Termično aktiviranje betonskega jedra

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- I -

Termično aktiviranje betonskega jedra

Diplomsko delo

Študent: Leon CIMERMAN Študijski program: Visokošolski strokovni; Strojništvo Smer: Energetika in procesno strojništvo

Mentor: Izr. prof. dr. Jure MARN

Somentor: Izr. prof. dr. Aleš HRIBERNIK

Maribor, november 2008

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- II -

Vložen original sklepa o potrjeni temi diplomskega dela

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- III -

I Z J A V A

Podpisani Leon CIMERMAN izjavljam, da: • je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom

izr. prof. dr. Jureta MARNA in somentorstvom izr. prof. dr. Aleša HRIBERNIKA;

• predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet Univerze v Mariboru.

Maribor, november 2008 Podpis: ___________________________

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- IV -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Juretu MARNU in somentorju izr. prof. dr. Alešu HRIBERNIKU za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi vodstvu podjetja MENERGA d.o.o., katero mi je omogočilo opravljanje študijske prakse, strokovnega izpopolnjevanja in diplomskega dela pod mentorstvom univ. dipl. inž. str. Danijela MURŠIČA.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij, ter Ireni za podporo in vzpodbudo pri izdelavi diplomske naloge.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- V -

Termično aktiviranje betonskega jedra

Ključne besede: termoaktivni gradbeni elementi, akumulacija, betonsko jedro, ogrevanje, hlajenje, prenosnik toplote, udobje, varčevanje energije,…

UDK: 697.97:621.565.95(043.2)

POVZETEK

V diplomskem delu je obravnavan sistem ogrevanja in hlajenja stavb s termoaktivnimi gradbenimi elementi. Opisan in izveden je postopek izračuna toplotnih in hladilnih moči sistema, ter vseh potrebnih pripadajočih parametrov, kot so cevni razmik, premer cevi, itd. Opisan je tudi tehnološki postopek izdelave in vgradnje prenosnikov toplote v armirano betonsko jedro.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- VI -

Heat activation of concrete core

Key words: thermally active building elements, accumulation, concrete core, heating cooling, heat exchanger, comfort, saving energy,…

UDK: 697.97:621.565.95(043.2)

ABSTRACT

This diploma work presents system heating and cooling in buildings with thermally active building elements. There have been described and realizated a procedure of calculation for heating and cooling power system and all requisited parameters, that are tube distance, diameter of tube, etc. In this work have been described technological process of manufacture heat exchanger and how to build it in the concrete core.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- VII -

Kazalo vsebine:

1 Uvod ............................................................................................................... 1 1.1 Splošno o termoaktivnih gradbenih sistemih.............................................................. 1

1.1.1 Termično aktiviranje betonskega jedra (TABJ) ................................................. 2 1.2 Opis problema dimenzioniranja termoaktivnih gradbenih elementov ....................... 3 1.3 Predstavitev ožjega področja diplomskega dela ......................................................... 3 1.4 Struktura diplomskega dela ........................................................................................ 4

2 Zagotavljanje osnovnega termičnega ugodja ............................................ 5 2.1 Osnove o toplotnem ugodju ........................................................................................ 5

2.1.1 Srednja temperatura kože ................................................................................... 7 2.2 Toplotno ugodje v bivalnih in delovnih prostorih ...................................................... 7

2.2.1 Aktivnost (faktor MET) in oblečenost ( faktor CLO) ........................................ 8 2.2.2 Temperatura zraka .............................................................................................. 9 2.2.3 Temperatura talnih in obodnih površin .............................................................. 9 2.2.4 Hitrost zraka ..................................................................................................... 11 2.2.5 Vlažnost zraka .................................................................................................. 11

2.3 Fangerjeva korelacija ................................................................................................ 12 3 Osnovna načela varčevanja primarne energije ....................................... 15

3.1 Uporaba vode kot energijskega transportnega medija .............................................. 15 3.2 Uporaba velikih grelnih in hladilnih površin ............................................................ 16 3.3 Izraba v okolju razpoložljive energije v odvisnosti od dnevnega poteka obremenitev .................................................................................................................................. 18

4 Znane variante termične aktivacije gradbenih elementov ..................... 19 4.1 Pomembne vrste in njihov (zgodovinski) razvoj ...................................................... 19 4.2 Trenutni razvoj ......................................................................................................... 20

5 Osnovne zahteve sistema ........................................................................... 23 5.1 Splošno veljavna načela............................................................................................ 23 5.2 Posebnosti aktivnih sistemov ................................................................................... 24 5.3 Posebnosti pasivnih sistemov ................................................................................... 25

6 Dvodimenzionalni stacionarni prevod toplote v homogenem gradbenem elementu z integriranim cevnim registrom ............................................. 27

6.1 Algoritem .................................................................................................................. 27 6.1.1 Homogena plošča z cevnim registrom in enakimi okoliškimi temperaturami . 27 6.1.2 Homogena plošča z integriranim cevnim registrom in različnimi okoliškimi temperaturami ................................................................................................................... 32 6.1.3 Toplotno prestopnostni koeficient iz fluida na steno cevi in temperatura stene cevi .......................................................................................................................... 34 6.1.4 Toplotno prestopnostni koeficient na zunanji strani gradbenega elementa ...... 36

6.2 Termično modeliranje cevnega prenosnika v betonskem jedru ............................... 36 6.2.1 Določanje temperatur v x – smeri s pomočjo termičnih uporov ...................... 37 6.2.2 Toplotna prehodnost skozi cevni plašč ............................................................. 39 6.2.3 Srednja temperatura vode v eni cevni zanki ..................................................... 42 6.2.4 Skupni upor ...................................................................................................... 44

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- VIII -

6.2.4.1 Stacionarno stanje ........................................................................................ 45 6.2.4.2 Nestacionarno stanje .................................................................................... 46

7 Dimenzioniranje cevnih sestavov .............................................................. 49 7.1 Termoaktivni gradbeni elementi kot toplotni prenosniki ......................................... 49 7.2 Padec tlaka v cevnem registru .................................................................................. 50 7.3 Vpliv cevnega razmika ............................................................................................. 52 7.4 Položaj cevi v gradbenem elementu ......................................................................... 54

8 Režim hlajenja ............................................................................................ 55 8.1 Temperaturni potek v prostoru ................................................................................. 55 8.2 Toplotni učinek energije, akumulirane v gradbenem elementu ............................... 57

8.2.1 Spreminjanje temperature gradbenega elementa ............................................. 57 9 Režim gretja ................................................................................................ 61

9.1 Ogrevanje prostorov z grelnimi telesi ...................................................................... 61 9.2 Ogrevanje prostorov s termoaktivnimi gradbenimi elementi .................................. 62

10 Izračun in analiza realnega sistema .......................................................... 65 10.1 Tehnični izračun ....................................................................................................... 65

10.1.1 Izračun stacionarnega procesa ......................................................................... 65 10.1.2 Izračun dinamičnega procesa po 2, 20, 40 in 50 urah obratovanja .................. 69

10.2 Grafični prikaz rezultatov ........................................................................................ 73 10.3 Opis vsebine tehnične in tehnološke dokumentacije, ter montaža sistema.............. 75 10.4 Grafični prikaz delovanja sistema na realnem primeru ........................................... 78

11 Končna analiza sistema .............................................................................. 81 11.1 Osnovna načela vrednotenja prihodnjih sistemov ................................................... 81 11.2 Zaključek .................................................................................................................. 82

12 Seznam uporabljenih virov ........................................................................ 83 13 Priloge .......................................................................................................... 85

13.1 Priloga 1: Življenjepis .............................................................................................. 85

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- IX -

Kazalo slik:

Slika 1.1: Model termične aktivacije betonske plošče z dvema conama na sekundarnem cevovodu ...................... 2 Slika 2.1: Oddajanje toplote sedečega človeka [2] .................................................................................................. 6 Slika 2.2: Oddajanje toplote toplotnih izvorov v prostoru [2] ................................................................................. 8 Slika 2.3: Srednje temperature zraka in temperature obodnih površin [8] ............................................................. 10 Slika 2.4: Fangerjev diagram [3] ........................................................................................................................... 13 Slika 4.1: Možne variante termičnega aktiviranja gradbenih plošč ....................................................................... 20 Slika 5.1: Prikaz vgradnje cevi v AB ploščo: 1. pasivni sistem, 2. aktivni sistem................................................. 23 Slika 6.1: Prerez skozi AB ploščo z cevnim registrom z geometrijskimi in toplotno tehničnimi simboli, kot izhodišče za izpeljavo dvodimenzionalne temperaturne porazdelitve v homogeni plošči. [1] .............................. 27 Slika 6.2: Zgradba termoaktivnega gradbenega elementa z vgrajenimi cevmi na sredini elementa [2] ................ 37 Slika 6.3: Uporovna mreža – vezava trikot [2] ...................................................................................................... 38 Slika 6.4: Uporovna mreža – vezava zvezda [2] .................................................................................................... 39 Slika 6.5: Cevni plašč z temperaturnimi in geometrijskimi oznakami [2] ............................................................. 40 Slika 6.6: Konvektivni prestopnostni koeficient za različne dimenzije cevi pri laminarnem in turbulentnem pretoku [2] ............................................................................................................................................................. 41 Slika 6.7: Ekvivalentni upor za toplotni prestop v cevi kot tudi toplotni prehod skozi steno cevi [2] ................... 42 Slika 6.8: Sprememba temperature vode v z – smeri [2] ....................................................................................... 43 Slika 6.9: Razmerje temperatur po dolžini celotne cevi [2] ................................................................................... 43 Slika 6.10: Skupni upor Rt med predtočno temperaturo vode in srednjo temperaturo jedra [2] ............................ 44 Slika 6.11: Skupni upor tR v povezavi z obema uporoma 1R in 2R [2] ............................................................ 44 Slika 6.12: Prikazuje vpliv masnega pretoka in toplotno prehodnostnega koeficienta U1+U2 na skupni upor Rt [2] .......................................................................................................................................................................... 45 Slika 6.13: Razmerje temperature v odvisnosti temperature predtoka. [2] ............................................................ 46 Slika 6.14: Razdelitev celotne dolžine cevi na dva dela [2] .................................................................................. 47 Slika 7.1: Dosegljiv toplotno prehodnostni koeficient Ut za različne dimenzije cevi in cevne razmike [2] .......... 50 Slika 7.2: Prikazuje tlačni padec za en meter cevi (Metalplast VESCAL, medij voda) [2] ................................... 51 Slika 7.3: Fiktivni toplotno prehodnostni koeficient Ut v odvisnosti od izbrane dolžine cevi (maksimalna hitrosti toka w = 0,5 m/s, turbulentni pretok) [2] ............................................................................................................... 52 Slika 7.4: Sprememba Ut v odvisnosti od spremembe cevnega razmika dx pri min. radijih krivljenja cevi [2]..... 53 Slika 7.5: Predstavitev modela TAGE kot uporovne mreže [2]............................................................................. 53 Slika 8.1: Tipični potek temperature zraka v prostoru in temperature grelne površine med dnevno periodo [2] .. 56 Slika 8.2: Izmerjen temperaturni potek v mestu Zürich v času počitniškega in športnega sejma 1998 [2] ........... 57 Slika 8.3: Vrednosti uporov pri segrevanju gradbenega elementa [2] ................................................................... 58 Slika 8.4: Vpliv odvoda toplote iz gradbenega elementa na dvig temperature površine gradbenega elementa [2] 59 Slika 9.1: Ogrevanje prostora z grelnimi telesi [2] ................................................................................................ 62 Slika 9.2: Ogrevanje prostora s TAGE [2] ............................................................................................................. 63 Slika 10.1: Prerez modela ...................................................................................................................................... 65 Slika 10.2: Geometrijska mreža korakov ............................................................................................................... 69 Slika 10.3: Temperaturna porazdelitev v cevni ravnini AB plošče po korakih v x smeri za stacionarno stanje .... 73 Slika 10.4: Spremljanje spremembe srednje temperature na površini AB plošče, tal in cevni ravnini v odvisnosti od časa obratovanja ............................................................................................................................................... 74 Slika 10.5: Spremljanje spremembe specifičnega toplotnega toka v odvisnosti od časa obratovanja ................... 74 Slika 10.6: Akumuliranje toplote v AB plošči v odvisnosti od časa obratovanja .................................................. 75 Slika 10.7: Prenosniki TAGS za vgradnjo v AB ploščo pred montažo ................................................................. 76 Slika 10.8: Prenosniki TAGS vgrajeni v armaturo AB plošče pred betoniranjem ................................................. 76 Slika 10.9: Spremljanje tlaka v ceveh pred in med betoniranjem .......................................................................... 77 Slika 10.10: Betoniranje AB plošče ....................................................................................................................... 77 Slika 10.11: Spremljanje parametrov delovanja sistema dne, 30.7.2008 ............................................................... 79 Slika 10.12: Spremljanje parametrov delovanja sistema dne, 1.8.2008 ................................................................. 79 Slika 10.13: Spremljanje parametrov delovanja sistema dne, 22.8.2008 ............................................................... 79

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- X -

Kazalo tabel: Tabela 2.1: Različni medsebojni vplivi človek – okolica [9] .................................................................................. 6 Tabela 2.2: Vrednosti MET in CLO pri različnih temperaturah zraka [9] .............................................................. 8 Tabela 8.1: Dvig površinske temperature gradbenega elementa pri istočasnem dovodu in odvodu toplote [2] .... 60

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- XI -

UPORABLJENI SIMBOLI

A površina

c specifična toplotna kapaciteta

d debelina, distanca dx cevni razmik

E& eksergijski tok l dolžina cevi

m&

masni pretok

Q

toplota

Q&

toplotni tok

q&

specifični toplotni tok

P moč

R termični upor

t temperatura

U koeficient prehoda toplote

V&

volumski pretok

w pretok

α koeficient prestopa toplote

δ premer cevi

∆p tlači padec

η izkoristek

λ koeficient prevoda toplote

ϑ temperatura

ϑ srednja temperatura ρ gostota

τ čas

Nu Nusseltovo število

Re Reynoldsovo število Prw Prandtlovo število

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- XII -

UPORABLJENE KRATICE

VDI Verein Deutscher Ingenieure – združenje nemških inženirjev DIN Deutsches Institut für Normung

ISO International Standard Organisation TAGE Termoaktivni gradbeni elementi TAGS Termoaktivni gradbeni sistem TABJ Termično aktiviranje betonskega jedra DDC Direct Digital Control (direktno digitalno opravljanje) AB Armirani beton

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 1 -

1 Uvod

1.1 Splošno o termoaktivnih gradbenih sistemih

K uporabi novih konceptov pri ogrevanju in hlajenju zgradb nas usmerja vedno višja zavest o gospodarnem ravnanju z energijo. S termoaktivnimi gradbenimi elementi (TAGE) je izpolnjena možnost o gospodarnem trošenju energije.

S pojmom termoaktivni gradbeni sistem oz. element zajamemo gradbeno strukturo, ki vključuje gospodarno ravnanje z energijo posamezne zgradbe. V celotni zgradbi delujejo stropovi in tla kot akumulatorji toplote. V procesu hlajenja se toplotna energija iz prostora odvaja, v procesu gretja pa se toplotna energija v prostor dovaja. S pomočjo akumulatorja toplote lahko zmanjšamo porabo energije.

Prenos toplote med prostorom in gradbenim elementom mora potekati tako pri nizkih temperaturnih razlikah kot tudi po celotni velikosti gradbenega elementa. Ta lastnost se izkorišča za hlajenje prostorov z naravnim izvorom in za ogrevanje z nizkimi temperaturami predtočne ogrevne vode. Energijski izračuni obstoječih zgradb z vgrajeno, zgoraj opisano tehniko, so pokazali, da ta koncept odlično deluje v realnosti.

Konvencionalni ogrevalni elementi za ogrevanje zgradb so dimenzionirani tako da lahko, ko pride do spremembe temperature, takoj in po celotnem volumnu odvajajo toploto. Razumevanje takšnega sistema je razmeroma enostavno, saj se sistem – prostor zmeraj nahaja v določenem kvazistacionarnem stanju. Zato predhodno termično stanje nima nobenega vpliva na odzivanje sistema.

Pri TAGE ne uporabljamo enakih robnih pogojev kot pri konvecionalnem ogrevanju, saj ravno v ta namen služi toplotni akumulator energije v gradbenem elementu. Ker dinamika prenosa toplote igra odločilno vlogo, niso v uporabi več običajne metode preračuna, ampak so se morale poiskati nove metode.

Ena izmed možnosti je uporaba dimenzioniranja s pomočjo termične simulacije zgradb. Spremljamo lahko časovno odvisne in dinamične procese. Tako se lahko uporabnik oz. projektant hitro sooči z različnimi možnostmi uporabe materialov in naprav.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 2 -

1.1.1 Termično aktiviranje betonskega jedra (TABJ)

Sistem TABJ (v nem. Betonkernaktivierung) predstavlja zanimivo zamisel o ploskovnem nizkotemperaturnem ogrevanju, oziroma hlajenju zgradb. Vgradnja cevnega registra (prenosnika) v betonsko ploščo določa energetski vpliv skozi tla na prostor, ki leži nad ploščo in skozi strop na prostor, ki leži pod ploščo. Ob primerni pripravi in izmenjavi zraka se lahko zagotovo zagotovi enak učinek klimatizaciji.

Instalacija ploskovnega ogrevanja oziroma hlajenja je povezana s centralno oskrbo toplote pozimi in hladu poleti. Toplotna izmenjava dnevnega in nočnega pogona hlajenja je povezana z hladilno akumulacijo betona, v katerem je vgrajen cevni prenosnik. Izvedbe termične aktivacije betonske plošče omogočajo izmenjavo prenosa toplote z južne sončne strani zgradbe (cona 1) na severno stran zgradbe (cona 2).

Slika 1.1: Model termične aktivacije betonske plošče z dvema conama na sekundarnem cevovodu

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 3 -

1.2 Opis problema dimenzioniranja termoaktivnih gradbenih elementov

Prikaz termičnega modeliranja TAGE je fizikalno zahtevna naloga. V časovno odvisnih robnih pogojih se mora obdelati v gradbenem elementu tridimenzionalni transport toplote. Za prenos le–te so potrebne cevi v jedru gradbenega elementa. Celotno razumevanje procesa se začne z mehanizmom prenosa toplote v prostor in se konča pri napravi za hlajenje ali ogrevanje.

Da lahko termične obremenitve v procesu hlajenja odvedemo iz prostora, moramo premagati različne termične upore. Takšni upori so toplotni prestop iz gradbenega elementa v prostor, iz stene cevi v jedro gradbenega elementa ali toplotni prenosnik povratnega hladilnega sistema. Pri izračunu TAGE uporabimo za prikaz toplotno transportnega mehanizma, obliko termičnih uporov. Enako, kot je poznano iz elektrotehnike, lahko tudi tu posamezne upore enostavno združimo v skupni upor. Tako lahko vsako poljubno konfiguracijo gradbenega sistema reduciramo na en skupni karakteristični upor. Skupaj, z razliko med temperaturo jedra gradbenega elementa in temperaturo izvora hladilnega sistema ter skupnim uporom, lahko izračunamo porabo energije za režim hlajenja oz gretja.

S pomočjo EMPA – metode lahko prikažemo srednji termični upor tako za ročni izračun kot tudi za modelno sliko s simulacijskim programom. V nasprotnem primeru pa lahko za numerično formulacijo po analitičnem postopku vključimo čisto vse učinke, ki so posledica delovanja posameznih udeleženih parametrov. Tako lahko dobimo želeno izboljšavo s skupnim uporom.

1.3 Predstavitev ožjega področja diplomskega dela

V tem diplomskem delu je predmet obdelave sistem TABJ. V poslovni stavbi, v kateri je sistem vgrajen, se je po štirih letih obratovanja pokazalo, da je tak sistem idealna izbira hlajenja in ogrevanja za nizkoenergetske poslovne stavbe.

Pri dimenzioniranju sistema pa moramo biti pozorni pri določitvi: robnih pogojev, premerov cevi, cevnih razmikov, temperature predtoka sistemske vode, akumulacijo energije v betonski plošči ter ustrezno odzivanje sistema glede na zunanje dejavnike.

Sistem ima tudi zelo veliko možnosti pri izbiri primarnih energetskih virov, kar je za načrtovanje objektov v prihodnosti zelo pomemben podatek.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 4 -

Naloga tega diplomskega dela se je podrobno spoznati ter prikazati proces dimenzioniranja, načrtovanja, izvedbe in obratovanja takšnega sistema.

1.4 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je razdeljeno na dva dela: 1. Teoretični del: opisane so osnove termičnega ugodja, prikazana načela varčevanja

primarne energije, variante termične aktivacije gradbenih elementov, zahteve sistemov, algoritem za izračun celotnega sistema, ter režim hlajenja in gretja.

2. Računski del: izveden je izračun sistema in opisan tehnološki postopek priprave in vgradnje prenosnikov toplote v AB jedro; grafično je prikazano temperaturno obratovanje sistema nizkoenergetske poslovne stavbe pod različnimi pogoji.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 5 -

2 Zagotavljanje osnovnega termičnega ugodja

2.1 Osnove o toplotnem ugodju

Toplotno ravnovesje je doseženo pri različnih kombinacijah parametrov, vendar je toplotno ugodje določeno pri določeni kombinaciji parametrov, ki zagotavlja najmanjšo obremenitev termoregulacijskega sistema. Pomembno je tudi, da so zgradba, ogrevalni – hladilni in prezračevalni sistem zasnovani tako, da omogočajo zagotovitev toplotnega ugodja z minimalno rabo energije.

Toplotno ugodje je definirano kot stanje, pri katerem človek ne želi spremembe, da okolica ne bi bila ne hladnejša ne toplejša. Toplotno ugodje predstavlja del celotnega bivalnega ugodja in je občuteno tako s kožo, kot tudi z očmi (zaznavajo tudi temperaturne spremembe), ušesi (zaznavajo atmosferski pritisk) in nosom (zaznava temperaturo in relativno vlažnost zraka). Toplotno ugodje dosežemo z ravnovesjem med toplotnimi dobitki in toplotno oddajo s tem, da vplivamo na stanje okolice (z ogrevanjem, z hlajenjem, s prezračevanjem). Na spremembe okolice se ustrezno odziva telo s termoregulacijskim sistemom tako, da zagotavlja potrebno homeostatično stanje. Vendar se človek samo pri določenem stanju okolice počuti ugodno, pri čemer je tudi doseženo optimalno delovanje metabolizma.

Večino življenja preživimo v zaprtih prostorih, kjer pogosto ni prave izmenjave zraka. V različnih letnih časih je zato potrebno uskladiti ogrevanje, hlajenje, prezračevanje, vlaženje ali razvlaževanje zraka, da dosežemo optimalne pogoje ugodja bivanja.

Med poglavitne dejavnike pri občutku ugodja v prostoru štejemo temperaturo, sestavo, hitrost in vlažnost zraka. Vlažnost zraka pri tem razumemo kot relativno vlažnost oziroma

razmerje parcialnega tlaka in tlaka nasičene vodne pare v odvisnosti od temperature. Kljub temu, da se lahko dobro prilagajamo spremenljivim pogojem okolice, obstaja le določena kombinacija parametrov, pri katerih se dobro počutimo. Zaradi različnih medsebojnih vplivov človek – okolica je določanje točnih meja področja dobrega počutja, predvsem zaradi različne občutljivosti ljudi, težko določiti glej tabelo 2.1. Projektirani ali izmerjeni občutek toplotnega okolja se izrazi skladno s zahtevami standarda SIST ISO 7730. Če obleka in aktivnost nista opredeljena, znašata vrednosti za obleko v povprečju 0,5 CLO (0,078 m2 K/W) v času brez ogrevanja (poletnem) in 1,0 CLO (0,155 m2K/W) v ogrevalnem (zimskem) obdobju pri aktivnosti 1,2 MET (sedenje).

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 6 -

Tabela 2.1: Različni medsebojni vplivi človek – okolica [9] FIZIKALNI POGOJI FIZIOLOŠKI POGOJI OSTALO temperatura, vlažnost in hitrost zraka

konstitucija telesa, starost, spol

kvaliteta zraka (primesi, notranje onesnaževanje, razmerje pozitivnih in negativnih ionov v zraku itd),

povprečna sevalna temperatura sten,

prehrana, psihično stanje,

aktivnost (MET) zdravje, barve sten v prostoru oblečenost (CLO) letni in dnevni čas kontakt z okolico

Odrasel človek teoretično potrebuje za dihanje pri mirovanju 0,025 m3/h kisika oz. 0,5 m

3/h zraka, oddaja pa senzibilno ter latentno toploto v obliki pare. Praktično pa človek potrebuje za normalno funkcioniranje ca. 25 m3/h svežega zraka. Oddajanje toplote je deljeno na 44 % s sevanjem, 31 % s konvekcijo, 21 % s potenjem in 4 % z dihanjem, torej skupno 75 % senzibilne in 25 % latentne toplote. Absolutna količina oddane toplote pa je odvisna od oblečenosti človeka in njegove dejavnosti. Za predmetno dejavnost vzamemo povprečno Qsen= 70 W in Qlat= 50 W.

Slika 2.1: Oddajanje toplote sedečega človeka (Koschenz, 2000 [2])

Človeku je udobno takrat, ko je v termičnem ravnovesju z okolico: Qč = Qok v [W] (2.1) Qč = Qč,s + Qč,l v [W] (2.2)

Qč toplota katero oddaja telo [W] Qok toplota katero oddaja okolica [W] Qč,s senzibilna toplota katero oddaja telo [W] Qč,l latentna toplota katero oddaja telo [W]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 7 -

S tema toplotama izenačujemo toploto z okolico. Na zunaj je naša koža hladnejša od notranjih organov, zato jo prilagajamo z obleko. Če pride do toplotnega udara, ne moremo oddajati več senzibilne in latentne toplote. Pogoji za to so temperatura ca. 38 °C in rel. vlaga φ = 100 %, ampak vse to zavisi od posameznega človeka.

2.1.1 Srednja temperatura kože

Srednja temperatura kože oblečenega človeka je opisana s funkcijo toplote, katero človek oddaja v okolico in njegove oblečenosti:

č

č čt A

Q ⋅−= 0275,07,35ϑ v [°C] (2.3)

čtϑ srednja temperatura kože oblečenega človeka [m2] Ač površina telesa povprečnega človeka, ca. stand. 1,8m2 [m2]

Človek s svojim metabolizmom torej vedno oddaja toploto v okolico. Energija metabolizma izvira iz prehranjevanja posameznega človeka. Oddana specifična toplota človeka na njegovo površino je enaka stopnji človekove aktivnosti, pomnožena z izkoristkom (1–ηč).

2.2 Toplotno ugodje v bivalnih in delovnih prostorih

Toplotno ugodje v bivalnih in delovnih prostorih je doseženo s pomočjo ogrevalnega, hladilnega in prezračevalnega sistema. Odvisno je od toplotno – tehničnih lastnosti stavbe in od zahtev ljudi. Za zagotovitev toplotnega ugodja je tako potrebno poznavanje parametrov (kvalitativno in kvantitativno), ki vplivajo na toplotno ravnotežje. Najpomembnejši parametri, ki vplivajo na toplotno ugodje, so:

• aktivnost

• oblečenost

• temperatura zraka v prostoru

• srednja sevalna temperatura obodnih površin prostora

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 8 -

• hitrost zraka

• vlažnost zraka v prostoru

Slika 2.2: Oddajanje toplote toplotnih izvorov v prostoru (Koschenz, 2000 [2])

2.2.1 Aktivnost (faktor MET) in oblečenost ( faktor CLO)

Na oddajo toplote v okolico vpliva naša aktivnost. Tako 1 MET (metabolizem v toplotnem okolju) ustreza toplotnemu toku 58,2 W/m2 pri sedenju (popoldanskem počitku). Pri težkem fizičnem delu ali športu dosežemo od 6 do 12 MET. Glede na te vrednosti, moramo izbrati pravilno temperaturo zraka in vlage v prostoru, da se ne potimo. Obleka zmanjšuje oddajanje toplote s telesa v okolico. Glede na vrsto obleke (faktor CLO), lahko določimo pravilno temperaturo zraka v prostoru.

Tabela 2.2: Vrednosti MET in CLO pri različnih temperaturah zraka [9] Aktivnost – faktor MET Oblečenost – faktor CLO Temperatura zraka ležanje na plaži – 0,8 kopalke – 0,1 30 °C spanje – 0,8 pižama + dve deki – 3,0 16 °C počitek za mizo – 1,0 običajna obleka – 1,0 22 °C ples – 4,0 kratki rokav – 0,6 14 °C tek – 6,0 trenirka –0,8 3 °C

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 9 -

2.2.2 Temperatura zraka

Zelo velik vpliv na počutje ima prostorski profil zraka v prostoru, ki je odvisen od zunanje temperature, vrste ogrevanja in ogreval. Najmanj ugoden profil je v času ogrevanja, ker imamo po višini prostora velike temperaturne razlike, kar povzroča nelagodje. Najbolj ugoden je profil pri talnem ogrevanju. Z vgradnjo oken, ki imajo po predpisih toplotno prehodnost U ≤ 1,3 W/m2K in dobro tesnjenje, je ta problem v veliki meri zmanjšan. Temperaturni gradient v prostoru naj ne bo večji od 3 K/m za stoječe osebe in 2 K/m za sedeče. Ko je relativna hitrost zraka manjša od 0,2 m/s ali ko je razlika med srednjo sevalno temperaturo in temperaturo zraka manjša od 4 K, se občutena temperatura lahko izračuna kot srednja vrednost temperature zraka in srednje sevalne temperature. Pravilnik o prezračevanju in klimatizaciji stavb predpisuje za toplotno ugodje za sedeče osebe v bivalni coni navpično temperaturno razliko zraka med glavo in gležnji (med 0,1 m in 1,1 m nad podom) manjšo od 3 K, v vseh ostalih primerih manjšo od 4 K.

2.2.3 Temperatura talnih in obodnih površin

Človek skoraj polovico toplote odda s sevanjem. Za doseganje primernega toplotnega ugodja so zato zelo pomembne temperature površin, ki obdajajo prostor (stene, stropovi, tla). Zaradi tega razloga morajo biti temperature obodnih površin primerno visoke. Doseganje ugodja bivanja v odvisnosti od srednje temperature zraka v prostoru in srednje temperature površin, ki ga obdajajo, je prikazano na diagramu toplotnega ugodja, slika 2.3. Pri prenizkih temperaturah obodnih površin dobimo občutek prepiha, zato je priporočljivo, da temperatura površin ni nižja od 18 °C.

• Povprečna temperatura površin v prostoru

Za dobro počutje v prostoru se mora, ob minimalnem gibanju zraka, zagotavljati temperatura zraka v prostoru (ϑra) približno enaka povprečni površinski temperaturi zidov:

ra

st

stxstx st A

A ϑ

ϑ ϑ ≈

= ∑ ∑

v [°C] (2.4)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 10 -

stϑ povprečna površinska temperatura, zidov [m 2]

stxstxA ϑ⋅∑ seštevek posameznih mejnih površin s pripadajočimi povprečnimi površinskimi temperaturami, vključuje tudi okna [m2,°C]

∑ stA skupna površina pregradnih površin prostora [m2] ϑra temperatura prostorskega zraka [°C]

Slika 2.3: Srednje temperature zraka in temperature obodnih površin (http://www.energetika.net/portal/index.html?ctrl:id=page.default.counsel &ctrl:type=render&ec%3Adet=29301&en%3Aref=re [29.9.2008] [8])

Povprečna notranja površinska temperatura posameznega zida se lahko priredi toplotnim izgubam posamezne ogrevne ploskve:

( )apra stx

st rastx

U ϑϑ α

ϑϑ −⋅−= v [°C] (2.5)

Ustx povprečni koeficient prehoda toplote za posamezno površino [W/m2K] αstx povprečni koeficient toplotnega prestopa toplote posamezne površine na ogrevni zrak [W/m2K] ϑap zunanja zimska projektna temperatura [°C]

Srednja sevalna temperatura je mišljena kot srednja temperatura obodnih površin vključno z okni in ogrevali. Ker občutimo oboje, tako temperaturo zraka kot tudi toplotno sevanje, govorimo o t.i. občuteni temperaturi prostora. Za dobro počutje sta pomembni obe temperaturi. Če se srednja sevalna temperatura zniža za 1 K, je to z vidika ugodja enako, kot

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 11 -

če se zniža temperatura zraka v prostoru za 1 K. Razlika sevalnega toplotnega toka na telesu

naj ne bi bila večja od 20 do 30 W/m2K. Zastekljene površine imajo velik vpliv na počutje ugodja, ker so hladnejše kot ostale površine. Da ta problem rešimo, namestimo ogrevala blizu ali pod stekleno površino (da ohranimo višjo srednjo sevalno temperaturo in simetrijo toplotnega toka). Največja sevalna temperaturna asimetrija znaša:

• za hladno steno < 13 °C

• za toplo steno < 35 °C

• za hladen strop < 18 °C

• za topel strop < 7 °C Z oblikovanjem stavbe in sečil je treba v času hlajenja preprečiti vpliv neposrednega sončnega sevanja v bivalni coni. Površinska temperatura tal mora biti med 17 °C in 26 °C. Za področja, kjer se občasno zadržujemo, znaša dopustna temperatura tal do 29 °C, za področja kjer se ne zadržujemo, pa znaša dopustna temperatura tal do 35 °C.

2.2.4 Hitrost zraka

Spremembe hitrosti in smeri gibanja zraka v zaprtem prostoru morajo biti čim manjše, ker smo zelo občutljivi na gibanje zraka. Najbolj moteče je, če ima gibajoči zrak nižjo temperaturo kot zrak v prostoru in je usmerjen direktno na naše telo, kar občutimo kot prepih. Gibanje zraka je nujno potrebno zaradi prenosa toplote (konvekcija) in prezračevanja prostora. Za primerno oblečenega človeka pri temperaturi vtočnega zraka med 20 in 22 °C je dopustna hitrost zraka 0,15 do 0,2 m/s. Pri višjih temperaturah vpiha so hitrosti sorazmerno višje.

2.2.5 Vlažnost zraka

Na ugodje ima vlažnost zraka neposreden vpliv, saj največji del življenja preživimo v prostorih, kjer praviloma ni stalne izmenjave zraka. Vlažnost zraka v prostoru je v največji meri odvisna od temperature, pomemben vpliv imajo tudi predmeti v prostoru, ki vlago vežejo nase ali jo oddajajo. Za popoln občutek ugodja v prostoru naj bi bila temperatura zraka v prostoru med 22 in 24 °C, relativna vlažnost pa med 40 in 55 %. Če je zrak v prostoru presuh, lahko pri človeku povzroči celo vrsto motenj (alergije, oteženo dihanje, prehladi). Te

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 12 -

motnje se pojavijo pozimi, ko npr. pri ogrevanju z radiatorji, pri vlažnosti zraka pod 35 %, prihaja do izsuševanja oblek, pohištva, parketa in preprog. To povzroča povečanje nastajanja prahu, ta pa v stiku z ogrevanimi površinami izloča različne snovi, ki dražijo dihalne organe (amoniak in druge pline). Pri višji relativni vlažnosti se pojavijo problemi s temperaturno regulacijo (pot na koži težje izhlapeva) in tudi nevarnost vročinske kapi. Z višjo temperaturo zraka se vpliv vlage še povečuje. Pravilnik o prezračevanju in klimatizaciji predpisuje:

• da mora biti v prostorih zagotovljena takšna vlažnost, da s svojim neposrednim oziroma posrednim učinkom ne vpliva na ugodje in zdravje ljudi ter ne povzroči nastanka površinske kondenzacije na stenah

• pri temperaturah zraka med 20 °C in 26 °C je območje dopustne relativne vlažnosti med 30 in 70 %

• v stanovanjskih prostorih je priporočljiva relativna vlažnost zraka pod 60 %, kar zmanjšuje rast alergenih in patogenih organizmov. Pri klimatizaciji prostorov mora biti zagotovljena relativna vlažnost zraka pod 60 %

Ustrezna vlažnost je pomembna tudi za ohranitev različnih predmetov, kamor sodijo umetniška dela, različni mehanizmi in naprave, pohištvo in gradbeni material. Previsoka relativna vlažnost (nad 70 %) lahko povzroči kondenzacijo na hladnih mestih gradbene konstrukcije (toplotni mostovi) in razvoj zidnih plesni.

2.3 Fangerjeva korelacija

Za oceno vpliva parametrov na toplotno ugodje je najpogosteje upoštevana Fangerjeva korelacija, ki določa vpliv osnovnih fizikalnih parametrov okolja, oblečenosti in aktivnosti na oceno toplotnega okolja. Ocena toplotnega okolja je izražena kot pričakovana presoja (PMV - Predicted Mean Vote) s pomočjo sedem stopenjske skale (od –3 do +3). PMV je kompleksna matematična funkcija in temelji delno na analitično določeni toplotni izmenjavi med človekom in okolico, delno na empirični določitvi vpliva okolja na občutenje. Možna je tudi določitev pričakovanega odstotka nezadovoljnih (PPD - Predicted Percentage Dissatisfied) kot posledica neustreznega toplotnega okolja. Pri tem izračunu je upoštevana eksperimentalno določena relacija med PMV in PPD. Za toplotno ugodje je določeno stanje, pri katerem je:

–0,5 < PMV < 0,5 in

PPD < 10%

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 13 -

Slika 2.4: Fangerjev diagram (Recknagel, 2004 [3])

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 14 -

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 15 -

3 Osnovna načela varčevanja primarne energije

Raziskave in opazovanja so pokazala tri osnovne smiselne pogoje, katere moramo najprej izpolniti pri ogrevanju in hlajenju zgradb, da varčujemo s primarno energijo.

3.1 Uporaba vode kot energijskega transportnega medija

Uporaba vode kot nosilnega medija energije je ekonomsko spremenljivejša od zraka zaradi specifične toplotne kapacitete in gostote vode, ki je veliko večja od zraka. Sledijo primeri, kjer je to jasno pokazano: Pri hladilni moči KQ& = 1 kW in pri efektivni srednji temperaturni diferenci izstopnega in vstopnega zraka 10 K je potreben volumski pretok zraka:

0825,0 1010102,1

1000 =

⋅⋅

=

∆⋅⋅ =

Tc QV

pw

K

ρ &&

m3/s ≈ 300 m3/h (3.1)

V& volumski pretok [m3/s]

KQ& hladilna moč [W] ρ w gostota medija [kg/m3] cp specifična toplotna kapaciteta [J/kg K] ∆T srednja temperaturna diferenca [K]

Za zgoraj prikazan primer je potrebna priključna moč ventilatorja:

123 6,0

9000825,0 =

= ∆⋅

=

total

pVP η &

W (3.2)

P moč [W] ∆p tlači padec [pa]

totalη izkoristek [%]

To je približno 12 % hladilne moči. To je dodatna moč, ki jo moramo zagotoviti na hladilnem agregatu.

Zelo neracionalno!

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 16 -

Pri hladilni moči KQ& = 1 kW in pri efektivni srednji temperaturni diferenci med predtokom in povratkom hladilne vode 5 K je potreben volumski pretok vode:

00004,0 542002,1

1000 =

⋅⋅

=

∆⋅⋅ =

Tc QV

pw

K

ρ &&

m 3/s ≈ 0,14 m3/h (3.3)

Za zgoraj prikazan primer je potrebna priključna moč črpalke:

7,2 72,0

5000000004,0 =

= ∆⋅

=

total

pVP η &

W (3.4)

To je približno 0,3 % hladilne moči. Veliko bolj racionalno kot sistem z zrakom.

Za obratovanje črpalke potrebujemo veliko manj električne energije kot za obratovanje ventilatorja in s tem lahko direktno varčujemo primarno energijo. Poleg tega je prečni prerez vodovodne cevi mnogo manjši od potrebnega prečnega prereza prezračevalnega kanala. Zato so vodno cevni sistemi tehnično mnogo lažje izvedljivih od zračno kanalskih. Vendar pa prezračevanja v stavba ne smemo zanemariti, dimenzionirati ga moramo tako, da zrak razvlažimo ter dosežemo optimalno in po standardih zahtevano izmenjavo zraka po prostoru.

3.2 Uporaba velikih grelnih in hladilnih površin

Pri dimenzioniranju sistemov ogrevanja oz. hlajenja stremimo za tem, da je srednja temperaturna razlika med grelnim oziroma hladilnim medijem in sobno temperaturo čim manjša. Osnovna enačba za prenos toplote se glasi:

( ) rawAUAUQ ϑϑϑ −⋅⋅=∆⋅⋅= lg& v [m2K/W] (3.5)

Q& toplotni tok med ogrevnim oz. hladilnim medijem (pri režimu ogrevanja je pozitiven) [W]

U koeficient prehoda toplote [W/m2K] A površina na kateri se vrši prenos toplote [m2] ∆ϑlg srednja logaritemska temperatura med

grelnim oz. hladilnim medijem in prostorom [K]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 17 -

wϑ srednja temperatura ogrevnega oz. hladilnega medija [K]

ϑra prostorska temperatura [K]

Iz enačbe (3.5) je razvidno, da ob vnaprej želenem toplotnem toku in pri reducirani srednji temperaturi med medijem in prostorom, potrebujemo večjo površino za prenos toplote. Pri ploskovnem ogrevanju in ploskovnem hlajenju se srednja temperatura ogrevnega oz. hladilnega medija spusti blizu temperaturi prostora. Prostorska temperatura vpliva tudi na zdravje ljudi in sicer na toplotno fiziološko udobje v prostoru, katero je definirano v standardih.

S tem, ko je srednja temperatura medija zelo blizu prostorski temperaturi dosežemo tudi zelo dobra grelna in hladilna števila toplotnih črpalk, hladilnih agregatov in posledično temu potrošijo manj električne energije za delovanje kompresorja. Uporaba nizkoteperaturnih kondenzacijskih kotlov pri ploskovnem ogrevanju nam omogoča, da kotli delujejo z maksimalno stopnjo možnega izkoristka. Z nizkotemperaturnimi kondenzacijskimi kotli mnogo manj obremenjujemo okolje kot s kotli, ki delujejo na višjih temperaturah od 70 °C.

Če energijo transformiramo na višji temperaturni nivo (toplotna črpalka), ali nižji temperaturni nivo (hladilni agregat), potem je potrebno dovesti pogonsko energijo (eksergijo). Toplotne črpalke in hladilni agregati potrebujejo za svoje delovanje naslednji eksergijski tok:

012 12,

12, 2

1 12 >⋅

=⋅

=

∫ QT TTQd

T TTE

faktorCarnotov m

wm

w

Uw &

43421

&& v [m2K/W] (3.6)

E& eksergijski tok [W] Q& toplotni tok (toplota > 0; hlad < 0) [W] Tw absolutna temperatura ogrevnega oz. hladilnega medija [K] TU absolutna temperatura okolice [K]

Indeks 12 pomeni: od stanja 1 do stanja 2. indeks m pa srednjo vrednost med 1 in 2. Višji kot je Carnot-ov faktor večja je eksergija in obratno. Pri ogrevanju je Carnot-ov faktor pozitiven pri hlajenju pa negativen.

Toploto lahko pretvorimo v delo le, če njena temperatura ni enaka temperaturi okolice. Toploto, ki jo vzamemo iz okolice nikakor ne moremo pretvoriti v delo, saj je to čista

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 18 -

anergija. Ekvivalent dodane primarne energije imenujemo eksergija. Delo je čista eksergija, njegova anergija je nič.

Dodatna eksergijska poraba (eksergijska izguba) nastane skozi prenosnike toplote, skozi cevni razvod kot tlačni padec, skozi izkoristek motorja itd.

3.3 Izraba v okolju razpoložljive energije v odvisnosti od dnevnega poteka obremenitev

Kadar so pri režimu gretja zunanje temperature relativno visoke in sončna insolacija dovolj velika, moramo znati izkoristiti le–te in jih v odvisnosti od dnevnih obremenitev pravilno distribuirati v prostor. Temperaturni dvig režima ogrevanja tako izvedemo zjutraj in zvečer, čez dan pa izkoriščamo okoljsko energijo. Pri režimu hlajenja je to obratno: tekom dneva s senčenjem preprečimo vdor sončnega sevanja v prostor. Ponoči pa akumuliramo čim več hladu, da ga uporabimo čez dan za hlajenje. S temi ukrepi zmanjšamo potreben doveden eksergijski tok in direktno vplivamo na varčevanje primarne energije.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 19 -

4 Znane variante termične aktivacije gradbenih elementov

Skozi razvoj ogrevalne tehnike so se razvile različne vrste termičnih aktivacij gradbenih elementov. Marsikateri sistemi so že pozabljeni, drugi so še zmeraj v uporabi oz. so ponovno v uporabi. Ti delujejo po statičnih ali dinamičnih načelih, predvsem tako, da lahko koristno uporabimo njihove stacionarne ali nestacionarne toplotne elemente. Pri načrtovanju sistemov moramo upoštevati:

• izkušnje iz prakse (slabosti in prednosti, robni pogoji) naj bodo vključene v rešitve • novi sistemi se naj uveljavljajo kot zanimiva uporabna priložnost

Trenutni razvoj je še vtisnjen v negotovosti. V ospredje prihajajo različni spremenljivi trendi.

4.1 Pomembne vrste in njihov (zgodovinski) razvoj

Termično aktiviranje gradbenih elementov je pri ogrevanju zgradb že zelo stara 'veda'. Zasledimo jo že pri razvoju stanovanjskih gradenj in nedavno v razvoju poslovnih stavb. V proizvodnih objektih sistemi še niso zaživeli. Zanimivo je, da so podoben princip ogrevanja gradbenih elementov uporabljali že stari Rimljani, vendar je bil to nestacionarni način ogrevanja. Pod talnimi ploščami in v stenah so imeli speljane kanale skozi katere so vodili dimne pline iz kurišča in so tako ogrevali prostore. Prva varianta stacionarnega ogrevanja s termično aktiviranimi gradbenimi elementi je bila izvedena leta 1907 s patentiranjem površinskega ogrevanja v Angliji. Leta 1909 je podjetje Crittal iz Liverpoola opremilo zgradbo z stenskimi ogrevalnimi paneli v velikosti 11000 m2, vgradili so 80 km 1/2" cevi. Prvo stropno ogrevanje so vgradili leta 1930 v Nemčiji, uporabili so 5/4''cevi. V petdesetih letih prejšnjega stoletja je v Nemčiji podjetje Crittall-Decken, začelo izdelovati predfabricrane AB plošče, v katere so vgradili jeklene cevne registre, z premerom cevi 1/2". S tem so dobili sistem s stacionarnim delovanjem in velikim akumulatorjem toplote.

Na začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja so nastale različne variante hladilnih plošč z visoko specifično močjo in majhno toplotno kapaciteto. Kondenzacijo na gradbenih elementih so preprečevali s precizno temperaturno regulacijo in ustreznim razvlaževanjem zraka. Po hitrem razvoju stropnega površinskega hlajenja so uspešno združili v enem elementu hladilne in ogrevalne površine. Talno in stensko hlajenje je do sedaj ostalo kot del

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 20 -

hlajenja gradbenih elementov. Z uporabo vse večjih steklenih fasad se je pričel razvoj hlajenja in ogrevanja fasadnih profilov.

4.2 Trenutni razvoj

Moderni sistemi imajo v masivne armirano betonske konstrukcije vgrajen cevni prenosnik toplote skozi katerega se pretaka voda. Površinska temperatura akumulacijskega elementa pri režimu ogrevanja ali hlajenja znaša med ( ) =diϑ 21…24 °C.

V odvisnosti od prostorske temperature in površinske temperature gradbenega elementa lahko prikažemo režim delovanja sistema:

• ϑi < ( )diϑ ogrevanje

• ϑi > ( )diϑ hlajenje Najbolj množične variante, ki se uporabljajo ta hip, so prikazane na sliki 4.1

Slika 4.1: Možne variante termičnega aktiviranja gradbenih plošč

Zaradi relativno majhnih temperaturnih razlik med prostorsko temperaturo ϑi in površinsko temperaturo gradbenega elementa ( )diϑ se sistem samouregulira. Sistem deluje nestacionarno ozirajoč se na energetski in gospodarski vidik. Smernice za tak sistem nam da tako imenovan BATISO – postopek. Značilnosti sistema so naslednje:

• uporaba visoko izolativnih gradbenih materialov U < 0.4 W/(m2K) • uporaba oken U < 1.3 W/(m2K)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 21 -

• plošča, v kateri je vgrajen sistem, mora imeti U > 1 W/(m2K) • konstantna površinska temperatura 21…24 °C

• uporaba izvirskega prezračevanja prostorov • specifična grelna moč 20 W/m2

• specifična hladilna moč 30…40 W/m2 po 10 urah obratovanja

Sistem z debelino AB plošče 300 mm lahko akumulira 600 Wh/m2, ta vrednost izhaja iz trivialnega računa:

≅⋅⋅⋅⋅=∆⋅⋅ 31050240013,0tcm 630 Wh/m2 (4.1)

Pri čemer je 3 °C temperaturna razlika med temperaturo akumulacijske plošče in temperaturo prostora.

Pomembni napotki za dimenzioniranje cevnega razvoda so: • cevi naj bodo iz umetnih VPE materialov, difuzijsko tesne, mrežasto ojačane

(uporabimo enake cevi kot pri talnem ogrevanju) • dimenzije cevi: 26 x 2 mm, 20 x 2 mm, 16 x 2 mm • cevni razmiki so največkrat 300 mm, minimalno pa 150 mm • cevi so položene simetrično v AB ploščo.

Vendar pa zgoraj našteti detajli nam ne dajejo garancije, da bo sistem v praksi dobro deloval. To so v praksi že preizkusile velike poslovne stavbe. Zgradba, v katerem je sistem vgrajen, za svoje dobro delovanje potrebuje tudi kvalitetno prezračevanje z razvlaževanjem, s katerim mora biti v regulacijski spregi.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 22 -

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 23 -

5 Osnovne zahteve sistema

Dosedanji razvoj TAGE je pokazal, da si je smiselno postaviti uporabne cilje. Pri grelnih in hladilnih površinah naj se uporabljajo prednosti stacionarnega in nestacionarnega prevoda toplote. Poenostavljeno to pomeni, da poznamo pasivne in aktivne sisteme.

Slika 5.1: Prikaz vgradnje cevi v AB ploščo: 1. pasivni sistem, 2. aktivni sistem

5.1 Splošno veljavna načela

Uporaba okoljske energije nam daje veliko uporabnih možnosti. Zato uporabo le-te večina zagovarja, ampak se hkrati nočejo odpovedati udobju. Uporaba tehnologij, ki izrabljajo energijo okolice je tesno povezana z velikimi finančnimi stroški, kateri pa včasih ekonomsko niso upravičeni.

Uporaba okoljske energije je zelo kompleksna tematika, ki je povezana s tehnično stroko, toplotno fiziološkim področjem, čustvenim občutjem, kot tudi politično presojo. Preden pride do uporabe določene razpoložljive okoljske energije moramo skrbno preučiti prednosti in slabosti, ter ovrednotiti in argumentirati vse dejavnike, ki so posledica izkoriščanja vira. Maksimalno izrabo okoljske energije dobimo:

• Kadar je temperatura grelnega in hladilnega medija v sistemu blizu sobni temperaturi. • Ko lahko sobna temperatura niha v velikem razponu.

Prva točka se nanaša na tehnično področje, druga pa na toplotno fiziološko področje. Diskusija okrog robnih pogojev nam ne da vedno pravih vrednosti. Za aktivne in pasivne sisteme veljajo naslednje zahteve oziroma navodila, najpomembneje je, da so izpolnjene ali izenačene:

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 24 -

• Tolerančno območje občutene temperature ima zelo ozke meje

V zimskem obdobju je dopustna temperatura prostora malo nižja, poleti pa malo višja. Iz tega izhaja prednost pri varčevanju primarne energije, ali uporaba alternativnih virov. Tolerančna območja temperatur prilagodimo zahtevam uporabnika. Z rahlim odmikom sobne temperature od idealne temperature se nam v prostoru pojavi 25 % nezadovoljnih ljudi. Kadar pa je ta odmik večji pa dobimo v prostoru 75 % nezadovoljnih ljudi. Z upoštevanjem letnega časa in ustrezne oblečenosti so priporočljive naslednje temperature:

Poleti: 24…26 °C Pozimi: 20…22 °C v poslovnih prostorih (1,2 met)

22…24 °C v prostorih za oddih (1 met).

• Sistem, ki se samouregulira, nima le pozitivnih lastnosti Sistem z nizko temperaturno razliko med ogrevalnim oziroma hladilnim medijem in prostorsko temperaturo se zelo dobro samouregulira, posledica je zelo hitro odzivanje na oddajanje toplote in s tem spremembo moči.

• Slabosti pa so lahko tudi velike: Temperaturno odstopanje od želene vrednosti lahko omejimo z zvezno regulacijo. Nepravilno prezračevanje povzroči nižje sobne temperature, kar povzroči večjo temperaturno razliko med prostorom in ogrevalno površino. Posledica tega je povečana oddana toplotna moč. V takšnih primerih je lahko trenutni toplotni tok nekajkrat večji od dovedenega v sistem.

5.2 Posebnosti aktivnih sistemov

Da dosežemo nižjo porabo energije bi naj sistem deloval le takrat kadar energijo potrebujemo. Iz tega sledijo naslednje zahteve:

• kratek čas ogrevanja • kratek čas ohlajanja • majhna akumulacija • manjša inertnost sistema • majhna količina vode

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 25 -

Aktivni sistemi imajo pri izrabi okoljske energije največji delež pri konvecionalnem ogrevanju in hlajenju. Delovanje in odzivnost sistemov ter njihove izračune lahko zelo dobro predvidimo z računalniškimi simulacijami.

5.3 Posebnosti pasivnih sistemov

Pasivni sistemi nam dajejo možnost velike akumulacije energije, katero lahko potem uporabljamo v odvisnosti od dnevnih potreb po energiji. Pri tem naletimo na naslednje posebnosti in težave:

• Akumulirano energijo moramo iz gradbenih elementov uspešno prenesti v prostor brez vpliva na uporabnika prostora.

• V prostoru ne moremo zagotoviti idealnega stanja. Doseganje robnih pogojev in njihovo pogostost prekoračitve lahko le statistično predvidimo.

• Potreba po dodatnem aktivnem sistemu ogrevanje in hlajenju je skorajda nujna, zato je še zmeraj predmet razprave.

• Akumulacijo toplote v gradbene elemente izvajamo zavestno; to je t.i. aktivno 'polnjenje'. K temu spada spremljanje vremenske prognoze za naslednje dni in predvidene prostorske obremenitve. Po numerični obdelavi podatkov si akumuliramo predvideno izračunano količino energije. Potek vremena ima dvakratni vpliv na pasivne sisteme: akumulacijo energije dovedene direktno s sončnim sevanjem skozi okna in energije dovedene preko toplotne črpalke v sistem.

• Glavna prednost pasivnega sistema je varčevanje primarne energije in s tem zmanjšanje porabe električne energije za proizvodnjo hladu.

• Funkcionalna sposobnost sistema je, da dobro deluje v ekstremnih konicah ogrevanja pozimi in hlajenja poleti. Težave delovanja sistema se lahko pojavijo v prehodnem času, kadar moramo zjutraj ogrevati, opoldan pa hladiti.

• Delovanje pasivnih sistemov še niso uspeli do potankosti optimirati. Do sedaj razpoložljiva simulacijska oprema še ne zna prikazati kompleksnih pojavov. Težave se pojavljajo zato, ker še to področje ni dovolj raziskano.

• Izkoriščanje okoljske energije je bilo dolgo časa namerno zapostavljeno. Proizvodnja hladile energije v hladilnih agregatih preko noči in hkratno akumuliranje v betonskih masah. Tekom dneva pa izkoriščamo čez noč akumulirano energijo.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 26 -

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 27 -

6 Dvodimenzionalni stacionarni prevod toplote v homogenem gradbenem elementu z integriranim cevnim registrom

Dvodimenzionalno temperaturno porazdelitev v homogenem izotropnem telesu za stacionarno stanje izračunamo z LAPLACE–jevo diferencialno enačbo.

02 2

2

2

=

∂ ∂

+ ∂ ∂

y t

x

t (6.1)

Pri nestacionarnem toplotnem prevodu pa uporabimo FOURIER–jevo diferencialo enačbo.

 

 

∂ ∂

+ ∂ ∂

⋅=

∂ ∂

2

2

2

2

y t

x

t a

t

τ (6.2)

a=λ/(ρcp) toplotna difuzivnost [m2/s]

6.1 Algoritem

6.1.1 Homogena plošča z cevnim registrom in enakimi okoliškimi temperaturami

Slika 6.1 prikazuje zgradbo gradbenega elementa z geometrijskimi in toplotno tehničnimi simboli.

Slika 6.1: Prerez skozi AB ploščo z cevnim registrom z geometrijskimi in toplotno tehničnimi simboli, kot izhodišče za izpeljavo dvodimenzionalne temperaturne porazdelitve v homogeni plošči. (Glück, 1999 [1])

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 28 -

ϑm2, ϑm1, ϑko, predstavljajo povprečno temperaturo v označeni ravnini v odvisnosti od ϑi

Na obsegu cevi določimo robni pogoj prve vrste (konstantno temperaturo): ∆=ϑϑ v [°C] (6.3)

Od temperature, ϑ∆ glej enačbo (6.35), so odvisne prostorske temperature ϑi nad ϑ1 in pod ϑ2 opazovanim termičnim gradbenim elementom. Temperatura stene cevi ϑ3 je odvisna od srednje temperature vode v sistemu in toplotnega toka. Določitev robnih pogojev tretje vrste za prestop toplote iz površine gradbenih elementov v prostor:

• zgornja površina

ϑϑλ ⋅= ∂ ∂

⋅−

=

1

1

U y dy

(6.4)

oziroma z λ 1

1 Uh = (6.5)

ϑϑ ⋅−= ∂ ∂

=

1

1

h y dy

(6.6)

• spodnja površina

ϑϑλ ⋅= ∂ ∂

⋅−

−=

2

2

U y dy

(6.7)

oziroma z λ 2

2 Uh = (6.8)

ϑϑ ⋅−= ∂ ∂

−=

2

2

h y dy

(6.9)

Prestop toplote iz toge površine na fluid opisujejo robni pogoji tretje vrste. V enačbah (6.4) do (6.9) moramo nadomestiti toplotno prehodnostni koeficient U z toplotno prestopnim koeficientom α. Toplotna prevodnost skozi vzporedne plasti gradbene konstrukcije na zgornji in spodnji prostor (v y smeri) je relativno slaba, boljša je v x smeri. Za izračun temperaturne prevodnosti v y smeri moramo poznati lastnosti in veličine gradbenih plasti (omet, talna obloga, estrih, izolacija…). Smer y je za nadaljnje izračune najbolj pomembna, zato moramo

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 29 -

iz znanih plasti izračunati toplotno prehodnostni koeficient U. Naslednja enačba velja za m–ti zgornji in n–ti spodnji dodatni sloj:

1

1 ,1

,1

1 1

1 −

=  

 

+= ∑m j j

jdU λα v [W/m 2K] (6.10)

1

1 ,2

,2

2 2

1 −

=  

 

+= ∑n j j

jdU λα v [W/m 2K] (6.11)

U koeficient prehoda toplote [W/m2K] α koeficient prestopa toplote [W/m2K] λ koeficient prevoda toplote [W/mK] d debelina gradbene plasti [m] 1 navzgor

2 navzdol

Rezultat izpeljave temperaturne razlike med poljubno točko v masivni plošči in prostorsko temperaturo se glasi: (Glück, 1999 [1])

[ ] ( ) ( )   

   

   

⋅+⋅+⋅−++⋅⋅Γ−= ∑∞ =

⋅⋅

⋅⋅

⋅⋅

1

2

2

2

1

2

21 1

s

y d

sy d

sy d

s

x

xxx esgesge s

yGyG d

pipipi piϑ

  

 

 

⋅⋅

⋅ x d

s

x

pi2 cos v [°C] (6.12)

Γ konstanta glej enačbo (6.21) G1 konstanta glej enačbo (6.13) ali (6.17) G2 konstanta glej enačbo (6.14) ali (6.18) dx cevni razmik [m] y razdalja od cevne ravnine do opazovane točke v prerezu [m] g1(s) konstanta glej enačbo (6.19) g2(s) konstanta glej enačbo (6.20)

Če upoštevamo robne pogoje v enačbah (6.6) in (6.9), kjer velja za zgornji rob y = d1 in za spodnji rob y = – d2, dobimo po daljšem preračunu naslednji konstanti:

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 30 -

( ) ( ) ( ) ( )112221

112221 1 dhdhdhdh

dhdhdhdhG xx

xx

⋅+⋅+⋅+⋅

⋅+⋅−⋅+⋅ = (6.13)

( ) ( ) ( ) ( )112221

1122 2

2 dhdhdhdh

dhddhdG xx

xx

⋅+⋅+⋅+⋅

⋅+⋅⋅+⋅ −= (6.14)

h1 glej enačbo (6.5) h2 glej enačbo (6.8)

Prehodnostna koeficienta U1 in U2 iz enačb (6.10) in (6.11) postaneta odvisna od deležev prehodnosnih koeficientov posameznih ravnin v y smeri:

1 1

1 1

1 −

 

 

+= λ d

U U v [W/m2K] (6.15)

1 2

2 2

1 −

 

 

+= λ d

U U v [W/m2K] (6.16)

S tema rezultatoma se poenostavita enačbi (6.13) in (6.14) ter tako dobimo za konstanti G1 in G2 naslednji poenostavljeni enačbi:

21

21 1 UU

UUG +

= (6.17)

21 2

2 UU

G +

=

λ (6.18)

Za izračun še potrebujemo konstanti g1 in g2, ki se glasita:

( )

sd

sd

sd

sd e

ee

sd

sd

sg

x

x

x

xdd d

s

dd d

sd d

s

x

x

x

xx

⋅⋅−⋅

⋅⋅+⋅ ⋅

⋅⋅−⋅

⋅⋅+⋅ −

−⋅

⋅⋅−⋅

⋅⋅+⋅

=

+⋅ ⋅⋅

+⋅ ⋅⋅

−⋅

⋅⋅

piλ α

piλ α

piλ α

piλ α

piλ α

piλ α

pi

pipi

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1 )(4

)(44

1

1

1

12

122

(6.19)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 31 -

( )

sd

sd

sd

sd e

ee

sd

sd

sg

x

x

x

xdd d

s

dd d

sd d

s

x

x

x

xx

⋅⋅−⋅

⋅⋅+⋅ ⋅

⋅⋅−⋅

⋅⋅+⋅ −

−⋅

⋅⋅−⋅

⋅⋅+⋅

=

+⋅ ⋅⋅

+⋅ ⋅⋅

−⋅

⋅⋅

piλ α

piλ α

piλ α

piλ α

piλ α

piλ α

pi

pipi

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1 )(4

)(44

2

2

2

12

121

(6.20)

Na koncu še moramo določiti konstanto Γ. Uporabimo robni pogoj iz enačbe (6.3).

( ) ( )∑∞ =

+ +⋅⋅

 

1

21 2

23

ln sx

x

s

sgsgG d

d pi δpi

ϑϑ (6.21)

Za toplotno – tehnični izračun so posebnega pomena:

• srednja temperaturna razlika med površino gradbenega elementa in prostorsko temperaturo

Z integralnim računom lahko izračunamo srednjo temperaturo v poljubni točki opazovane ravnine y:

∫ ⋅= dx

x

m dxd 0 1 ϑϑ v [°C] (6.22)

Iz enačbe (6.12) dobimo poenostavljen rezultat:

( )yGyG d x

m −−⋅−⋅ ⋅Γ

= 21 piϑ v [°C] (6.23)

– srednja temperaturna razlika na zgornji strani gradbene površine:

( )11 11

1 21 +⋅

⋅⋅Γ =⋅⋅

⋅Γ −=∆ GUdU

UG d xx

m

λpipiϑ v [°C] (6.24)

– srednja temperaturna razlika na spodnji strani gradbene površine:

( )1 22

2 22 1 GUdU

UG d xx

m −⋅

⋅⋅Γ =⋅⋅

⋅Γ −=∆

λpipiϑ v [°C] (6.25)

Oznake so prikazane na Sliki 6.1

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 32 -

• srednja temperaturna razlika v cevni ravnini Podobno kot za zgoraj navedeni temperaturi velja:

2Gd x ko ⋅

⋅Γ −=∆

piϑ v [°C] (6.26)

Primerjava z enačbama (6.24) in (6.25) nam nakaže, da je postopek preračuna enak kot za enodimenzionalni toplotni prevod. Vzrok je v stacionarnem toplotnem prevodu v homogenem izotropnem telesu.

• oddajanje toplote s površine v prostor Kadar poznamo srednjo temperaturo opazovane ravnine lahko takoj izračunamo specifični toplotni tok q& :

kom UUq ∆∆ ⋅=⋅= ϑϑ 1111& v [W/m2] (6.27)

kom UUq ∆∆ ⋅=⋅= ϑϑ 2222& v [W/m2] (6.28)

6.1.2 Homogena plošča z integriranim cevnim registrom in različnimi okoliškimi temperaturami

Za sisteme z različnimi okoliškimi temperaturami ϑ2 ≠ ϑ1 potrebujemo modifikacijo robnih pogojev. S tem, ko ϑ2 ≠ ϑ1 dobimo dva različna toplotna tokova. Z razliko okoljskih temperatur dobimo:

21 ϑϑ −=∆ v [°C] (6.29)

– temperatura v cevni ravnini:

12

1 2

0

UU U

ko + ⋅∆+=ϑϑ v [°C] (6.30)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 33 -

– temperatura na zgornji gradbeni površini:

21

1 1

0 1 11

1

UU

U

+ ⋅∆+=ϑϑ v [°C] (6.31)

– temperatura na spodnji gradbeni površini:

21

2 2

0 2 11

1

UU

U

+ ⋅∆+=ϑϑ v [°C] (6.32)

Srednja temperaturna razlika med površino gradbenega elementa in prostorsko temperaturo je odvisna od ϑi:

• srednja temperaturna razlika na zgornji strani gradbene površine

( ) 21

1 1

1 1 11

1

1

UU

UG Ud x

m

+ ⋅∆−+⋅

⋅⋅Γ =∆

λpiϑ v [°C] (6.33)

• srednja temperaturna razlika na spodnji strani gradbene površine

( ) 21

2 1

2 2 11

1

1

UU

UG Ud x

m

+ ⋅∆+−⋅

⋅⋅Γ =∆

λpiϑ v [°C] (6.34)

• srednja temperaturna razlika na cevni površini

12

1 23

0 3 11

1

UU

U ko

+ ⋅∆−−=−=∆ ϑϑϑϑϑ v [°C] (6.35)

Toplotni tok pa si izračunamo z enačbami (6.27) in (6.28). Konstanto Γ izračunamo po enačbi (6.21).

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 34 -

6.1.3 Toplotno prestopnostni koeficient iz fluida na steno cevi in temperatura stene cevi

Za izračun toplotno prestopnostnega koeficienta iz fluida na steno cevi uporabljamo novejšo različico Nusselt–ove enačbe.

Posamezna zanka cevnega registra ima veliko zavojev. Zaradi slednjih se spreminja hitrost in temperatura fluida. Na teh mestih je opažen tako turbolentni kot tudi laminarni tok.

Re – Reynoldsovo število:

wiw νδ⋅=Re (6.36)

w srednja hitrost fluida v cevi [m/s] δi notranji premer cevi [m] νw kinematična viskoznost fluida [m2/s]

Nu – Nusseltovo število:

wiwNu λδα ⋅= (6.37)

αw toplotna prestopnost iz fluida na steno cevi [W/m2K], glej enačbo (6.41) λw toplotna prevodnost fluida [W/mK]

Snovne vrednosti za vodo med 10 °C in 200 °C izračunamo z aproksimacijo. Snovne lastnosti veljajo za srednjo temperaturo vode v ceveh.

• Nusseltova enačba za laminarni tok

Velja za: Re < 2320 in 0.1 < Riw L/PrRe δ⋅⋅ < 104 333,0

PrRe173,4028,49  

 

⋅⋅⋅+= R

i w L

Nu δ (6.38)

Prw Prandtlovo število glej, enačbo (6.41) LR Ravna dolžina cevi [m]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 35 -

• Nusseltova enačba za turbulentni tok Velja za: Re > 2320 in δi /LR < 1

( ) ( ) 

    

 

 

+⋅ −⋅⋅+

⋅−⋅

=

667,0

5,0 11Pr7,121 Pr1000Re

R

i

w

w

LB BNu δ (6.39)

( ) 264,4Relg15,5 −−⋅=B (6.40)

wp w

w w c ρλ

ν ⋅⋅=Pr (6.41)

• toplotna prestopnost iz fluida na steno cevi

i

w w

Nu δ λ

α ⋅

= v [W/m2K] (6.42)

• toplotno prehodnotni koeficient iz fluida na steno cevi 1

ln 2

1 −

 

 

+= iR

i

w

wU δ δ

λ δ

α v [W/m2K] (6.43)

δi zunanji premer cevi [m] λR toplotna prevodnost cevi [W/mK]

• toplotni tok skozi cevni plašč in srednja temperatura fluida Gostoto toplotnega toka izračunamo s pomočjo enačb (6.27) in (6.28) za 1q& in 2q& . Cev dolžine 1 m odda toploto ki znaša:

( )3ϑϑδpi −⋅⋅⋅= wiwR Uq& v [W/m2] (6.44)

 

 

+⋅ ⋅

+= iR

i

wi

R w

q δ δ

λ δ

αδpiϑϑ ln2 1

3 &

v [°C] (6.45)

Rq& specifični toplotni tok skozi cevni plašč [W/m2]

ϑ3 zunanja temperatura stene cevi [°C]

wϑ srednja temperatura fluida [°C]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 36 -

6.1.4 Toplotno prestopnostni koeficient na zunanji strani gradbenega elementa

Toplotno prestopnostni koeficient iz površine gradbenega elementa na prostor ali v okolico dobimo iz deleža sevanja in konvekcije. Poznati moramo le smer obravnavanega toplotnega toka. Izračuna se ga po naslednjih enačbah: (Glück, 1999 [1])

• za toplotni tok navzgor 1,0

92,8 raf ϑϑα −= v [W/m2K] (6.46)

fϑ srednja površinska temperatura gradbenega elementa [°C]

• za toplotni tok navzdol

rafraf ϑϑϑϑα −+≈−+= 09,07,58,02,5 31.0

v [W/m2K] (6.47)

• za toplotni tok na steno 3.0

6,11,5 raf ϑϑα −+= v [W/m2K] (6.48)

Izračunana vrednost je zelo dober približek.

• za zunanji gradbeni elementi Tukaj je odločilen faktor hitrost vetra, za zimski čas velja po DIN – EN 12851

23=α v [W/m2K] (6.49)

Poleti za sončne dni pa ASHRAE določa

17=α v [W/m2K] (6.50)

6.2 Termično modeliranje cevnega prenosnika v betonskem jedru

Cilj modeliranja cevnih prenosnikov v gradbenih elementih je enostavna matematična izpeljava metode za izračun in tolmačenje pri načrtovanju sistemov.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 37 -

6.2.1 Določanje temperatur v x – smeri s pomočjo termičnih uporov

Na sliki 6.2 se vidi dvodimenzionalna stacionarna temperaturna porazdelitev v prečnem prerezu gradbenega elementa z položenimi cevmi.

Slika 6.2: Zgradba termoaktivnega gradbenega elementa z vgrajenimi cevmi na sredini elementa (Koschenz, 2000 [2])

Nekatere enačbe za izračun so že prikazane v poglavju 6.1, zato jih v tem poglavju ne bom ponovno navajal. Srednji specifični toplotni tok med površino gradbenega elementa in prostorom poteka s sevanjem in konvekcijo ter ga izračunamo po naslednji enačbi:

( )[ ]iiii dq ϑϑα −=& { }2,1∈i v [W/m2] (6.51)

( )idϑ dejanska srednja površinska temperatura gradbenega elementa na strani i [°C]

Specifični toplotni tok je razmerje med temperaturo na cevni ravnini in toplotno prehodnostnim koeficientom:

( ) ( ) ( )12 21

21 1311 1 ϑϑϑϑ −⋅

+

⋅Φ−+−⋅Φ= UU UUUq& v [W/m2] (6.52)

( ) ( ) ( )21 21

21 2322 1 ϑϑϑϑ −⋅

+

⋅Φ−+−⋅Φ= UU UUUq& v [W/m2] (6.53)

Φ informacija o cevi, glej enačbo (6.57)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 38 -

Iz enačb (6.52) in (6.53) lahko slikovno ponazorimo uporovno mrežo v vezavi trikot (slika 6.3).

Slika 6.3: Uporovna mreža – vezava trikot (Koschenz, 2000 [2])

Posamezni upori so predstavljeni kot:

1

1 U

Ra ⋅Φ

= v [m2K/W] (6.54)

2

1 U

Rb ⋅Φ

= v [m2K/W] (6.55)

in

( )Φ−⋅⋅ +

=

121 21

UU UURc v [m2K/W] (6.56)

( )21 2

UUd x b

+⋅

Γ⋅⋅⋅ =Φ λpi (6.57)

Veličina Φ vsebuje informacijo o cevi, katera je vsebovana v uporih Ra, Rb in Rc. Za spremembo vezave trikot v ekvivalentno vezavo zvezda (slika 6.4) uporabimo naslednje enačbe za izračun uporov:

cba

ca

RRR RRR ++

=1 v [m2K/W] (6.58)

cba

cb

RRR RRR ++

=2 v [m2K/W] (6.59)

in

cba

ba x RRR

RRR ++

= v [m2K/W] (6.60)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 39 -

Spremembo vidimo, ko vstavimo enačbe (6.54) do (6.56) v (6.58) do (6.60), iz tega sledi, da je:

1 1

1 U

R = v [m2K/W] (6.61)

2 2

1 U

R = v [m2K/W] (6.62)

in

( ) ( )21 1

UU Rx

+Φ Φ−

= v [m2K/W] (6.63)

Slika 6.4: Uporovna mreža – vezava zvezda (Koschenz, 2000 [2])

Za praktični izračun Rx uporabimo naslednjo poenostavljeno enačbo:

b

x x

x

dd R λpi

δpi ⋅⋅

 

 ⋅

2

ln v [m2K/W] (6.64)

Upor Rx je odvisen od geometričnih veličin premera cevi δ in cevnega razmika dx kot tudi faktorja toplotne prevodnosti gradbenega elementa λb.

6.2.2 Toplotna prehodnost skozi cevni plašč

Prestop toplote iz fluida temperature ϑw na cevni plašč katerega obdaja gradbeni element temperature ϑ3, kot tudi toplotni prehod prikazuje slika 6.5. Toplotni prehod je namreč odvisen od dveh faktorjev, od toplotnega prestopa in toplotne prevodnosti. Prestop toplote

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 40 -

najdemo skozi prisilno konvekcijo med fluidom in steno cevi. Pod toplotno prevodnostjo razumemo transport toplote skozi cevni plašč.

Slika 6.5: Cevni plašč z temperaturnimi in geometrijskimi oznakami (Koschenz, 2000 [2])

Prvi del enačbe (6.65), v oklepaju s karakteristično veličino αw, opisuje prestop toplote iz fluida na cevni plašč. Drugi del pa prevod toplote skozi valjasto steno cevi:

( )3

1

2 2

ln

)2( 1 ϑϑ

piλ δ

δ

piδα −⋅    

   

⋅⋅⋅

 

 

⋅−

+ ⋅⋅⋅−⋅

=

w

r

r

x

rw l d

d

ld Q& v [W] (6.65)

dr debelina stene cevi [m] l dolžina cevi [m]

Toplotni tok Q& preuredimo na ploskev ld x ⋅ , tako dobimo specifični toplotni tok:

( )3

1

2 2

ln

)2( ϑϑpiλ δ

δ

piδα −⋅    

   

⋅⋅

 

 

⋅−

+ ⋅⋅−⋅

=

w

r

r

x

rw

x d

d

d dq& v [W/m2] (6.66)

Skozi konvekcijo nastaja upor na osnovno površino ld x ⋅ :

piδα ⋅⋅−⋅= )2( rw x

w d dR v [m2K/W] (6.67)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 41 -

Za konvektivni prestop iz fluida na steno cevi za turbulentni tok ( )2300Re ≥ ustreza naslednja enačba:

( ) ( ) 13.0 87.0

2 015.012040

r

ww d w

⋅⋅+⋅= δ

ϑα v [W/m2K] (6.68)

Za običajne dimenzije cevi je konvektivni prestop toplote prikazan na sliki 6.6 Hitrost toka v cevi izračunamo po spodnji enačbi:

( ) 4

2 2 piδρ ⋅⋅−⋅ =

rw d

m w

& v [m/s] (6.69)

Slika 6.6: Konvektivni prestopnostni koeficient za različne dimenzije cevi pri laminarnem in turbulentnem pretoku (Koschenz, 2000 [2]) (ϑw = 20°C; maksimalna hitrost pretoka w = 0.5 m/s)

Zveza med masnim pretokom v cevi na površino cevnega registra ld x ⋅ , nam da specifični

masni pretok:

ld m

m x

sp ⋅

=

&& v [kg/s] (6.70)

Iz enačb (6.68) z wϑ =20°C, (6.69) z wρ =1000 kg/m3 in (6.70) v (6.67) dobimo: 87.013.0 2

0.8    

 

⋅−

=

lm ddR

sp

rx w &

δ pi

v [m2K/W] (6.71)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 42 -

Drugi del, v oklepaju, v enačbi (6.66) je dejanski dodatni upor skozi valjasto steno cevi na osnovno površino ld x ⋅ :

piλ δ

δ

⋅⋅

 

 

⋅−

=

r

r

x

r

d d

R 2

2 ln

v [m2K/W] (6.72)

Celotni specifični toplotni tok iz cevi na dva sosednja prostora se glasi:

( ) ( ) ( ) ( )[ ]rww

rw

UU RRUU

qq

ϑϑϑϑ +⋅++⋅

+⋅+⋅Φ+ Φ

=+

211

21 21 1 &&

v [W/m2] (6.73)

Podobno kot xR je upor rR odvisen od cevnega razmika in parametrov cevi. wR pa je še dodatno odvisen od masnega pretoka in dolžine cevi:

Slika 6.7: Ekvivalentni upor za toplotni prestop v cevi kot tudi toplotni prehod skozi steno cevi (Koschenz, 2000 [2])

6.2.3 Srednja temperatura vode v eni cevni zanki

Do sedaj smo obravnavali le dvodimenzionalni presek v x in y smeri. Vedno se je uporabljala enotna temperatura wϑ v cevi. Ta temperatura ni konstantna veličina, temveč se spreminja vzdolž cevi. Temperatura se spreminja po dolžini cevi in je zveza med temperaturo predtoka

vlϑ , srednjo temperaturo wϑ in toplotnim tokom q& ; s pomočjo termičnega upora zR je dejansko upodobljiva. Sprememba temperature ϑw vzdolžno oziroma prečno v gradbenem elementu opisuje naslednja enačba:

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( )[ ] dzdzUzU

RRUU zdcm

xww

rw

w

⋅⋅−⋅+−⋅

+⋅+Φ+ Φ

=⋅⋅−

2211

211 ϑϑϑϑ

ϑ& (6.74)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 43 -

Leva stran enačbe prikazuje spreminjanje temperature fluida po korakih dz, kot je prikazano na sliki 6.8.

Slika 6.8: Sprememba temperature vode v z – smeri (Koschenz, 2000 [2])

Skozi fluid vzdolž eno cevno zanko pridobljena toplotna moč se glasi: ( )

rlvlpcmQ ϑϑ −⋅⋅= && v [W] (6.75)

ϑvl temperatura predtoka fluida [°C] ϑrl temperatura povratka fluida [°C]

Logaritemska temperaturna razlika se glasi:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

  

⋅+⋅−⋅+

⋅+⋅−⋅+

=∆

221121

221121 lg

ln ϑϑϑ ϑϑϑ

ϑϑϑ

UUUU UUUU

rl

vl

rlvl v [°C] (6.76)

Logaritemska temperaturna razlika opisuje razliko med srednjo temperaturno fluida wϑ in temperaturo sosednjih prostorov ϑ1, ϑ2.

Slika 6.9: Razmerje temperatur po dolžini celotne cevi (Koschenz, 2000 [2])

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 44 -

Srednja temperatura fluida wϑ v eni cevni zanki

lg 21

2211 ϑϑϑϑ ∆+ +

⋅+⋅ =

UU UU

w v [°C] (6.77)

6.2.4 Skupni upor

Skupni upor Rt med temperaturo predtoka vlϑ in srednjo temperaturo jedra kϑ skozi zaporedno vezavo posameznih uporov izračunamo (slika 6.10 in slika 6.11):

xrwzt RRRRR +++= v [m2K/W] (6.78)

xrw

sp t RRR

cm R +++

⋅⋅

=

&2 1

v [m2K/W] (6.79)

Slika 6.10: Skupni upor Rt med predtočno temperaturo vode in srednjo temperaturo jedra (Koschenz, 2000 [2])

Slika 6.11: Skupni upor tR v povezavi z obema uporoma 1R in 2R

(Koschenz, 2000 [2])

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 45 -

Slika 6.12 prikazuje vpliv toplotno prehodnostnega koeficienta 21 UU + in specifičnega masnega pretoka spm& na skupni upor tR . Krivulja se izbere po legendi na podlagi dimenzije cevi in cevnega razmika. Prvo število pomeni notranji drugo pa zunanji premer cevi v mm.

Slika 6.12: Prikazuje vpliv masnega pretoka in toplotno prehodnostnega koeficienta U1+U2 na skupni upor Rt (Koschenz, 2000 [2])

Z večanjem specifičnega masnega pretoka, se manjša dejanska odvisnost U1+U2 na Rt. Iz slike 6.12 se lahko izbere, da se skupni upor tR spreminja, pri spm& = 5 kg/hm2 za 15 %, pri

spm& = 10 kg/hm 2 za 6 %, in pri spm& = 15kg/hm

2 za 3 %.

6.2.4.1 Stacionarno stanje

Po izračunu posameznih uporov wR , rR in xR , lahko izračunamo celoten upor pri

turbulentnem pretoku v cevi pod naslednjimi pogoji: 3.0/ >xi dd in 2.0/ <xdδ

b

x

x

r

r

x

sp

r

x

sp t

ddd d

lm dd

cm R

λpi δpi

λpi δ

δ pi

δ

⋅⋅

 

 ⋅

+ ⋅⋅

 

 

⋅−

+ ⋅

 

 

⋅−

+ ⋅⋅

=

2

ln

2 2

ln

0.8

2

2 1

87.0 13.0

& &

v [m2K/W] (6.80)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 46 -

Srednjo temperaturo fluida izračunamo po enačbi:

2 rlvl

w

ϑϑϑ += v [°C] (6.81)

6.2.4.2 Nestacionarno stanje

Pri stacionarnem režimu so sobni temperaturi ϑ1 in ϑ2 ter predtočna temperatura fluida ϑvl konstantne veličine. Vsem ostalim spremenljivkam se njihove temperature prilagodijo lokalnemu toplotnemu toku. Tako stanje je prikazano na sliki 6.9. Temperatura jedra ϑk se kontinuirano spreminja s funkcijo vstopne vode. Iz fizikalnih osnov lahko vemo, če je temperatura povratka višja od sobne temperature, potem prostor hladimo.

V nadaljevanju bomo izhajali iz kvazistacionarnega stanja. Predtočna temperatura ϑvl, prostorski temperaturi ϑ1 in ϑ2 ter temperatura jedra ϑk imajo enako vrednost. Potem pa temperatura predtoka naraste na višjo vrednost. Posledica velike mase gradbenega elementa je novo stacionarno stanje. Opazujemo temperaturo jedra v kratkih časovnih intervalih ∆τ, da se ta počasi viša. Spreminjanje te vrednosti je prikazano na sliki 6.13.

Slika 6.13: Razmerje temperature v odvisnosti temperature predtoka. (Koschenz, 2000 [2])

Pri majhnih masnih pretokih spm& in majhnih cevnih razmikih dx, pri katerih je upor Rx majhen, lahko izvzamemo njihov vpliv v enačbi (6.82). Zato moramo v tem primeru cev razdeliti na n delov z končno dolžino ∆z.

( ) 2 1≥++⋅⋅ xrwsp RRRcm& (6.82)

( ) 2 1≥++⋅⋅⋅ xrwsp RRRcnm& (6.83)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 47 -

Slika 6.14: Razdelitev celotne dolžine cevi na dva dela (Koschenz, 2000 [2])

Pri nestacionarnem stanju enačbe vsebujejo časovno komponento τ in komponento kraja i. Dolžina intervala je ponavadi ∆τ =1 h.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 48 -

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 49 -

7 Dimenzioniranje cevnih sestavov

Pri dimenzioniranju TAGE je osrednjega pomena pravilna izbira cevi. Cevni sistem mora izpolniti naslednje zahteve:

• optimalno izmenjavo toplote med cevnim sistemom in gradbenim elementom • majhen tlačni padec • uporaba minimalne potrebne dolžine cevi, ker je s tem povezana cena • majhno število priključkov na razdelilniku

Poskušati moramo upoštevati čim večje število zgoraj naštetih pogojev. S tem optimiramo sistem in s tem povezano investicijo, ter obratovalne stroške.

7.1 Termoaktivni gradbeni elementi kot toplotni prenosniki

Naloga vode v cevnem sistemu je, da gradbenemu elementu energijo dovede ali odvede. Pojavi pa se še prenos toplote med vodo in gradbenim elementom. Cevni register skupaj z gradbenim elementom tvori toplotni prenosnik. Uporaba nizkotemperaturnega ogrevanja in naravnih hladilnih izvorov je čim zmogljivejša, tem večji je energijski tok pri istočasni mali temperaturni razliki med vodo in jedrom gradbenega elementa. Količino toplote, ki jo lahko posamezni toplotni prenosnik prenese, lahko izračunamo z naslednjo enačbo:

( )kvltUq ϑϑ −⋅=& v [W /m2] (7.1)

Fiktiven toplotno prehodnostni koeficient Ut, v [W /m2], združuje vse velikosti cevnih sistemov in v celoti opisuje vse značilnosti prenosa toplote. Na sliki 7.1 je prikazana odvisnost specifičnega masnega pretoka od fiktivnega toplotnega prehoda za cevi z različnim presekom pri minimalnem polmeru krivljenja cevi.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 50 -

Slika 7.1: Dosegljiv toplotno prehodnostni koeficient Ut za različne dimenzije cevi in cevne razmike (Koschenz, 2000 [2])

Izračunana vrednost toplotno prehodnostnega koeficienta Ut varira za 10 – 20 % pri določenem masnem pretoku med najmanjšim in največjim presekom cevi. Pri povečanju masnega pretoka vode iz 10 kg/hm2 na 20 kg/hm2 se pri vseh dimenzijah cevi poviša le fiktiven toplotno prehodnostni koeficient za faktor 1,4. Najvišja vrednost je dosežena pri dimenziji cevi 12/16 z cevnim razmikom 0,13 m. Pri tem dobimo najmanjše razmerje med cevnim razmikom dx in premerom cevi δ .

7.2 Padec tlaka v cevnem registru

Glede na priporočen padec tlaka moramo najti optimalno konfiguracijo cevnega registra. Padec tlaka v cevi na en meter dolžine, izračunamo po naslednji enačbi:

nmCp &⋅=∆ v [pa /m] (7.2)

Konstanta C in eksponent n sta odvisna od tipa cevi in jih prevzamemo iz dokumentacije dobavitelja cevi. Iz slike 7.2 lahko odčitamo tlačni padec na meter dolžine cevi v odvisnosti od masnega pretoka vode za različne dimenzije cevi. Prvo število v legendi pomeni notranji drugo pa zunanji premer cevi v mm.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 51 -

Slika 7.2: Prikazuje tlačni padec za en meter cevi (Metalplast VESCAL, medij voda) (Koschenz, 2000 [2])

Podatke iz slike 7.2 lahko uporabimo za cevi drugih proizvajalcev, vendar za enake dimenzije cevi. Masni pretok vode m& izračunamo z definirano talno površino in specifičnim masnim

pretokom:

ldmm xsp ⋅⋅= && v [kg/s] (7.3)

Enačbo (7.3) vstavimo v (7.2) in dobimo: nn

x

n

sp ldmCp ⋅⋅⋅=∆ & v [pa] (7.4)

Celoten padec tlaka izračunamo z multiplikacijo padca tlaka na meter cevi s skupno dolžino: 1+

⋅⋅⋅=∆ nnx n

sp ldmCP & v [pa] (7.5)

Fiktivni toplotno prehodnostni koeficient Ut, med temperaturo predtoka vlϑ in srednjo temperaturo jedra kϑ v cevni ravnini, opisuje toplotno prehodnost med vodo in jedrom gradbenega elementa. Slika 7.3 prikazuje dosegljive fiktivne prehodnostne koeficiente za različne dimenzije cevi.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 52 -

Slika 7.3: Fiktivni toplotno prehodnostni koeficient Ut v odvisnosti od izbrane dolžine cevi (maksimalna hitrosti toka w = 0,5 m/s, turbulentni pretok) (Koschenz, 2000 [2])

Izbran tlačni padec po eni cevni zanki znaša ∆P = 12000 Pa, pri toplotni prevodnosti stene cevi λr = 0,45 W/mK in betona λb = 1,8 W/mK. Konstanti C in n vrednost sta upoštevani na sliki 7.2. Pri izbranem cevnem razmiku dx je možen minimalni radij krivljenja 4–5 krat premer cevi δ. Mehansko obrabo, motnje in šume pri pretakanju v cevi omejimo z maksimalnim pretokom na 0,5 m/s za vse dimenzije cevi. Iz slike 7.3 lahko razberemo, kateri premer cevi je najbolj primeren pri izbrani dolžini cevi. Pri enakih dolžinah cevi z velikim premerom in cevnim razmikom dobimo najboljši toplotno prehodnostni koeficient Ut. Cev, dimenzij 20/25 dolžine 120 m in položena s cevnim razmikom dx = 0,2 m, zadostuje za 24 m2 površine. Pri izbiri cevi 15/20, s cevnim razmikom dx = 0,16 m in pri enakem prehodnostnem koeficientu Ut zadostuje zgolj za 14,4 m2 površine.

7.3 Vpliv cevnega razmika

Osnova pri dimenzioniranju ploskovnega ogrevanja je cevni razmik, ki vpliva na oddajanje toplote. To naj bi služilo kot raziskava, ali cevni razmik tudi vpliva na proces transporta toplote pri TAGE.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 53 -

Slika 7.4: Sprememba Ut v odvisnosti od spremembe cevnega razmika dx pri min. radijih krivljenja cevi (Koschenz, 2000 [2])

Slika 7.4 prikazuje spremembo fiktivnega toplotno prehodnostnega koeficienta Ut pri spremembi cevnega razmika dx. Specifični masni pretok spm& ostane konstanten. Kot izhodna

velikost dx0 se zmeraj predpostavi minimalni polmer upogibanja za vsako dimenzijo cevi. Z podvojitvijo cevnega razmika dx0 se zmanjša fiktivni toplotno prehodnostni koeficient Ut0 na ca. 55 %, z razpolovitvijo pa se poveča na 145 %.

Na oddajanje toplote ne vplivajo samo parametri cevi in toplotno prehodnostni koeficient Ut, temveč tudi ostali termični upori. Vpliv termičnih uporov v opazovanem TAGE si lahko predstavljamo z modelom na sliki 7.5.

Slika 7.5: Predstavitev modela TAGE kot uporovne mreže (Koschenz, 2000 [2])

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 54 -

Tako kot fiktivni toplotno prehodnostni koeficient Ut se prikazuje tudi upor Rt. Ta upor je pod stacionarnimi pogoji sestavljen iz dveh uporov, ki pripadata vsak svojemu gradbenemu elementu.

Dejanski učinek na preneseno moč v mreži ni odvisen samo upora Rt, ampak tudi uporov R1 in R2. Če sta R1 ali R2 odločujoča upora, potem sprememba Rt nima vpliva na dovedeno ali odvedeno moč. Orientacijska vrednost učinka za običajne masne pretoke vode (10 – 15 kg/hm2) pri razpolovitvi cevnega razmika naraste za 10 – 20 % in pri podvojitvi razmika pade za 10 – 20 %.

Ta primer jasno kaže, da se dovedeni ali odvedeni učinek lahko spreminja le v ozkem področju cevnega razmika.

7.4 Položaj cevi v gradbenem elementu

Sprejemanje oziroma oddajanje toplote v prostor je po eni strani odvisno od cevnega sistema po drugi strani pa od zgradbe gradbenega elementa. V stacionarnem režimu obratovanja je toplotna moč vodnega sistema enaka potrebni toplotni moči prostora. To stacionarno stanje velja za površinske cevne sisteme pri katerih lahko zanemarimo toplotno akumulacijski učinek estriha za katerekoli obratovalne razmere. Če so cevi položene globoko v gradbeni element (prekritje > 70 mm) je njihova toplotna vztrajnost (inercija) večjega pomena. Transporta toplote iz vodnega sistema na gradbeni element in iz gradbenega elementa na prostor sta vedno neodvisna drug od drugega, zato jih moramo znati ločeno obravnavati. Sprememba temperature vode praktično ne vpliva na prostorsko temperaturo ali pa vpliva z zakasnitvijo.

Pri običajnih debelinah gradbenih elementov in dovolj velikih razdaljah od površine je položaj cevi v gradbenem elementu z ozirom na sposobnost toplotnega učinka sekundarnega pomena.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 55 -

8 Režim hlajenja

Velik delež tokov, notranjih in zunanjih izvorov, v prostor povzroča toplotni učinek na gradbene elemente. Ta toplotni učinek je sestavljen iz: konvekcije, toplotnega sevanja in toplotne prevodnosti. Izčrpno je opisan v poglavju 2. Zraven tega pa je posebej dan poudarek na konvektivni delež. Vir toplote neposredno učinkuje na prostorski zrak preko konvekcije. Sobni zrak lahko hrani le majhno količino energije. Zaradi svoje neznatne termične mase mora sprejeti delež energije od površin ogrevalnih teles ali pa oddati energijo na sistem za hlajene zraka. Vsak poznan toplotno transportni mehanizem spremljajo temperaturne razlike. Čim manjši je konvektivni toplotni prestop, tem višja je temperaturna razlika med zrakom in površino, kjer pride do prestopa. Številčno vrednost za konvektivni prestop lahko razberemo iz tabel. Velik delež v skladu z udobjem je mogoče uporabiti za povišanje temperature med pričetkom in koncem delovnega časa s konvektivnim temperaturnim skokom. S tem ukrepom pa je možnost temperaturnega skoka gradbenega elementa omejena. Posledično je tudi omejena kapaciteta gradbenega elementa v funkciji akumulacije. Talne in stropne obloge ovirajo toplotni transport v oz. iz gradbenega elementa. Ta oviran transport pa ponazorimo s toplotnim uporom, ki lahko le dviguje temperaturo gradbenega elementa.

Energijo, ki smo jo vložili v gradbeni element, moramo tudi iz njega dobiti nazaj na kakršenkoli način. Drugače se začne zgradba kontinuirano pregrevati. Zastavlja se nam vprašanje: kateri gradbeni element obremeniti ob upoštevanju kriterijev udobja, da omejimo vsakodnevno dvigovanje temperature. Na drugi strani pa ugotavljamo pomembnost vpliva nihanja temperature vode na povratni hladilni sistem celotnega objekta.

8.1 Temperaturni potek v prostoru

Ko vklopimo izvor toplote, prisilimo, da se temperatura lastne termične mase prostora določen čas dviguje, dokler se ne dvigne temperatura prostora. Dokler toplotni izvor proizvaja toploto, se mora njegov učinek pokazati na okolici. Takšno dvigovanje ali spuščanje temperature z izvorom toplote lahko poteka tako dolgo, dokler se konvekcija, toplotno sevanje in toplotna prevodnost nahajajo v ravnovesju z okolico. Kot je že omenjeno, konvektivni delež prispeva k dvigu temperature zraka v prostoru. Naraščanje temperature, kot je prikazano na sliki 8.1, lahko najdemo v kratkem časovnem intervalu med točkama 1 in 2.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 56 -

Slika 8.1: Tipični potek temperature zraka v prostoru in temperature grelne površine med dnevno periodo (Koschenz, 2000 [2])

Delež sevanja toplotnega izvora se shranjuje (akumulira) neposredno v gradbeni element. Zrak ni vmesni prenosnik. Neposredno segrevanje je zanemarljivo zaradi dobrih termičnih lastnosti in velike mase gradbenega elementa. Oddajanje toplote iz izvora postane časovna konstanta, kontinuirano se povišuje le temperatura površine gradbenega elementa (od točke 1 do 4). Temperaturna razlika med zrakom v prostoru in površino gradbenega elementa je zmeraj prisotna. To je pogoj za obstoj konvekcijskega toplotnega toka, ki teče v gradbeni element. Ko ob koncu delovnika ugasnemo izvore toplote, ne teče več noben toplotni tok v prostor. Tako posledično izgine tudi razlika v temperaturi med zrakom in površino gradbenega elementa (točki 3 in 4). Potemtakem zrak v prostoru začne prevzemati temperaturo gradbenega elementa (točka 4). Velik delež temperaturnega povečanja med pričetkom in koncem dela (točke 1 do 3) se porabi za konvekcijski temperaturni skok. Pri tem je možno omejiti temperaturni dvig v gradbenem elementu. Naslednja posledica je zmanjšana sposobnost akumulacije. Če se gradbeni element aktivno hladi, se njegova temperatura ponovno spušča (točki 4 do 5).

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 57 -

Slika 8.2: Izmerjen temperaturni potek v mestu Zürich v času počitniškega in športnega sejma 1998 (Koschenz, 2000 [2])

Na sliki 8.2 so predstavljene izmerjene vrednosti zraka iz treh lokacij kot tudi talna in stropna temperatura gradbenega elementa iz razstavnega prostora sejmišča v Zürichu.

8.2 Toplotni učinek energije, akumulirane v gradbenem elementu

8.2.1 Spreminjanje temperature gradbenega elementa

Učinek akumulacije energije je primarno odvisen od kvalitete zaščitnih oblog prostora (omet, talne in stropne obloge). V večini primerov imajo talne in stropne konstrukcije veliko termično maso in jih lahko uporabimo kot dober akumulacijski prostor za energijo. Gradbeni element lahko služi kot hranilnik toplote le takrat, če se lahko njegova temperatura poviša slika 8.1. Ogrevanje gradbenega elementa lahko razdelimo v dva dela. Najprej se ustvari znotraj gradbenega elementa temperaturni gradient med temperaturo površine gradbenega elementa fϑ in srednjo temperaturo gradbenega elementa ϑm. Ta temperaturni gradient je pomemben, da sploh lahko nastane toplotni tok na vsaki strani gradbenega elementa slika 8.3.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 58 -

Slika 8.3: Vrednosti uporov pri segrevanju gradbenega elementa (Koschenz, 2000 [2])

Ta temperaturni gradient je prikazan na homogenem gradbenem elementu, rešitev diferencialne enačbe za toplotni učinek pa je po približku sledeča:

3 12

2 ⋅

 

 ⋅=−

b mf

d q

λϑϑ &

v [°C] (8.1)

Med površino in notranjostjo gradbenega elementa se ustvari termični upor velikosti Rb:

Rb = 3 12

 

b

d

λ v [m2K/W] (8.2)

Temperaturni gradient se v realnosti ne vzpostavi takoj ob toplotni obremenitvi. Ta pojav lahko predstavimo kot določen upor, ki se vzpostavi v tem času. Približek Rb, izračunan po enačbi (8.2), je uporaben za gradbene elemente, pri čemer mora biti izpolnjen naslednji pogoj:

2,0

2

2 >

 

 ⋅⋅

d c

b

ρ

τλ (8.3)

Iz enačbe (8.3) se vidi časovna odvisnost za približek izračuna velikosti upora. Če istočasno ne poteka dotok energije na površino gradbenega elementa in odtok energije skozi cevi, potem poteka kontinuirano segrevanje. To temperaturno spremembo lahko fizikalno opišemo:

τ

ϑρ d

d cdq m⋅⋅⋅=& v [m2K/W] (8.4)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 59 -

Če je toplotni tok v času τ konstanten, potem lahko dvig temperature predstavimo z naslednjo enačbo:

τ ρ

ϑ ⋅ ⋅⋅

=∆ dc

q m

& v [°C] (8.5)

Istočasno z dotokom energije na površino gradbenega elementa poteka odvajanje energije v jedru gradbenega elementa. Tako se spreminja temperaturni gradient v času τ. Z upoštevanjem slednjega vpeljemo veličino µ:

q qk & &

=µ (8.6)

V zgornji enačbi opisuje kq& hlajenje v jedru, medtem, ko q& predstavlja toplotni tok na površini gradbenega elementa. Z enačbo (8.6) in opisom poteka temperature na sliki 8.1 lahko predstavimo celotno toploto gradbenega elementa:

   

   

  

 + ⋅

 

 ⋅+⋅

⋅⋅

⋅=−

6 22

2 11

14 µ

λτ µϑϑ

b

d

dcq q v [°C] (8.7)

ϑ4 končna temperatura gradbenega elementa [°C]

Na sliki 8.4 je grafično prikazana enačba (8.7) s τ = 8 h, debelino stene d = 0,2 m in d = 0,3 m. Snovne lastnosti za beton znašajo: ρ = 2400 kg/m3, c = 1100 J/kgK in λb = 1,8 W/mK.

Slika 8.4: Vpliv odvoda toplote iz gradbenega elementa na dvig temperature površine gradbenega elementa (Koschenz, 2000 [2])

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 60 -

Celotni toplotni tok naj bi znašal q& = 30 W/m2 skozi 0,3 m debelo betonsko ploščo za čas 8 h. Dvig temperature na površini gradbenega elementa med začetkom in koncem delovanja je prikazan v tabeli 8.1:

Tabela 8.1: Dvig površinske temperature gradbenega elementa pri istočasnem dovodu in odvodu toplote [2]

q qk & &

[-] q&

14 ϑϑ −

[m2K/W]

14 ϑϑ −

[K] 0 0,050 1.50

1/3 0,041 1,23 ½ 0,036 1,08 1 0,021 0,63

Medtem, ko se gradbeni element 8 ur kontinuirano segreva, brez istočasnega odvaja energije iz gradbenega elementa, znaša dvig temperature 1,5 K. Če se istočasno s tem procesom 1/3 prejete energije odvede, se temperatura dvigne le za 1,2 K oziroma 82 %. Pri istočasnem dovodu in odvodu toplote je višina dviga temperature v podrejeni vlogi. Srednji učinek hlajenja se lahko pri vodi reducira na 1/3 vrednosti. Slednje zadostuje za obratovanje povratnega hlajenja za čas 24 ur. Pri celotnem takojšnjem odvodu toplote s pomočjo vode, ostane le temperaturni gradient višine 0,6 K oz. 42 %.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 61 -

9 Režim gretja

Namen vsakega ogrevalnega sistema je zagotavljanje temperaturno ugodnega prostorskega zraka v času zime. Po ISO EN 7730 je potrebna temperatura v prostoru med 20 in 24 °C. Za prostore, glede na trenutne prevladujoče klimatske razmere, so zahtevane prostorske temperature dosegljive. S sistemom TAGE lahko za vsak trenutek jasno predvidimo potrebno temperaturo talne oz. stropne ogrevalne površine. Temperatura površine gradbenega elementa se spreminja s pomočjo predtočne temperature vode, ki teče skozi cevni register v gradbenem jedru. Gradbeni element ima veliko kapaciteto akumulacije energije med jedrom in površino. Zaradi te lastnosti ni eksaktno dosegljiva sprememba temperature vode na srednjo vrednost prilagoditve temperature površine. To povzroča odstopanje med dejansko temperaturo in želeno temperaturo prostora. Postavlja se tudi vprašanje, kolikšna je ta razlika v primerjavi z ogrevanjem na grelna telesa (radiatorje). Za ogrevanje prostorov z grelnimi telesi so ti podatki prikazani v ustreznih referencah. V nadaljevanju bom predstavil možnosti krmiljenja procesa ogrevanja.

9.1 Ogrevanje prostorov z grelnimi telesi

V večini primerov se prostori v zgradbah ogrevajo na konvencionalen način, z grelnimi telesi. Za regulacijo temperature prostora se v večini primerov uporabljajo izključno termostatski ventili. Termostatski ventil je preko konvekcijskega zračnega toka in toplotnega sevanja različnih aparatov neposredno v kontaktu s temperaturo prostora. Tako lahko hitro reagira na različne dodatne vire sevanja, kot so vklopljeni razni pisarniški aparati, različno število prisotnih oseb, dodatni doprinos solarne toplote. Sestavljen je iz zaprte regulacijske zanke med oddajnikom toplote ogrevalnega telesa in prostorom. To povezavo lahko spet bagatelno predstavimo na modelu. Enačba za izračun temperature prostora, ogrevanega z grelnimi telesi, se razširi v naslednjo obliko:

( )  

 

−⋅−+⋅+= ara fv

hwlmra R qqR ϑϑϑϑ

,

1&& v [°C] (9.1)

ϑra prostorska temperatura [°C] ϑa zunanja temperatura [°C]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 62 -

ϑm srednja temperatura gradbenega elementa [°C]

wlq& toplotni tok notranjih izvorov [W/m2]

hq& toplotni tok grelnega oz hladilnega elementa [W/m2]

Rv,f upor zunanjih sten (fasade) in izgube pri prezračenju [m2K/W] glej enačbo (9.2)

V enačbi sta upoštevana še dodatna člena za izgubo toplote preko zunanjih sten ( )arafvR ϑϑ −⋅,1 in učinkom gretja hq& , kar je prikazano tudi na sliki 9.1.

Slika 9.1: Ogrevanje prostora z grelnimi telesi (Koschenz, 2000 [2])

Veličina 1/Rv,f opisuje toplotno prehodnostni koeficient zunanjih sten (fasade) in izgube pri prezračenju:

f

lllvv

fv A cVUA

R ⋅⋅+⋅

= ρ&

,

1 v [1/(m2K/W)] (9.2)

lV& volumski pretok zraka [m3/s]

ρl gostota zraka [kg/m3] cl specifična toplotna kapaciteta zraka [J/kgK] Af ogrevna oz hladilna površina [m2]

9.2 Ogrevanje prostorov s termoaktivnimi gradbenimi elementi

Predstavitev ogrevanja s TAGE bo prikazana na enakem modelu kot prejšnji model. S pomočjo formalnih razlik bo prikazano različno vedenje teh dveh sistemov. Enačba za izračun temperature prostora, ogrevanega s TAGE, je:

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 63 -

( )  

 

−⋅−⋅+= ara fv

wlmra R qR ϑϑϑϑ

,

1& v [°C] (9.3)

Razlika je v členu, ki ga prispeva grelno telo, hq& . Iz enačbe (9.2) je razvidno, da je lahko sprememba temperature gradbenega elementa ϑm zelo učinkovita na spremembo temperature prostora. Pomembno je, da se temperatura gradbenega elementa zelo počasi spreminja.

Slika 9.2: Ogrevanje prostora s TAGE (Koschenz, 2000 [2])

Če želimo imeti enako temperaturo prostora, mora imeti gradbeni element višjo temperaturo pri ogrevanju s TAGE kot pri klasičnem ogrevanju z grelnimi telesi. Če se toplotne izgube kompenzirajo preko internih in eksternih izvorov, se v obeh primerih temperatura dviga nad temperaturo gradbenega elementa. Za dano začetno temperaturno razliko moramo pri ogrevanju z grelnimi telesi prostor ogreti čez nastavljeno vrednost, da se doseže enak učinek kot pri ogrevanju s TAGE. Temperaturni učinek internega in eksternega ogrevanja v TAGE ima močnejši vpliv na temperaturo prostora.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 64 -

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 65 -

10 Izračun in analiza realnega sistema

10.1 Tehnični izračun

Izračun je narejen za režim hlajenja z računalniškim programom TBA ZENT-FRENGER. V nadaljevanju so izpisani rezultati izračuna. Narejena sta dva izračuna:

1. Izračun stacionarnega procesa. Izračunani so toplotni tok, temperature površine

plošče, temperaturna porazdelitev v notranjosti plošče in akumulirana toplota. 2. Izračun dinamičnega procesa po 2, 20, 40 in 50 urah obratovanja. Izračunani so

toplotni tok, akumulacija in s tem povezane temperature.

10.1.1 Izračun stacionarnega procesa

Izračunani so toplotni tok, temperature površine plošče, temperaturna porazdelitev v notranjosti plošče in akumulirana toplota. Na sliki 10.1 je prikazan prerez modela po katerem je narejen izračun.

Slika 10.1: Prerez modela

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 66 -

Geometrija AB plošče s cevnim registrom: d2 = 0.150 m d1 = 0.150 m λ = 1.400 W/(m K)

Karakteristike cevi: δ = 0.0200 m δi = 0.0160 m λR = 0.410 W/(m K)

Cevni razmik in ravna dolžina cevi: dx = 0.300 m LR = 1.0 m

Zračna reža okrog cevi: Zračna reža = 0.0000 m

Gostota in specifična toplotna kapaciteta gradbenega elementa: ρgrad el = 2400 kg/m³ cgrad el = 1050 J/(kg K)

Geometrija spodnjih gradbenih plasti: d21 = 0.000 m λ21 = 1.000 W/(m K) d22 = 0.000 m λ22 = 1.000 W/(m K) d23 = 0.000 m λ23 = 1.000 W/(m K)

Geometrija zgornjih gradbenih plasti: d11 = 0.010 m λ11 = 0.070 W/(m K) d12 = 0.000 m λ12 = 1.000 W/(m K) d13 = 0.000 m λ13 = 1.000 W/(m K) d14 = 0.000 m λ14 = 1.000 W/(m K) d15 = 0.000 m λ15 = 1.000 W/(m K)

Hitrost vode v cevi in toplotno prestopnostni koeficient iz fluida na cev: w = 0.50 m/s αF = 2473.5 W/(m²K)

Temperature: t2 = 24.0 °C t1 = 24.0 °C tstene cevi = 18.8 °C tvode = 18.0 °C

Površinska temperatura na spodnji strani gradbenega elementa: tsr = 22.1 °C tmax = 22.06 °C tmin = 22.18 °C

Toplotno prestopnostni koeficient iz gradbenega elementa na prostor: α2 = 9.5 W/(m²K) α1 = 6.1 W/(m²K)

Toplotni tok: q2 = -17.9 W/m² q1 = -9.2 W/m² q = -27.0 W/m²

Koraki: ymin = -15 ymax = 15 ykorak = 0.0100 m xmin = 0 xmax = 30 xkorak = 0.0100 m

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 67 -

----------------------------------------------------------------

Temperatura v gradbenem elementu po korakih x od sredine cevi v cm: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ----------------------------------------------------------------

y = 0.150 m 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 21.2 21.2 21.2 21.2 21.2 21.2 21.2 21.2 21.3 21.3 21.3 y = 0.140 m 21.0 21.0 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 21.2 21.2 21.2 21.2 21.2 21.2 y = 0.130 m 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 y = 0.120 m 20.9 20.9 20.9 20.9 20.9 20.9 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 y = 0.110 m 20.8 20.8 20.8 20.8 20.9 20.9 20.9 20.9 20.9 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 y = 0.100 m 20.7 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 20.8 20.9 20.9 20.9 20.9 20.9 21.0 21.0 21.0 21.0 y = 0.090 m 20.6 20.6 20.7 20.7 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 20.9 20.9 20.9 20.9 20.9 20.9 20.9 y = 0.080 m 20.5 20.5 20.6 20.6 20.6 20.7 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 20.9 20.9 20.9 20.9 20.9 y = 0.070 m 20.4 20.4 20.4 20.5 20.5 20.6 20.6 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 20.8 20.9 20.9 20.9 y = 0.060 m 20.3 20.3 20.3 20.4 20.4 20.5 20.6 20.6 20.7 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 20.8 20.8 y = 0.050 m 20.1 20.1 20.2 20.3 20.3 20.4 20.5 20.6 20.6 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 20.8 20.8 y = 0.040 m 19.9 20.0 20.0 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.6 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 20.8 y = 0.030 m 19.7 19.7 19.9 20.0 20.1 20.3 20.4 20.5 20.6 20.6 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 20.8 y = 0.020 m 19.3 19.4 19.7 19.9 20.1 20.2 20.4 20.5 20.5 20.6 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 20.8 y = 0.010 m 18.0 18.0 19.5 19.8 20.0 20.2 20.3 20.5 20.6 20.6 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 20.8 y = 0.000 m 18.0 18.0 19.5 19.8 20.0 20.2 20.3 20.5 20.6 20.7 20.7 20.7 20.8 20.8 20.9 20.9

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 68 -

----------------------------------------------------------------

Temperatura v gradbenem elementu po korakih x od sredine cevi v cm: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ----------------------------------------------------------------

y = -0.010 m 18.0 18.0 19.5 19.8 20.1 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8 20.8 20.8 20.9 20.9 20.9 y = -0.020 m 19.5 19.6 19.8 20.0 20.2 20.3 20.5 20.6 20.7 20.7 20.8 20.9 20.9 20.9 20.9 20.9 y = -0.030 m 19.9 19.9 20.0 20.2 20.3 20.5 20.6 20.7 20.7 20.8 20.9 20.9 20.9 21.0 21.0 21.0 y = -0.040 m 20.2 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8 20.8 20.9 20.9 21.0 21.0 21.0 21.0 21.1 y = -0.050 m 20.4 20.5 20.5 20.6 20.6 20.7 20.8 20.9 20.9 21.0 21.0 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 y = -0.060 m 20.7 20.7 20.7 20.8 20.8 20.9 20.9 21.0 21.0 21.1 21.1 21.2 21.2 21.2 21.2 21.2 y = -0.070 m 20.9 20.9 20.9 20.9 21.0 21.0 21.1 21.1 21.1 21.2 21.2 21.2 21.3 21.3 21.3 21.3 y = -0.080 m 21.0 21.0 21.1 21.1 21.1 21.2 21.2 21.2 21.3 21.3 21.3 21.3 21.4 21.4 21.4 21.4 y = -0.090 m 21.2 21.2 21.2 21.2 21.3 21.3 21.3 21.4 21.4 21.4 21.4 21.5 21.5 21.5 21.5 21.5 y = -0.100 m 21.4 21.4 21.4 21.4 21.4 21.4 21.5 21.5 21.5 21.5 21.5 21.6 21.6 21.6 21.6 21.6 y = -0.110 m 21.5 21.5 21.5 21.5 21.5 21.6 21.6 21.6 21.6 21.6 21.7 21.7 21.7 21.7 21.7 21.7 y = -0.120 m 21.6 21.7 21.7 21.7 21.7 21.7 21.7 21.7 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8 y = -0.130 m 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8 21.9 21.9 21.9 21.9 21.9 21.9 21.9 21.9 21.9 y = -0.140 m 21.9 21.9 21.9 21.9 22.0 22.0 22.0 22.0 22.0 22.0 22.0 22.0 22.0 22.1 22.1 22.1 y = -0.150 m 22.1 22.1 22.1 22.1 22.1 22.1 22.1 22.1 22.1 22.1 22.2 22.2 22.2 22.2 22.2 22.2 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Število cevnih intervalov na m : 3.33 1/m Akumulacija toplote odvisna od ti : -645 Wh/m² Toplotna kapacitivnost AB plošče : 210 Wh/(K m²)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 69 -

10.1.2 Izračun dinamičnega procesa po 2, 20, 40 in 50 urah obratovanja

Ta izračun se sklicuje na sliko 10.1, kjer je prikazana obravnavana konstrukcija plošče v stacionarnih temperaturnih pogojih.

Takšna konstrukcija se lahko izračuna z novim računskim postopkom. Računski model deluje vse do homogene temperature plošče 24 °C in se izide tudi, če je na obeh straneh plošče temperatura prostora 24 °C. Pri času τ = 0, ima pretok vode skozi cevni register

srednjo temperaturo 18 °C. Ta temperatura je konstantna. Po ustrezno dolgem času se površina s svojim toplotno–tehničnim obnašanjem asimptotično približuje znanemu stacionarnemu stanju.

Slika 10.2 prikazuje geometrijo izhodiščnega primera in aproksimacijo geometrije z zelo fino mrežo, kjer je ∆x = ∆y = 15 mm. V tem primeri lahko cev prikažemo izjemoma samo s 4 mrežnimi točkami. Realna cev ima zunanji obseg od 8,6220 =⋅= piRU mm. Kvadrat aproksimacije ni manjši od 60154

, =⋅=AppRU mm.

Slika 10.2: Geometrijska mreža korakov

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 70 -

Rezultat, izračuna za stacionarni primer, je prikazan v poglavju 10.1.1. Rezultat za nestacionarni primer pa bo prikazan spodaj.

Pri enačbi za izračun temperaturne porazdelitve v gradbenem elementu moramo paziti, da je koordinatni sistem računanega modela pravilno orientiran. Rezultati so prikazani za vsaki dve uri. Kratek izvleček je prikazan spodaj

______________________________________________________________

Dvodimenzionalni nestacionarni prevod toplote v AB plošči _________________________________________________________

λ = 1.40 W/(m K) ρ = 2400 kg/m³ c = 1050 J/(kg K) ∆x = 0.0150 m ∆y = 0.0150 m imax = 21 jmax = 11 δ = 0.0200 m δi = 0.0160 m λR = 0.41 W/(m K) iRmax = 11 iRmin = 10 jRmax = 1 d11 = 0.0100 m λ11 = 0.0700 W/(m K) Dτ = 100.0 s mmax = 1800

Temp. področje v °C po času τ = 2.00 h ------------------------------------------------------------

| j | i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | ------------------------------------------------------------

20| 23.7 23.7 23.7 23.7 23.8 23.8 23.8 23.9 23.9 23.9 23.9 | 18| 23.5 23.5 23.6 23.6 23.7 23.7 23.8 23.8 23.8 23.9 23.9 | 16| 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7 23.7 23.8 23.8 23.8 | 14| 22.4 22.6 22.8 23.0 23.2 23.4 23.5 23.6 23.7 23.7 23.7 | 12| 21.0 21.5 22.1 22.6 22.9 23.2 23.4 23.5 23.6 23.7 23.7 | 10| 19.5 21.0 21.8 22.4 22.8 23.1 23.4 23.5 23.6 23.6 23.6 | 8| 21.8 22.1 22.4 22.8 23.0 23.3 23.4 23.6 23.6 23.7 23.7 | 6| 22.8 22.9 23.1 23.2 23.4 23.5 23.6 23.7 23.7 23.8 23.8 | 4| 23.4 23.4 23.5 23.5 23.6 23.7 23.7 23.8 23.8 23.8 23.8 | 2| 23.6 23.6 23.7 23.7 23.7 23.8 23.8 23.8 23.9 23.9 23.9 | 1| 23.7 23.7 23.7 23.8 23.8 23.8 23.8 23.9 23.9 23.9 23.9 | ------------------------------------------------------------

temperatura vode po času τ: 18.0 °C temperatura zgornjega prostora po času τ: 24.0 °C temperatura spodnjega prostora po času τ: 24.0 °C srednja površinska temp. zgornjega prostora: 23.8 °C srednja površinska temp. spodnjega prostora: 23.8 °C temp. tal v zgornjem prostoru: 23.9 °C ekstr. površ. temp. na spodnji strani plošče: 23.7 °C/ 23.9 °C spec. toplotni tok v spodnji prostor: -1.5 W/m² spec. toplotni tok na zgornji prostor: -0.7 W/m² akum. toplote v grad. elem. v odvisnosti od tR2 -145 Wh/m² toplotni tok cevi -15.1 W/m temp. cevi 19.5 °C bilanca in -122 Wh/m² bilanca out -1 Wh/m²

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 71 -

Topli tok skozi cev je na začetku relativno velik, kar je posledica velikega padca temperature v steni cevi. Pri visoki površinski temperaturi in nizkem toplotnem toku je hlajenje gradbenega elementa na robu (površini) komaj opazno.

Temp. področje v °C po času τ = 20.00 h ------------------------------------------------------------

| j | i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | ------------------------------------------------------------

20| 21.5 21.5 21.5 21.5 21.5 21.6 21.6 21.6 21.6 21.6 21.6 | 18| 21.2 21.3 21.3 21.3 21.4 21.4 21.4 21.5 21.5 21.5 21.5 | 16| 20.9 21.0 21.0 21.1 21.1 21.2 21.3 21.3 21.3 21.3 21.3 | 14| 20.5 20.6 20.7 20.8 20.9 21.0 21.1 21.2 21.2 21.2 21.2 | 12| 19.7 20.0 20.3 20.6 20.8 20.9 21.0 21.1 21.2 21.2 21.2 | 10| 18.8 19.7 20.2 20.5 20.8 20.9 21.1 21.2 21.2 21.3 21.3 | 8| 20.3 20.5 20.7 20.8 21.0 21.1 21.2 21.3 21.4 21.4 21.4 | 6| 21.0 21.1 21.2 21.3 21.3 21.4 21.5 21.5 21.6 21.6 21.6 | 4| 21.6 21.6 21.6 21.7 21.7 21.8 21.8 21.8 21.9 21.9 21.9 | 2| 22.0 22.0 22.0 22.0 22.1 22.1 22.1 22.1 22.2 22.2 22.2 | 1| 22.2 22.2 22.2 22.2 22.2 22.3 22.3 22.3 22.3 22.3 22.3 | ------------------------------------------------------------

temperatura vode po času τ: 18.0 °C temperatura zgornjega prostora po času τ: 24.0 °C temperatura spodnjega prostora po času τ: 24.0 °C srednja površinska temp. zgornjega prostora: 21.6 °C srednja površinska temp. spodnjega prostora: 22.3 °C temp. tal v zgornjem prostoru: 22.8 °C ekstr. površ. temp. na spodnji strani plošče: 22.3 °C/ 22.4 °C spec. toplotni tok v spodnji prostor: -15.7 W/m² spec. toplotni tok na zgornji prostor: -8.2 W/m² akum. toplote v grad. elem. v odvisnosti od tR2 -576 Wh/m² toplotni tok cevi -8.7 W/m temp. cevi 18.8 °C bilanca in -776 Wh/m² bilanca out -293 Wh/m²

Toplotni tok v cevi se zmanjšuje, iz česar izvira tudi temperaturni padec v steni cevi. Hlajenje gradbenega elementa je na površini opazno. Tako je temperatura površine gradbenega elementa med 22 °C in 23 °C, opazen tudi toplotni tok. Akumulacija toplote – tukaj akumulacija hladu znaša –576 Wh/m2, to je skoraj 89 % od –645 Wh/m2 možnih.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 72 -

Temp. področje v °C po času τ = 40.00 h ------------------------------------------------------------

| j | i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | ------------------------------------------------------------

20| 21.1 21.1 21.1 21.1 21.2 21.2 21.2 21.2 21.2 21.3 21.3 | 18| 20.9 20.9 20.9 20.9 21.0 21.0 21.0 21.1 21.1 21.1 21.1 | 16| 20.6 20.6 20.6 20.7 20.8 20.8 20.9 20.9 20.9 20.9 20.9 | 14| 20.2 20.2 20.3 20.5 20.6 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 20.8 | 12| 19.4 19.7 20.0 20.2 20.4 20.6 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 | 10| 18.7 19.5 20.0 20.2 20.5 20.6 20.7 20.8 20.9 20.9 20.9 | 8| 20.1 20.2 20.4 20.6 20.7 20.8 20.9 21.0 21.0 21.0 21.0 | 6| 20.8 20.8 20.9 21.0 21.0 21.1 21.2 21.2 21.3 21.3 21.3 | 4| 21.3 21.3 21.3 21.4 21.4 21.5 21.5 21.5 21.6 21.6 21.6 | 2| 21.7 21.8 21.8 21.8 21.8 21.8 21.9 21.9 21.9 21.9 21.9 | 1| 22.0 22.0 22.0 22.0 22.0 22.0 22.1 22.1 22.1 22.1 22.1 | ------------------------------------------------------------

temperatura vode po času τ: 18.0 °C temperatura zgornjega prostora po času τ: 24.0 °C temperatura spodnjega prostora po času τ: 24.0 °C srednja površinska temp. zgornjega prostora: 21.2 °C srednja površinska temp. spodnjega prostora: 22.1 °C temp. tal v zgornjem prostoru: 22.6 °C ekstr. površ. temp. na spodnji strani plošče: 22.1 °C/ 22.2 °C spec. toplotni tok v spodnji prostor: -17.9 W/m² spec. toplotni tok na zgornji prostor: -9.5 W/m² akum. toplote v grad. elem. v odvisnosti od tR2 -644 Wh/m² toplotni tok cevi -7.7 W/m temp. cevi 18.7 °C bilanca in -1315 Wh/m² bilanca out -817 Wh/m²

Tukaj je doseženo stacionarno stanje. Sledi kontrola, v kolikšni meri se trenutne vrednosti v naslednjih desetih obratovalnih urah še spreminjajo.

Temp. področje v °C po času τ = 50.00 h ------------------------------------------------------------

| j | i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | ------------------------------------------------------------

20| 21.1 21.1 21.1 21.1 21.1 21.2 21.2 21.2 21.2 21.2 21.2 | 18| 20.8 20.8 20.9 20.9 20.9 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 | 16| 20.5 20.6 20.6 20.7 20.7 20.8 20.8 20.9 20.9 20.9 20.9 | 14| 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.7 20.8 20.8 20.8 | 12| 19.4 19.7 20.0 20.2 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8 20.8 20.8 | 10| 18.7 19.5 19.9 20.2 20.4 20.6 20.7 20.8 20.8 20.8 20.8 | 8| 20.1 20.2 20.4 20.5 20.7 20.8 20.9 20.9 21.0 21.0 21.0 | 6| 20.8 20.8 20.9 20.9 21.0 21.1 21.2 21.2 21.2 21.2 21.2 | 4| 21.3 21.3 21.3 21.4 21.4 21.4 21.5 21.5 21.5 21.5 21.5 | 2| 21.7 21.7 21.7 21.8 21.8 21.8 21.8 21.9 21.9 21.9 21.9 | 1| 21.9 21.9 22.0 22.0 22.0 22.0 22.0 22.0 22.1 22.1 22.1 | ------------------------------------------------------------

temperatura vode po času τ: 18.0 °C temperatura zgornjega prostora po času τ: 24.0 °C

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 73 -

temperatura spodnjega prostora po času τ: 24.0 °C srednja površinska temp. zgornjega prostora: 21.2 °C srednja površinska temp. spodnjega prostora: 22.1 °C temp. tal v zgornjem prostoru: 22.6 °C ekstr. površ. temp. na spodnji strani plošče: 22.0 °C/ 22.2 °C spec. toplotni tok v spodnji prostor: -18.1 W/m² spec. toplotni tok na zgornji prostor: -9.6 W/m² akum. toplote v grad. elem. v odvisnosti od tR2 -650 Wh/m² toplotni tok cevi -7.7 W/m temp. cevi 18.7 °C bilanca in -1571 Wh/m² bilanca out -1092 Wh/m²

Srednja površinska temperatura gradbenega elementa se v naslednjih urah ne bi smela več spreminjati. Sprememba toplotnega toka je sedaj zanemarljivega pomena. Tako lahko govorimo le o končnem stanju.

10.2 Grafični prikaz rezultatov

V nadaljevanju so prikazani nekateri rezultati izračuna v grafični obliki.

17,5

18,0

18,5

19,0

19,5

20,0

20,5

21,0

21,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

ra zda lja od sredine cevi v x smeri (cm)

te m

pe ra

tu ra

(° C)

cevna ravnina

Slika 10.3: Temperaturna porazdelitev v cevni ravnini AB plošče po korakih v x smeri za stacionarno stanje

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 74 -

21,6

20,6 20,3 20,2

21,221,2

22,122,1

23,8

22,3 22,5 22,6

23,9

22,8 22,6

20

20,5

21

21,5

22

22,5

23

23,5

24

24,5

0 10 20 30 40 50 60

čas (h)

te m

pe ra

tu ra

(° C)

z goraj

s podaj

cevna ravnina tla

Slika 10.4: Spremljanje spremembe srednje temperature na površini AB plošče, tal in cevni ravnini v odvisnosti od časa obratovanja

-15,7

-2,2 -8,2

-9,5 -9,6

-0,7

-18,1-17,9

-1,5

-23,9

-27,7-27,4

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0 0 10 20 30 40 50 60

čas (h)

sp ec

. t op

lo tn

i to

k (W

/m 2 )

navz gor navz dol s kupni

Slika 10.5: Spremljanje spremembe specifičnega toplotnega toka v odvisnosti od časa obratovanja

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 75 -

-576 -644

-650

-145

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0 0 10 20 30 40 50 60

ča s (h)

ak um

ul ac

ija (

W h/

m 2 )

Slika 10.6: Akumuliranje toplote v AB plošči v odvisnosti od časa obratovanja

10.3 Opis vsebine tehnične in tehnološke dokumentacije, ter montaža sistema

Po izračunu sledi izdelava tehnične dokumentacije kot so načrti, detajli ter popis materiala in del. Pri izdelavi načrtov se najprej pozicionirajo prenosniki ustreznih velikosti in oblik na točno določene pozicije, pri čemer mora biti vsak prenosnik označen s številko. Naslednji zelo pomemben korak je pozicioniranje razdelilnikov. Razdelilniki se pozicionirajo tako, da so razdalje cevi od prenosnika do razdelilnika približno enake. S tem ukrepom se zelo izenačijo tlačne razmere v posameznih zankah. Upoštevati se morajo tudi cone za preboje, kateri se izvedejo ob betoniranju. Zelo pomembno je, da se predvidijo cone za poznejšo izdelavo prebojev med morebitno obnovo čez 20 – 30 let, s tem preprečimo uničenje prenosnikov pri vrtanju ali rezanju betona.

Sistem TABJ je treba tudi tehnološko zelo dobro razdelati. V načrtih morajo biti prenosniki jasno označeni in jih potem posamezno obdelamo. Prenosniki se izdelajo za točno določeno pozicijo v AB plošči. Sestavljeni so iz cevi namenjenih za talno ogrevanje ter iz armaturnih mrež. Za vsak prenosnik se posebej izračuna dolžina cevi, seštejemo: dolžino v prenosniku in 2x dolžino od prenosnika do razdelilnika ter upoštevamo še nekaj rezerve ca. 3 m. Cevi se ne spajajo, zato se te dolžine posredujejo proizvajalcu cevi, kateri jih na proizvodnji liniji nareže na potrebne dolžine in jih seveda označi s številko kot je v načrtu.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 76 -

Sledi izbira ustreznih armaturnih mrež na katere se pritrdijo cevi. Kriterij za izbiro mrež je cevni razmik. V odvisnosti od cevnega razmika izberemo površino mreže, dimenzije palic in razmik med njimi, mreže se po potrebi obrežejo na potrebne dimenzije, kot so prikazane na načrtu. Sledi izdelava prenosnikov, na mreže se v delavnici pritrdijo cevi z PVC vezicami. Vsak prenosnik potem označimo z identično številko kot je na načrtu.

Slika 10.7: Prenosniki TAGS za vgradnjo v AB ploščo pred montažo

Sledi montaža na gradbišču, položena mora biti spodnja ˝pozitivna˝ plast armature, na katero se pritrdijo višinski distančniki t.i. ˝jahači˝. Na tako pripravljeno podlago se položijo v nevtralno cono AB plošče prej izdelani prenosniki toplote. Vgradijo se po pozicijah označenih na načrtu, na njih pa se položi še zgornja ˝negativna˝ armatura.

Slika 10.8: Prenosniki TAGS vgrajeni v armaturo AB plošče pred betoniranjem

Vse prenosnike priključimo na razdelilnike, jih napolnimo z vodo, in opravimo tlačni preizkus. Cevi morajo biti med betoniranjem pod tlakom, da lahko sproti spremljamo ter

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 77 -

ugotovimo morebitno preluknjanje. Tako lahko nastalo napako takoj odpravimo s press spojko, saj je kasnejše popravilo zelo drago oz. celo neizvedljivo.

Slika 10.9: Spremljanje tlaka v ceveh pred in med betoniranjem

Slika 10.10: Betoniranje AB plošče

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 78 -

Izkazalo se je, da je montaža na gradbišču dokaj hitra in enostavna. Izvajalec je imel le nekaj manjših težav pri vgradnji prenosnikov na kletni plošči, saj še nismo dobro poznali tehnologije pritrjevanja na osnovno armaturo. Montaža prenosnikov na ostalih štirih ploščah je potekala zelo hitro in rutinirano. Pri montaži in polnjenju toplotnih prenosnikov v zimskem času je potrebno sistem napolniti z mešanico voda–glikol, da ne pride do okvare prenosnikov, saj se takih prenosnikov ne da več popraviti. Po odstranitvi opažev se lahko začne montaža fiksnih razdelilnikov in polaganje sekundarnih cevnih razvodov. Pri izdelavi sekundarne cevne mreže je potrebno posvetiti pozornost izbiri materialov cevi, sistemu vezave cevi in izolaciji. Materiali, ki se uporabljajo za izvedbo cevnih razvodov so lahko: jeklo, baker, nerjaveče jeklo, polipropilen, PVC itd. Cevovodi so največkrat dvocevni, toda bolj ugoden je Tichelman sistem (s tremi cevmi), kateri se v zadnjem obdobju veliko uporablja. Debelino izolacije je potrebno izračunati glede na temperaturo medija v cevovodu in okoliško temperaturo. Izolacija mora biti difuzijsko zaporna, saj se poleti uporablja hladna voda. Razdelilniki imajo vgrajene nastavljive merilnike pretoka za vsak prenosnik posebej, zato se morajo v poizkusnem obratovanju nastaviti na izračunane pretoke po posameznih prenosnikih. Posebno pozornost je potrebno posvetiti tudi polnjenju in odzračenju sistema. Za montažo drugih inštalacij in spuščenih stropov pa se mora predpisati globina vrtanja lukenj v AB ploščo, to je nekje ca. 40 – 50 mm. Ob morebitnem globljem vrtanju lahko pride do preluknjanja cevi.

10.4 Grafični prikaz delovanja sistema na realnem primeru

V nadaljevanju je grafično prikazano obratovanje realnega sistema pod različnimi pogoji. Na spodnjih diagramih so bile spremljane naslednje temperature: zunanja, prostorska, talne in stropne AB plošče ter predtočne vode.

Legenda:

z ununanja temperatura

pros tors ka temperatura

temperatura talne ploš če

temperatura s tropne ploš če

temperatura predtoka

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 79 -

Slika 10.11: Spremljanje parametrov delovanja sistema dne, 30.7.2008

Slika 10.12: Spremljanje parametrov delovanja sistema dne, 1.8.2008

Slika 10.13: Spremljanje parametrov delovanja sistema dne, 22.8.2008

Iz zgoraj prikazanih diagramov lahko razberemo, da je obratuje sistema stacionarno, spreminja se le temperatura predtoka v odvisnosti od zunanje temperature. Prostorska temperatura minimalno niha in se nahaja znotraj priporočil standarda ISO EN 7730. Temperaturi talne in stropne plošče sta skoraj konstantni. Razvidno je, da ima stropna plošča

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 80 -

višjo temperaturo od talne, to pa zato, ker je stropna plošča tudi ravna streha in se zazna direktni vpliv zunanje temperature. Iz podatkov lahko razberemo, da je objekt dobro projektiran in pozneje tudi izveden tako z gradbeno fizikalnega kot tudi energetsko regulacijskega vidika. Sistem TABJ je dobro dimenzioniran in regulacijsko zelo dobro usklajen z drugimi inštalacijami, kar se iz grafičnega spremljanja sistema zelo dobro vidi. Objekt je prejel leta 2008 tudi nagrado GreenBuilding. Projekt ''GreenBuilding – izboljšanje energetske učinkovitosti nestanovanjskih stavb'' je sofinanciran s strani Evropske komisije v okviru programa Intelligent Energy Europe, IEE in direktorata za evropske zadeve in investicije, sektorja za aktivnosti učinkovite rabe in obnovljivih virov energije.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 81 -

11 Končna analiza sistema

11.1 Osnovna načela vrednotenja prihodnjih sistemov

Razvijati moramo termično aktivne gradbene sisteme, ki bodo služili efektivni uporabi tako v aktivnih kot pasivnih sistemih. Sistemi postajajo vedno bolj učinkoviti in izpopolnjeni. Z variacijo parametrov robnih pogojev lažje najdemo optimalno rešitev.

Za sistem veljajo naslednje pomembne predpostavke: • Temperaturna porazdelitev je v splošnem enaka tridimenzionalnemu nestacionarnemu

prevodu toplote v homogenem izotropno trdnem telesu. Pravilo, ki zadošča, je da prevod toplote v gradbenih elementih obravnavamo dvodimenzionalno, pri čemer smer pretoka v cevnem registru ni pomembna, zato upoštevamo srednjo delavno temperaturo medija. Raziskave na tem področju so pokazale, da veliki cevni razmiki niso primerni. Položaj cevi v gradbenem elementu in dimenzija cevnega registra v preseku gradbenega elementa imajo zelo pomemben vpliv pri temperaturni porazdelitvi, zato ju pri dimenzioniranju ne smemo spregledati.

• S program za stacionarni in nestacionarni toplotni tok moramo izračunati obliko in sestavo gradbenih slojev. Tako izračunani sestavi gradbenih slojev so dokazani na znanih primerih. Tak program mora znati kombinirati in koristno uporabiti različne gradbene elemente.

Za ovrednotenje in optimiranje sistema moramo določiti robne pogoje, da normiramo njegovo velikost. Pri debelini betonske plošče 300 mm dobimo na razpolago velik hranilnik toplote, katerega moramo glede na njegovo razpoložljivo kapaciteto hranjenja in dinamiko oddajanja energije optimalno izkoriščati. Važno pri tem je dejanska kapaciteta hranjenja energije:

• Fizikalno je mogoče, da za primer akumulacije toplote, kot osnovno temperaturo uporabljamo sobno temperaturo. Takrat je teoretično možno to energijo uporabiti.

• Interes toplotne tehnike je, da za hladilno moč površin uporabimo dovedeni in odvedeni toplotni tok. Veličina slednje je odvisna od kapacitivnosti gradbenih elementov in prostorske temperature. Sistem ima možnost dinamičnega delovanja, zna prilagoditi na spreminjajoče se obremenitve. Za dani prostor z definirano obremenitvijo in vnaprej predvidenim časovnim temperaturnim potekom predtočne hladilne vode lahko

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 82 -

izračunamo in uporabljamo različne kapacitete akumuliranja. Ponavadi sistem meji na zgornji in spodnji prostor, zato je časovni potek temperature odvisen od prostorske temperature zgornjega ϑ1 (τ) in spodnjega prostora ϑ2 (τ). V odvisnosti od ϑ1(τ) in ϑ2(τ) lahko definiramo temperaturni potek predtoka hladilne vode ϑw,h(τ), in obratovalni čas. Za te standardne pogoje se hladilna moč spreminja glede na časovno zaporedje.

Učinek različnih sistemov je objektivno primerljiv, kadar se podobno odzivajo na normiranem preizkusu.

11.2 Zaključek

Zavedanje, da je poraba energije in s tem posamezni vplivi na okolje, postaja vsak dan večja skrb človeštva. Kaj storiti pri koncipiranju objekta, da bi pripomogli k čim manjšemu obremenjevanju okolja, hkrati pa naj bi objekt deloval z najnižjimi možnimi stroški za porabo energije?

Odgovor ni preprost. Na tržišču se pojavlja veliko proizvajalcev energetsko varčne opreme, kjer vsak ponuja svojo, katera pa je samo delček celotnega mozaika funkcionalnega objekta, ki bi naj optimalno izrabljal energetske vire. Vsak energetsko varčni sistem ponuja energetsko varčno delovanje, kar pa še ne zagotavlja energetsko varčnega in energetsko optimiranega objekta. Zbrati je potrebno vso razpoložljivo znanje o energetsko varčnih sistemih, sodelovati pri nastanku arhitekturnega koncepta zgradbe ter se poglobiti v njeno funkcionalnost in končno izdelati koncept energetike.

Pri načrtovanju poslovnih stavb pa je vsekakor potrebno razmišljati o vgradnji TAGE. Z vgradnjo takšnega sistema lahko prihranimo že v sami investiciji, saj je sistem cenejši od npr. talnega ogrevanja. Pozneje, v obratovanju pa je sistem zelo varčen, saj obratuje s temperaturami zelo blizu prostorski temperaturi. Imamo možnost pasivnega hlajenja, to je hlajenje brez hladilnega agregata.

Nizkotemperaturno ogrevanje pozimi, visokotemperaturno hlajenje poleti ter možnost zelo velike akumulacije toplote pozimi in hladu poleti, pa nam daje odprte možnosti pri izbiri alternativnih virov ogrevanja in hlajenja. Tako delujejo toplotne črpalke ali hladilni agregati z zelo velikimi sistemskimi števili COP. S temi ukrepi lahko občutno zmanjšamo izpust toplogrednih plinov in s tem povezano globalno segrevanje.

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 83 -

12 Seznam uporabljenih virov

[1] Bernd Glück, Thermische Bauteilaktivierung. Heidelberg: C.F. Müller, Juli 1999. [2] Markus Koschenz, Beat Lehmann, Termoaktive Bauteilsysteme tabs.

Dübendorf: EMPA, Juli 2000. [3] Recknagel, Sprenger, Schramek, Čeperković. Grejanje i klimatizacija 05/06: 6. srbo-

hrvaška izdaja: Vrnjačka Banja: Interklima, 2004. [4] Zvonko Paić, Sustavi površinskog grijanja i hlađenja.

Zagreb: Energetika marketing d.o.o., 2002 [5] Bernd Glück, Bauteilheizung und Bauteilkühlung mit Maximum an Umweltenergie unter

besonderer Berücksichtigung des Einsatzes von Kapillarrohrmatten, Juli 1999 [6] ZENT-FRENGER – Tehnični katalog, Heppenheim, 2000. [7] Effizient kühlen und heizen über Bauteile: [svetovni splet], dostopno na WWW:

http://10.10.1.4/energie/themen/bautechnik/bauteilk/index.htm [18.9.2008] [8] Toplotno ugodje: [svetovni splet], dostopno na WWW:

http://www.energetik.ws/viewPage/55/60 [24.9.2008] [9] Zagotavljanje ugodnega bivanja v nizkoenergijski in pasivni hiši: [svetovni splet],

dostopno na WWW: http://www.energetika.net/portal/index.html?ctrl:id=page.default.counsel&ctrl:type=ren der&ec%3Adet=29301&en%3Aref=re [29.9.2008]

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 84 -

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 85 -

13 Priloge 13.1 Priloga 1: Življenjepis

Leon Cimerman Zabovci 63 2282 Markovci

Spodaj podpisani Leon Cimerman sem rojen 22. 8. 1979 na Ptuju. Sem državljan Republike Slovenije. Obiskoval sem osnovno šolo Videm pri Ptuju, v letih 1986 – 1994. V letih 1994 – 1997 sem se šolal na Srednji kovinarski strojni in metalurški šoli v Mariboru, za poklic preoblikovalec in spajalec kovin. V letih 1997 – 1999 sem nadaljeval šolanje, na predhodno omenjeni šoli, za poklic strojni tehnik.

Leta 1999 sem se vpisal na Fakulteto za strojništvo v visokošolski strokovni študij Strojništva, katerega zaključujem z diplomo, v kateri je kot priloga ta življenjepis. V času študijskih počitnic sem leta 2000 opravljal strokovno prakso 1 na podjetju Projekta inženiring Ptuj d.o.o.. Podjetje se ukvarja s projektiranjem in inženiringom v gradbeništvu. Moje delo na podjetju je bilo obdelava tehnične dokumentacije strojnih inštalacij. Med leti 2001 – 2005 sem delal kot zunanji sodelavec na podjetju Menerga d.o.o., kot obdelovalec projektne dokumentacije strojnih inštalacij. Podjetje se ukvarja z trženjem visokokvalitetnih in energetsko varčnih klimatskih naprav, izdelavo in programiranjem DDC in CNS sistemov, energetskim svetovanjem in projektiranjem strojnih inštalacij. Leta 2005 sem se redno zaposlil na zgoraj omenjenem podjetju, kot projektant II.

podpis Zabovci 10.11.2008