Hybridní větrání
Důsledným zlepšováním tepelně technických parametrů obálky budov jak z hlediska prostupu tepla, tak vzduchotěsnosti se na jednu stranu daří snižovat celkové tepelné ztráty, na druhou logicky výrazně vzrůstá podíl tepelných ztrát v důsledku větrání. Pozornost se proto obrací tímto směrem a hledají se cesty, jak větrání optimalizovat. Přístupy jsou v zásadě dva – extenzivní a intenzivní.
Prvním se redukuje vzduchová výměna infiltrací, což od určitého okamžiku vyvolává vážný střet energetického a hygienického pohledu na věc. Nevětráním sice teplo neutíká, ale budovy už pro změnu přestávají být vhodné pro pobyt lidí. Uvnitř objektu roste koncentrace toxických látek a nepříjemných odérů a hrozbou se stává nadměrná vlhkost vzduchu, jež bývá jednou z příčin vzniku plísní a v konečném důsledku i degradace stavebních konstrukcí.
Druhým způsobem se dům rovněž utěsní, ale současně se využívá teplo odpadního vzduchu k předehřevu vzduchu čerstvého, což ovšem vyžaduje řízené strojní větrání s rekuperátorem, které má vysoké investiční náklady a ani jeho provoz není zadarmo.
Dle názoru odborníků obě uvedené možnosti, tedy systémy ryze přirozeného a ryze nuceného větrání, v oblastech úspory energií a kvality vnitřního prostředí již prakticky vyčerpaly svůj potenciál, aktuálně nejperspektivnějšími technologiemi v oboru větrání jsou proto systémy založené na principech řízeného hybridního větrání.
Způsobů hybridního větrání existuje více s různou mírou naplnění stanovených cílů. S ohledem na přítomnost ventilačního tepelného čerpadla v systému NyrdenCore je využita varianta „přirozené větrání s pomocným ventilátorem,“ kdy se vzduch do místností přivádí přirozeně samoregulovatelnými okenními štěrbinami (modré šipky na obrázku č. 1) a nuceně se odvádí větrací jednotkou tepelného čerpadla (červené obdélníčky nahoře uprostřed). Tento systém je projekčně, realizačně i provozně jednoduchý a bez problému splňuje požadavky energetické i hygienické.
Obrázek č. 1: Princip hybridního větrání se samoregulačními prvky reagujícími na vlhkost
Zatímco běžný provoz přispívá spíše ke zvyšování objemu vodní páry ve vzduchu, větrání způsobuje opačný efekt. Chladný venkovní vzduch mívá sice vysokou relativní vlhkost, často kolem 90 %, ale k jeho nasycení stačí velice malý objem vody, takže je ve skutečnosti poměrně suchý. Vztah teploty a množství vody ve vzduchu ukazuje graf na obrázku č. 2. Po vstupu do objektu se vzduch působením otopné soustavy ohřeje, hranice maximálního nasycení se významně posune, a tím se sníží jeho relativní vlhkost. Tento jev vyvolává u uživatelů běžně větraných objektů pocit diskomfortu a vede k potřebě vytápět na vyšší teplotu, čímž ovšem relativní vlhkost opět klesne. A takto to může jít stále dokola.
Obrázek č. 2: Roční průběh průměrné denní teploty a absolutní vlhkosti přiváděného větracího vzduchu během roku 2016 v Praze
Řešením jsou samoregulační větrací mřížky reagující na hladinu relativní vlhkosti vzduchu v interiéru, které obsahují hydroskopický snímač relativní vlhkosti vzduchu vytvořený ze svazku polyamidových vláken. Svazek se změnou vlhkosti vzduchu prodlužuje a zkracuje, čehož je využito k mechanickému ovládání klapek, které tak regulují průtok vzduchu mřížkou. Čidlo je izolováno od toku přiváděného vzduchu, takže měří jen míru vnitřní vlhkosti vzduchu. Při poklesu vlhkosti se automaticky snižuje průtok větracího vzduchu, čímž se omezuje jeho vysoušecí funkce a naopak se tím posiluje vliv vnitřních zdrojů vlhkosti na znovuobnovení optimálního stavu. Závislost průtoku na relativní vlhkosti je znázorněna na obrázku č. 4. Z uvedeného je zřejmé, že nejenže odpadá potřeba zvyšovat vnitřní teplotu, ale navíc se redukuje míra větrání úměrně poklesu venkovní teploty, čímž se vlastně hned dvakrát snižují tepelné ztráty objektu. Celý proces funguje automaticky a eliminuje se tak vliv nespolehlivého lidského faktoru. Větrací štěrbiny se montují na horní profil okenního křídla, jejich design je velice nenápadný, jsou prakticky bezúdržbové a jejich akustický útlum činí 33 až 37 dB.
Obrázek č. 3: Přívodní na vlhkost reagující samoregulační štěrbina
Obrázek č. 4: Graf závislosti vzduchového průtoku na relativní vlhkosti vzduchu v místnosti pro odsávací samoregulační mřížku reagující na vlhkost
Na posouzení ekonomické efektivity se ve své studii z roku 2008 zaměřil německý Fraunhofer Institut Bauphysik. Ten dokázal, že systémy s rekuperačním výměníkem s 80% účinností mají sice nižší celkovou spotřebu energie, než systémy hybridního větrání, ale jejich pořizovací cena je tak vysoká, že během své životnosti celkové náklady zahrnující pořízení, instalaci, spotřebu elektřiny a tepla nikdy neklesnou pod hladinu, na které se nachází hybridní větrání s reakcí na vlhkost. Je patrné, že energetická účinnost nemusí být vždy tím rozhodujícím kritériem.
Regulační prvky na vstupu i výstupu fungují automaticky na základě aktuální relativní vlhkosti vnitřního vzduchu a nepotřebují ke své činnosti žádnou energii. Vzduchový výkon se průběžně přesouvá do míst, kde je aktuálně potřeba v důsledku zvýšení koncentrace znečišťujících látek v ovzduší. V celém systému je pouze jeden ventilátor, který spolu s čidlem vlhkosti v odtahovém potrubí představuje veškeré elektřinou napájené prvky.
Dané řešení optimálně využívá nejsilnější stránky přirozeného a řízeného větrání a ukazuje potenciál hybridní varianty při větrání objektů pro bydlení, administrativu a služby.
Dle názoru odborníků obě uvedené možnosti, tedy systémy ryze přirozeného a ryze nuceného větrání, v oblastech úspory energií a kvality vnitřního prostředí již prakticky vyčerpaly svůj potenciál, aktuálně nejperspektivnějšími technologiemi v oboru větrání jsou proto systémy založené na principech řízeného hybridního větrání.
Hybridní větrání
Hybridní větrací systémy kombinují různé prvky přirozeného a nuceného větrání s cílem zajistit příjemné vnitřní prostředí při minimální spotřebě energie a s vynaložením co nejnižších nákladů. Na rozdíl od běžných větracích systémů obsahují řídicí prvky automaticky přepínající mezi oběma režimy a tím spolehlivě udržující požadovanou úroveň vnitřního mikroklimatu.Způsobů hybridního větrání existuje více s různou mírou naplnění stanovených cílů. S ohledem na přítomnost ventilačního tepelného čerpadla v systému NyrdenCore je využita varianta „přirozené větrání s pomocným ventilátorem,“ kdy se vzduch do místností přivádí přirozeně samoregulovatelnými okenními štěrbinami (modré šipky na obrázku č. 1) a nuceně se odvádí větrací jednotkou tepelného čerpadla (červené obdélníčky nahoře uprostřed). Tento systém je projekčně, realizačně i provozně jednoduchý a bez problému splňuje požadavky energetické i hygienické.
Obrázek č. 1: Princip hybridního větrání se samoregulačními prvky reagujícími na vlhkost
Regulace průtoku vzduchu na vstupu podle vlhkosti
Značný vliv na kvalitu vnitřního prostředí a na hodnocení jeho komfortu uživateli má vlhkost vzduchu. Nízká relativní vlhkost způsobuje nejenom vysušování sliznic a z toho plynoucí respirační potíže, ale má dopad i na zhoršené vnímání tepelné pohody vlivem zvýšené evaporace vedoucí k následnému ochlazování pokožky a nástupu pocitu chladu, aniž by přitom klesla teplota okolního vzduchu. Je proto vhodné udržovat vnitřní relativní vlhkost na hodnotách kolem 50 %.Zatímco běžný provoz přispívá spíše ke zvyšování objemu vodní páry ve vzduchu, větrání způsobuje opačný efekt. Chladný venkovní vzduch mívá sice vysokou relativní vlhkost, často kolem 90 %, ale k jeho nasycení stačí velice malý objem vody, takže je ve skutečnosti poměrně suchý. Vztah teploty a množství vody ve vzduchu ukazuje graf na obrázku č. 2. Po vstupu do objektu se vzduch působením otopné soustavy ohřeje, hranice maximálního nasycení se významně posune, a tím se sníží jeho relativní vlhkost. Tento jev vyvolává u uživatelů běžně větraných objektů pocit diskomfortu a vede k potřebě vytápět na vyšší teplotu, čímž ovšem relativní vlhkost opět klesne. A takto to může jít stále dokola.
Obrázek č. 2: Roční průběh průměrné denní teploty a absolutní vlhkosti přiváděného větracího vzduchu během roku 2016 v Praze
Řešením jsou samoregulační větrací mřížky reagující na hladinu relativní vlhkosti vzduchu v interiéru, které obsahují hydroskopický snímač relativní vlhkosti vzduchu vytvořený ze svazku polyamidových vláken. Svazek se změnou vlhkosti vzduchu prodlužuje a zkracuje, čehož je využito k mechanickému ovládání klapek, které tak regulují průtok vzduchu mřížkou. Čidlo je izolováno od toku přiváděného vzduchu, takže měří jen míru vnitřní vlhkosti vzduchu. Při poklesu vlhkosti se automaticky snižuje průtok větracího vzduchu, čímž se omezuje jeho vysoušecí funkce a naopak se tím posiluje vliv vnitřních zdrojů vlhkosti na znovuobnovení optimálního stavu. Závislost průtoku na relativní vlhkosti je znázorněna na obrázku č. 4. Z uvedeného je zřejmé, že nejenže odpadá potřeba zvyšovat vnitřní teplotu, ale navíc se redukuje míra větrání úměrně poklesu venkovní teploty, čímž se vlastně hned dvakrát snižují tepelné ztráty objektu. Celý proces funguje automaticky a eliminuje se tak vliv nespolehlivého lidského faktoru. Větrací štěrbiny se montují na horní profil okenního křídla, jejich design je velice nenápadný, jsou prakticky bezúdržbové a jejich akustický útlum činí 33 až 37 dB.
Obrázek č. 3: Přívodní na vlhkost reagující samoregulační štěrbina
Regulace průtoku vzduchu na výstupu podle vlhkosti
Parametry vnitřního prostředí nejsou zdaleka neměnné. Udržování optimálního stavu je při běžném denním provozu poměrně náročné a neobejde se bez sofistikovaných automatických regulačních prvků. Patří mezi ně i odtahové vzduchové mřížky s regulací průtoku v reakci na změnu vnitřní relativní vlhkosti. Nadmíru zvýšená vlhkost představuje nebezpečí pro stavební konstrukce a zprostředkovaně i pro lidské zdraví (plísně). Kromě toho, že k ní dochází vlivem odparu vody při hygieně nebo při vaření, je to současně spolehlivá signální veličina ukazující míru znečištění vnitřního vzduchu při pobytu osob – vydýchaný vzduch se od čerstvého liší mimo jiné zvýšeným obsahem vodní páry. Je proto účelné upravovat větrací výkon podle aktuálních parametrů odváděného vzduchu. Jak je vidět na obrázku č. 4, výkon se při vzrůstu vlhkosti z 50 na 65 % a více zvýší téměř na dvojnásobek, z 60 na 100 m3/hod. Samoregulační mřížky tuto funkci zaručují bez nároku na jakoukoliv energii. Výsledkem jejich činnosti je plynulé přesouvání výkonu do míst s aktuální potřebou na úkor těch, ve kterých není žádný problém. Na rozdíl od běžných řešení založených pouze na převážně manuálním ovládání výkonu v místech nadměrné produkce vodní páry nezvyšuje tento princip celkovou spotřebu energie na větrání a je energeticky efektivnějšíObrázek č. 4: Graf závislosti vzduchového průtoku na relativní vlhkosti vzduchu v místnosti pro odsávací samoregulační mřížku reagující na vlhkost
Účinnost systému
Současným trendem je zpětné získávání tepla v rekuperačních výměnících. Není ale pravdou, že by tento způsob větrání byl tím nejefektivnějším. Předpokládáme-li, že odváděný a přiváděný vzduch mají teplotu 22 °C a 5 °C (průměrná venkovní teplota během otopného období), potom při 80% účinnosti rekuperace bude mít čerstvý vzduch vpouštěný do objektu teplotu 18,6 °C a odpadní vzduch vypouštěný ven teplotu 8,4 °C. Odváděnému vzduchu bude rekuperací odebráno teplo úměrné rozdílu teplot před a za jednotkou, který činí 13,6 °C. Pokud ale k větrání použijeme ventilační tepelné čerpadlo, bude mít ven vypouštěný vzduch teplotu -20 °C, takže rozdíl teplot bude v tomto případě 42 °C, což je 3 krát více než u rekuperace. Tepelné čerpadlo je tedy při využívání odpadního tepla 3 krát efektivnější. Teplo odebrané vzduchu tepelným čerpadlem se navíc ukládá do vody a je využitelné jak pro vytápění, tak pro ohřev teplé vody, zatímco v rekuperační jednotce dochází „pouze“ k předehřevu větracího vzduchu. Příznivým vedlejším efektem tepelného čerpadla je i to, že při ochlazení vzduchu na velice nízkou hodnotu zkondenzuje téměř všechna ve vzduchu obsažená voda, kterou lze následně zapojit do systému vodního hospodářství.Ekonomika provozu
Větrání má mezi ostatními profesemi TZB specifické postavení. Jako jediné totiž za všech okolností pracuje s živlem, za který se nemusí platit – vzduchem. To se nedá říct ani o vytápění, ani o zásobování elektřinou a vodou, ani o likvidaci odpadních vod. Ve všech těchto případech existuje jak varianta placená – napojení na veřejnou síť nebo výroba z nakupovaných surovin v decentralizovaných zdrojích, tak varianta neplacená – provoz v ostrovním systému s využitím bezplatných zdrojů či procesů, jako je sluneční záření, vítr, dešťová voda nebo biologický rozklad hmoty. Tento rozdíl se zákonitě musí projevit ve způsobu posuzování ekonomické efektivity zvoleného řešení. Zatímco například u ostrovní fotovoltaiky dáváme na jednu misku vah cenu kilowatthodiny ze sítě a proti ní vedle ceny off-grid energie i hypotetickou cenu energetické nezávislosti či efekt vyplývající z možnosti stavět na nezasíťovaném, a tedy nepoměrně levnějším pozemku, porovnávání ekonomiky jednotlivých variant řízeného větrání je prosté. Energetický efekt ve světle nákladů na pořízení a provoz a doba životnosti použitých technologií dávají přesný obrázek o ekonomické efektivitě daného řešení.Na posouzení ekonomické efektivity se ve své studii z roku 2008 zaměřil německý Fraunhofer Institut Bauphysik. Ten dokázal, že systémy s rekuperačním výměníkem s 80% účinností mají sice nižší celkovou spotřebu energie, než systémy hybridního větrání, ale jejich pořizovací cena je tak vysoká, že během své životnosti celkové náklady zahrnující pořízení, instalaci, spotřebu elektřiny a tepla nikdy neklesnou pod hladinu, na které se nachází hybridní větrání s reakcí na vlhkost. Je patrné, že energetická účinnost nemusí být vždy tím rozhodujícím kritériem.
Závěr
Originální systém hybridního větrání NyrdenCore navrhovaný speciálně vyvinutou počítačovou simulací vnitřního mikroklimatu pracující s detailními unikátními klimatickými daty každé lokality je mimořádně efektivní. Ve srovnání s řízeným větráním s rekuperací dominuje jak po stránce energetické (3 krát vyšší účinnost zpětného získávání tepla a schopnost automaticky upravovat množství čerstvého vzduchu podle venkovní teploty), ekonomické (daleko nižší pořizovací i provozní náklady), tak i hygienické (prakticky trvalá půlnásobná vzduchová výměna a nulová motivace uživatelů k jejímu omezování).Regulační prvky na vstupu i výstupu fungují automaticky na základě aktuální relativní vlhkosti vnitřního vzduchu a nepotřebují ke své činnosti žádnou energii. Vzduchový výkon se průběžně přesouvá do míst, kde je aktuálně potřeba v důsledku zvýšení koncentrace znečišťujících látek v ovzduší. V celém systému je pouze jeden ventilátor, který spolu s čidlem vlhkosti v odtahovém potrubí představuje veškeré elektřinou napájené prvky.
Dané řešení optimálně využívá nejsilnější stránky přirozeného a řízeného větrání a ukazuje potenciál hybridní varianty při větrání objektů pro bydlení, administrativu a služby.