Vzduchotechnika budov

V souvislosti se stoupajícími požadavky na kvalitu vnitřního prostředí budov rostou i nároky na technické prostředky k jeho tvorbě. Stavební konstrukce budov poskytuje v zeměpisné poloze České republiky jen primární ochranu před vnějšími klimatickými vlivy. Vnitřní prostředí budov v celém rozsahu reálných provozních stavů zajistí jen technická zařízení budov (TZB) přenosem tepla a látek. Cílem TZB je tvorba optimálního stavu interního mikroklimatu (IM), tzn. vnitřního prostředí, budov na konstantní úrovni při minimálních energetických nárocích v celém spektru vyskytujících se proměnných zejména vnějších klimatických podmínek v průběhu ročního období.
Technická zařízení tvoří soubor prostředků a činností, podílejících se podstatně na tvorbě vnitřního prostředí téměř každé budovy. Při návrhu TZB je zásadní adaptace a skloubení technických zařízení s architektonickou a estetickou představou tvůrce stavby, s požadavky uživatele i s konstrukčními, ekologickými, ekonomickými a dalšími faktory. Aktuálním cílem stavebnictví i techniky prostředí budov je inteligentní budova, jejíž realizace vyžaduje základní komponenty podle schématu na obr. 1.

¤ Obr. 1. Schéma skladby inteligentní budovy

Dominantní technické prostředky tvorby IM budov představuje vytápění a vzduchotechnika.

Vzduchotechnika
Vzduchotechnika (VZT) tvoří energetické zařízení, umožňující přenosem tepla a látek formovat IM moderních budov, budov s dominantní architekturou a větším podílem zasklených ploch, budov s umělým osvětlením, staveb pro technologii a zemědělství. Úkolem vzduchotechnických systémů je:

• tvorba interního mikroklimatu budov pro zdravý pobyt a optimální činnost jeho uživatelů;
• zajištění podmínek pro průběh technologických procesů i vytvoření tzv. ?čistého prostoru? s vysokými požadavky na čistotu vnitřního prostředí.

VZT systémy se vyznačují širokou škálou funkcí a provedení, umožňující nezbytné větrání či vytápění, dílčí i plnou klimatizaci místností, pokrytí požadavků technologie průmyslových či zemědělských provozů.
Volba systémů vzduchotechniky je zcela zásadní, neboť svým provozem bezprostředně formují kvalitu interního mikroklimatu, ovlivňují podstatně investiční a provozní náklady, mají dopad na údržbu a provozování systémů i budov. Kritériem volby by neměla být jen ekonomie. Nekvalifikovaná či podceňovaná řešení v oblasti vzduchotechniky mají velmi negativní dopad na vnitřní prostředí, zejména v letním období. Dodatečná náprava se realizuje jen s velkými obtížemi, je náročná jak finančně, tak i technicky. Základní kritéria pro volbu vzduchotechnických systémů lze uplatnit podle obr. 2.

¤ Obr. 2. Faktory tvorby IM

Pro volbu vzduchotechnických systémů jsou určující faktory předpisové, fyzikální, technické, ekonomické, ekologické, provozní, sociologické, estetické, možnost obsluhy a údržby.

• Faktory předpisové jsou prvotní a podstatné, vycházejí z právních předpisů, jež udávají tzv. předpisové veličiny stavu IM budov. Právní předpisy tvoří zákony, vyhlášky, nařízení, jež svými ustanoveními sledují hygienické faktory a určují pro vybrané budovy a provozy mikroklimatické podmínky tak, aby budovy či prostor poskytovaly optimální podmínkypro pobyt, činnost osob, živočichů, event. technologií. Klasickými veličinami tvorby prostředí systémy VZT byla do devadesátých let teplota vzduchu, intenzita výměny vzduchu a hladina hluku. Uvedené veličiny udávaly normy a hygienické či technologické předpisy. S rozvojem technologií, stupňujícím se životním standardem i nutností úspor energií dochází v posledním desetiletí k zásadní kvalitativní změně hodnocení stavu prostředí budov zavedením dalších fyzikální veličin.
  K hodnocení IM se tak aplikují teploty operativní, výsledná (globeteplota) vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, rychlost proudění vzduchu, sálavý tok, intenzita výměny vzduchu, přípustné hladiny hluku i koncentrací, atd. Konkrétní hodnoty zmíněných veličin uvádějí právní předpisy.
  Předpisy ČR související s prostředím budov se vyznačují jistým nesouladem zásadních veličin, nedostačujícím rozsahem a působností pro široké spektrum reálných budov či překrýváním požadavků pro jednotlivé obory. Neuplatňuje se důsledně teplota operativní, nejsou jednoznačně specifikovány zásadní veličiny pro skupinu budov, např. obytné domy, není určena výměna vzduchu v pobytových místnostech atd. Pro některé případy tvorby prostředí, energetických bilancí a potřeb energie jsou závazné či doporučené i ČSN. Aktuálními pro hodnocení stavu prostředí se stávají i další veličiny, umožňující výstižněji klasifikovat mikroklima, stanovit tepelnou zátěž prostředí a jeho vliv na člověka. Tvoří je ukazatele PMV a PPD.
• Faktory fyzikální postihují přenos a výměnu tepla a látek systémy VZT, vliv stínicích prostředků, tepelné chování prvků, zařízení, místností či budovy, šíření hluku a chvění. Prvotním fyzikálním faktorem je teplonosná látka k přenosu tepla a látek. Volba teplonosné látky zásadně ovlivní potrubní síť, její profil i prostorové nároky, stavební úpravy a prostupy konstrukcemi. Aktuální úlohou, vycházející z fyzikálních faktorů, se pro výběr systému VZT stává tepelné chování místnosti, zejména moderních budov s velkým podílem zasklených ploch. V ČR dosahuje tepelná zátěž 1 m² osluněné plochy po denní dobu sluneční expozice v délce okolo čtyř hodin hodnotu 450 až 500 Wm^-2. Jelikož teplota venkovního vzduchu dosahuje v letním období vyšších hodnot než jsou přípustné teploty vnitřního vzduchu, je zřejmé, že samotné větrání (často se předpokládá jen přirozené) neumožní dosáhnout předepsané vnitřní teploty. Lze tedy zobecnit a modelováním fyzikálních dějů prokázat, že pro jistá, dnes častá stavební řešení, zejména budov s větším podílem zasklených ploch, nelze v letním období zajistit přípustné mikroklimatické podmínky pouhým větráním bez klimatizace či bez dílčí klimatizace tvořené chlazením.
• Faktory technické zahrnují funkci, skladbu a provedení systémů VZT s dopadem na stavební konstrukci. Z uvedených aspektů se systémy VZT klasifikují na nucené větrání, teplovzdušné vytápění a klimatizaci, zařízení jednotková a ústřední. Ústřední systémy vyžadují potrubní síť, prostor pro strojovnu, rozměrné prostupy konstrukcemi, požární opatření.
  Jednotkové, tzn. decentrální systémy vyžadují zpravidla v případě větších výkonů jen potrubí pro odvod vzduchu. Jednotky osazené v interiéru jsou však zdrojem hluku a vyžadují připojení na teplonosný rozvod. Aktuální systémy VZT tvoří:
  - řízené větrání, umožňující výměnu vzduchu v závislosti na aktuální koncentraci škodlivin;
  - hybridní větrání, teplovzdušné vytápění zpravidla nízkoenergetických staveb;
  - klimatizace vodní a zejména chladivová.
• Faktory ekonomické tvoří investiční a provozní náklady. Investice narůstají od systémů větrání po klimatizaci. Provozní náklady se odvíjejí z tepelných potřeb a nákladů na dopravu teplonosných látek. Důležitým ekonomickým faktorem je i kvalita výrobků, zejména inteligentních distribučních prvků, klimajednotek, chladicích jednotek, jež ovlivňují výši nákladů.
• Faktory provozní jsou dány nutností regulovat provoz VZT odpovídající aktuálním provozním stavům místností a kvalifikací obsluhy a údržby. Sebelepší VZT bez kvalitní regulace provozu nesplní svůj primární účel. Nejvyšší stupeň ?inteligentní? regulace provozu umožňují chladivové systémy. Vyžadují však kvalifikované odborníky pro údržbu a opravy.
• Faktory ekologické sledují dopad zařízení VZT i technologie na životní prostředí. Vzduch a voda vzduchových i kombinovaných systémů nemá negativní dopad na životní prostředí. Chladivové systémy se však takovou skutečností nevyznačují.
• Faktory sociologické a estetické jsou do značné míry složkou subjektivní, vytvářenou reakcí uživatelů interiéru budov na ?umělé? vnitřní klima a vnímáním vnitřní architektury. Aktuálním trendem řady budov je řešení vzduchotechniky, jež se stává součásti interiéru místností a budov.
• Faktory technologické tvoří spektrum specifických požadavků zpravidla průmyslových budov zahrnující zejména koncentrace vznikajících škodlivin. Předpisové hodnoty koncentrací udávají podrobně právní předpisy.

Aktuální systémy VZT
Z širokého spektra systémů VZT vystupují dnes do popředí níže uvedené:

• Řízené větrání, jež představuje nucený systém, jehož provoz zajišťující výměnu vzduchu závisí na aktuálním vývoji zpravidla koncentrace škodlivin.
• Hybridní větrání, jež představuje kombinaci přirozeného a doplňujícího nuceného větrání v provedení, umožňujícím střídavé nebo současné použití obou systémů. Provozní režimy tohoto větrání umožňují minimalizaci spotřeby energie k dosažení požadovaného stavu interního mikroklimatu místností. Systémy hybridního větrání nacházejí uplatnění při větrání zejména rekonstruovaných bytových domů. Provoz vyžaduje inteligentní systém regulace, jež zajistí optimální režim větrání.

Kombinované a vodní systémy klimatizace
Systémy se vyznačují přenosem tepla pomocí vody a vzduchu u kombinovaných systémů, či přenosem jen vodou v případě vodních systémů. Typickými koncovými prvky jsou indukční jednotky a v případě vodních systémů fancoily. Specifickou variantou vodních systémů je chladicí strop. Systémy pracují s tzv. primárním vzduchem, jehož potrubí má menší profil než v případě vzduchových systémů. Jistou nevýhodou je nutnost rozvodu teplonosných látek a hlučnost fancoilu. Uvedené systémy nahrazují tradiční vzduchové systémy. Aplikují se ke tvorbě prostředí budov s místnostmi s individuálními a vyššími požadavky na stav prostředí.
Chladivové klimatizační systémy lze charakterizovat tím, že teplonosnou látkou k přenosu tepelné energie mezi zdrojem a klimatizovanou místností k pokrytí tepelné zátěže, event. tepelných ztrát, je chladivo. Chladivové systémy se vyznačují chladicím zařízením děleným a tvoří tzv. ?split? systém s jednou vnější a vnitřní jednotkou, nebo s více vnitřními jednotkami. Vnější a vnitřní jednotky jsou vzájemně spojeny potrubím k cirkulaci chladiva. Součástí vnitřní ventilátorové jednotky je výparník ve funkci chladiče vzduchu. Vnější jednotka je zpravidla umístěna ve venkovním prostoru; obsahuje kompresor a vzduchem chlazený kondenzátor.
Chladivové systémy lze klasifikovat níže uvedenými variantami:

• Split (monosplit) - systém skládající se z jedné vnitřní a jedné venkovní jednotky.
• Multisplit - systém skládající se z několika (zpravidla od 2 do 4) vnitřních jednotek a jedné jednotky venkovní.
• Multisplit s proměnným průtokem chladiva (obchodní označení VRV, VRF, MRV) - systém skládající se z několika (podle velikosti od 2 až do 40) vnitřních jednotek a jedné jednotky venkovní.
• Multisplit s proměnným průtokem chladiva s přečerpáním tepla (VRV, VRF), někdy také označované se zpětným získáváním tepla.

Aktuální trendy ve VZT
VZT systémy. Charakteristický pro tvorbu IM vzduchotechnikou je narůstající trend aplikace chladivových systémů, které ve své komplexní sestavě mohou plnit všechny funkce, nutné pro komplexní tvorbu IM. V těchto systémech je dnes integrováno i větrání. Řídicí systémy zmíněných systémů jsou na vysoké technické úrovni, umožňující orientaci uživatele, úsporný provoz, automatickou detekci chyb a zefektivnění servisních zásahů. Subjektivní i objektivní potřeba lidí regulovat teplotu v místnosti způsobuje rozmach systémů, umožňujících individuální řízení stavu IM, zejména bytů. Všeobecně se preferují systémy chladivové a vodní.
Interní mikroklima. Současné období se vyznačuje vyššími nároky na kvalitu prostředí budov. Přístrojová technika umožňuje monitorovat širší škálu objektivních veličin, čímž je vytvářen tlak na kvalitu v oblasti návrhu i provozu VZT. V procesu tvorby IM je však negativní podceňování nutnosti větrání. Tento stav umocňuje obecná nedůvěra ke vzduchovým systémům vzduchotechniky, které jsou v myslích lidí spojeny spíše s hlukem, průvanem a jiným diskomfortem, než s nutností zajistit zdravé vnitřní prostředí v budovách, v nichž dnes člověk tráví většinu času. Mnohé škodliviny ve vnitřním prostředí však nejsou lidskými smysly detekovatelné, jejich expozice jsou dlouhodobé, s negativním dopadem na zdravotní stav.
Protikladem předchozích skutečností je trend v individuální bytové výstavbě, kde mnozí drobní investoři v zájmu zdravého bydlení volí systém nuceného větrání se zpětným získáváním tepla. Tato volba není jen otázkou ekonomickou, neboť systém zajišťuje recyklaci tepla s vysokou účinností snižující provozní náklady, ale řeší i problém hygienický.
VZT výrobky. Markantním trendem po roce 1990 je nabídka VZT zařízení, tvořící běžně ucelené sestavy. Na našem trhu se nabízí široké spektrum koncových distribučních prvků, z nichž jsou už dostupné i inteligentní koncové elementy. Komplexní dodávku chladivových i vodních systémů běžně zajistí jeden výrobce, včetně regulace a měření.
Stavební řešení. Aktuální výstavba se vyznačuje budovami s dominantní architekturou, kvalitními tepelně technickými vlastnostmi, minimalizujícími tepelné ztráty prostupem. Protikladem jsou tepelné zisky, jež rostou vlivem většího podílu zasklených ploch. Podceněním uvedených skutečností a nevhodnou volbou VZT systému dochází v moderních budovách ke značnému diskomfortu v letním období.
Modelování. Současný stav informačních technologií umožňuje aplikaci modelování, zejména jeho dynamické formy. Pro vzduchotechniku jsou aktuální programová řešení tepelného chování místností a budov, rozložení koncentrací v prostoru, obrazy proudění vzduchu v omezeném prostoru, modelování chování proudících tekutin, modelování nestandardních dějů a provozních situací vzduchotechnických systémů a budov s cílem optimalizace regulace provozu vzduchotechniky. Trend modelování spěje ke komplexním dynamickým modelům, umožňujícím už na úrovni architektonických studií a projekčních záměrů uplatnit řešení k realizaci úsporných opatření při dosažení optimálního stavu IM.