M05-Tepelné bilance pro vzduchotechniku

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 vzdu-
chotechnika a okolím místností. Při vyčíslení uvedených výměn, které mají
charakter časově proměnných toků, se vychází z řešení fyzikálních dějů, do-
kumentovaných v modulu BT02-02 a [1].
Cílem této kapitoly je seznámit čtenáře ze základními složkami tepelně látko-
vých 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 problema-
tiky je však zcela zásadní pro další studium vzduchotechniky, zejména klimati-
zace 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 energe-
tického 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 vzdu-
chu 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 dosaže-
ný 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 tech-
nická 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 vzducho-
techniku
Tepelně hmotnostní bilance představují toky tepla či látek mezi dvěma prostře-
dími s rozdílnou úrovní jejich stavů, postižitelných časově konstantními či
obecně proměnnými fyzikálními veličinami. Řešení bilancí vychází z mecha-
nismu 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 okra-
jové podmínky probíhajících obecně nestacionárních fyzikálních dějů.
Technická
zařízení
budov

Vytápění
Vzduchotechnika
I
o

Q
sv
Q
l
, M
l
Q
s

Q
t

I
p
I
d
V
p
te, we, he, ke
t
o
Mikroklima
t
i
, t
g
, ϕ, w
i
, k
i

Q
v

Vnější agencie A
e

Vnitřní agencie A
i

Stavební konstrukce
Primární
energie


Paliva
Netradiční
zdroje
Tepelné ztráty budovy
Q
te
Tepelná zátěž budovy
Tepelné a hmotnostní toky látek
Tepel.
ztráty

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 sché-
ma zmíněných výměn je patrné na obr. 1. Charakteru těchto výměn musí odpo-
vídat výkon soustav technických zařízení budov (TZB) a zejména vzducho-
techniky (VZT), jenž musí svým provozem reagovat na změny působících
tepelných a látkových agencií. Z aspektu tvorby vnitřního prostředí vzducho-
technikou 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 požado-
vané úrovně interního mikroklimatu, geometrických a tepelně technických cha-
rakteristik budovy, geografické polohy a klimatu jejího místa event. z techno-
logického procesu. Výchozími pro řešení bilancí ve vzduchotechnice jsou kli-
matické veličiny charakterizující vnitřní a vnější prostředí např. teplota, vlh-
kost, 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 bu-
dovy.
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 hmotnost-
ních 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
Místo, geometrie, účel a
konstrukce budovy
Stav interního mikrokli-
matu
Počet osob, technologie
Teploty vzduchu interiéru letní t
il

Teploty vzduchu exteriéru letní t
el

Intenzita sluneční radiace I
Návrh zaří-
zení
klimatizace

Tepelné
ztráty
Jako v případě 1a, 1b Teploty vzduchu interiéru zimní t
iz

Teploty vzduchu exteriéru zimní t
iz

Návrh VZT
- zimní pro-
voz
Vodní
zisky
Počet osob, technologie Měrná vlhkost vzduchu interiéru x
i

Rychlost proudění vzduchu w
Návrh VZT
Produkce
škodlivin
Účel místnosti, geometrie Hmotnostní toky a koncentrace
škodlivin m, k
Návrh VZT
Roční
potřeby
tepla,
chladu a
elektrické
energie
Účel místností budovy,
její geometrie, počet
osob, lokalita budovy
Střední teploty vzduchu v interiéru a
exteriéru. Délka provozních režimů
budovy a zařízení. Délka období
vytápění, chlazení, větrání. Návrho-
vé hodnoty tepelných a hmotnost-
ních toků (zisků, ztrát a škodlivin).
Provoz
vzducho-
techniky
(VZT)
Tepelné
chování
místností
Účel místností, její geo-
metrie, aktuální hodnoty
klimatických veličin,
tepelných ztrát a zisků
Teploty charakterizující teplotní stav
místností, zejména průběh teploty
vnitřního vzduchu, teploty výsledné,
potřeba energií (teplo, chlad, ap)
Prognóza a
modelování
teplotních
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 teplo-
ta zimní, letní, intenzita sluneční radiace. Uvedené veličiny mají dominantně
nestacionární charakter. Blíže js