Návrh klimatizácie v h-x diagrame: postup krok za krokom

Každý návrh klimatizácie začína dvoma otázkami: aké sú vstupné podmienky (vonkajší vzduch, vnútorné záťaže) a aké sú požadované výstupné podmienky (teplota a vlhkosť v miestnosti). H-x diagram tieto podmienky vizualizuje, umožňuje vybrať správnu postupnosť procesov (chladenie, zmiešavanie, ohrev, zvlhčovanie) a vypočítať výkony jednotlivých komponentov. Tento článok zjednodušene opisuje celý postup na príklade: kancelária pre 100 osôb v Prahe, letná prevádzka bez spätného získavania tepla (SZT).

Krok 1: Stanovenie návrhových podmienok

Vonkajší vzduch – letné návrhové podmienky

Návrhové podmienky sa čerpajú z klimatických údajov, nie z intuície. ASHRAE Climatic Design Data udáva pre každú lokalitu hodnoty zodpovedajúce prekročeniu 0,4 %, 1 % alebo 2 % za rok. Pre Prahu sú letné návrhové podmienky približne 32 °C (teplota suchého teplomera) pri φ = 40 % – v h-x diagrame to zodpovedá stavu $h = 63\ \text{kJ/kg}$, $x = 11{,}9\ \text{g/kg}$, teplota mokrého teplomera približne 21 °C.

Vnútorné návrhové podmienky

Požadované podmienky vychádzajú z noriem pre tepelný komfort. ASHRAE Standard 55 a STN EN 16798-1 definujú pre kancelárie typicky 24–26 °C / φ 40–60 %. Zvolíme 25 °C / φ = 50 % – entalpia približne $50\ \text{kJ/kg}$, merná vlhkosť $10\ \text{g/kg}$.

Krok 2: Výpočet vnútornej tepelnej a vlhkostnej záťaže

• Citeľné teplo: osoby (100 × 65 W = 6,5 kW) + osvetlenie + výpočtová technika + slnečné zisky. Spolu pre príklad súčet 30–40 kW.
• Latentné teplo: odparovanie potu (100 × 55 W = 5,5 kW) + vlhkosť zo stavebných konštrukcií. Spolu pre príklad súčet 6–8 kW.

Pomer citeľnej a celkovej záťaže (SHR, sensible heat ratio) udáva, ako strmo stúpa čiara stavu miestnosti v diagrame. Pre našu kanceláriu $\text{SHR}=0{,}82$.

Krok 3: Zakreslenie stavu miestnosti a prívodného vzduchu

Stav vnútorného vzduchu (25 °C / 50 % RH) je východiskový bod. Z neho vedieme čiaru záťaže v smere danom pomerom SHR – ukazuje, ako sa stav vzduchu mení pri absorpcii tepelnej a vlhkostnej záťaže. Prívodný vzduch musí ležať na tejto čiare, obvykle pri teplote 14–16 °C. Nižšia prívodná teplota znamená menší prietok, ale vyššie riziko prievanu; naopak vyššia teplota vyžaduje väčší prietok.

Krok 4: Zmiešavanie vonkajšieho a recirkulovaného vzduchu

Systém privádza časť čerstvého vonkajšieho vzduchu (hygienické minimum podľa STN EN 16798-1) a zvyšok recirkuluje. Predpokladajme 30 % vonkajšieho a 70 % recirkulovaného vzduchu. Výsledný stav zmesi leží na priamke spájajúcej vonkajší a vnútorný stav, vo vzdialenosti 30 % od vnútorného bodu (teda 70 % od vonkajšieho bodu – bližšie k väčšej hmotnostnej frakcii, recirkulácii) – približne 27 °C / φ = 47 %, $h = 54\ \text{kJ/kg}$.

Krok 5: Chladenie a odvlhčenie na stav prívodného vzduchu

Zmes chladíme na požadovaný stav prívodného vzduchu (14–16 °C). Vzduch pritom skondenzuje prebytočnú vlhkosť. Zjednodušene (ideálny prípad, bez obtokového faktora) ide čiara najprv zvislo dole (citeľné chladenie) až na rosný bod, potom pozdĺž krivky nasýtenia dole a doľava (odvlhčenie) – reálny chladič v skutočnosti smeruje k tzv. aparátovému rosnému bodu (ADP) a privádzaný vzduch nikdy celkom nedosiahne krivku nasýtenia; mieru odchýlky vyjadruje obtokový faktor (bypass factor).

$$\Phi_{\text{chl}} = \dot{m} \cdot (h_{\text{zmes}} - h_{\text{prívod}})$$

Entalpický rozdiel je približne $54 - 34 = 20\ \text{kJ/kg}$. Pri prietoku $4\ \text{kg/s}$ dostaneme $\Phi_{\text{chl}} = 80\ \text{kW}$ (z toho časť pripadá na záťaž od čerstvého vonkajšieho vzduchu nad rámec vlastnej záťaže miestnosti z kroku 2).

Krok 6: Dohrev a voľba komponentov

Ak je prívodný vzduch po chladení príliš studený alebo príliš vlhký (φ > 95 %), zaradíme dohrev – v diagrame zvislá čiara nahor (konštantné x, rastie t). Na základe entalpických rozdielov a prietokov potom volíme výkon chladiča, ohrievačov, prietok teplonosnej látky a výkon zvlhčovania pre zimnú prevádzku. Každá hodnota má v h-x diagrame priamy vizuálny ekvivalent.

Zimná prevádzka: iný diagram, rovnaká logika

V zime je vonkajší vzduch studený a suchý a miestnosť treba vykurovať a zvlhčovať. Návrhové podmienky pre Prahu sú približne −12 °C / φ = 80 % (v súlade so STN EN 12831-1). Vonkajší vzduch má extrémne nízku mernú vlhkosť ($x \approx 1{,}1\text{–}1{,}2\ \text{g/kg}$) a jeho relatívna vlhkosť po ohreve na 22 °C klesne na púhych 7 %. Situáciu môže čiastočne riešiť spätné získavanie tepla s prenosom vlhkosti (entalpický výmenník). Zvlhčovanie je napriek tomu na dosiahnutie ideálnych podmienok v zime prakticky nevyhnutné v každej budove s núteným vetraním.

Iterácia návrhu je na papieri zdĺhavá. V PsychroView zadáte stav vonkajšieho a vnútorného vzduchu, nastavíte podiel recirkulácie a okamžite vidíte stav zmesi, priebeh chladenia aj výsledné výkony – zmena jedného parametra sa ihneď premietne do celej schémy.

Časté otázky

Prečo sa chladiaci výkon počíta z entalpie, nie z teploty? Chladič odvádza citeľné aj viazané (latentné) teplo. Rozdiel teplôt zachytí len citeľnú zložku; teplo kondenzujúcej pary postihne iba entalpický rozdiel. Dimenzovanie len na teplotu vedie k trvalo poddimenzovanému chladiču.

Kde v diagrame leží stav zmesi vonkajšieho a recirkulovaného vzduchu? Na úsečke medzi oboma stavmi, v polohe danej pomerom prietokov – bližšie k tomu stavu, ktorý má väčší hmotnostný podiel. Pri 30 % vonkajšieho vzduchu a 70 % recirkulácii je zmes vo vzdialenosti 30 % od vnútorného bodu (70 % od vonkajšieho bodu).

Odkiaľ vziať návrhové podmienky vonkajšieho vzduchu pre moju lokalitu? Z klimatických databáz (ASHRAE Climatic Design Data, národných noriem STN, prípadne národné databázy klimatických údajov), obvykle ako hodnotu s 0,4 % ročnou pravdepodobnosťou prekročenia.