AT 02 TZB II a technická infrastruktura
LS 2012
Tepelně vlhkostní bilance budov
10. Přednáška
Ing. Olga Rubinová, Ph.D.
Harmonogram t.
část
Přednáška
Cvičení
1
UT
Mikroklima budov, výpočet tepelných ztrát
TZ – obálka ?
2
Otopné soustavy – základní rozdělení prvků
Tepelná ztráta
3
Otopná tělesa, potrubní rozvody, armatury, zabezpečovací zařízení
Otopná tělesa
4
Zdroje tepla pro vytápění, plynové spotřebiče, příprava teplé vody
Rozvody
5
Kotelny a předávací stanice
Výkresy
6
Obnovitelné zdroje energie pro vytápění
Kotel
Význam vzduchotechniky, přirozené větrání
LABORATOŘ
8
Proudění vzduchu, nucené větrání
Přirozené větrání
9
Strojovna vzduchotechniky a prostorové nároky VZT
Distribuce vzduchu
10
Tepelné bilance
VZT potrubí a VZT jednotka
11
Klimatizační systémy a chlazení pro vzduchotechniku
Tepelná zátěž
12
Hluk ve vzduchotechnice, zpětné získávání tepla
Klimatizace
13
Aplikace vzduchotechnických systémů v občanských stavbách
Zápočet
7
VZT
2
3
Přenos tepla v látkách podle skupenství
Tuhá tělesa - jednoznačný tvar, vedení v omezeném geometricky definovaném prostoru Kapaliny – zaujímají minimální prostor, tvar odpovídající okolí - proměnný, proudění v omezeném prostoru, přenos látek Plyny – vyplňují prostor, volné proudění tepla i látek náročné Přenos tepla z povrchu pevné látky do tekutiny: 4
Sdílení tepla – základní případy Vedení tepla je primární děj tepelných výměn, typický pro sdílení tepla v tuhých tělesech. Tepelný tok vedením hmotnosti jednotkovou plochou pro teplotní gradient t vyjadřuje Fourierův zákon .
λ q = (ts1 − ts 2 ) ( Wm − 2 ) s
Proudění tepla je způsob sdílení tepla proudící tekutinou z míst a teplotě vyšší do míst s teplotou nižší. Intenzita přenosu závisí zejména na rychlosti proudění tekutiny a celé řadě dalším faktorů.
Q = α . (t − t s )
(Wm-2 )
Sálání tepla je přenos tepla elektromagnetickým zářením. Tepelný tok sdílený radiací Q1,2 mezi dvěma povrchy S1 a S2 s teplotami T1 a T2 je dán po odvození ze Stefanova Boltzmannova zákona
T1 4 T2 4 Q1, 2 = c1, 2 .ϕ1, 2 . .S1 − 100 100 5
Prostup tepla - definice
Prostup tepla představuje výměnu tepla mezi dvěma tekutinami (plyn, kapalina) oddělenými tuhou stěnou. Řešení je dáno superpozicí vedení a přestupů tepla.
1 1 s +∑ + U = λ α2 α1
−1
( Wm − 2 )
6
Prostup tepla - schéma
Přestup
Exteriér 0
24
Vedení Přestup
0
12
24
Interiér
7
St
8
Vzduchotechnika – okrajové podmínky pro návrh systému
NÁVRHOVÉ VELIČINY VNĚJŠÍHO PROSTŘEDÍ
NÁVRHOVÉ VELIČINY VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ
ZUV
P
E Mikroklima
P Z
d
O 9
Základní veličiny prostředí
Co máme k dispozici
Za jakých podmínek
Čeho chceme dosáhnout
NÁVRHOVÉ VELIČINY VNĚJŠÍHO PROSTŘEDÍ
vnitřní zdroje tepla, chladu, vlhkosti, škodlivin ve větraném nebo klimatizovaném prostoru vlastnosti budovy
NÁVRHOVÉ VELIČINY VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ
Teplota a vlhkost vnějšího vzduchu – klimatické extrémy Znečištění vzduchu
Požadavky na vnitřní prostředí Požadavky na provoz VZT systému
10
11
Návrhové veličiny vnějšího prostředí NÁVRHOVÉ VELIČINY VNĚJŠÍHO PROSTŘEDÍ
LÉTO
ZIMA Teplota vzduchu
Teplota vzduchu Vlhkost (entalpie) vzduchu Intenzita slunečního záření Geografická poloha (nadmořská výška – tlak vzduchu) Znečištění venkovního vzduchu (koncentrace CO2 , prachu, toxických látek aj.)
12
Návrhové veličiny vnějšího prostředí Výpočtové hodnoty klimatických veličin vybraných měst podle ČSN 38 3350 za období 1901-1950 Město
nv (m)
P
(kPa)
Zimní období
te
d
(oC)
Letní období
tes
D
(oC)
te
he
tm
(oC)
(kJkg-1)
(oC)
Blansko
278
98,0
-15
229
3,3
3360
27
51,2
19,5
Břeclav
159
99,3
-l2
215
4,1
2990
30
59,1
20,1
Brno
227
98,5
-12v
222
3,6
3200
29
56,2
19,2
Bruntál
546
94,8
-18v
255
2,7
3900
26
48,2
16,1
Děčín
141
99,6
-12
225
3,8
3200
29
56,2
19,2
Hodonín
162
99,3
-12
208
3,9
2930
30
59,1
20,0
te d tes h D tm
… teplota vzduchu … počet dnů topného období … průměrná teplota vzduchu v zimním období … entalpie vzduchu … počet denostupňů … teplota mokrého teploměru n.v. …. nadmořská výška
13
Návrhové veličiny vnějšího prostředí Výpočtové klimatické podmínky pro vytápění a větrání pro Českou republiku podle AHRAE – zimní výpočtová teplota vzduchu
místo
Teplota vzduchu te (°C) 99,6%
99,0%
Brno
-14,4
-10,9
Cheb
-15,6
-12,4
Ostrava
-17,1
-12,9
Plzeň
-16,7
-12,8
Praděd
-19,0
-16,4
Praha
-16,1
-12,4
Přibyslav
-16,2
-13,0 14
Návrhové veličiny vnitřního prostředí NÁVRHOVÉ VELIČINY VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ
Teploty - vzduchu, účinná teplota okolních ploch, střední teplota povrchů, výsledná = globeteplota, operativní teplota, teplota mokrého teploměru, rosného bodu, Vlhkost - relativní, absolutní Rychlost proudění vzduchu v místnosti Koncentrace škodlivin - odérů, aerosolů, toxických látek, ... Akustické veličiny – hladiny
15
Tepelně vlhkostní mikroklima – základní veličiny interiéru Tepelný pocit člověka závisí hlavně na tepelné rovnováze jeho těla jako celku. Tuto rovnováhu ovlivňuje: 1. 2. 3.
tělesná činnost oděv parametry prostředí: • • • •
teplota vzduchu střední radiační teplota (teplota povrchů) rychlost proudění vzduchu vlhkost vzduchu
16
Tepelné bilance pro klimatizaci - princip VENKOVNÍ KLIMATICKÉ PODMÍNKY Zeměpisná poloha, nadmořská výška
+30°C
-15°C VNITŘNÍ PODMÍNKY komfort
VYTÁPĚNÍ
KLIMATIZACE 20°C
TEPELNÁ ZTRÁTA
TEPELNÁ BILANCE
26°C TEPELNÝ ZISK
17
Parametry mikroklimatu • hygienické předpisy • požadavky technologie • požadavky investora, uživatele …
Teplota vzduchu, operativní teplota Vlhkost vzduchu (relativní) Proudění (rychlost) vzduchu KOMFORTNÍ KLIMATIZACE – obvykle: LÉTO ZIMA T = 26°C T = 20°C RH = MAX.60% RH = MIN.40% NEBO RH BEZ POŽADAVKU v = 0,15 až 0,20 m/s 18
Tepelné bilance – metody výpočtu Metodiku výpočtu základních případů bilancí uvádí zejména ČSN 730548 a ČSN EN 832 (ČSN 06 0210) Tepelné bilance se řeší pro ustálený nebo kvazistacionární tepelný stav. NÁVRHOVÉ VELIČINY
Venkovní klimatické podmínky
ZIMA
LÉTO
(bez vlivu slunečního záření)
(s vlivem slunečního záření)
Teplota konstantní
Modelování provozních stavů vnitřního prostředí
Teplota a sluneční radiace proměnná během dne
19
20
Tepelná bilance - rozdělení
VNĚJŠÍ
VNITŘNÍ 21
Tepelná bilance - rozdělení venkovní zdroje RADIACE KONVEKCE
vnitřní zdroje
okna
lidé
stěna
osvětlení
větrání
elektronika doprava materiálu okolní místnosti
klimatické podmínky + stavba
vybavení a účel budovy, dispozice budovy 22
23
Tepelná zátěž - členění Intenzita sluneční radiace I
Tepelně technické vlastnosti konstrukcí
Teplota vzduchu te
A B
A – prostup slunečního záření okny včetně jejich stínění B – konvekce a prostup tepla vnější neprůsvitnou obálkou budovy E – větrání (infiltrace)
E
Tepelné zisky • oken konvekcí Q ok • oken radiací Q or, • stěn Q s • infiltrací venkovního vzduchu Q i 24
Pohyb Slunce po obloze a sluneční záření
25
Sluneční souřadnice – výška Slunce nad obzorem
Výška Slunce nad obzorem h
h
26
Sluneční souřadnice - azimut azimut a ZÁPAD SLUNCE
VÝCHOD SLUNCE
S
Určení doby výpočtu – maximum pro působení slunečního záření
V
Z
a as
J 27
Sluneční souřadnice (azimut, výška nad obzorem)
28
Sluneční souřadnice (deklinace Slunce)
Zimní slunovrat rovnodennost jarní slunovrat 29
Výška nad obzorem podle ročního období – délka stínu
30
Solární konstanta
Ik
Na 1m2 horní hranice atmosféry dopadá cca 1350 W/m2 slunečního záření = solární konstanta
31
Sluneční záření při průchodu atmosférou
PŘÍMÁ RADIACE NA HRANICI ATMOSFÉRY
Ik
Ik PŘÍMÁ
PŘÍMÁ
DIFÚZNÍ
Ip Id
GLOBÁLNÍ
Ig
Ip
DIFÚZNÍ
32
Návrhové veličiny vnějšího prostředí
Intenzita sluneční radiace I (přímá I d a difúzní I do ) Teplota vzduchu t ev Entalpie vzduchu h e
Teplota vzduchu – harmonické kolísání
t e = t e ,max − A[1 − sin (τ − 135)]
33
Sluneční radiace – globální, dopadající na stěnu
I p = I k ⋅ e Z ⋅a
16000 − H = I k ⋅ exp − 0,1 ⋅ z ⋅ 16000 + H sin h
−0 ,8
34
Sluneční radiace – globální, procházející oknem
35
Sluneční radiace – globální, procházející oknem Intenzita sluneční radiace I (W/m2) procházející jednoduchých oknem s ocelovým rámem
SEVER
VÝCHOD
JIH
ZÁPAD
VODOROVNÁ
36
Určení doby výpočtu – př. 9 h Určení doby výpočtu – maximum pro působení slunečního záření Tradiční den 21.7.
S
I p ,st = I p ⋅ cos γ
Z Orientace JV Max. I = 511 W/m2 v 9 h
S = 3 m2 I = 511*3 = 1,53 kW Orientace JZ v 9 h I = 117 W/m2
V
S = 1,5 m2 I = 117*1,5 = 0,18 kW I s = 1,53 + 0,18 = 1,73 kW
J 37
Určení doby výpočtu – př. 11 h Další faktory: provozní doba (kino), vnitřní zisky
Určení doby výpočtu – maximum pro působení slunečního záření Tradiční den 21.7.
S
I p ,st = I p ⋅ cos γ Slunce na JJV – 11 h Okno JV I = 347 W/m2
Z
Okno JZ I = 185 W/m2
I = 347.3 = 1,04 kW I = 185.1,5 = 0,28 kW
I s = 1, 04 + 0,28 = 1,32 kW
V
J
38
Prostup tepla okny sluneční radiací dynamický charakter a závisí na úhlu dopadu slunečních paprsků a vlastnosti skla
Qor = [S os .I o .co + (S o − S os ).I od ].s.g I o … prostupující globální sluneční radiace pro jednoduché standardní zasklení I od …intenzita difúzní radiace procházející standardním jednoduchým zasklením S os …osluněný povrch okna (S o - S os) … zastíněná plochu okna g … prostupnost okna (vliv prosklení – výrobku) s … stínící součinitel (vliv stínících prostředků) 39
Osluněný povrch okna e1, e2 - délky stínů na okně od okrajů slunolamů (m) d - hloubka okna od okraje svislého slunolamu (m) c - hloubka okna od okraje vodorovného slunolamu
e1
la – e1 - f la
a f
as
d
e1 = d . tg a − a s
Sos = [ la − (e1 − f )].[ lb − (e2 − g )] 40
Osluněný povrch okna f, g – odstup svislé a vodorovné části okna os slunolamu (m)
c
d g h
c.tg h e2 = cos a −a s
e2 lb – e2 - g
Sos = [ la − (e1 − f )].[ lb − (e2 − g )] 41
Stínící součinitel I o ,i Qor = [S os .I o .co + (S o − S os ).I od ].s s= I o ,e
I o ,e I o ,i
s = 0,85
s = 0,80
s = 0,60
s = 0,15 42
Varianty protisluneční ochrany
43
Varianty protisluneční ochrany
44
Varianty protisluneční ochrany
45
Prostup tepla konvekcí okny t e = t e ,max − A[1 − sin (τ − 135)] Teplota vzduchu – harmonické kolísání
Qok = Uo.So.(tev - ti)
S o …plocha okna včetně rámu k o …součinitel prostupu tepla okna t ev …teplota venkovního vzduchu ve sledované době t i … teplota vnitřního vzduchu 46
Tepelný zisk stěn
Podle schopnosti akumulace tepla a teplotního útlumu rozlišujeme stěny: LEHKÉ d < 0,08 m STŘEDNĚ TĚŽKÉ d = 0,08 až 0,45 m TĚŽKÉ d > 0,45 m
Tepelný zisk stěnami je u středně těžkých a těžkých stěn nevýznamný
cca 5 W/m2 47
Vliv infiltrace a větrání vliv průvzdušnosti oken, v letním období se zanedbává vnikání venkovního vzduchu při otevírání dveří se uvažuje v případech, kdy klimatizovaná místnost je spojena dveřmi přímo s venkovním prostorem nucené větrání bez tepelné úpravy přirozené větrání Tepelná zátěž i tepelné zisky Qe způsobené přívodem vnějšího vzduchu:
Qe = V p ρ .c.(te − ti ) = H .∆t
48
49
Vnitřní zdroje tepla a vodní páry
VYTÁPĚNÍ
ELEKTRONIKA
ČLOVĚK
OSVĚTLENÍ
VAŘENÍ
EL. PŘÍSTROJE
50
Vnitřní zdroje tepla a vodní páry citelné teplo - hodnota závisí na teplotě vzduchu a činnosti člověka. Výchozí pro odvození se považuje produkce citelného tepla muže 62 W při mírně aktivní práci při teplotě okolního vzduchu 20 oC.
ČLOVĚK Pro jinou teplotu a počet osob nl se hodnota koriguje:
Ql = nl .6,2. (36 − ti )
Pro různorodé složení skupiny osob v místnosti se provádí ekvivalentní přepočet pro počet mužů nm, žen nz a počet dětí nd:
nl = 0,85. nz + 0,75.n d + nm 51
Vnitřní zdroje tepla a vodní páry • pro prostory bez oken (kina, divadla) • u hlubokých místností se uvažuje s umělým osvětlením ve vzdálenosti větší než 5 m od okna. • místnosti z požadavky na vyšší intenzitu osvětlení (rýsovny, provozy jemné mechaniky, ap).
OSVĚTLENÍ Typ činnosti nebo prostoru
Qsv = P
W/m2
osvětlení
žárovka
Halogenová žárovka
Kompaktní zářivka
zářivka
Sklady, chodby
100 lx
25
20
6
7
Psaní, kreslení
250 lx
50
40
9
15
Jemné ruční práce
500 lx
90
60
16
30
Celý elektrický příkon se změní v teplo 52
Vnitřní zdroje tepla a vodní páry • počítače, tiskárny, kopírky • elektromotory atd.
Qe = c1.c2 ∑ P ELEKTRONIKA Předpokládá se, že se celý elektrický příkon změní v teplo.
c1 … součinitel současnosti používání c2 … zbytkový součinitel v případě použití odsávaných zdrojů. tepla c3 … průměrné zatížení stroje
EL. PŘÍSTROJE 53
Prostup tepla z okolních místností
Prostup tepla z okolních místností tis
Q om = U .S .∆t
tis
tis … teplota vzduchu sousední místností (oC) 54
Vnitřní zdroje tepla a vodní páry • lidé, jídlo • odpar z mokrých povrchů
M wo = (7 + 3,5w).S.(xp − x).10 "
−3
5 Wh/1 jídlo 10 g/1 jídlo 1-3 jídla / 1 místo xp, x - měrná vlhkost nasyceného vzduchu při teplotě povrchu a měrná
vlhkost vzduchu nad povrchem (kg.kg-1)
55
56
Výpočet tepelných ztrát Přesná nebo obálková metoda – dle potřeby.
Q z = ∑ U .S .∆t = H .t
57
