Návrh klimatizace v h-x diagramu: postup krok za krokem

Každý návrh klimatizace začíná dvěma otázkami: jaké jsou vstupní podmínky (venkovní vzduch, vnitřní zátěže) a jaké jsou požadované výstupní podmínky (teplota a vlhkost v místnosti). H-x diagram tyto podmínky vizualizuje, umožňuje vybrat správnou posloupnost procesů - chlazení, směšování, ohřev, zvlhčování a vypočítat výkony jednotlivých komponent. Tento článek zjednodušeně popisuje celý postup na příkladu: kancelář pro 100 osob v Praze, letní provoz bez zpětného získávání tepla (ZZT).

Krok 1: Stanovení návrhových podmínek

Venkovní vzduch - letní návrhové podmínky

Návrhové podmínky se čerpají z klimatických dat, nikoli z intuice. ASHRAE Climatic Design Data udává pro každou lokalitu hodnoty odpovídající 0,4 %, 1 % nebo 2 % překročení za rok. Pro Prahu jsou letní návrhové podmínky přibližně 32 °C (teplota suchého teploměru) při φ = 40 % - v h-x diagramu to odpovídá stavu $h = 63\ \text{kJ/kg}$, $x = 11{,}9\ \text{g/kg}$, teplota mokrého teploměru přibližně 21 °C.

Vnitřní návrhové podmínky

Požadované podmínky vycházejí z norem pro tepelný komfort. ASHRAE Standard 55 a ČSN EN 16798-1 definují pro kanceláře typicky 24–26 °C / φ 40–60 %. Zvolíme 25 °C / φ = 50 % - entalpie přibližně $50\ \text{kJ/kg}$, měrná vlhkost $10\ \text{g/kg}$.

Krok 2: Výpočet vnitřní tepelné a vlhkostní zátěže

• Citelné teplo: osoby (100 × 65 W = 6,5 kW) + osvětlení + výpočetní technika + sluneční zisky. Celkem pro příklad součet 30–40 kW.
• Latentní teplo: odpařování potu (100 × 55 W = 5,5 kW) + vlhkost ze stavebních konstrukcí. Celkem pro příklad součet 6–8 kW.

Poměr citelné a celkové zátěže (SHR, sensible heat ratio) udává, jak strmě stoupá čára stavu místnosti v diagramu. Pro naši kancelář $\text{SHR}=0{,}82$.

Krok 3: Zakreslení stavu místnosti a přívodního vzduchu

Stav vnitřního vzduchu (25 °C / 50 % RH) je výchozí bod. Z něj vedeme čáru zátěže ve směru daném poměrem SHR - ukazuje, jak se stav vzduchu mění při absorpci tepelné a vlhkostní zátěže. Přívodní vzduch musí ležet na této čáře, obvykle při teplotě 14–16 °C. Nižší přiváděná teplota znamená menší průtok, ale vyšší riziko průvanu naopak vyšší teplota vyžaduje větší průtok.

Krok 4: Směšování venkovního a recirkulovaného vzduchu

Systém přivádí část čerstvého venkovního vzduchu (hygienické minimum dle ČSN EN 16798-1, resp. NV č. 361/2007 Sb.) a zbytek recirkuluje. Předpokládejme 30 % venkovního a 70 % recirkulovaného vzduchu. Výsledný stav směsi leží na přímce spojující venkovní a vnitřní stav, ve vzdálenosti 30 % od vnitřního bodu (tedy 70 % od venkovního bodu - blíž k větší hmotnostní frakci, recirkulaci) - přibližně 27 °C / φ = 47 %, $h = 54\ \text{kJ/kg}$.

Krok 5: Chlazení a odvlhčení na stav přívodního vzduchu

Směs chladíme na požadovaný stav přívodního vzduchu (14–16 °C). Vzduch přitom zkondenzuje přebytečnou vlhkost. Zjednodušeně (ideální případ, bez obtokového faktoru) jde čára nejprve svisle dolů (citelné chlazení) až na rosný bod, pak podél křivky nasycení dolů a doleva (odvlhčení) - reálný chladič ve skutečnosti směřuje k tzv. aparátovému rosnému bodu (ADP) a přiváděný vzduch nikdy zcela nedosáhne křivky nasycení; míru odchylky vyjadřuje obtokový faktor (bypass factor).

$$\Phi_{\text{chl}} = \dot{m} \cdot (h_{\text{směs}} - h_{\text{přívod}})$$

Entalpický rozdíl je přibližně $54 - 34 = 20\ \text{kJ/kg}$. Při průtoku $4\ \text{kg/s}$ dostaneme $\Phi_{\text{chl}} = 80\ \text{kW}$ (z toho část připadá na zátěž od čerstvého venkovního vzduchu nad rámec vlastní zátěže místnosti z kroku 2).

Krok 6: Dohřev a volba komponent

Je-li přiváděcí vzduch po chlazení příliš studený nebo příliš vlhký (φ > 95 %), zařadíme dohřev - v diagramu svislá čára nahoru (konstantní x, roste t). Na základě entalpických rozdílů a průtoků pak volíme výkon chladiče, ohřívačů, průtok teplonosné látky a výkon zvlhčování pro zimní provoz. Každá hodnota má v h-x diagramu přímý vizuální ekvivalent.

Zimní provoz: jiný diagram, stejná logika

V zimě je venkovní vzduch studený a suchý a místnost je třeba vytápět a zvlhčovat. Návrhové podmínky pro Prahu jsou přibližně −12 °C / φ = 80 % (v souladu s ČSN EN 12831-1). Venkovní vzduch má extrémně nízkou měrnou vlhkost ($x \approx 1{,}1\text{–}1{,}2\ \text{g/kg}$) a jeho relativní vlhkost po ohřevu na 22 °C klesne na pouhých 7 %. Částečně může situaci řešit zpetné získávání tepla s přenosem vlhkosti (entalpický výměník). Zvlhčování je přesto pro dosažení ideálních podmínek v zimě prakticky nezbytné v každé budově s nuceným větráním.

Iterace návrhu je papírově zdlouhavá. V PsychroView zadáte stav venkovního a vnitřního vzduchu, nastavíte podíl recirkulace a okamžitě vidíte stav směsi, průběh chlazení i výsledné výkony - změna jednoho parametru se ihned promítne do celého schématu.

Časté dotazy

Proč se chladicí výkon počítá z entalpie, ne z teploty? Chladič odvádí citelné i vázané (latentní) teplo. Rozdíl teplot zachytí jen citelnou složku; teplo kondenzující páry postihne pouze entalpický rozdíl. Dimenzování jen na teplotu vede k trvale poddimenzovanému chladiči.

Kde v diagramu leží stav směsi venkovního a recirkulovaného vzduchu? Na úsečce mezi oběma stavy, v poloze dané poměrem průtoků - blíž k tomu stavu, který má větší hmotnostní podíl. Při 30 % venkovního vzduchu a 70 % recirkulace je směs ve vzdálenosti 30 % od vnitřního bodu (70 % od venkovního bodu).

Odkud vzít návrhové podmínky venkovního vzduchu pro moji lokalitu? Z klimatických databází (ASHRAE Climatic Design Data, národních norem ČSN, případně národní databáze klimatických dat), obvykle jako hodnotu s 0,4 % roční pravděpodobností překročení.