Přímotopné plynové teplovzdušné jednotky - návrh a výpočet

1.00 Všeobecně

Vytápění velkoprostorových objektů teplovzdušnými jednotkami je značně rozšířené. Bohužel, některé soustavy nepracují nehospodárně. Kromě velkých spotřeb tepla nedosahují požadované teploty v oblasti pobytu člověka. Je to dáno jednak nevhodnou distribucí vzduchu a jednak také nevhodným použitím v nadměrně vysokých halách. Výsledkem nevhodného návrhu jsou vysoké teploty vzduchu pod střešním pláštěm - až t_v = 30°C a nedotápění v oblasti pobytu člověka. Teplovzdušné vytápění může být však hospodárné, avšak musí se dodržovat zásady, které respektují jednak principy dodávky tepla do vytápěného prostoru a jednak fyzikální podstatu chování teplého vzduchu. Přímotopné plynové jednotky mají navíc tu výhodu, že obraz proudění vzduchu je během celé otopné sezony konstantní - regulace dodávky tepla odstavováním jednotek z provozu = přerušované vytápění.

1.01 Výpočtová část

Pro výpočet tepelných ztrát lze použít postup dle ČSN 060210 s následujícími úpravami:

Teplotní gradient

- pro výpočet tepelné ztráty střešního pláště a světlíků se musí uvažovat se stoupáním teploty vzduchu po výšce objektu g = 0,8 ÷ 1 K/m. Při dodržení násobnosti cirkulace dle tabulky č. 1 lze počítat s g = 0,4 ÷ 0,5 K/m. Do násobnosti cirkulace se započítává jak vzduchový výkon teplovzdušných jednotek, tak také "destratifikátorů", které se umísťují do teplé vrstvy vzduchu pod střešním pláštěm.

Zátopová přirážka

- teplovzdušné jednotky dosahují plného výkonu během krátké doby (10 ÷ 20 sec). Po provozních přestávkách dochází i k ochlazení stavebních konstrukcí a strojního zařízení, proto se volí zátopové přirážky ve výši:

1 směnný provoz - 1,2
2 směnný provoz - 1,15

Předpokladem je, že teplota vzduchu ve vytápěném prostrou při provozu "sporo" (provozní přestávka) bude tg_sporo = (tg_max - 5 K)

Infiltrace

- pro výpočet infiltrace se uvažuje venkovní výpočtová teplota

tev = (te - 8 K)

(°C)

(1)

1.02 Navrhování teplovzdušných jednotek

Hospodárné teplovzdušné vytápění pomocí malých teplovzdušných jednotek lze navrhovat maximálně do výšky haly H = 8 ÷ 10 m. Podstatný vliv na ekonomii provozu (výše teploty vzduchu pod střešním pláštěm) má jak již bylo řečeno násobnost cirkulace vzduchu ve vytápěném objektu. Nestačí tudíž pouze stanovit tepelné ztráty a podle nich určit výkon jednotek - z tepelného výkonu jednotky je odvozen i výkon vzduchový. Tento postup většinou znamená vytváření teplého polštáře pod střešním pláštěm a nedotápění v oblasti pobytu člověka.

Podstatou hospodárného návrhu je řešení cirkulace vzduchu ve vytápěné hale. Ovlivňuje ji jednak rozmístění jednotek a jednak druh použitých vyústek. Dalším doplňujícím prvkem pro naplnění požadavku násobnosti cirkulace jsou podstropní "destratifikátory".

VNITŘNÍ OBJEM HALY	NÁSOBNOST CIRKULACE Σ (jednotky + destratifikátory)
m3	x / hod.
1 000	5,0
2 000	4,5
3 000	4,0
4 000	3,5
6 000	3,0
8 000	2,5
10 000	2,0
10 000	1,5

Tabulka č. 1 - Požadované násobnosti cirkulace vzduchu

Různá konstrukce vyústky umožňuje zajistit odpovídající rozvrstvení vzduchu ve vytápěném prostoru. V článku použitým příkladem jsou jednotky GNS (s axiálním ventilátorem). Ty se instalují s vyústkami uvedenými na obr. č. 1. Při instalaci jednotky pod střešní plášť a přívod vzduchu dolů se použijí jednotky s radiálním ventilátorem (GNC), neboť stropní rozdělovač (obr. č. 2) má větší odpor, který axiální ventilátor nezvládne. Rozdílný typ vyústky závisí na výšce zavěšení jednotky, jejím výkonu a koncové rychlosti proudu vypouštěného vzduchu (v = 0,25 m/sec).

Obr. č. 1 - Vyústky pro instalaci na jednotky GNS s axiálním ventilátorem, 1-vyústka s vodorovnými lamelami, 2-vyústka se svislými lamelami, 4H-vyústka 2 x 45° s vodorovnými lamelami, 4V-vyústka 2 x 45° se svislými lamelami, 24-vyústka podstropní 45° bez lamel

Obr. č. 2 - Stropní rozdělovač 90° (6) pro instalaci na jednotky GNC s radiálním ventilátorem

Obr. č. 3 ukazuje společně s tabulkou č. 2 dosah proudu jednotek GNS (d₁). Jednotky s axiálním ventilátorem a s vyústkami 1; 2; 4H a 4V.

Obr. č. 3 - Dosah proudu jednotek GNS-radiální ventilátor - s vyústkami 1, 2, 4H, 4V

Obr. č. 4 - Dosah proudu jednotek GNS-radiální ventilátor s vyústkou 24

Obr. č. 4 společně s tabulkou č. 2 ukazuje dosah proudu jednotek GNS (d₂) s vyústkou typ 24.

			Vyústky 1; 2; 4H a 4V		Vyústka 24
Typ	Výkon	Průtok	hmax	d1	hmax	d2
	kW	m3/hod.	m	m	m	m
GNS 18	20,4	2 190	2,5	10	3,5	10
GNS 21	21,8	2 190	2,5	10	3,5	10
GNS 24	25,1	2 730	2,8	12	4,0	12
GNS 28	27,2	2 730	2,8	12	4,0	12
GNS 33	30,2	3 320	3,0	14	4,5	14
GNS 37	32,7	3 320	3,0	14	4,5	14
GNS 44	40,2	4 425	3,2	22	4,8	22
GNS 49	43,6	4 425	3,2	22	4,8	22
GNS 55	50,2	5 525	3,4	23	4,9	23
GNS 59	54,5	5 525	3,4	23	4,9	23
GNS 66	60,3	6 635	3,6	24	5,0	24
GNS 74	65,3	6 635	3,6	24	5,0	24
GNS 88	80,4	8 845	4,0	27	5,5	27
GNS 98	87,1	8 845	4,0	27	5,5	27

Tabulka č. 2 - Doporučená výška zavěšení a dosah proudu (orientační) jednotek GNS

Vyšší výška zavěšení (než uvádí tabulka) znamená tvorbu teplého polštáře pod střechou a nedotápění v pracovní oblasti. Pro vyšší haly a větší výšky zavěšení je zapotřebí použít jednotky s radiálním ventilátorem (GNC) a jejich umístění pod střešní plášť mezi vazníky.

Obr. č. 5 - Zóna zaplavení-jednotka GNC s radiálním ventilátorem a stropním rozdělovačem 90°

Obr. č. 6 - Minimální doporučený dosah proudu vzduchu

Stropní rozdělovač má tři nebo pět vyústek, na nichž záleží jakou plochu zaplaví proud přiváděného vzduchu. Obr. č. 5 a tabulka č. 3 uvádějí příslušné rozměry zaplavené vytápěné plochy v závislosti na výšce zavěšení.

	VÝKON	PRŮTOK	STROP. ROZDĚLOVAČ 90° (6), 5 ks VÝUSTEK OTEVŘENÝCH					STROP. ROZDĚLOVAČ 90° (6), 3 ks VÝUSTEK OTEVŘENÝCH
TYP			h=3m	h=4m	h=5m	h=6m	h=7m	h=3m	h=4m	h=5m	h=6m	h=7m
	kW	m3/h	l1 x b1					l2 x b2
GNC 18	20,4	2190	10x10					10x6
GNC 21	21,8	2410	10x10					10x6
GNC 24	25,1	2730	12x12	10x10				14x7	12x7	11x6	10x6
GNC 28	27,2	3005	13x13	11x11				16x7	14x7	13x6	12x6
GNC 33	30,2	3320	15x15	13x13	11x11			19x7	16x7	14x7	12x7	9x7
GNC 37	32,7	3650	16x16	14x14	12x12			26x7	18x7	16x7	14x7	11x7
GNC 44	40,2	4425	15x15	13x13	11x11			20x9	17x9	16x9	14x9	12x9
GNC 49	43,6	4865	16x16	14x14	12x12			24x9	21x9	19x9	17x9	15x9
GNC 55	50,2	5525	17x17	16x16	13x13			25x11	22x11	20x11	18x11	16x11
GNC 59	54,5	6080	17x17	16x16	13x13			26x11	23x11	21x11	19x11	17x11
GNC 66	60,3	6635	18x18	16x16	14x14	12x12		27x12	23x12	22x12	20x12	18x12
GNC 74	65,3	7295	19 x1 9	17x17	15x15	13x13		29x12	27x12	26x12	24x12	22x12
GNC 88	80,4	8845	19x19	17x17	15x15	13x13	12x12	38x15	36x15	34x15	32x15	31x15
GNC 98	87,1	9730	20x20	18x18	16x16	14x14	13x13	40x15	38x15	36x15	34x15	33x15

Tabulka č. 3 - Zóna zaplavení jednotek GNC se stropními rozdělovači vzduchu

Při rozmisťování jednotek hraje roli jednak dosah proudu (viz tab. č. 2 a tab. č. 3) a dále pak rozteče zavěšení. Není vždy možné instalovat takové jednotky, které zajistí úplné "propláchnutí" prostoru. Při teplovzdušném vytápění dochází k proudění vzduchu - sice o menší rychlosti - i ve vzdálenějších částech objektu, než se uvažuje výpočtem (v = 0,25 m/sec.), avšak způsobuje to zvýšení teplotního gradientu. Omezujícím kritériem je úvaha, kdy minimální dosah proudu dosahuje 2/3 šířky objektu (B), což postačuje pro dodávku tepelné energie v celé šířce (obr. č. 6, kde d₁ resp. d₂ = 2/3 B). Ve většině případů se však nedosáhne dostatečné násobnosti cirkulace, která snižuje teplotní gradient a odstraňuje teplý polštář vzduchu tvořící se pod střechou. Potom se do prostorů nad plochy, které jsou pod minimálním vlivem přívodních proudů teplého vzduchu z jednotek navrhují destratifikátory - obr. č. 7.

Velice důležité je volit vhodné rozteče zavěšení teplovzdušných jednotek. Z hlediska pořizovacích nákladů je výhodné použít menší počet větších jednotek. Tento požadavek však většinou vede k větším roztečím. Proto je zapotřebí volit takové technické řešení a to jak z hlediska samotné jednotky (volba vyústky), tak i jejich rozmístění ve vytápěném prostoru, které zajistí cirkulaci vzduchu v celém prostoru.

Obr. č. 7 - Zvýšení násobnosti cirkulace použitím destratifikátoru. Vhodné pouze při výšce haly h > 4m a bez vývinu škodlivin při výrobě

Obr. č. 8 - Doporučené rozteče zavěšení teplovzdušných jednotek

Obr. č. 8 ukazuje doporučené rozteče zavěšení. Spodní hranice (5 resp. 10 m) umožňuje používat vyústky typ 1; 2 a 24. Horní hranice (7 resp. 14 m) vyústky 4H a 4V. Stavební moduly objektů (m = 6 m) dávají možnost zavěšovat jednotky na sloupy. Zde pak dochází k jednotným roztečím (6 m - u okraje) - (12 m - mezi jednotkami). Jsou to rozměry právě uprostřed doporučených roztečí z obr. č. 8. V tomto případě se doporučuje volit vyústky 1; 2; 24 u hal širších a 4Ha a 4V u hal užších. Příklady rozmisťování teplovzdušných jednotek a destratifikátorů (ecoFan) ukazuje obr. č. 9.

Obr. č. 9 - Příklady rozmisťování teplovzdušných jednotek GNS (1) v kombinaci s destratifikátory

Za povšimnutí stojí situování destratifikátorů (ecoFanů). U širších hal, kde dosah proudu jednotky (při v_konc = 0,25 m/sec) je 2/3 B, pak lze tyto prvky umístit proti jednotce nad zónu, kde již je rychlost proudění malá. Vhodné je rovněž situování doprostřed haly mezi dvě protilehlé jednotky. Počet a jejich rozmístění je vždy potřeba volit tak, aby společně se vzduchovým výkonem jednotek zajišťovaly požadovanou násobnost cirkulace (viz tab. č. 1) vzduchu v prostoru. Splněním tohoto požadavku se podstatně snižuje teplotní gradient a tím i teplota vzduchu pod střešním pláštěm - zvyšuje se ekonomie vytápění.

U úzkých (a u nepříliš vysokých) hal a malých dílen s větší tepelnou ztrátou zpravidla není zapotřebí kombinace s restrifikátory, neboť vzduchový výkon jednotek odpovídá i potřebné násobnosti cirkulace - viz obr. č. 10.

Obr. č. 10 - Vytápění malých dílen teplovzdušnými jednotkami

2.00 Sortiment

Přímotopné plynové jednotky dodává na český a slovenský trh několik výrobců. Výkonové a konstrukční řešení se od sebe příliš neliší. Pro získání přehledu s jakými orientačními hodnotami lze při návrzích teplovzdušného vytápění uvažovat byly zvoleny anonymní prameny.

Přímotopné plynové jednotky se v podstatě vyrábějí ve dvou základních provedeních.

GNS - s jedním nebo dvěma (od velikosti 65) axiálními ventilátory. Použití pro teplovzdušné vytápění - nelze připojit vzduchovody na sání ani výtlak.

GNC - s jedním nebo dvěma (od velikosti 65) radiálními ventilátory. Na jednotky lze napojovat vzduchovody s tlakovou ztrátou dle obr. č. 11.

Obr. č. 11 - Provedení GNC - orientační stanovení příkonu motorů radiálních ventilátorů v kW v závislosti
na požadovaném externím statickém tlaku

Tabulka č. 4 - Technické údaje - provedení GNS / GNC - typ T; R; O
(po kliknutí se obrázek zvětší)

K externímu tlaku vzt. rozvodu je nutno připočítat i tlak. ztrátu filtru a klapky v sání a ztráta izolované skříně ventilátoru.

Napětí:

do příkonu	0,75 kW - 230 V, 50 Hz
nad příkon	0,75 kW - 3x230 V, 50 Hz
pro příkon	0,75 kW - lze volit 230 V nebo 3x230 V, 50 Hz

V mezních případech se zaokrouhluje příkon nahoru.

Technické údaje uvádí tab. č. 4

Podle způsobu odvodu spalin a přívodu spalovacího vzduchu se oba druhy jednotek vyrábějí ve třech variantách:

Obr. č. 12 - GNS, GNC - Nucený odvod spalin a přívod spalovacího vzduchu z venkovního prostředí - napojení shora - provedení T.
1-průchodka pro přívod plynu, 2-průchodka pro přívod elektro, 3-úchytky pro zavěšení 4 x M10-rozteč C=560mm

Obr. č. 13 - GNS, GNC - Nucený odvod spalin a přívod spalovacího vzduchu z venkovního prostředí - napojení zezadu - provedení R.
1-průchodka pro přívod plynu, 2-průchodka pro přívod elektro, 3-úchytky pro zavěšení 4 x M10-rozteč C=560mm

Obr. č. 14 - Odvod spalin přirozený - napojení shora. Přívod spalovacího vzduchu z vytápěného prostoru přes mřížku ve spodní části jednotky
- provedení 0. 1-průchodka pro přívod plynu, 2-průchodka pro přívod elektro, 3-úchytky pro zavěšení 4 x M10-rozteč C=560mm

TYP	A	B	C	D	E		V	L		M		G*	R
					TYP T,R	TYP O		TYP T	TYP R	TYP T	TYP R	TYP T,R	TYP O
18/21	340	594	365	714	1120	1140	120	72	84	276	240	80	150
24/28	405	659	430	779	1180	1180	120	72	84	276	240	80	150
33/37	470	724	495	844	1180	1180	120	72	84	276	240	80	200
44/49	600	854	625	974	1265	1265	120	72	84	276	240	80	200
55/59	730	984	775	1104	1265	1265	140	72	84	276	220	100	250
66/74	860	1114	885	1289	1180	1180	140	92	90	231	260	100	250
88/98	1120	1374	1145	1549	1265	1265	140	92	90	231	260	100	300

Tabulka č. 5 - Rozměry jednotek