2.1 Vliv orientace budovy ke světovým stranám na její tepelnou bilanci Úloha 2.1.1 S přesností 45 určete orientaci budovy ke světovým stranám tak, aby tepelný zisk sluneční radiací okny o ploše A byl v zadané hodině 21. července: a) minimální b) maximální Prokažte výpočtem, ověřte min. 4 varianty umístění. H = 9+0,3n. Pro umístění s minimálním ziskem určete, ve kterou hodinu nastane maximální zisk a určete jeho hodnotu. V obrázku jsou zadány plochy oken podle n. Uvažujte s oknem s čirého dvojskla a tedy g = 0,75 (blíže P56). Stínění nebude uplatněno. Prostup tepla neprůsvitnými konstrukcemi se zanedbává. A1 = 9+0,4.n (m 2 ) 4 (m 2 ) A2 = 10-0,2.n (m 2 ) 8 (m 2 ) Obr. 16 Půdorys zadaného objektu a umístění Slunce na nároží pro max. solární zisk Polohu nutno hledat experimentálně nalezením minima a maxima tepelného toku q (W) pro součet všech okenních ploch. q = A. I. g. s A...absorpční plocha ( = plocha zasklení, zde 100 % plochy okna, v reálných případech méně, zvláště u členěných plastových oken ) (m 2 ) I... intenzita dopadajícího záření (viz P2) (W/m 2 ) g... celková prostupnost slunečního záření (vlastnost okna) viz P56 (-) s... stínící součinitel (vliv prvků protisluneční ochrany) viz P4 (-) Výchozí hodnoty: H = 9+0,3n = 9+0,3.16 = 13,8 ~ 14 h A1 = 11,0 m 2 A2 = 4,5 m 2 A3 = 6,0 m 2 A4 = 3,0 m 2 Pro zadanou hodinu určíme z tab. P5 azimut Slunce a tím světovou stranu, kde se Slunce aktuálně nachází. Ve 14 h má Slunce azimut 229, tedy cca JZ. Pro hledání maxima procházejícího slunečního záření tedy natočíme k JZ velké okenní plochy, pro hledání minima ty nejmenší. Na obrázku je natočení velkých oken ke Slunci k nalezení maxima radiace. Možné kombinace uspořádáme do tabulky. 22
Tab. 5 Sluneční radiace (W) procházející jednotlivými okny (bez vlivu prostupnosti skla), hodnota I je určena podle hodiny výpočtu H z tab. P2. q I A1 = 11,0 m 2 A2 = 4,5 m 2 A3 = 6,0 m 2 A4 = 3,0 m 2 (W/m 2 ) S 153 11.153=1683 4,5.153=689 3.153=459 SV 153 6.153=918 V 153 11.153=1683 4,5.153=689 918 JV 153 459 J 454 2043 2724 1362 JZ 615 11.615=6765 Z 505 11.505=5555 3030 1515 SZ 189 851 Tab. 6 Sluneční radiace (W) procházející všemi okny (s vlivem prostupnosti skla; g= 0,75) Varianta umístění budovy Součet záření všech stěn dopadající procházející Var a stěna 1 je na S q = 1683 + 689 + 2724 + 1515 6611 W 4959 W Var b stěna 4 je na S q = 1683 + 2043 + 3030 + 459 7215 W 5411 W Var c stěna 1 je na Z q = 4279 + 585 + 780 + 1005 6649 W 4987 W Var d stěna 1 je na JZ q = 6765 + 851 + 918 + 459 8993 W 6745 W Výsledek Orientace budovy ke světovým stranám podle procházející radiace ve 14 h: minimální zisk maximální zisk Minimální zisk činí 5,0 kw. Maximální zisk činí 6,7 kw. Vhodným umístěním objektu lze tepelný zisk zmírnit ve 14 hodin o 25 %. Úloha 2.1.2 Pro variantu nejmenší zátěže vyberte jedno okno, na které umístíte stínící prvek (podle P4), který vyberte podle vlastní úvahy. Vypočtěte, nakolik se hodnota tepelné zátěže sníží. 23
Vnější bílé žaluzie s = 0,15 Největší příspěvek tepelné zátěži má jižní okno: q = 2724.0,75 = 2043 W Při použití žaluzií s = 0,15 klesne q = 2043.0,15 = 306 W Součet zisků všemi okny tak bude q = (1683 + 689 + 1515).0,75 + 306 = 3189 W Úpravou dojde ke snížení zátěže o 4959-3189 = 1770 W, tedy o 36 %. Úloha 2.1.3 Pro sledované varianty umístění budovy určete celkovou energii ze slunečního záření za červencový den proniklou do budovy. Určete přínos protislunečních opatření z předchozí úlohy. Využijte hodnoty dopadající energie z P57. Tab. 7 Celková dopadající energie na jednotlivá okna (MJ) za den A.Q MJ/m 2.den A1 = 11,0 m 2 A2 = 4,5 m 2 A3 = 6,0 m 2 A4 = 3,0 m 2 S 6,2 6,2.11=68,2 6,2.4,5=28,0 6,2.3=18,7 SV 7,4 7,4.6=44,4 V 10,7 117,7 48,2 64,2 JV 9,8 32,1 J 9,3 41,2 55,8 27,9 JZ 9,9 108,9 Z 10,8 118,8 64,8 32,4 SZ 8,7 39,2 Tab. 8 Solární radiace za průměrný červencový den celého objektu; g= 0,6 Umístění budovy Součet za všechna okna dopadající procházející Var a stěna 1 je na S Q = 68,2+48,2+55,8+32,4 205 MJ 123 MJ Var b stěna 4 je na S Q = 117,7+41,2+64,8+18,7 242 MJ 145 MJ Var c stěna 1 je na Z Q = 118,8+28,0+64,2+27,9 239 MJ 143 MJ Var d stěna 1 je na JZ Q = 108,9+39,2+44,4+32,1 225 MJ 135 MJ Stínění žaluziemi bude nejvýhodnější pro severní okno, protože v celkové bilanci má největší přínos. Dopadající energie pro var. a má hodnotu Q = 205 MJ, procházející: Q = (68,2.0,15+48,2+55,8+32,4).0,6 = 88 MJ Tedy úspora (123-88)/123 = 0,28 tedy o 28 %. Výsledek Při posouzení zisků ze slunečního záření za celý den rozdíly v orientaci ke světovým stranám nejsou zdaleka tak výrazné, nejvýhodnější je orientace největšího okna na sever (var. a). Největší zisk je při situování okna 1 na východ nebo západ (var. b a c). Zatímco na hodnotu aktuálního solárního zisku má stínící opatření malý vliv, v celodenním hodnocení je tento vliv vyšší. Hodnocení zisku energie za 24h má větší vypovídací schopnost o skutečné radiační zátěži a tím případné spotřebě energie pro chlazení budovy. 24
Úloha 2.1.4 Určete povrchovou teplotu oken z příkladu 2.1.1. Pro největší tepelnou zátěž vyberte okno, které je osluněné a jiné okno ve stínu. Teplota v místnosti se předpokládá 24 C a venku 30 C. Prostupnost skla pro přímé sluneční záření, kdy sluneční paprsek je téměř kolmý k rovině okna má hodnotu stejnou jako pro difúzní záření T = 0,85. Pohltivost A = 0,15. Vypočtěte také pro variantu determálního skla, jehož T = 0,6 a A = 0,4. Tepelný tok sklem, skládající se z tepelného toku konvekcí a radiací má hodnotu Teplota skla se vyjádří. {obyčejné sklo: t i = 24 C; t e = 31 C, I = 454 W/m 2 K; α i = 8 W/m 2 K; α e = 15 W/m 2 K; t = 31,5 C; determální sklo: t =36,5 C} Úloha 2.1.5 Majitel rodinného domu zakoupil pro zmenšení tepelné zátěže solárními zisky vnější roletu se stínícím součinitelem s = 0,1, kterou umístil na fasádu podle obrázku. Stanovte užitek (rozdíl v tepelné zátěži) ze stínění fasády v měsíci červenci, pokud roletu bude nebo nebude používat v 8, 10, 12, 14 a 16 h. Určete, kolik energie na chlazení budovy ušetří za měsíce červen až srpen s touto úpravou. Určete rozdíl v nákladech na chlazení budovy, je-li COP systému chlazení 3,1 a cena elektřiny 3,3 Kč/kWh. Prosklená plocha fasády celkem A o = 11+0,3.n (m 2 ) Prosklená plocha fasády stíněná A s = 7 +0,2.n (m 2 ) Azimut fasády γ = 45+0,1.n ( ) a zaokrouhlit na 45 Okna jsou zasklené dvojsklem g = 0,75 (blíže P56) Hodnoty sluneční radiace viz P2. Vypočteme hodnotu aktuální tepelné zátěže v zadané hodiny pro rozdílné vlastnosti prosklení (kw)... 1 Vypočteme celkovou energii ze slunečního záření pro jednotlivé měsíce pro zjištění rozdílu spotřeby energie. Příkon chlazení P se určí ze vztahu (pozor na jednotky) Zjištěná hodnota příkonu je rovna hodinové spotřebě elektrické energie, náklady se zjistí vynásobením cenou elektřiny. Obr. 17 Umístění rolety na fasádě 25
Úloha 2.1.6 Zájemce o koupi bytu v bytovém domě váhá, který byt bude z hlediska ochrany před sluncem nejvýhodnější, protože má obavy, že v obývacím pokoji s oknem 3,4 x 2,8 m (celá výška a šířka místnosti) bude v létě teplo. Určete solární zisky v 9, 11, 13 a 17 h pro místnosti A, B a C pro 21.7 a 21.5. Uvažujte, že okna jsou zasazena přímo ve fasádě a stíny vrhají pouze balkony (stíny svislé). Azimut stěny γ = 110+3.n. Poloha domu obecně v ČR. A. venkovní žaluzie s = 0,2 B. přesah stropu L = 1 m C. přesah balkonu L = 2 m Obr. 18 Řez a pohled na zadaný objekt, vyznačení slunolamu Úloha 2.1.7 Odvoďte rovnici pro účinnost vzduchového kolektoru o ploše S, na jehož absorbér dopadá sluneční záření o hodnotě I a vnější zasklení má prostupnost g. Kolektorem prochází vzduch o průtoku V a jeho teplota se zvyšuje z teploty vnějšího vzduchu t e na teplotu t v. Přes vnější prosklení má kolektor tepelnou ztrátu úměrnou součiniteli prostupu tepla U, ostatní strany kolektoru jsou izolované a tak je zanedbáme. Zhotovte nákres zařízení a vyznačte sledované veličiny. Vypočtěte účinnost pro I = 340 + n W/m 2 ; U = 1,1 W/m 2 K; g = 0,8; V = 100 m 3 /h a t e = + 12 C. Rovnice tepelné bilance kolektoru bude mít tvar....... 2 Účinnost se obecně vyjádří vztahem Dosaďte a vyjádřete účinnost ze zadaných veličin. 26