Tepelné zisky od vnitřních zdrojů

Ukázka z knihy Vzduchotechnika, autoři: Ing. G. Gebauer, CSc,. Ing. O. Rubinová PhD. a Ing. H. Horká. Kapitola 5 - Základní výpočty ve vzduchotechnice.

Tepelné zisky od vnitřních zdrojů

Tyto zisky jsou dány součtem jednotlivých vnitřních zdrojů tepla, k nimž je nutno připočítat i teplo, kterým se vzduch ohřeje při proudění mezi chladičem a klimatizovanou místností, event. je nutno odečíst teplo potřebné na adiabatické odpaření vody z mokrých povrchů v klimatizovaných místnostech.

Obrázek 57 - Schéma složek vnitřní tepelné zátěže

Produkce tepla lidí

Do této složky se započte jen citelné teplo, jehož hodnota závisí na teplotě vzduchu a činnosti člověka. Za výchozí pro odvození se považuje produkce citelného tepla muže 62 W při mírně aktivní práci při teplotě okolního vzduchu 20 °C. Blíže viz kap. 3. Pro jinou teplotu a počet osob n_l se hodnota koriguje vztahem (94a). Pro různorodé složení skupiny osob v místnosti se provádí ekvivalentní přepočet podle vztahu (94b) pro počet mužů n_m, žen n_z a počet dětí n_d.

Ql = nl . 6,2 . (36 - ti)

nl = 0,85 . nz + 0,75 . nd + nm    (94a,b)

Produkce tepla svítidel

Produkce tepla svítidel Q_sv se počítá pro prostory bez oken (kina, divadla) a místnosti s požadavky na vyšší intenzitu osvětlení (rýsovny, provozy jemné mechaniky ap.), kde nestačí přirozené osvětlení. U hlubokých místností se uvažuje s umělým osvětlením ve vzdálenosti větší než 5 m od okna (dle obr. 58). U svítidel se předpokládá, že se jejich celý elektrický příkon změní v teplo. Výchozí pro výpočet je intenzita osvětlení, ze které se odvodí celkový příkon svítidel P.

Tepelná zátěž od svítidel Q_sv se vyčíslí ze vztahu (95) pro součinitel současnosti používání svítidel c₁ a zbytkový součinitel v případě použití odsávaných svítidel c₂ [50].

Q_sv = P . c₁ . c₂    (95)

Produkce tepla elektromotorů Q_m a elektronických zařízení Q_e

Produkce tepla Q_m elektromotory se stanoví pro štítkový výkon elektromotoru N a jeho účinnost η_m z rov. (96a). Produkce tepla elektronických zařízení Q_e (počítačů, tiskáren apod.) o příkonu P nad l00 W (menší lze zanedbat) se určí z výrazu (96b). Hodnoty součinitele současnosti chodu elektromotorů c₁, zbytkového součinitele při odsávání motorů c₂ a průměrného zatížení stroje c₃ lze určit dle [50].

Qe = c1 . Σ(c2 . c3 . N / ηm)

Qe = c1 . c3 . ΣP    (96a,b)

Produkce tepla ventilátorů Q_v

U sestavných strojoven, kde je ventilátor a elektromotor osazen v proudu dopravovaného vzduchu o průtoku V_p a pracovním tlaku Δ_p [Pa], se stanoví produkce Q_v pro účinnost elektromotoru η_v a ventilátoru η_v (obvykle 0,5) z rov. (97).

(97)

Produkce tepla od jídel

Ve stravovacích zařízeních se tepelná 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 1 jídlo za hodinu na 1 místo u stolu;
• v restauracích ostatních se uvažují 2 jídla a v jídelnách 3 jídla na 1 místo u stolu za hodinu.

Produkce tepla ohřátím vzduchu ve vzduchovodech

Ohřátí vzduchu ve vzduchovodech lze přibližně vypočíst ze vztahu:

(98)

kde je:

k_t - součinitel prostupu tepla vzduchovodu, pro neizolovaný vzduchovod k_t 3 W.m²/K;
Δt_m - střední rozdíl teplot mezi vzduchem v potrubí a teplotou okolního prostředí [K];
F - průřez vzduchovodů určovaný z rozměru A/B [m²];
S - teplosměnná plocha [m²];
w - rychlost proudění vzduchu vzduchovodem [m/s].

Produkce tepla teplých povrchů Q_p a materiálů Q_r

Pro materiály s hmotnostním tokem m [kg/s] a měrnou tepelnou kapacitou c dopravované klimatizovanou místností se stanoví produkce tepla Q_m ze vztahu (99a). U teplých povrchů (potrubí) o ploše S, umístěných v místnosti, dochází k přestupu tepla Q_p, jehož hodnota se určí ze vztahu (99b).

Qr = m . c . (t2 - t1)

Qp = α . S . Δtm,    (99a,b)

kde je:

t_1,2 - teploty materiálů na vstupu a výstupu z místnosti [°C];
Δt_m - střední rozdíl teplot mezi povrchem a vzduchem [K];
α - součinitel přestupu tepla konvekcí a radiací (α 10 W/(m².K)).

Tepelný zisk z okolních místností s jinou teplotou

Tepelný tok pro teplotu vzduchu sousedních místností t_is je dán rovnicí pro prostup tepla:

Q = k . S . (t_is - t_i).    (100)

Tepelné ztráty

Metoda výpočtu ztrát se volí podle účelu jejich aplikace. K předběžnému výpočtu tepelných ztrát lze užít přibližný výpočet, ale pro vlastní realizační návrh vzduchotechnického systému se aplikuje algoritmus výpočtu podle ČSN EN 12831, nahrazující ČSN 06 0210.

Vodní zisky

Základními zdroji vodních zisků v občanských budovách jsou lidé a odpar z mokrých povrchů. V technologických provozech je třeba vycházet z produkce páry konkrétních zdrojů.

Produkce vodní páry lidí M_w1

Produkce vodní páry g_w [g/h] je závislá na činnosti člověka a určí se podle tabulky v [50]. Hmotnostní tok vodní páry se stanoví ze vztahu (101). Blíže viz kap. 3.

m_w1 = n_l . g_w,    (101)

kde n_l je počet osob.

Odpar z mokrých povrchů M_wo a teplo pro odpařování Q_wo

Odpar M_w z mokrých povrchů a vodní hladiny o ploše S, nad kterou proudí vzduch střední rychlostí w, se určí z výrazu (102a). (U krytých bazénů s vytápěnými podlahami lze počítat s odparem 7.10^-2 kg/(m².s).) Při adiabatickém odpařování se odebírá výparné teplo ze vzduchu a citelná zátěž se snižuje o hodnotu Q_wo podle výrazu (102b).

Mwo = (7 + 3,5 . w) . S . (xp" - x) . 10-3

Qwo = lw . Mw,    (102a,b)

kde je:

x_p", x - měrná vlhkost nasyceného vzduchu při teplotě povrchu a měrná vlhkost vzduchu nad povrchem [kg/kg];
l_w - výparné teplo vody l_w 2,5.10⁶ J/kg.

Hmotnostní zátěž

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 CO₂, odéry, oxid siřičitý SO₂, oxid uhelnatý CO, oxidy dusíku NO_x a formaldehyd (viz kap. 3).

Řešení hmotnostních bilancí výše uvedených složek je náročný problém z důvodu nesnadno kvantifikovatelných jednotkových toků závisejících na místních podmínkách. Výchozí pro výpočet návrhových hodnot bude znalost reálné maximální produkce škodlivin jednotlivých zdrojů.

Zásady pro výpočet tepelné a hmotnostní zátěže

Tepelná zátěž

Výměna tepla v budovách je výrazně nestacionární děj. Pro účely návrhu vzduchotechniky se proto z celého spektra vyskytujících stavů vyčíslí stav s největší tepelnou zátěží. Manuálním výpočtem se zátěž vyčíslí pro každou místnost zvlášť a slunný den 21. července pro hodinu, kdy se očekávají největší tepelné zisky. Programovými prostředky lze tepelnou zátěž vypočíst pro libovolné období roku. Není-li určeno z technologických či hygienických důvodů jinak, uvažuje se s vnitřní teplotou vzduchu 26 °C. Zásadním krokem výpočtu je určení denní doby (konkrétní hodina), pro kterou se zátěž počítá. Pro místnosti s okny se hodina výpočtu maxima zátěže určuje v závislosti na době maxima intenzity radiace I_o prostupující největší zasklenou plochou - blíže viz [50]. Součinitel přestupu tepla pro letní období α_e = 15 W/(m².K).

Roční energetické a hmotnostní bilance - roční potřeby energie

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 sezonu, 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 a základní údaje výpočtů uvádí [9].

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 prostředí místností jsou z důvodů časově proměnných agencií, zejména vnějších (kap. 3), nestacionární a bezprostředně ovlivňují stav prostředí. Výpočtové modelování vycházející z numerických metod 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.

Na základě výstupů modelování stavu interního mikroklimatu lze odvodit průtoky vzduchu a navrhnout varianty i optimální realizační řešení vzduchotechniky, vyčíslit související potřeby energií a posoudit ekonomiku provozu budovy. Příklad programového řešení je na obr. 59.

K řešení tepelného chování klimatizovaných místností budov je nutno vyčíslit příslušné tepelné toky simulační metodou vycházející z nestacionárního sdílení tepelných zisků oken formovaného okamžitými okrajovými podmínkami. Uvedený problém je nutno pojednat komplexně a řešit optimálně číselně jednokrokovými metodami vycházejícími z explicitních či implicitních schémat numerické matematiky.

Obrázek 59 - výstup programového řešení tepelných zisků oken