Tepelně vlhkostní bilance budov

AT 02 TZB II a technická infrastruktura LS 2012 Tepelně vlhkostní bilance budov 10. Přednáška Ing. Olga Rubinová, Ph.D.

Harmonogram t. část Přednáška Cvičení 1 UT Mikroklima budov, výpočet tepelných ztrát TZ obálka? 2 Otopné soustavy základní rozdělení prvků Tepelná ztráta 3 4 Otopná tělesa, potrubní rozvody, armatury, zabezpečovací zařízení Zdroje tepla pro vytápění, plynové spotřebiče, příprava teplé vody Otopná tělesa Rozvody 5 Kotelny a předávací stanice Výkresy 6 Obnovitelné zdroje energie pro vytápění Kotel 7 VZT Význam vzduchotechniky, přirozené větrání LABORATOŘ 8 Proudění vzduchu, nucené větrání Přirozené větrání 9 Strojovna vzduchotechniky a prostorové nároky VZT Distribuce vzduchu 10 Tepelné bilance VZT potrubí a VZT jednotka 11 Klimatizační systémy a chlazení pro vzduchotechniku Tepelná zátěž 12 Hluk ve vzduchotechnice, zpětné získávání tepla Klimatizace 13 Aplikace vzduchotechnických systémů v občanských stavbách Zápočet 2

Přenos tepla v látkách podle skupenství Tuhá tělesa - jednoznačný tvar, vedení v omezeném geometricky definovaném prostoru Kapaliny zaujímají minimální prostor, tvar odpovídající okolí - proměnný, proudění v omezeném prostoru, přenos látek Plyny vyplňují prostor, volné proudění tepla i látek náročné Přenos tepla z povrchu pevné látky do tekutiny: 4

Sdílení tepla základní případy Vedení tepla je primární děj tepelných výměn, typický pro sdílení tepla v tuhých tělesech. Tepelný tok vedením hmotnosti jednotkovou plochou pro teplotní gradient t vyjadřuje Fourierův zákon. Proudění tepla je způsob sdílení tepla proudící tekutinou z míst a teplotě vyšší do míst s teplotou nižší. Intenzita přenosu závisí zejména na rychlosti proudění tekutiny a celé řadě dalším faktorů. q λ s 2 ( t s t ) (Wm ) = 1 s2 ( ) Q = α. t t s ( Wm -2 ) Sálání tepla je přenos tepla elektromagnetickým zářením. Tepelný tok sdílený radiací Q1,2 mezi dvěma povrchy S1 a S2 s teplotami T1 a T2 je dán po odvození ze Stefanova Boltzmannova zákona Q. S1 100 100 4 4 T1 T2 1,2 = c1,2 ϕ1,2.. 5

Prostup tepla - definice Prostup tepla představuje výměnu tepla mezi dvěma tekutinami (plyn, kapalina) oddělenými tuhou stěnou. Řešení je dáno superpozicí vedení a přestupů tepla. U 1 = 1 1 2 + s + (Wm ) α α 1 λ 2 6

Prostup tepla - schéma Exteriér Přestup 0 24 Přestup Vedení 0 12 24 Interiér 7 St

Vzduchotechnika okrajové podmínky pro návrh systému NÁVRHOVÉ VELIČINY VNĚJŠÍHO PROSTŘEDÍ NÁVRHOVÉ VELIČINY VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ E ZUV P P Mikroklima Z d O 9

Základní veličiny prostředí Co máme k dispozici NÁVRHOVÉ VELIČINY VNĚJŠÍHO PROSTŘEDÍ Teplota a vlhkost vnějšího vzduchu klimatické extrémy Znečištění vzduchu Za jakých podmínek vnitřní zdroje tepla, chladu, vlhkosti, škodlivin ve větraném nebo klimatizovaném prostoru vlastnosti budovy Čeho chceme dosáhnout NÁVRHOVÉ VELIČINY VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ Požadavky na vnitřní prostředí Požadavky na provoz VZT systému 10

Návrhové veličiny vnějšího prostředí NÁVRHOVÉ VELIČINY VNĚJŠÍHO PROSTŘEDÍ ZIMA LÉTO Teplota vzduchu Teplota vzduchu Vlhkost (entalpie) vzduchu Intenzita slunečního záření Geografická poloha (nadmořská výška tlak vzduchu) Znečištění venkovního vzduchu (koncentrace CO 2, prachu, toxických látek aj.) 12

Návrhové veličiny vnějšího prostředí Výpočtové hodnoty klimatických veličin vybraných měst podle ČSN 38 3350 za období 1901-1950 Město nv (m) P (kpa) t e ( o C) Zimní období d t es ( o C) D t e ( o C) Letní období h e (kjkg -1 ) t m ( o C) Blansko 278 98,0-15 229 3,3 3360 27 51,2 19,5 Břeclav 159 99,3 -l2 215 4,1 2990 30 59,1 20,1 Brno 227 98,5-12v 222 3,6 3200 29 56,2 19,2 Bruntál 546 94,8-18v 255 2,7 3900 26 48,2 16,1 Děčín 141 99,6-12 225 3,8 3200 29 56,2 19,2 Hodonín 162 99,3-12 208 3,9 2930 30 59,1 20,0 t e teplota vzduchu d počet dnů topného období t es průměrná teplota vzduchu v zimním období h entalpie vzduchu D počet denostupňů t m teplota mokrého teploměru n.v.. nadmořská výška 13

Návrhové veličiny vnějšího prostředí Výpočtové klimatické podmínky pro vytápění a větrání pro Českou republiku podle AHRAE zimní výpočtová teplota vzduchu místo Teplota vzduchu t e ( C) 99,6% 99,0% Brno -14,4-10,9 Cheb -15,6-12,4 Ostrava -17,1-12,9 Plzeň -16,7-12,8 Praděd -19,0-16,4 Praha -16,1-12,4 Přibyslav -16,2-13,0 14

Návrhové veličiny vnitřního prostředí NÁVRHOVÉ VELIČINY VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ Teploty - vzduchu, účinná teplota okolních ploch, střední teplota povrchů, výsledná = globeteplota, operativní teplota, teplota mokrého teploměru, rosného bodu, Vlhkost - relativní, absolutní Rychlost proudění vzduchu v místnosti Koncentrace škodlivin - odérů, aerosolů, toxických látek,... Akustické veličiny hladiny 15

Tepelně vlhkostní mikroklima základní veličiny interiéru Tepelný pocit člověka závisí hlavně na tepelné rovnováze jeho těla jako celku. Tuto rovnováhu ovlivňuje: 1. tělesná činnost 2. oděv 3. parametry prostředí: teplota vzduchu střední radiační teplota (teplota povrchů) rychlost proudění vzduchu vlhkost vzduchu 16

Tepelné bilance pro klimatizaci - princip VENKOVNÍ KLIMATICKÉ PODMÍNKY Zeměpisná poloha, nadmořská výška -15 C +30 C VNITŘNÍ PODMÍNKY komfort VYTÁPĚNÍ 20 C KLIMATIZACE 26 C TEPELNÁ ZTRÁTA TEPELNÁ BILANCE TEPELNÝ ZISK 17

Parametry mikroklimatu hygienické předpisy požadavky technologie požadavky investora, uživatele Teplota vzduchu, operativní teplota Vlhkost vzduchu (relativní) Proudění (rychlost) vzduchu KOMFORTNÍ KLIMATIZACE obvykle: LÉTO ZIMA T = 26 C T = 20 C RH = MAX.60% RH = MIN.40% NEBO RH BEZ POŽADAVKU v = 0,15 až 0,20 m/s 18

Tepelné bilance metody výpočtu Metodiku výpočtu základních případů bilancí uvádí zejména ČSN 730548 a ČSN EN 832 (ČSN 06 0210) Tepelné bilance se řeší pro ustálený nebo kvazistacionární tepelný stav. NÁVRHOVÉ VELIČINY ZIMA (bez vlivu slunečního záření) LÉTO (s vlivem slunečního záření) Modelování provozních stavů vnitřního prostředí Venkovní klimatické podmínky Teplota konstantní Teplota a sluneční radiace proměnná během dne 19

Tepelná bilance - rozdělení VNĚJŠÍ VNITŘNÍ 21

Tepelná bilance - rozdělení venkovní zdroje vnitřní zdroje RADIACE KONVEKCE okna stěna větrání lidé osvětlení elektronika doprava materiálu okolní místnosti klimatické podmínky + stavba vybavení a účel budovy, dispozice budovy 22

Tepelná zátěž - členění Intenzita sluneční radiace I Teplota vzduchu t e Tepelně technické vlastnosti konstrukcí A B E A prostup slunečního záření okny včetně jejich stínění B konvekce a prostup tepla vnější neprůsvitnou obálkou budovy E větrání (infiltrace) Tepelné zisky oken konvekcí Q ok oken radiací Q or, stěn Q s infiltrací venkovního vzduchu Q i 24

Pohyb Slunce po obloze a sluneční záření 25

Sluneční souřadnice výška Slunce nad obzorem Výška Slunce nad obzorem h h 26

Sluneční souřadnice - azimut azimut a ZÁPAD SLUNCE Z S VÝCHOD SLUNCE Určení doby výpočtu maximum pro působení slunečního záření V a a s J 27

Sluneční souřadnice (azimut, výška nad obzorem) 28

Sluneční souřadnice (deklinace Slunce) Zimní slunovrat rovnodennost jarní slunovrat 29

Výška nad obzorem podle ročního období délka stínu 30

Solární konstanta I k Na 1m2 horní hranice atmosféry dopadá cca 1350 W/m 2 slunečního záření = solární konstanta 31

Sluneční záření při průchodu atmosférou PŘÍMÁ RADIACE NA HRANICI ATMOSFÉRY I k I k PŘÍMÁ PŘÍMÁ DIFÚZNÍ I p GLOBÁLNÍ I g I d I p DIFÚZNÍ 32

Návrhové veličiny vnějšího prostředí Intenzita sluneční radiace I (přímá I d a difúzní I do ) Teplota vzduchu t ev Entalpie vzduchu h e Teplota vzduchu harmonické kolísání t e [ 1 sin( 135) ] = t τ e, max A 33

34 + = = 0,8 sin 16000 16000 0,1 exp h H H z I e I I k a Z k p Sluneční radiace globální, dopadající na stěnu

Sluneční radiace globální, procházející oknem 35

Sluneční radiace globální, procházející oknem Intenzita sluneční radiace I (W/m 2 ) procházející jednoduchých oknem s ocelovým rámem SEVER VÝCHOD JIH ZÁPAD VODOROVNÁ 36

Určení doby výpočtu př. 9 h Určení doby výpočtu maximum pro působení slunečního záření Tradiční den 21.7. I p, st = I p cosγ S Z Orientace JV Max. I = 511 W/m 2 v 9 h S = 3 m 2 I = 511*3 = 1,53 kw Orientace JZ v 9 h I = 117 W/m 2 S = 1,5 m 2 I = 117*1,5 = 0,18 kw I s = 1,53 + 0,18 = 1,73 kw J V 37

Určení doby výpočtu př. 11 h Určení doby výpočtu maximum pro působení slunečního záření Tradiční den 21.7. I p, st = I p cosγ Další faktory: provozní doba (kino), vnitřní zisky S Slunce na JJV 11 h Okno JV I = 347 W/m 2 Okno JZ I = 185 W/m 2 Z I = 347.3 = 1,04 kw I = 185.1,5 = 0,28 kw V I s = 1, 04 + 0,28 = 1,32 kw J 38

Prostup tepla okny sluneční radiací dynamický charakter a závisí na úhlu dopadu slunečních paprsků a vlastnosti skla Q [ S I. c + ( S S ). I ]. s g or = os. o o o os od. I o prostupující globální sluneční radiace pro jednoduché standardní zasklení I od intenzita difúzní radiace procházející standardním jednoduchým zasklením S os osluněný povrch okna (S o - S os ) zastíněná plochu okna g prostupnost okna (vliv prosklení výrobku) s stínící součinitel (vliv stínících prostředků) 39

Osluněný povrch okna e1, e2 - délky stínů na okně od okrajů slunolamů (m) d - hloubka okna od okraje svislého slunolamu (m) c - hloubka okna od okraje vodorovného slunolamu e 1 l a e 1 - f l a d e 1 = d. tg a a s a f a s [ ( )] ( ) 1. 2 [ ] S = l e f l e g os a b 40

Osluněný povrch okna f, g odstup svislé a vodorovné části okna os slunolamu (m) c d h e 2 g e 2 c. tgh = cos a a s l b e 2 - g [ ( )] ( ) 1. 2 [ ] S = l e f l e g os a b 41

Stínící součinitel I o, e s = I I o, i o, e Q [ S I. c + ( S S ). I ]s or = os. o o o os od. I o, i s = 0,85 s = 0,80 s = 0, 60 s = 0, 15 42

Varianty protisluneční ochrany 43

Prostup tepla konvekcí okny t e [ 1 sin( 135) ] = t τ e, max A Teplota vzduchu harmonické kolísání Q ok = U o.s o.(t ev - t i ) S o plocha okna včetně rámu k o součinitel prostupu tepla okna t ev teplota venkovního vzduchu ve sledované době t i teplota vnitřního vzduchu 46

Tepelný zisk stěn Podle schopnosti akumulace tepla a teplotního útlumu rozlišujeme stěny: LEHKÉ d < 0,08 m STŘEDNĚ TĚŽKÉ d = 0,08 až 0,45 m TĚŽKÉ d > 0,45 m Tepelný zisk stěnami je u středně těžkých a těžkých stěn nevýznamný cca 5 W/m2 47

Vliv infiltrace a větrání vliv průvzdušnosti oken, v letním období se zanedbává vnikání venkovního vzduchu při otevírání dveří se uvažuje v případech, kdy klimatizovaná místnost je spojena dveřmi přímo s venkovním prostorem nucené větrání bez tepelné úpravy přirozené větrání Tepelná zátěž i tepelné zisky Q e způsobené přívodem vnějšího vzduchu: Q e ( t t ) = H t = V ρ. c.. p e i 48

Vnitřní zdroje tepla a vodní páry VYTÁPĚNÍ ČLOVĚK VAŘENÍ ELEKTRONIKA OSVĚTLENÍ EL. PŘÍSTROJE 50

Vnitřní zdroje tepla a vodní páry ČLOVĚK citelné teplo - hodnota závisí na teplotě vzduchu a činnosti člověka. Výchozí pro odvození se považuje produkce citelného tepla muže 62 W při mírně aktivní práci při teplotě okolního vzduchu 20 o C. Pro jinou teplotu a počet osob n l se hodnota koriguje: ( ) Q = n. 6, 2. 36 t l l i Pro různorodé složení skupiny osob v místnosti se provádí ekvivalentní přepočet pro počet mužů n m, žen n z a počet dětí n d : n = 0, 85. n + 0, 75. n + n l z d m 51

Vnitřní zdroje tepla a vodní páry pro prostory bez oken (kina, divadla) u hlubokých místností se uvažuje s umělým osvětlením ve vzdálenosti větší než 5 m od okna. OSVĚTLENÍ místnosti z požadavky na vyšší intenzitu osvětlení (rýsovny, provozy jemné mechaniky, ap). Q sv = P W/m2 Typ činnosti nebo prostoru osvětlení žárovka Halogenová žárovka Kompaktní zářivka zářivka Sklady, chodby 100 lx 25 20 6 7 Psaní, kreslení 250 lx 50 40 9 15 Jemné ruční práce 500 lx 90 60 16 30 Celý elektrický příkon se změní v teplo 52

Vnitřní zdroje tepla a vodní páry počítače, tiskárny, kopírky elektromotory atd. ELEKTRONIKA Q e 1. 2 = c c P EL. PŘÍSTROJE Předpokládá se, že se celý elektrický příkon změní v teplo. c 1 součinitel současnosti používání c 2 zbytkový součinitel v případě použití odsávaných zdrojů. tepla c 3 průměrné zatížení stroje 53

Prostup tepla z okolních místností Prostup tepla z okolních místností t is Q om = U. S. t t is t is teplota vzduchu sousední místností ( o C) 54

Vnitřní zdroje tepla a vodní páry lidé, jídlo odpar z mokrých povrchů M wo ( ) ( " ) 3 7 + 3,5w. S. x.10 = x p 5 Wh/1 jídlo 10 g/1 jídlo 1-3 jídla / 1 místo x p, x - měrná vlhkost nasyceného vzduchu při teplotě povrchu a měrná vlhkost vzduchu nad povrchem (kg.kg-1) 55

Výpočet tepelných ztrát Přesná nebo obálková metoda dle potřeby. Q z = U. S. t = H. t 57