Dr. Tóth Péter egyetemi docens

Az előadások a következő témára: "Dr. Tóth Péter egyetemi docens"— Előadás másolata:

1 Dr. Tóth Péter egyetemi docens tothp@sze.hu
Épületfizikai kölcsönhatások, transzportfolyamatok 2. (Prof. Dr. Zöld András előadása alapján) Dr. Tóth Péter egyetemi docens

2 Instacioner hőáram A valóságban a határolószerkezet felületeit érő hatások időben változnak, a hőáram is változik (instacioner). Ez azzal jár, hogy a szerkezetbe belépő és az onnan távozó hő mennyisége különbözhet. Ha a szerkezetbe belépő hőáram nagyobb, mint a kilépő, akkor a szerkezetben tárolt hőmennyiség nő, => a szerkezet melegszik. Ha a szerkezetből távozó hőáram nagyobb, mint a belépő, a szerkezetben tárolt hőmennyiség csökken, => a szerkezet hűl. A belépő és kilépő hőáramok különbsége = a tárolt hő változásával. A tárolt hő változása: ΔQ = m*c*Δt Az építőiparban használt anyagok fajhője gyakorlatilag egyforma (c=O,8*O,9 kJ/kgK), ezért a gyakorlatban csak a tömegről szokás beszélni. Kivételt képeznek a szerves anyagok (fa, szerves adalékú vályog), ezek fajhője nagyobb. Ezt a gyakorlatban a tömeg „felszorzásával” veszik figyelembe. Például: fára a szorzótényező 3.

3 Instacioner hőáram A szabatos számítás elve az, hogy a szerkezetet képzeletben elemi vastagságú rétegekre bontjuk és elemi kicsi egymásra következő időszakokra lépésről lépésre számítjuk ezeknek az elemi rétegeknek a hőegyensúlyát. A számítás elve hasonló egy ellenállásokból és kapacitásokból álló áramkör egyensúlyának számításához.

4 Instacioner hőáram Egy elemi réteg egyensúlya egy elemi időintervallumra (egységnyi homlokfelületre): Baloldali szomszéd hőmérséklete - az ő hőmérséklete osztva az elemi vezetési ellenállással = hőáram balról vagy balra Jobboldali szomszéd hőmérséklete - az ő hőmérséklete osztva az elemi vezetési ellenállással = hőáram jobbról vagy jobbra Hőáram bal - hőáram jobb = a tárolt hő változása az elemi idő alatt (arányos a tömeggel és a fajhővel) A hőáram és a hőmérséklet időbeli változása tetszés szerinti „történetre” számítható.

5 Instacioner hőtranszport
A gyakorlatban vannak tipikus történetek. Például a napsugárzás intenzitása, a külső hőmérséklet, egyes belső hőterhelések jellemzően napi periódusban változó hatások. A periodikus folyamatok jellemzője, hogy a rendszer periódusonként (jelen esetben 24 óránként) a korábbi állapotba jut vissza: 24 órára vetítve a rendszer hőmérlege „nullszaldós”. A periodikus folyamatok jól közelíthetők szinus függvényekkel vagy azok összegezésével. Az időben szinusz függvény szerint változó hatások esetében a feladatnak van analitikus megoldása. Ebből származtatható a külső határolószerkezetek két jellemzője: a csillapítási tényező és a késleltetés.

6 Instacioner hőtranszport
A hőáram az útjába eső rétegeket felmelegíti, a következő elemi rétegekbe egyre kevesebb jut => tömeg és λ függvénye. A behatoláshoz idő szükséges ! Egy-egy adott időpontban a hőmérséklet-eloszlásról készített „pillanatfelvételek különböző képeket mutatnak, egy-egy adott síkban a hőmérséklet az idő függvényében szinuszosan változik, de ahogyan egyre mélyebbre megyünk, úgy tolódnak el ezek a szinuszgörbék (késleltetés) és csökkennek az amplitúdók (csillapítás). A matematikai megoldás a komplex számsíkon forgó „vektorcsokorral” illusztrálható.

7 Instacioner hőtranszport, csillapítás ,késleltetés
A csillapítás és késleltetés gyakorlati szerepe: a határoló-szerkezeteket kívülről érő hatások késve és „legyengítve” befolyásolják a helyiség hőmérsékletét és/vagy a fűtési/hűtési teljesítményigényt. A szerkezeteket (külsőket és belsőket egyaránt) a helyiség felől is érik időben változó hőhatások. Ezek következtében a helyiségből a szerkezetbe hőáram hatol be („hőelnyelés”) és a szerkezet melegszik vagy a szerkezetből hőáram jut a helyiségbe és a szerkezet hűl. A folyamat időigényes. Ha a változások napi periódusban játszódnak le, a szerkezet csak egy bizonyos mélységig fog számottevően felmelegedni vagy lehűlni. A „bizonyos mélység” számítására gyakorlati ökölszabályok használatosak. Az egyik elfogadott ökölszabály szerint (EN) a szerkezet helyiség felőli első 1O cm vastagságú rétegének (rétegeinek) tömegét vesszük figyelembe (ha ott fa is volna, annak tömegét háromszorosan, a fa nagyobb fajhője miatt)

8 Instacioner hőtranszport, csillapítás, késleltetés
Valamivel jobb közelítést eredményez, ha a szerkezetnek a napi ciklusú hőfelvételben/hőleadásban szerepet játszó aktív zónájának határát ott jelöljük ki, ahol a belső síktól számított hővezetési ellenállás eléri az R = O,15 m2K/W értéket (MSz). Egyrétegű külső szerkezetre: A hőtároló tömeg fajlagos értéke egységnyi homlokfelületű szerkezetre:

9 Instacioner hőtranszport,csillapítás, késleltetés, többrétegű szerkezeteknél
Többrétegű szerkezetre: az első réteg ellenállása ≥ O,15 => mint fenn, a második réteg „túl mélyen van”, hatása nem érvényesül Az első réteg ellenállása: Az első réteg teljes egészében „aktív” és a következő rétegből még vastagság esik az aktív zónába. A fajlagos hőtároló tömeg egységnyi homlokfelületű szerkezetre:

10 Instacioner hőtranszport,csillapítás, késleltetés, többrétegű szerkezeteknél (folytatás)
A belső határoló szerkezeteket két oldalról érik hőhatások => az aktív zónát mindkét oldalról számítjuk. Két eset lehetséges: a szerkezet vastag, nagy ellenállású, a két aktív zóna nem ér össze (közte maradhat egy olyan zóna, amely túl mélyen van ahhoz, hogy a hőáram „fél nap alatt odaérjen”) vagy a két aktív zóna éppen összeér => a számítás módja ugyanaz, mint a külső határoló-szerkezetek esetében. A szerkezet vékony, kis ellenállású, a két aktív zóna egymást „átlapolja” - esetleg „túl is lógnak” a tényleges vastagsági méreten => a szerkezet tömegének felét az egyik, felét a másik helység hőtároló tömegéhez számítjuk.

11 Instacioner hőtranszport,csillapítás, késleltetés, többrétegű szerkezeteknél (folytatás)
A helyiség hőtároló tömege a belső és külső szerkezetek fajlagos hőtároló tömegeinek és felületeinek szorzatösszege: Többszintes épületekben a helyiség hőtároló-képességének túlnyomó hányada a belső szerkezetek hőtároló-képességéből adódik ! Meghatározó a helyiség felöli első réteg(ek) anyaga és vastagsága (padlócsempe + ágyazóhabarcs + beton ↔ habalátétes szőnyegpadló, monolit vasbeton födém vakolva ↔ álmennyezet hangelnyelő réteggel, teherhordó vasbeton harántfal ↔ szerelt válaszfal, külső fal külső oldali hőszigeteléssel ↔ külső fal belső oldali hőszigeteléssel, vasbeton ↔ porózus-üreges falazóelem)

12 Instacioner hőtranszport, hőtárolás
Az esetek túlnyomó többségében a nagy hőtároló-képesség előnyös: az időben változó hőhatásokra a helyiség lustábban válaszol, a belső hőmérséklet stabilabb, ingadozása kisebb, a fűtési/hűtési teljesítményigény egyenletesebb, a szabályozás egyszerűbb, a csúcsigények kisebbek: nyáron a túlmelegedés kockázata kisebb: a belső hőmérséklet maximuma alacsonyabb (de a minimum magasabb - ez következik a kisebb lengésből), a napsugárzásból származó hőnyereség hasznosítása télen jobb: a napközben azonnal nem hasznosítható hőt a szerkezetek elfogadhatóan csekély hőmérsékletnövekedés mellett elnyelik és tárolják, éjszaka elfogadhatóan kis hőmérsékletcsökkenés mellett visszaadják, ezzel fedezve az éjszakai hőveszteség egy részét. A nagy hőtároló-képesség hátránya, hogy szakaszosan használt helyiségek esetében a szakaszos fűtéssel elérhető energia-megtakarítás kicsiny.

13 Instacioner hőtranszport, transzparens szerkezetek
A transzparens szerkezetek -ablakok - egyenértékű hőátbocsátási tényezője ke Az ablakok energiamérlegének két fontos összetevője (egységnyi homlokfelületre felírva): transzmissziós veszteségek: sugárzási nyereség: Egy adott időszakra, jelen esetben a fűtési idényre a halmozott értékek: A mérleg: Kényelmi okokból ezt formában kívánjuk felírni. Egyszerű formai átrendezéssel kapjuk, hogy szerkezet jellemzői - mit építek be éghajlat, tájolás jellemzői - hol építem be

14 A hőfokhíd (Degree-Days) értelmezése

15 Transzparens szerkezetek energiamérlege
A hányados számértéke magyarországi éghajlati feltételek mellett jól benapozott déli homlokzaton 3, a szórt sugárzás miatt még az északi homlokzaton is 1. Ez azt jelenti, hogy a déli homlokzaton egy jobb minőségű ablak energiamérlegét a fűtési idény egészére kifejező kegyenértékű 0, vagy akár negatív is lehet (a nyereségek kiegyenlítik vagy akár meg is haladják a veszteségeket). Ez azonban csak akkor igaz, ha a sugárzási nyereség hasznosul is, aminek az a feltétele, hogy a helyiség hőtároló tömege a nappali időszakban érkező sugárzási nyereség feleslegét elfogadhatóan kicsi hőmérséklet-emelkedés mellett felvegye és azt éjszaka elfogadhatóan kicsi hőmérséklet-csökkenés mellett leadja. Az elegendő hőtároló-képesség egyszerű ökölszabály szerint az, hogy minden 1 m „tökéletes lyuk” mögött legyen 2000 kg hőtároló tömeg

16 Transzparens szerkezet energiamérlege
Mi a tökéletes lyuk ? Jelen esetben egy olyan elem, amely az érkező sugárzást teljes egészében átereszti, azaz naptényezője 1 és teljes felülete transzparens, azt opaque tok- és szárnyszerkezet nem csökkenti. A tökéletes lyuk és a valódi ablak felületei közötti összefüggés: 1 m2 ablak = N * Aü/Aö m2 tökéletes lyuk avagy fordított irányban 1 m2 tökéletes luk = 1/ N * Aü/Aö m2 ablak Ha egy helyiség hőtároló tömege M, és annak homlokzatán A0 ≤ M/2000 m2 tökéletes lyuk azaz AA ≤ A0 / N * Aü/Aö m2 ablak van, akkor arra az egyenértékű hőátbocsátási tényező alkalmazható.

17 Transzparens szerkezetek energiamérlege
Ha egy helyiség hőtároló tömege M, és annak homlokzatán A0 > M/2000 m2 tökéletes lyuk azaz AA > A0 / N * Aü/Aö m2 ablak van, akkor A* = A0 / N * Aü/Aö m2 ablakra az egyenértékű hőátbocsátási tényező alkalmazható, a többlet AA – A* felületre pedig a csak a veszteséget kifejezőeredeti hőátbocsátási tényező alkalmazandó.

18 Transzparens szerkezetek energiamérlege

19 Transzparens szerkezetek energiamérlege

20 Transzparens szerkezetek energiamérlege

21 Köszönöm a figyelmüket