Vetranie je možné definovať ako prívod dostatočného množstva čerstvého vzduchu a odvod znehodnoteného vzduchu, za účelom vytvorenia priaznivých podmienok pre pobyt osôb vo vnútornom priestore. Súčasťou vetracích systémov pre nútené vetranie sú často členité a rozsiahle potrubné sústavy.

Ich úlohou je prepraviť požadovaný prietok vzduchu pre vetranie, pri súčasnom dodržaní adekvátnych tlakových strát. Predmetom tohto článku je poukázanie na využitie počítačových simulácií pri riešení tlakových pomerov v rozvodoch vetracích systémov

Požiadavky kladené na vetranie a typy vetrania

Dospelý človek potrebuje denne približne 12 000 litrov vzduchu, čo je 20 m³ vzduchu za hodinu. Na kvalite vzduchu, ktorý dýchame, teda veľmi záleží. Na zaistenie minimálnej výmeny vzduchu potrebnej na dýchanie by stačilo privádzať 6-9 m³ čerstvého vzduchu na 1 osobu za hodinu. Po zohľadnení škodlivín je na pokrytie tejto požiadavky nutné zaistiť prívod 16-25 m³ čerstvého vzduchu na 1 osobu za hodinu.

Úlohou vetracej techniky je zabezpečiť výmenu vzduchu vo vnútornom priestore – to znamená zabezpečiť pohyb vzduchu. Pohyb vzduchu môže nastať iba v dôsledku tlakového rozdielu. Tento tlakový rozdiel je možne vyvolať pôsobením prírodných síl (gravitácia) alebo mechanickou silou (ventilátor).

Pre dosiahnutie vynikajúcej kvality mikroklímy je potrebné zabezpečiť minimálnu hodnotu výmeny vzduchu n = 0,3/h. Praktické požiadavky výmeny vzduchu sa pohybujú v rozmedzí n = 0,3 - 0,6/h a pre vetranie s rekuperáciou tepla n = 0,8 – 1,2/h. Pritom hodnota výmeny vzduchu n = 0,5/h znamená, že celý objem vzduchu vo vnútri objektu sa vymení 1x za 2 hodiny.

Vetranie samotné možno rozdeliť na niekoľko typov:

• Prirodzené vetranie, kde možno zaradiť infiltráciu a exfiltráciu, vetranie oknom, ďalej šachtové vetranie a aeráciu.
• Nútené vetranie možno rozdeliť na podtlakové, rovnotlakové, pretlakové.
• Hybridné vetranie - využíva riadenú kombináciu núteného a prirodzeného vetrania za účelom minimalizácie spotreby energií.

Nútené vetranie

Z technického hľadiska možno nútené vetranie rozdeliť na decentralizované a centralizované.

Pri decentralizovanom vetraní sa najčastejšie využívajú nasledujúce tri systémy:

1.  Decentrálny prívod vzduchu a decentrálny odvod vzduchu.

V tomto systéme vetrania ventilátory umiestnené v kúpelniach, WC, kuchyni odsávajú opotrebovaný vzduch a pomocou vytvoreného nepatrného podtlaku nasávajú čerstvý vzduch cez pasívne prívodné prvky umiestnené v spálňach a obývacích izbách.

Obr. 1 Príklad systému vetrania s decentrálnym prívodom vzduchu
a decentrálnym odvodom vzduchu       

2.  Decentrálny prívod vzduchu a centrálny odvod vzduchu do exteriéru alebo centrálny odvod vzduchu s využitím tepla odchádzajúceho vzduchu (vetracie tepelné čerpadlo na ohrev teplej úžitkovej vody a vykurovanie).

V tomto prípade je centrálna ventilačná jednotka umiestnená mimo obytných priestorov, odsáva opotrebovaný vzduch pomocou distribučného potrubia ukončeného odvodným prvkom vzduchu z kúpelní, WC a kuchyne, a pomocou vytvoreného nepatrného podtlaku nasáva čerstvý vzduch cez pasívne prívodné prvky umiestnené v spálňach a obývacích izbách. Namiesto ventilačnej jednotky môže byť použité tepelné čerpadlo (vetraný – odpadový) vzduch - voda a tým je možné využiť energiu vlhkého a teplého vzduchu a tepelných ziskov budovy na výrobu teplej úžitkovej vody a teplej vody na vykurovanie.

Obr. 2  Systém s decentrálnym prívodom vzduchu a centrálnym odvodom vzduchu

3.  Decentrálne vetracie jednotky s rekuperáciou tepla alebo bez rekuperácie tepla.

Lokálna rekuperačná jednotka je zariadenie s ventilátormi a rekuperačným výmenníkom, ktoré je možné umiestniť priamo do vetranej miestnosti a zaistiť takto energeticky úsporné vetranie decentralizovane cez obvodovú stenu.

Obr. 3  Lokálna rekuperačná jednotka

Pri decentrálnom vetracom systéme je možné použitie vetrania otvorenými oknami a nenaruší to filozofiu tohto typu núteného vetrania.

Decentralizovaný systém vetrania týmto nenúti užívateľa meniť svoje vetracie návyky a zároveň chráni stavbu pred nežiaducimi dôsledkami nedostatočného vetrania.

Systém je prakticky neviditeľný, výmeny filtrov sú dobrovoľné, zanedbanie výmeny filtra nespôsobí hygienické riziko a celý systém sa aj potom dá veľmi rýchlo a s nízkymi nákladmi vrátiť do pôvodného stavu.

Ako príklad centralizovaného vetrania poslúži systém s centrálnym prívodom vzduchu a centrálnym odvodom vzduchu bez rekuperácie tepla, alebo s rekuperáciou tepla.

Obr. 4  Príklady systémov centralizovaného vetrania

Čerstvý vonkajší vzduch je nasávaný vetracou (rekuperačnou) jednotkou. Po prefiltrovaní a ohriatí v rekuperátore sa vzduch pomocou distribučného potrubia privedie do obytných priestorov ako je kuchyňa, izby a spálne. Distribučné potrubie môže byť umiestnené do podlahy alebo do podhľadu či do podstrešného priestoru. Prúdením vzduchu cez distribučné prvky je odpadový vzduch odsávaný v kúpeľniach a WC späť do vetracej (rekuperačnej) jednotky. V tejto jednotke odovzdá odpadový vzduch teplo privádzanému vzduchu a tento cyklus sa neustále opakuje. Odsávanie kuchyne je riešené samostatne. Tento systém neumožňuje meniť teplotu privádzaného vzduchu a preto je nutné inštalovať vykurovací systém so sálavou zložkou tepla ako je podlahové, stenové, radiátorové alebo iné vykurovanie. Prívod vzduchu v oboch prípadoch môže byť riešený cez zemný register. Zemný register využíva skutočnosť že v určitej hĺbke pod zemou býva celoročne takmer rovnaká teplota a tak sa týmto spôsobom v zime predhrieva a v lete ochladzuje privádzaný vzduch. Nevýhodou je vysoká zriaďovacia cena. Omnoho závažnejšie je udržiavanie hygienického štandardu podzemných kanálov.

Prednosťou centrálneho vetracieho systému je zníženie nákladov na vykurovanie pretože dovnútra prúdi teplejší vzduch ako keby prúdil priamo zvonka, nakoľko sa v rekuperátore zohrieva.

Pri centralizovanom systéme majú významný vplyv investičné náklady a tiež náklady na údržbu a čistenie vetracej jednotky a distribučného potrubia. Zanedbanie údržby vedie k výraznejším nákladom na zabezpečenie hygienického štandardu obytných priestorov.

Riešenie úloh simuláciou tlakových pomerov v programe  ANSYS_CFX

V prípadoch kde nie sú vlastnosti sledovaného systému úplne jasné, môže zohrať numerická simulácia významnú rolu. Pomocou nej je možné overiť si, či bude daný návrh systému vhodný a účinný, alebo naopak bude vykazovať počas prevádzky nedostatky. Taktiež sa využíva vtedy, ak nastane problém a nie je úplne jasná jeho príčina. V tom prípade je veľmi vhodné nasimulovať si daný potrubný systém, a z výsledkov je následne možné zistiť príčinu daného problému. Toto napomáha minimalizovať čas potrebný na vyriešenie problému, pričom výsledky riešenia pomocou simulácie  a výsledky z nej nie sú v teoretickej rovine, ale s vysokou presnosťou ukážu reálny stav, či priebeh  v potrubí.

K-epsilon model je jedným z najbežnejších modelov turbulencie v počítačovej dynamike tekutín a je považovaný za štandardne využívaný model. Je stabilný a numericky robustný model. Pre simulácie pre všeobecné účely, model ponúka dobrý kompromis medzi presnosťou a robustnosťou. Ako ukázala a stále ukazuje inžinierska prax, k-ε model   je veľmi vhodný pre použitie pri prúdoch bez šmykového napätia s relatívne nízkymi tlakovými gradientami. Skúmané potrubie (obr. 5) bolo namodelované v programe ANSYS_CFX, a následne bola vytvorená sieť pozostávajúca z elementov typu tetrahedrón.

Pre posúdenie presnosti výsledkov  získaných zo simulácie v programe ANSYS_CFX bola, pre model k-epsilon model turbulencie, vytvorená sieť: a) pozostávajúca z elementov tetrahedrón  s veľkosťou elementu 5 mm na rovných častiach potrubia (obr. 5, červené krúžky) a 1 mm v kolenách (obr. 6) a v zužujúcej (obr. 6) a rozširujúcej sa časti (obr. 6) b) pozostávajúca z elementov tetrahedrón s veľkosťou elementu 8mm na rovných častiach (obr. 7) potrubia a 2 mm v kolenách (obr. 8) a v zužujúcej (obr. 8)  a rozširujúcej sa časti (obr. 8). Pri sieti typu a) bola najvyššia hodnota rýchlosti 9,625 m.s^-1 a najnižšia okolo 2 m.s^-1. Pri sieti typu b) bola najvyššia hodnota rýchlosti 8,634 m.s^-1 a najnižšia okolo 0,5 m.s^-1. Ako vidno na obr. 5 najvyššia hodnota tlaku (viď červenú farbu na škále) sa dosiahla na začiatku potrubia v 1. kolene. Najnižšia hodnota tlaku sa dosiahla na konci potrubia. Z obr. 7 vyplýva, že k strate na rýchlosti (viď obr. 7, modrý priebeh na škále) došlo  v 1. kolene, 2. kolene, v rovnom úseku medzi rozširujúcou sa časťou, a k najvyššiemu poklesu rýchlosti došlo na rovnom úseku medzi zužujúcou a rozširujúcou sa časťou.

Obr. 5 Priebeh tlaku v potrubí pri sieti 5mm a 1 mm

Obr. 6 Priebeh rýchlosti v potrubí pri sieti 5 mm a 1 mm

Obr. 7 Priebeh tlaku v potrubí pri sieti 8 mm a 2 mm

Obr. 8 Priebeh rýchlosti v potrubí pri sieti 8 mm a 2 mm

Z obr. 6 b) a obr. 7 b) je jednoznačne vidno, že zmena hustoty siete mala dosť výrazný vplyv na výsledky simulácie. Najviac je vo viditeľné v spodnej časti potrubia - od 2. kolena po zužujúcu sa časť potrubia (modrý farba rýchlosti).

Záver
Prostriedky numerickej simulácie dokážu v súčasnosti veľmi efektívne pomáhať aj pri optimalizácii práce vetracích systémov. V tomto príspevku bolo poukázané na využitie programu ANSYS_CFX pri riešení tlakových pomerov vo vybranej časti potrubnej siete. Tieto simulačné nástroje umožňujú názorne zobraziť reálne podmienky vo vzduchovode ešte pred jeho realizáciou, alebo v prípade jestvujúcich vzduchovodov, pri existujúcich problémoch, odhaliť zdroje a príčiny nedostatkov daného systému.
                    

Ing. Peter Lukáč, PhD., Ing. Daniela Popčáková
Katedra energetickej techniky, SjF TU v Košiciach, Vysokoškolská 4, 042 00 Košice
peter.lukac@tuke.sk, daniela.popcakova@tuke.sk

Príspevok vznikol vďaka projektu VEGA č. 1/0006/11  

Literatúra :
[1] Kapalo, P.: Analýza vetrania v rodinných domoch. Plynár - vodár - kurenár + klimatizácia. Roč. 8, 2010, č. 3, s. 32-34. ISSN 1335-9614
[2] Vranayová, Z., Vranay, F., Očipová, D.: Building heating and its energy performance. In: 12. mezinárodní vědecká konference u příležitosti 110. výročí založení FAST VUT v Brně a 14. výročí založení Stavebních veletrhů Brno. Sekce 1, Technická zařízení staveb a energie budov. - Brno : CERM, 2009 P. 69 -72. ISBN 9788072046294
[3]  Schwarzer J.: Větrání  - Vzduchovody pro rovnoměrný přívod vzduchu. [online]. [s.a.]. [cit. 2012-01-13]. Dostupné na internete: http://www.fsid.cvut.cz/~schwajan/schwarzer_soubory/Soubory/Vzduchovody/...
[4] Vetracie systémy, prívodné prvky vzduchu, rekuperácia tepla odpadového vzduchu. [online]. [s.a.]. [cit. 2012-05-27]. Dostupné na internete: http://www.airden.eu/?mod=vetranie--o-typoch-vetrania
[5] Versteeg, H., K., Malalasekera, W.: An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. [online]. [s.a.]. [cit. 2012-01-13]. Dostupné na internete: http://books.google.sk/books?id=RvBZ-UMpGzIC&printsec=frontcover&dq=computa
      tional+fluid+dynamics&lr=#v=onepage&q=SST%20k-mega%20%20model&f=false