Hőtechnika I. ÉPÜLETFIZIKA. Horváth Tamás. építész, egyetemi tanársegéd Széchenyi István Egyetem, Győr Építészeti és Épületszerkezettani Tanszék

Átírás

1 Hőtechnika I. Horváth Tamás építész, egyetemi tanársegéd Széchenyi István Egyetem, Győr Építészeti és Épületszerkezettani Tanszék

2 Környezeti hatások Adott földrajzi helyen uralkodó éghajlati hatások Éghajlat: az időjárási elemek időbeli összegzéséből tevődik össze, időszakokra vonatkozó statisztikai adatok jellemzik. Időjárási elemek: Külső hőmérséklet Szél Csapadék Napsugárzás Módosító hatások az épület közvetlen környezetében Domborzati és vízrajz Növényzet Környező beépítés Felszíni burkolatok Ipari tevékenység Légszennyezés Az építés egyik célja olyan terek létrehozása, amelyekben a külső környezettől eltérő állapotok ésszerű ráfordítások mellett biztosíthatók. 2

3 Éghajlati zónák 3

4 Napsugárzás Keletkezése 60 millió km távolságból érkező összetett elektromágneses sugárzás fúziós folyamatok eredménye 2 millió C-on Főbb spektrumai Ultraibolya sugárzás Épületszerkezetek állagvédelme miatt fontos Látható fény A Földre érkező sugárzási energia majdnem fele Ibolyától vörösig Infravörös sugárzás A Földre érkező sugárzási energia több mint fele Sugárzási intenzitás, energiahozama: /m 2 Atmoszférán kívül /m 2 Földfelszínre érkező sugárzás Direkt sugárzás Diffúz sugárzás (Visszavert sugárzás) 4

5 Sugárzási nyereségek régió Dél Kelet Nyugat Észak I II III IV Magyarország területe 4 zónára bontható 5 Tóth Elek: Energetikai számítások a gyakorlatban (előadás)

6 Külső hőmérséklet Éves középhőmérséklet Havi középhőmérséklet Egy év hónapjainak havi középhőmérséklet sorozata jól jellemzi az éves ciklust Hőmérséklet lengés A napi hőmérséklet maximum és minimum különbsége havonként átlagolva jól jellemzi a napi ciklust Szélsőséges értékek Valaha regisztrált maximális vagy minimális pillanatnyi, napi közép, havi közép, stb. hőmérséklet Tervezési értékek A szélső értékeknél enyhébbek A tervezési értéknél kedvezőtlenebb érték előfordulásának kockázata elfogadhatóan kicsi 6

7 Éghajlati elemek hőmérséklet 7

8 Fűtési hőfokhíd Kifejezi, hogy a fűtési idény folyamán a külső és a belső tér közötti hőmérsékletkülönbség mekkora és milyen hosszú időtartamú Idő hőmérsékletkülönbség Mértékegysége: nap-fok, óra-fok Tk [ C] 20 C 2 C Belső, állandó hőmérséklet Külső, változó hőmérséklet Hőmérséklet, melynél a fűtést megkezdjük és befejezzük Fűtési időszak T [h, nap] 8

9 Fűtési hőfokhíd régió adatforrás hőfokhíd [hk] fűtési idény [h] I. Pécs II. Szeged III. Debrecen IV. Miskolc V. Kékestető Magyarország területe 5 régióra bontható 9 Tóth Elek: Energetikai számítások a gyakorlatban (előadás)

10 Szél A légköri áramlások kialakulásának két alapvető oka: a terepfajták eltérő mértékű melegedése és a bolygó forgásából származó Coriolis-erő. Sebesség: nagyság + irány Sebesség intervallumok gyakorisága Égtájak szerint Évre, évszakra, hónapra Uralkodó szélirány Mérés: 0 méter magasan A szél a talaj közelében súrlódik Növényzet miatt Épített környezet miatt Parabolikus függvénykép 0

11 Éghajlati elemek csapadék

12 Csapadék Évre, évszakra, hónapra várható/jellemző mennyiség Egységnyi alapfelületre, a vízoszlop magassága mm-ben Zápor intenzitása Liter/perc*m 2 ; mm/perc*m 2 Hótakaró vastagsága Egységnyi alapfelületre, cm-ben Csapóeső jellemzése Csapadékmennyiség és a szélsebesség szorzata 2

13 Éghajlat 3

14 Modell és kölcsönhatásai 4

15 A termodinamika I. főtétele A termodinamika első főtétele a termodinamikai rendszerekre kimondja az energiamegmaradást, vagyis azt, hogy az energia a termodinamikai folyamatok során átalakulhat, de nem keletkezhet és nem veszhet el. Megfogalmazásai: Egy rendszer belső energiájának változása egyenlő a rendszerrel közölt hő és a rendszeren végzett munka összegével. Elszigetelt rendszer energiája állandó, nyílt rendszer energiája annyival nő vagy csökken, amennyivel a környezeté csökken vagy nő. Következménye, hogy nem létezik elsőfajú örökmozgó. Olyan gép, ami több munkát végez, mint amennyi energiát felvesz

16 A termodinamika II. főtétele Az egyik általános szemléletű megfogalmazás szerint, azt mondja ki, hogy egy elszigetelt rendszer állapota az időben a termikus egyensúly felé halad. Megfogalmazások: Rudolph Clausius: Nincs olyan folyamat, amely eredményeképpen a hő az alacsonyabb hőmérsékletű rendszer felől a magasabb hőmérsékletű felé adódik át. Lord Kelvin: Nem létezik olyan folyamat, amely során egy hőtartály által felvett hő teljes egészében munkává alakítható. Vagy: Elszigetelt rendszer entrópiája (egy rendszer rendezetlenségi foka) nem csökkenhet. Vagy: Spontán módon csak azok a folyamatok mennek végbe, amelyek entrópianövekedéssel járnak. A tétel egyik következménye, hogy nem létezik másodfajú örökmozgó. Olyan gép, ami a környezetéből felvett hőenergiát veszteségek nélkül munkavégzésre tudja fordítani

17 Hőtechnikai alapfogalmak Hő (energia) Kölcsönhatások következtében felvett vagy leadott energia E: J Extenzív mennyiség Hőmérséklet Anyagok fizikai jellemzője, állapothatározó T: C; K Intenzív mennyiség Hőáram A hő hőmérsékletkülönbség hatására létrejövő áramlása, egységnyi idő alatt Q: J s ; Hőáramsűrűség Az egységnyi felületen áthaladó hőáram q: m 2 7

18 Hővezetési tényező Kifejezi, hogy mekkora hőáram képes áthaladni egységnyi vastagságú, az áramlásra merőlegesen egységnyi felülettel bíró anyagon, egységnyi hőmérsékletkülönbség hatására λ: mk Az anyagok testsűrűsége és a hővezetési tényezője között egyenes arányosság fedezhető fel. Értéke függ: Anyag hőmérsékletétől Anyag nedvességtartalmától Anyag testsűrűségétől és annak változásaitól 8

19 Hővezetés Egydimenziós, állandósult, forrásmentes Pl: palástján tökéletesen hőszigetelt rúd két végpontja között Pl.: végtelen nagy homlokfelületű sík fal párhuzamos felületei között A hőáram Q = A λ d t t 2 Egyenesen arányos A hőmérséklet különbséggel A homlokfelület nagyságával Az fal hővezetési tényezőjével Fordítottan arányos A fal vastagságával A hőáramsűrűség q = λ d t t 2 m 2 A két felület között konstans Homogén anyagú fal esetén a hőmérsékletváltozás a két felület között egyenletes 9

20 Hővezetés Réteges fal esete q = λ d t t 2 q 2 = λ 2 d 2 t 2 t 3 q 3 = λ 3 d 3 t 3 t 4 q = q 2 = q 3 = q q d λ = t t 2 q d 2 λ 2 = t 2 t 3 q d 3 λ 3 = t 3 t 4 q d λ + d 2 λ 2 + d 3 λ 3 =t t 4 q = d + d 2 + d t t 4 3 λ λ 2 λ 3 20

21 Hővezetési ellenállás Az előző képlet bevezetve a hővezetési ellenállás fogalmát q = d λ +d 2 λ2 +d 3 λ3 q = t t 4 R = d λ R + R 2 + R 3 t t 4 m 2 K R 0 = R + R 2 + R 3 q = t t 4 R 0 2

22 Hőátadás Ha folyadék vagy gáz egy tőle különböző hőmérsékletű szilárd test felületével érintkezik, akkor a közöttük hőáram indul meg. A hőáram nagysága: q = α t k t f m 2 Hőátadási tényező: az egységnyi felületen, egységnyi hőmérsékletkülönbség hatására átadott hőáram. Értékét befolyásolja: Hőmérsékletkülönbség Felület nagysága Felület helyzete A folyadék vagy gáz áramlása Hősugárzás jelensége α: m 2 K Hőátadási ellenállás: R s = α m 2 K 22

23 Hőátbocsátás hőátadás + hővezetés(ek) + hőátadás = hőátbocsátás q = α i t i t q = d λ t t 4 q = α e t 4 t e q = α + d i λ + α e t i t e 23

24 Hőátbocsátási tényező és ellenállás Hőátadás (belül) Hőáram q = α i t i t q = d λ Tényezők Hőátadási tényező (belül) + Hővezetés + Hőátadás = (rétegenként) (kívül) Hővezetési tényező (rétegenként) Hőátbocsátás t t n q = q = αe t n t e + d α i λ + α e Hőátadási tényező (kívül) Hőátbocsátási tényező U = jel α i λ α e + d α i λ + α e mértékegység m 2 K mk m 2 K m 2 K t i t e Ellenállások Hőátadási ellenállás (belül) Hővezetési ellenállás (rétegenként) Hőátadási ellenállás (kívül) Hőátbocsátási ellenállás jel R si = α i R n = d λ R se = α e R = R i + R n + R e = U mértékegység m 2 K m 2 K m 2 K m 2 K 24

25 Többrétegű fal hőátbocsátása, számpélda A fal rétegrendje (belülről kifelé),5 cm vakolat 20 cm vasbeton fal 0,5 cm ragasztóhabarcs 2 cm kőzetgyapot hőszigetelés 0,5 cm vékonyvakolat Számítsuk ki a fal hőátbocsátási tényezőjét, és szerkesszük fel a hőfoklefutási görbét! U = + d α i λ + α e 25 Reisch Richárd: Az új energetikai szabályozás szerkezeti következményei In: Energiatudatos megoldások 205. I.

26 Szükséges adatok Hőátadási tényezők: szabvány rendelkezik róluk, ábráról leolvashatók, megválaszthatók. Belső oldali 8 /m 2 K Külső oldali 24 /m 2 K Épületszerkezetek és a levegő közötti szokásos hőátadási tényezők Hővezetési tényezők: kutatási feladat az építőanyag gyártók által deklarált tervezési értékek után, anyagadatbázisból is kiválaszthatók (Auricon Energetic, inatt).,5 cm vakolat mészvakolat 0,80 /mk 20 cm vasbeton fal vasbeton,550 /mk 0,5 cm ragasztás cementvakolat 0,930 /mk 2 cm kőzetgyapot hőszig. Rockwool Frontrock 0,036 /mk 0,5 cm vékonyvakolat cementvakolat 0,930 /mk 26

27 A fal hőátbocsátási tényezője U = α + d i λ + α e U = 8 + 0,05 0,80 + 0,200, ,005 0, ,20 0, ,005 0, U = R si + R + R 2 + R 3 + R 4 + R 5 + R se U = 0,25 + 0,09 + 0,29 + 0, , , ,042 U = R = 3,658 = 0,273 m 2 K 27

28 A hőfoklefutási görbe adatai Nem ismerjük a külső és belső hőmérsékletet Felvehetünk tetszőleges külső és belső hőmérsékletet, pl. t i =20 C, t e =-0 C Tekinthetjük a külső és a belső tér hőmérsékletének különbségét C-nak, így a hőfoklefutást un. saját léptékben számítjuk Az egyes rétegekben kialakuló hőmérsékletesés úgy aránylik a teljes hőmérsékleteséshez, ahogy az egyes rétegek ellenállásai a teljes hőátbocsátási ellenálláshoz. R si = α i = 0,25 R = d λ = 0,09 R 2 = d 2 λ 2 = 0,29 R 3 = d 3 λ 3 = 0,005 R 4 = d 3 λ 3 = 3,333 R 5 = d 4 λ 4 = 0,005 R se = α e = 0,042 R = 3,658 m2 K R si ΣR = 0,034 R ΣR = 0,005 R 2 ΣR = 0,035 R 3 ΣR = 0,00 R 4 ΣR = 0,9 R 5 ΣR = 0,00 R se ΣR = 0,0 ARÁNYOK összesen t i t = 0, =,03 t t 2 = 0, = 0,5 t 2 t 3 = 0, =,06 t 3 t 4 = 0,00 30 = 0,04 t 4 t 5 = 0,9 30 = 27,34 t 5 t 6 = 0,00 30 = 0,04 t 6 t e = 0,0 30 = 0,34 HA ΔT = 30 C A hőmérsékletkülönbségek ismeretében a hőfoklefutási görbe felszerkeszthető. 28

29 A hőfoklefutási görbe felszerkesztése t i = 20 C t = 20,03 = 8,97 C t 2 = 8,97 0,5 = 8,82 C t 3 = 8,82,06 = 7,76 C t 4 = 7,76 0,04 = 7,72 C t 5 = 7,72 27,34 = 9,6 C t 6 = 9,6 0,04 = 9,66 C t e = 9,66 0,34 = 0,00 C t i t t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t e 29