České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební ESB 2. Výroba, distribuce a emise chladu v budovách Část 1

České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební

ESB 2 Výroba, distribuce a emise chladu v budovách Část 1 Ing. Daniel Adamovský, Ph.D. Katedra technických zařízení budov Fakulta stavební, ČVUT v Praze

Katedra technických zařízení budov, Fakulta stavební, ČVUT v Praze

Osnova přednášky Přednáška „Chlazení 1“ • Úvod z historie a důvodů proč potřebujeme chladit • Volba koncepce chlazení • Tepelná zátěž • Základy přípravy chladu • Komplexní systémy chlazení – zdroje chladu

Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Historický úvod Potřeba chladu – historické jednotlivosti V minulosti výhradně pro potřeby uchovávání potravin (chlazení pomocí ledu). Rozvoj chladírenství - motivován potřebami potravinářského průmyslu, zejména pivovarnictví ..

- kompresorová strojovna chlazení pivovaru - cca 1920

1769 James Watt patentuje oddělený kondenzátor - oddělení dvou činností zahřívání válce s horkou parou a jeho ochlazování, při němž pára kondenzovala v každém taktu stroje, tzn. válec stále horký a kondenzátor stále studený = úspora energie = masivní rozšíření technologie ▪ 1928 – Willis Haviland Carrier (tzv. „otec klimatizace“) vyvinul první domovní klz jednotku ”Weathermaker“- klimatizaci pro domácí prostředí • 40. léta v USA ročně prodáno 30.000 jednotek • 1998 - Klimatizační jednotky a tepelná čerpadla prolomily v USA hranici 6.2 miliónu prodaných jednotek



Proč potřebujeme chladit Potřeba chladu – proč potřebujeme chlad ? Nutnost výroby chladu: • • • •

potravinářství - úschova potravin, surovin, přeprava potravin průmysl – výrobní technologie (chlazení výrobních procesů, klimatizace) stavby pro sport a kulturu - klimatizace, výroba chladu pro ledové plochy gastro provozy - sklady potravin, technologie uchovávání potravin

•

administrativní budovy a budovy pro bydlení: – klimatizace budov (úprava přiváděného vzduchu, úprava vnitřního prostředí) – chlazení technologií (komunikační zařízení, servovny) – potřeba chladu pro příslušenství administrativních budov a přidružených provozů (gastro provozy, sklady)



Proč potřebujeme chladit Co ovlivňuje potřebu chladu v budovách? Klimatizace - systémy zajišťující tvorbu vnitřního prostředí obytných budov Měřítko a základní kriterium pro klimatizaci budov je ČLOVĚK … jeho potřeby a požadavky …

Vnější faktory • klimatické poměry (teplota, vlhkost, vítr, srážky) • expozice budovy v exteriéru (orientace, terén, nadm. výška)

Vnitřní faktory • člověk (věk, pohlaví, činnost, oděv ..) • technologie, vnitřní zařízení (zdroje škodlivin, atd.) • provoz budovy

Vnitřní prostředí

Energetická náročnost

Systémy TZB (koncepce zařízení, provoz) • větrání a klimatizace • vytápění • systém MaR

Objekt • architektonický koncept (tvar, členitost, prosklení, atd.) • dispoziční řešení (funkce objektu, zónování)



Volba koncepce chlazení Rozhodovací proces volby koncepce chladícího zařízení :

Je v posuzovaném prostoru nezbytně nutné chlazení? ANO NE ?? využity dostupné systémy eliminace vzniku tepelných zisků ??

NE

ANO

?? možnost alternativního způsobu chlazení ??

NE

ANO ?? jiná alternativa ??

- pasivní chlazení -

ANO

NE - strojní chlazení -

Další parametry pro výběr chladícího zařízení : – investiční a provozní náklady; – požadovaný výkon zařízení, regulovatelnost, pokrytí potřeby chladu - celodenního a celoroční; – vlastnosti chladiva, jeho toxicita a vhodnost použití; – prostorové požadavky, dispoziční řešení objektu, umístění strojovny; – provozní vlastnosti: údržba zařízení, hluk;



Návrh chladícího zařízení Stanovení tepelné zátěže o ČSN 730548, 1986 Výpočet maximální tepelné zátěže se stanovuje se pro typický slunný den – 21. července Podle orientace budovy (zejména prosklení) lze zvážit i jiný den – hledání maxima souběhu tepelné zátěže

o VDI 2078 (1992)

Příkon zařízení Čistý chladící výkon Systémové řešení

Zjednodušená metoda

o Dynamická simulace Roční průběh v dynamickém modelu Výpočet Špičková tepelná zátěž Roční průběh tepelné zátěže - analýza

Tepelné zisky + akumulace

vnitřní


vnější


Tepelná zátěž Obecný princip výpočtu tepelné zátěže • Zjištění vlivu přímé a difuzní radiace – vnější tepelná zátěž – Zohledňujeme průsvitné a neprůsvitné obvodové konstrukce • Zjištění důsledků vnitřního provozu – vnitřní tepelná zátěž – Zohledňujeme vnitřní produkci tepla a vlhkosti spojenou s provozem – Lidé, – Vybavení, – Osvětlení, – Technologie, – další …



Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky • Okrajové podmínky - klimatická data sluneční radiace • •

přímá sluneční radiace – je způsobena přímým zářením slunce; je směrová nepřímá (difúzní) sluneční radiace - vzniká rozptylem a odrazem přímé sluneční radiace od prachových částic ve vzduchu, od větších molekul a od osluněných povrchů; je všesměrová



Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky • Okrajové podmínky – Výpočet polohy slunce • Sluneční deklinace δ M je číslo měsíce (1 až 12) Měsíc

Březen

Duben

Květen

Červen

Červenec

Srpen

Září

Říjen

δ [°]

0

11,8

20,4

23,5

20,4

11,8

0

-11,8



Tepelná zátěž



Tepelná zátěž



Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky • Okrajové podmínky – INTENZITA SLUNEČNÍ RADIACE • přímá sluneční radiace – je působena přímým zářením slunce a je směrová • nepřímá (difúzní) sluneční radiace - vzniká rozptylem a odrazem přímé sluneční radiace od prachových částic ve vzduchu, od větších molekul a od osluněných povrchů; je všesměrová • Sluneční konstanta I0 - Intenzita sluneční radiace na hranici zemské atmosféry; průměrná hodnota je 1350 W/m2



Tepelná zátěž

[W/m2] Měsíc

Březen

Duben

Květen

Červen

Červenec

Srpen

Září

Říjen

z [-]

3,0

4,0

4,0

5,0

5,0

4,0

4,0

3,0



Tepelná zátěž

[W/m2]



Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky • Okrajové podmínky – INTENZITA DIFUSNÍ SLUNEČNÍ RADIACE

[W/m2]

• INTENZITA CELKOVÉ SLUNEČNÍ RADIACE [W/m2]



Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky • Okrajové podmínky - venkovní teplota • Stanovení venkovní teploty zjednodušenou metodou [°C]

• Detailním výpočtem – Podle typu okolních povrchů, množství zeleně, charakteru zástavby • Viz emisivita a pohltivost materiálů



Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky Průsvitné konstrukce - Energetická bilance okna • spektrum elektromagnetického záření: • • •

a) ultrafialové záření (0,2-0,4 µm) – pohlceno téměř úplně plyny v atmosféře b) viditelné záření (0,4-0,7 µm) – světelná energie – barva závislá na vlnové délce (fialové, modrá, zelená, žlutá, oranžová, červená) c) krátkovlnné infračervené záření – 0,7-3 µm – lidské oko není citlivé

– a) + b) + c) = krátkovlnné záření d) tepelné infračervené záření > 3 µm

– dlouhovlnné záření – sklo jej nepropouští



Tepelná zátěž Vnější tepelné zisky • Prostup tepla – Oknem – Stěnou

[W]

• střední • těžká • lehká • • •

[W]

tr rovnocenná sluneční teplota venkovního vzduchu [°C] trm průměrná rovnocenná sluneční teplota vzduchu za 24 hodin [°C] try rovnocenná sluneční teplota v době o y dřívější [°C]

• Sluneční radiace Přímé

difúzní záření

Ohřívá povrchy – stavební konstrukce, zařízení Do vzduchu se dostává se zpožděním konvekcí.



Tepelná zátěž Vnitřní tepelné zisky • Osoby • Vybavení – elektronická zařízení (kancelářské vybavení), provozní vybavení (přístroje), aj. – Současnost chodu, doba provozu, • Osvětlení – uvážit pouze osvětlení, které bude při posuzovaném slunečném dni skutečně v provozu Teplo z osvětlení

Převážně sdílené konvekcí

Teplo z výpočetní techniky

Teplo z lokálních svítidel

Teplo z ostatních zařízení

Teplo, vodní pára z lidí

Sdílení tepla s sousedícími prostory



Tepelná zátěž Obecný princip výpočtu tepelné zátěže • Pro stanovení návrhového chladícího výkonu hledáme špičkovou kombinaci vnitřní a vnější tepelné zátěže. • Nesmíme pominout rozložení zátěže v návrhovém dni. 40.0

Tepelné zisky, chladící výkon [kW]

20.0 0.0

-20.0 -40.0

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Prosklené konstrukce Neprůsvitné konstrukce Infiltrace Osvětlení Osoby

-60.0 -80.0

-100.0



Tepelná zátěž Obecný princip výpočtu tepelné zátěže • Vhodné znát i rozložení tepelné zátěže v průběhu roku – definice období s požadavkem na chlazení. – Nutné mít relevantní klimatická data pro celý rok. Operativní, radiační a teplota vzduchu Venkovní teplota vzduchu

Potřeba tepla na vytápění

Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Potřeba Výroba, chladu distribuce a emise chladu v budovách


Příprava koncepce chlazení Co je nutné zohlednit při návrhu chlazení? Požadavky prostoru: • Požadavky na vnitřní prostředí chlazeného prostoru – operativní teplota, rychlost vzduchu, asymetrie sálání – nutnost jejich dodržení – povolená míra diskomfortu • Co chladíme – pobytové prostředí osob, nebo technologie • Tepelná zátěž – návrhový extrémní stav, rozložení v čase (dni, roce)



Příprava koncepce chlazení Co je nutné zohlednit při návrhu chlazení? Technické požadavky : • Přípojné parametry zdroje chladu – elektrický příkon, potřeba tepla (absorpční systém) • Prostorové požadavky – umístění zdroje chladu, maření odpadního tepla • Rozvod chladu – jakým způsobem zajistíme jeho rozvod po objektu – Centrální systém kontra lokální – Vzduchotechnikou, vodním systémem, nebo jiným • Sdílení chladu – jakým způsobem zajistíme odvod tepelné zátěže z chlazeného prostoru



Příprava koncepce chlazení Výpočet chladícího výkonu zdroje chladu • Maximální hodnota tepelné zátěže nutně nemusí být rovná chladícímu výkonu zařízení. • Vliv masy stavebních konstrukcí a vybavení

Okamžitá tepelná zátěž Průběh zátěže v lehké stavbě Průběh zátěže v středně těžké stavbě Průběh zátěže v těžké stavbě

Okamžitá tepelná zátěž Sálavá složka

Konvekční složka

Akumulace tepla ve stavbě a vybavení

Požadovaný chladící výkon Konvekční složka s časovým zpožděním



Příprava koncepce chlazení Výpočet chladícího výkonu zdroje chladu • Maximální hodnota tepelné zátěže nutně nemusí být rovná chladícímu výkonu zařízení. • Vliv aktivně akumulovaného chladu v technickém systému E Qch Qn En Ech

Maximální denní spotřeba chladu výkon chladící jednotky při provozu klimatizace výkon chladící jednotky při nabíjení zásobníku akumulovaná energie v zásobníku Energie vyrobená během dne

1375 kWh 93 kW

Špičková zátěž 250 kW

67 kW 536 kWh 744 kWh

Qc - maximální tepelná zátěž budovy Qn – noční akumulace chladu Qch – přímá produkce chladu Tn - provozní doba nabíjení akumulace Tch - provozní doba zdroje chladu

E = En + Ech = Qn * Tn + Qch * Tch



Základy výroby chladu Příprava chladu – základní rozdělení umístění zdroje chladu • centrální – nová výstavba - administrativní celky, – rekonstrukce stávajících administrativních budov v závislosti na místních podmínkách, apod.; • lokální – menší celky, – lokální potřeba chladu u prostor se zvláštním určením, – rekonstrukce objektů, – adaptace stávajících prostor na nové účely; využití chladu v koncové spotřebě • přímé chlazení chladivem – výparník chladí přímo distribuovaný vzduch – menší zařízení, lokální úprava vzduchu, VZT jednotky; • nepřímé chlazení – výparník chladí kapalinu – distribuční medium vedené ke koncovým spotřebičům;



Základy výroby chladu Centrální příprava chladu - tzv. strojní chlazení Systémová běžná řešení dle procesu výroby chladu • kompresní chlazení – klasický zdroj chladu • absorpční chlazení – využití odpadního tepla Okrajová řešení: • chlazení studeným vzduchem (pasivní chlazení) • chlazení vodou jako chladivem a s pohonem proudem vodní páry • termoelektrického chlazení s přívodem el. energie (tzv. Peltierův článek) ( využití chlazení ve výpočetní technice – chlazení procesorů apod.)

absorpční chladící jednotka

Peltierův efekt 1834 - protéká-li stejnosměrný elektrický proud z vnějšího zdroje dvěma spojenými vodiči z různých kovů pak vzniká teplotní rozdíl mezi oběma spoji, efekt závisí na druhu kovů a na jejich teplotě.



Základy výroby chladu Příprava chladu - strojní chlazení Principiální skladba zařízení distribuční rozvod chladu

zdroj chladu - chladící jednotka -

obsluhovaný prostor

tepelné zisky

výparník

koncový spotřebič chladu

kondenzátor zisky chlazení kondenzátoru Distribuční medium: • chladící voda - teplotní spád 6/12; 18/25 °C, pozn. nutný odvod kondenzátu z koncového spotřebiče, v závislosti na potřebě odvlhčení vzduchu • vzduch - klimatizace • samotné chladivo - chladivové systémy, přímé výparníky • roztoky soli - nemrznoucí směs pro t < 0°C Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Základy výroby chladu Princip zdroje chladu – teoretické základy • vychází ze základního termodynamického cyklu – Carnotova cyklu

• periodicky pracující vratný cyklus mezi dvěma tepelnými lázněmi (ohřívací a chladící) s cílem zisku práce z tepla přivedeného pracovní látce 1-2 izotermická expanze – ohřívací lázni je odebráno teplo q1,2 přivedené do cyklu za konstantní teploty pracovní látky, mění Odběr tepla z okolí se její objem Odběr tepla z okolí 2-3 adiabatická expanze – pracovní látka nesdílí teplo s okolím, její teplota a tlak klesá 3-4 izotermická komprese – z cyklu odchází teplo q3,4 do chladící lázně při konstantní teplotě pracovní látky Dodávka tepla do okolí

Dodávka tepla do okolí

Účinnost cyklu:

η=

q1, 2 − q3, 4 q1, 2

= 1−

Tmin Tmax

4-1 adiabatická komprese – pracovní látka nesdílí teplo s okolím, její teplota a tlak roste



Základy výroby chladu Parní kompresorový cyklus • nejrozšířenější princip chladících zařízení • pracuje na principu změny skupenství a následné komprese par chladiva 1-2 izoentropická komprese (K) – dodává se práce at1,2 kompresoru 2-3 izobarický odvod tepla (C) – pracovní látka přes kondenzátor odvádí teplo q2,3

at1,2

3-4 škrcení – adiabatický proces expanze pracovní látky

Pro charakteristiku chladícího okruhu se používá tzv. chladící faktor (někdy nazývaný COP) – vztahuje se k teplu odebranému ochlazovanému prostředí

ε ch =

q4,1 at1, 2

Technická práce pro stanovení COP musí obsahovat i příkony obslužných zařízení – ventilátory chladiče, oběhová čerpadla, regulace, aj.

4-1 izotermicko – izobarický přívod tepla pracovní látce (V) – teplo q4,1 je odebíráno okolí výparníku

topný faktor používaný pro tepelná čerpadla se vztahuje k „teplu získanému“ z okruhu

εt =


q2 , 3 at1, 2


Základy výroby chladu Zdroje chladu Příklad řešení - Parní kompresorový cyklus Chlazení kondenzátoru

Kompresor

Zásobník chladící vody okruhu zpětného chlazení kondenzátor – chlazení pomocí otevřené chladící věže + zásobník vody okruhu zpětného chlazení



Základy výroby chladu Absorpční chladící cyklus • Principem je pohlcování par chladiva jinou látkou tzv. absorbentem, ze kterého za vyššího tlaku přiváděním tepla se chladivo opět vypuzuje. • Nejpoužívanějšími pracovními dvojicemi chladiva a absorbentu jsou čpavek/voda a voda/bromid lithný (LiBr). V

p

C

dodávka tepla Qv

Qk

dodávka el. energie N

RV 1 A

pk

RV 2

RV 2

RV 1

S

dodávka tepla Q0

p0 T

Qa

bohatý roztok chudý roztok

kapalné chladivo páry chladiva

S – výparník A – absorber

C – kondenzátor V – varník



Základy výroby chladu Absorpční chladící cyklus • Principem je pohlcování par chladiva jinou látkou tzv. absorbentem, ze kterého za vyššího tlaku přiváděním tepla se chladivo opět vypuzuje. • Nejpoužívanějšími pracovními dvojicemi chladiva a absorbentu jsou čpavek/voda a voda/bromid lithný (LiBr). • odpařené chladivo o počátečním tlaku p0 přechází do absorberu A p V C • je absorbováno absorbentem dodávka tepla • teplota těsně pod bodem varu – téměř Qv Qk nasycená kapalina, proto se z absorberu A odvádí teplo Qa. odvod tepla dodávka el. • důsledkem absorpce je tzv. bohatý roztok, energie N • čerpadlo Č o příkonu Nč jej dopravuje do RV 1 RV 2 varníku V za současného zvýšení tlaku na pk. • do varníku V přivedeme tepelný tok Qv, A S kterým je bohatý roztok uveden do varu. dodávka tepla • chladivo se z roztoku vyloučí a chudý roztok Q0 se vrací přes redukční ventil RV 1 zpět do absorberu A. • vyloučené páry chladiva se odvádí do kapalné chladivo kondenzátoru C, kde odvedením tepla Qk bohatý roztok odvod tepla Qa chudý roztok páry chladiva zkapalní a přes škrtící ventil RV 2 odvede zpět do výparníku S. Přednáška předmětu Energetické systémy budov 2 – Výroba, distribuce a emise chladu v budovách


Lokální systémy chlazení Lokální příprava chladu -

pro klimatizaci obytných budov a lokální chlazení (servovny, telekomunikační zařízení např. vysílače mobilních operátorů)

•

okenní kompaktní klimatizátory (doplňková klimatizace místností)

•

samostatné kondenzační jednotky (variabilní koncový spotřebič chladu)

•

mobilní klimatizátory … (doplňkové provizorní řešení)



Lokální systémy chlazení Lokální příprava chladu •

klimatizační jednotky typu "SPLIT " (klimatizace místností, kondenzační jednotka umístěna mimo objekt ve venkovním prostředí)

•

" SPLIT " jednotky s vodou chlazeným kondenzátorem (klimatizace místností, kondenzační jednotka umístěna v objektu a napojena na vodovodní řad, cca 45 Kč/hod provozu)

•

Multi-SPLIT systémy Kondenzační jednotka obsluhuje více výparníkových připojených na společném rozvodu pracovního média kompresorového okruhu



Centrální systémy chlazení Systém chlazení pokrývající potřebu chladu v budově se skládá z několika částí: • zdroje chladu • rozvodu chladu k jednotlivým koncovým zařízením • zabezpečovacího zařízení • koncových odběrných zařízení • zařízení chladící kondenzátor zdroje chladu

okruh distribučního media

okruh chladiva

okruh chladící vody



Centrální systémy chlazení Zdroje chladu Kompresní chladící zařízení • obvykle se dělí podle způsobu chlazení kondenzátoru – s přímým chlazením kondenzátoru – venkovní jednotky, u kterých je kondenzátor chlazen venkovním vzduchem – s vodou chlazeným kondenzátorem – kapalinový okruh (směs vody a nemrznoucí směsi) mezi kondenzátorem a vnějším chladícím zařízením – s externím kondenzátorem – podobně jako u split systémů, je kondenzátor vyveden mimo jednotku do venkovního prostředí



Centrální systémy chlazení Zdroje chladu Absorpční chladící zařízení • vyžaduje tepelný tok o vysokém potenciálu • podle kombinace absorbentu a chladiva je teplota media dodávající teplo většinou nad 100 °C • využití místě s možností využití levné tepelné energie - průmyslová pára, odpadní teplo, sluneční energie apod.; • využití tepla a tepelných zisků z technologií v letním období; • významné využití u tzv. trigenerace (kombinovaná výroba tepla, chladu a el. energie pomocí klasické kogenerační jednotky - CHCP); • požadavek na hospodárnost provozu - cena tepla / cena el. energie < 0,14

El. energie U T

Kogenerační jednotka

TV

Tepelná energie

Absorpční jednotka


Chladič kondensátoru

Spotřebič chladu


Centrální systémy chlazení Strojovna chladu • řešení dle uspořádání zdroje chladu – volné – jednotlivé části systému odděleny – kompaktní – systémová řešení • (chillery – výrobníky studené vody) • umístění zajistit výměnu zařízení, montáž – suterén – nutné zajistit externí chlazení kondenzátoru, – zajistit větrání v případě havárie a úniku chladiva – nesmí sdílet prostor s jiným systémem (například VZT) – střecha – únosnost střešní konstrukce – obtěžování hlukem do okolí – přímé chlazení kondenzátoru

Chladící výkon [W]

Půdorysná plocha [m2]

12 000 – 120 000

10 – 20

120 000 – 350 000

20 – 40

350 000 – 700 000

40 – 60

700 000 – 1 120 000

60 – 80

1 120 000 – 1 750 000

85

1 750 000 – 2 350 000

100

CHLADIČ

SPOTŘEBIČ CHLADU

strojovna chladu - suterén objektu chladič - mimo objekt, střecha

ZDROJ CHLADU



Centrální systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Systémy zpětného chlazení • otevřené chladiče – chladící věže • uzavřené chladiče – chladící okruh proudí přes vzduchem chlazený výměník • chladící bazény

a) pomocí chladící věže

b) pomocí chladícího bazénu

c) vzduchový chladič



Centrální systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Chladící věže – schéma zapojení otevřené chladící věže – chladicí voda kondenzátoru je rozprašována do proudu chladícího vzduchu

1. Chladící věž 2. Čerpadla 3. Dodávka doplňkové vody 6. Filtr 15. Zásobní nádrž 16. Úprava vody 17. Místo chlazení kondenzátoru



Centrální systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Chladící věže – schéma zapojení uzavřené chladící věže se skrápěným výměníkem – vodou skrápěný vzduchem chlazený výměník, kterým proudí chladící okruh kondenzátoru - Intenzivnější odvod tepla z mokrého výměníku - skrápění vodou, odpar vodní páry

Převzato z webu firmy Chladicí věže Praha



Centrální systémy chlazení Chlazení kondenzátoru Suché chladiče Klady: • kompaktní systémové řešení

kondenzátor chlazený vzduchem

• prostorová nenáročnost • jednoduchá údržba • široká variabilita

Zápory: • hlučnost • nutnost venkovní část opatřit protimrazovou ochranou • zajistit odtok kondenzátu

oběhová čerpadla



Děkuji za pozornost

Daniel Adamovský ČVUT – Fsv, katedra TZB email: [email protected]

České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební ESB 2. Výroba, distribuce a emise chladu v budovách Část 1

Recommend Documents