KLIMATIZACE A PRŮMYSLOVÁ VZDUCHOTECHNIKA VYBRANÝ PŘÍKLAD KE CVIČENÍ II. (DIMENZOVÁNÍ VĚTRACÍHO ZAŘÍZENÍ BAZÉNU) Ing. Jan Schwarzer, Ph.D.. Praha 2011 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
1 Obsah 1 Obsah... 2 2 Označení...3 3 Zadání... 4 4 Řešení... 5 4.1 Množství odpařené vody... 5 4.2 Přestup tepla mezi vodní hladinou a okolním vzduchem... 5 4.3 Tepelné zisky od osob... 6 4.4 Prostup tepla stavebními konstrukcemi... 6 4.5 Tepelné zisky sluneční radiací okny... 6 4.6 Zátěž vázaným teplem... 6 4.7 Energetická bilance pro letní období... 7 4.8 Energetická bilance pro zimní období... 7 4.9 Určení průtoku vzduchu pro letní období... 7 4.10 Určení průtoku vzduchu pro zimní období... 9 5 Příloha 1 (h-x diagram)... 11 2/11
2 Označení M hmotnostní průtok (kg/s) Q tepelný tok (W) V objemový průtok (m 3 /s) S plocha (m 2 ) c měrná tepelná kapacita (J/kg K) h měrná entalpie (J/kg) l skupenské teplo (J/kg) p tlak (Pa) p v parciální tlak vodních par (Pa) p vs parciální tlak sytých vodních par (Pa) r měrná plynová konstanta (J/kg K) t teplota ( C) x měrná vlhkost (kg/kg s.v., g/kg s.v. ) α součinitel přestupu tepla (J/m.K) β součinitel přenosu hmoty (m/h) ρ hustota (kg/m 3 ) φ relativní vlhkost vzduchu (%, -) Jedná se o příklad dimenzování větracího zařízení bazénu. Při řešení příkladu se předpokládají základní znalosti úprav vlhkého vzduchu. 3/11
3 Zadání Navrhněte parametry větracího zařízení pro letní a zimní období pro krytý prostor s veřejným bazénem. Základní okrajové podmínky výpočtu: Počet osob (n) 20 - Vodní plocha (S HL ) 80 m 2 Teplota vody (t W ) 28 C Teplota vnitřního vzduchu (t i ) 31 C Maximální relativní vlhkost vnitřního vzduchu (ϕ i ) 0,60 - Teplota venkovního vzduchu při letním extrému (t e ) 30 C Entalpie venkovního vzduchu při letním extrému (h e ) 56 kj/kg A Teplota venkovního vzduchu při zimním extrému (t e ) -12 C Relativní vlhkost venkovního vzduchu při zimním extrému (ϕ e ) 1 - Plocha oken (S W ) 20 m 2 Orientace oken (a) Celková intenzita sluneční radiace procházející jednoduchým zasklením (I o ); západní orientace, v 16.00 Z 539 W/m 2 Korekce na čistotu atmosféry (c o ) - 1 Stínicí součinitel (s) - 0,5 4/11
4 Řešení 4.1 Množství odpařené vody Vnitřní parametry bazénového prostoru jsou v letním a v zimním období stejné. Množství odpařené vody je proto pro obě období stejné. V následující tabulce jsou uvedeny součinitelé přenosu hmoty β (m/h) pro bazénové prostory v závislosti na charakteru provozu. V tabulce je vyznačen zadaný typ provozu: Charakter provozu nepoužívaný bazén β n (m/h) používaný bazén β p (m/h) Zakrytý bazén (odpar pouze z přetokového žlábku) 0,7 - Soukromý bazén 7 21 Veřejný bazén (hloubka vody > 1,35 m) 7 28 Veřejný bazén (hloubka vody < 1,35 m) 7 40 Bazén s umělými vlnami 7 50 Množství odpařené vody je určeno vztahem: 2 β M = S p p r T + T ( ) ( ( ) (, ϕ )) W HL VS tw V ti I V W I (1) kde p VS(tW) (Pa) je parciální tlak sytých vodních par při teplotě vzduchu shodné s teplotou vody: 4044,2 ln p = 23,58 p = 3781Pa VS ( tw ) VS ( tw ) 235,6 + tw (2) a p V(tI,ϕI) (Pa) je parciální tlak vodních par ve vnitřním prostoru: p V( ti, ϕi) pvs ( ti ) 4494Pa = = = 2696Pa (3) ϕ 0,65 I Vztah (1) potom bude: M = 24,9 kg / h = 6,9 g / s (kg/h) (4) W 4.2 Přestup tepla mezi vodní hladinou a okolním vzduchem Přestup tepla mezi vodní hladinou a okolním vzduchem je shodný pro letní i zimní období: Q = α S t = 10 80 (31 28) = 2,4kW (5) α hl 5/11
4.3 Tepelné zisky od osob Tepelné zisky od osob se uvažují pouze v létě: Q = n q = 20 120 = 2, 4kW (6) h 4.4 Prostup tepla stavebními konstrukcemi Pro stanovení prostupu tepla stavebními konstrukcemi lze použít základní vztah: u ( ) Q =Σ U S t (7) Pro zjednodušení celého příkladu je tepelná zátěž stavebními konstrukcemi pro letní období zadána : Q U(léto) = 1,0 kw a pro zimní období jsou zadány tepelné ztráty: Q U(zima) = 12,0 kw 4.5 Tepelné zisky sluneční radiací okny Tepelné zisky sluneční radiací okny se uplatňují v letním období. Pro výpočet se může použít dosud platná norma ČSN 73 0548. Výchozí vztah je ( ) Qor = Sos Io co + So Sos Iod s (8) kde S os (m 2 ) je osluněná plocha oken, S o (m 2 ) celková plocha oken, I o (W/m 2 ) - celková intenzita sluneční radiace procházející jednoduchým zasklením, I od (W/m 2 ) - intenzita difúzní sluneční radiace procházející jednoduchým zasklením, c o (-) - korekce na čistotu atmosféry, s (-) - stínicí součinitel. Předpokládá se oslunění celé prosklené plochy. Tepelné zisky sluneční radiací okny potom budou: Qor = 5, 4kW (9) 4.6 Zátěž vázaným teplem Podíl zátěže vázaným teplem je z celkové zátěže nejvýznamější. Základní vztah pro stanovení zátěže vázaným teplem (výparné teplo vody l = 2 500 kj/kg): Q = M l (10) w w Zátěž vázaným teplem se uplatňuje v létě i v zimě a je určena: 3 Qw = 6,9 2500 10 = 17,3kW (11) 6/11
4.7 Energetická bilance pro letní období Bilance celkového tepla je: QC =Σ Qi = Qh + QU ( léto) + QOR + QW Qα = 23,7kW (12) Směrové měřítko pro letní období potom bude: QC δ = = 3, 43 kj / g (13) M W 4.8 Energetická bilance pro zimní období QC =Σ Qi = QW Qα QU( zima) = 2,9kW (14) Směrové měřítko pro zimní období bude: QC δ = = 0, 42 kj / g (15) M W 4.9 Určení průtoku vzduchu pro letní období Postup práce je vidět v h-x diagramu. Jednotlivé kroky jsou: a) podle směrového měřítka určit směr změny stavu vzduchu, b) vyznačit stav vnitřního vzduchu I (t i = 31 C), c) určit změnu měrné vlhkosti x=1,3 g/kg A Nyní lze určit potřebný průtok větracího vzduchu: MW 6,9 g/ s 3 M = = = 5,3 kg / s = 15,9 m / h x 1, 3 g/ kg A (16) Pozn.: 1. Po určení průtoku venkovního vzduchu je třeba kontrolovat několik parametrů, například intenzitu výměny vzduchu I (-/h), která by neměla překročit 12 (-/h). 2. Výsledný stav vnitřního vzduchu (následující obrázek) je charakterizován teplotou t i = 31 C, ale také relativní vlhkostí ϕ i = 40 (%). Je důležité si uvědomit, že veškeré předchozí výpočty vycházely z předpokládané relativní vlhkosti ϕ i = 60 (%)!. Proto je vhodné celý postup iteračně opakovat tak, aby na začátku výpočtu a na jeho konci byly ϕ i (%) stejné. 7/11
Postup práce je vidět v následujícím h-x diagramu: 8/11
4.10 Určení průtoku vzduchu pro zimní období Průtok vzduchu pro zimní období je dán zejména požadavkem pro odvedení vlhkostní zátěže. Podílí-li se vzduchotechnika i na krytí tepelných ztrát, je třeba určit (v závislosti na průtoku) pracovní rozdíl teplot t p (K). Hlavním cílem v zimním období je nejen určení průtoku větracího vzduchu, ale také určení výkonu ohřívače. Výkon ohřívače je závislý na uspořádání VZT jednotky (viz obrázky): Schéma vzduchotechniky s cirkulací: Schéma vzduchotechniky se ZZT: Schéma vzduchotechniky s cirkulací a ZZT (provozně nejvýhodnější sestava): 9/11
Na následujícím obrázku je vidět znázornění změn stavu vzduchu pro zimní období s cirkulací a s předehřevem: Postup práce je vidět v h-x diagramu. Jednotlivé kroky jsou: a) zakreslení stavu venkovního vzduchu t e a stavu vnitřního vzduchu t i., b) dle tepelných ztrát stanovení teploty přiváděného vzduchu t p, QU( zima) t p = (17) cv ρ Přesné umístění teploty přiváděného vzduchu na h-x diagramu se provede na průsečíku přímky směrového měřítka procházející bodem teploty t i a vypočtené teploty t p. c) stanovení teploty vzduchu po předehřevu t př, d) V souladu se základními úpravami vlhkého vzduchu, konkrétně s ohřevem, je průbeh změny stavu vzduchu v h-x diagramu kolmý. Přesné údaje jsou k dispozici o stavu venkovního vzduchu t e, stavu vnitřního vzduchu t i a stavu přiváděného vzduchu t p. Směr změny stavu vzduchu při ohřevu musí směřovat do bodu t p. Stav vzduchu po smísení SM se získá právě z průsečíku: a) přímky změny stavu vzduchu při ohřevu, b) úsečky propojující mísící se stavy vzduchu, e) ze stanoveného bodu stavu po smísení je možné určit poměr směšování. 10/11
5 Příloha 1 (h-x diagram) 11/11