Témata
Zdroj: FS ČVUT v Praze

160 let strojařského vzdělávání v Praze: Strojírenství pro udržitelný rozvoj

Fakulta strojní ČVUT v Praze byla jednou ze zakládajících fakult Univerzitního centra energeticky efektivních budov (UCEEB), které v letošním roce oslaví 10 let od svého otevření. Od vzniku tohoto výzkumného ústavu soustředěného na energetiku budov je fakulta tematicky i personálně propojena s oddělením Energetických systémů budov, kde je společně řešena řada projektů vědy a výzkumu. Podívejme se na některé realizované nápady a projekty, které z této vzájemně prospěšné spolupráce vzešly.

Tento článek je součástí seriálu:
160 let strojařského vzdělávání v Praze
Díly
Reklama

Zařízení pro získávání vody ze vzduchu S.A.W.E.R. (Solar Air Water Earth Resource) bylo vyvinuto na ČVUT v Praze a představeno v roce 2021 na světové výstavě Expo v Dubaji. Vznik zařízení je ukázkou úzké spolupráce Ústavu techniky prostředí na Fakultě strojní a Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT v Praze.

Funkční schéma zařízení získávání vody ze vzduchu S.A.W.E.R. (Zdroj: FS ČVUT v Praze)

Na začátku všeho byl „bláznivý nápad“ generálního komisaře českého pavilonu Jiřího Františka Potužníka, který přišel s myšlenkou vyrábět vodu ze vzduchu. Po sérii jednání se daly věci velmi rychle do pohybu a začala intenzivní práce na vývoji. Od počátku bylo jasné, že získávat vodu prostou kondenzací vodní páry ze vzduchu v přímořských oblastech není problém. Cílem však bylo vyvinout zařízení, které umožňuje získat autonomně, tedy bez potřeby externí energie, v ročním průměru 100 litrů vody za den v extrémních klimatických podmínkách pouště, kde běžná zařízení na principu kondenzace principiálně selhávají. Vývoj zařízení S.A.W.E.R. začal matematickým modelováním procesů úpravy vzduchu s využitím psychrometrických výpočtů. Výpočet byl realizován v hodinových intervalech s použitím dostupných klimatických dat.

Prototyp zařízení S.A.W.E.R. v arabské poušti. (Zdroj: FS ČVUT v Praze)

Jádrem zařízení je jednotka vybavená sorpčním výměníkem, který na svůj povrch váže vodní páru adsorpcí. Ten venkovnímu vzduchu odebírá vodní páru. Odvlhčený vzduch se odvede zpátky do venkovního prostředí. Zároveň se do systému nasaje další venkovní vzduch se svým přirozeným obsahem vodní páry, který se nejdříve ohřeje na tak vysokou teplotu, aby bylo možné z povrchu desikantu vodní páru uvolnit, a tím pouštní vzduch navlhčit. Při zvýšené teplotě je možné do vzduchu vázat zvýšené množství vodní páry. Na chladič pak přichází výrazně vlhčí vzduch, než je venkovní vzduch z pouště. Díky tomu lze chladičem získat daleko více vody kondenzací ze vzduchu. Prototyp zařízení byl testován v laboratorních podmínkách s cílem ověřit platnost výpočetního modelu a chování celého zařízení. Pro tento účel byla v halových laboratořích UCEEB v Buštěhradu postavena tepelně izolovaná klimatizovaná komora s možností nastavení požadovaných podmínek okolního vzduchu.

Cena za Nejlepší inovaci pro technologii S.A.W.E.R. z Expo 2020 Dubai. (Zdroj: FS ČVUT v Praze)

Autonomní provoz byl testován v pouštních podmínkách. Jednotlivé komponenty zařízení byly integrovány do dvou technologických kontejnerů určených pro námořní přepravu a zařízení bylo převezeno do pouště ve Sweihanu ve Spojených arabských emirátech, kde bylo na podzim roku 2019 testováno v autonomním provozu v reálných podmínkách. Experimentální testování prokázalo, že i v prostředí pouště lze produkovat vodu ze vzduchu zcela autonomně bez potřeby externí energie, pouze s využitím místně dostupné sluneční energie a energie prostředí.

Reklama
Reklama
Reklama

Po úspěšném testování prototypu bylo přistoupeno k návrhu zařízení určeného pro světovou výstavu Expo. Při navrhování jednotky S.A.W.E.R. pro český pavilon byly využity zkušenosti ze sweihanské pouště. Oproti zařízení testovanému v poušti byla verze pro pavilon větší a výkonnější. Produkovaná voda byla navíc obohacována o živiny ze speciálního fotobioreaktoru a sloužila pro zavlažování zahrady vybudované kolem pavilonu.

Technologie S.A.W.E.R., samostatně vyrábějící vodu ze vzduchu. (Zdroj: FS ČVUT v Praze)

Zařízení S.A.W.E.R., představené v českém pavilonu, získalo cenu za nejlepší inovaci prezentovanou na světové výstavě Expo 2020 v Dubaji. Cenu udělilo českému pavilonu Centrum pro vládní inovace Muhammada bin Rášida Ál Maktúma, vládce Dubaje a premiéra Spojených arabských emirátů. Vznik zařízení a přípravu českého pavilonu mapuje celovečerní dokumentární film Budiž voda! od režiséra Karla Žaluda.

Počítačová simulace proudění CFD ve větrací jednotce Recuair. (Zdroj: FS ČVUT v Praze)

Spolupráce při vývoji větracích jednotek

Příkladem další úspěšné spolupráce, tentokrát s průmyslovým partnerem – společností Recuair, je vývoj nového typu lokální větrací jednotky s otočným rekuperačním výměníkem. Tato unikátní větrací jednotka je určena k instalaci přímo do fasády obytné místnosti. Byla vyvinuta dle rozměrové specifikace dané pracovními postupy tak, aby ji šlo rychle implementovat v rámci revitalizace budov. Při vývoji nové konstrukce větrací jednotky bylo využito počítačové simulace proudění CFD, měření hluku v akustické laboratoři a měření výkonu v laboratorních podmínkách. Výzkum se zabýval optimalizací proudění s ohledem na specifické geometrické požadavky s cílem zabránit negativním zvukovým projevům. Výsledkem je patentované řešení a ocenění v projektu Vizionáři 2020 za technologický a ekonomický přínos v oblasti zdraví, stavebnictví a ochrany životního prostředí.

Počítačová simulace proudění CFD ve ventilátorové komoře Alton. (Zdroj: FS ČVUT v Praze)

Dalším projektem byla ventilátorová komora Alton, která vznikla na základě spolupráce se společností Alteko, která se zabývá výrobou vzduchotechnických jednotek. Dvouletý výzkumný projekt byl zaměřen na optimalizaci ventilátorové komory pro sestavné klimatizační jednotky. Při vývoji nové řady jednotek bylo také využito počítačové simulace proudění CFD. Cílem projektu bylo inovované konstrukční řešení přinášející vyšší energetickou účinnost a nižší akustický výkon. Na základě provedené simulační analýzy proudění ve ventilátorové komoře bylo navrženo inovované konstrukční řešení zařízení tak, aby byl minimalizován vznik lokálních tlakových ztrát a možných zdrojů hluku. Bylo zjednodušeno lože motoru, odstraněny překážky proudění uvnitř zařízení a stěny ventilátorové komory byly zdvojeny a vyplněny akustickou izolací. Vhodnost provedených konstrukčních změn byla optimalizována CFD simulací, a následně ověřena experimentálním měřením v akustické laboratoři.

Reklama

Od techniky prostředí k energetice budov

Spolupráce Fakulty strojní s UCEEB není omezena pouze na průmyslový vývoj a zdokonalování kvality vyráběných produktů v tomto odvětví. Naopak, využíváme sdílených mezioborových znalostí, které aktivně a systematicky přispívají k transformaci energetiky budov. Ukázkou naší společné práce jsou veřejně dostupné výsledky projektů TA ČR Comfygrid a P2H4Cities. V prvním případě jsme se zaměřili na metodické začlenění zařízení techniky prostředí do konceptu chytrých sítí a studovali potenciál využití systémů HVAC pro flexibilitu budov. V druhém případě vyvíjíme nástroje pro koordinaci plánování transformace sítí centralizovaného zásobování teplem (CZT).

Simulační analýza proudění ve ventilátorové komoře ALTON. (Zdroj: FS ČVUT v Praze)

Tyto nové přístupy vyžadují základní porozumění a spolupráci různých zájmových skupin, od koncových zákazníků a měst na jedné straně po výrobce a distributory tepla a elektřiny na straně druhé. Aktuálně vyvíjené nástroje v rámci projektu P2H4Cities mají za cíl podpořit vyšší začlenění průmyslových tepelných čerpadel do CZT a jejich vhodnou kombinaci s komunitními obnovitelnými zdroji s ohledem na dekarbonizaci v tomto sektoru. Na obrázku níže je ukázka ze simulace provozu průmyslového tepelného čerpadla vzduch-voda v rámci typového CZT v kombinovaném provozu s místní fotovoltaickou elektrárnou.

Studované úrovně pro modelové scénáře systémové integrace P2H řešení v rámci mezioborového výzkumu mezi FS a UCEEB. (Zdroj: FS ČVUT v Praze)

Na ČVUT si uvědomujeme komplexnost současných výzev, které často přesahují jednotlivé expertizy. Náš mezioborový tým již dlouhodobě spolupracuje na obdobných národních i mezinárodních výzkumných projektech, které integrují technická zařízení budov do nových konceptů chytrých sítí a komunitní energetiky. Klíčovým analytickým nástrojem pro tento typ výzkumu jsou dynamické simulace budov a energetických systémů. Ty nám umožňují simulačně vyhodnotit různorodé aspekty, od vyhodnocení uhlíkové stopy přes vnitřní pohodu obyvatel až po ekonomiku provozu, a to v hodinovém, nebo i kratším výpočtovém kroku. Celkově výsledky simulací přispívají k lepšímu pochopení dopadů nových trendů na provoz budov, techniky prostředí a dalších energetických systémů budov.

Ukázka výsledků z energetické simulace pro roční provoz průmyslového tepelného čerpadlo vzduch-voda v typovém CZT v průběhu roku_01. (Zdroj: FS ČVUT v Praze)

Spolupráce přináší plody

Nové komunitní přístupy v energetice typicky vyžadují dlouhodobější plánování a koordinaci sdílených investic, které nelze řešit zúčastněnými aktéry odděleně. Společně s kolegy zabývajícími se participativním designem jsme schopni doplnit čistě techno-ekonomické a enviromentální ukazatele o návrh vhodné organizace vlastnicko-právního prostředí umožňující úspěšné transformační scénáře. Díky společnému výzkumu je možné včasně identifikovat potenciál a rizika studovaných řešení, a překonat tak jak ryze technické, tak i společenské bariéry. Zmiňované projekty z kategorie výzkumu ve veřejném zájmu umožňují výsledky přímo komunikovat státní správě a přispívají k tvorbě vhodného prostředí stimulující transformaci, a to i s ohledem na provoz systémů budov a vnitřní prostředí.

Ukázka výsledků z energetické simulace pro roční provoz průmyslového tepelného čerpadlo vzduch-voda v typovém CZT v průběhu roku_02. (Zdroj: FS ČVUT v Praze)

Z vybraných příkladů je patrné, že úzká spolupráce mezi součástmi ČVUT nese své plody. Spolupráce lidských kapacit s různými kompetencemi a sdílení laboratorního vybavení umožňuje významnou synergii v řešení komplexních výzkumných úloh, které jsou v současnosti stále více žádány průmyslem i státní správou. Zkušenost ukazuje, že bez zapojení výzkumných pracovníků napříč různými obory a špičkových laboratoří se už dnes neobejdeme.


Související články
160 let strojařského vzdělávání v Praze: Bezuhlíková perspektiva budoucnosti

Dekarbonizace energetiky a průmyslu ve vazbě na Green Deal 2050 je v současnosti jedním z hlavních celospolečenských a politických témat. Ta ve výsledku určují směr technologického vývoje, vědy a výzkumu.

Výzkum v Česku: Kouzla s energií

V současnosti snad neexistuje odvětví, které by nepocítilo dopad dlouhodobých anticovidových opatření. Mnohá z nich však už stačila nabrat druhý dech a jsou opět na cestě vzhůru. Mezi ně patří i česká věda a výzkum, ačkoli nelze tvrdit, že to organizace z této sféry mají snadné. O své názory se s námi podělil Ing. Antonín Lupíšek, Ph.D., ředitel pro vědu a výzkum Univerzitního centra energeticky efektivních budov – ČVUT UCEEB.

Kompozitní materiály z přírodních zdrojů

Veřejnost se stále více snaží být environmentálně odpovědnou. Ani napříč odvětvími průmyslu tomu není jinak. V oblasti kompozitních materiálů můžeme v posledních letech sledovat stále častější tendence využívat přírodní materiály jako náhradu konvenčních syntetických produktů. Roste poptávka po vláknech na rostlinné bázi (například vláknech ze lnu, konopí nebo sisalu) a tyto materiály získávají významný podíl na celkové produkci kompozitních výrobků.

Související články
Přínos vědců pro českou ekonomiku

Výzkumná a vědecká pracoviště jsou častými nositeli průlomových objevů a řešení. Jejich přínos pro konkurenceschopnost firem a národních ekonomik je neoddiskutovatelný. Jak si vede v této oblasti Akademie věd ČR, jak spolupracuje s průmyslovou sférou a kde vidí svou přidanou hodnotu? Na toto téma jsme diskutovali s předsedkyní AV ČR profesorkou Evou Zažímalovou.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Aktuální trendy v oboru obráběcích strojů

Obor obráběcích strojů prochází velkými změnami, které pravděpodobně nejsou na první pohled tak zřetelné. Požadavky na stroje se mění v důsledku postupných proměn světa okolo nás a výrobci strojů na to reagují, aby si zajistili potřebnou konkurenceschopnost.

Projekt Národní centrum kompetence - Strojírenství dosáhl úspěšných výsledků

Projekt Národní centrum kompetence - STROJÍRENSTVÍ (NCKS) byl realizován od ledna 2019 do prosince 2022. V konsorciu bylo zapojeno celkem 26 účastníků, z toho 9 výzkumných organizací a 17 průmyslových partnerů.

Příklady táhnou:
Krásné, velké, chytré domy

Olympijský stadion v Londýně – London Stadium, West Ham United s kapacitou 45 000 diváků – byl po rozsáhlé transformaci slavnostně otevřen v září 2015. Od té doby se zde odehrály zápasy mistrovství světa v ragby a další sportovní i kulturní události, například koncert Rolling Stones. Zajímavou i nádhernou střechu stadionu navrhl český architekt, absolvent FA ČVUT, Vladimír Mašínský. Jeho životní vášní jsou však nejen sportovní stadiony, ale obecně velké, chytré budovy.

Vezměme rozum do hrsti a bojujme

Pavel Sobotka, zakladatel a ředitel firmy Frentech Aerospace. Základy technických a technologických schopností získal v Tesle Brno, kde pracoval 27 let. Již tehdy byl přesvědčen, že přesná mechanika bude stále atraktivním oborem, jelikož se podílí absolutně na všem, co používáme. Brýle, zdravotnická technika, auta, letadla, kosmické rakety, obranný průmysl, tiskařina, výroba mikročipů, počítačů a mnoho dalšího.

MM Podcast: Glosa - Dědici evropské historie

Evropa se během relativně krátké doby proměnila z technologicky, ekonomicky i vojensky nejrozvinutějšího regionu planety v turistický skanzen s otevřeným zbytnělým sociálním systémem, na který se snaží napojit vlny přicházejících z celého světa.

Lesk a bída českých obráběcích strojů

Česká republika, resp. tehdejší Československo, mělo bohatou historii ve výrobě obráběcích strojů. Kde v období největší slávy byli ve svých inovačních počinech současní světoví lídři, když např. kovosviťácký konstruktér Ladislav Borkovec se již v roce 1977 začal zaobírat myšlenkou multifunkčního soustružnicko-frézovacího stroje? Přes dřevěný kinematický model, který si vytvořil doma v dílně, vedla dlouhá cesta až k prototypu prezentovanému  na EMO v Paříži v roce 1980. Po vyrobení 45 strojů řady MCSY, které nenazval nikdo jinak než „Boháro“, byla z ekonomických důvodů a nedostupnosti kvalitní řídicí elektroniky bohužel výroba v tehdejším Kovosvitu ukončena. Dva bývalé kovosviťáky, srdcem i duší, Jiřího Mindla a Vladislava Čítka, jsem díky jejich letitým zkušenostem celoživotního zasvěcení oboru obráběcích strojů požádal o rozpravu nad současným stavem tuzemského oboru výrobních strojů a nad tím, jaké jsou jeho případné perspektivy.

Trnitá cesta české vědy a výzkumu

Třicet let je diskutovaným tématem propojení české vědy a výzkumu s průmyslem. Podařilo se konečně v této oblasti učinit pokroky? Proč se čeští vědci nehrnou do tuzemských firem a proč české školství negeneruje kreativní osobnosti? K diskuzi o těchto otázkách jsme pozvali docenta Jiřího Krechla, který se problematice výzkumu a vývoje dlouhodobě věnuje.

MM Podcast: Glosa - Jak se upekl dort (Národního plánu obnovy)

Národní plán obnovy ČR a jeho objem 191 mld. Dokážeme jej skutečně využít? Na Slovensku kolem premiéra Krečmara vzniká poradní tým odborníků, které do tohoto postu neuvedla politická loajalita, jak tomu bývá u nás, ale skutečné zkušenosti globálního charakteru např. s vlastním podnikáním a zaváděním inovací do praxe. Mají jasno, co budoucí průmysl pro nakopnutí země potřebuje. Žádný politický populismus, žádné zpátečnické názory. 

160 let strojařského vzdělávání v Praze: Tištěné implantáty i oční endoskop

Moderní lékařství se neustále vyvíjí a stále více se spoléhá na inovativní materiály, diagnostické metody a technologie z jiných oborů. Proces zavádění nových materiálů a diagnostických metod v oblasti lékařství je zároveň nemyslitelný bez dlouhodobé spolupráce mezi výrobci a výzkumnými institucemi.

Role technické univerzity v udržitelné společnosti, Prof. David Tuček, UTB Zlín

Smyslem nové série podcastů je představit současnou roli univerzity a hledat její skutečné postavení a poslání ve vztahu k vývoji konkurenceschopnosti tuzemské ekonomiky a společnosti jako takové. Hovoříme s rektory a děkany technických univerzit a fakult o jejich denní operativě, o realizaci dlouhodobé strategie, jejich pohledu na ukotvení vzdělávací instituce ve společnosti a dalších tématech. Tentokráte jsme o rozhovor požádali profesora Davida Tučka, děkana Fakulty managementu a ekonomiky Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit