TOPLOTNO OPTEREĆENJE I
KLIMATIZACIJA
Uvodna razmatranja
Razlika između toplotnog opterećenja i dobitaka toplote
LETNJI PROJEKTNI DAN (1)
34
θte, max
32
30
o
θtsm = 28,5 C
o
Dobici toplote predstavljaju količinu toplote u jedinici vremena koju
prostorija prima
Toplotno opterećenje obuhvata svu količinu toplote koja zagreva
isključivo sobni vazduh
Temperatura ( C)
28
26
θte,(τ)
24
θt e, min
22
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Vreme (h)
Letnji projektni dan za Beograd
LETNJI PROJEKTNI DAN (2)
Letnji projektni dan, spoljna projektna temperatura i Daily Range
a) Način određivanja DR
θe,max
θ(oC)
θ e (τ ) = θe, max −
DR
P (τ )
⋅ DR
100
θe,min
τ
LETNJI PROJEKTNI DAN (3)
Letnji projektni dan, spoljna projektna temperatura i Daily Range
b) Letnji projektni dan za dva mesta sa istim DR i različitim θe,max
θe,max1
θ(oC)
θe,max2
DR1
θe,min1
DR2
θe,max1
θ(oC)
DR2
θe,min2
τ
DR1
θe,min2
θe,min1
τ
c) Letnji projektni dan za dva mesta sa različitin DR i istim θe,max
TOPLOTNO OPTEREĆENJE
Toplotno opterećenje, kao i dobici toplote mogu se podeliti
prema izvorima toplote i to na:
spoljne:
- kroz spoljne zidove (krov) prostorije,
- kroz prozore (transmisijom i od Sunčevog zračenja),
- infiltracijom spoljnog vazduha kroz procepe.
unutrašnje:
- od osvetljenja u prostoriji,
- od električnih uređeja, mašina i aparata (disipacije toplote)
- od ljudi koji borave u prostoriji,
- od susednih neklimatizovanih prostorija,
- od tehnoloških procesa koji se odvijaju u prostoriji.
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (1)
Toplotno opterećenje tranamisijom kroz zidove
Usled akumulacije toplote u zidu:
fazno zakašnjenje toka
količine toplote,
smanjenje amplitude oscilacije
temperature na unutrašnjoj
površini zida u odnosu na
spoljnu površinu zida.
Transport toplote kroz spoljni zid
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (2)
Svaka promena uslova razmene toplote na graničnim površinama
građevinske konstrukcije izazvaće nestacionarnost u temperaturnoj
raspodeli i u vrednosti toplotnog fluksa koji se razmenjuje na
površini elementa.
Dinamičke karakteristike građevinske konstrukcije opisuju
vremenski odgovor nekog građevinskog elementa na toplotnu
promenu iz njegove okoline. Proračun se sprovodi prema standardu
SRPS EN ISO 13786.
Svojstva koja određuju dinamičke karakteristike građevnog elementa
su: toplotna provodljivost λ, W/(mK), specifični toplotni kapacitet
c, J/(kg K) i gustina materijala ρ, (kg/m3).
Za zgradu je povoljno da je prigušenje temperaturnih oscilacija što
veće i da je što veći fazni pomak.
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (3)
Toplotno opterećenje tranamisijom kroz zidove
Promena temperaturske oscilacije i kašnjenje toplotnog fluksa za građevinski
element sa provetravanom fasadom
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (4)
Toplotno opterećenje tranamisijom kroz zidove
Promena temperaturske oscilacije i kašnjenje toplotnog fluksa za laku građevinsku konstrukciju
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (5)
Sunčano-vazdušna temperatura
80
HORIZONTALNA
70
ZAPAD
JUG
o
Temperatura ( C)
60
ISTOK
50
40
SEVER
30
TEMP. SPOLJ. VAZDUHA
Sunčano-vazdušna temperatura
predstavlja fiktivnu temperaturu koju
bi trebalo da ima spoljni vazduh da bi
se prouzrokovao toplotni fluks na
površinu zida jednak onom toplotnom
fluksu koji potiče od zbirnog uticaja
Sunčevog zračenja i spoljne
temperature vazduha:
20
θ s = θe +
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
vreme (h)
Tok sunčano- vazdušnih temperatura za juli mesec i 45o SGŠ
a⋅I
αe
+
e ⋅ ∆R
αe
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (6)
Ekvivalentna temperaturska
razlika, koja se koristi pri
proračunu toplotnog opterećenja:
∆θ ekv (τ ) = f (θ s (τ − τ i ) − θ sm ) + θ sm − θi
Toplotno opterećenje koje nastaje
prilikom nestacionarnog prolaza
toplote kroz zid računa se za svaki
sat preko časovnih vrednosti
ekvivalentne temperaturske
razlike:
Qz (τ ) = A ⋅ U ⋅ ∆θ ekv (τ )
Ekvivalentna temperaturska razlika
obuhvata:
fizička svojstva zidova δ , λ , ρ , c p , ε ...
sve posledice osobina zidova
(akumulaciju toplote, vremensko
kašnjenje transporta toplote,
smanjenje amplitude temperaturske
oscilacije)
spoljne izvore toplote (spoljnu
temperaturu i Sunčevo zračenje, koje
zavisi od orijentacije zida),
unutrašnje uslove (željenu
temperaturu vazduha u prostoriji).
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (7)
Sunčevo zračenje
Najveći intenzitet Sunčevog zračenja
javlja se u delu talasne dužine
zračenja koja odgovara
vidljivom zračenju u oblasti
zelene boje - 0,48 µm.
Spektar Sunčevog zračenja
Slabljenje Sunčevog zračenja
pri prolasku kroz atmosferu
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (8)
Solarna geometrija
Deklinacija Sunca σ
Časovni ugao H
Geografska širina L
Sunčevi zraci
P
O
L
σ
H
Ekvator
mesec
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
σ [°]
-20.0
-10.8
0.0
11.6
20.0
23.4
20.6
12.3
0.0
-10.5
-19.8
-23.4
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (9)
Uglovi položaja Sunca
S
h
θ
Z
I
α
β
n= α β
-
J
n
Uglovi položaja Sunca : upadni ugao θ, azimut Sunca α, ugao visine Sunca h
i azimut površine β
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (10)
Uglovi položaja Sunca - Dijagram putanje Sunca za 45o SGŠ
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (11)
Sunčevo zračenje i fizička svojstva atmosfere
Sunce
Prašina
O2 , H2 O,CO2
N
E
D
D
I
I=D+Ddif=
D+R+N+E
Oznake:
D - direktno zračenje
Ddif - difuzno zračenje
N - zračenje neba
R - reflektovano zračenje
E - emisija Zemljine površine
I - energija zračenja koju
prima neka površina
R
Šematski prikaz prolaza Sunčevog zračenja kroz atmosferu
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (12)
Toplotno opterećenje usled prodora Sunčevih zraka kroz staklo
apsorpcija
Direktno
zračenje
Upadni
ugao
Unutrašnje zračenje
i prelaz toplote
apsorpcija
θ
Reflektovano
zračenje
Propušteno
zračenje
Spoljašnje zračenje
i prelaz toplote
Bilans toplote Sunčevog zračenja za prozorsko staklo
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (13)
Toplotno opterećenje usled prodora Sunčevih zraka kroz staklo
100
90
80
D
R,A,D (%)
70
R
60
50
40
30
20
A
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Upadni ugao ( o)
Odnos propustljivosti D, apsorpcije A i refleksije R direktnog Sunčevog zračenja
za obićno staklo debljine 3 mm
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (14)
Akumulacija toplote u zidovima
Temperatura zida na površini (x=0) i u unutrašnjim slojevima
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (15)
Akumulacija toplote u zidovima
Temperatura površina zidova različitih debljina
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (16)
Akumulacija toplote u zidovima
50
50
Južna orijentacija
45
0h
Severna orijentacija
2h
Izolacija
Izolacija
4h
6h
40
8h
o
t( C)
o
t( C)
10 h
12 h
14 h
30
10 h
35
12 h
14 h
30
16 h
16 h
18 h
25
18 h
25
20 h
20 h
22 h
20
4h
6h
40
8h
35
0h
2h
45
22 h
20
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
Čvorovi
Čvorovi
Promena temperaturskog polja unutar fasadnog zida u toku dana
za južnu i severnu orijentaciju prostorije (letnji projektni dan)
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (17)
Koeficijenti akumulacije toplote
Kada su u pitanju dobici toplote, njih je relativno lako odrediti
(izračunati), ali je mnogo teže odrediti toplotno opterećenje
prema kome se dimenzioniše postrojenje za klimatizaciju.
Problem se rešava uvođenjem koeficijenata akumulacije toplote.
Po definiciji koeficijent akumulacije toplote je odnos između
trenutnog toplotnog opterećenja i maksimalne vrednosti dobitaka
toplote:
s (τ ) =
Qopt (τ )
Qdob, max
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (18)
Toplotno opterećenje od Sunčevog zračenja kroz prozor
Južna orijentacija
Severna orijentacija
0,9
Laki
0,8
0,7
Srednji
0,7
0,6
Teški
24
22
20
18
16
24
20
22
16
18
12
14
10
0
6
8
0,1
0
2
4
0,1
14
Teški
12
Srednji
0,2
8
Laki
0,3
10
0,2
0,4
6
0,3
0,5
4
0,4
0,6
2
0,5
0
Koef. akumulacije (-)
0,8
0
Koef. akumulacije (-)
0,9
vreme (h)
vreme (h)
Uticaj tipa gradnje na koeficijente akumulacije toplote od Sunčevog zračenja
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (19)
Domen promene koeficijenta akumulacije toplote za referentni slučaj najviše
zavisi od tipa gradnje; tako se vrednosti koeficijenta akumulacije uzimaju iz
tablica za najpribližniji slučaj i računa se toplotno opterećenje:
Qopt (τ ) = Qdob , max ⋅ s (τ )
Ovaj koncept koriste skoro sve u svetu poznate metode proračuna toplotnog
opterećenja klimatizovanih prostorija, izuzev TFM (Transfer Function
Method), ali ga koriste čak i metode koje su izvedene iz TFM, kao i najnovije
metode bazirane na bilansu toplote za svaku površinu u prostoriji.
Toplotno opterećenje od Sunčevog zračenja kroz prozor prema VDI 2078:
[
]
Q (τ ) = Qdob , max ⋅ s (τ ) = Fos ⋅ I max ⋅ a + ( F − Fos ) ⋅ I dif , max ⋅ b ⋅ s (τ )
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (20)
Toplotno opterećenje sa produženim efektom akumulacije
Tok dnevnih tolotnih opterećenja pri malom efektu akumulacije
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (21)
Toplotno opterećenje sa produženim efektom akumulacije
Tok dnevnih tolotnih opterećenja pri većem efektu akumulacije
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (22)
Toplotno opterećenje sa produženim efektom akumulacije
Tok dnevnih tolotnih opterećenja pri radu klimatizacionog postrojenja sa prekidom
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (23)
Toplotno opterećenje sa produženim efektom akumulacije
1800
Dobici toplote
8-16h
1500
6-22h
Toplotno opterećenje (W)
0-24h
1200
900
600
300
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
0
Vreme (h)
Tok dnevnih tolotnih opterećenja pri različitim režimima rada klimatizacionog postrojenja
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (24)
Toplotno opterećenje transmisijom toplote kroz prozor
S obzirom da su prozori sačinjeni pretežno od tankih staklenih
površina i da imaju mali otpor provođenju toplote, smatra se da
ne postoji akumulacija toplote u prozorima i da je prolaz toplote
kroz prozore trenutan.
Zbog toga se toplotno opterćenje transmisijom toplote kroz
prozor računa za posmatrani vremenski trenutak sa trenutnom
razlikom temperatura spoljnog i unutrašnjeg vazduha:
Q (τ ) = U w ⋅ Fw ⋅ (θ e (τ ) − θ i )
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (25)
Infiltracija spoljnog vazduha
Infiltracija spoljnog vazduha je u klimatizovanim prostorijama,
po pravilu, znatno manja nego u prostorijama koje imaju neki od
uobičajenih sistema grejanja. Čest je slučaj klimatizovanih
zgrada u kojima su prozori fiksni i ne otvaraju se - tada je
propustljivost procepa zanemarljiva.
U slučaju kada dolazi do infiltracije spoljnog vazduha, posebno
se računa latentno i suvo toplotno opterećenje usled infiltracije:
•
QINF , s = V ⋅ ρ ⋅ c p ⋅ (θe (τ ) − θi )
•
QINF ,lat = V ⋅ ρ ⋅ r ⋅ ( xe (τ ) − xi )
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (26)
Toplotno opterćenje od osvetljenja
Tok toplotnog opterećenja od osvetljenja za neprekidan rad klimatizacionog postrojenja
Tok toplotnog opterećenja od osvetljenja u slučaju rada klimatizacionog postrojenja sa prekidom
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (27)
Toplotno opterćenje od osvetljenja
Provetravanje kroz svetiljku – vazduh opstrujava svetiljku po celoj dužini;
QB (τ ) = Qdob , max ⋅ s B (τ )
Provetravanje cirkulacijom vazduha oko svetiljke
QB (τ ) = P ⋅ l1 ⋅ l2 ⋅ sB (τ )
Delimično provetravanje kroz svetiljku
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (28)
Toplota koju odaju ljudi
Toplotno opterćenje od ljudi je uvek prisutno, s obzirom da se
komforna klimatizacija uvek uvodi zbog prisustva ljudi u
prostorijama, kako bi se obezbedili uslovi ugodnosti. Toplota
koju odaju ljudi može biti jako značajna kada se radi o
prostorijama u kojima boravi veliki broj ljudi, kao što su:
bioskopi, pozorišta, sportske dvorane, itd.
Qlj , s = n ⋅ qlj , s
Qlj ,lat = n ⋅ qlj , lat
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (29)
Toplotno opterećenje od mašina u prostoriji
Obično se u praksi smatra da je disipacija toplote od rada
mašine jednaka instalisanoj snazi mašine i da se predaje
vazduhu prostorije, tako da čini toplotno opterećenje:
QM = Pel
Ako se u prostoriji nalazi više mašina, onda se toplotno
opterećenje opterećenje računa kao:
 N 
QM = ∑  i  ⋅ a2
 η ⋅ a1 
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (30)
Toplotno opterećenje od susednih prostorija
Toplota koja se transmisijom prenese u prostoriju od susednih
neklimatizovanih prostorija (kroz pod, zidove, tavanicu, vrata...)
predstavlja toplotno opterećenje od susednih prostorija:
QR = ∑U i ⋅ Fi ⋅ ∆θi
Ukupno toplotno opterećenje prostorije je zbir toplotnih
opterećenja od svih izvora toplote:
Qukup = Qe + Qi = QZ + QS + QT + QLJ + QB + QM + QR + QG
PRORAČUN TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA (31)
Qlj
QR
QM
8
0
QB
0
98
0
QZ
0
QT
0
QS
20
Quk
118
9
207
0
98
250
0
0
21
576
10
207
0
98
250
0
0
22
577
11
207
0
98
250
0
0
23
578
12
207
0
98
250
0
1
24
579
1400
Qlj
1200
QB
QR
1000
QM
QZ
800
Q (W)
Vreme
QT
QS
600
13
207
0
98
250
0
501
98
1153
14
207
0
98
250
0
506
98
1158
15
207
0
98
250
0
483
98
1135
16
207
0
98
250
0
434
98
1086
17
207
0
98
250
0
400
98
1052
0
18
0
0
98
0
0
366
98
561
-200
19
0
0
98
0
0
337
98
532
20
0
0
98
0
0
310
98
506
Quk
400
200
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23
Vreme
ZAŠTITA OD SUNČEVOG
ZRAČENJA (1)
Za efikasnu zaštitu od intenzivnog osvetljenja primjenjuje se:
arhitektonska rešenja: zelenilo, tremovi, nadstrešnice, balkoni
elementi spoljne zaštite od Sunca: pokretni i nepokretni brisoleji, spoljne
žaluzine - horizontalne i vertikalne
roletne, tende, savremena ostakljenja
elementi unutrašnje zaštite od Sunca: roletne, žaluzine, rolo i obične zavese
elementi unutar stakla za zaštitu od Sunca i usmeravanje svetla –
hologramski elementi, reflektirajuća stakla i folije, staklene prizme i dr.
višefunkcionalni konstruktivni elementi zgrada.
ZAŠTITA OD SUNČEVOG
ZRAČENJA (2)
Primeri spoljnih elemenata za zaštitu od Sunčevog zračenja
ZAŠTITA OD SUNČEVOG
ZRAČENJA - Jedna slika, hiljadu reči
ZAŠTITA OD SUNČEVOG
ZRAČENJA - Jedna slika, hiljadu reči
ZAŠTITA OD SUNČEVOG
ZRAČENJA - Jedna slika, hiljadu reči
ZAŠTITA OD SUNČEVOG
ZRAČENJA - Jedna slika, hiljadu reči
ZAŠTITA OD SUNČEVOG
ZRAČENJA - Jedna slika, hiljadu reči
ZAŠTITA OD SUNČEVOG
ZRAČENJA - Jedna slika, hiljadu reči
ZAŠTITA OD SUNČEVOG
ZRAČENJA - Jedna slika, hiljadu reči
ZAŠTITA OD SUNČEVOG
ZRAČENJA - Jedna slika, hiljadu reči
ZAŠTITA OD SUNČEVOG
ZRAČENJA - Jedna slika, hiljadu reči
UTICAJ POJEDINIH FAKTORA NA
TOPLOTNO OPTEREĆENJE (1)
Uticaj različitog režima rada osvetljenja – dužine trajanja i instalisane snage svetiljki
1000
1200
1100
Sa osvetljenjem 8-12h i 16-20h
1000
800
700
600
500
400
900
Bez osvetljenja
300
800
Sa osvetljenjem 8-12h
Sa osvetljenjem 16-20h
200
Bez osvetljenja
Sa osvetljenjem 12-16h
Sa osvetljenjem 10-18h
900
Sa osvetljenjem 8-20h
800
700
600
500
400
500
1200
900
800
700
600
500
400
300
Vreme (h)
24
22
20
18
16
14
8
12
6
200
10
24
22
20
18
1000
4
Vreme (h)
16
14
8
12
6
10
4
2
200
1100
2
300
24
22
20
18
16
14
8
12
10
6
Vreme (h)
Bez osvetljenja
Sa osvetljenjem 200 W
Sa osvetljenjem 400 W
Sa osvetljenjem 600 W
0
400
Toplotno opterećenje (W)
1300
4
0
1400
Vreme (h)
600
2
200
24
22
20
18
16
14
8
12
6
10
4
2
0
300
700
0
Toplotno opterećenje (W)
1000
Bez osvetljenja
Toplotno opterećenje (W)
Toplotno opterećenje (W)
900
UTICAJ POJEDINIH FAKTORA NA
TOPLOTNO OPTEREĆENJE (2)
Uticaj zastora i veličine prozora
1000
Bez senke
Senka 20%
900
Ap = 3,6 m2
Ap = 2,88 m2
800
Senka 40%
Senka 60%
800
Ap = 2,16 m2
Ap = 1,44 m2
700
Senka 80%
Senka 100%
Ap = 0,72 m2
Bez prozora
300
Vreme (h)
24
22
18
20
0
22
24
18
20
12
14
16
8
10
4
6
0
0
2
100
0
16
200
100
14
200
400
12
300
500
10
400
600
6
8
500
4
600
700
2
Toplotno opterećenje (W)
900
Vreme (h)
Uticaj veličine senke na prozoru i veličine prozora
UTICAJ POJEDINIH FAKTORA NA
TOPLOTNO OPTEREĆENJE (3)
Uticaj prirodnog provetravanja tokom noći
1300
700
600
1200
n = 0,25 1/h
n = 0,25 1/h
500
n = 0,65 1/h
400
n = 1,30 1/h
300
n = 2,00 1/h
200
n = 3,30 1/h
Qvent (W)
n = 0,65 1/h
1100
n = 2,00 1/h
1000
n = 3,30 1/h
n = 1,30 1/h
n = 5,00 1/h
100
n = 5,00 1/h
0
900
-100
800
-200
-300
Vreme (h)
Vreme (h)
Uticaj prirodne ventilacije tokom noćnih sati (od 20 do 8 h ujutro)
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
-400
0
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
700
0
Toplotno opterećenje (W)
Toplotno opterećenje (W)
1000
Download

toplotno opterećenje