2.1 Vliv orientace budovy ke světovým stranám na její tepelnou bilanci

Transkript

1 2.1 Vliv orientace budovy ke světovým stranám na její tepelnou bilanci Úloha S přesností 45 určete orientaci budovy ke světovým stranám tak, aby tepelný zisk sluneční radiací okny o ploše A byl v zadané hodině 21. července: a) minimální b) maximální Prokažte výpočtem, ověřte min. 4 varianty umístění. H = 9+0,3n. Pro umístění s minimálním ziskem určete, ve kterou hodinu nastane maximální zisk a určete jeho hodnotu. V obrázku jsou zadány plochy oken podle n. Uvažujte s oknem s čirého dvojskla a tedy g = 0,75 (blíže P56). Stínění nebude uplatněno. Prostup tepla neprůsvitnými konstrukcemi se zanedbává. A1 = 9+0,4.n (m 2 ) 4 (m 2 ) A2 = 10-0,2.n (m 2 ) 8 (m 2 ) Obr. 16 Půdorys zadaného objektu a umístění Slunce na nároží pro max. solární zisk Polohu nutno hledat experimentálně nalezením minima a maxima tepelného toku q (W) pro součet všech okenních ploch. q = A. I. g. s A...absorpční plocha ( = plocha zasklení, zde 100 % plochy okna, v reálných případech méně, zvláště u členěných plastových oken ) (m 2 ) I... intenzita dopadajícího záření (viz P2) (W/m 2 ) g... celková prostupnost slunečního záření (vlastnost okna) viz P56 (-) s... stínící součinitel (vliv prvků protisluneční ochrany) viz P4 (-) Výchozí hodnoty: H = 9+0,3n = 9+0,3.16 = 13,8 ~ 14 h A1 = 11,0 m 2 A2 = 4,5 m 2 A3 = 6,0 m 2 A4 = 3,0 m 2 Pro zadanou hodinu určíme z tab. P5 azimut Slunce a tím světovou stranu, kde se Slunce aktuálně nachází. Ve 14 h má Slunce azimut 229, tedy cca JZ. Pro hledání maxima procházejícího slunečního záření tedy natočíme k JZ velké okenní plochy, pro hledání minima ty nejmenší. Na obrázku je natočení velkých oken ke Slunci k nalezení maxima radiace. Možné kombinace uspořádáme do tabulky. 22

2 Tab. 5 Sluneční radiace (W) procházející jednotlivými okny (bez vlivu prostupnosti skla), hodnota I je určena podle hodiny výpočtu H z tab. P2. q I A1 = 11,0 m 2 A2 = 4,5 m 2 A3 = 6,0 m 2 A4 = 3,0 m 2 (W/m 2 ) S =1683 4,5.153= =459 SV =918 V =1683 4,5.153= JV J JZ =6765 Z = SZ Tab. 6 Sluneční radiace (W) procházející všemi okny (s vlivem prostupnosti skla; g= 0,75) Varianta umístění budovy Součet záření všech stěn dopadající procházející Var a stěna 1 je na S q = W 4959 W Var b stěna 4 je na S q = W 5411 W Var c stěna 1 je na Z q = W 4987 W Var d stěna 1 je na JZ q = W 6745 W Výsledek Orientace budovy ke světovým stranám podle procházející radiace ve 14 h: minimální zisk maximální zisk Minimální zisk činí 5,0 kw. Maximální zisk činí 6,7 kw. Vhodným umístěním objektu lze tepelný zisk zmírnit ve 14 hodin o 25 %. Úloha Pro variantu nejmenší zátěže vyberte jedno okno, na které umístíte stínící prvek (podle P4), který vyberte podle vlastní úvahy. Vypočtěte, nakolik se hodnota tepelné zátěže sníží. 23

3 Vnější bílé žaluzie s = 0,15 Největší příspěvek tepelné zátěži má jižní okno: q = ,75 = 2043 W Při použití žaluzií s = 0,15 klesne q = ,15 = 306 W Součet zisků všemi okny tak bude q = ( ).0, = 3189 W Úpravou dojde ke snížení zátěže o = 1770 W, tedy o 36 %. Úloha Pro sledované varianty umístění budovy určete celkovou energii ze slunečního záření za červencový den proniklou do budovy. Určete přínos protislunečních opatření z předchozí úlohy. Využijte hodnoty dopadající energie z P57. Tab. 7 Celková dopadající energie na jednotlivá okna (MJ) za den A.Q MJ/m 2.den A1 = 11,0 m 2 A2 = 4,5 m 2 A3 = 6,0 m 2 A4 = 3,0 m 2 S 6,2 6,2.11=68,2 6,2.4,5=28,0 6,2.3=18,7 SV 7,4 7,4.6=44,4 V 10,7 117,7 48,2 64,2 JV 9,8 32,1 J 9,3 41,2 55,8 27,9 JZ 9,9 108,9 Z 10,8 118,8 64,8 32,4 SZ 8,7 39,2 Tab. 8 Solární radiace za průměrný červencový den celého objektu; g= 0,6 Umístění budovy Součet za všechna okna dopadající procházející Var a stěna 1 je na S Q = 68,2+48,2+55,8+32,4 205 MJ 123 MJ Var b stěna 4 je na S Q = 117,7+41,2+64,8+18,7 242 MJ 145 MJ Var c stěna 1 je na Z Q = 118,8+28,0+64,2+27,9 239 MJ 143 MJ Var d stěna 1 je na JZ Q = 108,9+39,2+44,4+32,1 225 MJ 135 MJ Stínění žaluziemi bude nejvýhodnější pro severní okno, protože v celkové bilanci má největší přínos. Dopadající energie pro var. a má hodnotu Q = 205 MJ, procházející: Q = (68,2.0,15+48,2+55,8+32,4).0,6 = 88 MJ Tedy úspora (123-88)/123 = 0,28 tedy o 28 %. Výsledek Při posouzení zisků ze slunečního záření za celý den rozdíly v orientaci ke světovým stranám nejsou zdaleka tak výrazné, nejvýhodnější je orientace největšího okna na sever (var. a). Největší zisk je při situování okna 1 na východ nebo západ (var. b a c). Zatímco na hodnotu aktuálního solárního zisku má stínící opatření malý vliv, v celodenním hodnocení je tento vliv vyšší. Hodnocení zisku energie za 24h má větší vypovídací schopnost o skutečné radiační zátěži a tím případné spotřebě energie pro chlazení budovy. 24

4 Úloha Určete povrchovou teplotu oken z příkladu Pro největší tepelnou zátěž vyberte okno, které je osluněné a jiné okno ve stínu. Teplota v místnosti se předpokládá 24 C a venku 30 C. Prostupnost skla pro přímé sluneční záření, kdy sluneční paprsek je téměř kolmý k rovině okna má hodnotu stejnou jako pro difúzní záření T = 0,85. Pohltivost A = 0,15. Vypočtěte také pro variantu determálního skla, jehož T = 0,6 a A = 0,4. Tepelný tok sklem, skládající se z tepelného toku konvekcí a radiací má hodnotu Teplota skla se vyjádří. {obyčejné sklo: t i = 24 C; t e = 31 C, I = 454 W/m 2 K; α i = 8 W/m 2 K; α e = 15 W/m 2 K; t = 31,5 C; determální sklo: t =36,5 C} Úloha Majitel rodinného domu zakoupil pro zmenšení tepelné zátěže solárními zisky vnější roletu se stínícím součinitelem s = 0,1, kterou umístil na fasádu podle obrázku. Stanovte užitek (rozdíl v tepelné zátěži) ze stínění fasády v měsíci červenci, pokud roletu bude nebo nebude používat v 8, 10, 12, 14 a 16 h. Určete, kolik energie na chlazení budovy ušetří za měsíce červen až srpen s touto úpravou. Určete rozdíl v nákladech na chlazení budovy, je-li COP systému chlazení 3,1 a cena elektřiny 3,3 Kč/kWh. Prosklená plocha fasády celkem A o = 11+0,3.n (m 2 ) Prosklená plocha fasády stíněná A s = 7 +0,2.n (m 2 ) Azimut fasády γ = 45+0,1.n ( ) a zaokrouhlit na 45 Okna jsou zasklené dvojsklem g = 0,75 (blíže P56) Hodnoty sluneční radiace viz P2. Vypočteme hodnotu aktuální tepelné zátěže v zadané hodiny pro rozdílné vlastnosti prosklení (kw)... 1 Vypočteme celkovou energii ze slunečního záření pro jednotlivé měsíce pro zjištění rozdílu spotřeby energie. Příkon chlazení P se určí ze vztahu (pozor na jednotky) Zjištěná hodnota příkonu je rovna hodinové spotřebě elektrické energie, náklady se zjistí vynásobením cenou elektřiny. Obr. 17 Umístění rolety na fasádě 25

5 Úloha Zájemce o koupi bytu v bytovém domě váhá, který byt bude z hlediska ochrany před sluncem nejvýhodnější, protože má obavy, že v obývacím pokoji s oknem 3,4 x 2,8 m (celá výška a šířka místnosti) bude v létě teplo. Určete solární zisky v 9, 11, 13 a 17 h pro místnosti A, B a C pro 21.7 a Uvažujte, že okna jsou zasazena přímo ve fasádě a stíny vrhají pouze balkony (stíny svislé). Azimut stěny γ = n. Poloha domu obecně v ČR. A. venkovní žaluzie s = 0,2 B. přesah stropu L = 1 m C. přesah balkonu L = 2 m Obr. 18 Řez a pohled na zadaný objekt, vyznačení slunolamu Úloha Odvoďte rovnici pro účinnost vzduchového kolektoru o ploše S, na jehož absorbér dopadá sluneční záření o hodnotě I a vnější zasklení má prostupnost g. Kolektorem prochází vzduch o průtoku V a jeho teplota se zvyšuje z teploty vnějšího vzduchu t e na teplotu t v. Přes vnější prosklení má kolektor tepelnou ztrátu úměrnou součiniteli prostupu tepla U, ostatní strany kolektoru jsou izolované a tak je zanedbáme. Zhotovte nákres zařízení a vyznačte sledované veličiny. Vypočtěte účinnost pro I = n W/m 2 ; U = 1,1 W/m 2 K; g = 0,8; V = 100 m 3 /h a t e = + 12 C. Rovnice tepelné bilance kolektoru bude mít tvar Účinnost se obecně vyjádří vztahem Dosaďte a vyjádřete účinnost ze zadaných veličin. 26