Katedra technických zařízení budov K11125

Transkript

České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, katedra technických zařízení budov
MOŽNOSTI MODELOVÁNÍ
SYSTÉMŮ VZDUCHOTECHNIKY
- přednáška z předmětu TZ31 -
Ing. Adamovský Daniel, Ph.D.
katedra technických zařízení budov
[email protected]
Osnova...
• Základní přístup
• Dělení nástrojů
• Příklady
Základní přístup
• Postup při řešení problému
- analýza problému
- tvorba modelu a vyladění
- simulace
- analýza výsledků
• Analýza problému
– vždy musíte jasně definovat problém
– žádný sebevíce sofistikovaný nástroj vám
nedá odpovědi na všechny otázky najednou
– čím hlubší analýzu problému uděláte, tím si
ušetříte čas při tvorbě modelu a analýze
výsledků (s ohledem na význam
očekávaných výsledků)
– v této fázi lze nejlépe zvolit vhodný nástroj
Think
twice
• Tvorba modelu
– komplikovanější model neznamená vždy
přesnější výsledky
– překomplikovaný model obvykle znamená
znepřehlednění problému
• Při tvorbě musíte vhodně:
– zvolit míru detailu
– zvolit šíři problému
– (obvykle není vhodné kombinovat široké
pojetí problému s vysokou mírou detailu)
• Časový krok výpočtu
– důležité stejně jako detail modelu samotného
– nejčastěji hodinový, denní, měsíční krok
– pokud provádíme tzv. dynamické výpočty obvykle
se časový krok zkracuje
– (výpočet probíhá staticky pro každý časový krok samostatně
v zadaném počtu iterací ze vstupních údajů vycházejících z
předchozího kroku – pozor chyba v modelu se v každém
kroku násobí)
• Vyladění modelu
– důležité je alespoň rámcově vědět v jakém
rozsahu očekáváme výsledky
– při tvorbě modelu je mnohdy vhodné postupovat
od jednoduššího ke složitějšímu návrhu modelu –
s průběžnou kontrolou výsledků
– kalibrace modelu
– ideálně s měřenými hodnotami (nelze očekávat
striktní shodu) – možná v malém množství
případů
– použití jiné výpočetní metody (klidně
jednodušší)
– posouzení citlivosti modelu na změnu parametrů
• Simulace
– obvykle ve více úrovních (v různé fázi tvorby
modelu)
– složitostí modelu a délkou časového kroku
rostou nároky na výpočetní hardware a čas
výpočtu
– vhodné vybrat pouze výstupy nutné pro
vyřešení problému (často můžete získat tisíce
nepotřebných výsledků)
• Analýza výsledků
– vybereme požadované výsledky
– výsledky musíme hodnotit v souvislostech
zadání a modelu
– nesmíme zapomínat, že počítáme „umělý“
stav, (výsledky se mohou lišit od skutečnosti – např.
zejména výpočty spotřeb energie)
40,0
20,0
Tepelné zisky, chladící výkon [kW]
-nízké zkreslení lze zanedbat
pokud posuzujeme vůči sobě
varianty řešení za stejných
okrajových podmínek – chyba
proti reálu je stejná ve všech
případech
0,0
0:00
-20,0
-40,0
-60,0
-80,0
-100,0
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
14:00
Prosklené konstrukce
Neprůsvitné konstrukce
Infiltrace
Osvětlení
Osoby
Solární tepelné zisky
Chladící výkon
16:00
18:00
20:00
22:00
0:00
Rozdělení nástrojů
• dle složitosti přístupu
– „ruční“ výpočet (MS Excell, MathCad)
• využití běžného nástroje a vlastní metodiky
– jednoduché nástroje (Contam, TSol...)
• obvykle specializované
– komplexní nástroje (Trnsys, ESP-r, Flovent)
• umožňují řešení široké řady problémů
- „mezní“ kategorie (DesignBuilder)
• napůl cesty mezi jednoduchým a komplexním nástrojem
Přehled existujících nástrojů:
http://www.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/
Rozdělení nástrojů
• dle zaměření
– vnitřní prostředí – Contam, ESP-r
– proudění tekutin, sdílení tepla – Flovent,
Fluent, ESP-r
– energetické systémy – Trnsys, TSol
– komplexní pohled na budovu - DesignBuilder
Přehled existujících nástrojů:
http://www.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/
Seznam příkladů
• Posouzení účinnosti výměníků ZZT pomocí
metody exergií – ruční výpočet
• Možnosti posouzení vývoje kvality vntřního
prostředí – jednoduchý nástroj Contam
• Stanovení energetické náročnosti multifunkční
budovy – mezní nástroj DesignBuilder
• Posouzení ročního provozu vzduchotechnické
jednotky – komplexní nástroj Trnsys
• Simulace vnějšího proudění větru na obytný
soubor – komplexní nástroj Flovent
Cílem je poukázat na možnosti různých nástrojů při řešení technických
problémů více či méně obvyklých
Posouzení účinnosti výměníků
ZZT pomocí metody exergií
tepelných toků
Příklad č.1 – „ruční“ výpočet
Co to je exergie?
qa
T
a=qa-qb
qb
T1
The part of the heat qb
defined by the different
T1 - T0 is also utilisible.
T0
Unutilisable heat
s
T0 - temperature of the surround
T,T1 - boundary temperatures of a cycle
an energy is always exergy or anergy
práce a + “potenciál
práce“ v ztrátě qb
T
A cycle running between
the temperatures T and
T1 is able to transform
only a part of the heat qa
to work a, the remaining
heat qb lose.
EXERGY
Co je EXERGIE?
Exergie tepelného toku je maximum energie, které lze přeměnit
na práci s ohledem na I. a II. zákon termodynamiky.
ANERGY
Výhody metody založené na
exergii tepelných toků
výměník ZZT obvykle navržen dle bilance energií (1.Z.T.) – při
hodnocení stejným parametrem vykazuje vysoké účinnosti,

jiný pohled - 2.Z.T. + nevratnost reálných procesů a vše vypadá
jinak,

exergie reprezentuje “využitelnou” energii přeměnitelnou na práci,

možnost sledovat transformace energie,
možnost porovnat různé tepelné toky, práci apod. na společném
základě,

stanovení exergie ztrátového tepelného toku z celkové bilance
exergií – úroveň “mrhání“ energie,

definice vzdálenosti reálného procesu od ideálního vratného
procesu,

Vyhodnocené výměníky
Laboratorní měření:

Deskový výměník
součást jednotky Duplex 600,
křížový směr proudů vzduchu,
těleso výměníku z retardovaného plastu,
max. objemový tok ochlazovaného a ohřívaného vzduchu: 600 m3/h,
rozměry jednotky 610 mm x 330 mm x 1300 mm,
hmotnost 65 kg,

te2;he2;xe2;
1
κ =Vi/Ve
Vi =147,48 m3/h
=1,02
Ve =144,76 m3/h
2
κ =Vi/Ve
Vi =299,48 m3/h
=0,873
Ve =342,91 m3/h
3
κ =Vi/Ve
Vi =323,91 m3/h
=2,8
Ve =115,81 m3/h
Cooled air
Heated air
te1;he1;xe1;
ve
ti1;hi1;xi1;
vi
ti2;hi2;xi2
Laboratorní měření:

Výměník z gravitačních tepelných trubic
max. objemový tok ochlazovaného a ohřívaného vzduchu: 7000 m3/h,
rozměry výměníku:
1700 mm x 410 mm x 700 mm,
vytlačované hliníkové trubky,
žebrované trubky 25 / 53 mm,,
činná délka trubic 1 450 mm,
počet trubic 6 řad x 8 trubic,
rozteč trubic 62 mm,
hmotnost 119 kg,

1
κ =1,12
Vi =490,39 m3/h
Ve =437,91 m3/h
2
κ = 1,19
Vi =225,29 m3/h
Ve =190,00 m3/h
3
κ = 2,85
Vi =471,39 m3/h
Ve =165,57 m3/h
zpracováno s podporou VZ03 CEZ MSM6840770003 Rozvoj algoritmů počítačových simulací v inženýrství
Provozní měření:

Deskový výměník
větrací systém veřejného bazénu,
součást sestavné jednotky AT 20x16 AL-KO Lufttechnik,
křížový směr proudů vzduchu,
těleso výměníku je vyrobeno z hliníku,
maximální objemový tok přiváděného a odváděného vzduchu: 17000
a 18 000 m3/h,
t ;h ;x ;
rozměry výměníku:
1200 mm x 1200 mm x 1000 mm,

e2
1
=1,016
Vi =15 812 m3/h
e2
Cooled air
Heated air
κ =Vi/Ve
e2
te1;he1;xe1;
ve
ti1;hi1;xi1;
vi
Ve =15 568 m3/h
ti2;hi2;xi2
Bilance exergií tepelných toků
výměníku
Ee1 + Ei1 = Ei2 + Ee2 + ∆E
Ee1 – exergie tepelného toku vstupního ohřívaného vzduchu [W],
Ei1 – exergie tepelného toku vstupního ochlazovaného vzduchu [W],
Ei2 – exergie tepelného toku výstupního ochlazovaného vzduchu [W],
Ee2 – exergie tepelného toku výstupního ohřívaného vzduchu [W],
te1;he1;xe1;
Ve
ti1;hi1;xi1;
Vi
[W]
ší
ěj dí
vn stře
o
pr
V⋅ρ
⎛ Te1 ⎞
(
)
E=
h − he1 ⋅ ⎜ 1 − ⎟
(1 + x )
T ⎠
⎝
te2;he2;xe2;
Ve
ní í
itř ed
vn stř
o
pr
∆E – exergie ztrátového tepelného toku [W].
ti2;hi2;xi2;
Vi
Bilance exergií tepelných toků
výměníku
Ee1 + Ei1 = Ei2 + Ee2 + ∆E
Ee1 – exergie tepelného toku vstupního ohřívaného vzduchu [W],
Ei1 – exergie tepelného toku vstupního ochlazovaného vzduchu [W],
Ei2 – exergie tepelného toku výstupního ochlazovaného vzduchu [W],
Ee2 – exergie tepelného toku výstupního ohřívaného vzduchu [W],
∆E – exergie ztrátového tepelného toku [W].
- definuje úroveň využití a ztrát energie
ti1;hi1;xi1;
Vi
[W]
ší
ěj dí
vn stře
o
pr
V⋅ρ
⎛ Te1 ⎞
(
)
E=
h − he1 ⋅ ⎜ 1 − ⎟
(1 + x )
T ⎠
⎝
te1;he1;xe1;
Ve
ní í
itř ed
vn stř
o
pr
te2;he2;xe2;
Ve
ti2;hi2;xi2;
Vi
Účinnosti
Exergetická účinnost přenosu tepla z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu ηex,p
E − Ee1
Definuje účinnost přenosu tepla z ochlazovaného proudu
ηex, p = e2
vzduchu přes teplosměnné plochy do ohřívaného proudu
Ei1 − Ei2
vzduchu
Exergetická účinnost využití tepla z ochlazovaného vzduchu ηex,i
ηex,i
E − Ei2
E
= i1
= 1 − i2
Ei1
Ei1
Celková exergetická účinnost ηex,c
ηex,c = ηex, p ⋅ ηex,i =
Definuje pokles exergie tepelného toku
ochlazovaného proudu vzduchu (pokles exergie
ochlazovaného proudu na teplosměnných plochách
/ exergie na vstupu do výměníku)
Ee2 − Ee1
Ei1
Teplotní účinnost výměníku ηt při poměru objemových toků κ = Vi . Ve-1 = 1
ηt =
te2 − te1
ti1 − te1
Výsledky vyhodnocení
0,8
Laboratorně
měřený
deskový
výměník
0,7
2
-ηex,i
4
-ηt
1
-ηex,p
3
-ηex,c
0,6
η [-]
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
9
10
11
12
13
14
15
16
∆Ti,e1 [K]
17
18
19
20
21
22
23
Závislost změny exergetických a teplotní účinnosti deskového výměníku na rozdílu vstupních teplot, κ = 1,02.
1. Exergetická účinnost přenosu tepla z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu ηex,p
2. Exergetická účinnost využití tepla z ochlazovaného vzduchu ηex,i
3. Celková exergetická účinnost ηex,c
4. Teplotní účinnost ηt
S rostoucí ∆Ti,e1 :
• roste přenášený tepelný tok mezi
proudy vzduchu,
• roste rozdíl mezi exergiemi
ochlazovaného proudu vzduchu na
vstupu Ei1 a výstupu Ei2
• klesá účinnost (1) přenosu tepla z
ochlazovaného do ohřívaného
vzduchu ηex,p
0,8
0,7
2
0,6
η [-]
0,5
0,4
4
0,3
0,2
ηex, p =
1
3
0,1
0
9
11
13
15
17
∆T i,e1 [K]
κ = Vi / Ve = 1,02.
19
21
23
Ee2 − Ee1
Ei1 − Ei2
• roste účinnost (2) využití tepla z
ochlazovaného vzduchu ηex,i
ηex,i =
4. Teplotní účinnost ηt
Ei1 − Ei2
E
= 1 − i2
Ei1
Ei1
1
Laboratorně
měřený
deskový
výměník
0,9
2 -ηex,i
0,8
0,7
Z pohledu ohřívaného proudu vzduchu
využijeme maximum energie sdělené z
ochlazovaného proudu vzduchu
η [-]
0,6
0,5
0,4
Na druhou stranu ochlazovaný proud vzduchu
předá naprosté minimum
0,3
0,2
1 -ηex,p
0,1
3
0
7
8
9
10
11
12
13
14 15 16
∆T i,e1 [K]
17
18
19
20
21
22
23
24
Závislost změny exergetických a teplotní účinnosti deskového výměníku na rozdílu vstupních teplot, κ = 2,8.
0,6
Laboratorní
měření
0,5
η ex,c [-]
0,4
Trubice, κ = 1,12
0,3
0,2
Deskový, κ = 1,02
0,1
Trubice, κ = 2,85
Deskový, κ = 2,8
0,0
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
∆ Ti,e1 [K]
Porovnání průběhu celkových exergetických účinností v závislosti na rozdílu vstupních teplot
vzduchu pro deskový a výměník z tepelných trubic
Téměř rovnoobjemový provoz – červené křivky
Provoz s výrazným přebytkem ochlazovaného proudu vzduchu – modré křivky
0,8
Laboratorní
měření
η t Trubice
0,7
0,6
η ex,c Trubice
η t Deskový
η [-]
0,5
0,4
0,3
η ex,c Deskový
0,2
0,1
0,0
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
∆ Ti,e1 [K]
Porovnání teplotních účinností a celkových exergetických účinností v závislosti na rozdílu vstupních
teplot vzduchu ∆Ti,e1 pro deskový a výměník z tepelných trubic při rovnokapacitním provozu
Celková exergetická účinnost ηex,c - modré křivky
Teplotní účinnost ηt – červené křivky
κ = 1,02
PROVOZNÍ MĚŘENÍ
κ = 1,016
LABORATORNÍ MĚŘENÍ
Diagramy exergií
tepelných toků
zkoušených
výměníků
κ = 2,8
κ = 1,12
κ = 2,85
Závěr exergetické analýzy
Exergetická analýza prokázala:

exergetická účinnost využití tepla z ochlazovaného vzduchu ηex,i stoupá s rozdílem
vstupních teplot vzduchu ∆Ti,e1,
exergetická účinnost přenosu tepla z ochlazovaného do ohřívaného vzduchu ηex,p klesá
s rozdílem vstupních teplot vzduchu ∆Ti,e1,
všechny exergetické účinnosti s rostoucím κ = Vi.Ve-1 klesají,
závislost mezi teplotní účinností výměníku ηt a celkovou exergetickou účinností
výměníku ηex,c lze vyjádřit vztahem
ηex,c =

1 Ti1 2
⋅
⋅ ηt
κ Te2
exergie ztrátového tepelného toku ∆E strmě roste s stoupajícím rozdílem ∆Ti,e1,
exergie ztrátového tepelného toku ∆E se zvyšuje pokud κ = Vi.Ve-1 je různé od 1.
exergie ztrátového tepelného toku ∆E je při stejném rozdílu teplot ∆Ti,e1 nižší při vyšších
teplotách a vyšší při nižších teplotách,
exergie ztrátového tepelného toku tvoří při všech měřených stavech výrazný podíl z
celkové bilance, většinou přesahující 50 %.
Možnosti posouzení vývoje
kvality vnitřního prostředí
Příklad č.2 – jednoduchý nástroj Contam
Škodliviny v obytných prostorech
• Kvalita vnitřního prostředí závisí na
mnoha faktorech:
– kvalita venkovního vzduchu
– množství vzduchu na osobu
– násobnost výměny
– systém větrání
– produkce škodlivin
jedním
z nejvhodnějších
nástrojůovlivňující
na posouzení stavu
vnitřního
•
Hlavní
škodliviny
kvalitu
prostředí a simulace průběhu změn v čase je program Contam
vnitřního vzduchu:
oxid uhličitý CO
oxid uhelnatý
CONTAM 2.4
• Contam - multizónový
(uzlový) model pro analýzu
proudění vzduchu a transport
škodlivin.
• Contam se skládá ze dvou
komponent:
– grafického interface pro
uživatele (GUI)
– simulačního nástroje
CONTAM 2.4
• Grafický interface umožňuje:
•
•
•
•
•
•
•
•
schematické znázornění disposice, které
reprezentují jednotlivá podlaží budov.
znázorňovat stěny,
vzduchotechnické potrubí
zjednodušenou regulační sít.
Dále je možné zakreslovat ikony:
reprezentující stavební prvky jako cesty proudění
vzduchu tj. otvory (okna a dveře),
zdroje škodlivin a obyvatele.
Po zakreslení dispozice a všech stavebních prvků
jsou všechny tyto informace předány do
simulačního nástroje, který počítá tlaky
v jednotlivých zónách, množství proudícího
vzduchu a koncentrace škodlivin
Okno
Zdroj
škodliviny
Popis
zón
Zdroj
škodliviny
VZT potrubí pro
přívod vzduchu
Popis
zón
Dveře
VZT potrubí pro
odvod vzduchu
Cirkulace
CONTAM 2.4
• Pro modelování koncentrací škodlivin je potřeba nejprve zadat
škodlivinu samotnou.
• Ta se definuje:
–
–
–
–
molární hmotností,
hustotou,
měrnou plynovou konstantou
koncentrací ve vnějším prostředí.
• Pak se dají zadat zdroje škodlivin s jejich produkcí.
• Časové plány umožňují zadat dobu působení škodliviny, či
provoz vzduchotechniky.
CONTAM 2.4
• Contam 2.4 umožňuje několik druhů simulací nejen pro
proudění vzduchu, ale i pro určení průběhu koncentrací škodlivin
v čase. Lze zvolit simulaci pro ustálené podmínky:
• steady – simuluje ustálený stav, nebo
pro proměnlivé podmínky
• transient – simuluje určitý zvolený
časový úsek a může tak zjistit průběh
hodnot škodlivin
• cyclic – opakuje 24 hodinová cyklus,
dokud není ve všech zónách dosaženo
rovnovážného stavu.
CONTAM 2.4
koncentrace CO2 [ppm]
Náhled výsledků výpočtu:
čas [h]
Stanovení energetické náročnosti
multifunkční budovy
Příklad č.3 – „mezní“ nástroj DesignBuilder
Představení programu
• Složení programu
– DesignBuilder – 3D grafické interface
– EnergyPlus – výpočetní jádro pro dynamické simulace
• Co lze očekávat
– Výpočet spotřeby energie budovy
– Výpočet výkonu zdrojů
• Tepelný zdroj – zimní výpočtové podmínky
• Zdroj chladu – letní výpočtové podmínky
– Jednoduché vizualizace budovy
Představení programu
• Co lze očekávat
– Průběh vnitřních a vnějších tepelných zisků
• Definovaný krok (hodina, den, měsíc, rok)
• Průběh chladícího výkonu
– Průběh tepelných ztrát
• Definovaný krok (hodina, den, měsíc, rok)
• Průběh dodávky tepla
– Průběh vnitřních teplot
• Operativní teplota
• Střední radiační teplota
• Teplota vzduchu
Zadávání budovy
• Princip
– Základní jednotka – blok – skládáním bloků sestavíte
budovu
– Blok definuje podlaží (příp. část)
– Dělení bloku – Zóny
– Zóny – zadáváno využití prostoru
Zadávání budovy
List
Activity
Šablona aktivity v zóně
Obsazení
Metabolické
teplo
Parametry
vnitřního
prostředí
Výstup výpočtů
• Objekt:
– Polyfunkční dům na Slunečném náměstí Praha 13
Výstup výpočtů
• Příklad výsledků pro jednu ze sedmi zón
A – Garáže (3.PP – 1.PP)
B – Restaurace (1.NP)
C – Zábavní centrum (1.NP)
D – Komerční prostory (1., 2.NP)
E – Kanceláře (3. – 5.NP)
F – Byty standardní (3. – 17.NP)
G – Byty nadstandardní (18.NP – 21.NP)
Název zóny
Provozní
doba
Počet lidí
Podlahová
plocha
Objem
Požadavek
chlazení
celý den
220 stání
9 300 m2
23 250 m3
Ne
9.00 – 23.00
20
374 m2
1 496 m3
Ano
10.00 - 24.00
40
867 m2
3 468 m3
Ano
Komerční
prostory
9.00 – 18.00
500
4 246 m2
15 544 m3
Ano
E
Kanceláře
8.00 – 18.00
150
1 868 m2
6 540 m3
Ano
F
Byty
standard
celý den
640
12 790 m2
38 370 m3
Ne
G
Byty
nadstandard
celý den
190
3 790 m2
11 380 m3
Ano
A
Garáže
B
Restaurace
C
Zábavní
centrum
D
Výstup výpočtů
• Rozmístění kanceláří po objektu
Výstup výpočtů
Vstupní údaje
klimatické údaje: Praha Ruzyně
Klimatická databáze: CZE_PRAGUE_IWEC.epw
Parametry
Zima
Léto
Teplota suchého teploměru
- 15°C
+ 32°C
Teplota vlhkého teploměru
- 16°C
+ 20°C
Entalpie vzduchu
- 16,2 kJkg-1
+ 58 kJkg-1
Relativní vlhkost vzduchu
98 %
32 %
Absolutní vlhkost vzduchu
0,8 g.kg-1
10,5 g.kg-1
Průměrné rozpětí středních
suchých teplot
5K
9K
Výstup výpočtů
• Zimní návrhové podmínky
400,0
7; 334,3kW
1 Prosklení
2 Obvodové zdi
4 Střecha
5 Infiltrace
100,0
6 Větrání
7 Tepelný příkon
6; -262,0k W
1; -39,4kW
-100,0
5; -27,0k W
3; 0,6kW
0,0
-200,0
Relativní vlhkost
3 Vnitřní konstrukce
4; -2,3k W
Teplota
venkovního
vzduchu
200,0
2; -4,5k W
Radiační
teplota
300,0
Operativní
teplota
T e p e ln é zis k y , ztrá ty [k W ]
Teplota
vzduchu
-300,0
Tepelné ztráty a zisky v zóně
Kanceláře při zimních návrhových
podmínkách
Průměrné teploty v zóně Kanceláře při
zimních návrhových podmínkách
- průměr teplot pro všechny kanceláře
- součet tepelných ztrát (zisků) pro
všechny kanceláře
Výstup výpočtů
• Letní návrhové podmínky
40,0
Radiační
teplota
20,0
Tepelné zisky, chladící výkon [kW]
Operativní
teplota
Teplota
vzduchu
Teplota venkovního
vzduchu
Relativní vlhkost
0,0
0:00
-20,0
-40,0
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00 12:00
14:00 16:00 18:00 20:00
22:00
0:00
Prosklené konstrukce
Neprůsvitné konstrukce
Infiltrace
Osvětlení
Osoby
Solární tepelné zisky
Chladící výkon
-60,0
-80,0
-100,0
Průměrné teploty v zóně Kanceláře při
letních návrhových podmínkách
- průměr teplot pro všechny kanceláře
Tepelné ztráty a zisky v zóně
Kanceláře při zimních návrhových
podmínkách
- součet tepelných ztrát (zisků) pro
všechny kanceláře
Výstup výpočtů

Celoroční bilance tepelných ztrát a zisků
Souhrn příkonů, tepelných ztrát, zisků a ročních potřeb energie
Výstup výpočtů

Celoroční bilance tepelných ztrát a zisků
Roční průběh teplot, tepelných zisků a ztrát v jedné z kanceláří
Výstup výpočtů
El.energie
zdroje chladu
Vytápění
(zemní plyn)
Elektrická
energie
Celoroční bilance spotřeby energie
Teplá voda
(zemní plyn)

Roční průběh spotřeby energií v celé budově
Posouzení ročního provozu
vzduchotechnické jednotky
Příklad č.4 – komplexní nástroj Trnsys
Cíle analýzy provozu
Rozbor energetického přínosu rekuperačního výměníku
ve větracím systému při celoročním provozu
Posouzení energetického přínosu při různých
účinnostech

Výpočet výstupních teplot z rekuperačního výměníku při
různých účinnostech
Výpočet rekuperované energie výměníkem
Výpočet energie potřebné na dohřev vzduchu

Důležité vstupní údaje modelu

Klimatická data – Praha (CZ-Praha-115180.tm2) původem z Ashrae
World Climate Design Data Handbook
Vstupní data zóny bazénu

Vstupní data vzduchotechnické jednotky

Hmotnostní průtok přiváděného vzduchu 5,18 kg/s
Cílová teplota v prostoru 26 °C
Teplotní vodivost obálky zóny 1 100 W/K
Tepelná ztráta odparem z vodní hladiny 30 kW
Teplotní účinnosti: 30 %, 42,3 %, 50 %, 60 %
Provozní doba jednotky 7.00 až 21.00
Instalovaný výkon dohřevu vzduchu 150 kW
Maximální teplota přiváděného vzduchu 35 °C
Obtok rekuperačního výměníku při te nad 20 °C
Vstupní data simulace

Doba trvání 8 760 hodin
Krok výpočtu 1 hodina
Výpočetní model
Náhled modelu (Trnsys v.16):
Prvky modelu:
Type109
model načítání klimatických dat, použity
data pro Prahu [2]
Type5f
Model křížoproudého výměníku,
konstantní účinnost, sdílení pouze
citelného tepla
Type6
model ohřevu vzduchu, výkon 150 kW,
výstupní teplota max. 35 °C
Type12a
jednozónový model prostoru bazénu
Type3a
model ventilátoru
Type11e
Type11c
0,54
0,52
rozdělení, sloučení proudů vzduchu,
model obtoku deskového výměníku
Type2a
regulace type 11e, 11c, přepnutí proudu
vzduchu při te = 20°C
Type14h
řízení doby provozu jednotky
Type8
termostat, řízení dohřevu podle teploty v
zóně
Type25
výstupy výsledků do textových souborů
Type65
výstup výsledků na obrazovku
0,50
η [-]
0,48
0,46
0,465
Střední hodnota
účinnosti 0,423
0,44
0,42
0,40
0,38
0,405
0,36
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
∆T i,e [K]
Model používá parametr NTU (Kays, London)
-Účinnost rekuperace = teplotní účinnost
-Není počítán vliv vázaného tepla
Výsledky analýzy provozu
25
Výstupní
teploty z
výměníku
teplota t [°C]
- Měřená
účinnost -
20
15
10
5
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
průběh v roce [h]
Průběh výstupních teplot vzduchu z výměníku během roku při měřené účinnosti 42,3 %.
(čárkovaná, červená čára – ochlazovaný proud vzduchu; plná, modrá čára – ohřívaný, venkovní proud
vzduchu)
Výstupní
teploty z
výměníku
30 % ochlazovaný
- Všechny
účinnosti -
60 % ohřívaný
S rostoucí
účinností
klesá rozdíl
mezi
výstupními
teplotami
50 %
60 % ochlazovaný
30 % ohřívaný
Roční průběh výstupních teplot vzduchu z výměníku pro různé teplotní účinnosti.
(přerušovaná čára – ochlazovaný proud vzduchu, plná čára – ohřívaný proud vzduchu)
1,2 – 30 %,
3,4 – 42,3 %,
5,6 – 50 %,
7,8 – 60 %
Energie
výměník
+
dohřev
- Všechny
účinnosti -
Účinnost
Výměník*
Dohřev*
30 %
1 020 kWh/den
2 680 kWh/den
42,3 %
1 433 kWh/den
2 267 kWh/den
50 %
1 700 kWh/den
2 000 kWh/den
60 %
2 042 kWh/den
1 724 kWh/den
*platí pro den s extrémními klimatickými podmínkami
… a klesá
množství
energie na
dohřev vzduchu
S rostoucí
účinností roste
množství
energie zpětně
získané
výměníkem …
Průběh středních hodnot energie přenesené deskovým výměníkem a energie dodané dohřevem v roce pro
různé teplotní účinnosti.
(plná čára – výměník , čárkovaná čára – dohřev)
1,2 – 30 %,
3,4 – 42,3 %,
5,6 – 50 %,
7,8 – 60 %
600000
Energie
výměník
+
dohřev
533365 kWh
500000
277268 kWh
422569 kWh
200000
231875 kWh
300000
166407 kWh
- Všechny
účinnosti -
energie [kWh]
400000
332910 kWh
462015 kWh
367080 kWh
100000
0
30%
42,3%
50%
60%
teplotní účinnost [%]
Celoroční množství energie zpětně získané ve výměníku a energie dodané dohřevem pro
různé teplotní účinnosti.
(bílé sloupce – výměník , černé sloupce – dohřev)
Závěr analýzy provozu
Analýza provozu prokázala:

s vyšší účinností roste výstupní teplota ohřívaného
proudu vzduchu,
klesá výstupní teplota ochlazovaného proudu vzduchu,
poměr růstu, poklesu teplot na účinnosti je lineární,
s vyšší účinností klesá potřeba energie na dohřev,
výrazný vliv na celkovou roční spotřebu energie snížení tepelné ztráty větráním,
nižší instalovaný výkon zařízení pro dohřev vzduchu
195 kW při účinnosti 30 %
155 kW při účinnosti 42,3 %

Simulace vlivu účinků vnějšího
proudění větru na soubor
obytných domů
Příklad č.5 – komplexní nástroj Flovent
autor: Ing. Miroslav Urban
Nové řešení lokality
Řešený objekt
Působení větru – STAV I
rušná komunikace
– zdroj emisí
STAV I
uref = 8 m/s, směr větru 349°,
Působení větru – STAV II
rušná komunikace
– zdroj emisí
STAV II
uref = 8 m/s, směr větru 248°,
Řešení
• Prostředek : CFD SW Flovent
• Cíl: Vystavení modelu obytného souboru
účinkům kvazistatického působení větru
• Definice okrajových podmínek
– Geometrie budov
– Působení větru
Cíl
Popis prací:
• vytvoření CFD modelu celku obytného souboru
zahrnující okolní zástavbu;
• 2x simulace stavu proudění uvnitř uzavřeného
areálu
– 2 směry působení větru - nejnepříznivější
stavy odvozené z místních podmínek
– posouzení vlivu na stav uvnitř obytného
souboru
Model - vítr
• Vítr – definován jako MVA (mezní vrstva
atmosféry)
- nepravidelný, neuspořádaný turbulentní tok
- Logaritmický rychlostní profil MVA
-
Střední rychlost větru
Kinetická energie
Rychlost disipace
Intenzita turbulence
Směr působení
[m/s]
[1/W]
[J/kg]
[%]
[°]
FLOVENT – geometrie budov
FLOVENT – model
• MŘÍŽKA
– V závislosti na míře přesnosti
• Základní mřížka
• Podružné mřížky
– Celkově pro zástavbu
– Řešenou oblast v dané lokalitě
– Precizace míst v dané oblasti
• Charakteristika modelu
– Turbulentní model proudění
• Obsahuje numerický LVEL K-e model
• Model proudění
• KONTROLA MODELU
– Vše zadáno
– Definovány okrajové podmínky
– ŘEŠÍME …
• výpočet musí konvergovat – jinak zcestné výsledky
FLOVENT – výsledky, interpretace
• Flomotion
Pro obytný soubor jsou potencionálně omezující stavy:
• A - Za nízkou budovou vítr naráží na čelní plochu
vysoké budovy, stáčí se dolů a vytváří válcový vír.
• B - Za návětrnými rohy vysoké budovy vzniká
rychlostní pole,
• C - V průchodech a průjezdech vysoké budovy
spojujících návětrnou a závětrnou stranu vysoké
budovy, vzniká proudění rychlejší než je rychlost větru v
neovlivněné oblasti.
• Flomotion
Identifikace:
- Absolutní
hodnoty
rychlosti
- Celkového
vektorového
průběhu
rychlosti
- Oblastí tzv.
nestandardního
proudění
Šíření emisí z definovaného zdroje
Při působení větru při
STAVU I
... děkuji za pozornost
a těším se na další shledání.
Adamovský Daniel
katedra technických zařízení budov
[email protected]