Varčno ogrevanje 5.del

Energetsko varčno zračenje prostorov

Objavljeno: 29. 07. 2013
Andrej Lavrič

S pomočjo znanja srednješolske fizike bomo poskusili na poljuden način odgovoriti na naslednja vprašanja:

  • Koliko toplotne energije zgubimo pri zračenju stanovanja?
  • Kako naj zračimo, da bomo izgubili čim manj toplotne energije?
  • Kako deluje zračenje s pomočjo izmenjevalca toplote?

Naravno zračenje prostora

Z naravnim zračenjem nadomestimo topel notranji zrak s hladnim zunanjim, ki ga moramo nato segreti.

Za segrevanje zraka, potrebujemo energijo:
Q=m\,c_{p}\,\Delta T

Pri tem je:
c_{p}=1000\,\frac{J}{kg\,K}

specifična toplota zraka pri stalnem tlaku. Pove nam, koliko J toplote potrebujemo, da 1 kg zraka segrejemo za 1K.

Maso zraka je gostota krat volumen:
m=\varrho \cdot V

Gostota zraka pa je:
\varrho =1{,}23\,\frac{kg}{m^{3}}

Zgled 1:
Vzemimo  60 kvadratnih metrov veliko stanovanja (višina stropa je 2,6 m). Zrak (ne pa tudi stene in predmeti v stanovanju) je ohlajen na nič stopinj C in ga želimo ogreti na 20 stopinj C. Koliko energije potrebujemo?

S=60\,m^{2}
h=2{,}6\,m
\Delta T=20\,K
Q=?

Izračunamo prostornino:

V=S\,h=156\,m^{3}

Če želimo zrak v stanovanju segreti za 20 stopinj Celzija, potrebujemo energijo:

Q=m\,c_{p}\,\Delta T=\varrho \, V\,c_{p}\,\Delta T=3{,}8\,MJ=1{,}06\,kWh

Če zračimo enkrat na dan, porabimo za zračenje približno 4%  dnevne porabe energije. Če bi se v stanovanju ohladile tudi stene, bi potrebovali bistveno več toplote (glej Zgled 2).

Zgled 2
Koliko energije bi potrebovali, da bi segreli opečni zid stanovanja iz zgleda 1 iz temperature 0 stopinj C na srednjo temperaturo 10 stopinj C (zunanja temperatura je 0 stopinj C, notranja pa 20 stopinj C). Podatki so:
V=20\,m^{3}
\varrho_{opeke} =1700\,\frac{kg}{m^{3}}
c =840\,\frac{J}{kg\,K}
\Delta T=10\,K
Q=?

Q=m\,c\,\Delta T=\varrho_{opeke}\,V\,c\,\Delta T=286\,MJ=80\,kWh

Potrebovali bi torej približno 80 krat več energije, kot če bi morali segrevati samo zrak.

Kaj smo se naučili do sedaj ?
Pri zračenju stanovanja naj se zamenja le zrak, ne pa tudi ohladijo stene in predmeti v prostorih. To dosežemo tako, da ne zračimo predolgo (največ 10 minut).

Uporaba izmenjevalca toplote – rekuperatorja

Izmenjevalec toplote ali rekuperator izmenjuje toploto med “izrabljenim” toplim zrakom v stanovanju in mrzlim, svežim zrakom, s katerim želimo zračiti stanovanje. Sestavljen je lahko iz dveh istoosnih (koaksialnih) cevi. Prihajajoči in odhajajoči zrak tečeta po obeh ceveh v isto smer ali nasprotno smer in izmenjujeta toploto. Zrak iz stanovanja se ohladi, preden zapusti stanovanje in mrzel zunanji zrak segreje, predno pride v stanovanje.

Pr istosmernem rekuperatorju tečeta zračna tokova v isto smer in je zato največja temperaturna razlika med obema tokovoma na vhodu v rekuperator, na izhodu pa pa gre proti nič. Če poenostavimo, da ima vstopajoč hladen zrak približno enako specifično toploto kot izstopajoč topel, je padec temperature toplega zraka enaka porastu temperature hladnega zraka. Teoretičen izkoristek tega rekuperatorja je zato 50%.

rekuperator zraka istosmerni
Istosmerni izmenjevalec toplote

 

Boljše lastnosti ima nasprotnosmerni rekuperator, kjer lahko prihranimo tudi do 90% toplote, ki bi jo izgubili z zračenjem. To bomo pokazali na Zgledu 3.

izmenjevalec toplote
Nasprotnosmerni izmenjevalec toplote ali rekuperator

 

Zgled 3:

V stanovanju iz Zgleda 1 je temperatura 20 stopinj C, zunanja temperatura pa 0 stopinj C. Stanovanje zračimo s pomočjo nasprotnosmernega izmenjevalca toplote tako, da se zrak v stanovanju zamenja vsakih 6 ur.  Notranja cev rekuperatorja je iz bakra debeline 0,5 mm in ima radij 6 mm. Želimo, da pred vstopom v stanovanje rekuperator segreje zunanji zrak na 18 stopinj C. Koeficient toplotne prestopnosti baker zrak je podan v podatkih. Kakšna naj bo dolžina cevi izmenjevalca toplote?

Podatki so:
V_{zr}=156\,m^{3}
\varrho_{zr}=1\,\frac{kg}{m^{3}}
c_{zr}=1000\,\frac{J}{kg\,K}
t=6\,h=6\cdot 3600\,s
d=0{,}5\,mm
r=6\,mm
\lambda_{Cu}=394\,\frac{W}{mK}
h=10\,W/m^{2}K
T_{zun}=T_{2,1}=0^{0}C
T_{2,2}=18^{0}C
T_{n}=T_{1,1}=20^{0}C
T_{1,2}=2^{0}C
l=?

Zaradi poenostavitve izračuna smatramo, da je gostota zraka v podanem temperaturnem področju neodvisna od temperature.

Masa zraka, ki se zamenja vsakih 6 ur je:
m=\varrho_{zr} \cdot V=156\,kg

Tok toplega zraka iz stanovanja navzven je enak toku mrzlega zraka, ki prihaja v stanovanje:
P=\frac{m\,c_{zr}\,(T_{1,1}-T_{1,2})}{t}=\frac{m\,c_{zr}\,(T_{2,2}-T_{2,1})}{t}=130\,W

Temperaturna razlika:
\Delta T=T_{1,1}-T_{2,2}=T_{1,2}-T_{2,1}=2^{0}C
omogoča prehod toplote prečno na cev v smeri nižje temperature:

P=\frac{S\,\Delta T}{R}
pri čemer je R upornost prehoda toplote (dvakrat prestop in prevajanje skozi bakreno steno – slednje bi lahko tudi zanemarili):
R=\frac{2}{h}+\frac{d}{\lambda_{Cu}}=0{,}2\,\frac{m^{2}K}{W}

Izračunamo stično površino:
S=\frac{P\,R}{\Delta T}=13\,m^{2}
Iz nje dobimo dolžino cevi:
l=\frac{S}{2\,\pi\,r}=344\,m

Komentar:
Če je stična površina med izstopajočim in vstopajočim zrakom dovolj velika, lahko zunanji hladni zrak segrejemo na temperaturo, ki je le malo nižja od sobne temperature. Predpostavljam, da oba tokova tečeta v nasprotno smer.

To se v manjšem obsegu dogaja tudi pri naravnem zračenju, če ni prepiha. Izstopajoči topel zrak odda del toplote vstopajočemu hladnemu zraku. Tako hladen zrak nikoli ne pride v prostor na temperaturi, ki je enaka zunanji temperaturi, pač pa vedno že nekoliko segret.

Zračenje s prepihom, ko hladen zrak, ki prihaja skozi prvo okno odriva topel zrak skozi drugo okno zanesljivo ni ekonomično, saj ne pride do izmenjave energij.

Andrej Lavrič

  • Andrej Lavrič

    Kako pravijo v starih domačijah v mrzlih krajih:
    Okna ne smejo tesniti. (Opomba: na ta način omogočajo izmenjavo toplote med zračenjem, v prostorih jevedno zdrava klima, prava vlaga in s tem dobro počutje.)
    Poleti zrači s prepihom, pozimi pa ne sme biti prepiha. (Opomba: če je odprto le eno okno, pride do izmenjave toplote med iztopajočim toplim in vstopajočim hladnim zrakom in sistem deluje kot naravni rekuperator.)

  • Andrej Lavrič

    Modrosti iz mrzlih krajev:
    Okna ne smejo tesniti. (Opomba: na ta način omogočajo izmenjavo toplote med zračenjem; v prostorih je vedno zdrava klima, prava vlaga in s tem dobro počutje.)
    Poleti zrači s prepihom, pozimi pa ne sme biti prepiha. (Opomba: če je odprto le eno okno, pride do izmenjave toplote med iztopajočim toplim in vstopajočim hladnim zrakom in sistem deluje kot naravni rekuperator.)

  • Andrej Lavrič

    Modrosti iz mrzlih krajev:
    Okna ne smejo tesniti. (Opomba: na ta način omogočajo izmenjavo toplote med zračenjem; v prostorih je vedno zdrava klima, prava vlaga in s tem dobro počutje.)
    Med zračenjem pozimi ne sme biti prepiha. (Opomba: če je odprto le eno okno, pride do izmenjave toplote med izstopajočim toplim in vstopajočim hladnim zrakom, sistem deluje kot naravni rekuperator.)

  • neodvisni

    Ugovor:
    pri netesnih oknih izstopa topel zrak zgoraj, hladen vstopa spodaj. Ni rekuperacije.
    Prezračevanje zaradi netesnih oken ni ustrezno, lahko nezadostno ali pretirano. Skozi netesna okna se vedno po nepotrebnem izgublja energija.

    Problem so tesna okna, če ni zadostno prezračevanje z odpiranjem oken ali urejeno mehansko prezračevanje. Z vračanjem energije ali brez.

O učenju

I cannot teach anybody anything, I can only make them think.

Socrates

Inštrukcije fizike

Pokličite GSM: 041 412 998 Inštrukcije fizike 

Priporočila na spletu

Facebook stran