Energibruk til oppvarming av bygninger Disposisjon Varmeoverføring. Energibruk til oppvarming av bygninger. Varmeoverføring.

Transkript

1 Energibruk til oppvarming av bygninger Vojislav Novakovic Institutt for energi- og prosessteknikk NTNU Energibruk til oppvarming av bygninger Disposisjon Varmeoverføring Lening, Konveksjon, Stråling Varmeoverføring i praksis Varmeoverføring ve materialoverflater Varmetransport gjennom sammensatte konstruksjoner Varmebalanse Energiberegninger Energibruk i bygninger over året pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 2 Varmeoverføring Varmeoverføring er en grunnleggene fysiske mekanisme. Overalt hvor et eksisterer en temperaturifferanse vil et oppstå en overføring av varme. Dette er en kontinuerlig og ugjenkallelig prosess hvor varmeenergien overføres fra et høyere til et lavere temperaturnivå. Varmeoverføring Interaksjon mellom legemer og omgivelser Tre former for varmeoverføring: Lening, Konveksjon, Stråling Eksempel: Menneskets kropp avkjøling på grunn av vin eller ventilasjon oppvarming fra peis eller raiator Eksempel: Bygningskropp avkjøling på grunn av lav utetemperatur oppvarming fra solen pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 3 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 4 Lening av varmen Konuksjon En kinetisk energitransport på molekylnivå gjennom faste stoffer og absolutt stilleståene væsker og gasser Molekylene som har mer kinetisk energi på grunn av høyere temperatur overfører ve støt noe av sin kinetiske energi til nabomolekylene som har minre. pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 5 Varmestrøm gjennom homogen plan vegg t Q = - l t x Q = varmemenge [J] l = varmeleningsevne eller konuktivitet [W/(mK)] t = temperatur [C] t oe x = avstan [m] = areal [m 2 ] t = ti [s] x t x x 0 = kalles temperaturgraienten [K/m] pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 6 x t oi t t t x isotermer

2 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 7 Varmestrøm [W] Q = = - l t Variablene t og x skilles x l = - Dersom t t x = veggtykkelse [m] t oi = temperatur for innvenig overflate [C] t oe = temperatur for utvenig overflate [C] Integrasjon me følgene ranbetingelser: ve x = 0 er t = t oi og ve x = er t = t oe 0 x som gir l = hvor: = - l toe toi t ( t - toe ) = ( t - toe) oi oi = = varmemotstan eller isolans [(m 2 K)/W] l pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 8 Konveksjon Varmeoverføringen mellom et fast legeme og et flui kalles konveksjon. Varmeoverføring ve konveksjon kan sies å være en form for lening me en forskjell at molekylene til fluiet kan bevege seg, i motsetning til isse som er i faste stoffer. luiets molekyler transporterer en opptatte varmen ve bevegelse. k Varmeoverføring ve konveksjon = a k to - tf = to - t ( ) ( ) a k = konvektiv varmeoverføringskoeffisient [W/(m 2 K)] t o = overflatens temperatur [C] t f = fluitemperaturen langt fra overflaten [C] k f pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 9 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 10 Varmeoverføring ve konveksjon avhenger av mange faktorer, som er knyttet til egenskapene til: fluiet art, tilstan, temperatur og strømningshastighet og -form (laminær eller turbulent) overflaten ruhet, form, imensjon, orientering og temperatur ormer for konveksjon Termisk konveksjon (fri, naturlig) rivkraften for strømning er temperaturforskjellen mellom overflaten og fluiet Tvungen konveksjon rivkraften for strømningen er ytre påvirkninger, for eksempel vin, vifte, pumpe eller lignene. Den konvektive varmeoverføringskoeffisienten varierer mellom meget vie grenser og bestemmes eksperimentelt pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 11 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 12

3 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 13 Stråling Naturlig egenskap til all stoff, me temperatur høyere enn et absolutte nullpunkt, er å sener ut varmestråling Intensiteten på utstrålingen er knyttet til temperaturen for stoffet Ve lave temperaturer senes ut svært langbølget, usynlig stråling. Ve noen hunre graer Celsius blir strålingen synlig lys, først rø-glø og senere også me anre farger Stråling Varmestrålingen er av natur elektromagnetiske bølger som ekker en bestemt områe av bølgelenger 0.1 mm < l < 100 mm. Båe et synlige lyset me bølgelenger 0.4 mm < l < 0.78 mm og ultrafiolett og infrarø stråling, som ekker henholsvis lavere og høyere bølgelengeområer i forhol til et synlige lyset, inngår i gruppen varmestråling pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 14 Varmeoverføring ve stråling Skjer etter helt anre fysiske lover enn varmeoverføring ve lening og konveksjon Varmeoverføring ve stråling kan skje gjennom e fleste gasser, enkelte typer av vesker og noen faste stoffer. Den kan enog skje gjennom vakuum. pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 15 Varmeoverføring ve stråling Stefan-Boltzmans lov sier at energiutsenelsen fra en overflate er: E = e s T 4 E = egenutstråling [W/m 2 ] e = overflatens emissivitet (relativt strålingstall) s = Stefan-Boltzmanns konstant = 5, W/(m 2 K 4 ) T = overflatens absolutte temperatur [K] pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 16 Kirchhoffs lov for varmestråling Når en stråle treffer overflaten av et legeme blir en enten: reflektert, irekte eller iffust absorbert eller transmittert Innfalene varmestråling bsorpsjon orenklet ligning for varmeutveksling ve stråling latene: 1 og 2 Temperaturene: T 1 og T 2 og Emissivitetene: e 1 og e ( T ) 12 = e12 s T2 r + a + t = 1 efleksjon Transmisjon e 12 er gjensiig emissivitetstall som inneholer båe e to flates emissivitet og vinkelforholet fra flate 1 til flate 2 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 17 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 18

4 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 19 Varmeoverføring i praksis Ve alle praktiske forhol vi vil finne en kombinasjon av e tre former for varmeoverføring: lening konveksjon stråling Varmeoverføring i praksis Eksempler Vår nakne hu blir avkjølt ve båe konveksjon og stråling Den elen av huen som er ekket av klær vil bli avkjølt ve lening gjennom båe luftsjikt og tøyet. Ve en vegg mellom to rom me forskjellige temperaturer, vil varmen føres til og fra overflatene gjennom konveksjon og stråling, mens en føres gjennom veggen ve lening. pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 20 Φ T Varmetransport gjennom sammensatte konstruksjoner = i 1 Varmegjennomgangskoefisient 1 U = T n 2 [ W / m K] e ( ti te) = ( ti te) betong mineralull luftspalt pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT teglmur 21 t e T t i +20 o C +10 o C +0 o C -10 o C -20 o C Varmebalansen for en bygning er allti et ynamisk samspill mellom mange fenomener som kan eles i tre hovegruppene: Varmetap Varmetilførsel Varmelagring pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 22 Varmebalanse Stasjonær betraktning Varmebalansen for et rom Qtap = Qtilsku Qtap = Qtrans + Qinf + Qvent t e Transmisjon Solstråling Belysning t i Ventilasjon Teknisk utstyr Personer Qtilsku = Qsol + Qpers + Qbelys + + Qtek.uts.+ Qoppv Infiltrasjon Oppvarming Transmisjon til anre rom t r Luftutveksling me anre rom pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 23 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 24

5 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 25 Qtrans Varmebalansen - Tapsien varmetap pga transmisjon til omgivelsene og til omkringliggene rom Qinf varmetap pga infiltrasjon mellom omgivelsene og mellom omkringliggene rom Qvent varmetap pga nøvenig oppvarming av ventilasjonsluft Varmebalansen - Tilskussien Qsol varmetilsku fra sol Qpers varmetilsku fra personer i bygningen Qbelys varmetilsku fra belysning Qtek.uts. varmetilsku fra teknisk utstyr Qoppv varmetilsku fra oppvarmingsanlegget pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 26 Metoer for beregning av energi- og effektbehov Empiriske metoer Detaljeringsgra: lav Tisoppløsning: år, måne Stasjonære metoer Detaljeringsgra: miels Tisoppløsning: måne, øgn Dynamiske metoer Detaljeringsgra: stor Tisoppløsning: øgn, time, sekuner Milere uttemperatur Temperature [C] Graagstallet Ønsket innetemperatur Korrigert innetemperatur 11 o C 9 o C yringsperioe Jul ug Sep Oct Nov Dec Jan eb Mar pr May Jun Jul 20 o C 17 o C pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 27 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 28 Dynamisk moell for varmeutveksling i rommet Energibruk over året t e t i [kwh/år] Varme Elektrisitet Kjøling Totalt 0 Jan eb Mar pr Mai Jun Jul ug Sep Okt Nov Des t r Eksempel: En forretningsgår i Oslo pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 30 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 29

6 pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 31 Energibruk til oppvarming av bygninger Disposisjon Varmeoverføring Lening, Konveksjon, Stråling Varmeoverføring i praksis Varmeoverføring ve materialoverflater Varmetransport gjennom sammensatte konstruksjoner Varmebalanse Energiberegninger Energibruk i bygninger over året Energibruk til oppvarming av bygninger The En in inito Konec Slutt pril 03 V.Novakovic NTNU-EPT 32