Očekávané trendy ve vzduchotechnice a klimatizaci

Pokud se má vzduchotechnika a klimatizace rozvíjet i v dalším období, musí akceptovat současné i budoucí trendy v poptávce jak společnosti, tak i architektury, na které je z velké části závislá. V současné době je zjevný celospolečenský trend snižování potřeb energie, který se projevuje i v architektuře a který má vliv i na celkové řešení techniky prostředí budov.

V rámci trendu snižování potřeb energie doznala výrazných změn tepelná ochrana fasádního pláště budov, a tím i způsob a systémy vytápění. V oblasti vzduchotechniky a klimatizace však trend snižování spotřeb energie i důsledky dokonalého zatěsňování staveb nebyl příliš zaznamenán. Je to částečně způsobeno omezeným vývojem na poli malé vzduchotechniky, který je v současné době v českých zemích patrný, ale především nedostatečným tlakem na vytvoření společenské poptávky, která by navazovala na vytvořenou společenskou poptávku v zatěsňování a zateplování sta­veb. Chybí návaznost na kampaň vedenou výrobci oken a firmami pro zatěsňování staveb.

Současná ekonomická krize způsobila, že rozvoj soukromého investičního sektoru zajišťujícího boom velkých komerčních staveb se téměř zastavil. Proto je vhodné se zaměřit na privátní sektor drobných uživatelů staveb a vytvořit cíleným působením na tuto část potenciálního trhu poptávku, která by výrobním a montážním firmám pomohla složitou dobu překlenout. Nástrojů pro tuto cílenou kampaň je dostupných poměrně hodně. Kromě ekonomického přínosu zpětným získáváním tepla z odváděného větracího vzduchu jsou to především negativní aspekty zdravotní a bezpečnostní, které vznikají v případě těsného pláště, kdy je infiltrace snížena na minimální hodnotu. Je vhodné využít k tomu zkušenosti z ostatních zemí Evropské unie, zvláště pak ze severských států, kde je nucené větrání se zpětným získáváním tepla společenským standardem.

Ohlédnutí do historie
Kromě malé vzduchotechniky je nutno zajistit i rozvoj vzduchotechniky a klimatizace velkých objektů, především pak ve zdravotnictví, u společenských objektů a koneckonců i kanceláří a obchodních středisek. I když velmi výrazným faktorem úspěchu systému či jeho komponentů bude vždy pořizovací cena, stále více se bude do popředí zájmu dostávat i energetická náročnost systému, protože nutnost touto problematikou se zabývat je uložena ve společenském povědomí. Je proto vhodné se v této chvíli podívat do historie, do doby, kdy energie byla relativně drahá a bylo jí relativně málo, tj. do doby na přelomu 19. a 20. století, kdy bylo nutné již poměrně výrazně prosklené budovy větrat a případně v nich také snižovat teplotu vzduchu. I když se architektura staveb (vnější zisky, možnost akumulace s ohledem na provedení fasády a světlé výšky vnitřních prostor) změnila a zároveň přibyly vnitřní zisky od technologického vybavení, je možno některé prvky větracích systémů a jejich filozofii přenést i do současné doby.

Cesty k energetickým úsporám
Jako zásadní bod vidím celkový přístup k vedení vzduchu, kdy vzduchotechnické kanály byly přímo uzpůsobeny proudění vzduchu, aniž by docházelo ke zbytečným tlakovým ztrátám vlivem změny dynamického tlaku na statický a naopak. Dalším výrazným faktorem byly velmi nízké rychlosti v rozvodech vzduchu i na výměnících tepla. Nemalý vliv na celkové spotřeby energie měly i přiměřené nároky na teploty v prostoru, neboť naši předci věděli, že velké rozdíly mezi vnitřním a vnějším prostředím, a to jak z hlediska teplot, tak hlavně z hlediska relativních vlhkostí, neblaze působí na lidský organismus.

Obdobně jako u dodržení vnitřních teplotních a vlhkostních parametrů tak patrně dojde ke snížení požadavků na čistotu vnitřního prostředí, kdy parametry venkovního prostředí, ve kterém se lidé běžně pohybují, budou dostatečné i pro vnitřní pobytové prostředí budov. Uvědomme si, že při přehnaných nárocích na čistotu vnitřního prostředí oproti běžným venkovním podmínkám se z lidí stávají „laboratorní pokusná zvířata“ s minimální odolností ve venkovním prostředí. Zároveň také velmi narůstají provozní a energetické náklady.

Proto se patrně omezí filtrace venkovního vzduchu v místech, kde venkovní kvalita vzduchu nebude jednoznačně označena za zdraví škodlivou. Zachována bude pouze základní filtrace zamezující zanášení teplosměnných ploch výměníků. Obdobně též bude věnována větší péče izolacím jak potrubí, tak i zařízení pro úpravu a dopravu vzduchu. Je v současné době legislativním paradoxem, že v případě dopravy tepla a chladu jsou pro příslušná potrubí na otopnou a chladicí vodu požadovány tepelné izolace až o tloušťce odpovídající dimenzi potrubí, a to bez zohlednění rozdílu mezi teplotou dopravovaného média a teplotou okolí. Přitom pro dopravu vzduchu při stejném teplotním rozdílu se tato vyhláška již neuplatňuje. Proto budou patrně ve větší míře odstupňovány tloušťky izolací vzduchotechnických potrubí v závislosti na rozdílu teplot vzduchu a okolí. Toto bude patrně platit i pro tloušťky izolací na vzduchotechnických jednotkách, pokud pro jinou volbu tloušťky a druhu izolací nebudou jiné důvody (např. hluk). Z hlediska ekonomiky bude nutno věnovat pozornost úniku teplotně a vlhkostně upraveného vzduchu při jeho dopravě netěsnostmi potrubí a skříní klimatizačních jednotek.

Netěsnost vzduchotechnických potrubí je o to záludnější, že oproti rozvodům otopné a chladicí vody je jen těžko odhalitelná a v případě umístění potrubí v šachtách i neopravitelná. Únik 8 % klimatizovaného vzduchu po trase je energeticky stejný, jako by teplota vzduchu dopravovaného mezi klimatizační jednotkou a místem distribuce byla odlišná o ±3 °C. Kromě energie na ohřev či chlazení unikajícího vzduchu je nutno dále připočíst energii na dopravu daného vzduchu či jeho vlhčení.

Problematika vlhčení vzduchu
Dalším okruhem problémů s úpravou vzduchu (jak teplotní, tak i vlhkostní) bude potřeba většího uplatnění předávání tepla a vlhkosti mezi vzduchem a vodou. V padesátých letech minulého století byly adiabatické pračky vzduchu z tzv. hygienických důvodů vytlačeny z užívání parními zvlhčovači napojenými buď na centrální rozvod páry, či lokální parní vyvíječe. Nicméně se jedná o provozně velice nákladný způsob vlhčení vzduchu a navíc značně závislý na kvalitě vody. Je proto otázkou, zda se po vyřešení problémů s nekontrolovatelným růstem mikroorganismů ve vodní části a jejich likvidací k dřívějšímu způsobu vlhčení, resp. chlazení nevrátíme. Určitě by to umožňovalo lepší využívání odpadního tepla, resp. i tepla z nízkopotenciálních zdrojů. Každopádně by to znovu dovolovalo chlazení pomocí přímého vstřiku chlazené vody, což by podstatně snížilo tlakové ztráty na výměníku tepla při režimu odvlhčování a přineslo možnost eliminace energeticky náročných absorpčních odvlhčovačů.

Ventilátory a tlakové ztráty
Hlavní změny, jak bylo v úvodu uvedeno, lze očekávat ve snížení celkových tlakových ztrát při dopravě a úpravě vzduchu tak, aby se v maximální možné míře snížil měrný ventilátorový výkon (SFP) ((W . m^–3 . s), kW/(m³ . s^–1)). V současnosti se v navrhovaných systémech tato hodnota pohybuje kolem SFP = 6 kW/(m³ . s^–1). Do budoucna je však snaha o dosažení hodnot SFP = 1,5 až 2 kW/(m³ . s^–1), což například znamená, že v klimatizačních jednotkách by rychlost v průřezu jednotky neměla přesáhnout 2,1 m/s. U pasivních objektů by hodnota SFP neměla převýšit hodnotu 0,8 kW/(m³ . s^–1), vztaženo na součet SFP přívodního a odvodního systému.

Poznámka: Hodnotu SFP (tj. hodnotu vyjadřující poměr mezi vloženou energií pro dopravu vzduchu a množstvím dopravovaného vzduchu) je možno snížit pouze snížením příkonu ventilátorů, kterého lze docílit pouze snížením tlakové ztráty systému, případně zvýšením účinností ventilátorů, což má však pouze omezené možnosti. Proto jedinou cestou, jak snižovat SFP, je snižovat rychlost proudění vzduchu. Například při snížení rychlosti v celém systému o cca 1/3 lze dokázat, že teoreticky s aplikací technických úprav, které přinášejí snížení rychlosti vzduchu lze snížit potřebu energie na pohon ventilátorů na 1/3 původní hodnoty.

Kromě poklesu tlaku je totiž v celém systému možno při tomto řešení mnoho komponentů vynechat (zkrátí se tlumiče hluku cca o 70 cm, je možné vynechat eliminátory kapek za výměníky tepla s kondenzací, sníží se počty řad lamelových výměníků apod.). Nemalou výhodou tohoto řešení je i snížení ztrát únikem upraveného vzduchu netěsnostmi potrubí, protože celkové tlaky ovlivňující únik vzduchu netěsnostmi potrubí jsou nižší.

Ve vývoji ventilátorů lze v blízké budoucnosti očekávat tyto trendy: maximální snaha o co nejvyšší účinnost i při změnách otáček, zvláště při velmi nízkých otáčkách, energeticky výhodné snižování otáček ventilátorů jednak pomocí frekvenčních měničů, jednak pomocí motorů s permanentně buzeným elektromagnetem (EC motory), v případě řemenových převodů přednostní používání plochých řemenů, ve snaze o zálohování dopravy vzduchu i o snížení konstrukčních výšek klimatizačních jednotek používání více paralelně řazených ventilátorů.

Výměníky a rekuperace
Značné změny lze očekávat zvláště u kapalinových výměníků a výměníků zpětného získávání tepla, protože právě na výměnících tepla a kvůli přehnaným nárokům na filtraci jsou v současné době největší tlakové ztráty při dopravě a úpravě vzduchu. Proto se dají předpokládat společně se snížením rychlosti vzduchu i změny v konstrukci výměníků a jejich uchycení v sestavách klimatizačních jednotek. Dalším požadavkem, kromě snížení tlakových ztrát, bude lepší přístupnost jednotlivých výměníkových ploch, a tím i jejich snadná čistitelnost, což přinese zdravotní nezávadnost systému. S ohledem na požadavek snížení tlakových ztrát lze očekávat naklopení lamelových výměníků tak, že nebudou kolmo k proudícímu vzduchu, což umožní zvětšení výměníkových ploch, a tím i snížení tlakových ztrát.

Dalším novým prvkem u výměníků budou obchozy pro případ, že daný výměník nebude v provozu. Chladicí a topný výměník budou v paralelním postavení využívat možnost, že se vzduch buď chladí, nebo ohřívá. Za výměníky budou směšovací klapky umožňující přivádět vzduch do různých zón o různých teplotách.

Systémy zpětného získávání tepla se budou používat pouze na základě výpočtu energetické výhodnosti. V současné době se zpětné využívání tepla používá téměř u všech aplikací, kde nehrozí jejich zanesení částicemi z odpadního vzduchu nebo kde je dostatek prostoru pro jejich umístění včetně napojení na příslušné vzduchovody, aniž by se prováděla zpětná kontrola jejich efektivity. Existují ale případy, kdy při vysokých rychlostech v průřezu klimatizační jednotky a při nízkých teplotách přiváděného vzduchu v zimním a přechodném období je spo­třeba a cena elektrické energie na pohon ventilátorů v celoročním pohledu vyšší než prokazatelná úspora při zajištění tepla, případně chladu.

Dále lze očekávat, že výměníky tepla a chladu budou řazeny za ventilátory zvláště v případě, že bude používáno směšování bez předřazeného systému zpětného získávání tepla. Při standardním provedení směšovacích komor a při snižování průtoku vzduchu přes komory klimatizačních jednotek hrozí, že vzduch se ve směšovací komoře dostatečně nesmísí a vytvoří různé teplotní vrstvy proudu, jejichž teploty mohou být nižší než 0 °C. To má za následek zamrzání výměníků, v lepším případě pak vypadávání chodu jednotek při spuštění protimrazových ochran. Proto je vhodným řešením dokonalé smísení vzduchu ještě před výměníkovými plochami, což jeho vedení přes oběžná kola ventilátorů splňuje.

Dalším problémem rekuperačního výměníku, konkrétně deskového, bude při proměnném průtoku vzduchu v zimním období paradoxně vysoká účinnost přestupu tepla a nebezpečí zamrzání odvodní strany výměníku, zvláště při vlhčení přiváděného vzduchu. Toto bude znevýhodňovat tento druh výměníků oproti ostatním systémům. Další rizika jsou spojena s otevíráním obchozu výměníku aktivací protimrazových ochran v případě, že vodní výměníky budou v bezprostřední blízkosti výměníku zpětného získávání tepla. Kromě redukce požadavků na kvalitu přiváděného vzduchu lze očekávat, že budou používány filtry s takovou jednotkovou velikostí, konstrukcí a materiály, které budou umožňovat jejich regeneraci ve strojních myčkách, aby je bylo možno opět použít, aniž by se zhoršila jejich odlučivost. S ohledem na dosažitelnou těsnost potrubí je pravděpodobný ústup od čtyřhranného přírubového potrubí a jeho nahrazení kruhovým či spíše oválným potrubím z ocelového pozinkovaného plechu.

Regulace a měření
Dalšími prvky klimatizačních zařízení, které doznají výrazných změn, budou prvky měření a regulace. Změny se budou týkat zejména spolehlivosti snímání dat, podle kterých budou klimatizační systémy řízeny. V současné době jsou klimatizační systémy většinou řízeny pomocí jednoho čidla (snímače), jehož umístění je obvykle kompromisem v rámci situace při stavbě. Proto i jeho výstupy jsou kompromisní a v některých případech velmi nepřesné a nereprezentující podmínky a stavy daného prostoru. Řízení servopohonů, ventilů, frekvenčních měničů apod. závisí na umístění čidel. Proto lze předpokládat, že pro přesnější vyhodnocení bude do systémů umisťováno více čidel a řídicí veličina bude vybírána buď aritmetickým, nebo váhovým průměrem.

Dále lze očekávat v systému řízení při regulování průtoků vzduchu používání čidel, která vyžadují pro přesnější hodnoty menší hodnoty dispozičního tlaku v systému, protože s poklesem rychlosti v potrubí bude menší dispoziční tlak. Dalším požadavkem na systém měření a regulace bude snímání co největšího počtu dat, aby bylo náležitě poučené obsluze umožněno provádět operativní zásahy do systému jak z hlediska dosažitelného komfortu, tak i z hlediska úspor energií.

Proto je data nutno snímat nejen těsně za vzduchotechnickou jednotkou, ale i před místnostmi, kde je vzduch distribuován.

Bez průvanu a suchého vzduchu
Co se týče celkového dimenzování klimatizačních a větracích zařízení souvisejícího s kvalitní tepelnou ochranou pláště budov a snižováním energetické náročnosti vnitřního vybavení (počítače, kopírky, osvětlení), je zřejmé, že nebude kladen takový důraz na rychlou eliminaci okamžitých tepelných zisků, a tím i flexibilitu klimatizačních systémů. Naopak bude kladen větší důraz na zamezení nepříjemného proudění vzduchu v pracovní zóně, využívání komfortnějšího bezkondenzačního chlazení prostoru eliminujícího vysychání sliznic přítomných osob.

Proto se budou v budoucnosti více uplatňovat systémy pracující s menším množstvím proudícího vzduchu v místnostech a budou spíše nahrazovány systémy na bázi nízkopotenciálního sálání, jako jsou chladicí stropy či aktivace betonu. To jsou systémy, které jsou schopny plně eliminovat měrné špičkové zátěže do 70 W/m², při rozdílu teplot mezi venkovním a vnitřním prostředím ∆θ = 5 až 6 °C, což je na podmínky střední Evropy zcela dostatečné. Při vyšších tepelných zátěžích bude nutné použít jiné druhy klimatizace pracující na bázi proudění vzduchu v místnostech. Nicméně z hlediska úspor energie lze očekávat, že se uplatní regulace vnitřní teploty v závislosti na venkovní teplotě, využívání akumulace tepla a chladu do stavebních konstrukcí (včetně využívání zemních kolektorů např. pro vedení vzduchu) a zelená architektura upřednostňující nízké provozní náklady na provoz budovy před okázalými prosklenými monumenty.

Závěr
V oblasti vzduchotechniky a větrání lze očekávat, že bude sílit tlak investorů na minimalizaci prostor, které budou technologická zařízení pro dopravu a úpravu vzduchu ve stavbě zabírat. Proto bude vyvíjen tlak na výrobce klimatizačních jednotek, aby se přizpůsobili požadavku na maximální rozměrovou flexibilitu a snižování konstrukčních výšek klimatizačních zařízení, případně byli schopni zajistit montáž rozebraných konstrukcí na místě při garantování výkonových parametrů. Každá budova je do určité míry unikát, který vyžaduje individuální přístupy z hlediska jak architektury, tak i technických řešení. Proto si musíme připustit, že pokud bude při technickém řešení konkrétní budovy důsledně vyžadováno použití standardizovaného řešení pomocí typizovaných prvků, může být investičně, ale i provozně nákladnější. Vzhledem k tomu bude účelné daleko více času věnovat přípravě staveb z hlediska vnitřního klimatu a pohody, kdy v přípravné fázi bude třeba zvažovat různé varianty řešení dané budovy.

Věřím, že již do přípravné fáze staveb se více zapojí technici a inženýři z řad projektantů a technických dozorů investora, aby na základě objektivních veličin (nejen okamžitých investičních nákladů) vybrali nejvýhodnější řešení, a tak skončila hra investorů na tzv. vysoce úsporná řešení, která jsou při realizaci zakončena sice investičně nejlevnější variantou, avšak při zohlednění provozních energetických nákladů představují variantu velmi nevýhodnou. Z tohoto hlediska je současná role státu a různých hodnoticích kritérií velmi diskutabilní, protože neexistuje žádné srovnávací kritérium, které by objektivně vyjadřovalo skutečné potřeby energie na provozy budov. Stávající kritéria vycházejí ze statického posuzování staveb a vytápění, bez reálného pohledu na využívání staveb, a umožňují úpravou vstupních parametrů zkreslení výsledků tak, aby odpovídaly požadovaným parametrům zaplaceným investorem.

Pevně doufám, že i tento současný stav se do budoucna změní a nalezneme objektivní a jednotná hodnoticí kritéria pro veškeré posuzované stavby.

Ing. Jiří Petlach
Autor působí ve firmě TZB, s. r. o.

Ilustrační foto: Swegon, Lindab

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.