Solární procesy. 125 MOEB ČVUT v Praze FSv K /2009. slunce. altitude. (Solar. Výška. Solární azimut (Solar. azimuth. prof.

Transkript

1 Modelování energetických systémů budov Přednáška 2 Úvod do modelování a simulace energetického chování budov 17 Solární procesy Sluneční konstant onstanta 1360 W/m 2 Difúzní a přímé záření Reálné záření max 1000 W/m 2 Výška slunce (Solar altitude (Alt)) (β) svislý úhel mezi lokálním horizontem a sluncem. sin β = cos( LAT) cosδ cos H + sin( LAT ) sinδ Solární azimut (Solar azimuth (Az) (Φ), horizontální úhel mezi jihem a vertikálním průmětem pozice slunce na horizont. cos δ sin H sin Φ = cos β 18 prof.karel Kabele 1

2 Solární procesy Stanovení úhlu dopadu slunečních paprsků na obecnou plochu cosθ = cos β cosγ sin Σ + sin β cosσ θ β γ Σ úhel dopadu slunečních paprsků na obecnou plochu výška slunce rozdíl mezi azimutem slunce φ a azimutem obecné plochy ψ. sklon obecné plochy 19 Psychrometrie Psychrometrie je pojem používaný pro popis jevů ve vlhkém vzduchu Teplota suchého teploměru Teplota mokrého teploměru Relativní vlhkost Absolutní vlhkost Rosný bod Entalpie Teplota suchého teploměru Teplota mokrého teploměru Sušení, vlhčení vzduchu Mokrá punčoška Air 20 prof.karel Kabele 2

3 TEPLOTA Relativní vlhkost Teplota suchého teploměru Teplota mokrého teploměru Rosný bod Entalpie Absolutní vlhkost g/kg prof.karel Kabele 21 Psychrometric chart Relative humidity % HUMIDITY RATIO g/kg Enthalpy Absolute humidity TEMPERATURE Dew point Wet bulb temperature Dry bulb temperature 22 prof.karel Kabele 3

4 Teorie vnitřního prostředí Vnitřní prostředí Mikroklima Tepelně-vlhkostní Akustické Psychické Světelné Elektrostatické T a T p Tepelně-vlhkostní mikroklima Stav vnitřního prostředí z pohledu tepelných a vlhkostních toků mezi lidským tělem a jeho okolím 23 Tepelná výměna mezi lidským tělem a jeho okolím Metabolické teplo M Stupeň svalové aktivity Podmínky prostředí Velikost těla Tepelná ztráta Q Dýchání Konvekce Radiace Vedení Vypařování Rovnice tepelné rovnováhy M=Q komfort M>Q horko M<Q zima prof.karel Kabele 4

5 Člověk Faktory tepelné pohody Metabolické teplo Izolace oblečení Prostor Teplota vzduchu (Dry-Bulb) Relativní vlhkost Rychlost vzduchu Sálání (střední radiační teplota) 25 Operativní teplota kde tg Faktory prostředí = hct a h c ht r r + + h r t g = operativní teplota t a = teplota okolního vzduchu t r = střední radiační teplota h c = koeficient přestupu tepla konvekcí h r = střední radiační koeficient přestupu tepla 26 prof.karel Kabele 5

6 Faktory prostředí Střední radiační teplota kde t r = ϕrr1.t ϕrn.t 1 n 273 tr = střední radiační teplota Ti = teplota okolního povrchu i, i=1,2,...,n φ rn = úhlový faktor mezi osobou a plochou i, i=1,2,...n 27 Hodnocení tepelné pohody PMV index (Predicted mean vote) PPD index (Predicted percentage of dissatisfied) 28 prof.karel Kabele 6

7 Měřicí přístroje 29 ČSN EN ISO 7730 Činnost Energetické výdeje W/m 2 Klidné ležení 46 0,8 Sezení uvolněné 58 1,0 Práce v sedě (úřady, byty, školy, laboratoře) 70 1,2 Stání, střední práce (prodavač, práce v domácnosti, práce na strojích) I cl Denní běžné oblečení 0,3 Kalhotky, tričko, lehké ponožky, sandály 0,4 5 Kalhotky, spodnička, punčochy, lehké šaty s rukávy, sandály met 93 1,6 0,5 Spodky, košile s krátkými rukávy, lehké kalhoty, lehké ponožky, boty 0,6 Spodky, košile, lehčí kalhoty, ponožky, boty 0,7 Spodní prádlo, košile, kalhoty, ponožky, boty (Kalhotky, spodnička, punčochy, šaty, boty) 30 prof.karel Kabele 7

8 Výpočet PMV a PPD dle ČSN EN ISO ,036 M 5 PMV = (0,303 e + 0,028) M W 58,15 1,7 10 M 5867 pa 0,0014 M 34 t ,96 10 f cl ( tcl 273) ( tr 273) + + fclhc ( tcl t a ) 3 ( M W) 3, ,99 ( M W) pa 0,42 ( ) ( ) ( ) a 4 2 ( PMV PMV ) PPD = e + PMV předpověď středního tepelného pocitu PPD předpokládané procento nespokojených M energetický výdej W/m 2 W užitečný mechanický výkon W/m 2 (u většiny prací se rovná nule) fcl poměr povrchu oblečeného člověka k povrchu nahého člověka t cl teplota povrchu oděvu C t a teplota vzduchu C t r střední radiační teplota C pa hc parciální tlak vodní páry Pa součinitel přestupu tepla konvekcí W/m 2 K 31 Choose "Tools-Macro-Security-Mean". This version is scanned with Symantec Antivirus Definition File rev. 23 Parameter Input Clothing (clo) 1.10 [0 to 2clo] Air temp. ( C) 23.0 [10 to 30 C] Mean radiant temp. ( C) 28.0 [10 to 40 C] Activity (met) 1.0 [0.8 to 4met] Air speed (m/s) 0.15 [0 to 1m/s] Relative humidity (%) 50.0 [30 to 70%] Parameter Results Operative temp. ( C) 25.5 PMV PPD Number of iterations: 7 Modified by Håkan Nilsson Department of Technology and Built Environment Laboratory of Ventilation and Air Quality University of Gävle P P D prof.karel Kabele 8

9 Virtual models Reality Fig. 3. ESP-r model of the building Real size models Scaled models Základní princip modelování a simulace Analýza problému určení zón, systémů, zařízení a jejich závislostí Definice zadání Definice okrajových podmínek Definice podrobnosti a rozsahu Výběr nástroje Citlivostní analýza Ověření výsledků Virtuální laboratoř není nástroj pro projektování 34 prof.karel Kabele 9

10 Nástroje a metody pro modelování a simulaci energetického chování budov 35 Klasifikace nástrojů modelování a simulace Ustálený stav Jednotlivé systémy Rozsah Integrovaný model Explicitní Metoda Simulace a modelování chování budovy Data Dynamické chování Prostředí Účel Udržitelnost Regresní metody Energie Komfort 36 prof.karel Kabele 10

11 Ustálený stav Explicitní Denostupňová metoda Založena na fixní referenční teplotě. Modifikovaná denostupňová metoda Proměnná referenční teplota Regresní metody Zjednodušená lineární regrese Jedna závislá, jedna nezávislá proměnná Násobná lineární regrese Jedna závislá, více nezávislých proměnných Change-point models Z denních nebo měsíčních měření odebrané energie a venkovních teplot se 37 Dynamické metody Explicitní metody Zjednodušené dynamické metody Zjednodušené dynamické modely vycházejí převážně z regresní analýzy výsledků vícenásobného běhu statických modelů za různých okrajových podmínek. Tyto modely nejsou schopny postihnout charakteristiku přechodových dějů, jsou však schopny zohlednit chování budovy(systému) za různých podmínek. Vážený faktor V této metodě prostorové tepelné zisky při konstantní prostorové teplotě jsou určeny z fyzikálního popisu budovy, vnějších podmínek počasí, a profilů vnitřních zátěží. Faktor odezvy Pro jednodušší systémy lze stanovit na základě okrajových podmínek matematickou funkci,simli popisující dynamickou odezvu systému. Existují dvě hlavní větve této metody - časová a frekvenční odezva. Metody tepelné bilance Soubor rovnic popisující energetické toky mezi body (objemy), řešený numerickými metodami metoda konečných diferencí, metoda konečných prvků. Regresní metoda Neuronové sítě. 38 prof.karel Kabele 11

12 Metoda tepelné rovnováhy Stěna Absorbce dopadajícího slunečního záření Konvekce do venkovního vzduchu Tepelná rovnováha Vnějšího povrchu Dlouhovlnná radiace SW radiace z osvětlení Předané sluneční záření Vedení stěnou Tepelná rovnováha vnitřního povrchu Konvekce do vzduchu zóny Dlouhovlnná radiace z vnitřních zdrojů Dlouhovlnná radiace s ostatními povrchy 39 Stěna s oknem Okno Odražené slunečn Metoda tepelné rovnováhy (heat balance method) Konvekce do venkovního vzduchu Absorbce dopadajícího slunečního záření Tepelná rovnováha vnějšího povrchu LW radiace Zasklení SW radiace z osvětlení Vedení stěnou Tepelná rovnováha vnitřního povrchu LW radiace z vnitřních zdrojů Předané sluneční záření Konvekce do vzduchu zóny LW radiace s ostatními povrchy 40 prof.karel Kabele 12

13 Metoda tepelné rovnováhy Vzduch v zóně Konvekce od stěny 1 Konvekce od stěny 2 Konvekce od stěny Infiltrace Tepelná rovnováha vnitřního vzduchu Konvekce od vnitřních zdrojů Větrání (HVAC) 41 Building Simulation Klasifikace nástrojů Analýza celé budovy ESP-r ENERGY+ IES ECOTEC Energetickáetická simulace Výpočet zátěží Obnovitelná energie Retrofit Analysis Udržitelná výstavba Součásti TRNSYS PVSol Systémy obálky HVAC Osvětlení Jiné aplikace CFD Znečištění atmosféry Energetika a ekonomie Kvalita vnitř. prostředí Proudění vzduchu 42 prof.karel Kabele 13

14 Přehled nástrojů prof.karel Kabele 14