125 MOEB ČVUT v Praze FSv K /2009

Transkript

1 Modelování energetických systémů budov 125MOEB Téma přednášky Základy - budova a energie, základy termodynamiky, solární procesy, psychrometrie Modelování a simulace energetického chování budov- nástroje, metody, programy Od reálné budovy k matematickému modelu - formulace problému, volba nástroje, okrajové podmínky, popis konstrukcí, zátěžové profily, vyhodnocení výsledků Energetické simulace - ESP-r, design Builder Simulace systémů TZB TRNSYS Simulace CFD Flovent 3 prof.karel Kabele 1

2 Obsah Úvod do problému energie a budova Přehled základních pojmů Přenos tepla Solární procesy 4 Provoz budovy a okolní prostředí Do budovy Voda (pití, hygiena, nádobí, úklid, květiny, technologie, déšť ) Energie: Plyn, uhlí, dřevo, elektřina.. (vytápění, chlazení, vaření, osvětlení, pohon ) Vzduch (větrání, chlazení, spalování) Model toku agencií Z budovy Spaliny SO 2, CO 2, NO x (komín) Odpadní vzduch (větrání budovy) Odpadní voda (kanalizace) Přenos tepla (obálka budovy) 5 prof.karel Kabele 2

3 Roční potřeba energie v hotelu (322 lůžek) GJ/měsíc hostů/měsíc - III.1 IV.1 V.1 VI.1 VII.1 VIII.1 IX.1 X.1 XI.1 XII.1 I.2 II.2 Guests Vytápění 25 Average month temperatures in 21 Odběr TUV Vzt ohřev 2 Pára Prádelna Ostatní technologie Kuchyně Strojní chlazení Osvětlení Te.month average C Výtahy Mar-1 Apr-1 May-1 Jun-1 Jul-1 Aug-1 Sep-1 Oct-1 Nov-1 Dec-1 Jan-2 Feb Co budeme počítat? Hodnota U Tepelné ztráty/zisky Energie na vytápění/chlazení Dodaná energie Souhrnná potřeba energie Emise CO 2 CO 2 7 prof.karel Kabele 3

4 Energetická bilance budovy ČSN EN ISO Teplo Základy termodynamiky Teplo je energie sdílená mezi soustavou a jejím okolím výhradně díky teplotnímu rozdílu mezi soustavou a částí jejího okolí. Teplota Stavová proměnná popisující kinetickou energii částic systému Thermodynamická /Kelvin/ T [K] Celsius t [ C] t= T-273,15 Fahrenheit [ F] 1 F=5/9 C ( F-32).5/9= 32).5/9= C 9 prof.karel Kabele 4

5 Termodynamické zákony Nultý termodynamický zákon Existuje stavová veličina TEPLOTA. Dvě soustavy v termodynamické rovnováze mají stejnou teplotu. Jsou li dvě termodynamické soustavy v tepelné rovnováze s třetí soustavou, jsou v tepelné rovnováze navzájem. 1 Termodynamické zákony První termodynamický zákon Změna vnitřní energie termodynamické soustavy se rovná součtu tepla dodaného soustavě a práce vykonané na soustavě. Energie světa je neměnná. Clausius [1865] U = Q W Změna vnitřní energie soustavy je rovna teplu dodanému do soustavy zmenšenému o práci systémem vykonanou. 11 prof.karel Kabele 5

6 Termodynamické zákony Druhý termodynamický zákon Druhý zákon souvisí s entropií (S), která je mírou neuspořádanosti. Entropie světa se zvětšuje.-> Teplo nemůže samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na teplejší. Haynie[21] 12 Termodynamické zákony Třetí termodynamický zákon Pokud se teplota soustavy blíží absolutní nuly, všechny procesy ustávají a entropie systému se blíží minimu. Žádným konečným pochodem nelze dosáhnout absolutní nuly. Nernst [1912] 13 prof.karel Kabele 6

7 Sdílení tepla v prostoru Vedení (kondukce) Sdílení uvnitř pevných těles, Biot-Fourierův zákon T q = λ. gradt = λ. x [W/m 2 ] T teplota [K] x normála Q k izotermické = k T ds t S ploše [m] λ součinitel tepelné vodivosti [W/m.K] t čas Q T = λ A t x 14 B Proudění (konvekce) Sdílení tepla makropohybem molekul a jejich shluků Pohybem tekutiny a přenos z povrchu pevného tělesa do tekutiny a naopak Newton-Richman, Fourier-Kirchhof, Grashofovo, Peckletovo číslo t δ x δ y δ z x y z T δ T δ T δ + vx + v T y + vz = a. T + T + T Q = α. S. T [W] Q tepelný tok přenášený mezi povrchem a proudící tekutinou [W] α součinitel přestupu tepla [W/m 2 K] T rozdíl teplot mezi tekutinou a obtékaným tělesem [K] 15 prof.karel Kabele 7

8 Sálání (Radiace) Přenos tepla Elektromagnetické vlny Stefan-Boltzmannův zákon Wienův zákon E = I d = T σ = 5, 67.1 λb λ σ, λ max = T Q& = ε σ S T T 4 4 ( ) 1,2 1, [W/(m 2 K 4 )] 1 Stefan-Boltzmanova konstanta [W/(m 2 K 4 )] S vzájemná zářivá plocha [m 2 ] T 1,T 2 teploty vzájemně osálaných těles EO ER E + E + E = E A R T E1 ε1 T1 E T EA > Q1,2= E1- E2 E2 ε2 T prof.karel Kabele 8