VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY DENNI OSV TLENÍ A SOLÁRNÍ TEPELNÁ ZÁT Ž BUDOV DAY LIGHTING AND SOLAR HEAT LOAD OF BUILDINGS

Transkript

1 VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV TECHNICKÝCH ZAÍZENÍ BUDOV FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF BUILDING SERVICES DENNI OSVTLENÍ A SOLÁRNÍ TEPELNÁ ZÁTŽ BUDOV DAY LIGHTING AND SOLAR HEAT LOAD OF BUILDINGS DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. KAROLÍNA VYHLÍDALOVÁ Ing. OLGA RUBINOVÁ, Ph.D. BRNO 2013

2 VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN FAKULTA STAVEBNÍ Studijní program Typ studijního programu Studijní obor Pracovišt N3607 Stavební inženýrství Navazující magisterský studijní program s prezenní formou studia 3608T001 Pozemní stavby Ústav technických zaízení budov ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Diplomant Bc. KAROLÍNA VYHLÍDALOVÁ Název Vedoucí diplomové práce Datum zadání diplomové práce Datum odevzdání diplomové práce V Brn dne Denni osvtlení a solární tepelná zátž budov Ing. Olga Rubinová, Ph.D doc. Ing. Jií Hirš, CSc. Vedoucí ústavu prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc. Dkan Fakulty stavební VUT

3 Podklady a literatura 1. Stavební dokumentace zadané budovy 2. Aktuální legislativa R 3. eské i zahraniní technické normy 4. Odborná literatura 5. Zdroje na internetu Zásady pro vypracování A. Analýza tématu, cíle a metody ešení Analýza zadaného tématu, normové a legislativní podklady Cíl práce, zvolené metody ešení Aktuální technická ešení v praxi Teoretické ešení (s využitím fyzikální podstaty dj) Experimentální ešení (popis metody a pístrojové techniky) ešení využívající výpoetní techniku a modelování B. Aplikace tématu na zadané budov - koncepní ešení Návrh technického ešení ve 2 až 3 variantách v zadané specializaci (vetn doložených výpot) v rozpracovanosti rozšíeného projektu pro stavební povolení: pdorysy v mítku 1:100, struná technická zpráva Ideové ešení navazujících profesí TZB (ZTI, UT, VZT) v zadané budov Hodnocení navržených variant ešení z hlediska vnitního prostedí, uživatelského komfortu, prostorových nárok, ekonomiky provozu, dopadu na životní prostedí apod.; C1. Experimentální ešení a zpracování výsledk Experiment realizovaný v laboratoi nebo reálné budov postihující zadanou problematiku Pedepsané pílohy... Ing. Olga Rubinová, Ph.D. Vedoucí diplomové práce

4 VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN FAKULTA STAVEBNÍ POPISNÝ SOUBOR ZÁVRENÉ PRÁCE Vedoucí práce Autor práce Škola Fakulta Ústav Studijní obor Studijní program Ing. Olga Rubinová, Ph.D. Bc. KAROLÍNA VYHLÍDALOVÁ Vysoké uení technické v Brn Stavební Ústav technických zaízení budov 3608T001 Pozemní stavby N3607 Stavební inženýrství Název práce Název práce v anglickém jazyce Typ práce Diplomová práce Pidlovaný titul Ing. Jazyk práce eština Datový formát elektronické verze Anotace práce Anotace práce v anglickém jazyce Klíová slova Klíová slova v anglickém jazyce Denni osvtlení a solární tepelná zátž budov Day lighting and solar heat load of buildings Tato diplomová práce se zabývá hledáním závislosti mezi denním osvtlením a solární tepelné zátži budov. Úkolem je pokus o zjištní, zda je možné použít jeden z faktor k získání toho druhého. Souástí práce je návrh chladícího systému virtuální budovy. This master s thesis is about searching for a connection between solar illumination and solar irradiance. The task is attempt to find out if it is possible to use one factor in order to determine the other one. Part of this thesis deals with cooling of virtual building. denní osvtlení, solární záení, svtelná úinnost, chlazení, administrativní budova, absorpní faktor illumination, solar irradiance, luminous efficacy, cooling system, office building, absorption factor

5 Abstrakt Tato diplomová práce se zabývá hledáním závislosti mezi denním osvtlením a solární tepelné zátži budov. Úkolem je pokus o zjištní, zda je možné použít jeden z faktor k získání toho druhého. Souástí práce je návrh chladícího systému virtuální budovy. Klíová slova denní osvtlení, solární záení, svtelná úinnost, chlazení, administrativní budova, absorpní faktor Abstract This master s thesis is about searching for a connection between solar illumination and solar irradiance. The task is attempt to find out if it is possible to use one factor in order to determine the other one. Part of this thesis deals with cooling of virtual building. Keywords illumination, solar irradiance, luminous efficacy, cooling system, office building, absorption factor

6 Bibliografická citace VŠKP VYHLÍDALOVÁ, Karolína. Denni osvtlení a solární tepelná zátž budov. Brno, s., 110 s. píl. Diplomová práce. Vysoké uení technické v Brn, Fakulta stavební, Ústav technických zaízení budov. Vedoucí práce Ing. Olga Rubinová, Ph.D..

7 Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval(a) samostatn a že jsem uvedl(a) všechny použité informaní zdroje. V Brn dne podpis autora Karolína Vyhlídalová

8 PROHLÁŠENÍ O SHOD LISTINNÉ A ELEKTRONICKÉ FORMY VŠKP Prohlášení: Prohlašuji, že elektronická forma odevzdané práce je shodná s odevzdanou listinnou formou. V Brn dne podpis autora Bc. KAROLÍNA VYHLÍDALOVÁ

9 Podkování: Ráda bych podkovala vedoucí své diplomové práce za cenné rady a pipomínky, profesorm a diplomantm z ústavu pozemního stavitelství za ušetení spousty práce a asu a samozejm své rodin za dvru a podporu jež se mi dostává. Bc. Vyhlídalová Karolína

10

11

12

13

14

15

16

17 o o o o o o o o

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34 o o o o o o o o o o

35

36

37

38 o o o o o o o o o o o o o o o o

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79 t e t e,max A M h a D z H d o Q ok Q or U o S o t i t io T D T d S os c o s L A, L B e 1, e 2 f, g d c Q M

80 t Q or,m n E esn E eo () S m a() s n d a R () a D () a w () t rm t r m t r M w

81 V m V min,i V inf,i V i n min n 50 e i i

82

83

84

85

86

87 TEPELNÁ ZÁTŽ - ervenec Místnost 4.03 Kancelá Oblast Brno Typ prosklení Venkovní teplota t e C 30 Vnitní teplota t i C 24 Doba výpotu - hod 12 Jednoduché okno PRODUKCE TEPLA OD LIDÍ Poet lidí n - 2 Teplota lovka t C 36 Q l = n. 6,2. ( 36 - t i ) 148,80 W PRODUKCE TEPLA OD SVÍTIDEL Osvtlená plocha S m² 0,00 Celkový píkon svítidel P W 18 Souinitel souasnosti chodu c 1-1 Souinitel zbytkový c 2-1 Q sv = P.c 1. c 2. S 0,00 W PRODUKCE OD ELEKTRICKÝCH ZAÍZENÍ Píkon jednoho zaízení P W 100 Poet elektirckých zaízení n - 2 Souinitel souasnosti chodu c 1-1 Souinitel prmrného zatížení zaízení c 3-1 Q e = P. c 1. c 3 200,00 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ - STNA Plocha S m² 12,45 Souinitel prostupu tepla U Wm -2 K -1 1,08 Teplota sousední místnosti t io C 15 Q v = S. U. ( t io - t i ) -121,01 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ - PODLAHA Plocha S m² 15,10 Souinitel prostupu tepla U Wm -2 K -1 0,73 Teplota sousední místnosti t io C 24 Q v = S. U. ( t io - t i ) 0,00 W TEPELNÉ ZISKY VENKOVNÍ KONSTRUKCÍ Plocha stešní konstrukce S 1 m² 15,10 Plocha venkovní stny S 2 m² 12,45 Souinitel prostupu tepla stešní konstrukce U 1 Wm -2 K -1 0,44 Souinitel prostupu tepla venkovní stny U 2 Wm -2 K -1 0,3 Teplota venkovní prmrná t rm C 29,6 Rovnocená slunení teplota v dívjší dob t C 16,9 Souinitel zmenšení teplotního kolísání m - 0,314 Q s = S. U. [( t rm - t i ) + m. (t -t rm )] 16,77 W TEPELNÉ ZISKY OKNY KONVEKCÍ Plocha okna S o m² 2,4 Souinitel prostupu tepla - okno U o Wm -2 K -1 1,1 Teplota venkovní v daném ase t r C 43 Q ok = S o. U o. ( t r - t i ). n 50,16 W

88 TEPELNÉ ZISKY OKNY RADIACÍ Plocha okna S o m² 2,4 Plocha zasklení S os m² 2,10 Korekce na istotu atmosféry c o - 0,85 Celková intenzita slunení radiace I Wm - ² 507,717 Souinitel stínní s - 0,9 Poet oken n - 1 Q or = ( S os. I. c o + ( S o - S os ). I d ). s. n 863,22 W VODNÍ ZISKY S os = ( L - e 1 - f ). ( H - e 2 - g ) 2,10 svislá délka stínu e 1 m 0,0005 vodorovná délka stínu e 2 m 0,2019 clonní po šíce okna f m 0 clonní po výšce okna g m 0 vzdálenost sklo - vnjší líc zdiva c = d m 0,1 šíka okna L m 1,5 výška okna H m 1,6 stínní - dvojité sklo 0,9 0,9 svtová strana J slunení azimut a 130,004 azimut stny 180 výška slunce h 52,387 úhel stny s vodorovnou hladinou 90 souinitel zneištní atmosféry z - 5 propustnost difuzní slunení radiace T d - 0,85 propustnost pímé slunení radiace T D - 0,81 úhel - normála povrchu a paprsek 52,555 intenzita pímé slunení radiace I D Wm - ² 438,220 intenzita difuzní slunení radiace I d Wm - ² 179,168 Odpar z mokrého povrchu M w kg/s 107 Q o = M w. n 0,06 g/h TEPELNÉ ZTRÁTY VTRÁNÍM Objem prostoru V m m 3 45,443 Hygienické minimum pivádného vzduchu V min,i m 3 h -1 45,443 Infiltrace pes obálku budovy V inf,i m 3 h -1 9, Minimální výmna vzduchu n min h -1 1,0 Výmna vzduchu pi 50 Pa mezi prostedími n 50 h -1 3,0 Koeficient chránní e i - 0,03 Korekní initel výšky i - 1,2 V i = max (V min,i ; V inf,i ) V min,i = n min. V m V inf,i = 2. V m. n 50. e i. i Q vi = 0,34. V i. (t i - t e ) -92,70 W CELKOVÉ TEPELNÉ ZISKY PRODUKCE TEPLA OD LIDÍ 149 W PRODUKCE TEPLA OD SVÍTIDEL 0 W PRODUKCE OD ELEKTRICKÝCH ZAÍZENÍ 200 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ -STNA -121 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ -PODLAHA 0 W TEPELNÉ ZISKY VENKOVNÍ KONSTRUKCE 17 W TEPELNÉ ZISKY OKNY KONVEKCÍ 50 W TEPELNÉ ZISKY OKNY RADIACÍ 863 W VODNÍ ZISKY 0,06 g/h TEPELNÉ ZTRÁTY VTRÁNÍM -93 W CELKOVÉ TEPELNÉ ZISKY MÍSTNOSTI 1065 W

89 TEPELNÁ ZÁTŽ - ervenec Místnost 4.03 Kancelá Oblast Brno Typ prosklení Venkovní teplota t e C 30 Vnitní teplota t i C 24 Doba výpotu - hod 12 Pás oken PRODUKCE TEPLA OD LIDÍ Poet lidí n - 2 Teplota lovka t C 36 Q l = n. 6,2. ( 36 - t i ) 148,80 W PRODUKCE TEPLA OD SVÍTIDEL Osvtlená plocha S m² 0,00 Celkový píkon svítidel P W 18 Souinitel souasnosti chodu c 1-1 Souinitel zbytkový c 2-1 Q sv = P.c 1. c 2. S 0,00 W PRODUKCE OD ELEKTRICKÝCH ZAÍZENÍ Píkon jednoho zaízení P W 100 Poet elektirckých zaízení n - 2 Souinitel souasnosti chodu c 1-1 Souinitel prmrného zatížení zaízení c 3-1 Q e = P. c 1. c 3 200,00 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ - STNA Plocha S m² 12,45 Souinitel prostupu tepla U Wm -2 K -1 1,08 Teplota sousední místnosti t io C 15 Q v = S. U. ( t io - t i ) -121,01 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ - PODLAHA Plocha S m² 15,10 Souinitel prostupu tepla U Wm -2 K -1 0,73 Teplota sousední místnosti t io C 24 Q v = S. U. ( t io - t i ) 0,00 W TEPELNÉ ZISKY VENKOVNÍ KONSTRUKCÍ Plocha stešní konstrukce S 1 m² 15,10 Plocha venkovní stny S 2 m² 12,45 Souinitel prostupu tepla stešní konstrukce U 1 Wm -2 K -1 0,44 Souinitel prostupu tepla venkovní stny U 2 Wm -2 K -1 0,3 Teplota venkovní prmrná t rm C 29,6 Rovnocená slunení teplota v dívjší dob t C 16,9 Souinitel zmenšení teplotního kolísání m - 0,314 Q s = S. U. [( t rm - t i ) + m. (t -t rm )] 16,77 W TEPELNÉ ZISKY OKNY KONVEKCÍ Plocha okna S o m² 6,4 Souinitel prostupu tepla - okno U o Wm -2 K -1 1,1 Teplota venkovní v daném ase t r C 43 Q ok = S o. U o. ( t r - t i ). n 133,76 W

90 TEPELNÉ ZISKY OKNY RADIACÍ Plocha okna S o m² 6,4 Plocha zasklení S os m² 5,59 Korekce na istotu atmosféry c o - 0,85 Celková intenzita slunení radiace I Wm - ² 507,717 Souinitel stínní s - 0,9 Poet oken n - 1 Q or = ( S os. I. c o + ( S o - S os ). I d ). s. n 2302,18 W VODNÍ ZISKY S os = ( L - e 1 - f ). ( H - e 2 - g ) 5,59 svislá délka stínu e 1 m 0,0005 vodorovná délka stínu e 2 m 0,2019 clonní po šíce okna f m 0 clonní po výšce okna g m 0 vzdálenost sklo - vnjší líc zdiva c = d m 0,1 šíka okna L m 4 výška okna H m 1,6 stínní - dvojité sklo 0,9 0,9 svtová strana J slunení azimut a 130,004 azimut stny 180 výška slunce h 52,387 úhel stny s vodorovnou hladinou 90 souinitel zneištní atmosféry z - 5 propustnost difuzní slunení radiace T d - 0,85 propustnost pímé slunení radiace T D - 0,81 úhel - normála povrchu a paprsek 52,555 intenzita pímé slunení radiace I D Wm - ² 438,220 intenzita difuzní slunení radiace I d Wm - ² 179,168 Odpar z mokrého povrchu M w kg/s 107 Q o = M w. n 0,06 g/h TEPELNÉ ZTRÁTY VTRÁNÍM Objem prostoru V m m 3 45,443 Hygienické minimum pivádného vzduchu V min,i m 3 h -1 45,443 Infiltrace pes obálku budovy V inf,i m 3 h -1 9, Minimální výmna vzduchu n min h -1 1,0 Výmna vzduchu pi 50 Pa mezi prostedími n 50 h -1 3,0 Koeficient chránní e i - 0,03 Korekní initel výšky i - 1,2 V i = max (V min,i ; V inf,i ) V min,i = n min. V m V inf,i = 2. V m. n 50. e i. i Q vi = 0,34. V i. (t i - t e ) -92,70 g/h CELKOVÉ TEPELNÉ ZISKY PRODUKCE TEPLA OD LIDÍ 149 W PRODUKCE TEPLA OD SVÍTIDEL 0 W PRODUKCE OD ELEKTRICKÝCH ZAÍZENÍ 200 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ -STNA -121 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ -PODLAHA 0 W TEPELNÉ ZISKY VENKOVNÍ KONSTRUKCE 17 W TEPELNÉ ZISKY OKNY KONVEKCÍ 134 W TEPELNÉ ZISKY OKNY RADIACÍ 2302 W VODNÍ ZISKY 0,06 g/h TEPELNÉ ZTRÁTY VTRÁNÍM -93 g/h CELKOVÉ TEPELNÉ ZISKY MÍSTNOSTI 2588 W

91 TEPELNÁ BILANCE - ervenec Místnost 4.03 Kancelá Oblast Brno Typ prosklení Venkovní teplota t e C 30 Vnitní teplota t i C 24 Doba výpotu - hod 12 Celoprosklená stna PRODUKCE TEPLA OD LIDÍ Poet lidí n - 2 Teplota lovka t C 36 Q l = n. 6,2. ( 36 - t i ) 148,80 W PRODUKCE TEPLA OD SVÍTIDEL Osvtlená plocha S m² 0,00 Celkový píkon svítidel P W 18 Souinitel souasnosti chodu c 1-1 Souinitel zbytkový c 2-1 Q sv = P.c 1. c 2. S 0,00 W PRODUKCE OD ELEKTRICKÝCH ZAÍZENÍ Píkon jednoho zaízení P W 100 Poet elektirckých zaízení n - 2 Souinitel souasnosti chodu c 1-1 Souinitel prmrného zatížení zaízení c 3-1 Q e = P. c 1. c 3 200,00 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ - STNA Plocha S m² 12,45 Souinitel prostupu tepla U Wm -2 K -1 1,08 Teplota sousední místnosti t io C 15 Q v = S. U. ( t io - t i ) -121,01 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ - PODLAHA Plocha S m² 16,20 Souinitel prostupu tepla U Wm -2 K -1 0,73 Teplota sousední místnosti t io C 24 Q v = S. U. ( t io - t i ) 0,00 W TEPELNÉ ZISKY VENKOVNÍ KONSTRUKCÍ Plocha stešní konstrukce S 1 m² 16,20 Plocha venkovní stny S 2 m² 0 Souinitel prostupu tepla stešní konstrukce U 1 Wm -2 K -1 0,44 Souinitel prostupu tepla venkovní stny U 2 Wm -2 K -1 0,3 Teplota venkovní prmrná t rm C 29,6 Rovnocená slunení teplota v dívjší dob t C 16,9 Souinitel zmenšení teplotního kolísání m - 0,314 Q s = S. U. [( t rm - t i ) + m. (t -t rm )] 11,52 W TEPELNÉ ZISKY OKNY KONVEKCÍ Plocha okna S o m² 12 Souinitel prostupu tepla - okno U o Wm -2 K -1 1,1 Teplota venkovní v daném ase t r C 43 Q ok = S o. U o. ( t r - t i ). n 250,80 W

92 TEPELNÉ ZISKY OKNY RADIACÍ Plocha okna S o m² 12 Plocha zasklení S os m² 12,00 Korekce na istotu atmosféry c o - 0,85 Celková intenzita slunení radiace I Wm - ² 507,717 Souinitel stínní s - 0,9 Poet oken n - 1 Q or = ( S os. I. c o + ( S o - S os ). I d ). s. n 4660,84 W VODNÍ ZISKY S os = ( L - e 1 - f ). ( H - e 2 - g ) 12,00 svislá délka stínu e 1 m 0,0000 vodorovná délka stínu e 2 m 0,0000 clonní po šíce okna f m 0 clonní po výšce okna g m 0 vzdálenost sklo - vnjší líc zdiva c = d m 0 šíka okna L m 4 výška okna H m 3 stínní - dvojité sklo 0,9 0,9 svtová strana J slunení azimut a 130,004 azimut stny 180 výška slunce h 52,387 úhel stny s vodorovnou hladinou 90 souinitel zneištní atmosféry z - 5 propustnost difuzní slunení radiace T d - 0,85 propustnost pímé slunení radiace T D - 0,81 úhel - normála povrchu a paprsek 52,555 intenzita pímé slunení radiace I D Wm - ² 438,220 intenzita difuzní slunení radiace I d Wm - ² 179,168 Odpar z mokrého povrchu M w kg/s 107 Q o = M w. n 0,06 g/h TEPELNÉ ZTRÁTY VTRÁNÍM Objem prostoru V m m 3 48,555 Hygienické minimum pivádného vzduchu V min,i m 3 h -1 48,555 Infiltrace pes obálku budovy V inf,i m 3 h -1 10,48788 Minimální výmna vzduchu n min h -1 1,0 Výmna vzduchu pi 50 Pa mezi prostedími n 50 h -1 3,0 Koeficient chránní e i - 0,03 Korekní initel výšky i - 1,2 V i = max (V min,i ; V inf,i ) V min,i = n min. V m V inf,i = 2. V m. n 50. e i. i Q vi = 0,34. V i. (t i - t e ) -99,05 g/h CELKOVÉ TEPELNÉ ZISKY PRODUKCE TEPLA OD LIDÍ 149 W PRODUKCE TEPLA OD SVÍTIDEL 0 W PRODUKCE OD ELEKTRICKÝCH ZAÍZENÍ 200 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ -STNA -121 W TEPELNÉ ZISKY VNITNÍ KONSTRUKCÍ -PODLAHA 0 W TEPELNÉ ZISKY VENKOVNÍ KONSTRUKCE 12 W TEPELNÉ ZISKY OKNY KONVEKCÍ 251 W TEPELNÉ ZISKY OKNY RADIACÍ 4661 W VODNÍ ZISKY 0,06 g/h TEPELNÉ ZTRÁTY VTRÁNÍM -99 g/h CELKOVÉ TEPELNÉ ZISKY MÍSTNOSTI 5052 W

93

94

95

96

97

98

99 v

100 v

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120