100+1 příklad z techniky prostředí
2.1 – Vliv orientace budovy ke světovým stranám na její tepelnou bilanci Úloha 2.1.1 Zadání S přesností 45° určete orientaci budovy ke světovým stranám tak, aby tepelný zisk sluneční radiací okny o ploše A byl v zadané hodině 21. července: a) minimální b) maximální Prokažte výpočtem, ověřte min. 4 varianty umístění. H = 9+0,3n. Pro umístění s minimálním ziskem určete, ve kterou hodinu nastane maximální zisk a určete jeho hodnotu. V obrázku jsou zadány plochy oken podle n . Uvažujte s oknem s čirého dvojskla a tedy g = 0,75 (blíže P56). Stínění nebude uplatněno. Prostup tepla neprůsvitnými konstrukcemi se zanedbává.
4 (m2)
A2 = 10-0,2.n (m2)
A1 = 9+0,4.n (m2)
8 (m2) Obr. 16 Půdorys zadaného objektu a umístění Slunce na nároží pro max. solární zisk Řešení Polohu nutno hledat experimentálně nalezením minima a maxima tepelného toku q (W) pro součet všech okenních ploch.
q = ∑ A.I .g.s A...absorpční plocha ( = plocha zasklení, zde 100 % plochy okna, v reálných případech méně, zvláště u členěných plastových oken ) I ... intenzita dopadajícího záření (viz P2) g ... celková prostupnost slunečního záření (vlastnost okna) viz P56 s ... stínící součinitel (vliv prvků protisluneční ochrany) viz P4
(m2) (W/m2) (-) (-)
Výchozí hodnoty: H = 9+0,3n = 9+0,3.16 = 13,8 ~ 14 h A1 = 11,0 m2 A2 = 4,5 m2 A3 = 6,0 m2 A4 = 3,0 m2
Pro zadanou hodinu určíme z tab. P5 azimut Slunce a tím světovou stranu, kde se Slunce aktuálně nachází. Ve 14 h má Slunce azimut 229°, tedy cca JZ. Pro hledání maxima procházejícího slunečního záření tedy natočíme k JZ velké okenní plochy, pro hledání minima ty nejmenší. Na obrázku je natočení velkých oken ke Slunci k nalezení maxima radiace. Možné kombinace uspořádáme do tabulky.
22
100+1 příklad z techniky prostředí Tab. 5 Sluneční radiace (W) procházející jednotlivými okny (bez vlivu prostupnosti skla), hodnota I je určena podle hodiny výpočtu H z tab. P2.
q S SV V JV J JZ Z SZ
I (W/m2) 153 153 153 153 454 615 505 189
A1 = 11,0 m2
A2 = 4,5 m2
11.153=1683
4,5.153=689
11.153=1683
A3 = 6,0 m2
A4 = 3,0 m2 3.153=459
4,5.153=689
6.153=918 918
2043
2724
459 1362
3030
1515
11.615=6765 11.505=5555 851
Tab. 6 Sluneční radiace (W) procházející všemi okny (s vlivem prostupnosti skla; g= 0,75) Varianta umístění budovy Var a stěna 1 je na S Var b stěna 4 je na S Var c stěna 1 je na Z Var d stěna 1 je na JZ
Součet záření všech stěn q = 1683 + 689 + 2724 + 1515 q = 1683 + 2043 + 3030 + 459 q = 4279 + 585 + 780 + 1005 q = 6765 + 851 + 918 + 459
dopadající 6611 W 7215 W 6649 W 8993 W
procházející 4959 W 5411 W 4987 W 6745 W
Výsledek Orientace budovy ke světovým stranám podle procházející radiace ve 14 h: minimální zisk
Minimální zisk činí 5,0 kW.
maximální zisk
Maximální zisk činí 6,7 kW.
Vhodným umístěním objektu lze tepelný zisk zmírnit ve 14 hodin o 25 %.
Úloha 2.1.2 Zadání Pro variantu nejmenší zátěže vyberte jedno okno, na které umístíte stínící prvek (podle P4), který vyberte podle vlastní úvahy. Vypočtěte, nakolik se hodnota tepelné zátěže sníží.
23
100+1 příklad z techniky prostředí Řešení Vnější bílé žaluzie s = 0,15 Největší příspěvek tepelné zátěži má jižní okno: q = 2724.0,75 = 2043 W Při použití žaluzií s = 0,15 klesne q = 2043.0,15 = 306 W Součet zisků všemi okny tak bude q = (1683 + 689 + 1515).0,75 + 306 = 3189 W Úpravou dojde ke snížení zátěže o 4959 - 3189 = 1770 W, tedy o 36 %.
Úloha 2.1.3 Zadání Pro sledované varianty umístění budovy určete celkovou energii ze slunečního záření za červencový den proniklou do budovy. Určete přínos protislunečních opatření z předchozí úlohy. Využijte hodnoty dopadající energie z P57. Řešení Tab. 7 Celková dopadající energie na jednotlivá okna (MJ) za den MJ/m2.den 6,2 7,4 10,7 9,8 9,3 9,9 10,8 8,7
A.Q S SV V JV J JZ Z SZ
A1 = 11,0 m2 6,2.11=68,2 117,7
A2 = 4,5 m2 6,2.4,5=28,0
A3 = 6,0 m2
A4 = 3,0 m2 6,2.3=18,7
48,2
7,4.6=44,4 64,2
41,2
55,8
32,1 27,9
64,8
32,4
108,9 118,8 39,2
Tab. 8 Solární radiace za průměrný červencový den celého objektu; g= 0,6 Umístění Var a Var b Var c Var d
budovy stěna 1 stěna 4 stěna 1 stěna 1
je je je je
na na na na
S S Z JZ
Součet za všechna okna Q = 68,2+48,2+55,8+32,4 Q = 117,7+41,2+64,8+18,7 Q = 118,8+28,0+64,2+27,9 Q = 108,9+39,2+44,4+32,1
dopadající 205 MJ 242 MJ 239 MJ 225 MJ
procházející 123 MJ 145 MJ 143 MJ 135 MJ
Stínění žaluziemi bude nejvýhodnější pro severní okno, protože v celkové bilanci má největší přínos. Dopadající energie pro var. a má hodnotu Q = 205 MJ, procházející:
Q = (68,2.0,15+48,2+55,8+32,4).0,6 = 88 MJ Tedy úspora (123-88)/123 = 0,28 tedy o 28 %.
Výsledek Při posouzení zisků ze slunečního záření za celý den rozdíly v orientaci ke světovým stranám nejsou zdaleka tak výrazné, nejvýhodnější je orientace největšího okna na sever (var. a). Největší zisk je při situování okna 1 na východ nebo západ (var. b a c). Zatímco na hodnotu aktuálního solárního zisku má stínící opatření malý vliv, v celodenním hodnocení je tento vliv vyšší. Hodnocení zisku energie za 24h má větší vypovídací schopnost o skutečné radiační zátěži a tím případné spotřebě energie pro chlazení budovy.
24
100+1 příklad z techniky prostředí Úloha 2.1.4 Zadání Určete povrchovou teplotu oken z příkladu 2.1.1. Pro největší tepelnou zátěž vyberte okno, které je osluněné a jiné okno ve stínu. Teplota v místnosti se předpokládá 24 °C a venku 30 °C. Prostupnost skla pro přímé sluneční záření, kdy sluneční paprsek je téměř kolmý k rovině okna má hodnotu stejnou jako pro difúzní záření T = 0,85. Pohltivost A = 0,15. Vypočtěte také pro variantu determálního skla, jehož T = 0,6 a A = 0,4. Řešení Tepelný tok sklem, skládající se z tepelného toku konvekcí a radiací má hodnotu
^ X Y >Z >[ = \] = _ ` ( Z [
Teplota skla se vyjádří
>
^. ( = Z >Z =[ >[ Z =[
{obyčejné sklo: ti = 24 °C; te = 31 °C, I = 454 W/m2K; αi = 8 W/m2K; αe = 15 W/m2K; t = 31,5 °C; determální sklo: t =36,5 °C}
Úloha 2.1.5 Zadání Majitel rodinného domu zakoupil pro zmenšení tepelné zátěže solárními zisky vnější roletu se stínícím součinitelem s = 0,1, kterou umístil na fasádu podle obrázku. Stanovte užitek (rozdíl v tepelné zátěži) ze stínění fasády v měsíci červenci, pokud roletu bude nebo nebude používat v 8, 10, 12, 14 a 16 h. Určete, kolik energie na chlazení budovy ušetří za měsíce červen až srpen s touto úpravou. Určete rozdíl v nákladech na chlazení budovy, je-li COP systému chlazení 3,1 a cena elektřiny 3,3 Kč/kWh. Prosklená plocha fasády celkem Ao = 11+0,3.n (m2) Prosklená plocha fasády stíněná As = 7 +0,2.n (m2) Azimut fasády γ = 45+0,1.n (°) a zaokrouhlit na 45° Okna jsou zasklené dvojsklem g = 0,75 (blíže P56) Hodnoty sluneční radiace viz P2. Řešení Vypočteme hodnotu aktuální tepelné zátěže v zadané hodiny pro rozdílné vlastnosti prosklení (kW).
X ?. (. a^b ^c 1 $d
Vypočteme celkovou energii ze slunečního záření pro jednotlivé měsíce pro zjištění rozdílu spotřeby energie. Příkon chlazení P se určí ze vztahu (pozor na jednotky)
efg
hiEj g
Zjištěná hodnota příkonu je rovna hodinové spotřebě elektrické energie, náklady se zjistí vynásobením cenou elektřiny. Obr. 17 Umístění rolety na fasádě
25
100+1 příklad z techniky prostředí Úloha 2.1.6 Zadání Zájemce o koupi bytu v bytovém domě váhá, který byt bude z hlediska ochrany před sluncem nejvýhodnější, protože má obavy, že v obývacím pokoji s oknem 3,4 x 2,8 m (celá výška a šířka místnosti) bude v létě teplo. Určete solární zisky v 9, 11, 13 a 17 h pro místnosti A, B a C pro 21.7 a 21.5. Uvažujte, že okna jsou zasazena přímo ve fasádě a stíny vrhají pouze balkony (stíny svislé). Azimut stěny γ = 110+3.n °. Poloha domu obecně v ČR.
A. venkovní žaluzie s = 0,2
B. přesah stropu L = 1 m
C. přesah balkonu L = 2 m
Obr. 18 Řez a pohled na zadaný objekt, vyznačení slunolamu Úloha 2.1.7 Zadání Odvoďte rovnici pro účinnost vzduchového kolektoru o ploše S, na jehož absorbér dopadá sluneční záření o hodnotě I a vnější zasklení má prostupnost g. Kolektorem prochází vzduch o průtoku V a jeho teplota se zvyšuje z teploty vnějšího vzduchu te na teplotu tv. Přes vnější prosklení má kolektor tepelnou ztrátu úměrnou součiniteli prostupu tepla U, ostatní strany kolektoru jsou izolované a tak je zanedbáme. Zhotovte nákres zařízení a vyznačte sledované veličiny. Vypočtěte účinnost pro I = 340 + n W/m2; U = 1,1 W/m2K; g = 0,8; V = 100 m3/h a te = + 12 °C. Řešení Rovnice tepelné bilance kolektoru bude mít tvar
>l >Z h A. k. . >l >Z (. O. ? Y. O. m >Z n 2
Účinnost se obecně vyjádří vztahem
T
h
hDZbo
Dosaďte a vyjádřete účinnost ze zadaných veličin.
26
