Programová řešení základních úprav vlhkého vzduchu. Část 2 ze 2.

3. Řešení úprav vzduchu

Jak bylo psáno v první části článku, KZ se obvykle dimenzují pro 2 letní extrémní stavy vzduchu (při maximální teplotě a současně maximální a minimální vlhkosti vzduchu) a jeden zimní extrémní stav. Jednotlivé výpočetní programy umožňují tento návrh různým způsobem. Rozdíly jsou především v různém stupni algoritmizace celého návrhové procesu. Čím specializovanější tyto programy jsou, tím vyšší uživatelská přívětivost a jednoduchost, ale na druhé straně tím klesá jejich obecnost. Základní úpravy vzduchu tvoří směšování, vlhčení, chlazení, vyskytující se v letním a zimním období. Při výpočtech se aplikují základní psychrometrické veličiny jako směrové měřítko (δ), či faktor citelného tepla.

Úpravy vzduchu v zimní období

Použité označení:

Vlastní programové, početně-grafické řešení a některé faktory s ním spojené budou prezentovány na vybraných, základních úlohách tepelně-vlhkostních úprav vzduchu. Základní sestavy VZT jednotek mohou být následující (Obr. 4a) až 4c)).

Obr. 4a) - Směšování a ohřev

Obr. 4b) - Směšování, ohřev, parní vlhčení

V programech se zadává obvykle teplota (t) vnitřního a venkovního vzduchu a k nim příslušející jedna libovolná další fyzikální veličina. Tyto 2 veličiny spolu s již zvoleným atmosférickým tlakem vzduchu plně popisují zadávané stavy vzduchu. Další veličinou pak může být např. měrná entalpie (h), relativní vlhkost (φ), měrná vlhkost (x).

Obr. 4c) - Směšování, předehřev, vlhčení vodou, dohřev

Vliv hustoty vzduchu na směšování

Tepelný tok, který se sdílí při úpravách vzduchu, závisí zcela na hmotnostním průtoku vzduchu. Při malých průtocích je změna zanedbatelná. U velkých průtoků má rozdíl hmotnostního a objemového průtoku na výpočet významný vliv. Praxe inklinuje z hlediska přehlednosti k objemovému toku a obvykle řeší úpravy pro konstantní hustotu vzduchu. Vliv rozdílu výpočtu směšování vzduchu dle hmotnostního průtoku na zpřesnění výpočtu uvádí následující příklad.

Je uvažováno smísení 10000 m³/h externího vzduchu a 10000 m³/h cirkulačního vzduchu a jeho ohřev na konstantní teplotu přívodního vzduchu. Výsledkem tohoto porovnání je zobrazení úpravy vzduchu a vypočtený topný výkon ohřívače pro jednotlivé případy.

Obr. 5a) uvádí průběh smíšení při výpočtu s hmotnostním průtokem s uvažováním hustot vzduchu. Obr. 5b) uvádí průběh smíšení při výpočtu s hmotnostním průtokem a při uvažování často volené hustoty externího vzduchu o hodnotě ρ = 1,2 kg.m^-3. S klesající teplotou se zvětšuje hustota vzduchu, čímž narůstá chyba. Ostatní hustoty jsou uvažovány dle svého skutečného stavu. Obr. 5c) uvádí směšování složek vzduchu daných pouze objemovými průtoky. Výpočet dohřevu je v tomto případě proveden pro hodnotu ρ = 1,2 kg.m^-3.

Obr. 5a) přesný hmotnostní průtok, Qt = 121 kW

Obr. 5b) ρe= 1,2 kg.m-3, Qt = 110 kW

Obr. 5c) dle objemového průtoku, Qt = 109 kW

Z příkladu je patrné, že výpočet s nepřesnými hustotami vzduchu představuje chybu okolo 9%.

Vlhčení vzduchu

Vlhčením vzduchu se rozumí vlhčení vodou, či parou. Řešení tepelných dějů při vlhčení vzduchu vychází z tepelně - vlhkostní bilance.

Volba účinnosti vodní pračky je většinou dána teplotou a vlhkostí vzduchu, na který je třeba jej navlhčit. V případě vodních praček vzduchu je třeba si uvědomit jejich reálnou funkčnost. Většina programů předpokládá, že pračka vzduchu je dokonale izolovaná, tedy že její tepelné ztráty jsou rovny nule. Dále se předpokládá, že voda je rozprašována na tak jemné kapky, že po dráze jejich letu komorou vodní pračky se všechny bezezbytku odpaří. Předpokládá se tedy, že na stěnách pračky nezůstávají kapky vody, či vodní film. Mezi takto mokrými stěnami a vzduchem by totiž nastal další tepelný tok, který by výpočet zkomplikoval. Dle poznatků [3] bývá tento předpoklad většinou splněn.

Některé programy dále neuvažují s entalpií vody pro sprchování a celý proces řeší zjednodušeně jako izoentalpický. Jiné programy umožňují dle volby teploty vody sprchování vzduchu řešit tento proces jako obecně polytropický. Rozdíl ve výsledcích při použití obou těchto přístupů je významný pouze u vyšších teplot vody pro sprchování větší než 30 °C. Grafické znázornění tohoto závěru je na obr. 6a) až 6c).

Obr. 6a) teplota vody 15°C, δ = 0,06 kJ/g s.v.

Obr. 6b) teplota vody 30°C, δ = 0,13 kJ/g s.v.

Obr. 6c) teplota vody 60°C, δ = 0,25 kJ/g s.v.

Při výpočtu směrového měřítka při parním vlhčení používá většina programů obdobné předpoklady, které byly uvedeny výše u praček vzduchu. Některé programy pak dále předpokládají směr, že směr úpravy vzduchu při parním vlhčení je izotermický. Izotermické vlhčení vzduchu je možné dosáhnout přibližně teplotou páry 85°C a sytostí 100 %. Tyto parametry jsou dle sdělení výrobců standardní u parních elektrických vyvíječů. Jiné programy umožňují dle zvolené teploty a sytosti vodní páry řešit parní vlhčení vzduchu jako obecný polytropický proces.

Přesnější výpočet směru této úpravy vzduchu (δ) je významný především tehdy, je-li pro parní vlhčení použita technologická pára o obecně jiných parametrech. Rozdíly ve směrech úprav při parním polytropickém vlhčení vzduchu jsou dokumentovány na obrázcích Obr. 7a) až 7c). Je na nich patrné, že největší vliv na úpravu vzduchu při parním polytropickém vlhčení má sytost vodní páry.

Obr. 7a) teplota páry 100°C, sytost páry 100%, δ = 2,68 kJ/g s.v.

Obr. 7b) teplota páry 80°C, sytost páry 100%, δ = 2,65 kJ/g s.v.

Obr. 7c) teplota páry 80°C, sytost páry 80%, δ = 2,19 kJ/g s.v.

Úpravy vzduchu v letním období

Použité označení:

Programové, početně-grafické řešení a některé faktory s ním spojené budou ukázány na vybraných, základních úlohách tepelně-vlhkostních úprav vzduchu. Základní sestavy VZT jednotek mohou být například následující (Obr. 8a) a 8b)).

Obr. 8a) - Směšování, chlazení

Obr. 8b) - Směšování, chlazení, dohřev

Chlazení

Obecně se vyskytuje suché a mokré chlazení, přičemž nejčastější je chlazení mokré. Mokré chlazení se postihuje směrovým měřítkem odpovídajícím faktoru citelného tepla zařízení. Hlavní částí úpravy vzduchu v letním období je jeho ochlazení a odvlhčení. Toho se obvykle dosahuje procesem mokrého chlazení. Míra ochlazení a odvlhčení vzduchu je dána konstrukcí chladiče, zapojením vodních cest, zvoleném teplotním spádu chladicího látky apod. Funkci chladiče vystihuje číslo jeho účinnosti, nebo číslo obtokového součinitele. Tyto veličiny se obvykle stanovují měřením.

Pro uvedený proces je charakteristické, že změna teploty a vodního obsahu není v jeho průběhu lineární a jeho grafickou interpretací v h - x diagramu je křivka. Pro její vykreslení je však třeba znát rozložení povrchových teplot na chladiči. Tato křivka je spojnicí počátečního a koncového stavu postihující proces mokrého chlazení. Většina volně uživatelných programů však zjednodušeně předpokládá přímkový průběh procesu mokrého chlazení. Ten je obvykle zadáván teplotou vzduchu na vstupu do chladiče a střední, efektivní povrchovou chladiče.

Nežádoucí dohřev

Při průchodu vzduchu ventilátorem s motorem uvnitř ventilátorové komory dochází v důsledku disipace mechanické energie v tepelnou k jeho ohřátí. Ohřátí vzduchu tedy vystihuje buď nežádoucí ohřátí vzduchu ve ventilátorové komoře a nebo i jeho ohřátí ve vzduchovodu. Viz sestava na obr. 7a). Jeho hodnotu lze přibližně vypočítat a zahrnout ji do řešení. Jednotlivé programy přistupují k této možnosti různě. Dohřátí však může být i cílené. Viz sestava na obr. 7b). Tímto cíleným dohřátím v ohřívači je teoreticky možno dosáhnout i přesného požadovaného odvlhčení. V praxi je dosažení přesného ochlazení a odvlhčení touto metodou však málo reálné. Dochází navíc v důsledku současného chlazení a ohřevu téhož vzduchu k maření energií a to při malé přesnosti odvlhčení. Při tomto řešení postupujeme tak, že mění-li se vstupní hodnoty, přiblíží se stav přiváděného vzduchu P stavu ideálnímu P_id. Ideální stav přiváděného vzduchu P_id, je takový, kdy je vzduchem o parametrech P_id zajištěn požadovaný, či předepsaný stav interního mikroklimatu. Ve většině případů, vyskytujících se v reálných budovách, je přípustný širší rozsah relativních vlhkostí v interního vzduchu. Z tohoto hlediska není přesné odvlhčení vzduchu tolik významné.

4. Závěr

Článek se zabývá základními úpravami vzduchu. Úpravy vzduchu při sorpčním odvlhčování, zpětném získávání tepla přesahují rámec tohoto článku. Na předložených příkladech jsou dokumentovány některé možné odchylky předpokladů od skutečnosti a možnosti jejich zpřesnění. Výstupy v grafické a numerické formě prezentují jejich vliv na výsledný průběh úprav vzduchu. Volně uživatelné programy přistupují k řešení úprav vzduchu rozdílně a vyžadují od uživatele jistou úroveň znalostí problematiky úprav vzduchu. Jsou cennými pomůckami pro projekční praxi. Je však vždy jen na jejich uživateli, aby posoudil níže uvedené vlastnosti každého programu. Kritérii pro posouzení jsou:

• respektování hustot vzduchu a s ní související objemové, či hmotnostní toky vzduchu
• míra zjednodušení procesu vlhčení vzduchu
• stupeň idealizace procesu mokrého chlazení

Pomocí těchto kritérií lze jednotlivé programy hodnotit.

Legenda použitých schematických značek

Literatura

[1] CHYSKÝ J., HEMZAL K., A KOLEKTIV TP VĚTRÁNÍ A KLIMATIZACE, BRNO: BOLIT-B PRESS, 1993, ISBN 80-901574-0-8
[2] FERSTL K., DIMENZOVANIE KLIMATIZAČÝCH ZARIADENÍ, SKRIPTUM BRATISLAVA: 1989
[3] SZÉKYOVÁ M., FERSTL K., NOVÝ K., VETRANIE A KLIMATIZÁCIA, JAGA, BRATISLAVA: 2004
[4] ŠIKULA O., NUMERICKÉ ŘEŠENÍ PSYCHROMETRICKÝCH ÚPRAV PŘI MOKRÉM CHLAZENÍ, SBORNÍK Z KONFERENCE VETRANIE A KLIMTIZÁCIA 2004, LIPTOVSKÝ MIKULÁŠ, BRATISLAVA: SPOLOČNOST PRE TECHNIKU PROSTREDIA, 2004
[5] DIETER B. H., TERMODYNAMIK: GRUNDLAGEN UND TECHNISCHE ANWEDNUNGEN, SPRINGER BERLIN: 2002