Tepelná bilance budovy a potřeba tepla pro vytápění a chlazení

Transkript

1 Tepelná bilance budovy a potřeba tepla o vytápění a chlazení Úloha Určete, zda ve sledovaném měsíci je tepelná bilance budovy kladná a je zapotřebí vytápět, nebo záporná a je zapotřebí chladit, nebo vyvážená a ani vytápění ano chlazení není nutné. Výpočet oveďte nejve o základní zadané podmínky. V druhém kroku navrhněte a výpočtem ověřte úavy vedoucí k optimalizaci tepelné bilance. Zadaná zóna je jedním podlažím v budově podle obrázku vavo. Geometrické údaje Řešená zóna Obr. 43 Schéma místění zóny v budově - Objem zóny O 1350 m 3, podlaha má rozměry 30 x 15 m, výška 3 m Součinitelé ostupu tepla - neůsvitných konstrukcí U N 0,23 W/m 2 K, - ůsvitných konstrukcí U P 1,1 W/m 2 K. - Sdílení tepla podlahou a stropem se zanedbává (sousedí s vytápěnými zónami). Údaje o osklení - Plochy osklení v jednotlivých fasádách: S p 5+n m 2 /jih; S p 35-n m 2 /východ; S p 40-n m 2 /západ; - osklení je z dvojskla Další údaje - pořadové číslo měsíce m n (např. o n 16 je m tedy duben) - teplota vzduchu v zóně má být udržována v rozmezí t i 20 až 27 C (rozmezí od zimy do léta). - Výměna vzduchu 1/h, účinnost ZZT 55 %, ovoz 9 až 17 hodin - Pasivní zisky uvažujte trvale 3 (sudá n) nebo 4 W/m 2 (lichá n) podlahové plochy. Měrná tepelná ztráta Plochy oken: S p,j 60 m 2, S p,v 20 m 2, S p,z 15 m 2, celkem S p 95 m 2 Plochy vnějších stěn: S (30+15) m 2 osklení fasád 95/ % ůtok vzduchu V m 3 /h Měrná tepelná ztráta ostupem a větráním (W/K) (U p o ůsvitné konstrukce, U N o neůsvitné, S plochy, η účinnost ZZT, V ůtok vzduchu m 3 /s, ρc 1200 J/m 3 K) v TR ( 1 0,95. ηzzt ) Vρc (1 0,95.0,55) W / K 3600 ( U. S + ( U + U ). S ) 1, (0,24 + 0,02) W / K p p n n 1350 Výpočtová tepelná ztráta o rozdíl teplot 32 K činí Q ( ).32 11,5 kw Základní potřeba tepla Vzhledem k tomu, že nevíme, zda bude v jednotlivých měsících tepelná bilance kladná (režim vytápění) a návrhová teplota interiéru t i t i,zima nebo bude bilance záporná (režim chlazení) a t i t i,léto, počítáme paralelně oba možné režimy. Metoda se jmenuje měsíční, oto je časovou jednotkou 1 měsíc s daným počtem dní. 95

2 Dosazením t a t a,z zjistíme potřebu v topném režimu, t a t a,l v chladicím režimu. Obdobně určíme o t a,z a t a,l tepelnou energii o větrání (h ovozní doba denně v hodinách) Pro měsíc duben je teplota t e 3,4 C, t i,l 26 C, t i,z 20 C, počet dní d d QTR, Z TR 1805 ( t t ) 151( 20 3,4) kwh 24d QTR, Z TR 2457 ( t t ) 151( 26 3,4) kwh Potřeba tepla o větrání v topném a chladicím režimu Q VE V h. d ( t t ) [ kwh] e i h. d QVE, Z V 2474 ( t t ) 207( 20 3,4) kwh h. d QVE, L V 3681 ( t t ) 207( 26 3,4) kwh Vnitřní zisky Solární zisky (F P podíl skla z plochy okna cca 85 %, g opustnost okna) zjistíme o celkovou plochu ůsvitných konstrukcí orientovaných na jednotlivé světové strany ,85.0, Pasivní tepelné zisky z vnitřních zdrojů (lidé, spotřebiče, svítidla) činí q APP 5 W/m 2 podlahy v ovozní době zóny (jinak vyplývá z přílohy P61, příp. P62 nebo se stanoví analýzou situace) Stupeň využití zisků Poměr zisků a ztrát (-) v topném režimu γ (t a t a zimní) a v chladicím režimu γ C (t a t a letní). Vnitřní zisky jsou na vnitřní teplotě (zjednodušeně) nezávislé , ,02 Vnitřní tepelná kapacita budovy C (J/K) určete o budovu s cihelnými stěnami a koberci. C m měrná kapacita plošných konstrukcí tab. P59 vztažená k podlahové ploše /. 96

3 Časová konstanta budovy (h) , Faktor setrvačnosti budovy ,2 Stupeň využití zisků v topném režimu o γ ,47 31, ,47 46,1 0,67 Stupeň využití zisků v topném režimu o γ 1 1 Stupeň využití zisků v topném režimu o γ < 0 1 Stupeň využití zisků v chladicím režimu o γ C ,02 0, ,02 0,22 0,86 Stupeň využití zisků v chladicím režimu o γ C 1 1 Stupeň využití zisků v chladicím režimu o γ C < 0 1 Bilance potřeb Denní potřeba tepla o vytápění v kwh (potřeba tepla zmenšená o využitelné zisky) , Denní potřeba chladu o chlazení/klimatizaci v kwh (potřeba chladu zmenšená o využitelné ztráty) , Závěr Budova se v dubnu ocitá v přechodném období, kdy potřeba vytápět je v důsledku velkých pasivních zisků okny minimální, naopak převládá potřeba chladit. Pokud nebude zajištěno strojní chlazení, nebo větší ůtok větráním o odvod tepelné zátěže, nebo větší stínění oken, bude tepelná bilance kladná a budova se bude přehřívat. Jako vhodné opatření o snížení tepelné zátěže přichází v úvahu: stínění oken, zvětšení ůtoku vzduchu (venkovní teplota je nízká, jedná se o volné chlazení). Pokud se výměna vzduchu zvýší na dvojnásobnou, bude 414 W/K., ,

4 , Ztráty jsou v tomto případě vyšší jak zisky, tzn. že ovoz chlazení vůbec nenastane, veškerá tepelná zátěž je (s rezervou) odvedena větráním. Z toho lze soudit, že při zvýšeném ůtoku vzduchu max. teplota 26 C nebude ani dosažena. Pokud však by byl vysoký ůtok (o zvýšenou dvojnásobnou) teplotu udržován trvale, bude to mít vliv i na hodnotu potřeby tepla v topném režimu. Zvažte, jakými technickými ostředky lze navržené úavy realizovat. Úloha Tepelnou bilanci v topném a chladicím režimu vypočteme o celý rok. Vypočtené hodnoty o jednotlivé měsíce avíme korekcemi podle potřeby na tlumený ovoz v neacovních dnech. Redukční faktor o tlumené vytápění / chlazení (f poměr počtu acovních dní ku počtu dní v týdnu celkem, nebo delší svátky či ázdniny, τ - časová konst. budovy) a red Musí platit, že f γ 1 τ p a red p 1 ( f ) Měsíční potřeba tepla o vytápění Q ared,. Q, d Měsíční potřeba chladu o klimatizaci Q a. Q red, C C Pomocná energie Pro distribuci energie v systému vytápění je nutná další energie o čerpadla, kde P je příkon ve W a f váhový činitel regulace (o víceotáčková čerpadla). Tato pomocná energie se uvažuje u vytápění, chlazení, příp. i větrání a ohřevu teplé vody. Měsíční pomocná energie čerpadel P Q p. f. h d [ kwh] Počty a příkony čerpadel určete odhadem (cca 2 čerpadla/systém, příkon o vytápění a chlazení do 150 W). Účinnost výroby a distribuce energie Dále se zhodnotí účinnost distribuce energie (ztráty v potrubní síti) a výroby energie (účinnost zdroje). Výroba chladu se předpokládá komesorovým zdrojem s účinností vyjádřenou COP. Tato hodnota se v reálných podmínkách mění v závislosti na venkovní teplotě. Jako vstupní energie o výrobu chladu se tak uvažuje elektrická energie. Podobně se postupuje u tepelného čerpadla. EPA EPA C QC COP. η Q η η zdroj distr distr + Q + Q p, C p, U běžných zdrojů tepla, jako jsou kotle na plyn nebo jiná paliva, se účinnost výroby pohybuje v intervalu η zdr 0,85 až 0,99 a podrobně uvádí tabulky P66, P67 a P68. 98

5 Úloha Dostupnými metodami určete přínos venkovní rolety v tepelné bilanci místnosti. Vypočtěte potřebu energie o krytí tepelné ztráty venkovní stěny s oknem. Analýzu oveďte o teplotu místnosti 21 C a zadaný měsíc. Roletu hodlá pan Novák stahovat v zimě již v 17 hodin a vytahovat ráno v 7 hodin, kdy vstává. Vyhodnoťte, kolik tepla, potažmo peněz uspoří. Roleta je po úplném stažení poměrně těsná. Skládá se z lamel tl. 4 mm vyplněných polyuretanem. Tab. 19 vků Prvek fasády Rozměry Š x V (m) Součinitel ostupu tepla U (W/m 2 K) Stěna 5+0,1.n x 3,2 0,20 okna 4+0,1.n x 1,6 1,2+0,02.n měsíc n 1,2,3 leden, n 4,5,6 únor; n 7,8,9 březen; n 10,11,12 duben; n13,14,15 květen; n16,17,18 říjen; n19,20,21 listopad; n>21 osinec Řešení Tepelný odpor rolety R vypočteme o α i 15 W/m 2 K a α e 23 W/m 2 K (vliv opláštění lamel možno zanedbat). Dále veličiny s indexem 1 odpovídají samotnému oknu, s indexem 2 oknu s roletou. Tepelný odpor souavy okna s roletou, kde se uvažuje určitá ůvzdušnost rolety se vyčíslí 0,7. Teplotu v dutině mezi oknem a roletou t x lze zjistit z podmínky rovnosti tepelných toků Potřebu tepla vyčíslíme dle předchozího, jenže TR se během dne mění podle použití rolety. Uvažujte s kolísáním teploty v hodinovém kroku (tab. P64) Poté spočítáme totéž bez vlivu rolety, abychom vyjádřili rozdíl. Ten reezentuje rozdíl ve spotřebě tepla, takže při ůměrné ceně tepla 460 Kč/GJ určíme úsporu za sledovaný měsíc (s relevantním počtem dnů). Nezapomeňte do bilance zahrnout i venkovní stěnu. Úloha Stavebník se rozhoduje, jaká tloušťka cihelné (jednovrstvé) venkovní stěny bude optimální. Pro budovu o půdorysných rozměrech 20-0,2.n x 10+0,1.n m a výšce 6 m určete bilanci nákladů na zdivo a výdajů na vytápění za 15+n (let) ovozu, jestliže plochá střecha má U 0,18 W/m 2 K a podlaha U 0,25 W/m 2 K a fasáda je tvořena z 1/3 plochy okny s U 0,9 + 0,01.n W/m 2 K. Vypočtěte náklady na zdivo a spotřebu energie na vytápění denostupňovou metodou o tyto varianty tloušťek stěny: 300, 400, 500, 600, 700 mm, je-li pořizovací náklad na 1 m 3 zdiva Kč, tepelná vodivost cihelné stěny λ 0,15 W/m.K. Vyberte nejvýhodnější tloušťku stěny. Řešení Denostupňová metoda vyžaduje výpočet denostupňů o t em 13 C podle lokality (P65). Potřeba energie na vytápění se pak určí vztahem ( měrná tepelná ztráta objektu) 0,

6 Úloha Posuďte koncepci pasivního domu se sezónním zásobníkem tepla. Solární systém nabije štěrkový zásobník o objemu O 130+2n (m 3 ) na konci léta na teplotu 75 C. Objem zásobníku je vyplněn ze 70 % štěrkem s kapacitou c J/kg.K a ρ 2000 kg/m 3 a ze 30 % vzduchem. Teplovzdušné vytápění má ůtok 400 m 3 /h. Měrná tepelná ztráta vytápěných místností ostupem a větráním je 90+n W/K. Určete, jak dlouho od 1. října zásobník pokryje potřebu tepla na vytápění. Jeho ztrátu do okolí zanedbejte a uvažujte, že vzduch o teplovzdušné vytápění ocházející zásobníkem se ohřeje na teplotu o 2 K nižší, než má zásobník. Regulace topného výkonu se ovádí spínáním ventilátoru podle teploty vzduchu v místnosti. Počítejte v časovém kroku jeden měsíc. V tepelné bilanci uvažujte tepelnou ztrátu ostupem a větráním, pasivní solární zisky okny s ostupností g 0,72, které mohou být v případě potřeby stíněny s F 0,1 a vnitřními tepelnými zisky od lidí a spotřebičů o hodnotě 6 kwh/den. Postupujte dle , časová konstanta budovy τ 210 h. Solární kolektory Jižní osklená stěna 18 m 2 Štěrkový zásobník teplovzdušné vytápění Obr. 44 Řez budovou se štěrkovým zásobníkem Úloha Systém vytápění objektu má solární podporu a elektrický dohřev. Určete příkon elektrického dohřevu o případ dne se zamračenou oblohou, kdy počáteční teplota topné vody v zásobníku o objemu 600 l je 40 C, koncová 80 C, ta má být dosažena za 6 hodin a účinnost dohřevu je 95 %. Určete, jak dlouho se bude zásobník nabíjet ze slunečního záření dopadajícího na kolektorovou plochu 10+0,5.n (m 2 ), jestliže střední hodnota slunečního záření je 350 W/m 2 a účinnost solárního systému 0,6. Zjistěte, kolik teplé vody 50 C můžeme získat, přiavujeme-li teplou vodu směšováním ohřáté vody ze zásobníku se studenou vodou o vstupní teplotě 10 C. Řešení Energie potřebná na ohřev zásobníku ,8 100

7 Příkon elektrického ohřívače 100, ,7 Příkon elektrického ohřívače s ohledem na účinnost a tepelné ztráty ,9 0,95 Výkon zachycený solárním kolektorem , , ,3 Zásobník se bude nabíjet ze slunečního záření 13,3 hod. To je delší než ůměrná doba slunečního svitu, takže kolektorová plocha je o nabití zásobníku za 1 den nedostatečná. Množství teplé vody zjistíme ze směšovací rovnice... Úloha Za polární zimy je v Grónsku teplota 50 C. Iglú má stěny zhotovené z udusaného sněhu. Určete, jaký nejmenší tepelný odpor musí mít vrstva kožešin zavěšená z vnitřní strany iglú, má-li být uvnitř teplota + 18 C. Tepelná vodivost hutného sněhu je 0,9 W/m.K, hustota 400 kg/m 3, tepelná kapacita 1900 kj/kg.k. Určete tloušťku sněhové stěny. Nápověda: další podmínka řešení je daná základní vlastností sněhu (nebo ledu). Úloha Vyneste do grafu závislost součinitele ostupu tepla ve W/m 2 K na tloušťce materiálu 5 vybraných materiálů z tab. přílohy P3 o tloušťky 0 až 300 mm po 50 mm. Pro všechny materiály najděte tloušťku, o kterou U 0,2 W/m 2.K. Odhadem je seřaďte podle plošné hmotnosti. 101