125 MOEB ČVUT v Praze FSv K125
2008/2009
Modelování energetických systémů budov 125MOEB
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
2
Téma přednášky Základy - budova a energie, základy 30.9. 1 termodynamiky, solární procesy, psychrometrie 14.10. 2
Modelování a simulace energetického chování budov- nástroje, metody, programy
Od reálné budovy k matematickému modelu formulace problému, volba nástroje, okrajové 21.10. 3 podmínky, popis konstrukcí, zátěžové profily, vyhodnocení výsledků 4.11. 4 Energetické simulace - ESP-r, design Builder 2.12. 5 Simulace systémů TZB – TRNSYS 16.12. 6 Simulace CFD – Flovent
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
prof.Karel Kabele
3
1
125 MOEB ČVUT v Praze FSv K125
2008/2009
Obsah
Úvod do problému „energie a budova“
Přehled základních pojmů Přenos tepla Solární procesy
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
4
Provoz budovy a okolní prostředí – Do budovy – Voda (pití, hygiena, nádobí, úklid, květiny, technologie, déšť… déšť…)
Model toku agencií
– Energie: Plyn, uhlí, dřevo, elektřina.. (vytápění, chlazení, vaření, osvětlení, pohon…)) pohon… – Vzduch (větrání, chlazení, spalování) spalování) – Z budovy – Spaliny SO2 , CO2 , N NO Ox … (komín (komín)) – Odpadní vzduch (větrání budovy) – Odpadní voda (kanalizace) kanalizace) – Přenos tepla (obálka budovy) budovy) 125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
prof.Karel Kabele
5
2
125 MOEB ČVUT v Praze FSv K125
2008/2009
2000
200
1000
-
0 II.
1
2 I.0
XI I.
XI .0
X. 0
.0
01
VI II
VI I.
VI .0
V. 0
I II
hostů/měsíc
400
02
3000
01
4000
600
1
800
IX .0 1
5000
1
6000
1 000
1
1 200
1
7000
IV .0 1
1 400
.0 1
GJ/měsíc
Roční potřeba energie v hotelu (322 lůžek)
Average month temperatures in 2001
Guests
Vytápění
25
Odběr TUV
Vzt ohřev
20
Pára
Kuchyně
Prádelna
Strojní chlazení
Ostatní technologie
Osvětlení
T e.mo nth averag e °C
15
10
5
2
2 b-0 Fe
1
1
-0 Ja n
v -0
c -0
No
De
O
ct01
1
1
g -0
p -0
Au
Se
Ju l-0 1
1
1
-0
ay -0
Ju n
M
ar01
Ap
M
r-0 1
0
Výtahy
-5
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
6
Co budeme počítat? počítat? Hodnota U
Tepelné ztráty/zisky
Dodaná energie
Souhrnná potřeba energie
Energie na vytápění/chlazení
Emise CO2
CO 2
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
prof.Karel Kabele
7
3
125 MOEB ČVUT v Praze FSv K125
2008/2009
Energetická bilance budovy ČSN EN ISO 13790
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
8
Základy termodynamiky
Teplo
Teplo je energie sdílená mezi soustavou a jejím okolím výhradně díky teplotnímu rozdílu mezi soustavou a částí jejího okolí.
Teplota
Stavová proměnná popisující kinetickou energii částic systému
Thermodynamická /Kelvin/ T [K] Celsius t [°C] t= TT-273,15 Fahrenheit [°F] 1°F=5/9° F=5/9°C (°F-32).5/9=° 32).5/9=°C
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
prof.Karel Kabele
9
4
125 MOEB ČVUT v Praze FSv K125
2008/2009
Termodynamické zákony Nultý termodynamický zákon
Existuje stavová veličina TEPLOTA. TEPLOTA. Dvě soustavy v termodynamické rovnováze mají stejnou teplotu.
Jsou –li dvě termodynamické soustavy v tepelné rovnováze s třetí soustavou, jsou v tepelné rovnováze navzájem.
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
10
Termodynamické zákony První termodynamický zákon
Změna vnitřní energie termodynamické soustavy se rovná součtu tepla dodaného soustavě a práce vykonané na soustavě. Energie světa je neměnná. neměnná. Clausius [1865]
∆U = Q − W Změna vnitřní energie soustavy je rovna teplu dodanému do soustavy zmenšenému o práci systémem vykonanou. 125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
prof.Karel Kabele
11
5
125 MOEB ČVUT v Praze FSv K125
2008/2009
Termodynamické zákony Druhý termodynamický zákon
Druhý zákon souvisí s entropií (S), která je mírou neuspořádanosti. Entropie světa se zvětšuje.zvětšuje.->
Teplo nemůže samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na teplejší. Haynie[2001]
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
12
Termodynamické zákony Třetí termodynamický zákon Pokud se teplota soustavy blíží absolutní nuly, všechny procesy ustávají a entropie systému se blíží minimu.
Žádným konečným pochodem nelze dosáhnout absolutní nuly. Nernst [1912]
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
prof.Karel Kabele
13
6
125 MOEB ČVUT v Praze FSv K125
2008/2009
Sdílení tepla v prostoru Vedení (kondukce)
Sdílení uvnitř pevných těles, Biot-Fourierův zákon
q = −λ. gradT = −λ . T x
∂T 2 ∂x [W/m ]
teplota [K] normála ∂Q = −k ∇T ⋅ dS k izotermické S ∂ t ploše [m] součinitel tepelné vodivosti [W/m.K] čas
∫
λ t
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
B
∆Q ∆T = −λ A ∆t ∆x
14
Proudění (konvekce)
Sdílení tepla makropohybem molekul a jejich shluků Pohybem tekutiny a přenos z povrchu pevného tělesa do tekutiny a naopak Newton-Richman, Fourier-Kirchhof, Grashofovo, Peckletovo číslo
∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T ∂T δT δT δT + vx + vy + vz = a. 2 + 2 + 2 ∂t ∂y ∂z δx δy δz ∂x
Q = α .S .∆T
125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
[W] Q
tepelný tok přenášený mezi povrchem a proudící tekutinou [W]
α
součinitel přestupu tepla [W/m2K]
∆T
rozdíl teplot mezi tekutinou a obtékaným tělesem [K]
prof.Karel Kabele
15
7
125 MOEB ČVUT v Praze FSv K125
2008/2009
Přenos tepla Sálání (Radiace) Elektromagnetické vlny
E A + ER + ET = E0
EO
Stefan-Boltzmann StefanBoltzmannův ův zákon Wienův zákon ∞
E0 = ∫ I λ b d λ = σ T 4
ET ER EA
0
λmax =
0, 0028978213 T
[W/(m2K4)]
Q&1,2 = ε1,2σ S (T14 − T24 ) Stefan-Boltzmanova σ = 5, 67.10−8 konstanta [W/(m2K4)] S vzájemná zářivá plocha [m2] T1,T2 teploty vzájemně osálaných těles 125MOEB 2008/2009
prof.Karel Kabele
prof.Karel Kabele
E1
E2
1
2 ε1 T1
ε2
>
T2
Q1,2= E1- E2
16
8