Centrální nebo lokální klimatizace

Rostoucí nároky na pohodu prostředí jsou jednou z příčin, proč se dnes stále častěji než kdykoliv předtím projektují větrací či klimatizační soustavy pro restaurace, hotely, sály kulturních zařízení a kancelářské budovy. Ve prospěch chlazení budov svědčí nejen snaha o lepší pohodu prostředí, nýbrž i některé jiné důležité ukazatele: pohoda má totiž i podstatný vliv na pracovní výkon zaměstnanců. Mimo jiné je charakterizována teplotou, vlhkostí a rychlostí proudění vzduchu a obsahem kyslíku ve vzduchu.

Pádné důvody pro klimatizaci

Jak vyplývá z jedné švýcarské studie (M. Zimmermann, 1999), nevedou teploty vzduchu kolem 30 °C a vyšší pouze k nespokojenosti pracovníků, nýbrž ovlivňují i jejich pracovní nasazení. Podle tohoto výzkumu je sedící člověk v lehkém letním oděvu schopen nejvyššího výkonu při teplotě kolem 23 °C. Při 28 °C pak klesá jeho výkon o čtvrtinu [2].

Člověk, který se při práci pohybuje, bude již při 23 °C pociťovat přílišné teplo. Amortizační propočty při návrhu klimatizace by proto měly brát v úvahu fyzikální parametry vzduchu, při nichž lze očekávat optimální pracovní výkon zaměstnanců.

Při výběru vhodného způsobu větrání či klimatizace je třeba se zaměřit nejprve na požadavky uživatele, na architektonické okrajové podmínky (zvláště při rekonstrukcích), na pořizovací a provozní náklady, náklady spojené s údržbou a na speciální úkoly. K nim patří mimo jiné požadavky na určitou kvalitu a teplotu vzduchu v průmyslových objektech - např. kvůli zajištění vhodných podmínek pro přesné měření nebo pro vysokou přesnost obrábění.

Jak komplexní tyto úlohy mohou být, lze přiblížit na příkladu klimatizace tiskárny. V provozní části zde měla být dodržována teplota a relativní vlhkost vzduchu. Vzhledem k vysoké tepelné zátěži ale byla kromě jiných opatření nutná ještě šestinásobná výměna vzduchu. Zvolené zařízení s chladicí látkou vodou pak bylo možné využít i pro klimatizaci kancelářských prostor, s přívodem ochlazeného vzduchu do místností pomocí stropních kazetových jednotek.

Náklady - za celou dobu životnosti

Měl se jimi vlastně zabývat i každý komplexně pojatý projekt v minulosti, ale teprve nyní - vzhledem k výrazně rostoucím nákladům na energii - je zohlednění dlouhodobých nákladů (Life Cycle Costs) při navrhování klimatizace stále důležitější. Skládají se ze součtu nákladů investičních, provozních, nákladů na údržbu a opravy za celou dobu životnosti a případně ještě dalších. K prvnímu "napětí" zde dochází, nejsou-li stavebník a uživatel stejnou právnickou osobou. Zatímco stavebník by si přál nízké investiční náklady, pak uživatel, nájemce nebo ten, kdo nemovitost kupuje by měli zájem spíše o nízké náklady na provoz a údržbu.

Spotřeba energie je stále významnějším tématem, zvláště v souvislosti s dnešní běžnou architekturou. Velkorysé reprezentativní stavební prvky ze skla např. vedou k větším tepelným ztrátám i zátěžím než spíše "uzavřené" starší účelové objekty. U mnoha moderních budov je také třeba připomenout nízkou akumulaci tepla/chladu.

Nárůst tepelné zátěže

Zvlášť významnou roli hraje při dimenzování klimatizační soustavy hustota obsazení místností lidmi, která je dnes větší než v minulosti. Jedna osoba odevzdává do okolí při typické kancelářské činnosti a při teplotě vzduchu 23 °C přibližně 120 W. Při běžné hustotě obsazení tak pracovníci v jedné kanceláři představují v průměru asi jednu pětinu celkové zátěže, v zasedacích místnostech pak až dvě třetiny [2]. Co se v zimním období projevuje jako výhoda, stává se v létě zátěží, která musí být z místnosti odváděna.

Zvlášť vysokou tepelnou zátěž představuje i technické vybavení kanceláře: téměř polovina celkové zátěže zde připadá na výpočetní techniku. Např. jeden PC s monitorem vydává podle [2] 85 W až 190 W, kopírka za provozu 300 W až 500 W, v pohotovostním stavu pak stále ještě 80 W až 200 W.

Uživatel může zátěž snižovat

První krok k energetickým úsporám nás vede k elektronice: ploché monitory vykazují spotřebu proudu asi o tři čtvrtiny nižší než elektronkové, terminály pak vydávají méně tepla než průměrný PC, většinou ještě předimenzovaný. Zmírnění tepelné zátěže je i v možnostech uživatelů - mohou vypnout přístroje, které právě nepotřebují nebo používat ručně ovládané stínicí pomůcky a tak co nejvíce omezit zisky ze slunečního záření. Uživatelé klimatizace v budově však bohužel obvykle projevují snahu spíše požadovat větší chladicí výkon, než by použili stínicí žaluzie.

V zájmu zachování optimální spotřeby by se proto při dimenzování klimatizačního zařízení nemělo počítat s velkými rezervami [2]. Výjimku tvoří např. hotely, u nichž se zajištění určité větší pohody předpokládá a kde teprve nelze od hostů očekávat, že by se snažili tepelnou zátěž sami nějak omezovat. Odpovídající (pře)dimenzování lokálního chladicího příkonu do jednotlivých místností zde umožňuje pružnější přípravu tepelné pohody, v závislosti na termínu přihlášení hostů k pobytu, aniž by však bylo nutné ji udržovat trvale. Propojí-li se však vhodným způsobem postup při přijímání hostů s ovládáním zařízení, pak lze takto spotřebu energie dokonce i snižovat.

Pasivní způsoby chlazení

Ke krytí základních tepelných ztrát i zátěží mohou přispívat rovněž pasivní způsoby, např. vhodné využívání teploty betonové konstrukce k úpravě vstupní teploty vzduchu, což příznivě ovlivlivňuje účinnost celého zařízení. Tepelnou energii i energii pro chlazení lze částečně uspořit také využíváním tepla zeminy.

Dalším opatřením, které může snížit spotřebu energie pro chlazení, je noční vychlazení objektu. Je k tomu obvykle nutné vzduchotechnické zařízení, které může za vhodných venkovních teplotních podmínek ve večerních a nočních hodinách přivádět do místností chladný vzduch. Pokud jsou místnosti bez lidí, je vhodné a účinné to provádět pokud možno při nejvyšším objemovém průtoku vzduchu. Vychlazování hmotnosti budovy má ovšem s ohledem na povětrnostní podmínky své meze. Zvláště u budov městské zástavby pouhé noční vychlazování po mnoho dní v roce stačit nebude.

Uvedené pasivní způsoby ve většině případů nestačí k tomu, aby byla požadovaná teplota v budově udržena konstantní nebo aspoň v přijatelém rozmezí za všech podmínek zátěže. Jsou však vhodné ke krytí základních požadavků. Pozornost si obvykle zaslouží i setrvačnost soustavy, jíž lze cíleně využívat. Doplňkově, či jako samostatné řešení jsou proto požadovány aktivní prvky. V této chvíli začíná i diskuse mezi architektem, projektantem, stavitelem a/nebo generálním investorem, zda použít zařízení centrální nebo lokální.

Univerzální recept ovšem neexistuje. S ohledem na místní podmínky může být nejlepšího řešení docíleno teprve tehdy, sednou-li si k jednacímu stolu všichni zúčastnění. Vždyť kromě dlouhodobých provozních nákladů zde hraje důležitou roli i architektura a technické zařízení. Mnoho způsobů řešení je možných pouze při dodržení určitých architektonických podmínek. Kromě nákladů je třeba zohlednit také místní specifické podmínky, vyplývající z provozu a legislativy.

Centrální a lokální řešení

Větrací a klimatizační soustavy lze zhruba rozdělit na centrální, dále na samostatné jednotky orientované podle fasád, jakož i na soustavy s kompresorovými jednotkami (např. tzv. jednotkami "Split" apod.) [3]. Centrální soustavy vzduchotechnické a/nebo klimatizační mohou sloužit celé budově, v níž zajišťují homogenní podmínky na straně vzduchu [1].

Soustředění centrálního technického vybavení soustavy na méně místech zjednodušuje provádění údržby a mnohdy i ovládání soustavy. Kromě toho se zde může jednoduše a účinně uplatnit zpětné využívání tepla. Centrální soustavy se ovšem neobejdou bez vzduchovodů, sloužících k rozvádění upraveného vzduchu v budově.

Plně decentrální řešení vzduchotechniky sice vyloučí rozvádění vzduchu po budově ("vzduchovou turistiku"), ale zase vyžaduje údržbu většího počtu jednotek, od sebe dost vzdálených. Prvky měření a regulace pak vycházejí v celkové bilanci dráž - vícenásobně se opakují. Technické řešení regulace v jednotlivých místnostech je ale jednodušší a uživatelé mohou přímo ovlivňovat spotřebu energie. V budově se proto nachází jakoby více samostatných režimů klimatizace. U malých pronajmutých objektů to lze pokládat i za přednost - přinejmenším to umožňuje místní odečet spotřeby energie.

Výčet významných vlastností je možné doplnit i požadavky na půdorysnou plochu. Vzduchovody zabírají v objektu poměrně dost místa, z čehož vznikají i větší nároky na výšku podlaží. Např. u jedné 51 podlažní věžové stavby ve Frankfurtu bylo při použití lokálních jednotek možné zvýšit výšku místností asi o 25 cm a současně zmenšit celkovou výšku podlaží o 10 cm. K pronajmutí se tím získalo asi o 5 % více půdorysné plochy.

U soustav s jednotkami "Split" a "Multisplit" s chladicí látkou vodou je možné měřit spotřebovanou energi - ať již u samotných jednotek, či v jednotlivých místnostech, což umožňuje vyúčtování pronajmutých ploch v závislosti na této spotřebě. Dnes však již existují vhodné způsoby rozúčtování i pro centrální vzduchotechnické soustavy, zohledňující jak úpravu vzduchu, tak jeho dopravu [5].

Obtíže spojené s nasáváním vzduchu

Centrální vzduchotechnické soustavy většinou umožňují řešit optimální nasávání vzduchu bez problémů. Snadněji lze nalézt místo, kde lze zamezit vnikání dešťové vody a zaručit "čistotu" nasávaného vzduchu. Lokální jednotky jsou ovšem závislé na podmínkách, vyskytujících se u fasád - stává se, že např. v létě musí nasávat teplý vzduch z jižní strany. Problémy to přináší zvláště tehdy, když je k nim venkovní vzduch přiváděn z nehybné mezní vrstvy přilehlé k budově. Teplota vzduchu je v ní často vyšší než v okolí. U decentrálních soustav mohou také snadněji zvlhnout filtry venkovního vzduchu, což může mít za následek problémy hygienického charakteru.

Také rychlost a směr větru mají u decentrálních soustav větší vliv na vnitřní klima. Lze jej zmírnit buď vhodnou volbou sacích otvorů na fasádě nebo pomocí speciálních, architektonicky řešených sacích průduchů. Vzniká tu však i určité nebezpečí "zkratu", tj. opětovného částečného nasávaní odváděného vzduchu. Fasádní jednotky nejsou také schopné zajistit dostatečné větrání vnitřních místností - jako jsou např. schodišťové prostory bez oken, sklady, místnosti pro obsluhu, kuchyňky. To je pak třeba řešit pomocí přídavných (centrálních) zařízení.

Odpůrci centrálních soustav často namítají, že vzduchovody se obtížně čistí. To je sice pravda, ale pomocí promyšlené konstrukce a vhodného počtu čisticích poklopů zůstávají i zde náklady přijatelné. Při dodržování hygienických podmínek v centrální vzduchotechnické jednotce lze omezit čištění vzduchovodů na minimum.

U obou druhů soustav je nutné věnovat pozornost ochraně proti požáru. Zatímco u centrálních soustav jsou k tomuto účelu dostupné normalizované prvky, vyžaduje "fasádní" vzduchotechnika v projektu obvykle speciální řešení - např. jak zamezit proniknutí požáru otvory ve fasádě.

Různé možnosti chlazení a vytápění

Dosud jsme se soustředili spíše na větrání, nyní se zaměřme i na vytápění a chlazení místností. Z průzkumu, jehož se zúčastnilo asi 4600 osob, si zhruba 85 % dotázaných přálo místní regulaci, jež by jim umožnila přímo ovlivňovat klima v místnosti [4]. S volitelnou vnitřní teplotou se ovšem musí počítat již v raném stadiu, při schvalování způsobu řešení klimatizace. Podle [3] je např. možné vcelku souhlasit s teplotou vzduchu přibližně 21 °C v zimě a nejvýše (25 až 26) °C v letním období, jestliže se jedná o klimatizaci velkoprostorových kanceláří.

Fasádní klimatizační jednotky nejsou schopné zajistit dobré chlazení a vytápění vnitřních místností a nenabízejí nám řešení pro obslužné místnosti se soustředěnou vnitřní zátěží. Pro tyto účely se však přímo nabízejí soustavy s lokálními jednotkami "Split" a "Multisplit". U nich je možné volit i speciální režim, s možností střídavého provozu vytápění a chlazení v přechodovém období. Kompresorový způsob chlazení s rozvodem chladiva totiž ani při poměrně vysokém výkonu nevyžaduje takové průřezy potrubí, jako při chlazení vodou. Záporně tu lze zase hodnotit přítomnost rozvodů chladiva uvnitř budovy a obtíže při zjišťování netěsností.

U soustav s teplonosnou látkou vodou se energie obvykle rozvádí z centrálních zařízení (příprava vody pro vytápění a chlazení) a lze je proto kombinovat jak s "fasádní", tak centrální vzduchotechnickou soustavou. Umožňují i individuální regulaci teploty vzduchu v jednotlivých místnostech, ovšem nedosahují výkonu kompresorových jednotek.

Kombinace soustav a pohoda prostředí

Větší pohody prostředí můžeme dosáhnout kombinací centrální větrací soustavy a lokálních jednotek s recirkulací vzduchu. Pomocí sekundárních prvků - jako jsou např. chladicí stropy, konvektorové jednotky s ventilátorem (Fan Coil Units) apod., zajišťující chlazení místností bez výskytu kondenzace, lze dosahovat vynikající pohody vnitřního prostředí v souladu se současným stavem techniky.

Lokální prvky - ať již sdílejí teplo sáláním nebo prouděním - umožňují dosahovat vnitřní teplotu zvolenou uživatelem. Automatickou regulací je však možné nastavitelné rozmezí teplot i omezit a ruční ovládání vázat jen na dobu přítomnosti osob. Rychlosti proudění vzduchu se zde vyskytují malé, takže se není třeba obávat ani vzniku průvanu, ani hlučnosti.

Centrální i decentrální soustavy "vzduch-voda" i soustavy s kompresorovým způsobem výroby chladu dnes - podle některých názorů - hrají rozhodující roli u administrativních a obchodních budov. Vítané jsou soustavy s jednotkami "Split" - zvláště tam, kde se požadují vysoké výkony a při modernizaci soustav. Právě tam se uplatní malý průřez a ohebnost rozvodů chladiva, se současným vyloučením vzduchovodů. Tyto jednotky často pouze doplňují existující otopnou soustavu a jsou využívány pouze k chlazení. U novostaveb dnes - jako i dříve - převládají centrální vzduchotechnické soustavy. A pokud se jedná o dosahování té nejpříjemnější pohody prostředí - nejlepší hotely sází na kombinaci centrální vzduchotechnické soustavy s lokální klimatizací [6].

Závěrem: kdo chce pro zadané požadavky nalézt pokud možno nejlepší řešení, musí se vždy rozhodovat jen na základě místních podmínek.

Literatura

[1] Haibel, Michael: Eine vergleichende Gegenueberstellung von zentraler und dezentraler Klimatisierung (Porovnání centrální a decentrální klimatizační soustavy). Přednáška.

[2] COOLSAN - Kaeltetechnische Sanierungskonzepte fuer Buero- und Verwaltungs-gebaeude. AEE Intec - Berichte aus Energie- und Umweltforschung, 25/2005 (Schémata způsobů chlazení pro rekonstrukce kancelářských a správních budov. Zprávy AEE-Intec, o výzkumu z oblasti využití energie a životního prostředí 25/2005).

[3] Pfeiffenberger, Ulrich: Zentrale oder dezentrale Lueftungs- und Klimatechnik? (Centrální nebo decentrální větrací a klimatizační soustavy?). Přednáška 2005.

[4] Bischof, Wolfgang (u. a.): "Expositionen und gesundheitliche Beeintraechtigungen in Buerogebaeuden. Ergebnisse des ProKLimAProjektes", Stuttgart: Fraunhofer IRB-Verlag 2004 ("Expozice a zdravotně zaměřený průzkum v administrativních budovách. Výsledky řešení podle plánu ProKLimA", Stuttgart: nakladatelství Fraunhofer IRB 2004).

[5] Vorlaender, Jochen: Verbrauchs-kostenerfassung fuer Luft vorgestellt - Zentrale Luft-aufbereitung gerecht abrechnen. Stuttgart: Gentner Verlag: TGA 6-2005. (Popis způsobu zjišťování spotřebních nákladů ve vzduchotechnice - spravedlivé rozúčtování u soustavy s centrální úpravou vzduchu. Stuttgart: nakladatelství Gentner: TGA 6-2005).

[6] Dunker, Ralf: Dorint Sofitel verwoehnt Hotelgaeste mit Behaglichkeit - Fuenf- Sterne-Klimatisierung. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 1-2005 Hotel "Dorint Sofitel" rozmazluje hosty pohodou prostředí - pětihvězdičková klimatizace. Stuttgart: nakladatelství Gentner, TGA 1-2005.