TZB - VZDUCHOTECHNIKA

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ JIŘÍ HIRŠ, GÜNTER GEBAUER TZB - VZDUCHOTECHNIKA MODUL BT02-04 METEOROLOGICKÉ ZÁKLADY STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

2 TZB-Vzduchotechnika, modul BT02-04, Meteorologické základy Doc. Ing. Jiří Hirš, CSc., Ing. Olga Rubinová, Ph.D., Brno (16) -

3 Obsah OBSAH 1 Úvod Cíle Požadované znalosti Doba potřebná ke studiu Klíčová slova Klimatologické a meteorologické základy Sluneční záření Teplota a vlhkost vzduchu Tlak vzduchu Vítr Závěr Shrnutí Studijní prameny Seznam použité literatury Seznam doplňkové studijní literatury Odkazy na další studijní zdroje a prameny (16) -

4

5 Úvod 1 Úvod 1.1 Cíle Zásadními veličinami pro návrh vzduchotechnických systémů jsou tepelné ztráty a tepelná zátěž. Uvedené veličiny jsou výchozí pro dimenzování vzduchotechnických jednotek zejména pak výměníků. Vymezení výpočtových klimatických podmínek ovlivňuje velikost strojního zařízení i hospodárnost provozu a je primárním předpokladem dodržení požadovaného či předepsaného stavu vnitřního prostředí. Základní znalosti meteorologie a klimatologie, působení klimatických veličin na vnitřní prostředí jsou nezbytné pro kvalifikovaný návrh vzduchotechnického systému. Modul je zaměřen na: Specifikaci klimatických a meteorologických veličin Zásadní výpočtové hodnoty - teploty a vlhkostí vzduchu, sluneční záření Výpočtové vnější podmínky pro Českou republiku 1.2 Požadované znalosti Základní znalosti stavební fyziky a vytápění. 1.3 Doba potřebná ke studiu Z ohledem na méně náročnou problematiku související se vzduchotechnikou bude doba potřebná k zvládnutí náplně modulu 1 hodina. 1.4 Klíčová slova Klimatologie, meteorologie, sluneční záření, vnější prostředí, teplota vzduchu, nadmořská výška, sluneční konstanta, atmosférický tlak, denostupně. - 5 (16) -

6

7 Závěr 2 Klimatologické a meteorologické základy Primární veličiny pro návrh a provoz vzduchotechnických systémů vyplývají z klimatologických a meteorologických poměrů. Klimatické poměry představují průměrný stav ovzduší charakteristický pro určitou lokalitu. Typickými veličinami jsou průměrné event. dlouhodobě průměrné veličiny, které tvoří teplota, tlak, vlhkost, oblačnost, rychlost a směru větru, vodní srážky. Meteorologické poměry představují okamžitý povětrnostní stav ovzduší vztažený pro konkrétní čas a místo. Povětrnostní poměry jsou výchozí pro provoz vzduchotechnických systémů, ověřování energetických potřeb a aktuální modelování i simulaci. Klimatické poměry a z nich odvozené průměrné veličiny za dlouhodobé období jsou výchozí pro návrh vzduchotechnických systémů. Klimatické poměry naší republiky vyplývají z její vnitrozemské polohy ve střední Evropě. Je to typické mírné podnebí s výrazným střídáním čtyř ročních období. Podnebí ČR je přechodným typem mezi podnebím přímořským s vlivem Atlantického oceánu a vnitrozemským s vlivem euroasijské pevniny. Rozmanité výškové poměry se na poměrně malé rozloze projevují tak, že izotermy se přibližně kryjí s vrstevnicemi. Velikost srážek, se kterou souvisí také vlhkost kolísá od 450 do 1500 mm ročně. Obr. 1 znázorňuje jak utvářejí místní klimatické podmínky.geografické poměry. Nejvýznamnější klimatické veličiny pro dimenzování vzduchotechnických a klimatizačních zařízení jsou: Teplota vzduchu, teplota mokrého teploměru, entalpie, vlhkost vzduchu Intenzita slunečního záření Atmosférický tlak klimatologické veličiny teplota vzduchu vlhkost vzduchu (entalpie) intenzita slunečního záření tlak vzduchu vítr sluneční svit (délka trvání) geografické faktory nadmořská výška zeměpisná šířka orientace ke světovým stranám konfigurace terénu Obr. 1 Geografické faktory utvářející místní klima - 7 (16) -

8 TZB-Vzduchotechnika, modul BT02-04, Meteorologické základy 2.1 Sluneční záření Původcem tepla na Zemi je sluneční záření. Na každý čtvereční metr zemského povrchu dopadá v našich podmínkách za jeden rok 1200 kwh sluneční energie, to je srovnatelné s množstvím energie uvolněné při spálení 250 kg uhlí. Přenos energie od Slunce na zemský povrch trvá přibližně 8 minut. Spektrum slunečního záření zahrnuje: ultrafialové sluneční záření s vlnovými délkami menšími než 390 nm, které před vstupem do zemské atmosféry tvoří asi 7 % energie celkového elektromagnetického slunečního záření a jež je ze značné části absorbováno atmosférickým ozónem ve stratosféře, viditelné sluneční záření s vlnovými délkami od 390 nm do 760 nm vytvářející spektrum barev od fialové po červenou (asi 48 % energie celkového elektromagnetického slunečního záření před vstupem do atmosféry), infračervené sluneční záření, které má vlnové délky větší než 760 nm a před vstupem do atmosféry tvoří přibližně 45 % z toku energie slunečního záření. Zemská atmosféra sahá do výšky přes 1000 km, je to poměrně tenká vrstva vyplněná vzduchem, je složená převážně z dusíku a kyslíku. Ve výškách nad 6 km pohlcují tyto plyny ultrafialové a rentgenové záření a jsou jím ionizovány (odtud název ionosféra). Níže v atmosféře (ve výškách od 20 do 30 km) se zachycuje ultrafialové záření ve vrstvě s velkým obsahem ozónu (odtud ozónosféra). Pohlceným ultrafialovým zářením se ozónosféra zahřívá. Celkově atmosféra asi 1/3 slunečního záření odrazí, část pohlcuje a rozptyluje, čímž se sluneční záření oslabuje a mění se jeho spektrální složení. Sluneční záření lze rozdělit na dvě části, a to na sluneční záření přímé a rozptýlené (difúzní). Přímé sluneční záření přichází do oka pozorovatele ze Slunce a vzhledem k velké vzdálenosti Země od Slunce tvoří svazek prakticky rovnoběžných paprsků. Rozptýlené sluneční záření vzniká následkem rozptylu přímých slunečních paprsků na molekulách plynných složek vzduchu, na vodních kapičkách, ledových krystalcích a na nejrůznějších aerosolových částicích vyskytujících se v zemském ovzduší. Kromě toho je součástí difúzního záření také sálání okolních ploch, terénu, budov apod. K oslunění plochy také přispívá odraz přímého záření od okolního terénu, které může být významné u větších vodních ploch, aj. větších světlých lesklých ploch. Základní veličinou při popisu slunečního záření dopadajícího na Zemi je jeho intenzita I, kterou definujeme jako množství zářivé energie, jež za jednotku času dopadá na jednotkovou plochu orientovanou kolmo ke slunečním paprskům. Na plochu kolmou ke slunečním paprskům dopadá na hranici zemské atmosféry cca 1360 W/m 2, to je tzv. sluneční konstanta I k. Průchodem atmosférou se intenzita slunečního záření zmenšuje, mírou tohoto umenšení intenzity je tzv. součinitel znečištění atmosféry z, který závisí na obsahu příměsí ve vzduchu (vliv kvality atmosféry podle množství aerosolů i různých plynů zejména kyslíku a ozónu.) a atmosférickém tlaku (nadmořské výšce H). Znečištění atmosféry se dynamicky mění v denním i ročním cyklu, - 8 (16) -

9 Závěr typické měsíční průměrné hodnoty pro ČR jsou v tabulce. Hodnota slunečního záření dopadajícího na zemský povrch je obecně definována: I p = I k exp 0,1 Z sin h Propustnost atmosféry pro sluneční záření je dané relativní tloušťkou atmosféry, tedy délkou dráhy slunečního paprsku k zemskému povrchu. Uplatní se vliv zaoblení Zeměkoule a refrakce paprsků při malých výškách Slunce h. Součinitel znečištění atmosféry Z je dle ČSN uveden v tab. 1, maximální hodnoty podbarveny. Tab. 1 Součinitel znečištění atmosféry dle ČSN měsíc březen duben květen červen červenec srpen září říjen z H H 0, 8 Směr dopadu slunečních paprsků je dán vzájemnou polohou Slunce a osluněné plochy. Zatímco u osluněné plochy jde zpravidla o stálou polohu určenou orientací ke světovým stranám a úhlem sklonu od vodorovné roviny, mění se poloha Slunce na obloze v závislosti na čase. Polohu Slunce je výhodné popisovat úhlovými souřadnicemi, pro znázornění pohybu Slunce využíváme představy nehybné Země a Slunce pohybujícího se po kulové ploše. V každém okamžiku je poloha Slunce dána výškou nad obzorem h a azimutem a. Azimut a je definován jako úhlová odchylka od severu. Obr. 2 Sluneční souřadnice a jejich grafické znázornění Sluneční deklinace δ představuje změnu polohy Slunce a Země vzhledem k natáčení zemské osy vzhledem ke Slunci, číselně vyjadřuje také zeměpisnou šířku, kde je v daný den ve 12 hodin v poledne Slunce kolmo nad obzorem. V dny rovnodennosti má hodnotu 0, ve dny slunovratů +/- 23,5. Zeměpisná - 9 (16) -

10 TZB-Vzduchotechnika, modul BT02-04, Meteorologické základy šířka se označuje φ, τ je časový úhel v obloukových stupních, měřený od 12 hodiny polední (každou hodinu se Země otočí o 15, např. 14. hodině odpovídá časový úhel = 210 ). Pravý sluneční čas vychází z idealizaci rovnoměrného pohybu Země kolem Slunce po kruhové dráze. Azimut stěny a st se určí jako odchylka normály (kolmice směřující ven) stěny od severu po směru hodinových ručiček. Celkové sluneční záření dopadající na osluněnou plochu lze vypočíst jako součet přímého a difúzního záření. Tabelovány jsou hodnoty celkového slunečního záření dopadajícího na orientovanou stěnu a celkového záření procházejícího jednoduchým oknem. Těchto veličin se využívá při výpočtu tepelné zátěže stěn a oken. Pro zjednodušení výpočtu tepelné zátěže stěn se používá rovnocenná sluneční teplota, která zahrnuje jak vliv teploty vzduchu, tak dopadajícího slunečního záření. Tab. 2 Sluneční souřadnice. Podbarveny max. výšky Slunce pro každý měsíc. Měsíc XII I XI II X III IX IX VIII V VII dekli nac e - 23,5 Sluneční souřadnice (výška, azimut) pro 21. den každého měsíce Sluneční ča s (h) , , ,8 20,4 VI 23, Tab. 3 Intenzity sluneční radiace. Maximální hodnoty jsou podbarveny. Intenzita sluneční radiace (W/m 2 ) dopadajíc í na různě orientované svislé stě ny a vodorovnou ploc hu (H) Směr S SV V JV J JZ Z SZ H (16) -

11 Závěr Tab. 4 Intenzity sluneční radiace. Maximální hodnoty jsou podbarveny. Intenzita sluneční radiace (W/m 2 ) procházející jednoduc hých okne m s ocelový m rámem Směr S SV V JV ll J JZ Z SZ H l22 41 Hodnoty sluneční radiace jsou symetrické pro západní a východní stěnu. Maximální hodnoty jsou vždy na stěně, vůči níž je postavení Slunce na obloze nejvíce blízké kolmému směru. výška Slunce nad obzorem Obr. 3 Výška Slunce nad obzorem a oslunění budovy. 2.2 Teplota a vlhkost vzduchu Teplota venkovního vzduchu má pro dimenzování klimatizačního zařízení stěžejní význam. U zemského povrchu je určována jednak slunečním zářením a pohltivostí zemského povrchu, jednak prouděním vzduchu v atmosféře, větrem. Tím je možné, že i na místech málo osluněných je vysoká teplota vzduchu v důsledku proudění teplého vzduchu z jiných míst. Průměrný denní chod teploty vykazuje harmonické kolísání. Nejnižší teploty jsou dosahovány v létě kolem 4 hodiny, v zimě kolem 8 hodiny. Denní maxima se vyskytují v mezi 13. a 15. hodinou (16) -

12 TZB-Vzduchotechnika, modul BT02-04, Meteorologické základy Tab. 5 Výpočtové klimatické údaje pro zimní a letní období pro bývalá okresní města podle ČSN za období Město h (m) p (kpa) t e ( o C) Zimní období d t es ( o C) D t e ( o C) Letní období h e (kjkg -1 ) t m ( o C) Blansko , , ,2 19,5 Břeclav ,3 -l , ,1 20,1 Brno ,5-12v 222 3, ,2 19,2 Bruntál ,8-18v 255 2, ,2 16,1 Děčín , , ,2 19,2 Frýdek ,7-15v 225 3, ,2 18,5 Místek Havlíčkův ,3-15v 239 2, ,8 17,5 Brod Hodonín , , ,1 20,0 Chomutov ,3-12v 223 3, ,2 17,9 Jičín , , ,1 18,9 Jihlava , , ,0 17,2 Karviná , , ,2 18,5 Kolín ,7-12v 216 4, ,1 19,5 Kroměříž , , ,2 19,9 Liberec , , ,2 17,9 Litoměřice ,2-12v 222 3, ,2 19,2 Louny , , ,2 19,9 Most ,5-12v 223 3, ,2 19,2 Náchod , , ,8 17,5 Nový Jičín ,0-15v 229 3, ,9 18,2 Olomouc , , ,2 19,2 Opava , , ,2 17,9 Ostrava , , ,2 18,5 Pardubice ,7-12v 224 3, ,2 19,2 Praha , , ,1 18,9 Přerov , , ,2 19,9 Prostějov , , ,2 19,2 Sokolov ,5-15v 239 3, ,8 17,5 Strakonice , , ,1 18,9 Svitavy , , ,2 18,5 Šumperk 3l7 97,5-15v 230 3, ,1 18,9 Tábor , , ,9 18,3 Třebíč , , ,9 18,3 Zlín , , ,0 19,2-12 (16) -

13 Závěr Město h (m) Zimní období p t e d t es (kpa) ( o C) ( o C) D t e ( o C) Letní období h e t m (kjkg -1 ) ( o C) Blansko , , ,2 19,5 d počet dnů topného období D... počet denostupňů p... tlak vzduchu h... nadmořská výška t e teplota vzduchu index v...krajina s intenzivními větry t es průměrná teplota vzduchu v zimním období h e... entalpie vzduchu t m... teplota mokrého teploměru Pro podmínky ČR jsou výpočtové podmínky teploty a vlhkosti vzduchu tabelovány ze statistických údajů za 50ti leté období. V letním období je kromě teploty vzduchu významná též jeho vlhkost. Vlhkost vzduch u může být definov ána růz ným způsobem, běžně jako mě rná vlhkost nebo pomocí entalpie vzduchu. Obsah vodní páry závisí význam ně na jeho teplotě, proto v ročním cyklu vykazuje vlhkost vzduchu velké kolísání, nejnižší je v zimě a nejv yšší v l étě. V denním průběhu zůstává měrná vlhkost vzduchu téměř konstantní Tab. 6 Rovnocenné sluneční te ploty různě orientovaných stěn pr o t emax = 30 o C pro měsíc červenec Denní doba Teplota vzduchu o (h) t e ( C) Rovnocenné sluneční teploty tr ( o C) pr o orientaci stěny H S SV V JV J JZ Z SZ 1 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 2 16,9 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,9 16,2 3 16,0 16,0 16,0 16,0 l6,0 16,0 16,0 16,0 16,0 16,0 4 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 5 16,9 19,1 19,3 20,9 20,8 19,1 18,1 18,1 18,1 18,1 6 18,1 25,1 23,5 31,5 32,9 27,2 20,9 20,6 20,6 20,6 7 19,5 32,6 23,9 36,8 41,7 35,8 23,2 23,2 23,2 23,2 8 21,2 40,8 25,9 37,9 46,8 42,8 29,3 25,9 25,9 25,9 9 23,0 48,4 28,5 36,0 47,2 47,4 36,6 28,5 28,5 28, ,8 54,7 30,9 32,4 45,0 49,4 43,0 30,9 30,9 30, ,5 59,3 33,0 33,0 40,6 48,7 47,7 38,1 33,0 33, ,9 61,7 34,6 34,6 34,6 45,6 52,0 45,6 34,6 34, ,1 61,8 35,8 35,6 35,6 40,6 50,3 51,3 43,1 35, ,8 59,6 35,9 35,9 35,9 35,9 47,9 54,4 50,0 37, ,0 55,4 35,5 35,5 35,5 35,5 43,6 54,4 54,2 43, ,8 49,4 34,4 34,4 34,4 34,4 37,9 51,3 54,9 46, ,1 42,3 33,5 32,7 32,7 32,7 32,7 45,3 51,3 46, ,9 35,0 33,4 30,5 30,5 30,5 30,5 37,1 42,8 41, ,5 28,7 28,9 27,6 27,6 27,6 27,6 28,7 30,4 30, ,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24, ,0 23,0 23,0 23,0 23,0 23,0 23,0 23,0 23,0 23,0-13 (16) -

14 TZB-Vzduchotechnika, modul BT02-04, Meteorologické základy 22 21,2 21,2 21,2 21,2 21,2 21,2 21,2 21,2 21,2 21, ,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,,5 19,5 19, ,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 t rm 23,0 33,6 26,2 27,8 29,7 30,2 29,6 30,2 29,7 27,8 t rm... průměrná hodnota za 24 hodin 2.3 Tlak vzduchu Absolutní tlak má pro vzduchotechnické výpočty jen malý význam. Pomalé změny tlaku způsobené změnami počasí se neuvažuje. Vliv atmosferického tlaku se projevuje pouze při velkých nadmořských výškách. Průměrný tlak na hladině moře má hodnotu 101,4 kpa, v České republice 98,1 kpa. Pro jednotlivá města je uveden v tab. 5. Rovnocenné sluneční teploty různě orientovaných stěn pro t emax = 30 o C pro měsíc červenec jsou uvedeny v tab. 6. Modře podbarvena teplota vzduchu, žlutě maximální hodinové hodnoty (srovnejte s průběhem slunečního záření), zeleně hodnoty v době, kdy je Slunce v naší zeměpisné šířce pod obzorem (rovnocenná sluneční teplota je stejná jako teplota vzduchu). Pro výpočet potřeby tepla pro větrání se používají tzv. denostupně D, definované ze vztahu: D = d ( ) t is t es kde d je počet dnů topného období, t is, t es jsou průměrné teploty vnitřního a venkovního vzduchu za toto období. Počet denostupňů pro vybraná města je uveden v tab Vítr Jako vítr se označuje proudění vzduchu v troposféře. Jeho příčinou jsou tlakové rozdíly. Směr a rychlost větru ovlivňuje i tvar terénu a okolní zástavba. Denní kolísání odpovídá v zásadě průběhu teploty, v poledne nabývá rychlost nejvyšších hodnot a večer a v noci nejnižších a to výrazněji v létě než v zimě, přesto- jsou v absolutní hodnotě rychlosti větr u vyšší. Působení větru na že v zimě budovu utváří tlakové poměry při obtékání budovy, na návětrné straně vzniká přetlak, na závětrné podtlak, což při vysokých rychlostech větru může ovlivnit množství nasávaného a vyfukovaného vzduchu na fasádě objektu. Obtékání budovy větrem také může způsobit nežádoucí zkrat odpadního vzduchu do sání venkovního vzduchu. Tab. 7 Rychlosti větru v závislosti na teplotě vzduchu místo Rychlost větru v (m/s) v závislosti na teplotě vzduchu maximální rychlost a tomu odpovídající teplota minimální teplota a tomu odpoví- rychlost větru dající -1 t e ( C) v (ms ) t e ( C) v (ms -1 ) - 14 (16) -

15 Závěr Brno -1,0 11,5-14,4 3,4 Cheb 2,8 7,6-15,6 1,0 Ostrava -0,1 11,5-17,1 2,3 Plzeň 5,0 10,7-16,7 1,0 Praděd -6,9 22,6-19,0 8,4 Praha 4,0 13,9-16,1 1,9 Přibyslav 1,1 13,3-16,2 2,1 Nejvyšší rychlosti větru bývají dosahovány kolem teploty vzduchu 0 až 5 C, při minimálních (výpočtových) teplotních podmínkách je rychlost větru nižší. Pro výpočet přirozeného větrání je pak podle konkrétních podmínek k posouzení, jestli je např. pro Brno méně příznivá kombinace velmi nízké tep- rychlosti větru (-14,4 C x 3,4 ms -1 ) nebo vysoké loty a tomu odpovídající -1 rychlosti větru a tomu odpovídající teploty (11,5 m x -1,0 C). Tyto údaje odpovídají zajištěnosti podmínek na 99,6 %, tedy v průměrném roce lze očekávat méně příznivé klimatické podmínky cca 35 hodin za rok. 3 Závěr 3.1 Shrnutí Venkovní klimatické podmínky formují teplotní prostředí v budovách. Výpočtové hodnoty klimatických veličin jsou základním podkladem pro dimenzování vzduchotechnického zařízení (tepelná bilance, výkony výměníků). Stěžejní veličina vnějšího prostředí v letním období je sluneční záření, v zimním období teplota vzduchu. Působení větru na budovu je podstatné z hlediska infiltrace a situování otvorů pro výfuk a sání vzduchu. 3.2 Studijní prameny Seznam použité literatury [1] Gebauer G., Horká H., Rubinová O. Vzduchotechnika, ERA 2005 [2] Jokl, M. Zdravé obytné a pracovní prostředí, Academia 2002 [3] ČSN Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů [4] Ptáková, D. Návrhové klimatické podmínky pro Českou republiku dle ASHRAE, www. tzb-info.cz, Seznam doplňkové studijní literatury [5] Rubinová O., Rubina A. Klimatizace a větrání, ERA 2004 [6] Ferstl, K., Nový R., Székyová, M. Vetranie a klimatizacia, Bratislava Jaga (16) -

16 TZB-Vzduchotechnika, modul BT02-04, Meteorologické základy Odkazy na další studijní zdroje a prameny [7] www. tzb-info.cz - 16 (16) -