INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
CZ.1.07/1.1.00/08.0010
SDÍLENÍ TEPLA A ÚSPORY ZATEPLENÍM I. Ing. MARKÉTA PETŘÍKOVÁ
TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Sdílení tepla a úspory zateplením – I. květen 2011
Základní pojmy • Sdílení tepla je přenosový jev, při němž dochází k předávání tepla z míst o vyšší teplotě do míst o nižší teplotě. Předpokladem k předávání tepla je existence teplotního pole, tj. nerovnoměrného rozložení teploty v prostoru, v obecném případě trojrozměrný • Největší změna teploty v teplotním poli nastává ve směru normály k izotermním plochám • Gradient teploty je vektor, směřující od nižší teploty k teplotě vyšší, tj. opačným směrem než je přenášeno teplo.
dT grad T = dn
• Proces přenosu tepla probíhá v závislosti na čase, a to stacionárně nebo nestacionárně • Teplo , vztažené na jednotku času , nazýváme tepelný tok, případně tepelný výkon • Tepelný tok, procházející určitou plochou , je plošná hustota tepelného toku
Q J & Q = =W τ s
Q& W q& = 2 A m
Následující kapitoly jsou věnovány stacionárnímu jednorozměrnému přenosu tepla.
Vedení tepla – kondukce • Sdílení tepla vedením (kondukcí) je způsob přenosu tepla, při němž se teplo šíří pouze v důsledku tepelného pohybu strukturních částic hmoty. Nastává v tuhých tělesech a ve velmi tenkých nepohybujících se vrstvách kapalin a plynů. • Fourierův zákon pro vedení tepla:
q& = −λ ⋅ gradT
V následujících kapitolách se předpokládá λ=konst a teploty povrchu stěn t1>t2 >... > tn .
• Plošná hustota tepelného toku pro rovinnou plochu o velikosti A[m2] • Plošná hustota tepelného toku pro válcovou plochu o poloměru r[m] a délce L [m] Q& dt q& = = −λ ⋅ A dx
Q& dt q& L = = −λ ⋅ ⋅ 2 ⋅ π ⋅ r L dr
Stacionární jednorozměrné vedení tepla neohraničenou rovinnou stěnou o tloušťce δ δ
Úpravou Fourierova zákona se získá vztah pro plošnou hustotu tepelného toku jednoduchou rovinnou stěnou:
dt ( t1 − t2 ) q& = −λ ⋅ = δ dx λ
t1
q
λ
t1> t2
t2
Stacionární jednorozměrné vedení tepla neohraničenou rovinnou stěnou, složenou z n vrstev Úpravou Fourierova zákona se získá vztah pro plošnou hustotu tepelného toku složenou rovinnou stěnou:
t1 − tn +1 ) ( q& = δ ∑ i =1 λ
δ
δ
1
t1
δ
2
3
t2
q t3
i =n
λ
1
λ
2
t1> t 2> t 3> t 4
λ
t4 3
Stacionární jednorozměrné vedení tepla neohraničenou válcovou stěnou o tloušťce (r2-r1) d 2
Úpravou Fourierova zákona se získá vztah pro plošnou hustotu tepelného toku jednoduchou válcovou stěnou:
d1
t2
2 ⋅ π ⋅ ( t1 − t2 ) q& L = d2 ln d1 λ
q t1
λ
t2> t1
Stacionární jednorozměrné vedení tepla neohraničenou válcovou stěnou, složenou z n vrstev d4
d3
d2
Úpravou Fourierova zákona se získá vztah pro plošnou hustotu tepelného toku složenou válcovou plochou:
d1
t4
t3
2 ⋅ π ⋅ ( t1 − tn ) q& L = di+1 ln i=n di ∑ λi i =1
q
t2
t1
λ
3
λ
2
λ
1
t1< t 2< t 3< t4
Přestup tepla – konvekce – přenos tepla prouděním •Sdílení tepla přestupem (konvekcí, prouděním) je způsob přenosu tepla v pohybujících se tekutinách •Teplo se šíří účinkem tepelné vodivosti při ohřevu nebo ochlazování tekutiny v blízkosti teplosměnné plochy •Jedná se o výměnu tepla mezi tekutinou a obtékanou stěnou tuhého tělesa • Jednotlivé případy přestupu tepla se liší fyzikální podstatou a charakterem proudění a jsou popsány dále
Newtonův zákon, platný pro případ přestupu tepla:
q& = α ⋅ ( ts − tt )
q& = α ⋅ ( tt − ts ) tt
tS
α
q
α
q tS tt
t S> t t
tt > tS
Hodnota součinitele přestupu tepla α[W/(m·K)] závisí na druhu konvekce, geometrii obtékaní stěny a na fyzikálních vlastnostech proudící tekutiny
Hodnota Nusseltova čísla se počítá z kriteriální rovnice, která nejlépe vyhovuje konkrétnímu zadání: vlastnostem zadané tekutiny tvaru stěny a způsobu obtékání
Volná konvekce je vyvolána vlivem vztlakových sil, Nusseltovo číslo závisí na hodnotách Prandtlova a Grashoffova čísla
ν ⋅ ρ ⋅cp η ⋅cp ν Pr = = = a λ λ :
g ⋅ du ⋅ γ ⋅ ∆t Gr = 2 ν 3
Nucená konvekce je vyvolána čerpadlem nebo kompresorem, Nusseltovo číslo závisí na hodnotách Prandtlova a Reynoldsova čísla
ν ⋅ ρ ⋅cp η ⋅cp ν Pr = = = a λ λ
w ⋅ du Re = ν
Prostup tepla – kombinovaný způsob přenosu tepla Prostup tepla je způsob přenosu tepla, vzniklý kombinací přestupem tepla z tekutiny do stěny na jedné straně stěny, vedení tepla dělicí stěnou a přestupem tepla ze stěny do tekutiny na druhé straně stěny.
Prostup tepla rovinnou stěnou Při prostupu tepla jednoduchou rovinnou stěnou vyjádříme přestup–vedení–přestup třemi rovnicemi: rovnice 1 – přestup tepla z tekutiny do stěny
rovnice 2 – vedení stěnou jednoduchou rovinnou stěnou
rovnice 3 – přestup ze stěny do tekutiny
1 tt1 − ts1 = q& ⋅ α1
δ ts1 − ts 2 = q& ⋅ λ 1 ts 2 − tt 2 = q& ⋅ α2
Součtem rovnic 1, 2 a 3 se získá vztah pro stanovení plošné hustoty tepelného toku při prostupu tepla jednoduchou rovinnou stěnou :
tt 1 − tt 2 q& = 1 δ 1 + + α1 λ α 2
Podobným způsobem se postupuje při sestavování vztahu pro složenou rovinnou stěnu. Výsledný vztah pro plošnou hustotu tepelného toku při prostupu tepla složenou rovinnou stěnou :
tt1 − tt 2 q& = = k ⋅ ( tt1 − tt 2 ) i =n δi 1 1 +∑ + α1 i =1 λi α 2
t t1
α1 t S1
q t S2
λ
α2 t t2
t t1 > t S1 > t S2> t t2
δ
δ
1
δ
2
3
t t1
α1 t S1
t S2
q t S3 t S4
λ
1
λ
2
λ
α2 3
t t2 t t1 > t S1 > t S2> t S3 > t S4 > t t2
Prostup tepla válcovou stěnou Řešení prostupu tepla jednoduchou válcovou stěnou vychází (stejně jako u rovinné stěny) ze tří rovnic: 1 rovnice 1 – přestup tepla z tekutiny do stěny
rovnice 2 – vedení stěnou jednoduchou válcovou stěnou
rovnice 3 – přestup ze stěny do tekutiny
tt1 − ts1 = q& L ⋅
α1 ⋅ π ⋅ d1
d2 δ ts1 − ts 2 = q& L ⋅ ⋅ ln λ ⋅π d1 1 ts 2 − tt 2 = q& L ⋅ α1 ⋅ π ⋅ d 2
Plošná hustota tepelného toku při prostupu tepla jednoduchou válcovou stěnou
π ⋅ ( tt1 − tt 2 ) = kV ⋅ ( tt1 − tt 2 ) q&L = d2 δ 1 1 + ⋅ ln + α1 ⋅ d1 2⋅ λ d1 α2 ⋅ d2 plošná hustota tepelného toku při prostupu tepla složenou válcovou stěnou
π ⋅ ( tt1 − tt 2 ) q&L = = kV ⋅ ( tt1 − tt 2 ) i =n δi di+1 1 1 +∑ ⋅ ln + α1 ⋅ d1 i=1 2⋅ λi di α2 ⋅ dn+1
d2 d1 t t2
α2 t S2
q t S1
λ
α1 t t1
t t1 < t S1 < t S2< t t2
d4 d3 d2 d1 t t2
α2 t S4
t S3
q t S2
t S1
λ
3
λ
2
λ
α1 1
t t1
t t1 < t S1 < t S2< t S3 < t S4 < t t2
Sdílení tepla sáláním – radiací Přenos tepla mezi rovnoběžnými stěnami
Přenos tepla mezi tělesy
Kirchhoffův zákon dokonale černé těleso
dokonale šedé těleso
Sdílení tepla sáláním – radiací Přenos tepla mezi rovnoběžnými stěnami
T1 4 T2 4 Q&1,2 = ε1,2 ⋅ c 0 ⋅ S ⋅ − 100 100
c0 = σ 0 ⋅ 10
8
konstanta sálání dokonale černého tělesa −8
−2
σ 0 = 5,775 ⋅ 10 W ⋅ m ⋅ K
−4
Přenos tepla mezi tělesy
T1 4 T2 4 Q&1,2 = ε1,2 ⋅ c 0 ⋅ S1 ⋅ − 100 100
ε1,2
1 = 1 S1 1 + ⋅ − 1 ε1 S2 ε 2
ukázka tabulek pro sdílení tepla
ukázka tabulek fyzikálních vlastností látek
Pochopili jste, co se skrývá pod pojmem přenos tepla??? Dokážete určit, který způsob přenosu tepla dominuje na následujících obrázcích???
děkujeme za pozornost
Sdílení tepla a úspory zateplením – II. červen 2011
Energetický tok oknem při různém druhu zasklení Velký výběr nabízených systému zasklení usnadňuje projektantům práci při návrhu vhodného druhu pro dané použití. Rozhodujícím faktorem budou při výběru tepelně technické parametry, hlavně v době, kdy rostoucích cen primárních zdrojů a je nutné šetřit. Samozřejmě je nutné provést také ekonomickou analýzu problému, aby byla zaručena reálná návratnost vynaložených finančních prostředků.
Základní druhy zasklení 1. dvojsklo s mezerou vyplněnou vzduchem 2. dvojsklo s mezerou vyplněnou argonem, kryptonem, xenonem 3. dvojsklo s mezerou vyplněnou argonem (kryptonem, xenonem) a pokovením 4. dvojsklo s mezerou vyplněnou argonem (kryptonem, xenonem) a přidanou fólií 5. trojsklo s mezerou vyplněnou argonem (kryptonem, xenonem) 6. trojsklo s mezerou vyplněnou argonem (kryptonem, xenonem) a přidanou fólií 7. plus další kombinace počtu skel, druhu plynu, pokovení a fólií
Součinitele prostupu tepla různých kombinací zasklení
Fólie Heat Mirror
Rozdíl v umístění pokovení a fólie
Pokovení
U = 3 W⋅m-2⋅K-1 g = 77% prostup světla = 81%
U = 3 W⋅m-2⋅K-1 g = 77% prostup světla = 81% vrstvička kovu a argon
Porovnání vlastností různých typů zasklení
Dvojsklo
Heat Mirror
Trojsklo
Tloušťka
Hmotnost
[mm]
[kg.m-2]
Fl4-16Air-Fl4
24,5
Fl4-16Ar-Le4
U vertical
g
Rsol
Tvis
Rvis
TUV
[W.m-2.K1 ]
[%]
[%]
[%]
[%]
[%]
20
2,80
76
13
81
15
44
24,5
20
1,12
63
24
79
13
20
Fl4-16Kr-Le4
24,5
20
1,02
63
24
79
13
20
Fl4-12Ar-TC88-12Ar-Le4
32,5
20
0,78
43
33
64
12
0,4
Fl4-10Kr-TC88-10Kr-Le4
28,5
20
0,58
43
33
64
12
0,4
Fl4-12Ar-SC75-12Ar-Le4
32,5
20
0,76
32
44
61
21
0,3
Fl4-10Kr-SC75-10Kr-Le4
28,5
20
0,56
32
44
61
21
0,3
Fl4-10Ar-Le4-10Ar-Le4
32,5
30
0,82
53
28
71
16
8
Základní druhy vyráběných skel: Plavená skla – float Vrstvená skla – dvě a více tabulí mezi, které se vkládá polyvinylbutyralová fólie (PVB), tato skla se označují jako bezpečnostní Tvrzená (kalená) skla – další typ bezpečnostních skel. Sklo je zahřáno do bodu měknutí (650°C) a následně prudce ochlazeno. Tato úprava dodá sklu pětkrát větší odolnost oproti obyčejnému Zrcadla – na jednu stranu se nanese vrstvička stříbra a lak Protipožární skla – tabule skla jsou spojeny protipožární vrstvou, která při požáru zpění a vytváří tak ochrannou vrstvu.
Běžně dostupné okenní systémy na trhu
Běžně dostupné okenní systémy na trhu
Faktory ovlivňující konečné vlastnosti oken
Vliv distančního rámečku
Faktory ovlivňující konečné vlastnosti oken Umístění oken
Legislativa Požadavky na výplně otvorů dle nařízení vlády č. 163/2002 Sb. 1. Mechanická odolnost a stabilita 2. Požární bezpečnost 3. Hygiena, ochrana zdraví a životního prostředí 1. Bezpečnost při užívání 2. Ochrana proti hluku 3. Úspora energie a ochrana tepla
Legislativa Základní požadavky: Šíření tepla konstrukcí Nejnižší vnitřní povrchová teplota konstrukce Součinitel prostupu tepla Šíření vlhkosti konstrukcí Zkondenzovaná vodní pára uvnitř konstrukce Roční bilance kondenzace a vypařování vodní páry uvnitř konstrukce Šíření vzduchu konstrukcí a budovou Průvzdušnost Tepelná stabilita místností Energetická náročnost budovy
Legislativa Důležité parametry z výše uvedeného jsou: • nejnižší povrchová teplota θsi [°C], musí být zaručena vždy vyšší, než je teplota rosného bodu, aby nedocházelo ke kondenzaci vodních par na povrchu a následnému vzniku plísní • součinitel prostupu tepla U [W·m-2·K-1] •lineární činitel prostupu tepla ψ [W·m-1·K-1] •průvzdušnost funkčních spár výplní otvorů iLV [m3·h-1·m-1]
Zkoušky oken Výrobky se posuzují podle šesti základních kritérií: 1. Posouzení výrobku s technickou dokumentací. 2. Průvzdušnost podle ČSN EN 1026 a průvzdušnost po zkoušce zatížení větrem. 3. Vodotěsnost podle ČSN EN 1027. 4. Odolnost proti zatížení větrem podle ČSN EN 12211. 5. Únosnost omezovačů otevření a odolnost proti statickému kroucení podle ČSN EN 14609. 6. Prostup tepla výpočtem nebo měřením.
Blow-door test Princip zkoušky spočívá ve zjištění objemu vzduchu, který uniká pláštěm budovy. Test těsnosti je důležitý zejména u nízko energetických a pasivních budov, do kterých se instaluje nucené větrání a je požadována co největší těsnost. Zkouška spočívá v instalování ventilátoru, například do vstupních dveří. Ten vytváří podtlak, nebo přetlak, podle toho co chceme a následně se sleduje, kolik vzduchu se musí přivést, aby se udržel po stanovenou dobu daný tlakový rozdíl. Množství přivedeného vzduch pro udržení rozdílu tlaků je roven ztrátám průvzdušností.
Blow-door test
Princip měření termočlánkem Princip měření je založen na termoelektrickém jevu. Vzniká ve speciálních případech, kdy zahřejeme vodič elektrického proudu. V něm dochází k přeměně vnitřní energie na elektrickou, tu změříme na mikrovoltmetru
Princip měření snímačem tepelného toku Snímač se nalepí na povrch, kde chceme měřit. Procházející tepelný tok přes fólii je přímo úměrný teplotní diferenci. Tok procházející přes fólii je stejný jako ten co prochází přes plochu, kde je nalepena. Mikrovoltmetr nám ukáže napětí odpovídající tomuto tepelnému toku.
dě za kuj po em zo e rn os t
děkujeme za pozornost
