Úvod do předmětu Základní pojmy Faktory ovlivňující kvalitu vnitřního prostoru Působení Slunce na budovu

Transkript

1 CT 52 Technika prostředí LS 2013 Úvod do předmětu Základní pojmy Faktory ovlivňující kvalitu vnitřního prostoru Působení Slunce na budovu 1. Přednáška Ing. Olga Rubinová, Ph.D. 1

2 Cíl předmětu / profil absolventa Vnitřní prostředí budov a jeho tvorba systémy techniky prostředí (vytápění + vzduchotechnika) Budova a energie 2

3 Cíl předmětu / profil absolventa CÍL PŘEDMĚTU Cílem předmětu je osvojení vědomostí o vnitřním prostředí budov a technických prostředcích k jeho tvorbě. Absolvent bude: schopen rozpoznat faktory ovlivňující kvalitu vnitřního prostředí budov, znát složky mikroklimatu budov, schopen analyzovat kvalitu vzduchu a navrhovat opatření k její optimalizaci, schopen vyhodnotit tepelnou bilanci lidského organismu a posoudit tepelný stres člověka v konkrétních podmínkách pracovního prostředí, znát hygienické požadavky na pracovní prostředí a bude schopen navrhnout technická opatření k jejich zajištění, mít přehled o energetických systémech budov schopen určit spotřebu energie na provoz systémů vytápění, chlazení, vzduchotechniky, ohřevu teplé vody a osvětlení. mít znalosti o systémech techniky prostředí v budovách s nízkou spotřebou energie. 3

4 Požadované předchozí znalosti pro Techniku prostředí 4

5 Motivace Kdyby lidem nevadily zima a vítr, žili by v jeskyni. Kdyby jim nevadil kouř, bydleli by v týpí s otevřeným ohništěm. Cílem budov je vytvořit příjemné, zdravé a bezpečné prostředí. Znalosti o vnitřním prostředí v budovách jsou tedy pro návrh staveb výchozí. K pochopení mechanismů, které formují vnitřní prostředí budov, k poznání způsobů, jak prostředí ovlivňuje lidské zdraví, k nastínění technických prostředků, jak prostředí cílevědomě utvářet. 5

6 Struktura předmětu Navazující magisterský studijní program Stavební inženýrství Ročník 1. Obor Pozemní stavby Zaměření NPS + TZB Aktivita ve cvičení ovlivňuje výsledek zkoušky! OSNOVA PŘEDMĚTU týden přednáška 1 Faktory ovlivňující kvalitu vnitřního prostoru 2 Tepelná pohoda a rovnováha člověka 3 Vlhkost v budovách 4 Hodnocení tepelně vlhkostního mikroklimatu budov 5 Vzduch, který dýcháme 6 Hodnocení a zvyšování kvality vzduchu 7 Hygienické požadavky na pracovní prostředí 8 Energetická náročnost a legislativa ČR 9 ENB osvětlení a teplá voda 10 ENB vytápění a chlazení 11 ENB větrání 12 Problematika nízkoenergetických budov 13 Další složky mikroklimatu budov Rozsah Ukončení Z + ZK PŘEDNÁŠKA CVIČENÍ Dílčí úlohy dokumentující roli techniky prostředí při tvorbě vnitřního prostředí budov 6

7 Osnova předmětu Harmonogram přednášek týden přednáška 1 Faktory ovlivňující kvalitu vnitřního prostoru 2 Tepelná pohoda a rovnováha člověka 3 Vlhkost v budovách 4 Hodnocení tepelně vlhkostního mikroklimatu budov 5 Vzduch, který dýcháme 6 Hodnocení a zvyšování kvality vzduchu 7 Hygienické požadavky na pracovní prostředí 8 Energetická náročnost a legislativa ČR 9 ENB vytápění a chlazení 10 ENB osvětlení a teplá voda 11 ENB větrání 12 Problematika nízkoenergetických budov 13 Další složky mikroklimatu budov 7

8 Osnova předmětu Harmonogram cvičení Početní příklady experiment 1 Oslunění staveb a vnitřního prostoru Sluneční hodiny 2 Orientace budovy a její tepelná bilance Výkon otopného tělesa 3 Produkce tepla člověkem Energetická bilance člověka 4 Vlhkost vzduchu a mikroklima budov Odpar vody z volné hladiny 5 Hodnocení tepelně vlhkostního mikroklimatu 6 Kvalita vzduchu a větrání Kvalita vzduchu 7 Pracovní prostředí Hra s vůněmi 8 Systémy vytápění a chlazení a mikroklima budov 9 ENB okrajové podmínky a teplá voda 10 Tepelná bilance a potřeba tepla pro vytápění 11 Energetická náročnost osvětlení 12 ENB větrání / klasifikace Tepelně vlhkostní MK v učebnách Protisluneční ochrana budov 8

9 Osnova předmětu Harmonogram cvičení Početní příklady Experiment 9

10 Webová stránka předmětu 10

11 11

12 Základní pojmy agencie látky hmotnostního nebo energetického charakteru působící na subjekt optimalizace mikroklimatu = zásah do: zdroje - pole přenosu - subjekt zdroj agencií pole přenosu subjekt Příklad: zraková pohoda / oslnění 12

13 Základní pojmy komplexní ekosystém soustava složená ze: - subjektu (člověka) - prostředí, se kterým je v interakci = pole přenosu - zdroje agencií ekosystém zdroj agencií pole přenosu subjekt 13

14 14

15 Tvorba TV-IM staveb vnější faktory klimatické podmínky čistota venkovního vzduchu zeměpisná poloha nadmořská výška charakter krajiny (rovina, hory, město) stavební konstrukce stěna okno výsledný stav prostředí vnitřní faktory člověk technické vybavení budovy větrání vytápění klimatizace provoz budovy 15

16 Roční průběh teploty a vlhkosti vzduchu 16

17 Distribuce Slunečního záření na Zemi 17

18 Zeleň ohraničení prostoru snížení slunečního jasu a tepelného záření regulace obtékání budovy větrem - větrná a hluková bariéra omezení denního vzestupu teploty (adiabatickým chlazením) a nočního sálání z listů se odpaří 10x více vody než ze stojaté hladiny se stejnou plochou. 1 m 2 ostříhaného trávníku má plochu až 150 m 2 čištění vzduchu a produkce kyslíku listnaté stromy v létě stíní a v zimě umožňují pasivní solární zisky 120 kwh/den (celková energie) 1 % fotosyntéza 5 10 % odražené světlo 5 10 % vysálané teplo 5 10 % ohřev půdy cca 60 % výpar vody (70 kwh, 250 MJ, 100l) Průměr koruny 5m plocha 20 m 2 18

19 Vodní plochy Akumulace tepelné energie zmenšení kolísání (amplitudy) vzduchu Menší noční sálání půdy v důsledku vyšší vlhkosti vzduchu Menší výskyt jarních a podzimních mrazíků Golfský proud 19

20 Teplota venkovního vzduchu a TV-IM staveb Teplota vzduchu je stěžejním faktorem tepelné bilance v zimním období. Téměř 300 dnů v roce se venkovní teplota pohybuje v rozmezí 0 až 20 C. Aktuální teplota vnějšího vzduchu je významná zejména pro větrání (dimenzování výměníků, distribuce teplotně neupraveného vzduchu). Volba výpočtové teploty ovlivňuje tepelný komfort za extrémních klimatických podmínek a také velikost zdrojů tepla a chladu. 20

21 Vlhkost venkovního vzduchu a TV-IM staveb Obsah vodní páry ve vzduchu závisí významně na jeho teplotě, proto v ročním cyklu vykazuje vlhkost vzduchu velké kolísání, nejnižší je v zimě a nejvyšší v létě. Proto je v zimě v interiéru budov suchý vzduch, zatímco v létě je vlhkost vysoká. Vlhkost vzduchu v konkrétní lokalitě ovlivňují také vodní plochy a rostliny (odparem). To ovlivňuje vlhkostní bilanci budov. Nejvyšší teploty vzduchu nejsou doprovázeny nejvyšší vlhkostí maxima teploty a vlhkosti vzduchu nejsou současná. Nejvyšší absolutní vlhkost má venkovní vzduch při cca 20 C. 21

22 22

23 Původ veškeré energie na Zemi je ve Slunci Na každý čtvereční metr zemského povrchu dopadá v našich podmínkách za jeden rok 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 záření (cca 7%) viditelné záření (cca 48 %) infračervené záření (cca 45 % ) intenzita slunečního záření (výkon) energie slunečního záření sluneční svit (délka trvání) 23

24 Nerovnoměrnost pohybu Slunce kolem Země 24

25 Sluneční deklinace 23,45 sin 29,7 M 0,98 D

26 Délka dne a noci ve významných dnech roku kde prochází ,0 severní pól +66,5 severní polární kruh +50,0 rovnoběžka v ČR +23,5 obratník Raka 0,0 rovník dat či či trvá (jarní) (letní) (podzimní) (zimní) rovnodenost slunovrat rovnodenost slunovrat den 24 h 24 h 24 h 0 h noc 0 h 0 h 0 h 24 h den 12 h 24 h 12 h 0 h noc 12 h 0 h 12 h 24 h den 12 h 16 h 12 h 8 h noc 12 h 8 h 12 h 16 h den 12 h 13,5 h 12 h 10,5 h noc 12 h 10,5 h 12 h 13,5 h den 12 h 12 h 12 h 12 h noc 12 h 12 h 12 h 12 h 26

27 Výška Slunce nad obzorem h arcsin sin sin cos cos cos h 27

28 Azimut Slunce a 180 arcsin sin cos cos h S τ = hodinový úhel τ = 15.H ZÁPAD SLUNCE VÝCHOD SLUNCE Z V a J 28

29 Pohyb Slunce na obloze v den rovnodennosti 29

30 Starověké solární observatoře Určení data letního slunovratu za využití východu Slunce: 21.června vycházející Slunce na severovýchodě vyzařuje své světlo mezi kamenem Heel stone a dopadá na oltářní kámen Altar stone ve středu Trilithonů či podkovy Stonehenge ( př.n.l.). Loc: 51 10'44.013"N, 1 49'34.775"W 30

31 Archaické sluneční hodiny v ČR ( ) Deklinace Slunce činí při východu 14,5 (+14 32' 11"); první paprsek se objevil (5:45:47; Azimut ') za rotundou sv. Jiří na Řípu, která byla v tom okamžiku dalekohledem velmi jasně rozpoznatelná. Zkamenělý pastýř u Klobouk N; E; 303 m n.m 31

32 Keltské solární dělení roku ZIMNÍ SLUNOVRAT δ= -23,3 ; SAMHAIN PROSINEC LEDEN δ= 14,5 ; 2.11 LISTOPAD ÚNOR IMBOLC δ= -14,5 ; 5.2 ŘÍJEN TMA SVĚTLO JARNÍ ROVNODENNOST BŘEZEN δ= 0 ; 21.3 CHLAD ZÁŘÍ PODZIMNÍ ROVNODENNOST δ= 0 ; 23.9 TEPLO DUBEN BELTINE δ= 14,5 ; 30.4 SRPEN KVĚTEN LUGNASA δ= 14,5 ; 14.8 ČERVENEC ČERVEN LETNÍ SLUNOVRAT δ= 23,3 ;

33 Stínění okolní zástavbou Změna stínícího účinku budovy jejím tvarem 33

34 1 Příklad: Prokažte tvrzení Na Hromnice o hodinu více Hromnice 2.2 i když to tak nevypadá, Hromnice jsou svátek jara. Měsíc únor má název podle ledových ker, které se začínaly lámat na řekách a ponořovat pod vodu. Říkalo se, že se unořují a tak vznikl název měsíce únor. Teoretická doba slunečního svitu je od východu do západu Slunce. δ = 23,45. sin 29,7. M + 0,98. D 109 sin h = sin δ. sin φ + cos δ. cos φ. cos τ Východ a západ Slunce: h = 0 sin h sin σ. sin φ cos δ. cos φ τ = 15. H = cos τ VS = 12 H ZS = 12 + H Prodloužení dne od Vánoc do Hromnice +1,2 hodiny 49 s.š deklinace -23,4-17,3 max. h 17,6 23,7 východ S. 8:00 7:25 západ S. 16:00 16:35 TSČ 8,0 9,2 34

35 Sluneční deklinace 35

36 Doplňující otázky Závisí sluneční deklinace na zeměpisné poloze pozorovatele? Kdy je deklinace rovna 0? Co by znamenalo pro život na Zemi (v našem klimatickém pásmu), kdyby deklinace byla neměnná? 36

37 2 Příklad: Kdy zapadá Slunce nad Manhattanem? Manhattan je jedním z pěti newyorských městských obvodů Kolikrát ročně můžeme tento jev vidět?

38 Výchozí údaje New York 40 42' s.š., 74 00' z.d Západ Slunce: h = 0 a = 300 SZZ 30 38

39 Výpočet slunečních souřadnic δ = 23,45. sin 29,7. M + 0,98. D 109 sin a = sin τ sin h = sin δ. sin φ + cos δ. cos φ. cos τ τ = 15. H cos σ cos h sin x 2 + cos x 2 = 1 cos τ = 1 sin τ 2 Známe: a = 300 ; h= 2 (vidíme celý sluneční kotouč); φ = 40,6 ; Neznámé: δ, τ sin τ = sin a cos h cos σ sin h sin σ. sin φ cos δ. cos φ = cos τ δ = +23,4 ; H = 19:20 h; h = 1,5 ; a = Východ slunce 4,5 h; Západ slunce 19,5 h

40 Doplňující otázky New York 40 42' s.š., 74 00' z.d. Jak se bude lišit místní čas od vypočteného času slunečního? Bude v Brně v určený den teoretická doba slunečního svitu delší, nebo kratší (delší - kratší den)? Kolik hodin bude v Brně ve vypočtenou dobu? 40

41 Tvar stavby Drsné studené podnebí Minimální povrch ku objemu Nárazové prostory Mírné podnebí Dobrá tepelná izolace Zimní insolace a letní stínění Horké suché podnebí Masivní atriová budova s malými okny 41

42 Tvar stavby Horké vlhké podnebí Účinné větrání Kryté verandy Velmi horké a suché podnebí Chlazení a zvlhčování vzduchu vodou odpařovanou ze stavební konstrukce 42

43 3 Příklad: Kdy byla pořízena fotomapa? Odhadněte, v kolik hodin byla přibližně pořízena tato fotografická mapa. 43

44 4 Příklad: Do kterého okna bude 1.5 v 15 h svítit Slunce? 44

45 Azimut Slunce a = 243 h = 40 ZS = 19,2 h 45

46 Výška Slunce nad obzorem a = 243 h = 40 ZS = 19,2 h 46

47 Doplňující otázky Bude někdy svítit Slunce do okna v přízemí? Porovnejte oslunění oken do ulice a do dvora. Jak zjistíme, zda bude osluněn dvůr domu? 47

48 48

49 Intenzita sluneční radiace dopadající na stěnu α sklon osluněné roviny na straně odvrácené od Slunce a azimut Slunce h výška Slunce nad obzorem γ azimut stěny z součinitel znečištění atmosféry θ prostorový úhel slunečního paprsku a normály stěny I DS intenzita přímého záření dopadajícího na orientovanou plochu I d intenzita difúzního záření I C celkové (globální) sluneční záření 49

50 Intenzita sluneční radiace dopadající na stěnu Výkon (W) Energie = výkon x čas (J) SEVER VÝCHOD JIH ZÁPAD VODOROVNÁ 50

51 Průměrné měsíční hodnoty znečištění atmosféry z měsíc ČSN běžné podmínky Horské oblasti Cihelka venkov Města Průmyslové oblasti Řehánek Hradec Králové (280mn.m.) Milešovka (835 m n.m.) Leden 1,5 2,1 3,1 4,1 2,8 2,2 Únor 1,6 2,2 3,2 4,3 3,2 2,6 Březen 3 1,8 2,5 3,5 4,7 3,3 2,7 Duben 4 1,9 2,9 4,0 5,3 3,8 3,4 Květen 5 2,0 3,2 4,2 5,5 4,1 3,6 Červen 5 2,3 3,4 4,3 5,7 4,3 4,0 Červenec 5 2,3 3,5 4,4 5,8 4,1 3,8 Srpen 4 2,3 3,3 4,3 5,7 4,0 3,5 Září 4 2,1 2,9 4,0 5,3 3,8 3,1 Říjen 3 1,8 2,6 3,6 4,9 3,6 2,7 Listopad 1,6 2,3 3,3 4,5 3,0 2,5 Prosinec 1,5 2,2 3,1 4,2 2,8 2,1 51

52 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 dopadající sluneční záření (W/m2) Dopadající sluneční záření na vodorovnou plochu N čas 52

53 Znečištění atmosféry v blízkosti velkých měst 53

54 Intenzita sluneční radiace procházející oknem Difúzní sluneční záření Přímé sluneční záření T D propustnost přímého záření sklem T d propustnost difúzního záření sklem θ prostorový úhel slunečního paprsku a normály stěny I DS intenzita přímého záření dopadajícího na orientovanou plochu I d intenzita difúzního záření I o sluneční záření procházející jednoduchým sklem 54

55 Prostup slunečního záření do budovy 500 W/m 2 Prostup slunečního záření oknem je okamžitý, prostup tepla stěnou je zpožděný a vykazuje teplotní útlum. 5 W/m 2 55

56 Výpočet tepelného zisku okna Závisí na denní a roční době, poloze osluněné roviny a oblačnosti Okno - rám Intenzita záření Průsvitná plocha Stínící součinitel Tepelný zisk Stínění překážkami (okolní budovy, slunolamy) Propustnost okna (fólie, počet skel) Pohyblivé stínící prvky (žaluzie, rolety) 56

57 dopadající záření (kj/m2.den) Dopadající sluneční záření v průběhu roku v Praze V létě dopadá na zemský povrch ze Slunce v ČR 10x více tepelné energie než v zimě. Racionální využívání solárních zisků musí být řízené průměr trend prumeru datum

58 Stínící technika Cíl = řídit průchod slunečního záření do místnosti Okenice Venkovní rolety Venkovní žaluzie Slunolamy a markýzy 58

59 5 Příklad: Zhodnoťte oslunění rodinného domu Vliv orientace ke světovým stranám Plocha oken k jednotlivým stranám 59

60 Dostupnost slunečního záření Je obytná místnost vhodně orientovaná? 21.6 v době, kdy h = min v době, kdy h = min

61 Doplňující otázky Čím je oslunění vymezeno v dny rovnodennosti? 61

62 Sluneční záření a TV-IM Sluneční záření je zdrojem veškeré energie na Zemi. Od hodnoty dopadajícího slunečního záření a jeho proměnlivosti v čase se odvíjí teplota vzduchu v atmosféře. Osluněnost obálky budovy determinuje jak světelné, tak tepelné podmínky. V důsledku pohybu Slunce po obloze se oslunění budovy během roku mění. Poloha Slunce na obloze se mění se zeměpisnou šířkou. Znečištění oblohy, typ krajiny ovlivňuje množství dodaného slunečního záření až o 100%. Poloha osluněné roviny ovlivňuje přijatý tepelný tok přímou radiací, difúzní záření je stejné pro všechny směry. Vliv slunečního záření je dominantní v letním, u lehkých izolovaných staveb také v přechodném období 62

63 63

64 Tvorba tepelně vlhkostního vnitřního prostředí staveb vnější prostředí vnější klimatické podmínky podnebí budova stavební materiály vnitřní prostředí pohlaví věk hmotnost výška adaptace fyzická člověk aktivita potrava tok tepla a vodní páry vnitřní zařízení základní mikroklima prostředí 64

65 Tepelné zisky elektroniky administrativních budov monitor CRT monitor LCD stolní laser. tiskárna počítač 55 až 80 W 20 až 40 W 35 až 215 W 55 až 75 W Vyrovnaná tepelná bilance až celoroční chlazení 65

66 6 Příklad: Porovnejte tepelnou zátěž okny Okno osluněné, ve stínu a osluněné s venkovní žaluzií Pro polohu Slunce z předchozího příkladu (květen, 15 h)

67 Výpočet tepelného zisku okna Závisí na denní a roční době, poloze osluněné roviny a oblačnosti Okno - rám Intenzita záření Průsvitná plocha Propustnost skla Stínící součinitel Tepelný zisk Vlastnost okna Pevné nebo pohyblivé stínící prvky (žaluzie, rolety, fólie) 67

68 Stínící součinitel I o, e s I I o, i o, e Qor Sos. Io. co So Sos. Iod s. I o, i s 0,85 s 0,80 s 0, 60 s 0, 15 68

69 Výpočet solárního zisku oken Intenzita sluneční radiace I (W/m 2 ) procházející jednoduchým oknem s ocelovým rámem Q = I. g. s. A Q 1 = 595.0,8 = 476 W/m 2 Q 2 = 595.0,8.0,15 = 71 W/m 2 Q 3 = 143.0,8 = 114 W/m 2 Q 1 = 100 % Q 2 = 15 % Q 3 = 24 % Směr S SV V JV J JZ Z SZ

70 7 Případová studie prosluněný klimatizovaný byt 70

71 :00:00 22:00:00 06:00: :00:00 22:00:00 06:00: :00:00 22:00:00 06:00: :00:00 22:00:00 06:00: :00:00 22:00:00 06:00: :00:00 22:00:00 06:00: :00:00 22:00:00 06:00: :00:00 22:00:00 06:00: :00:00 22:00:00 06:00: :00:00 22:00:00 06:00: :00:00 22:00:00 teplota ( C) Průběh teploty v klimatizované místnosti (byt) T-přívod T2 T3 T4 T-ext T-sání T nastavená čas (den, hodina) 71

72 8 Prognóza teploty v místnosti s oknem Metoda tepelné rovnováhy ZISKY (solární, vnitřní lidé, svítidla) ZTRÁTY (prostup a větrání) 72

73 Prognóza teploty v místnosti s oknem 34,9 C s = 0,7 s = 0,15 25,6 C s = 0,15 Q = 200 W 28,2 C Stěna 5x3 m (dovnitř 4 m) Okno 3x1,6 m na jih 73

74 9 Příklad: Porovnejte vliv orientace ke světovým stranám 3 m 2 10 m 2 Určete energii slunečního záření procházející oknem pro měsíce únor a červen. 74

75 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 sluneční záření dopadající na vodorovnou plochu (W/m2) Výkon/intenzita Práce a energie Výkon intenzita = okamžitá hodnota (W, W/m 2 ) Práce energie = VÝKON*ČAS (J, Wh) Porovnání intenzity slunečního záření dle ČSN a ze stanice TUBO FAST ČSN Energie čas (h) 75

76 Výpočet tepelných zisků po měsících Energie dopadající na orientovanou rovinu (kwh/m 2.měsíc) měsíc S J V JV JZ Z SZ SV H ) 0,8.( )= 342 W 0,8.( )= 515 W 0,8.( )= 456 W 6) 0,8.( )= 1412 W 0,8.( )= 908 W 0,8.( )= 879 W Q Z /Q L 4,1 1,8 1,9 76

77 Doplňující otázky K čemu se použije vypočtený tepelný zisk (W)? K čemu je užitečná hodnota energie slunečního záření proniklé do budovy za 1 den/měsíc? 77

78 10 Příklad: Západ a východ Slunce, soumraky 24.6 Od sv. Jana Křtitele běží Slunce již k zimě a léto k horku. Svatý Jan otevírá zimě dveře. O sv. Janu Křtiteli si noc na prahu posedí. Na sv. Jana nebývá noc žádná. δ = 23,45. sin 29,7. M + 0,98. D 109 sin h = sin δ. sin φ + cos δ. cos φ. cos τ Občanský soumrak číst tisk, konat venkovní práce (do -6 ) Nautický soumrak viditelnost hlavních hvězd k orientaci na moři (-6 až -12 ) Astronomický soumrak vhodné k pozorování hvězdné oblohy (-12 až -18 C) 78

79 Děkuji za pozornost 79