VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ JIŘÍ HIRŠ, GÜNTER GEBAUER TZB - VZDUCHOTECHNIKA MODUL BT02-05 TEPELNÉ BILANCE PRO VZDUCHOTECHNIKU STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
Název předmětu Modul # Ing. Günter Gebauer, CSc., Brno 2005-2 (20) -
Obsah OBSAH 1 Úvod...5 1.1 Cíle...5 1.2 Požadované znalosti...5 1.3 Doba potřebná ke studiu...5 1.4 Klíčová slova...5 1.5 Použitá terminologie...5 2 Tepelně hmotnostní bilance pro vzduchotechniku...7 2.1 Základní pojmy a úlohy...7 2.2 Charakter tepelně hmotnostních bilancí...8 2.3 Tepelná zátěž...9 2.3.1 Tepelná zátěž vnější...9 2.3.1.1 Tepelná zátěž oken radiací...10 2.3.1.2 Tepelná zátěž oken konvekcí...11 2.3.1.3 Tepelné zisky stěn...11 2.3.2 Tepelná zátěž vnitřní...12 2.3.3 Dopad a vliv tepelné zátěže na mikroklima...13 2.3.4 Tepelné ztráty...13 2.3.5 Vodní zisky...14 2.3.6 Zátěž škodlivinami...14 2.3.7 Roční energetické a hmotnostní bilance...14 2.3.8 Modelování a tepelně hmotnostní bilance...14 2.4 Příklad...15 2.5 Úkol...17 2.6 Kontrolní otázky...18 3 Závěr...19 3.1 Shrnutí...19 3.2 Studijní prameny...19 3.2.1 Seznam použité literatury...19 3.2.2 Seznam doplňkové studijní literatury...19 3.2.3 Odkazy na další studijní zdroje a prameny...20-3 (20) -
Úvod 1 Úvod 1.1 Cíle Výchozí pro návrh vzduchotechnických systémů jsou reálné hodnoty tepelně látkových výměn probíhající mezi místnosti, jejíž mikroklima zajišťuje vzduchotechnika a okolím místností. Při vyčíslení uvedených výměn, které mají charakter časově proměnných toků, se vychází z řešení fyzikálních dějů, dokumentovaných v modulu BT02-02 a [1]. Cílem této kapitoly je seznámit čtenáře ze základními složkami tepelně látkových toků a praktickými přístupy jejich řešení. 1.2 Požadované znalosti Stavební fyzika, ústřední vytápění, modul vzduchotechniky BT02-01 až 03. 1.3 Doba potřebná ke studiu Doba ke studiu závisí na hloubce požadovaných znalostí a poznatků modulu BT02-02. Průměrnou dobu lze vymezit délkou 3 hodiny. Zvládnutí problematiky je však zcela zásadní pro další studium vzduchotechniky, zejména klimatizace a chlazení. 1.4 Klíčová slova Tepelné zisky, tepelná zátěž, tepelné ztráty, vodní zisky, sluneční rovnocenná teplota, osluněná plocha, tepelná zátěž oken, tepelné zisky stěn. 1.5 Použitá terminologie Agencie složky fyzické reality, která vytváří toky hmotnostního či energetického charakteru (látky, teplo) a působí na subjekt Infiltrace - samovolné vnikání venkovního vzduchu do budovy spárami oken a dveří vlivem podtlaku v budově Intenzita větrání - poměr objemového průtoku čerstvého venkovního vzduchu přiváděného do prostoru k objemu tohoto prostoru Intenzita výměny vzduchu - poměr objemového průtoku přiváděného vzduchu přiváděného do prostoru k objemu tohoto prostoru Klimatizace - úprava čistoty, teploty a vlhkosti vzduchu - 5 (20) -
Název předmětu Modul # Mikroklima omezená složka prostředí formovaná tepelnými a látkovými toky, které exponují subjekt a vytvářejí jeho celkový stav Obraz proudění - zviditelněné proudění v prostoru (skutečné nebo virtuální), umožňující představu o primárních a sekundárních proudech vzduchu Pohoda tepelná - stav tepelné rovnováhy mezi člověkem a prostředím dosažený bez nadměrného pocení, také tepelná neutralita Prostředí - environment je soubor přírodních, umělých (antropogenních), sociálních a kulturních činitelů okolního světa, působících na člověka Součinitel spárové průvzdušnosti hodnota vyjadřující míru propustnosti vzduchu spárou Škodlivina - látka, která působí nepříznivě na živé organizmy, objekty a technická zařízení Teplo citelné - teplo, působící změnu teploty vzduchu při stálé měrné vlhkostí Teplo vázané - teplo, působící změnu entalpie vzduchu bez změny teploty Teplota operativní - jednotná teplota černého (z aspektu sdílení tepla sáláním) uzavřeného prostoru ve kterém by člověk sdílel konvekcí a radiací stejně tepla, jako ve skutečném teplotně nestejnorodém prostoru Teplota výsledná - teplota měřená kulovým teploměrem Teplota vzduchu - teplota měřená stíněným teploměrem Teplota vzduchu rovnocenná sluneční - teplota vzduchu, při níž je přestup tepla konvekcí mezi vzduchem a osluněnou stěnou stejný, jako je konvekcí při skutečné teplotě vzduchu a sluneční radiací dohromady Úprava vzduchu - čištění, míšení, ohřev, chlazení, odvlhčování vzduchu Větrání - výměna znehodnoceného vzduchu za čerstvý venkovní vzduch Větrání nucené řízená výměna vzduchu, jehož pohyb je zajišťuje ventilátor Větrání přirozené - pohyb větracího vzduchu je vyvolán rozdílem hustot vzduchu vně a uvnitř objektu a působením větru - 6 (20) -
Název kap. č. 2 2 Tepelně hmotnostní bilance pro vzduchotechniku Tepelně hmotnostní bilance představují toky tepla či látek mezi dvěma prostředími s rozdílnou úrovní jejich stavů, postižitelných časově konstantními či obecně proměnnými fyzikálními veličinami. Řešení bilancí vychází z mechanismu výměny tepla a látek v budovách event. mezi ní a okolím. Sleduje se vyčíslení toků tepla a látek pro návrhové či provozní stavy vzduchotechniky. Uvedené výměny formují časově proměnné faktory tzv. agencie, tvořící okrajové podmínky probíhajících obecně nestacionárních fyzikálních dějů. Tepelná zátěž budovy Tepelné ztráty budovy Vnější agencie A e t e, w e, h e, k e I d Stavební konstrukce I p Q s Q sv V p Primární energie Technická zařízení budov I o Q v Mikroklima t i, t g, ϕ, w i, k i Vnitřní agencie A i t o Tepel. ztráty Paliva Netradiční zdroje Vytápění Vzduchotechnika Q t Q te Q l, M l Tepelné a hmotnostní toky látek Obr. 1 Schéma tepelných toků při tvorbě mikroklimatu budov systémy TZB 2.1 Základní pojmy a úlohy Zásadním faktorem tvorby interního mikroklimatu je proces dynamických tepelných a látkových výměn mezi budovou a jejím okolím. Principiální schéma zmíněných výměn je patrné na obr. 1. Charakteru těchto výměn musí odpovídat výkon soustav technických zařízení budov (TZB) a zejména vzduchotechniky (VZT), jenž musí svým provozem reagovat na změny působících tepelných a látkových agencií. Z aspektu tvorby vnitřního prostředí vzduchotechnikou jsou tepelně hmotnostní bilance zcela nezastupitelné a výchozí pro návrh systémů vzduchotechniky, určení energetických potřeb pro provozní stavy a prognózu stavu interního mikroklimatu místností a budov - simulaci. Konkrétní hodnoty výchozích veličin k vyčíslení bilancí se odvozují z požadované úrovně interního mikroklimatu, geometrických a tepelně technických charakteristik budovy, geografické polohy a klimatu jejího místa event. z technologického procesu. Výchozími pro řešení bilancí ve vzduchotechnice jsou klimatické veličiny charakterizující vnitřní a vnější prostředí např. teplota, vlhkost, entalpie, intenzita slunečního záření, atd. blíže modul BT02-04. Tepelně hmotnostní bilance budov tvoří následující složky: - 7 (20) -
Název předmětu Modul # Teplé zisky jsou tepelné toky, které se sdílí do interiéru místnosti či budovy. Tepelná zátěž je celkový tok tepla do klimatizovaného prostoru, který musí pokrýt klimatizační zařízení. Je to v podstatě část tepelných zisků zmenšená o složku akumulace. Vodní zisky jsou produkce vodní páry ve vnitřním prostoru. Tepelné ztráty jsou tepelné toky, které se sdílí z místnosti do okolního chladnějšího prostředí. Produkce škodlivin představuje vývin škodlivých látek ve sledovaném prostoru. Přehled vstupních hodnot, typických veličin a účelu složek tepelně hmotnostních bilancí budov uvádí tab. 1. Tab. 1 Přehled základních úloh tepelně hmotnostní zátěže a bilancí budov Složka Vstupní hodnoty Typické veličiny výpočtu Účel Tepelná zátěž Tepelné ztráty Vodní zisky Produkce škodlivin Roční potřeby tepla, chladu a elektrické energie Tepelné chování místností Místo, geometrie, účel a konstrukce budovy Stav interního mikroklimatu Počet osob, technologie Jako v případě 1a, 1b Teploty vzduchu interiéru letní t il Teploty vzduchu exteriéru letní t el Intenzita sluneční radiace I Teploty vzduchu interiéru zimní t iz Teploty vzduchu exteriéru zimní t iz Návrh zařízení klimatizace Návrh VZT - zimní provoz Návrh VZT Počet osob, technologie Měrná vlhkost vzduchu interiéru x i Rychlost proudění vzduchu w Účel místnosti, geometrie Hmotnostní toky a koncentrace Návrh VZT škodlivin m, k Účel místností budovy, Střední teploty vzduchu v interiéru a Provoz její geometrie, počet exteriéru. Délka provozních režimů vzduchotechniky osob, lokalita budovy budovy a zařízení. Délka období vytápění, chlazení, větrání. Návrhové (VZT) hodnoty tepelných a hmotnost- ních toků (zisků, ztrát a škodlivin). Účel místností, její geometrie, Teploty charakterizující teplotní stav Prognóza a aktuální hodnoty místností, zejména průběh teploty modelování klimatických veličin, vnitřního vzduchu, teploty výsledné, teplotních tepelných ztrát a zisků potřeba energií (teplo, chlad, ap) stavů 2.2 Charakter tepelně hmotnostních bilancí Pro danou budovu a její polohu jsou pro bilance zásadní klimatické faktory. Základní klimatické faktory představují klimatické veličiny zejména pak teplota zimní, letní, intenzita sluneční radiace. Uvedené veličiny mají dominantně nestacionární charakter. Blíže jsou popsány v modulu BT02-04. Z aspektu návrhu a provozu vzduchotechnických systémů se zřetelem na charakter vstupních klimatických veličin lze tepelně hmotnostní bilance kategorizovat pro níže uvedené účely. - 8 (20) -
Název kap. č. 2 Tab. 2 Kategorie tepelně hmotnostních bilancí Návrh vzduchotechnických systémů výchozí pro řešení jsou výpočtové hodnoty pro klimatické extrémy, v ČR běžně pro zimu a léto. Primárním účelem výpočtu je návrh systémů vzduchotechniky. Charakter řešení stacionární, metoda korelační. Provozní energetické potřeby výchozí jsou průměrné hodnoty klimatických veličin pro sledované období, v ČR běžně je zásadním průměr za topné období či léto. Primárním účelem řešení je určení potřeb energií, zpravidla roční potřeba tepla, chladu, elektřiny, paliva. Charakter řešení stacionární, metoda korelační. Modelování stavů místností nejčastěji teplotních, vlhkostních, koncentrace škodlivin výchozí jsou průběhy klimatických veličin (teploty, sluneční záření, entalpie, atp.) ve vhodném časovém kroku (např. 15 minut) pro sledované období, (den, týden, atd.) event. referenční roky klimatických veličin. Primárním účelem je prognóza stavu mikroklimatu místností, kontrola energetických potřeb provozovaných systémů apod. Charakter řešení nestacionární, metoda simulační. Výstupem je zpravidla graf dokumentují časový průběh výstupních sledovaných veličin např. teplot. 2.3 Tepelná zátěž Tepelná zátěž je primární veličinou návrhu vzduchotechnických systémů, zejména klimatizace. Podle zdrojů působících agencií lze tepelnou zátěž dělit na vnější a vnitřní. Podrobný algoritmus vhodný pro technickou projekční praxi uvádí [1], [3], [6]. 2.3.1 Tepelná zátěž vnější Vnější tepelná zátěž představuje tepelný tok vyvolaný sluneční radiací a teplotou vnějšího vzduchu. Tvoří ji tepelná zátěž oken radiací, konvekcí a tepelná zátěž stěn. Schéma je na obr. 2. Z Vnější zátěž Vnější agencie Ae Nestacionární I d h qk qr qso qo I p tp, tr A Mikroklima ti, tg, ϕ, ki Konstantní Q s I o Q ok Q l, M l Q sv Vnitřní zátěž Vnitřní agencie Ai Skokové Q t Legenda Ip intenzita přímého slunečního záření I o intenzita prostupujícího slunečního záření oknem Id intenzita difúzního záření Q o tepelný zisky okny Qs tepelná zátěž stěn Q sv produkce tepla svítidel Q l tepelná produkce lidí Qt tepelná produkce zařízení M l produkce vodní páry lidí h výška slunce t i, t g vnitřní teplota a globeteplota ϕ?i vlhkost vzduchu k?i koncentrace škodlivin Z součinitel znečištění atmosféry Obr. 2 Schéma tepelných toků a jejich složek - 9 (20) -
Název předmětu Modul # 2.3.1.1 Tepelná zátěž oken radiací Zátěž Q or představuje tepelný tok slunečního záření procházející okny. Je zásadní složkou vnější zátěže. Její velikost závisí na intenzitě sluneční radiace I o, jejíž charakter, typický průběh a velikost je deklarována v modulu BT02-03. Tepelnou zátěže okna určit dle rov. 1. Q = [ S. I. c + ( S S ). Iodif ] s (1) or os o o o os. kde I o - celková intenzita sluneční radiace procházející standardním jednoduchým zasklením (Wm -2 ) určovaná pomocí [1], [2], [6]. I od - intenzita difúzní radiace procházející standardním jednoduchým zasklením stanovená z [1], [2], [6] a příslušnou hodinu výpočtu, c o - korekce na čistotu atmosféry o hodnotách c o = 1,15 pro průmyslovou oblast, c o = l pro středně čistou oblast a c o = 0,85 pro venkovskou oblast, s - stínící součinitel vyjadřující vliv skutečného zasklení a stínících prostředků dle tab. [1], [2], [6] v případě použití více stínících prvků se stanoví s ze vztahu s = s 1.s 2...s n (-), T součinitel propustnosti skla, pro nestandardní udává výrobce, v tomto případě T = s i S os - osluněný povrch okna (m 2 ). Osluněný povrch okna S os (obr. 3) se určí pro šířku a výšku zasklené části okna l a, l b z rov. 2. [ ( 1 )] ( 2 ) [ ] S = l e f. l e g (2) os a b kde e 1, e 2 - délky stínů na okně od okrajů slunolamů (m), d - hloubka okna od okraje svislého slunolamu (m), c - hloubka okna od okraje vodorovného slunolamu (m). Příslušné délky stínů e 1, e 2 se určí pro rozdíl slunečního azimutu α a azimutu stěny α s a výšku slunce h dle [1], [2], [6] ze vztahu 3a,b. ctgh e 1 = d. tga a s e =. 2 cosa a s (3a,b) d e 1 h lb c d g e2 f l a f a c Obr. 3 Schéma geometrie stínu - 10 (20) -
Název kap. č. 2 Příklad programového řešení tepelné zátěže oken radiací s grafickým výstupem je na obr. 4. Z grafu je patrná výrazná dynamika časového průběhu a velikosti tepelné zátěže. Pro zataženou oblohu je zátěž řádově menší a pro její průběh platí křivka BO na obr. 4. Vstupní údaje Místnost s oknem 1,5 x 1,8 m s orientací ke světovým stranám V, JV, J, JZ, Z, korekce na čistotu atmosféry c o = 1, stínící součinitel s o = 0,9, den 21.6 Zátěž (W) 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0-100 -200-300 21.1. 00:00:00 21.2. 00:00:00 V Z J JZ 21.3. 00:00:00 21.4. 00:00:00 21.5. 00:00:00 21.6. 00:00:00 21.7. 00:00:00 Čas (h) 21.8. 00:00:00 BO 21.9. 00:00:00 21.10. 00:00:00 21.11. 00:00:00 21.12. 00:00:00 00:00 Obr. 4 Průběh vnější tepelné zátěže okna pro vstupní údaje S 1 2.3.1.2 Tepelná zátěž oken konvekcí Zátěž Q ok závisí na ploše oken a rozdílu teplot. Její hodnota je řádově menší než zátěž oken radiací. K výpočtu tepelné zátěže oken konvekcí lze aplikovat rov. 4 pro prostup tepla. Q S. k. t t ) (4) ok = o o ( eτ i kde - S o plocha okna včetně rámu (m 2 ), - k o součinitel prostupu tepla, pro okno zdvojené k = 2,7 Wm -2 K -1, - t eτ teplota vnějšího vzduchu v čase τ, tzn. v době výpočtu tepelné zátěže, pro návrh vzduchotechniky uvádí [1], [2], [6] nebo ji aproximovat vhodnou funkcí, - t i teplota vnitřního vzduchu. 2.3.1.3 Tepelné zisky stěn Zisky Q s představují tepelný tok vnějšími stěnami mezi interiérem a exteriérem. Prostup tepla osluněnou stěnou je složitý nestacionární tepelný děj tvořený radiací a vedením tepla. Vliv slunečního záření na neprůsvitnou stěnu lze popsat tepelnou bilancí tepelných toků konvekcí, radiací, sálání okolních povrchů a osáláním okolních povrchů. Blíže [1], [2], [6]. Proto se pro účely technické praxe se zřetelem na řádově menší vliv než mají na zátěž průsvitné konstrukce problematika idealizuje a pomocí zjednodušené rovnice tepelné bilance 5a zavádí tzv. rovnocenná sluneční teplota t r dle 5b, závislá na teplotě vnějšího vzduchu t e, součinitel poměrné pohltivosti Α, intenzitě dopadající radiace I a - 11 (20) -
Název předmětu Modul # součiniteli přestupu tepla na vnějším povrchu α e. Teplota vzduchu rovnocenná sluneční je zavedená teplota vzduchu, při níž je přestup tepla konvekcí mezi vzduchem a osluněnou stěnou stejný, jako je konvekcí při skutečné teplotě vzduchu a sluneční radiací dohromady. Hodnoty sluneční rovnocenné teploty jsou uvedeny v [1], [2], [6]. AI αe( tr tp) = αe( te tp) + A. I tr = te +. α e (5a,b) Zavedením sluneční rovnocenné teploty se problematika sdílení tepla osálanou stěnou převede na řešení prostupu tepla rovinnou stěnou. Pro zjednodušení manuálních výpočtů v projekční praxi se venkovní stěny dělí na lehké, středně těžké a těžké. V případě programového řešení se výpočet aplikuje dle středně těžkých stěn. Stěny lehké s tloušťkou d < 0,08 m vykazují malou tepelnou kapacitu a časové zpoždění teplotních kmitů ψ je tak malé, že prostup tepla lze řešit jako pro stacionární stav dle rov. 6 pro rovnocennou sluneční teplotu t r. Q s = k.s.(t r - t i ) (6) Středně těžké stěny o tloušťce d = 0,08 až 0,45 m se vyznačují větší tepelnou kapacitou ovlivňující kolísání teplot na vnitřním povrchu a tím i tepelný prostup Q s, jehož hodnota se vypočte dle rov. 7a,b. Qs = k. S. [( trm ti) + m. ( tr ψ trm )] Q s = k.s.(t rm - t i ) (7a,b) kde t rm - průměrná rovnocenná teplota vzduchu za 24 hodin dle [1], [2], [6]. t r ψ - průměrná rovnocenná teplota vzduchu v o časové zpoždění ψ dřívější m - součinitel zmenšení teplotního kolísání dle [1], [2], [6]. Těžké stěny s tloušťkou d > 0,45 m mají takovou tepelnou kapacitu, že lze kolísání teplot na vnitřním povrchu zanedbat a tepelný prostup Q s pak určit dle rov. (8b). 2.3.2 Tepelná zátěž vnitřní Vnitřní složky tepelných zátěží tvoří v občanských budovách produkce tepla osob a svítidel. Tepelná produkce člověka závisí na jeho činnosti, oděvu a stavu okolního prostředí, daného zejména teplotou, vlhkostí a rychlostí proudění vzduchu. Do této složky se započte jen citelné teplo, jehož hodnota závisí na teplotě vzduchu a činnosti člověka. Za výchozí se považuje produkce citelného tepla muže v hodnotě 62 W při mírně aktivní práci při teplotě okolí 20 o C. Tepelná produkce člověka pro vybrané činností a teploty okolního vzduchu jsou v [1], [2], [6]. Pro jinou teplotu a počet osob n l se hodnota koriguje vztahem dle rov. 8a. Pro různorodé složení skupiny osob v místnosti se provádí ekvivalentní přepočet dle vztahu 8b pro počet mužů n m, žen n z a počet dětí n d. ( ) Q = n.,. 62 36 t nl = 085,. nz + 075,. nd+ n m (8a,b) l l i Tepelná produkce svítidel je tepelný tok, jehož hodnotu lze odvodit z elektrického příkonu svítidel P dle rov. 9 pro součinitele současnosti c 1. Součinitel c 2 je uveden v [4]. - 12 (20) -
Název kap. č. 2 Q = P. sv c. 1 c (9) 2 Produkce tepla od jídel se uvažuje ve stravovacích zařízeních. Produkce od jídel počítá následovně: v restauracích od jednoho jídla u stolu 5 Wh a produkce páry 10 g, v restauracích vyšších tříd se uvažuje l jídlo za hodinu na l místo u stolu, v restauracích ostatních se uvažují 2 jídla a v jídelnách 3 jídla na 1 místo u stolu za hodinu. Umělé osvětlení nad 5 m od okna Osvětlení okny do 5 m Obr. 5 Schéma osvětlované plochy Tepelný zisk z okolních místností s jinou teplotou t is je dán rovnici pro prostup tepla (10). Q = k.s.(t is - t i ) (10) Produkce tepla ventilátorů a tepla ohřátím vzduchu ve vzduchovodech je popsána v [4], [5] a ČSN 730548. 2.3.3 Dopad a vliv tepelné zátěže na mikroklima Tepelná zátěž jakožto spontánní tepelný tok bezprostředně ovlivňuje tepelné výměny a tudíž i tepelný stav místností. Z tepelných zátěží má dominantní vliv na stav vnitřního prostředí tepelná zátěž oken. Vliv zátěže se projeví v zateplených budovách s minimalizovanými tepelnými ztrátami (v zateplených bytech často až na hodnotu 50 až 200 W) neregulovaným vzestupem vnitřní teploty vytápěných místností v čase oslunění místností ve slunečních dnech zimního a zejména přechodového období. Tepelná zátěž jakožto tepelný příkon místností může ve slunečních dnen dosahovat pro okno 1,5 x 1,8 v závislosti na orientaci a ročním období hodnot 400 až 1400 W, jak je patrné z grafu na obr. 4. 2.3.4 Tepelné ztráty Tepelná ztráta je primární veličinou zejména pro návrh klimatizace a teplovzdušného vytápění v zimním období. Výpočet vychází ze sdílení tepla prostupem pro předpokládaný stacionární stav, což znamená konstantní teploty, zejména exteriéru dle modulu BT02-03. Metodiku výpočtu uvádí ČSN EN 12831. - 13 (20) -
Název předmětu Modul # 2.3.5 Vodní zisky Vodní zisky v bytových a občanských budovách tvoří produkce páry člověka, odpařování z teplých jídel a hladin o vyšší teplotě než teplota vzduchu v místnosti. Vybrané hodnoty produkce páry jsou v [1], [2], [6]. Vodní zisky místnosti jsou pak dány součinem jednotkové produkce a počtu zdrojů páry. Základními zdroji vodních zisků v občanských budovách jsou lidé a odpar z mokrých povrchů. V povozech z technologie je třeba vycházet z produkce páry konkrétních zdrojů. Produkce vodní páry lidí M wl je závislá na činnosti člověka a určí se dle [1], [2], [6]. Hmotnostní tok vodní páry se stanoví ze vztahu (11). Blíže modul BT02-03. M. kde n l - počet osob, g w - produkce vodní páry člověka (gh -1 ). wl = n l g w (11) Odpar z mokrých povrchů M wo a teplo pro odpařování Q wo uvádí [1], [2], [6]. 2.3.6 Zátěž škodlivinami Uvedenou zátěž tvoří toky škodlivin vznikajících při užívání budov, při různých technologických procesech a v přírodě. Základní agencie v obytných a občanských budovách mající charakter škodliviny jsou oxid uhličitý CO 2, odéry, oxid siřičitý S0 2, oxid uhelnatý CO, oxidy dusíku NO x a formaldehyd. Řešení hmotnostních bilancí výše uvedených složek je náročným problémem z důvodu nesnadno kvantifikovatelných jednotkových toků závisejících na místních podmínkách. Výchozí bude monitorování koncentrací a vyjádření emisí na jednotku plochy či hmotnosti zdroje. Schéma výstupů řešení hmotnostních bilancí je na obr. 6. 2.3.7 Roční energetické a hmotnostní bilance Roční energetické bilance jsou zásadní v oblasti projekční činnosti a sledují vyčíslení potřeb energií a látek nutných k provozu systémů vzduchotechniky. Mezi základní úlohy zmíněných bilancí patří výpočet roční potřeby tepla, chladu a elektrické energie. Podstatou algoritmů bilancí jsou průměrné hodnoty klimatických veličin za roční období, zpravidla topnou sezónu, letní období, atp. Nezbytná je znalost lokality budovy, počtu dnů sledovaného období a denní doby provozu systémů. Základní výpočet tvoří tzv. denostupňová metoda. Podrobný algoritmus denostupňové metody a základní údaje výpočtů uvádí odborná literatura. 2.3.8 Modelování a tepelně hmotnostní bilance Modelování je prostředkem k analýze fyzikálních dějů. S rozvojem výpočetní techniky se stává aktuálním i v oblastech tvorby interního mikroklimatu vzduchotechnikou. Výměny tepla a látek probíhající při formování vnitřního pro- - 14 (20) -
Název kap. č. 2 středí místností jsou z důvodů časově proměnných agencií, zejména vnějších (modul BT02-04), nestacionární a bezprostředně ovlivňující stav prostředí. Výpočtové modelování numerickými metodami je efektivním prostředkem k postižení dynamických výměn a jejich dopadu na aktuální stav interního mikroklimatu, prognózu jeho stavu pro variantní stavební řešení s jiným podílem zasklených ploch místností, jiný druh materiálu konstrukcí, či reálný provozní režim budovy, atd. Základem numerického modelování je nestacionární sdílení tepla počínaje nejjednodušším jednorozměrným přes obvyklé dvourozměrné až po nejnáročnější případy, kterým je třírozměrné sdílení tepla. Výchozím numerického modelování jsou zpravidla elementární bilance sestavené pro jemnou síť uzlů reálného objektu v němž se sledují teplené děje. Nezbytným předpokladem aplikace numerického modelování je existence databáze okrajových podmínek tj. zejména vnějších klimatických veličin místa budovy v malém časovém kroku (min. 15 minut) pro celý interval modelovaného období. Řešení numerického modelování vyžaduje programové prostředky umožňujícími grafický výstup. Na základě výstupů modelování stavu interního mikroklimatu lze odvodit průtoky vzduchu a navrhnout varianty i optimální realizační řešení vzduchotechnicky, vyčíslit související potřeby energií a posoudit ekonomií provozu budovy. 0,5 6 Koncencentrace Ka, průtok vzduchu V 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 V Kmax Ka O 5 4 3 2 1 Počet osob O 0 0 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00 Čas (h) Obr. 6 Průběh koncentrace CO 2 pro předpokládaný provoz bytu se čtyřmi osobami 2.4 Příklad Téma - Tepelně vlhkostní bilance místnosti Zadání: Úkolem je výpočet tepelné zátěže oken dle obr. 7. - 15 (20) -
Název předmětu Modul # Postup řešení: 1. Výchozí hodnoty 1. Výchozí hodnoty 2. Určení doby výpočtu 3. Výpočet tepelných zisků oken radiací 4. Výpočet tepelných zisků oken konvekcí 5. Přehled vypočtených hodnot Účel místnosti - sál, místo stavby Brno, půdorys dle obr. 7, KV = 4,2 m, okna J fasády jsou dřevěná 3x2,1 m, rám f = g = 0,1 m, zasklená část a = 2,8 m, b = 1,9 m, vodorovná stínící deska c = 25 cm, hloubka d = 15 cm, součinitel prostupu tepla k o = 2,2 Wm -2 K -1, okna S fasády kovová 1,2x2,1 m, k o = 2,7 Wm - 2 K -1, stínící prostředek - světlé záclony, součinitel c o = 1, požadovaná teplota v letním období t i = 25 o C. S t io 3000 500 3000 2100 2100 d = 150 18000 150 t i = 25 o C 13x1200x2100 c = 250 450 14300 450 450 2. Určení doby pro výpočet Obr. 7 Půdorys místnosti Z hlediska tepelné zátěže je uvažován jako nejnepříznivější měsíc červenec a s ohledem na orientaci okenních ploch lze očekávat největší tepelné zisky, tedy i zátěž ve 12 hodin. 3. Výpočet tepelných zisků oken radiací Q or Tepelné zisky oken radiací jsou v souladu s očekávaným maximem vypočteny pro 12 hodin a předpokládaný obdélníkový stín. Algoritmus výpočtu zátěže je patrný z následujícího výpočtu. Ukázku programového řešení tepelných zisků oken radiací s grafickým výstupem pro zvolený interval dnů uvádí [1], [2]. 3.1 Výpočet pro okna s orientací na J - výpočtové veličiny: azimut stěny γ = 180 o, dle [1] azimut slunce α = 180 o, výška slunce h = 60 o, intenzita sluneční radiace I o = 435 Wm -2, difúzní složka I d = 141 Wm -2, - 16 (20) -
Název kap. č. 2 - rozdíl azimutů β = α - γ = 180-180 = 0 o - vodorovný stín e 1 = d.tgβ = 0,15.tg0 = 0 m - svislý stín c.tg e h 0,25.tg60 2 = = = 0, 433 m cos β cos 0 - osluněná plocha S os = [a - (e 1 - f)].[b - (e 2 - g)] = [2,8-0].[1,9 - (0,433-0,1)] = 4,39 m 2 - plocha okna S o = a.b = 2,8.1,9 = 5,32 m 2, počet oken n = 5 - stínící součinitel dle [4] s = 0,9.0,8 = 0,72 - tepelné zisky radiací n oken Q or = [S os.i o.c o + (S o - S os ).I od ].s.n Q orjv = [4,7.435.1 + (5,32-4,39).141].0,72.5 = 7833 W 3.2 Výpočet pro okna s orientací na S - γ = 0 o, α = 180 o, β = 0-180 > 90 o neosluněno S os = 0 m 2 - S o = a.b = 1,2.2,1 = 2,52 m 2, I od = 141 Wm -2, s = 0,72, n = 13 - Q orsz = S o.i od.s.n = 2,52.141.0,72.13 = 3326 W 3.3 Celkový tepelný zisk oken radiací pro 12 hodin Q or = Q orjv + Q orsz = 7833 + 3326 = 11159 W 4. Tepelné zisky oken konvekcí Q ok = S o.k o.(t eτ - t i ) - plochy oken S okj = (3.2,1).5 = 31,5 m 2, S oks = (1,2.2,1).13 = 32,6 m 2 - teplota vnějšího vzduchu v 12 hodin t eτ = 24,8 o C, dle [1] - Q ok = 31,5.2,2.(24,8-25) + 32,76.2,7.(24,8-25) = -49 W 5. Přehled vypočtených hodnot Tepelné zisky oken radiací Q or = 11159 W Tepelné zisky oken konvekcí Q ok = -49 W, lze zanedbat 2.5 Úkol Zadání: Úkolem je výpočet tepelné zátěže, vodních zisků a tepelných ztrát místnosti dle obr. 8. Výchozí hodnoty Účel místnosti - sál, místo stavby Brno, půdorys dle obr. 8, KV = 4,2 m, vnější obvodová konstrukce o tloušťce δ = 0,45 m, k = 0,6 Wm 2 K -1, c = 960 Jkg -1 K -1, - 17 (20) -
Název předmětu Modul # ρ = 1350 kgm -3, okna JV fasády jsou dřevěná 3x2,1 m, rám f = g = 0,1 m, zasklená část a = 2,8 m, b = 1,9 m, vodorovná stínící deska c = 25 cm, hloubka d = 15 cm, součinitel prostupu tepla k o = 2,9 Wm -2 K -1, okna SZ fasády kovová 1,2x2,1 m, k o = 4,7 Wm -2 K -1, stínící prostředek - světlé záclony, součinitel c o = 1, intenzita osvětlení I x = 120 lx, místnost je v I. P budovy, požadovaná teplota v letním období t i = 25 o C, teplota okolní místnosti t io = 28 o C, počet osob n l = 120. S t io 3000 500 3000 2100 2100 d = 150 18000 150 t i = 25 o C 13x1200x2100 c = 250 450 14300 450 450 Řešení Řešení úkolu uvádí [2]. Obr. 8 Půdorys místnosti 2.6 Kontrolní otázky Základní složky tepelných a hmotnostních bilancí Charakter tepelných výměn, tepelných zisků a ztrát Tepelná zátěž oken, osluněná ploch Tepelná zátěž stěn, časové zpoždění Vnitřní tepelná zátěž Vodní zisky - 18 (20) -
Závěr 3 Závěr 3.1 Shrnutí Kapitola popisuje základní fyzikální děje probíhající mezi budovou či místnosti a okolím. Probíhající děje mají charakter tepelně látkových toků. Reálný extrém uvedených toků je výchozí pro návrh vzduchotechnických systémů. Základními složkami tepelných výměn jsou tepelná zátěž oken a venkovních stěn, jenž mají výrazný nestacionární charakter. Zpravidla konstantní průběh mají vnitřní tepelné zisky svítidel a v budovách s pobytem osob pak tepelná produkce lidí. Dominantní složkou tepelných výměn je sluneční radiace a s související tepelná zátěž okny. Výchozí pro návrh vzduchotechnických systémů jsou reálné hodnoty tepelně látkových výměn probíhající mezi místnosti, jejíž mikroklima zajišťuje vzduchotechnika a okolím místností. Při vyčíslení uvedených výměn, které mají charakter časově proměnných toků, se uplatní řešení fyzikálních dějů, dokumentovaných v modulu BT02-02 a [1], [2], [6] 3.2 Studijní prameny 3.2.1 Seznam použité literatury [1] Gebauer, G., Rubinová, O., Horká, H. Vzduchotechnika. ERA, Brno 2005 [2] Hirš J., Gebauer, G., Rubinová, O. Vzduchotechnika příklady a návrh. Cerm, Brno 2006 [3] Chyský, J., Hemzal, K., a kol. Větrání a klimatizace. Bolit, Brno 1993 [4] Názvoslovný výkladový slovník z oborů techniky prostředí. Přílohy časopisu VVI 2001 a 2002 [5] ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov [6] ČSN 73 0548 Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů 3.2.2 Seznam doplňkové studijní literatury [7] ČSN EN 832 Tepelné chování budov Výpočet potřeby energie na vytápění Obytné budovy [8] ČSN EN ISO 7730 Mírné tepelné prostředí - Stanovení ukazatelů PMV a PPD a popis podmínek tepelné pohody [9] ČSN EN 12 831 Vytápěcí systém budov. Metoda výpočtu tepelné ztráty [10] ČSN ISO 13791 Tepelné chování budov Výpočet vnitřních teplot v místnosti v letním období bez strojního chlazení Základní kritéria pro validační postupy - 19 (20) -
Název předmětu Modul # [11] ČSN ISO 13792 Tepelné chování budov Výpočet vnitřních teplot v místnosti v letním období bez strojního chlazení Zjednodušené metody 3.2.3 Odkazy na další studijní zdroje a prameny [12] www.tzbinfo.cz - 20 (20) -