzduchu. V praxi, zejména u laické veřejnosti, je častá mylná domněnka, že účinnost systémů ZZT je celoročně neměnná. Účinnost všech těchto zařízení je přímo závislá na energetickém potenciálu, tj. čím je větší rozdíl mezi teplotou přiváděného a odváděného vzduchu, tím vyšší bude účinnost a obráceně. Při nulovém rozdílu teplot obou proudů vzduchu musí být účinnost nulová. Simulovaná teoretická závislost přívodní teplotní účinnosti 73 % (Ecodesign) u deskového rekuperačního výměníku pro stav odváděného vzduchu 20 °C/35 % a teplotě nasávaného čerstvého vzduchu z exteriéru 0 °C na základě zjištěných reálných měření je prezentována na obr. 4.
Obdobný průběh přívodní teplotní účinnosti s mírně jinou charakteristikou lze očekávat u rotačních regeneračních výměníků tepla. S ohledem na přenos vázaného tepla ve vlhkosti vzduchu je přívodní teplotní účinnost při rozdílech teplot obou proudů vzduchu mírně vyšší, např. kolem 82 %. Jak ukazuje praxe, nevýhodou těchto systémů je přímý styk obou proudů vzduchu. Kromě přenosu celkového tepla obsaženého ve vzduchu bohužel dochází i k přenosu jiných látek, např. odérových, mikrobiologických struktur apod. Přenos není za normální hygienické situace zásadní, nicméně za zvýšených hygienicko-bezpečnostních podmínek již takovéto zařízení nedoporučuji.
Díky Ecodesignu mohu ze znalecké praxe konstatovat, že zejména rekuperační deskové výměníky již vykazují vysokou teplotní přívodní účinnost. Projevuje se to způsobem zcela nečekaným. Oproti zařízením ZZT před Ecodesignem, kdy při běžných vlhkostních parametrech odváděného vzduchu ke kondenzaci na straně odváděného vzduchu docházelo zcela sporadicky anebo vůbec za celou dobu životnosti ZZT, v současnosti již k potřebné kondenzaci dochází. Výsledkem je potom fakt, že při pod nulových teplotách vzduchu v exteriéru namrzá kondenzát na zařízení ZZT, a pokud není zajištěna kvalitní protimrazová ochrana tohoto zařízení a dostatečná tepelná rezerva na ohřívači, vyvstává výše uvedený problém s teplotou přiváděného vzduchu. Fyzická ukázka namrzání deskového výměníku je na obr. 5.
Zvláštní skupinou systémů ZZT tepla implementovaných do vzduchotechnických jednotek jsou vestavěné okruhy tepelných čerpadel (TČ). Těchto se s ohledem na pořizovací cenu nejvíce využívá u zařízení obsluhujících teplé a vlhké provozy (vnitřní bazény, relaxační a wellness centra). V tomto případě se využívá vysokého topného faktoru TČ, kdy na straně odpadního vzduchu je výparníkem odebírané teplo předáváno přes výměník kondenzátoru do přiváděného vzduchu. V současné době jsou schopny tyto chladicí vestavěné kompresorové chladicí okruhy z jedné 1 kW elektrické energie vyrobit až 5 kW tepla. Taková vzduchotechnická zařízení patří mezi jednu z výjimek Ecodesignu. V praxi jsou již na trhu obdobná zařízení např. pro bytové systémy vzduchotechniky. Obecně platí, že čím kvalitnější filtrace vzduchu, tím vyšší je energetická náročnost na dopravu tohoto vzduchu. Vzduchotechnické systémy tedy bývají nejčastěji vybaveny jedním stupněm střední třídy filtrace, popř. druhým stupněm s jemným stupněm filtrace. Od 1. července 2019 je platná ČSN EN 16890 Vzduchové filtry pro všeobecné větrání, část 1 – technické specifikace a klasifikační metody založené na odlučování částic (ePM). Tato norma rozšířila zatřídění filtrů o oblast zkoumaných částic pevného aerosolu frakce 0,4 µm. Vlivem této změny dosahují aktuálně jemné filtry vyšší odlučivost pro větší frakce PM2,5 a PM10. V zatřídění je i frakce PM1. Lze tedy očekávat, že při návrhu vzduchotechnických zařízení se dvěma stupni filtrace bude i celková filtrační účinnost mírně vyšší (např. filtrace třidy F8 a F9 podle starší normy). Výsledek vnímám pozitivně, horší je již označení potřebného filtru. Aktuálně je pro popis kvality filtru nutné uvést minimálně tři hodnoty odlučivosti (ePM), a to pro každou frakci.
Očekávaný vývoj
Osobně se domnívám, že při realizaci budov s téměř nulovou spotřebou energie bude kladen ještě větší důraz na další snižování energetické náročnosti vzduchotechnických zařízení. Potenciální úspory vidím ve vývoji nejen účinnějších ventilátorů a EC motorů, ale taktéž ve vývoji entalpických výměníků ZZT. Entalpické výměníky využívají výhod jak rekuperačních, tak regeneračních výměníků. Zjednodušeně se dá hovořit o prostupu jak citelného, tak vázaného tepla ve formě vodní páry. Zároveň díky nanotechnologiím lze na membráně výměníku zabránit prostupu jiných molekul než H2O. Dochází pouze k obousměrné difuzi vodní páry, což poskytuje nejen hygienické výhody, ale taky úspory na provozu vlhčení v zimním období. Díky obousměrné difuzi vodní páry jsou eliminovány i vodní zisky v přiváděném vzduchu v deštivých dnech provozu těchto zařízení. Nedochází však k přenosům nežádoucích zápachů, pevného aerosolu a mikrobů, protože jejich molekuly mají větší kinetický rozměr (respektive velikost) než molekula vodní páry. Kinetickým rozměrem se přitom rozumí nejmenší velikost póru, kterým může molekula prostoupit, pro běžné látky je tato hodnota uvedena na obr. 8. Takovéto entalpické výměníky mají vyšší teplotní přívodní účinnost než výměníky rekuperační deskové, reálně kolem 90 %. V současné době dochází i u českých výrobců vzduchotechnických zařízení k vlastnímu vývoji entalpických výměníků. Po uvedení na trh předpokládám, že se tyto technologie stanou cenově dostupnější a budou v praxi více využívány než doposud (a to nejen u menších větracích zařízení, ale i u větší systémů vzduchové klimatizace).
S rozšiřováním EC motorů s plynule řiditelnými otáčkami do stále výkonově větších ventilátorů se dostává do popředí také regulace DCV (demand controlled ventilation), tedy regulace průtočného množství vzduchu podle aktuální potřeby, zejména aktuálního počtu uživatelů budovy (v současnosti mnoho systémů vzduchotechniky pracuje celoročně s konstantním průtokem vzduchu). V místnostech může být detekována jak přítomnost osob, tak nepřímo jejich počet prostřednictvím měření koncentrace oxidu uhličitého. Tato čidla jsou již dostatečně přesná a levná pro technickou praxi, takže ve spolupráci s regulátory průtoků mohou zabezpečit variabilní průtok do jednotlivých monitorovaných zón objektu, čemuž odpovídá nastavení výkonu ventilátoru. Přesným nastavením vzduchového množství se dosáhne nejen úspory na práci ventilátoru, tedy snížení příkonu, ale také se zmenší aktuální výkon výměníků, které dopravovaný vzduch upravují. Adekvátně průtoku se také mění zanášení filtrů. Lze očekávat, že VAV systémy (s variabilním průtokem vzduchu) s ohledem na rostoucí automatizaci budov budou stále více nahrazovat systémy pracující s konstantním průtokem vzduchu.
Spolu s nanotechnologickým vývojem dochází aktuálně i v ČR k výzkumu a vývoji nanofiltrů určených do vzduchotechnických zařízení. Jsou zkoumány jak běžné kasové a rámečkové filtrační vložky, tak i filtry s vysokým stupněm odlučivosti částic pevného aerosolu (HEPA filtry). Za nejčastěji využívaný materiál lze považovat roztoky polymerů PP a PE, dále také vlákna uhlíková, skelná a kovová. Přestože je v současné době nanotechnologie výroby filtrů do vzduchotechnických systémů v pokročilém stadiu a máme možnost nadefinovat si v rámci průmyslové výroby materiál a tloušťku nanášené vrstvy, z důvodu vysoké tlakové ztráty materiálu ve srovnání s klasickými filtračními vložkami nejsou v technické praxi používány. Příkladem jsou výsledky interního měření na Ústavu technických zařízení budov Fakulty stavební VUT v Brně na obr. 7 a 8.
Na obr. 7 je znázorněna naměřená odlučivost filtru z nanovláken, který byl konstruován pro třídu filtrace F9 (označení podle starší již neplatné normy ČSN EN 779). Tento filtr sice splní požadovanou odlučivost, a to 95 % pro frakci 0,5 µm, nicméně této odlučivosti je dosaženo za velmi vysoké tlakové ztráty, viz obr. 10. Z grafu na obr. 8 je patrné, že v průtocích od 400 m3/h výše je nárok u nanofiltrů na dopravní tlak daného množství vzduchu o cca 60 % větší než u standardního textilního filtru. Výhodou menších vláken může být větší škála volitelnosti hustoty filtrační hmoty nanotextilie a tím i větší volitelnost odlučivosti částic filtračním materiálem. Z konstrukčních důvodů, a to zejména z nutnosti aplikace nosných textilních podkladů, aby nedošlo k porušení nanovlákenné vrstvy, je však pro obor vzduchotechnika tento materiál zatím neaplikovatelný.
Závěr
Jak vidíme z příkladů vývoje výše, je jen otázkou času, kdy uvedené nové technologie dosáhnou potřebných příznivých cenových a technických parametrů a kdy podle mého názoru budou nedílnou součástí moderních systémů vzduchotechniky. Všechny prezentované technologie potom zajistí nejen příznivé energetické hodnocení vzduchotechnických systémů z hlediska zatřídění dané budov y (zařízení budou plnit požadavky kladené na budovy s téměř nulovou spotřebou energie), ale zároveň zajistí vysoký hygienický standard vnitřního prostředí obsluhovaných prostorů. Prakticky bez jakýchkoliv úprav potom budou vhodné pro větrání vnitřních prostorů i v takové epidemiologické situaci, jaká je právě nyní.
Přeji v současné době čtenářům hlavně zdraví a mnoho trpělivosti potřebných v souvislosti s důsledky epidemie covid-19 na naši práci a společnost jako takovou.
Zdroje:
[1] BLASINSKI, P.; RUBINA, A. Elektrostatické filtry a jejich hodnocení v souladu s ČSN EN ISO 16890. TZB-info, 2020, roč. 1, č. 2020, s. 1–4. ISSN: 1801-4399.
[2] RUBINA, A.; BLASINSKI, P.; RUBINOVÁ, O. Application of nanofilters in ventilation. International Review of Applied Sciences and Engineering, 2019, roč. 1848, č. 0008, s. 1–6. ISSN: 2063-4269.
[3] RUBINA, A.; BLASINSKI, P.; RUBINOVÁ, O. Vybrané kapitoly ze vzduchotechniky. 1. 1. Brno: Cech topenářů a instalatérů České republiky, z.s., 2018. 162 s. ISBN: 978-80-86208-19-0.
Celý článek naleznete v archivu čísel (06-07/2020).
