Úvod do problematiky průmyslového vytápění velkoprostorových objektů

5.12.2012

Fakulta strojní Ústav techniky prostředí

Úvod do problematiky průmyslového vytápění velkoprostorových objektů Ing. Ondřej Hojer, Ph.D.

[email protected] Sálavé a průmyslové vytápění

Obsah přednášky • • • • • •

Charakter vytápěného objektu Tepelná pohoda Rozdíl mezi sálavým a teplovzdušným vytápěním Vliv druhu vytápění Teoretický návrh vytápění velkoprostorových objektů Zónová metoda navrhování velkoprostorových objektů


1

5.12.2012


Charakter vytápěného objektu

Zóny vlivu na řešení otopných soustav v průmyslové hale Pracovní oblast – požadavek optimálních teplot a nízkých rychlostí proudění Neutrální oblast – požadavek nízkého teplotního gradientu Podstropní oblast – požadavek na co nejnižší teplotu (nízké ztráty) Kotrbatý, M. a kol.: Vytápění[email protected] průmyslových a velkoprostorových objektů (I-IVX). a průmyslové vytápění Seriál Sálavé článků www.tzb-info.cz. 2006 až 2007

2

5.12.2012

Charakter vytápěného objektu

1

2

3

4


Tepelná pohoda q m − n = q k + q s + qved + qvyp + qdých

Rovnice tepelné rovnováhy

t g = 0,5 ⋅ t mrt + 0,5 ⋅ ti tk ≡ t g tu ≡ t mrt ≡ t s t v ≡ ti ≡ t L

Cihelka J.: Vytápění, větrání a klimatizace, SNTL – Praha 1985. Originál experimentálně Nielsen a Pedersen

3

5.12.2012

Rovnice tepelné rovnováhy

q m − n = q k + q s + qved + qvyp + q dých

Výsledná teplota

t g = ti

tpi tpe

s, λ

+ t mrt

αs

αk + αs αk + αs α t + α st t mrt ti + t mrt t g = kt i ≈ 2 α kt + α st

αkč = 5,25 W/(m2.K) αsč = 4,80 W/(m2.K)

ti

αk

tev

Operativní teplota

to =

α kč ti + α sč t mrt ti + t mrt ≅ α kč + α sč 2

[Brož,K.: Vytápění. Skripta ČVUT v Praze. 2002]

Výsledná teplota Měří se kulovým teploměrem, který tvoří kulová baňka z tenkého měděného plechu s matným černým povrchem, v jejímž středu je zasunuto teplotní čidlo (rtuťový teploměr, termočlánek, odporový teploměr). Výsledný teploměr nemá vlastní zdroj tepla; v ustáleném stavu je sálavý tepelný tok z prostředí do kulové baňky v rovnováze s konvekčním tepelným tokem z povrchu koule do prostředí. V ustáleném stavu se ztotožní teplota povrchu baňky s teplotou čidla na hodnotě tg [Nový ,R. a kol.: Technika prostředí. Skripta ČVUT v Praze. 2002] Střední radiační teplota Společná teplota všech okolních ploch, při které by bylo celkové množství tepla sdílené sáláním mezi povrchem těla a okolními plochami stejné jako ve skutečném, teplotně nehomogenním prostředí. Stanovuje se výpočtem [Brož,K.: Vytápění. Skripta ČVUT v Praze. 2002] Operativní teplota Operativní teplota je jednotná teplota černého uzavřeného prostoru, ve kterém by tělo sdílelo radiací a konvekcí stejně tepla, jako ve skutečném teplotně nehomogenním prostředí. Stanovuje se výpočtem [Zmrhal, V.: Stanovení střední radiační teploty (I). 2006. www.tzb-info.cz]


4

5.12.2012

Rozdíl mezi teplovzdušným a sálavým vytápěním Výškový teplotní gradient Teplovzdušné vytápění

Sálavé vytápění

[email protected]

Kovářová, Z.: Propagační materiály firmy Kotrbatý, s.r.o., 2008 Sálavé a průmyslové vytápění

Teplovzdušné - Přechodné období

Stoupání teploty vnitřního vzduchu po výšce objektu při teplotách venkovního vzduchu θe = + 12 °C ÷ - 3 °C vytápění nástěnnými teplovzdušnými soupravami Kotrbatý, M. a kol.: Vytápění[email protected] průmyslových a velkoprostorových objektů (I-IVX). a průmyslové vytápění Seriál Sálavé článků www.tzb-info.cz. 2006 až 2007

5

5.12.2012

Teplovzdušné - Zimní extrém

Stoupání teploty vnitřního vzduchu po výšce objektu při teplotách venkovního vzduchu θe = - 3 °C ÷ - 15 °C vytápění nástěnnými teplovzdušnými soupravami Kotrbatý, M. a kol.: Vytápění[email protected] průmyslových a velkoprostorových objektů (I-IVX). a průmyslové vytápění Seriál Sálavé článků www.tzb-info.cz. 2006 až 2007

Sálavé vytápění

Stoupání teploty vnitřního vzduchu po výšce objektu - vytápění haly sálavými panely Kotrbatý, M. a kol.: Vytápění[email protected] průmyslových a velkoprostorových objektů (I-IVX). a průmyslové vytápění Seriál Sálavé článků www.tzb-info.cz. 2006 až 2007

6

5.12.2012

Vlivy druhu vytápění – ČSN EN 12831 Pokyny pro výpočet návrhových tepelných ztrát ve zvláštních případech Vysoké prostory a rozlehlé prostory U místností s výškou do 5 m včetně se počítá se stejnou teplotou vytápěného prostoru. Tento U místností vyšších nelze zanedbat svislý teplotní gradient, který ovlivňuje především tepelné ztráty střechou. Svislý teplotní gradient, který vzrůstá s výškou místnosti, tedy značně závisí na celkových návrhových tepelných ztrátách (úrovni tepelné izolace obálky budovy a výpočtové venkovní teplotě) a druhu a umístění otopných těles. Tyto účinky se musí zohlednit přirážkami k návrhovým tepelným ztrátám. Tyto dodatečné návrhové ztráty se nejlépe stanoví užitím výsledků dynamických výpočtů, které zahrnou individuální vlastnosti budovy. Pro budovy s návrhovými tepelnými ztrátami rovnými nebo nižšími než 60 W/m2 podlahové plochy, celková návrhová tepelná ztráta Φi pro prostory s vysokou výškou se může korigovat zavedením výškového korekčního činitele fh,i,:

Φi

=

(ΦT,i +ΦV,i ) ⋅ fh,i [W ]

Hodnoty fh,i jsou uvedeny v tabulce B.1. [email protected] Sálavé a průmyslové vytápění

Tabulka B.1 — Výškový korekční činitel, fhi fhi Způsob vytápění a druh nebo umístění otopných těles

Výška vytápěných prostorů 5 m až 10 m

10 m až 15 m

PŘEVÁŽNĚ SÁLAVÉ podlahové stropní (teplota < 40 °C)

1

1

1,15

nevhodné pro tento účel

1

1,15

1,15

nevhodné pro tento účel

sálavé o střední a vysoké teplotě směrem dolů z vysoké výšky PŘEVÁŽNĚ KONVEKČNÍ ohřátí vzduchu přirozenou konvekcí OHŘÁTÍ VZDUCHU NUCENOU KONVEKCÍ příčné proudění vzduchu v nízké výšce

1,30

1,60

proudění vzduchu směrem dolů z vysoké výšky

1,21

1,45

příčné proudění vzduchu o střední a vysoké teplotě ze střední výšky

1,15

1,30


7

5.12.2012

Návrh vytápění velkoprostorových objektů •

Fyzikálně správné řešení – Vychází ze základních fyzikálních zákonů (celkové tepelné bilance)

•

Zjednodušené řešení - Praxe


Fyzikálně správné řešení • • •

Rovnice tepelné rovnováhy prostoru (bilance stěn) Rovnice tepelné rovnováhy vzduchu Rovnice tepelné pohody při sálavém vytápění

ti

tr

[email protected] Cihelka, J.: Sálavé vytápění. 2. dopl. a přeprac. vydání. SNTL 1961. Praha. 376 str. Sálavé a průmyslové vytápění

8

5.12.2012

Rovnice tepelné rovnováhy prostoru Pro plochu S1

α k (1) ⋅ S1 ⋅ (ti − t p1 ) + ∑ (ϕ n −1 ⋅ α s (n −1) ⋅ S1 ⋅ (t pn − t p1 )) = Λ1 ⋅ S1 ⋅ (t p1 − tev ) n

Tpn4 − T p41 c1 ⋅ c2 Tpn4 − T p41 α s (n −1) = σ ⋅ ε 1 ⋅ ε 2 ⋅ = ⋅ t pn − t p1 cč 108 ⋅ (t pn − t p1 ) 5,67e-8 W/m2K4

5,67 W/m2K4

ti

Λ1 =

tpi tpe

tev

1 sk

∑λ k

s, λ

n ….. Číslo n-té stěny

k

+

1

αe

23 W/m2K


Rovnice tepelné rovnováhy vzduchu Vvet ⋅ ρ i ⋅ ci ⋅ (ti − tev ) =

= ∑ (α kn ⋅ S n ⋅ (t pn − ti )) + α kp ⋅ S p ⋅ (t p − ti ) + Vsp ⋅ ρ sp ⋅ csp ⋅ (t sp − ti ) n

p sp pn

otopná plocha spaliny povrchová n-té plochy


9

5.12.2012

Rovnice tepelné pohody pro sálavé vytápění

t g = ti

n qm

tr = 4

αk

αk + αs

∑T

4 pj

+ tr

αs

αk + αs

+

Qz

(α k + α s ) ⋅ Sod

⋅ ϕ j −B − 273,15

j

Qz [W] Sod [m2] as [W/m2K] ak [W/m2K] fj-B [-] Tj [K] tr [°C] ti [°C] tg [°C]

Výkon zářičů Povrch člověka (oděvu) Součinitel přestupu tepla sáláním u člověka Součinitel přestupu tepla konvekcí u člověka Poměr osálání mezi j-tým povrchem a bodem B Absolutní teplota j-té stěny Střední radiační teplota ti Teplota vzduchu Výsledná teplota

tr


ZÓNOVÁ METODA NAVRHOVÁNÍ VYTÁPĚNÍ VELKOPROSTOROVÝCH OBJEKTŮ


10

5.12.2012

Motivace: Projektanti vytápění v současnosti nerozlišují mezi velkými a malými prostory, což vede ke zbytečně zvýšené spotřebě energie na vytápění

Rodinné domy

Průmyslové objekty, sklady

Bytové domy Kancelářské budovy

Koncertní sály, sportovní stadiony, kostely


Hlavní myšlenka: Různá místa v hale jsou ovlivněna různými okrajovými podmínkami doc. Jaromír Cihelka 1960

Ing. Miroslav Kotrbatý 1960 - dnes

Zónová metoda

ČSN EN 12831 uvažuje v části B velké prostory, ale počítá pouze s vertikálním rozdělení objektu [email protected] Sálavé a průmyslové vytápění

11

5.12.2012

KONVEKCE Vliv chladné stěny

1 – Chladný konvektivní proud 2 – Infiltrace 3 – „Chladné“ sálání oknem 4 – Chladná konvekce


SÁLÁNÍ Vliv poměrů osálání

B (m) Šířka budovy

h (m) Výška zavěšení sálavých panelů


12

5.12.2012

Vliv poměrů osálání

Poměr osálání v úzké hale

Poměr osálání v široké hale


θe = -12 °C 60 x 54 x 9 m (L x B x h) Nově postavená – standardní úroveň zateplení Oblast – Praha ČSN EN 12831

3

4

17 kW 14 kW

28 kW

561kW 402kW

80 kW


13

5.12.2012

Děkuji za pozornost!


Použitá literatura • • • • • • • • •

Cihelka, J.: Sálavé vytápění. 2. dopl. a přeprac. vydání. SNTL 1961. Praha. 376 str. Kotrbatý, M.: Sálavé vytápění – sálavé panely, infrazářiče. Společnost pro techniku prostředí 1993. Praha. 39 str. Kotrbatý, M.; Seidl, J.: Průmyslové otopné soustavy. Společnost pro techniku prostředí 2000. České Budějovice. 64 str. Kolektiv: Topenářská příručka. 2001, Praha: GAS. 2 500. 80-86176-82-7 Brož, K.: Vytápění. Skripta ČVUT. Vydavatelství ČVUT 2002. Praha. 205 str. 205 ASHRAE: ASHRAE Handbook – HVAC Applications 2003. 2003 Vít, M., Málek, B. a Z. Matthauserová: Měření mikroklimatických parametrů pracovního prostředí a vnitřního prostředí staveb. Věstník MZ. ČR, Editor. 2004, Ministerstvo Zdravotnictví. p. 16-28 ČNI: ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov – část 2: Požadavky. 2005 Kotrbatý, M. a kol.: Vytápění průmyslových a velkoprostorových objektů (IIVX). Seriál článků www.tzb-info.cz. 2006 až 2007


14

5.12.2012

Rešerše • Google (www.google.com) • Wikipedia (www.wikipedia.org) • Články v časopisech – Národní (VVI, Topin, Tzb-info, …) – Mezinárodní (www.knihovny.cvut.cz – brána EIZ) • Databáze (Elsevier, Scopus, Iconda, Picarta, …) • Časopisy (HLH - Heizung, Lüftung / Klima Haustechnik, TZB Haustechnik, Energy and Building, Journal of Heat Transfer)

• Dostupná literatura • Knihovny ČVUT (www.knihovny.cvut.cz) • Státní technická knihovna (www.stk.cz) • Národní knihovna (www.nkp.cz) [email protected] Sálavé a průmyslové vytápění

15

Úvod do problematiky průmyslového vytápění velkoprostorových objektů

Recommend Documents