Ventil 3 / 2024 • Letnik 30 168 MEHANSKO PREZRAČEVANJE 1 Uvod V današnjem svetu imamo z naraščajočimi zahte- vami in težnjami po višjem življenjskem standardu možnost bivanja v bivalnih prostorih, ki vključuje- jo sodobne in sofisticirane tehnologije. Ti napredki pomembno vplivajo na splošno kakovost našega bivanja v teh prostorih. Naše nenehno prizadevanje je izboljšati že obstoječe tehnologije, ki zagotavlja- jo izboljšano in obogateno izkušnjo uporabnikov. Uporaba in pravilno upravljanje s sodobnimi teh- nologijami bistveno vplivata na zdravje in počutje uporabnikov prostorov, predvsem pa na rabo ener- gije v stavbah. Kakovost zraka v notranjem okolju je eden od te- meljnih pogojev za zdravje in ugodje uporabnikov prostorov. V bivalne prostore mora vtekati svež zrak brez vonjav, koncentracij in škodljivih primesi [1]. Kakovost zraka v notranjem okolju zagotavljamo s prezračevanjem prostorov, torej z zamenjavo notranjega onesnaženega zraka s svežim zuna- njim zrakom. Nedvomno se na tej točki pojavi tudi vprašanje o potrebni toploti in strošku za ponovno ogrevanje zunanjega zraka, ki ga s pomočjo prezra- čevalnih sistemov dovajamo v prostor, zato da bi zagotovili ustrezno kakovost zraka in toplotno udo- bje v prostoru. V članku se osredotočamo na napovedovanje doda- tne potrebne toplote za dogrevanje vtočnega zraka že v fazi investicijskega projekta. S tem določamo referenčno rabo toplote za potrebe prezračevanja stavbe. Na podlagi relativnih tehničnih predpisov in standardov smo izdelali prototip računalniškega programa, ki omogoča napoved potrebne toplote za dogrevanje vtočnega zraka, ki bo temeljila na urnem spreminjanju temperatur zunanjega zraka in urniku obratovanja prezračevalne naprave. V real- nem okolju na izbrani stavbi smo izmerili parame- tre, ki vplivajo na potrebno toploto za dogrevanje vtočnega zraka. Na podlagi meritev in izračunanih rezultatov potrebne dodatne toplote smo naredili validacijo prototipa računalniškega programa ter numerično in grafično prikazali vključujoče para- metre in rezultate ter obrazložili vzroke za morebi- tna odstopanja. Gašper Brunskole, dipl. inž., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo; Ljupka Vrteva, mag. inž., Petrol, d. d., Ljubljana; izr. prof. dr. Uroš Stritih, univ. dipl. inž., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo n apoved Rabe toplotne eneRgije , potRebne za dogRevanje zRaka v mehanSkem pRezRačevalnem SiS temU Gašper Brunskole, Ljupka Vrteva, Uroš Stritih Izvleček: V tem članku predstavljamo izdelavo računalniškega programa za napovedovanje potrebne toplote za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu. Prikazan je postopek izdelave računalniškega programa, ki temelji na urnem spreminjanju temperature zunanjega zraka in urniku obratovanja prezrače- valne naprave. Pri izdelavi programa smo upoštevali zahteve relativnih tehničnih predpisov in standardov notranjega okolja. Na izbranem mehanskem prezračevalnem sistemu smo opravili meritve in izmerili pa- rametre, ki vplivajo na potrebno toploto za dogrevanje vtočnega zraka. Na podlagi meritev in izračuna- nih rezultatov potrebne dodatne toplote smo naredili validacijo prototipa računalniškega programa ter numerično in grafično prikazali razloge za morebitna odstopanja. Ugotovili smo, kateri parametri vplivajo na potrebno toploto za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu ter kako zagotavljamo toplotno ugodje v prostoru s čim manjšo rabo energije. Ključne besede: mehansko prezračevanje, meritve v realnem okolju, dogrevanje vtočnega zraka, računalniški program, va- lidacija računalniškega programa, napovedovanje dodatne potrebne toplote Ventil 3 / 2024 • Letnik 30 2 Mehansko prezračevanje stavbe Temperatura zraka v prezračevalni coni in tempera- tura zraka, ki vteka (ga vpihujemo) v prostor, obi- čajno nista enaki, zato je v skladu z energijskimi zahtevami in v odvisnosti od namembnosti prostora definirana notranja temperatura zraka v bivalni coni. V prostor vteka svež zrak z določeno temperaturo, ki ga zagotavlja prezračevalni sistem. Vedno stremimo k energijski učinkovitosti, da je energija, potrebna za ogrevanje ali hlajenje vtočnega zraka, čim manj- ša oziroma enaka nič. To pomeni, da je temperatura vtočnega zraka enaka temperaturi zraka v prezrače- valni coni ali malo nižja od nje (razlika v temperaturi med vtočnim zrakom in zrakom v prezračevalni coni majhna, običajno v razponu nekaj stopinj Celzija). Mehansko prezračevanje temelji na principu nadtlač- nega toka zraka v prostor, ki povzroča gibanje zra- ka v prezračevalni coni. Na takšen način se zagotovi ustrezna zamenjava zraka v prezračevalni coni v od- visnosti od namembnosti prostora. Če je temperatu- ra zunanjega zraka višja od načrtovane temperature vtočnega zraka v prezračevalni coni, se vtočni zrak preko hladilnega elementa sistema termodinamič- no obdeluje in ohladi na želeno temperaturo. Če je temperatura zunanjega zraka nižja od načrtovane temperature vtočnega zraka v prezračevalni coni, se vtočni zrak, ki prehaja skozi sistem, termodinamično obdeluje in segreje na želeno temperaturo s pomo- čjo grelne enote oziroma lamelnega prenosnika to- plote. Odtočni zrak odteče iz bivalne prezračevalne cone in se zavrže v atmosfero. Del odtočnega zraka, ki zapušča sistem, je mogoče vrniti v sistem. Na sliki 1 je poenostavljen prikaz sistema mehan- skega prezračevanja, ki vključuje kanalske dovode in odvode. 2.1 Mehansko prezračevanje z izkorišča- njem zavržene toplote Izkoriščanje toplote zavrženega zraka za mehansko prezračevanje je nujna in zelo učinkovita tehnologi- ja, ki je bistvenega pomena pri današnjih prizadeva- njih za varčevanje z energijo. Za doseganje želene temperature in toplotnega ugodja v stavbi je po- gosto potrebno prostore ogrevati ali hladiti. Svež zunanji zrak, ki ga dovajamo v prostore stavbe, mo- ramo pogosto najprej segreti ali ohladiti na želeno temperaturo in s tem zagotoviti toplotno ugodje v prostoru. Pri termodinamični obdelavi zunanjega zraka, ki ga dovajamo v prostor stavbe, je treba v sistem dovesti energijo. Zavrženi zrak oziroma od- točni zrak, ki zapušča prostor, ima temperaturni nivo, ki se lahko izkoristi za dogrevanje vtočnega zraka, če je temperatura zunanjega svežega zraka nižja od želene temperature vtočnega zraka v pro- storu. Za ta namen se uporabljajo prenosniki toplo- te, ki lahko prenesejo le toploto ali hkrati tudi vlago. Z uporabo mehanskih prezračevalnih sistemov, ki omogočajo izkoriščanje zavržene toplote, se zago- tavljata svež zrak in ugodje v prostoru ter zmanj- šajo obratovalni stroški za prezračevanje stavbe. S pomočjo mehanskega prezračevanja in z izkorišča- njem zavržene toplote iz zračnih tokov, ki zapušča- jo prostor, se zagotavljata minimalna izguba toplo- te in nižja raba energije za prezračevanje stavbe. Posledično se zmanjšajo tudi emisije v okolje. Mehansko prezračevanje zagotavlja avtomatizirano in kontrolirano zamenjavo zračnih tokov v prostorih stavbe. Tako se doseže stalna zamenjava zraka ne- odvisno od zunanjih vremenskih pogojev [3]. Naj- bolj uporabljana prenosnika toplote za izkoriščanje zavržene toplote v klimatski tehniki sta rekuperator in regenerator toplote.   3 Izdelava računalniškega programa za napovedovanje potrebne toplote za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu V idejni zasnovi projekta smo opazili pomanjkljivo- sti pri izračunu prihrankov energije in dejanski rabi dodatne toplote za dogrevanje vtočnega zraka. Iz- koristimo eksergijo zavržene toplote. V ta namen MEHANSKO PREZRAČEVANJE 169 Slika 1 : Poenostavljen shematski prikaz mehanskega prezračevanja [2] Ventil 3 / 2024 • Letnik 30 170 MEHANSKO PREZRAČEVANJE smo izdelali (prototip) računalniškega programa v Excelu za izračun potrebne dodatne toplote za do- grevanje vtočnega zraka. Program se osredotoča na urne spremembe temperature zraka, odvisno od lokacije stavbe in predvidenega urnika obratovanja prezračevalnih naprav. Pri izdelavi programa smo upoštevali tehnične predpise in standarde. 3.1 Splošni podatki o stavbi Splošni podatki o stavbi so pomembni za klasifika- cijo stavbe in povezovanje s pravilnikom o prezračevanju in klimatizaciji stavb [5], ki oprede- ljuje kakovost zraka in toplotno ugodje v prostoru. K osnovnim podatkom o stavbi štejemo:  naslov stavbe (ime obravnavane stavbe),  lokacijo obravnavane stavbe (geografske koor- dinate stavbe, pomembne za določanje zuna- njih klimatskih pogojev),  vrsta oziroma namen obravnavane stavbe, v ka- tero je vgrajen mehanski prezračevalni sistem – je podatek, ki je povezan s predpisanim preto- kom svežega zraka v prostoru. 3.2 Vhodni podatki Z vhodnimi podatki smo definirali obravnavani pro- stor in zahtevano toplotno okolje v obravnavanem prostoru. Na podlagi definiranih robnih pogojev je potekal izračun potrebne toplote za dogrevanje zraka po izkoriščanju zavržene toplote v mehan- skem prezračevalnem sistemu. Za bolj natančen izračun smo morali definirati tudi čas obratovanja mehanskega prezračevalnega sistema. K vhodnim podatkom štejemo:  temperaturo notranjega zraka,  temperaturo vtočnega zraka,  podatke o prostoru in potrebnem toku zraka v prostor,  obratovalne ure mehanskega prezračevalnega sistema,  temperaturo zunanjega zraka. 3.3 Potek izdelave računalniškega programa Računalniški program mora biti izdelan tako, da av- tomatsko bere postavljene robne pogoje za obravnavano stavbo. Najprej smo definirali obdobje, za katero so bile upoštevane zunanje temperature zraka. Če smo upoštevali povprečje temperatur zunanjega zraka za več let, smo definirali referenčno leto, za katero so bili definirani datumi in ure za vsak dan posebej. Po definiranju obdobja, na podlagi katerega smo iz- vedli izračun, smo določili prvi dan v tem obdobju in nato povezali vsak datum z dnevom, ki sledi. Za boljšo predstavitev ozadja računalniškega pro- grama in principa delovanja ter branja robnih pogo- jev smo algoritem programa prikazali z diagramom poteka, ki je prikazan na sliki 2. V prvem koraku program določi datum in uro ter preveri, ali mehanski prezračevalni sistem v tistem trenutku obratuje glede na nastavljene delovne robne pogoje. Če sistem ne obratuje, se proces za- ključi. V nasprotnem primeru se nadaljuje v nasle- dnji korak, kjer preveri, ali je temperatura zunanjega zraka nižja od nastavljene temperature vtočnega zraka. Če ta pogoj ni izpolnjen, se proces konča. Če je pogoj izpolnjen, se proces nadaljuje s tremi na- slednjimi koraki: izračun temperaturne učinkovito- sti regeneratorja na podlagi spremembe tempera- tur zunanjega zraka, izračun temperature vtočnega zraka po izkoriščanju zavržene toplote in izračun temperature zavrženega zraka. Nato se preveri nov pogoj: ali je temperatura zraka po izkoriščanju zavr- žene toplote višja ali enaka nastavljeni temperaturi vtočnega zraka. Če pogoj ni izpolnjen, se izračunata le maksimalna senzibilna toplota in potrebna toplo- ta za dogrevanje zraka brez izkoriščanja zavržene toplote, nato se proces konča. Če je pogoj izpol- njen, se izračunajo potrebna toplota za dogrevanje zraka po izkoriščanju zavržene toplote, maksimalna senzibilna toplota in potrebna toplota za dogreva- nje zraka brez izkoriščanja zavržene toplote, nato se proces zaključi. Slika 2 : Predstavitev algoritma z diagramom poteka Ventil 3 / 2024 • Letnik 30 Koraki pri izdelavi programa:  Določitev tipa urnika v odvisnosti od dneva v tednu Pri izdelavi računalniškega programa je bil prvi ko- rak povezovanje dneva v tednu z že določenimi robnimi pogoji glede urnikov. Računalniški program je identificiral tip urnika za vsak dan in izpisal števil- ko urnika obratovanja mehanskega prezračevalne- ga sistema za določeno časovno obdobje.  Določitev časa delovanja mehanskega prezra- čevalnega sistema Računalniški program za mehansko prezračevanje je po določitvi urnika obratovanja sistema dnev- no moral prebrati ure obratovanja za vsak mesec. Program upošteva definirane urne robne pogoje za vsak tip urnika, izpisuje, ali je sistem obratoval, ter preneha z računanjem, če sistem ni obratoval, pri čemer je bil rezultat enak nič.  Definir anje par ametr o v Na sliki 3 je prikazan mehanski prezračevalni sis- tem s prenosnikom toplote zrak-zrak za izkorišča- nje zavržene toplote ter z vstopnimi in izstopnimi zračnimi tokovi. Prikazane so oznake zračnih tokov na vstopu in izstopu iz prenosnika toplote zrak- -zrak ter oznaka lamelnega prenosnika toplote, ki dogreva svež zunanji zrak pred vstopom v prostor. Vsi parametri, prikazani na sliki 3, so bili uporablje- ni za izračun potrebne toplote za dogrevanje zraka po izkoriščanju zavržene toplote. Definirali smo po- tek izračuna temperaturne učinkovitosti prenosni- ka toplote zrak-zrak. Posledično smo definirali tudi postopek izračuna temperature vtočnega zraka in zavrženega zraka. Na sliki 4 je prikazan shematski prikaz mehanske- ga prezračevalnega sistema s prenosnikom toplo- te za izkoriščanje zavržene toplote. Z rdečo barvo so označene temperatura zunanjega zraka, tem- peratura zraka po izkoriščanju zavržene toplote in temperatura vtočnega zraka. Z modro barvo sta označeni dve temperaturi, in sicer temperatura no- tranjega zraka in temperatura zavrženega zraka. Na dovodni in na odvodni strani prezračevalnega sistema je vgrajen ventilator za zagotavljanje po- trebnega pretoka zraka. Na dovodni strani prezra- čevalnega sistema je vgrajen tudi lamelni prenosnik toplote za dogrevanje vtočnega zraka po izkorišča- nju zavržene toplote, če je to potrebno.  Gostota zraka in specifična toplota zraka Gostota zraka in specifična toplota zraka sta se MEHANSKO PREZRAČEVANJE 171 Slika 4 : Shematski pri- kaz mehanskega pre- zračevalnega sistema z izkoriščanjem zavržene toplote Slika 3 : Prikaz mehan- skega prezračevalnega sistema s prenosnikom toplote za izkoriščanje zavržene toplote Ventil 3 / 2024 • Letnik 30 172 MEHANSKO PREZRAČEVANJE spreminjali s temperaturo zraka, kar je vplivalo na prenos toplote med zavrženim in svežim zrakom v prezračevalnem sistemu. Te lastnosti smo določili s pomočjo interpolacije na podlagi znanih vrednosti gostote in specifične toplote zraka za različne tem- perature.  Izračun temperaturne učinkovitosti prenosnika toplote zrak-zrak T emperaturna učinkovitost prenosnika toplote zrak- -zrak smo lahko določili na podlagi matematičnega modela. Temperaturna učinkovitost prenosnika to- plote se je spreminjal s spreminjanjem temperature zunanjega zraka. Izračun smo ponovili za vsako uro, za katero je bil postavljen robni pogoj, da mehanski prezračevalni sistem obratuje.  Izračun maksimalne senzibilne toplote v času obratovanja mehanskega prezračevalnega sis- tema Prvi pogoj za izračun maksimalne senzibilne toplo- te je obratovanje prezračevalnega sistema in tem- peratura zunanjega zraka, ki morata biti nižja kot nastavljena temperatura vtočnega zraka v prostoru stavbe. Če sta oba pogoja izpolnjena, računalniški program izračuna maksimalno senzibilno toploto v času obratovanja prezračevalnega sistema, v na- sprotnem primeru se rezultat ne izpiše.  Izračun temperature zavrženega zraka Pogoj pri računanju temperature zavrženega zraka je bil podani robni pogoj za obratovanje mehanske- ga prezračevalnega sistema. Če je prezračevalni sis- tem obratoval in če je bila temperatura zunanjega zraka nižja od načrtovane temperature vtočnega zraka v prostoru, se je proces nadaljeval in sledil je izpis rezultata o izračunani temperaturi zavrženega zraka. V nasprotnem primeru se rezultat tempera- ture zavrženega zraka ni izpisal.  Izračun temperature zraka po izkoriščanju zavr- žene toplote Prvi pogoj pri izračunu temperature vtočnega zra- ka po rekuperaciji ali regeneraciji toplote je bil, da prezračevalni sistem obratuje. Nato je sledilo pre- verjanje temperature zunanjega zraka ob določeni uri, ki je morala biti nižja od načrtovane temperatu- re vtočnega zraka v prostoru stavbe. Če so bili vsi pogoji zagotovljeni, se je proces nadaljeval in sledil je izpis rezultata o izračunani temperaturi vtočnega zraka po izkoriščanju zavržene toplote.  Izračun toplote za ogrevanje zunanjega zraka na želeni temperaturi vtočnega zraka v času obra- tovanja mehanskega prezračevalnega sistema Če je mehanski prezračevalni sistem obratoval brez rekuperativne ali regenerativne enote, se je lahko iz- računala skupna potrebna toplota za ogrevanje zu- nanjega zraka na želeni temperaturi vtočnega zraka. To pomeni, da smo kot pogoj vzeli obratovanje pre- zračevalnega sistema in robni pogoj, da je bila tem- peratura zunanjega zraka nižja od načrtovane tem- perature vtočnega zraka. V tem primeru se zavržena toplota ne izkorišča, ampak se zunanji zrak dogreva s pomočjo lamelnega prenosnika toplote za dogre- vanje zraka. Če sta bila oba pogoja izpolnjena, je računalniški program določil urno vrednost toplote za ogrevanje zunanjega zraka na želeni temperaturi vtočnega zraka v prostoru stavbe.  Izračun potrebne toplote za dogrevanje zraka po izkoriščanju zavržene toplote Pri računanju potrebne toplote za dogrevanje zraka po izkoriščanju zavržene toplote so veljali isti po- goji kot v prejšnjih primerih. Prvi pogoj je bil, da je prezračevalni sistem obratoval, drugi pogoj, da je bila temperatura zunanjega zraka nižja kot načrto- vana vtočna temperatura v prostoru stavbe, in tretji pogoj, da je bila temperatura zraka po izkoriščanju zavržene toplote višja od načrtovane temperature vtočnega zraka ali enaka tej temperaturi. Nato smo izračunali potrebno toploto za dogrevanje zraka po izkoriščanju zavržene toplote. Če so bili vsi pogoji izpolnjeni, je računalniški program izračunal toploto za dogrevanje zraka v določenem času obratovanja mehanskega prezračevalnega sistema. 3.4 Validacija računalniškega programa Izdelani računalniški program za napovedovanje po- trebne toplote za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu se uporablja za vse vrste rekuperatorjev in regeneratorjev toplote, in sicer ne- odvisno od tega, kje se nahaja obravnavana stavba. Z upoštevanjem urnega spreminjanja temperature zunanjega zraka in s pravilnim nastavljanjem obra- tovalnih ur prezračevalnega sistema v odvisnosti od namembnosti prostora se približamo realni rabi energije stavbe. Za kalibracijo računalniškega pro- grama je smiselno narediti več meritev na različnih mehanskih prezračevalnih sistemih z različnimi tipi prenosnikov toplote zrak-zrak. Po opravljenih meri- tvah bi bilo treba postaviti matematični model apro- ksimacije meritev za vsak mehanski prezračevalni sistem, ki bo izražen s trendno črto in enačbo. Po postavitvi matematičnega modela aproksimacije meritev za vsak mehanski prezračevalni sistem je ključnega pomena izvedba postopka validacije, ki potrdi skladnost rezultatov programa z dejanskimi meritvami ter zagotavlja njegovo zanesljivost in na- tančnost pri napovedovanju potrebne toplote za do- grevanje zraka v različnih obratovalnih pogojih. Po uspešni validaciji računalniški program omogoča na- tančno optimizacijo delovanja prezračevalnega sis- tema glede na specifične zahteve stavbe, kar prispe- va k energetski učinkovitosti in udobju uporabnikov. 3.4.1 Podatki o izbrani stavbi Najprej smo definirali parametre, povezane z izbra- no stavbo, ki se prezračuje z mehanskim prezrače- valnim sistemom z vgrajenim prenosnikom toplote zrak-zrak. Ventil 3 / 2024 • Letnik 30  Vhodni podatki o izbrani stavbi V računalniškem programu smo določili vhodne podatke glede na izbrani mehanski prezračevalni sistem ter upoštevali predpisane standarde o no- tranjem okolju. Glede na to, da je obravnavani objekt športna dvo- rana, smo upoštevali drugo kategorijo prostora in minimalno dovoljeno temperaturo notranjega zra- ka 16 °C ter maksimalno temperaturo zraka 25 °C. Upoštevali smo, da se v prostor vpihuje zrak s tem- peraturo 19 °C. Ko je bila temperatura zunanjega zraka enaka kot nastavljena temperatura vtočnega zraka, je potekala le zamenjava zraka. Za določitev priporočene temperature notranjega zraka smo na podlagi zunanje temperature zraka odčitali pripo- ročeno temperaturo notranjega zraka, ki je znašala 21,3 °C. Na sliki 5 so prikazani vpisani robni pogoji o načr- tovani temperaturi notranjega zraka in načrtovani temperaturi vtočnega zraka v prostor.  Podatki o izbranem prostoru, potrebnem pre- toku zraka in urniku obratovanja mehanskega prezračevalnega sistema Za primer smo vzeli mehanski prezračevalni sis- tem, ki že obratuje in se nadzoruje ter uporablja za prezračevanje športne dvorane v Osnovni šoli Maj- šperk. Pretok zraka na dovodni in odvodni strani je 12.500 m3/h, kar zadostuje potrebam po kakovosti zraka, če je v prostoru maksimalno 357 uporabni- kov in če ne upoštevamo drugih onesnaževal, kot je predpisano v pravilniku za prezračevanje in kli- matizacijo stavb. Urnik prezračevalne naprave je nastavljen tako, da prezračevalna naprava obratuje med tednom, in sicer od 5. ure do 20. ure. Med vi- kendom, ob praznikih in počitnicah prezračevalna naprava ne obratuje. Glede na to, da hočemo pri- merjati izračunano načrtovano potrebno toploto za dogrevanje zraka s pomočjo računalniškega pro- grama in dejansko potrebno toploto za dogrevanje zraka v realnem okolju, smo upoštevali vse praznike in počitnice v tem času. S tipom urnika ena smo definirali, da prezračevalni sistem obratuje od 5. ure do 20. ure, s tipom urnika dva smo definirali, da pre- zračevalni sistem ne obratuje. Tip urnika ena smo nastavili za pet dni v tednu, in sicer od ponedeljka do petka, tip urnika dva pa za vse sobote in nedelje, praznike in počitnice. Na sliki 6 so prikazani vpisani robni pogoji o izbra- nem prostoru in izračunan pretok zraka, potreben za prezračevanje športne dvorane.  Temperatura zunanjega zraka na območju obravnavane stavbe Temperatura zunanjega zraka se urno spreminja, MEHANSKO PREZRAČEVANJE 173 Slika 5 : Vpisani robni pogoji o načrtovani temperaturi notranjega zraka in vpihanega zraka Slika 6 : Vpisani robni pogoji o izbranem prostoru in izračunan pretok zraka, potreben za prezračevanje špor- tne dvorane Slika 7 : Izbrana meteorološka postaja, označena z rdečo piko [4] Ventil 3 / 2024 • Letnik 30 174 MEHANSKO PREZRAČEVANJE zato je bilo pri načrtovanju mehanskega prezrače- vanja stavbe primerno uporabiti urno metodo raču- nanja, kajti tako smo dobili bolj natančne rezultate za vsako uro v letu v odvisnosti od variacije tempe- rature zunanjega zraka. Urne podatke o tempera- turi zunanjega zraka smo odčitali na spletni strani Agencije Republike Slovenije za okolje (ARSO), in sicer za najbližjo izbrano meteorološko postajo Ed- varda Rusjana Maribor na nadmorski višini 264 m. Na sliki 7 je z rdečo piko označena izbrana meteo- rološka postaja, iz katere smo pridobili urne meseč- ne podatke o temperaturi zunanjega zraka za leto 2023. Po nastavljanju vseh robnih pogojev računalniški program naredi napoved potrebne toplote za do- grevanje zraka za obravnavani mehanski prezrače- valni sistem. 4 Rezultati Prikazali smo postopek izdelave računalniškega programa za napoved toplote za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu. Obravnavali smo sistem prezračevanja z vgrajenim regenerator- jem, ki se uporablja za izkoriščanje zavržene toplo- te. Napovedovanje potrebne toplote za dogrevanje vtočnega zraka smo izvedli za obdobje enega leta, za katero so bili zajeti podatki meritev v realnem okolju. Izdelani računalniški program smo testirali tako, da smo naredili primerjavo med rezultati, prido- bljenimi s pomočjo računalniškega programa, in dejanskimi vrednostmi v realnem okolju. Zaradi morebitnih odstopanj med napovedano potrebno toploto za dogrevanje zraka s pomočjo prototipa računalniškega programa in dejansko potrebno toploto za dogrevanje vtočnega zraka v realnem okolju smo primerjali več parametrov, ki so direk- tno vplivali na končni rezultat in razliko v toplo- ti. Pri napovedi potrebne toplote za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu in v realnem okolju smo uporabili urno metodo raču- nanja. V tem poglavju bomo prikazali rezultate pri uporabi računalniškega programa za prvi delovni dan v letu 2023. 4.1 Rezultati izračunane temperaturne učinkovitosti regeneratorja V računalniškem programu smo temperaturo zraka po izkoriščanju zavržene toplote računali na pod- lagi temperaturne učinkovitosti regeneratorja, tem- perature zunanjega zraka in temperature notranje- ga zraka. V realnem okolju nismo imeli podatkov o temperaturni učinkovitosti regeneratorja, zato smo to temperaturo računali na podlagi prenesene to- plote z lamelnega prenosnika toplote. Podatki izračuna povprečnih mesečnih tempera- turnih učinkovitosti regeneratorja v računalniškem programu in v realnem okolju so prikazani v pre- glednica 1. Za boljšo analizo in razumevanje spreminjanja izra- čunane temperaturne učinkovitosti regeneratorja v obravnavanem letu 2023 smo izračunali povprečne mesečne temperaturne učinkovitosti regeneratorja s pomočjo računalniškega programa in v realnem okolju ter jih prikazali v dveh diagramih, ki sesta- vljata sliko 8. Preglednica 1 : Izračunane povprečne mesečne temperaturne učinkovitosti regeneratorja v letu 2023 Mesec Temperaturna učinkovitost regeneratorja (Računalniški program) η r ( ϑ out ) [%] Temperaturna učinkovitost regeneratorja (Realno okolje) η r [%] Januar 61 58 Februar 62 46 Marec 58 44 April 57 49 Maj 55 63 Junij 54 63 Julij 0 0 Avgust 0 0 September 56 54 Oktober 57 56 November 62 65 December 62 65 Ventil 3 / 2024 • Letnik 30 S slike 8 razberemo, da potek povprečne mesečne temperaturne učinkovitosti regeneratorja skozi leto ni enaka v primeru računanja s pomočjo računalni- škega programa in v realnem okolju. Do odstopanja pride, ker se je v realnem okolju temperatura zuna- njega zraka spreminjala, hkrati pa se je spreminjala tudi temperatura notranjega zraka. Obe temperatu- ri sta močno vplivali na temperaturno učinkovitost regeneratorja. V primeru računanja z računalniškim programom se spreminja le temperatura zunanjega zraka, saj smo predpostavili, da se temperatura no- tranjega zraka vzdržuje konstantno na enaki načr- tovani temperaturi. S povišanjem temperature notranjega zraka pri isti zunanji temperaturi zraka se temperaturno učin- kovitost regeneratorja zmanjša; če se temperatura notranjega zraka zniža, se učinkovitost regenera- torja poviša. Največje odstopanje med rezultati je februarja, marca in aprila, saj je bila v tem obdobju v realnem okolju povprečna razlika v temperaturi notranjega in zunanjega zraka višja kot v primeru računanja z računalniškim programom. V obeh di- agramih v juliju in avgustu je temperaturna učinko- vitost regeneratorja enak nič, ker v tem obdobju ni bilo potrebe po izkoriščanju zavržene toplote ozi- roma mehanski prezračevalni sistem ni obratoval. Povprečna letna temperaturna učinkovitost rege- neratorja, izračunana s pomočjo računalniškega programa, je 60 [%], v realnem okolju je pa ta tem- peraturna učinkovitost 56 [%]. 4.2 Rezultati izračunanih temperatur zraka po izkoriščanju zavržene toplote V računalniškem programu smo uporabili tempera- turno učinkovitost regeneratorja, temperaturo zu- nanjega in notranjega zraka za izračun temperature zraka po izkoriščanju zavržene toplote. Podatki izračunanih povprečnih mesečnih tempe- ratur zraka po izkoriščanju zavržene toplote v raču- nalniškem programu in v realnem okolju so prikaza- ni v preglednici 2.   Za boljšo analizo in razumevanje spreminjanja izra- čunanih temperatur zraka po izkoriščanju zavržene toplote v obravnavanem letu 2023 smo izračunali povprečne mesečne temperature zraka po izkori- ščanju zavržene toplote z računalniškim progra- mom in v realnem okolju ter jih prikazali v dveh di- agramih, ki sestavljata sliko 9. S slike 9 razberemo, da je največje odstopanje med povprečnimi mesečnimi temperaturami zraka v zimskem času, in sicer v januarju in februarju, ter v poletnem času v maju in juniju. Odstopanj izračuna- nih temperatur zraka ne pripisujemo le konstantni temperaturi notranjega zraka, temveč tudi tempe- raturne učinkovitosti regeneratorja. V zimskem času pride do odstopanja med izračunanimi temperatu- rami zraka, ker je pri računanju z računalniškim pro- gramom upoštevana konstantna temperatura no- tranjega zraka, ki je bila 21,3 ºC, v realnem okolju pa je bila temperatura notranjega zraka dokaj nizka, in sicer približno 18 ºC. Glede na to, da je bila povpreč- MEHANSKO PREZRAČEVANJE 175 Slika 8 : (a) Izračunani mesečni povprečni temperaturni učinkovitosti regeneratorja s pomočjo računalniškega programa. (b) Izračunani mesečni povprečni temperaturni učinkovitosti regeneratorja v realnem okolju. Ventil 3 / 2024 • Letnik 30 176 MEHANSKO PREZRAČEVANJE na mesečna temperaturna učinkovitost regenerator- ja višja v primeru računanja s pomočjo programa, je bila tudi temperatura zraka po izkoriščanju zavržene toplote višja. Pri računanju v realnem primeru je bila povprečna mesečna temperaturna učinkovitost niž- ja; posledično je bila nižja tudi temperatura zraka po izkoriščanju zavržene toplote. V poletnem času pride do odstopanja med izra- čunanimi temperaturami zraka, ker je v računal- niškem programu definirana maksimalna tempe- ratura vtočnega zraka v prostoru, ki ima vrednost 19 ºC. To pomeni, da mehanski prezračevalni sis- tem ni obratoval, če je bila temperatura zunanjega zraka višja od načrtovane temperature vtočnega zraka. V realnem okolju temperatura vtočnega zra- ka ni bila definirana, zato je mehanski prezračeval- ni sistem obratoval tudi pri višjih zunanjih tempe- raturah zraka. Na obeh diagramih na sliki 9 v juliju in avgustu je temperatura zraka po izkoriščanju zavržene toplote enaka nič, ker v tem obdobju mehanski prezrače- valni sistem ni obratoval. Preglednica 2 : Izračunane povprečne mesečne temperature zraka po izkoriščanju zavržene toplote Datum in čas Temperatura zraka po izkoriščanju zavržene toplote (Računalniški program) ϑ v,rp [°C] Temperatura zraka po izkoriščanju zavržene toplote (Realno okolje) ϑ v,ro [°C] Januar 11,1 8,0 Februar 14,4 12,0 Marec 16,7 16,0 April 17,3 17,0 Maj 18,2 21,0 Junij 18,7 22,0 Julij 0 0 Avgust 0 0 September 18,0 18,0 Oktober 17,4 17,0 November 15,0 15,0 December 14,0 14,0 Slika 9 : (a) Izračunane mesečne povprečne temperaturne zraka po izkoriščanju zavržene toplote z računalni- škim programom (b) Izračunane mesečne povprečne temperaturne zraka po izkoriščanju zavržene toplote v realnem okolju. Ventil 3 / 2024 • Letnik 30 MEHANSKO PREZRAČEVANJE 177 4.3 Rezultati izračunanih temperatur zavrženega zraka V računalniškem programu smo temperaturo za- vrženega zraka računali na podlagi temperaturne učinkovitosti regeneratorja, temperature zunanjega zraka in temperature notranjega zraka. Podatki o izračunanih povprečnih mesečnih tempe- raturah zavrženega zraka v računalniškem progra- mu in v realnem okolju so prikazani v preglednici 3. Za boljšo analizo in razumevanje spreminjanja izra- čunanih temperatur zavrženega zraka za obravna- vano leto 2023 smo izračunali povprečne mesečne temperature zavrženega zraka z računalniškim pro- gramom in v realnem okolju ter jih prikazali v dveh diagramih, ki sestavljata sliko 10. S slike 10 razberemo, da je največje odstopanje med povprečnimi mesečnimi temperaturami zavrženega zraka v zimskem času, in sicer februarja, ter v po- letnem času v juniju. Odstopanja izračunanih tem- Preglednica 3 : Izračunane povprečne mesečne temperature zavrženega zraka v letu 2023 Datum in čas Temperatura zavrženega zraka (Računalniški program) ϑ ext,rp [°C] Temperatura zavrženega zraka (Realno okolje) ϑ ext,ro [°C] Januar 5,9 5,7 Februar 10,1 12,0 Marec 14,4 15,9 April 15,5 16,3 Maj 17,2 18,5 Junij 18,1 19,9 Julij 0 0 Avgust 0 0 September 17 17,0 Oktober 15,9 15,0 November 11,3 10 December 9,1 8,2 Slika 10 : (a) Izračunane mesečne povprečne temperature zavrženega zraka z računalniškim programom (b) Izračunane mesečne povprečne temperature zavrženega zraka v realnem okolju. Ventil 3 / 2024 • Letnik 30 178 MEHANSKO PREZRAČEVANJE peratur zraka ne pripisujemo le konstantni tempe- raturi notranjega zraka, temveč tudi temperaturni učinkovitosti regeneratorja. Pri manjši temperaturni razliki med temperaturo notranjega zraka in zuna- njega zraka je temperatura zavrženega zraka višja. V zimskem času je prišlo do odstopanja med tem- peraturami zavrženega zraka, ker je bila v realnem okolju temperaturna učinkovitost regeneratorja niž- ja od temperaturne učinkovitosti regeneratorja, iz- računanega s pomočjo računalniškega programa. V poletnem času je prišlo do odstopanja med tempe- raturami zavrženega zraka, ker je v računalniškem programu definirana maksimalna temperatura vtoč- nega zraka. Posledično se je temperaturna učinkovi- tost regeneratorja znižala. V realnem okolju tempera- tura vtočnega zraka ni bila definirana in je mehanski prezračevalni sistem obratoval tudi pri višjih zunanjih temperaturah zraka. Posledično se je povečala tudi temperaturna učinkovitost regeneratorja. 4.4 Rezultati izračunane potrebne toplote za dogrevanje zraka brez izkoriščanja zavržene toplote Pri obravnavanju mehanskega prezračevalnega sis- tema je smiselno določiti, kakšna je potrebna toplo- ta za ogrevanje zraka, če bi mehanski prezračevalni sistem obratoval brez izkoriščanja zavržene toplo- te. Ta toplota je odvisna od fizikalnih lastnosti zraka in pretoka zraka v določenem času. Prav tako nanjo vpliva tudi razlika med temperaturo vročega in zu- nanjega zraka. Skupni izračunani potrebni toploti za ogrevanje zraka brez izkoriščanja zavržene toplote v prime- ru uporabe računalniškega programa in v realnem okolju sta prikazani v diagramu na sliki 11. Iz dia- grama je razvidno, da je potrebna toplota za ogre- vanje zraka, izračunana s pomočjo računalniškega programa, višja od izračunane toplote v realnem okolju. To razliko pripisujemo definirani konstantni temperaturi vtočnega zraka v računalniškem pro- gramu. V realnem okolju je temperatura vtočnega zraka nihala in bila nižja od načrtovane temperature vtočnega zraka v računalniškem programu. 4.5 Rezultati napovedane in izračunane potrebne toplote za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu S pomočjo računalniškega programa smo naredi- li napoved potrebne toplote za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu, v realnem okolju pa smo to toploto izračunali na podlagi zna- ne karakteristike lamelnega prenosnika toplote. Skupni izračunani potrebni toploti za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu v pri- meru uporabe računalniškega programa in v real- nem okolju sta prikazani v diagramu na sliki 12. Iz diagrama na sliki 12 je razvidno, da je potrebna toplota za ogrevanje zraka, izračunana s pomočjo računalniškega programa, višja od izračunane to- plote v realnem okolju. To razliko pripisujemo de- finirani konstantni temperaturi vtočnega in notra- njega zraka v računalniškem programu. S pomočjo definirane temperature vtočnega in notranjega zraka ter vzdrževanja teh temperatur zagotavljamo boljše toplotno ugodje in manjšo število nezado- voljnih v prostoru. V realnem okolju sta temperaturi vtočnega in notranjega zraka nihali. Posledično v določenem obdobju ni bilo zagotovljeno toplotno ugodje v prostoru, kar je vodilo do večjega števila nezadovoljnih v prostoru. V preglednici 4 sta prikazani napovedana in izra- čunana potrebna toplota za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu ter odstotek odstopanja med meritvami in prototipom računal- niškega programa. Slika 11 : Izračunani potrebni letni toploti za ogrevanje zraka brez izkoriščanja zavržene toplote. Slika 12 : Izračunana in napovedana letna potrebna toplota za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu Ventil 3 / 2024 • Letnik 30 MEHANSKO PREZRAČEVANJE 179 5 Zaključek 1. Po že opravljenih meritvah smo naredili valida- cijo prototipa računalniškega programa in dolo- čili odstotek odstopanja med potrebno toploto za dogrevanje vtočnega zraka v realnem okolju in napovedano potrebno toploto za dogrevanje vtočnega zraka s pomočjo prototipa računalni- škega programa. Dobili smo rezultat, da je od- stotek odstopanja med rezultatom, pridobljenim z računalniškim programom, in rezultatom v re- alnem okolju enak 9 %, kar pomeni, da je bila z računalniškim programom izračunana potrebna toplota za dogrevanje vtočnega zraka višja kot izračunana potrebna toplota v realnem okolju. 2. Pokazali smo, kako temperature zunanjega in notranjega zraka ter temperatura zraka po iz- koriščanju zavržene toplote vplivajo na izračun potrebne toplote za dogrevanje vtočnega zra- ka, in opisali njihovo pomembnost pri dimenzi- oniranju mehanskega prezračevalnega sistema. 3. Dobljeni rezultati pomenijo, da bi lahko na pod- lagi že znane lokacije stavbe in temperature zunanjega zraka, želenih parametrov notranje- ga okolja ter načrtovane ure obratovanja me- hanskega prezračevalnega sistema napovedali, kakšna bo njegova raba energije v realnem oko- lju. Odstopanje med izračunano letno toploto za dogrevanje vtočnega zraka z računalniškim programom in izračunano letno potrebno to- ploto za dogrevanje vtočnega zraka v realnem okolju se pojavi zaradi načrtovane konstantne temperature vtočnega in notranjega zraka pri računanju z računalniškem programom. 4. Ugotovili smo, da s pravilnim krmiljenjem me- hanskega prezračevalnega sistema ter vzdr- ževanjem konstantne načrtovane temperature notranjega in vtočnega zraka lahko zagotovimo toplotno ugodje v prostoru. Hkrati je potrebna toplota za dogrevanje vtočnega zraka enaka, kot če ti temperaturi nihata, in v določenih ob- dobjih se toplotno ugodje ne zagotovi. Viri [1] M. Prek: Kakovost zraka: Predloga za labora- torijsko vajo. Fakulteta za strojništvo, Univer- za v Ljubljani, Ljubljana, 2013. [2] S.Tefelmeier, G. Pernigotto, A. Gasparella: An- nual performance of sensible and total heat recovery in ventilation systems: Humidity control constraints for European climates. Faculty of Science and Technology, Free Uni- versity of Bozen-Bolzano, Bolzano, 2017. [3] J. F. Krieider, Ph. D., P. E.: Handbook of he- ating, ventilation and air conditionig, New York, 2001. [4] Agencija Republike Slovenije za okolje, Kli- matski podatki. Dostopno na: http://meteo. arso.gov.si/met/sl/app/webmet//, ogled: 15. 12. 2023. [5] Uradni list RS: Pravilnik o prezračevanju in kli- matizaciji stavb, Ljubljana, 2002. Preglednica 4 : Odstopanje med meritvami in računalniškim programom Vrednost Enota Načrtovana potrebna toplota za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu-program 36.235 [kWh] Izračunana potrebna toplota za dogrevanje zraka v mehanskem prezračevalnem sistemu-meritve 33.053 [kWh] Odstopanje med računalniškim programom in meritvami 9 [%] Prediction of the use of heat energy required for reheating the air in the mechanical ventilation system Abstract: In this article, we present the creation of a computer program for predicting the required heat for air re- heating in a mechanical ventilation system. The process of creating a computer program is shown, which is based on the hourly change of the outside air temperature and the operating schedule of the ventilation device. When developing the program, we took into account the requirements of relative technical regu- lations and standards of the internal environment. We performed measurements on the selected mechan- ical ventilation system and measured the parameters that affect the heat required to reheat the incoming air. Based on the measurements and calculated results of the necessary additional heat, we validated the prototype of the computer program and numerically and graphically showed the reasons for any devia- tions. We found out which parameters affect the heat required to reheat the air in the mechanical ventila- tion system and how to ensure thermal comfort in the room with as little energy consumption as possible. Keywords: mechanical ventilation , measurements in real environment, preheating of supply air , computer program, validation of computer program , prediction of additional required heat