TEPELNÁ ZÁTĚŽ VOZU MĚSTSKÉ HROMADNÉ DOPRAVY

Simulac budov a tchniky prostřdí 214 8. konfrnc IBPSA-CZ Praha, 6. a 7. 11. 214 TEPELNÁ ZÁTĚŽ VOZU MĚSTSKÉ HROMADNÉ DOPRAVY Vladimír Zmrhal ČVUT v Praz Fakulta strojní, Ústav tchniky prostřdí -mail: Vladimir.Zmrhal@fs.cvut.cz ABSTRAKT Klimatizační zařízní vozů hromadné dopravy jsou z hldiska instalovaného chladicího výkonu často přdimnzovaná, což v důsldku znamná vyšší hmotnost clého vozidla a násldně jho spotřby. Článk popisuj stanovní tplné zátěž vozu městské hromadné dopravy s použitím nrgtického simulačního výpočtu. Zkoumány byly 3 lokality možného provozu soupravy: Houston, Rijád a Sydny. Výsldky byly analyzovány a porovnány s manuálním výpočtm. Klíčová slova: tplná zátěž, větrání, hromadná doprava COOLING LOAD OF THE PUBLIC TRANSPORT VEHICLE Cooling capacity of air-conditioning systms in public transport body ar oftn ovrsizd. It mans gratr wight of th vhicl and consquntly its powr consumption. Th papr dscribs th hat load calculation of public transport body using nrgy simulation. Th thr possibl locations of opration wr xamind: Houston, Riyadh and Sydny. Th rsults wr ar analysd and compard with th manual calculation. Kywords: cooling load, vntilation, public transport ÚVOD Příspěvk popisuj stanovní tplné zátěž vozu hromadné dopravy (tramvaj) s použitím nrgtického simulačního softwaru ESP-r [6] v různých lokalitách světa s zaměřním na prostor určný pro pasažéry. Kabina řidič nní v příspěvku řšna. Výsldky výpočtu slouží pro stanovní výkonu klimatizačního zařízní (zdroj chladu). I když s softwar ESP-r používá výhradně pro řšní tplných bilancí v budovách, jví s jho použití pro zadaný účl jako možné. Výstupm simulačního výpočtu j maximální tplná zátěž vozu za njnpříznivějšího stavu. Takovým stavm j vůz stojící na křižovatc (s zavřnými dvřmi). Jdoucí souprava bud ochlazována proudícím vzduchm (vyšší přstup tpla) a tplná zátěž jdoucího vozu bud pravděpodobně nižší, nž vozu stojícího. J jisté, ž rálný provoz vozu bud poněkud odlišný. Problémm j zjména nkontrolovatlný přívod vnkovního vzduchu v zastávkách při otvřní vstupních dvří, kdy můž do vozu vnikat vnkovní vzduch. V době otvřní dvří nlz komfortní podmínky v voz prakticky zajistit. Zmíněné aspkty provozu nbyly v rámci analýzy řšny. Dalším problémm j špatná dostupnost tchnických informací, ktré výrobci dopravních prostřdků úzkostlivě tají. Dodavatlé transportní klimatizac tak stojí přd poněkud nlhkým úkolm, a to navrhnout klimatizační zařízní bz dtailních tchnických podkladů. METODIKA VÝPOČTU Zjdnodušný modl vozu byl podrobn nrgtickému simulačnímu výpočtu v programu ESP-r. V rámci simulac byly řšny násldující orintac vozu vůči světovým stranám svr jih (S-J) východ západ (V-Z) svrozápad jihovýchod (SZ-JV) svrovýchod jihozápad (SV-JZ) Výstupm simulačního výpočtu j průběh tplné zátěž z vnkovního prostřdí (od oslunění a prostupm tpla obvodovou konstrukcí). K výsldku byly připočtny vnitřní tplné zisky (pro plný provoz) a stanovna tplota přiváděného vzduchu pro odvod citlné tplné zátěž. Problmatika větrání byla řšna samostatně. Přdpokládá s použití vzduchového klimatizačního systému s využitím oběhového vzduchu. Právě směšování črstvého a oběhového vzduchu vd k nutnosti větrání řšit samostatně (itračně). Chladicí výkon klimatizačního zařízní byl stanovn na základě psychromtrických výpočtů z rozdílu ntalpií podl mtodiky uvdné v litratuř [2]. Q& = Q& + Q& = V& i i [W] (1) ρ ( ) ch ch,cit ch,váz s p kd V j clkový průtok vzduchu klimatizačním zařízním (součást zadání), i p j ntalpi přiváděného vzduchu a i s j ntalpi vzduchu po smísní oběhového a vnkovního vzduchu. MODEL VOZU HROMADNÉ DOPRAVY Na obr. 1 j uvdno schéma (bokorys, půdorys a řz) modlm vozu s vyznačním hlavních rozměrů a

os symtri. Podlahová plocha vozu rsp. části určné pro pasažéry j 67,33 m 2 a vnitřní objm vozu činí 174,3 m 3. Clková plocha zasklní na jdné straně vozu činí 2,39 m 2. Do programu ESP-r byl zadán zjdnodušný modl, kdy zasklní j tvořno jdnou souvislou plochou na každé straně vozu (obr. 2). Vzhldm k tomu, ž výplně otvorů njsou tvořny klasickým rámm, j toto zjdnodušní nasnadě. stěnu tvoří sndvičová konstrukc (plch s nátěrm izolac plch s nátěrm). Tab. 1 Souč. prostupu tpla obvodových konstrukcí Konstrukc U [W/m 2 K] Vnější stěna, podlaha, strop 2,2 Výplně otvorů jdnoduché zasklní 5,7 Chodba mzi vozy tkanina 6,6 Použité zasklní Jdiným údajm z hldiska použitého zasklní j údaj clkové propustnosti slunčního zářní při kolmém dopadu slunčních paprsků. Z dostupné databáz [8] bylo vybráno zasklní používané pro dopravní prostřdky, ktré splňuj zadanou podmínku a navíc dosahuj nízkých hodnot odrazivosti. Optické vlastnosti použitého zasklní jsou uvdny na obr. 3. Obr. 1 Rozměry modlu Optické vlastnosti zasklní (-),8,7,6,5,4,3,2,1, T - propustnost přímá Td - propustnost difůzní A - pohltivost R - odrazivost 2 4 6 8 Úhl mzi normálou okna a slunčními paprsky θ ( ) Obr. 3 Optické vlastnosti použitého zasklní Obr. 2 Zjdnodušný modl vozu v prostřdí ESP-r Tplně-tchnické vlastnosti vozu V tab. 1 jsou uvdny dostupné údaj o součinitli prostupu tpla obvodovými konstrukcmi vozu. Bohužl dtailní informac o složní obvodové konstrukc soupravy njsou známy. Do modlu byla zadána taková konstrukc, aby výsldný součinitl prostupu tpla byl shodný s zadáním. Matriály byly volny s ohldm na účl použití. Např. obvodovou Tplné a vlhkostní podmínky v voz Požadované podmínky v voz byly přdmětm zadání a jsou uvdny v tab. 3. Výsldná rlativní vlhkost vzduchu v voz byla stanovna v hodinovém kroku itračně na základě produkc vlhkosti od přítomných osob (pro 24 C j 98 g/hod). Tab. 2 Tplně-vlhkostní podmínky v voz Období Tplota vzduchu Rlativní vlhkost Zima 21,1 C - Léto 24, C 55 % Vnitřní tplné zisky Analýza tplné zátěž v voz, byla dl požadavku zadavatl prováděna pro rálný xtrémní provoz. Působní vnitřní tplné zátěž s přdpokládá npřtržité. Hodnoty vnitřních tplných

zisků pro variantu rálného provozu jsou shrnuty v tab. 3. Tab. 3 Vnitřní tplné zisky vozu Zdroj tplných zisků Počt Citlné tplo [W/os.] Tplné zisky Q i [kw] Osoby sdící 6 Osoby stojící 125 75 13,69 Osvětlní - - 1,1 Clkm 14,79 Větrání Přdmětm zadání byl průtok vnkovního vzduchu na osobu a clkový průtok vzduchu dopravovaný klimatizačním zařízním. V tab. 4 jsou uvdny příslušné hodnoty vč. intnzity větrání a intnzity výměny vzduchu. Tab. 4 Průtoky vzduchu v vozidl Průtok vzduchu na osobu [m 3 /h.os] 11,3 Průtok vnkovního vzduchu [m 3 /h] 2 4 Clkový průtok vzduchu [m 3 /h] 1 Intnzita větrání [h -1 ] 11,7 Intnzita výměny vzduchu [h -1 ] 57,5 Klimatická data Pro účly stanovní tplné zátěž byla použita volně dostupná hodinová klimatická data [7]. Zkoumány byly násldující lokality: Houston, Ellington (USA) TMY Sydny (AUS) IWEC Rijád (SA) IWEC Základní údaj zkoumaných lokalit jsou uvdny v tab. 6. Na obr. 4 j zobrazno porovnání tploty rlativní vlhkosti, ntalpi vnkovního vzduchu a globálního ozářní vodorovné roviny pro zkoumané lokality. Z pohldu tploty vnkovního vzduchu j xtrémní lokalitou Rijád, kdy běhm léta tploty běžně přkračují hranici 4 C. Z hldiska vlhkosti lz však vzduch v Rijádu považovat za suchý (vnitrozmí), kdy rlativní vlhkost v létě (při vysokých tplotách) zřídka přkračuj hodnotu 3 % (obr. 4). Naproti tomu v Houstonu (na břhu Mxického zálivu) ndosahuj tplota vnkovního vzduchu tak vysokých hodnot jako v zbylých dvou lokalitách, ovšm vzduch j zd vlmi vlhký, což má vliv na ntalpii vnkovního vzduchu, ktrá dosahuj stabilně běhm léta 8 až 9 kj/kg. V Sydny (přímořská oblast) jsou běhm tamního léta dosahovány vyšší ntalpi vzduchu nž v Rijádu. Z hldiska úpravy vnkovního vzduchu s dá přdpokládat, ž njnáročnější z hldiska výkonu zařízní bud situac v Houstonu a to právě z důvodu vysoké ntalpi vzduchu. Hodnoty maximálního slunčního ozářní jsou vícméně srovnatlné, rozdíly jsou samozřjmě v časovém rozložní běhm roku. Tplota vnkovního vzduchu [ C] Rlativní vlhkost vzuchu [%] Entalpi vnkovního vzduchu [kj/kg] Globální ozářní vodorovné roviny [W/m 2 ] 5 4 3 2 1 Sydny - IWEC -1 Dn v roc 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Sydny - IWEC Dn v roc 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 12 115 11 15 1 Sydny - IWEC Dn v roc 95 9 85 8 75 Sydny - IWEC 7 Dn v roc Obr. 4 Porovnání vstupních klimatických údajů pro zkoumané lokality (shora: tplota, rlativní vlhkost, ntalpi vnkovního vzduchu, globální slunční ozářní vodorovné roviny)

Tab. 5 Základní údaj zkoumaných lokalit Nadmořská výška [m] Změpisná šířka [ ] Max. tplota vzduchu [ C] Max. globální ozářní [W/m 2 ] VÝSLEDKY Houston Sydny Rijád 6 3 612 25,57-33,95 24,7 35,6 43 46 129 186 178 Tplné zisky z vnkovního prostřdí S použitím simulačního výpočtu byly stanovny tplné zisky od oslunění a prostupm tpla vnějším pláštěm vozu v hodinových intrvalch. Maxima pro zkoumané orintac vozu jsou uvdny v tab. 6. Podl přdpokladu j z hldiska citlné tplné zátěž způsobné vnkovními klimatickými podmínkami njnpříznivější oblastí Rijád. Z pohldu orintac na světovou stranu nastávají maxima shodně pro orintaci vozu V-Z. Tab. 6 Výsldky výpočtu tplných zisků od oslunění a prostupm tpla vnějším pláštěm vozu Orintac Tplné zisky Q,max [kw] Houston Sydny Rijád S-J 21,62 18,93 24,84 SV-JZ 21,6 19,16 23,99 SZ-JV 2,2 18,59 24,84 V-Z 22,43 19,58 27,52 Citlná tplná zátěž vozu Clková citlná tplná zátěž vozu j dána součtm vnitřních a vnějších tplných zisků Q = Q + Q (2) z,max,max i kdy vnitřní tplné zisky jsou uvažovány konstantní. Maximální citlná tplná zátěž vozu (bz větrání) j uvdna v tab. 7. Clková citlná tplná zátěž vozu v Rijádu j o cca 5 kw vyšší, nž v Houstonu a o 8 kw vyšší nž v Sydny. Tab. 7 Maximální citlná tplná zátěž vozu Q,max Místo Datum Q i Q z,max [kw] [kw] [kw] Houston 25.5. 22,43 37,22 Sydny 21.12. 19,58 14,79 34,37 Rijád 7.6. 27,52 42,31 Tplná zátěž klimatizačního zařízní Tplná zátěž klimatizačního zařízní přdstavuj maximální chladicí výkon klimatizac (zdroj chladu). Uvdná hodnota zahrnuj výkon potřbný k odvodu tplné zátěž a k pokrytí tplné zátěž přiváděného vzduchu tzn., ž obsahuj citlný i vázaný tplný tok. S ohřátím vzduchu v přívodním vntilátoru nní při výpočtu uvažováno. Výsldky potřbného chladicího výkonu klimatizačního zařízní jsou uvdny v tab. 8. J jistě zajímavé, ž z hldiska zatížní klimatizačního zařízní j njnáročnější provoz v lokalitě Houston, což způsobuj vysoká ntalpi vzduchu. Zatímco lokality Sydny a Rijád jsou z hldiska nároků na chladicí výkon srovnatlné. Rovněž si lz povšimnout, ž maximální chladicí výkon klimatizac nastává v jinou dobu, nž maximální citlná tplná zátěž. V tab. 8 jsou současně uvdny paramtry vzduchu, při nichž dochází k xtrémům. Tab. 8 Potřbný chladicí výkon klimatizačního zařízní v xtrémních dnch Místo Datum t [ C] ϕ [%] Q ch,max [kw] Houston 3.7. 35,6 53 8,32 Sydny 1.2. 34 47 7,85 Rijád 15.6. 4 25 69,7 Manuální výpočt Vzhldm k tomu, ž tramvajový vůz nobsahuj matriály, ktré mají výraznou akumulační schopnost, nabízí s možnost stanovit tplnou zátěž manuálně (s použitím tabulkového procsoru). Manuální výpočt j založn na postupu uvdném v normě [5] s tím, ž byl ralizován v průběhu clého roku v hodinových intrvalch (klimatické údaj jsou známy). Jdinou výjimkou bylo zohldnění odrazu slunční radiac od zmského povrchu (albdo =,2). Výpočt chladicího výkonu j ralizován na základě mtodiky uvdné v článku [2]. Výsldný chladicí výkon zařízní s stanoví dl rovnic (1). Hldanou hodnotou j ntalpi vzduchu po smísní i s rsp. ntalpi vnitřního vzduchu i i, ktrou j nutno stanovit itračně (nznámou j vlhkost vzduchu v voz). Směr změny při chlazní vzduchu j dán povrchovou tplotou chladič t ch, ktrá s běhm výpočtu nmění. Při využití přímého výparníku lz přdpokládat t ch = 5 C (x ch = 5,4 g/kg při p b = konst). Přdpokládám-li, ž směr změny stavu vzduchu při chlazní probíhá po přímc, lz rozdíl ntalpií i sp = (i s - i p ) stanovit na základě faktoru citlného tpla ϑ, kdy platí tsp isp = i t sch sch (3) kd t sp j rozdíl mzi tplotou vzduchu po smísní t s a tplotou přiváděného vzduchu t p, obdobně t sch = t s - t ch apod. Prostup tpla vnkovní stěnou s stanoví s použitím rovnocnné slunční tploty. K jjímu stanovní lz využít vzorc uvdný v ASHRAE [1]

αg ε R tr = t + (4) h h Jak bylo zmíněno v úvodu příspěvku, výrobci dopravních prostřdků jsou skoupí při poskytování dtailních tchnických údajů. Součástí zadání pro lokalitu Rijád byly poměry α/h a ε R/h uvdné v rovnici (4). Pro vodorovnou stěnu (střchu) j dáno t = t +,26 G 3,9 (5) r a pro svislou stěnu t = t +,39 G r (6) Příručka ASHRAE [1] uvádí rozsah poměrů α/h od,26 (pro světlé barvy) až po,52 (tmavé barvy) což j obvyklé maximum, poměr ε R/h = = 4 K. Clkový součinitl přstupu tpla h bud rovněž závist na rychlosti větru a nbud pro všchny lokality shodný. V tab. 9 j uvdno porovnání výsldků výpočtu tplných zisků vozu z vnkovního prostřdí s použitím simulačního a manuálního výpočtu pro orintaci vozu s maximální tplnou zátěží (V-Z), vč. uvdní dn kdy nastává maximum. Tab. 9 Porovnání simulačního a manuálního výpočtu tplných zisků pro orintaci vozu V-Z Lokalita Manuálně ESP-r Q,max Datum Q,max Datum Houston 22,97 3.7. 22,43 25.5. Sydny 22,14 21.12. 19,58 21.12. Rijád 28,27 6.8. 27,52 7.6. Jak j patrno z výsldků uvdných v tab. 9 výsldky simulačního a manuálního výpočtu s poněkud liší a to jdnak v číslné hodnotě a také v době výskytu maxima. Porovnání výsldků manuálního a simulačního výpočtu pro všchny zkoumané lokality a orintac vozu j uvdno na obr. 5. Vzájmné rozdíly mzi výsldky Q,max jsou v rozmzí od 1 do 14 %. Tplná zátěž Q,max [kw] 3 25 2 15 1 5 S-J SV-JZ JV-SZ V-Z Orintac na světovou stranu HOUSTON - Manuálně HOUSTON - ESP-r SYDNEY - Manuálně SYDNEY - ESP-r RIJAD - Manuálně RIJAD - ESP-r Obr. 5 Porovnání výsldků manuálního a simulačního výpočtu pro všchny zkoumané lokality a orintac vozu ZÁVĚR Článk przntuj možnosti využití nrgtického simulačního výpočtu, ktrý s využívá výhradně pro budovy, pro stanovní tplné zátěž vozu hromadné dopravy rsp. prostoru pro pasažéry. Pro účly výpočtu byl modl vozu značně zidalizován zjména z důvodu nznalosti něktrých tchnických údajů. Manuální výpočt dl běžně používané mtodiky vykazuj, v porovnání s simulačním výpočtm poněkud nadhodnocné výsldky. V příspěvku nní řšna kabina řidič, ktrá přdstavuj zónu s odlišným charaktrm tplné zátěž. LITERATURA [1] ASHRAE Handbook 29 Fundamntals. 29, Atlanta: ASHRAE. ISBN 978-1-933742-55-7. [2] ZMRHAL, V. Spotřba nrgi víczónových klimatizačních systémů. In: Vytápění, větrání, instalac. 211, roč. 2, č.4a, s. 253-261. ISSN 121-1389. [3] ČSN EN 1475-1 Žlzniční aplikac - Klimatizac pro městská a příměstská koljová vozidla - Část 1: Paramtry pohodlí [4] ČSN EN 1475-2 Žlzniční aplikac - Klimatizac pro městská a příměstská koljová vozidla - Část 2: Typové zkoušky [5] ČSN 73 548: 1985 Výpočt tplné zátěž klimatizovaných prostorů, Úřad pro normalizaci a měřní, Praha 1985. [6] Th ESP-r Systm for Building Enrgy Simulation Usr Guid Vrsion 1 Sris. Glasgow: Univrsity of Strathclyd. [7] Klimatická data dostupná z stránk: <http://apps1.r.nrgy.gov> [8] Program LBL window 6.3 dostupný na adrs <http://windows.lbl.gov>. PŘEHLED OZNAČENÍ c měrná tplná kapacita [J kg 1 K 1 ] G clkové ozářní [W m 2 K 1 ] h součinitl přstupu tpla [W m 2 K 1 ] i ntalpi [kj/kg] t tplota [ C] I intnzita větrání [h 1 ] Q výkon [W] U součinitl prostupu tpla [W m 2 K 1 ] V objmový průtok vzduchu [m 3 h 1 ] α pohltivost povrchu pro sl. zářní [-] ε misivita povrchu [-] ρ hustota [kg m 3 ] R rozdíl mzi dlouhovlnnou radiací dopadající na povrch (z oblohy a okolí) a radiací vyzařovanou črným tělsm při tplotě vnkovního vzduchu [W/m 2 ]