VELEUČILIŠTE U KARLOVCU Odjel: SIGURNOST I ZAŠTITA NA RADU
GRIJANJE, VENTILACIJA I KLIMATIZACIJA
Dodatak kolegiju: RASVJETA, GRIJANJE, VENTILACIJA I KLIMATIZACIJA Radni materijal Sastavio: Radoslav Korbar Karlovac, siječanj 2002.
1
SADRŽAJ GRIJANJE, VENTILACIJA I KLIMATIZACIJA ............................................................................ 4 SVOJSTVA ZRAKA, HIGIJENSKI UVJETI I UGODNOST .......................................................... 4 1
SASTAV ZRAKA ......................................................................................................................... 4
2
PRAŠINA....................................................................................................................................... 6
3
TERMODINAMIČKO STANJE I TEMPERATURA ZRAKA............................................... 7 3.1 3.2
4
STANJE ZRAKA I VELIČINE STANJA .............................................................................................. 7 ZAHTJEVI NA TEMPERATURU PROSTORIJE, TU ............................................................................ 10
VLAGA U ZRAKU..................................................................................................................... 11 4.1 4.2
VLAŽNI ZRAK ............................................................................................................................ 11 ZAHTJEVI NA VLAŽNOST ........................................................................................................... 14
5
BRZINA STRUJANJA ZRAKA ............................................................................................... 15
6
EFEKTIVNA TEMPERATURA............................................................................................... 16
TOPLINSKO OPTEREĆENJE PROSTORIJE................................................................................ 17 1
TRANSMISIJSKA TOPLINA, QT ............................................................................................ 17
2
TOPLINA VENTILACIJE, QV ................................................................................................. 18
3
POTREBNA TOPLINA ZA GRIJANJE ZGRADE, QN ......................................................... 19
4
RASHLADNO OPTEREĆENJE OD SUNČEVOG ZRAČENJA, QS ................................... 20
5
RASHLADNO OPTEREĆENJE OD RASVJETE, STROJEVA I LJUDI, QRST................. 20
6
POTREBNA KOLIČINA I VLAŽNOST ZRAKA ZA KLIMATIZACIJU.......................... 21
GRIJANJE ............................................................................................................................................ 22 PODJELE SUSTAVA ZA GRIJANJE.......................................................................................................... 22 1
LOKALNO GRIJANJE ............................................................................................................. 23 1.1 1.2 1.3 1.4
2
UREðAJI CENTRALNOG I DALJINSKOG GRIJANJA .................................................... 25 2.1 2.2 2.3
3
PEĆI ZA KRUTA GORIVA ............................................................................................................ 23 PEĆI ZA LOŽENJE PLINOM .......................................................................................................... 23 PEĆI ZA LOŽENJE ULJEM ............................................................................................................ 25 ELEKTRIČNE PEĆI ...................................................................................................................... 25
UREðAJI ZA GRIJANJE PROSTORIJE ............................................................................................ 26 KOTLOVI ................................................................................................................................... 28 IZMJENJIVAČI TOPLINE .............................................................................................................. 29
CENTRALNO GRIJANJE TOPLOM VODOM..................................................................... 29 3.1 VOðENJE VODE KROZ CJEVOVODE ............................................................................................ 30 3.2 GRAVITACIJSKO GRIJANJE ......................................................................................................... 32 3.3 GRIJANJE PRISILNOM CIRKULACIJOM ........................................................................................ 32 3.3.1 Dvocijevni sustavi........................................................................................................... 33 3.3.2 Jednocijevni sustavi ........................................................................................................ 33 3.3.3 Hidraulički proračun sustava s prisilnom cirkulacijom ................................................. 33
4
CENTRALNO GRIJANJE PAROM ........................................................................................ 35 4.1 4.2
GRIJANJE PAROM NISKOG TLAKA .............................................................................................. 36 VAKUUMSKO PARNO GRIJANJE.................................................................................................. 36
2
4.3 5
GRIJANJE PAROM VISOKOG TLAKA ............................................................................................ 36
DALJINSKO GRIJANJE .......................................................................................................... 37
VENTILACIJA I KLIMATIZACIJA ................................................................................................ 38 1
VENTILACIJA ........................................................................................................................... 38
2
GRIJANJE ZRAKOM ............................................................................................................... 39
3
KLIMATIZACIJA ..................................................................................................................... 39 3.1 PARNO-KOMPRESORSKI RASHLADNI PROCES............................................................................. 39 3.2 UREðAJI I POSTROJENJA ZA KLIMATIZACIJU .............................................................................. 41 3.3 DIJELOVI UREðAJA ZA KLIMATIZACIJU ..................................................................................... 42 3.3.1 Filtri................................................................................................................................ 42 3.3.2 Grijači i hladnjaci........................................................................................................... 42 3.3.3 Sušenje zraka .................................................................................................................. 43 3.3.4 Ovlaživači zraka ............................................................................................................. 43 3.4 INDIVIDUALNI AGREGATI .......................................................................................................... 43 3.5 SUSTAVI ZA KLIMATIZACIJU...................................................................................................... 43 3.5.1 Zračni sustav................................................................................................................... 43 3.5.2 Zračno-vodeni sustav...................................................................................................... 44 3.5.3 Vodeni klimatizacijski sustav .......................................................................................... 45
3
GRIJANJE, VENTILACIJA I KLIMATIZACIJA Klima prostorije obuhvaća zajednički učinak temperature zraka, temperature zračenja površina prostorije, vlažnosti zraka, brzine strujanja zraka i sadržaja štetnih tvari, a u širem smislu uključuje još prirodnu i umjetnu rasvjetu i razinu buke. Povoljan plinski sastav, čistoća, temperatura, vlažnost i brzina strujanja zraka u prostoriji bitno utječu na osjećaj ugodnosti ljudi u prostoriji. Veća odstupanja tih parametara, naročito ako su trajna, mogu štetno djelovati na zdravlje ljudi. Odstupanja od optimalnog stanja zraka česta su u industrijskim pogonima, kao posljedica tehnološkog procesa proizvodnje. Postrojenja grijanja i klimatizacije imaju zadatak da u prostoriji održavaju željeno stanje zraka. Grijanje je postupak zagrijavanja i održavanja željene povećane temperature zraka. Ventilacija (vjetrenje, provjetravanje) je odvoñenje istrošenog i dovoñenje svježeg zraka u cilju održavanja povoljnog plinskog sastava i čistoće zraka. Klimatizacija (kondicioniranje) je održavanje željene temperature, vlažnosti i čistoće zraka, te obuhvaća čišćenje, grijanje ili hlañenje i ovlaživanje ili sušenje zraka. Osim grijanja, ventilacije i klimatizacije, stanje zraka u radnom prostoru općenito se može poboljšati i poboljšanjem tehnološkog procesa. Za slučajeve kada nije moguće postići zadovoljavajuće uvjete, uvode se dodatne zaštitne mjere koje uključuju lokalnu ventilaciju (ekshaustor), lokalnu klimatizaciju (struja hladnog zraka usmjerena direktno u čovjeka), termičku izolaciju izvora topline, zaštitnu odjeću, česte odmore i skraćenje radnog vremena, itd. SVOJSTVA ZRAKA, HIGIJENSKI UVJETI I UGODNOST 1
SASTAV ZRAKA
a) Izražavanje koncentracije tvari Za označavanje koncentracije (sadržaja) tvari koriste se razne oznake (x, c , ρ, r, v/v, w/w itd.). Unutar ovog kursa koncentracija se uvijek označava oznakom x, koja je inače uobičajena za molne udjele. Budući da se koncentracija izražava nizom mjernih jedinica, treba naročito paziti da se najprije točno ustanovi o kojoj mjernoj jedinici se radi. Tako se koncentracija može izraziti preko mase tvari:
x=
{mtvari }kg {muk }kg
(1.1)
Ovaj omjer mase neke tvari u ukupnoj masi neke smjese od više tvari naziva se maseni udjel te tvari i može poprimiti jedino vrijednosti izmeñu 0 i 1. Koncentracija se može izraziti i preko volumena: x=
{Vtvari }m {Vuk }m
3
(1.2)
3
Ovaj omjer volumena neke tvari u ukupnom volumenu neke smjese od više tvari naziva se volumenski udjel te tvari i takoñer može poprimiti jedino vrijednosti izmeñu 0 i 1. Koriste se i mješovite jedinice poput x=
{mtvari }kg {Vuk }m
(1.3)
3
4
Ovo je omjer mase neke tvari u ukupnom volumenu neke smjese od više tvari. Obično se susreće milijun puta veća jedinica od ove, masa je tada izražena u miligramima (mg). Da bi se izbjegle vrijednosti udjela manje od 1 (razlomci), često se koriste postoci (%), promili (‰) i milijunti dijelovi (ppm), a dobivaju se tako da se udjeli pomnože odgovarajućom konstantom (nije moguće za mješovite jedinice): – postoci: x•100% = x•102 – promili: x•1000‰ = x•103 – milijunti dijelovi: x•1000000ppm = x•106 Na primjer koncentracija kisika (O2) u zraku može se izraziti preko mase: xO2 = 4,6 kg O2 / 20 kg zraka = 0,23 = 23% = 230‰ = 230000 ppm ili preko volumena: xO2 = 4,2 m3 O2 / 20 m3 zraka = 0,21 = 21% = 210‰ = 210000 ppm U prvom slučaju, milijunti dio (ppm) identičan je mjernoj jedinici mg/kg, a u drugom slučaju mjernoj jedinici cm3/m3. Ponekad se u mjernoj jedinici naglasi da li je koncentracija izražena preko mase ili volumena (npr. %m ili %vol). Kada u formulama koje slijede nije drugačije naznačeno, koncentracija x izražena je u osnovnim mjernim jedinicama (npr. kg/kg ili kg/m3). Za olakšavanje razumijevanja i učenja, u ovom kursu se slovnim indeksom uz oznaku x naznačuje o kojoj koncentraciji se radi: m = koncentracija izražena preko mase v = koncentracija izražena preko volumena mv = mješovito izražavanje koncentracije, tj. masa/volumen. b) Sastav zraka Atmosferski zrak je smjesa plinova. U sastavu čistog suhog zraka (bez vodene pare) prevladavaju (99,99%) četiri plina navedena u tablici 1.1. Preostali dio uglavnom čine vodik i plemeniti plinovi. Sadržaj (koncentracija) vodene pare u vlažnom zraku je promjenljiv i može iznositi najviše oko 3% težine (4% volumena). Tablica 1.1 Sastav čistog suhog zraka
Plin dušik, N2 kisik, O2 argon, Ar ugljični dioksid, CO2
% težine 75,51 23,01 1,29 0,04
% volumena 78,10 20,93 0,93 0,03
Sadržaj pojedinih plinova-primjesa mjeri se ureñajima za analizu plinova. Koncentracija štetnih plinova izražava se jedinicom ppm (1 ppm=1/106=cm3/m3, part per million) ili mg/m3. Ove jedinice povezane su relacijom 1 mg/m3 = M/VM • 1 ppm M VM
(1.4)
– masa jednog kmol plina, kg/kmol – volumen jednog kmol plina pri normalnim uvjetima (p=1,01325 bar, t=0 0C), VM ≈ 22,4 m3
Broj koji se dobije zbrajanjem atomskih masa svih atoma u molekuli jednak je broju kg mase jednog kmol tvari. Npr. za sumporni dioksid (SO2), masa atoma sumpora 5
mS=32, kisika mO=16, pa je masa molekule SO2 jednaka mS+2mO=64, a masa jednog kmol SO2 iznosi M=64 kg. Maksimalna dopuštena koncentracija (MDK) štetnog plina u zraku na radnom mjestu propisana je za niz štetnih plinova. Npr. za ugljični dioksid (CO2) MDK=5000 ppm (9100 mg/m3), a za ugljični monoksid (CO) MDK=30 ppm (35 mg/m3). Dopuštene vrijednosti za stambene prostorije mogu biti i desetak puta manje od MDKvrijednosti. Ventilacija mora ostvariti izmjenu dovoljne količine zraka da se dopuštene vrijednosti koncentracije ne prekorače. Potrebna količina dovedenog zraka na sat Vh izražena u m3/h (volumenski protok) iznosi Vh = Km/(xmvM-xmva) = Kv/(xvM-xva) K xM xa
(1.5)
– dotok štetnog plina u prostoriju, Km u kg/h, a Kv u m3/h, – najveći dopušteni udjel štetne tvari u zraku u prostoriji, kg/m3 ili m3/m3 – najveći dopušteni udjel štetne tvari u atmosferskom zraku, kg/m3 ili m3/m3
Zrak koji čovjek izdiše ima oko 4% CO2. U mirovanju ili uz normalnu aktivnost čovjek udahne oko 0,5 m3/h zraka, čime se generira 20 l/h CO2. Tome odgovara potreba od oko 30 m3/h svježeg zraka, ako se kao dopuštena koncentracije CO2 odabere uobičajenih 0,1 vol.% (1000 ppm). Zavisno od aktivnosti ljudi i pojave neugodnog zadaha, potrebno je u prostoriju dovoditi 20-60 m3/h svježeg zraka po čovjeku. Zbog problema s provjetravanjem volumen prostorije treba iznositi najmanje 3 m3 po čovjeku. Visina prostorije ne smije biti manja od 2,5 m. 2
PRAŠINA
Pod prašinom se podrazumijevaju fine čestice krute mineralne i/ili organske tvari (veličine otprilike 0,01-500 µm) dispergirane u zraku. Prašina nastaje mehaničkim usitnjavanjem tvari, nepotpunim izgaranjem ili isparavanjem (npr. metala) pri izgaranju. Prema veličini čestica, prašina se dijeli na: − grubu (čestice veće od 5 µm) − finu ili koloidnu (0,25-5 µm) − ultramikroskopsku (čestice manje od 0,25 µm) Čestice koloidne prašine dovoljno su lagane da praktički lebde (zbog statičkog elektriciteta), tako da se vrlo sporo talože i ostaju dugo u zraku. Takve disperzije nazivaju se aerosolima, a mogu se sastojati od krutih čestica (dim) ili kapljica tekućine (magla) u zraku. Mikrobi u zraku imaju veličinu fine i ultramikroskopske prašine (veličina bakterija je 0,5-5 µm, a virusa 0,01-0,1 µm). Većinom se mikrobi pridržavaju za čestice prašine veće od 2 µm i koloidne kapljice vode. Osobito, čestice organskog porijekla najčešće sadrže mikrobe, te raspadne produkte i toksine koje oni stvaraju. Slično kao kod štetnih plinova, uobičajene jedinice za koncentraciju prašine u zraku su ppm i mg/m3. Maksimalna dopuštena koncentracija na radnom mjestu (MDK) prašine u zraku propisana je za čestice niza tvari. Npr. za prašinu koja sadrži silicijev oksid (SiO2), koji je izrazito štetan za zdravlje, MDK prema ruskoj normi iznosi 4 mg/m3, a prema američkoj (za prašinu koja sadrži preko 40% SiO2) iznosi 180 čestica/cm3. Osim o koncentraciji, štetnost prašine zavisi još o njenom sastavu i spektru veličina čestica, odn. njihovom broju. Fina i ultramikroskopska prašina (čestice manje od 1 µm) štetnija je zdravlju od grube prašine. Za odvajanje prašine koriste se mehanički i elektrostatički filtri. Za izdvajanje mikroba koriste se filtri za aerosol visokog učinka, eventualno u kombinaciji s elektrostatičkim filtrom. Daljnje metode uklanjanja mikroba uključuju raspršivanje kemikalija za dezinfekciju ili ugradnju svjetiljki s ultra-ljubičastom svjetlošću. 6
Preporučuje se ugradnja tih svjetiljki u ureñaje za ventilaciju, jer njihovo zračenje u radnim prostorijama može biti štetno za oči i kožu. Mjeriti se mogu sljedeće karakteristike prašine: − − − −
koncentracija broj čestica po m3 veličina čestica kemijski sastav
Postoji veći broj metoda mjerenja koje počivaju na različitim principima, pa često nije moguće preračunavanje mjernih rezultata jedne metode na drugu. Često se koriste sljedeće mjerne metode i ureñaji: a) Mjerenje pomoću filtra (gravimetrijska metoda) Količina zraka mjerena plinomjerom usisava se kroz filtar-papir odreñeno vrijeme. Težina čestica prašine odreñuje se vaganjem filtar-papira prije i poslije prolaska zraka, a čestice se mogu i prebrojiti pod mikroskopom. Neki ureñaji propuštaju zrak kroz seriju sve finijih filtara, čime se odreñuje koncentracija raznih veličina čestica (npr. koncentracija prašine veličine od 0,25-5 µm). b) Konimetar Zrak na izlazu iz mlaznice velikom brzinom nalijeće na ljepljivu ploču, pa se zalijepljene čestice prebroje. c) Brojač na bazi difuzne svjetlosti Zrak prolazi kroz jarko osvijetljenu mjernu komoru. Svjetlost koja pri sudaru s česticama promijeni smjer (difuzna svjetlost) pretvara se u električne impulse koji se mjere. Vidljivim svjetlom mogu se registrirati čestice veće od 0,3 µm. 3 3.1
TERMODINAMIČKO STANJE I TEMPERATURA ZRAKA Stanje zraka i veličine stanja
Zrak predstavlja smjesu više plinskih komponenata. U mnogim slučajevima zrak se može termodinamički promatrati kao (jednokomponentni) idealni plin. Termodinamičko stanje plina u potpunosti je definirano vrijednostima dviju karakterističnih termodinamičkih veličina poput temperature, tlaka, gustoće, specifičnog volumena, specifične unutrašnje energije, entalpije, entropije itd. Te karakteristične veličine zato se nazivaju veličine stanja. Vrijednosti pojedinih termodinamičkih veličina za plin često se navode pri normalnom stanju plina. To znači da je tlak plina jednak standardnom atmosferskom tlaku pa=1,01325 bar, a temperatura plina jednaka je standardnoj temperaturi atmosfere ta=0 0C. Time je stanje plina jednoznačno definirano obzirom da su definirane dvije veličine stanja (pa,ta). U području grijanja, klimatizacije i ventilacije posebno su česti termodinamički procesi pri konstantnom tlaku (atmosferskom) budući da se u tehničkom smislu tlak zraka mijenja neznatno ili vrlo malo. Obzirom na značaj vlage u zraku, često se zrak promatra kao smjesa dviju komponenti – suhog zraka i vode (pare i kapljevine). Takva smjesa naziva se vlažni zrak. Uz vrijednosti dviju veličina stanja (npr. tlaka i temperature), za definiranje stanja vlažnog zraka potrebno je definirati i koncentraciju vodene pare. Pri tome je za područje grijanja, ventilacije i klimatizacije tlak vlažnog zraka gotovo redovito konstantan i jednak atmosferskom.
7
Temperatura, T Za idealne plinove temperatura jednoznačno pokazuje razinu unutrašnje energije plina u, dok je kod realnih plinova ta veza približna. Valja naglasiti da je toplina zapravo unutrašnja energija u fazi prijelaza s tijela na tijelo, slično kao što je rad mehanička energija u fazi prijelaza s tijela na tijelo. Osnovna jedinica za temperaturu u SI sustavu je Kelvin (K). Uobičajeno je temperaturu izraženu stupnjevima Kelvina (tj. apsolutnu temperaturu) označavati oznakom T, dok se oznaka t koristi za temperaturu izraženu stupnjevima Celzija (0C). Za ovako izražene temperature vrijedi veza T=t+273,15
(3.1)
Mjerenje temperature ne predstavlja praktičan problem, jer se na termometrima vrijednost temperature uglavnom očitava direktno. Uz poznate termometre punjene tekućinom (npr. živom), koriste se još rastezni termometri (punjeni tekućinom, štapni i bimetalni), termo-elementi (termoparovi) i pirometri (za visoke temperature). Gustoća, ρ i specifični volumen, v Gustoća mase, češće se naziva samo gustoća, a predstavlja specifičnu masu odn. masu m po jedinici volumena V ρ = m/V
(3.2)
Gustoća se obično izražava u kg/m3. Specifični volumen v jednak je recipročnoj vrijednosti gustoće, a predstavlja volumen po jedinici mase v = 1/ρ = V/m
(3.3)
Tlak, p Atmosferski (barometarski) tlak pa posljedica je atmosfere odn. zraka koji svojom težinom pritišće površinu zemlje. Općenito, specifična sila takvog pritiska fluida po jedinici površine naziva se tlak p p = F/S
(3.4) – pritisak (sila), N= kg•m/s2 – površina, m2
F S
i izražava u Pascalima odn. Newtonima po kv. metru (Pa=N/m2). Ovakav tlak naziva se apsolutni tlak. Prema Pascalovom zakonu u fluidu se tlak u svim smjerovima širi jednako (jednako pritišće). p
pM1>0 (pretlak) standardni atm. tlak, pstand=1,01325 bar stvarni atm. tlak, pa pM2<0 (podtlak) pstand
p1 (apsolutni)
pa
pV2>0 (vakuum)
p2 (apsolutni) apsolutna nula (vakuum 100%)
Sl. 3.1 Objašnjenje pretlaka, podtlaka i vakuuma
8
Manometarski tlak pM dobije se tako da se od vrijednosti apsolutnog tlaka p u nekom prostoru računski oduzme vrijednost atmosferskog tlaka pa (sl. 3.1)
pM = p - pa
(3.5)
U slučaju p>pa dobiva se pozitivna vrijednost manometarskog tlaka (pM>0) koji se tada naziva pretlak. Ako je p
0) i često se izražava u postocima atmosferskog tlaka (pV%=-pM/pa•100%). U homogenom fluidu u polju sile teže, površine konstantnog tlaka (izobare) su horizontalne ravnine. Prirast tlaka uslijed težine tekućine duboke h jednak je težini stupca tekućine (visine h) koji ima jediničnu površinu (1 m2). Volumen tog stupca je h•1, pa mu je masa jednaka ρh, a težina stupca je ρgh i jednaka je prirastu tlaka ∆p, pri čemu je g konstanta gravitacije (standardna vrijednost g=9.80665 m/s2). ∆p = ρgh
(3.6)
Tekućinski manometar predstavlja primarni instrument za mjerenje tlaka. Na sl. 3.2. prikazan je tekućinski manometar za odreñivanje tlaka p. Manometar je jednim krajem priključen na mjereni tlak p, a drugim krajem je otvoren prema atmosferskom tlaku. Pri tome moraju biti poznate gustoća fluida ρ (npr. voda) i gustoća mjernog fluida ρ0 (npr. živa). Najprije se odredi položaj krajnje izobare koja kroz oba kraja Ucijevi prolazi kroz isti fluid. U ovom slučaju to je izobara 1-1 koja još uvijek prolazi kroz fluid gustoće ρ0. Zatim se izmjere visine h i h0. Budući da su u presjeku 1-1 tlakovi isti u lijevom i desnom kraju cijevi, postavlja se jednadžba manometra kojom se izjednačavaju ta dva tlaka (p1L=p1D), pa ta jednadžba glasi
p + ρgh = pa + ρ0gh0
(3.7)
tako da pretlak pM koji odgovara traženom apsolutnom tlaku p iznosi pM = p - pa = ρ0gh0 - ρgh
(3.8)
p pa
ρ
g h ρ0 1
h0 1 izobare
Sl. 3.2 Tekućinski manometar
Za mjerenje tlaka na raspolaganju je i niz mjernih instrumenata poput opružnih manometara (membranski, cijevni, s mijehom), pretvarača tlaka i mikrofona, koji omogućavaju direktno očitavanje vrijednosti tlaka. Jednadžba stanja za idealni plin Za zrak približno vrijedi jednadžba stanja idealnih plinova koja povezuje tlak p, volumen zraka V i apsolutnu temperaturu T za masu m plina. pV = mRT
(3.9) 9
pri čemu je R plinska konstanta. Kod normalnog atmosferskog stanja (pa=1,01325 bar, ta=0 0C) plinska konstanta za suhi zrak iznosi Rz=287,1 J/kgK, za vodenu paru Rp=461,4 J/kgK. Unutrašnja energija, specifična toplina cv Za specifičnu unutrašnju energiju idealnog plina u (izraženu u J/kg) vrijedi u = cvT
(3.10)
pri čemu je cv specifična toplina (pri konstantnom volumenu – izražena u J/kgK). Količina topline Q12 (izražena u J) potrebna za zagrijavanje mase m plina od temperature t1 do temperature t2 uz konstantni volumen plina iznosi Q12 = mcv(t2-t1) = m(u2-u1)
(3.11)
i jednaka je ukupnoj promjeni unutrašnje energije plina. Entalpija, specifična toplina cp Za entalpiju (toplinski sadržaj) idealnog plina h (izraženu u J/kg) vrijedi h = cpT
(3.12)
pri čemu je cp specifična toplina (pri konstantnom tlaku– izražena u J/kgK). Specifična toplina cp zavisi od temperature i tlaka, a pri uvjetima uobičajenim za probleme grijanja iznosi za suhi zrak cpz=1,005 kJ/kgK, za vodenu paru cpp=1,926 kJ/kgK i za kapljevitu vodu cpk=4,187 kJ/kgK. Količina topline Q12 (izražena u J) potrebna za zagrijavanje mase m plina od temperature t1 do temperature t2 uz konstantni tlak plina iznosi Q12 = mcp(t2-t1) = m(h2-h1)
(3.13)
i jednaka je ukupnoj promjeni entalpije plina. Specifična unutrašnja energija i entalpija vezane su relacijom h = u + p/ρ
(3.14)
Budući da se procesi sa zrakom vezani uz grijanje i klimatizaciju odvijaju približno pri konstantnom (atmosferskom) tlaku, energetsko stanje plina je najčešće pogodno izražavati pomoću entalpije. Toplina isparavanja, r Toplina isparavanja r (izražena u J/kg) predstavlja toplinu koju je potrebno dovesti jednom kg kapljevite vode za prijelaz iz kapljevite u parnu fazu (isparavanje) pri konstantnoj temperaturi i tlaku.
r = h''-h', t=const, p=const
(3.15)
pri čemu h' označava entalpiju zasićene kapljevite vode, a h'' entalpiju zasićene vodene pare. Toplina isparavanja r zavisi samo od temperature isparavanja i za vodu pri 0 0C iznosi r=2500 kJ/kg. 3.2
Zahtjevi na temperaturu prostorije, tu
U cilju održanja zdravlja i radne sposobnosti, temperatura prostorije mora osigurati da odavanje tjelesne topline ne bude ni manje ni veće nego što je fiziološki potrebno. Zavisno od ljudske aktivnosti odn. težine rada, odavanje tjelesne topline čovječjeg tijela iznosi oko 80-300W. Tijelo odaje toplinu putem konvekcije, zračenja i isparavanja. Tjelesni osjećaj temperature zavisi upravo od topline koju tijelo odaje. U tom smislu uvodi se pojam efektivne temperature. Osim od temperature zraka,
10
odavanje topline čovječjeg organizma zavisi od temperature okolnih ploha, relativne vlažnosti i brzine zraka. Temperatura zraka u prostoriji (temperatura prostorije) mjeri se u visini glave, najmanje na udaljenosti 1 m od površine zidova. Zavisno od ljudske aktivnosti, temperatura prostorije treba iznositi 18-24 0C. Za mirovanje i laku aktivnost uobičajena temperatura zimi iznosi 20 0C, a ljeti 21-22 0C. Za teški fizički rad obično se zahtijeva temperatura 15-16 0C, a u ljetu se temperatura od 26 0C smatra još uvijek prikladnom za laku aktivnost. Za vrućih ljetnih dana, pri vanjskim temperaturama iznad 28 0C, preniska temperatura prostorije može uzrokovati temperaturni šok, pa razlika temperature ne smije biti veća od 6 0C. Svi ovi podaci dani su uz pretpostavku da se temperatura prostorije ne razlikuje od temperature ploha prostorije. Razmjena topline zračenjem javlja se uslijed razlike površinskih temperatura ljudskog tijela i ploha prostorije. Srednja temperatura zračenja je srednja temperatura ploha prostorije (pod, strop, zidovi, vrata, prozori, predmeti u prostoriji). Osjetna temperatura otprilike odgovara aritmetičkoj sredini temperature zraka i srednje temperature zračenja, a može se mjeriti globus-termometrom (temperaturni osjetnik zatvoren je u šupljoj crnoj kugli). Osjetna temperatura mjerodavna je za osjećaj ugodnosti, tako da u principu treba povećati temperaturu zraka za isti onaj iznos za koji se temperatura zračenja smanji. Najveća razlika temperature prostorije i srednje temperature zračenja ne bi smjela prelaziti 3 0C. 4 4.1
VLAGA U ZRAKU Vlažni zrak
Mješavina suhog zraka i vode (pare i kapljevine) naziva se vlažni zrak (vlažni uzduh). Termodinamička svojstva suhog zraka uglavnom odreñuju dušik i kisik sadržani u zraku, dok se preostali suhi plinovi u zraku najčešće mogu zanemariti. Vlažni zrak promatra se kao mješavina samo dviju komponenti – suhog zraka (z) i vode. Ako se zamisli da se iz nekog zatvorenog volumena ispunjenog vlažnim zrakom pod tlakom p odstrani zrak, preostala para raširila bi se po cijelom volumenu i poprimila (manji) tlak koji se naziva parcijalni tlak pare pp. Za tlak vlažnog zraka (ukupni) p vrijedi p = pz+pp ,
(4.1)
pri čemu je s pz označen parcijalni tlak suhog zraka.
Sl. 4.1 Tlak zasićenja p' vodene pare u zavisnosti od temperature
11
Ako tlak vlažnog zraka iznosi oko 1 bar, za njegove komponente dovoljno točno vrijedi jednadžba stanja idealnog plina. Tako za suhi zrak vrijedi jednadžba pzV = mzRzT ,
(4.2)
a za paru u zraku ppV = mpRpT ,
(4.3)
pri čemu su – volumen vlažnog zraka (ukupni), m3 – temperatura vlažnog zraka, K – masa suhog zraka odn. pare, kg – plinska konstanta za suhi zrak odn. paru, J/kgK
V T mz, mp Rz, Rp
Najveća moguća vrijednost parcijalnog tlaka vodene pare jednaka je tlaku zasićenja vodene pare p' (pp,maks=p') koji zavisi samo od temperature, v. tablicu 4.1. Tablica 4.1 Tlak zasićenja p' vodene pare u zavisnosti od temperature t t, 0C 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
p, bar 0,006108 0,007055 0,008129 0,009345 0,010720 0,012270 0,014014 0,015973 0,018168 0,02062 0,02337 0,02642 0,02982 0,03360 0,03778
t, 0C 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58
p, bar 0,04241 0,04753 0,05318 0,05940 0,06624 0,07375 0,08198 0,09100 0,10086 0,11162 0,12335 0,13613 0,15002 0,16511 0,18147
t, 0C 60 70 80 90 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150
p, bar 0,1992 0,3116 0,4736 0,7011 1,0133 1,2080 1,4327 1,6906 1,9854 2,3210 2,7013 3,131 3,614 4,155 4,760
t, 0C 155 160 165 170 180 190 200 210 220 250 300 325 350 374,15
p, bar 5,433 6,181 7,008 7,920 10,027 12,551 15,549 19,077 23,198 39,776 85,927 120,560 165,350 221,200
Vlažnost zraka x (apsolutna vlažnost) definira sadržaj vode (pare i kapljevine) u vlažnom zraku, a predstavlja omjer mase vode i mase suhog zraka (nije udjel)
x = mv/mz ,
(4.4)
mz, mv – masa suhog zraka odn. vode (mv=mp+mk), kg Ukupna masa vlažnog zraka prema tome iznosi m = mv+mz = mz(1+x)
(4.5)
Granične slučajeve predstavljaju suhi zrak (mv=0, x=0) i čista voda (mz=0, x=∞). Zrak koji ne sadrži kapljevitu vodu (mk=0) naziva se nezasićeni vlažni zrak kada je parcijalni tlak vodene pare manji od tlaka zasićenja pri datoj temperaturi (pp
mp mz
=
pp Rz p p ⋅ = 0, 622 R p pz pz
(4.6)
Zasićeni zrak sadrži najveću moguću masu vodene pare (mp=mp,maks). Vlažnost zasićenog zraka označit će se oznakom x' (x=xp,maks=x'). Zrak koji sadrži kapljice i/ili kristale vode naziva se prezasićeni zrak (magla, susnježna magla i ledena magla). U 12
tehničkim problemima plinoviti dio prezasićenog zraka (samo zrak i para) uvijek je zasićen (x=xp+xk>xp=x', xk=mk/mz), tj. sadrži maksimalnu moguću količinu pare. Relativna vlažnost zraka φ definirana je izrazom
φ = mp/mp,maks = pp/p'
(4.7)
tako da φ može poprimiti vrijednosti od 0 do 1 (odn. 0-100%). Relativna vlažnost povećava se povećanjem tlaka ili smanjenjem temperature zraka. Smanjenjem temperature ili povećanjem tlaka pri φ=1 (zasićeni vlažni zrak) dolazi do kondenzacije onog dijela vlage u zraku koji premašuje najveću moguću količinu, tako da se relativna vlažnost ne mijenja (ostaje φ=1). Kondenzirana voda vidljiva je u obliku magle ili padalina. Relativna vlažnost može se mjeriti neposredno (npr. pomoću higrometra na vlas) ili posredno pomoću psihrometra (suhog i vlažnog termometra). Neki puta se sadržaj pare u zraku izražava putem stupnja zasićenja ψ definiranog izrazom ψ = xp/x'
(4.8)
koji takoñer može poprimati samo vrijednosti od 0 do 1. Psihrometar (sl. 4.2) je ureñaj za mjerenje vlažnosti zraka. Sastoji se od dva termometra od kojih je jedan suhi (običan), a drugi je prekriven vlažnom tkaninom, te od ureñaja koji osigurava strujanje okolnog zraka pored termometara i ujedno pomoću oplate sprječava razmjenu topline zračenjem. Iz očitanja suhog i vlažnog termometra može se relativna vlažnost zraka φ jednostavno odrediti iz dijagrama na sl. 4.3. Može se koristiti i približna psihrometrijska formula (Sprung 1888.) za odreñivanje parcijalnog tlaka pare pp u zraku
pp = p'VT – 0,00066(tST-tVT)p , tST tVT p p'VT
(4.9) 0
- temperatura suhog termometra (temperatura zraka), C - temperatura vlažnog termometra, 0C – tlak (vlažnog) zraka, Pa – tlak zasićenja vodene pare pri temperaturi tVT, Pa
nakon čega se relativna vlažnost φ odreñuje prema φ=pp/p'ST (izraz 4.7), pri čemu je p'ST tlak zasićenja pare pri temperaturi zraka (temperaturi suhog termometra).
Sl. 4.2 Psihrometar
13
Sl. 4.3 Dijagram za odreñivanje vlažnosti zraka pomoću psihrometra pri atmosferskom tlaku od 1006 mbar
4.2
Zahtjevi na vlažnost
Relativna vlažnost manja od 35% pospješuje nastajanje čestica prašine koje pougljenjavanjem na ogrjevnim površinama oslobañaju takve plinove koji iritiraju dišne organe. Takoñer dolazi do električkog nabijanja nekih materijala. Pri relativnoj vlažnosti većoj od 65% može doći do rošenja na hladnijim površinama i do razvoja plijesni. Pri preporučenim vrijednostima temperature prostorije i srednje temperature zračenja vlažnost zraka nema bitnog utjecaja na toplinsku ugodnost. S povećanjem temperature prostorije raste udio topline koju ljudsko tijelo odaje isparavanjem preko kože. Ako je tada vlažnost zraka prevelika, dolazi do znojenja kože. Zato je pri višim temperaturama potrebna niža vlažnost zraka. Na sl. 4.5 prikazan je raspon preporučljivih vrijednosti relativne vlažnosti zraka u zavisnosti od temperature u prostoriji, dok su u tablici 4.2 prikazane preporučljive vrijednosti temperature i relativne vlažnosti zraka u prostoriji u ljetnom razdoblju.
14
Sl. 4.4 Preporučljive vrijednosti relativne vlažnosti zraka u prostoriji
Tablica 4.2 Preporučljive ljetne vrijednosti temperature i relativne vlažnosti zraka u prostoriji Zrak u prostoriji
5
Vanjska temperatura, 0 C
Temperatura prostorije, 0 C
20
Relativna vlažnost ϕ, % min.
maks.
22
35
65
25
23
35
65
30
25
35
60
32
26
35
55
BRZINA STRUJANJA ZRAKA
Osim strujanja zraka kroz otvore, strujanje zraka u prostoriji uzrokovano je i konvektivnim zagrijavanjem zraka uz ljude, strojeve, prozore i zidove. Za mjerenje brzine strujanja zraka u prostoriji često se upotrebljavaju termički anemometri, koji kao osjetnik koriste električni otpornik ili termistor. Mjerenje brzine bazira se na činjenici da se s povećanjem brzine povećava odavanje topline ovih osjetnika. Brzina strujanja zraka može se odrediti i katatermometrom – alkoholnim termometrom čija kapilarna cijev je proširena u gornjem dijelu. Termometar se najprije zagrije tako da alkohol ispuni taj prošireni dio. Zatim se termometar stavlja u prostoriju, te se mjeri brzina hlañenja alkohola koja ovisi o temperaturi i brzini zraka. Iz poznate temperature zraka i izmjerene brzine hlañenja može se odrediti brzina zraka. Poznatiji ureñaji za mjerenje brzine zraka uključuju još i Pitot-Prandtlovu cijev, anemometar s vrućom žicom, rotacijski anemometar i laserski anemometar na bazi Dopplerovog efekta. Zrak koji struji oko ljudskog tijela može narušavati toplinsku ravnotežu tijela i okoline, a time i ugodnost. Intenzitet tog utjecaja zavisi od brzine i smjera strujanja, te od razlike temperature zraka i tijela. Naročito nepogodno je postojano strujanje hladnog zraka u istom smjeru koje se naziva propuh. Preporučljive brzine zraka pri normalnim temperaturama (20-22 0C) iznose 0,15-0,25 m/s. Ako su uvjeti strujanja nepovoljni, brzina zraka ne bi trebala prelaziti 0,15 m/s. U slučaju težeg rada,
15
dozvoljene su veće brzine zraka. Na sl. 5.1 prikazana je zavisnost najveće preporučljive brzine zraka od temperature zraka.
Sl. 5.1 Najveće preporučljive brzine zraka
6
EFEKTIVNA TEMPERATURA
Efektivna temperatura (ET) uvedena je u Americi kao pokušaj da se ugodnost kvantificira jednom jedinstvenom veličinom. Po iznosu, ona je jednaka temperaturi zraka uz relativnu vlažnost φ=100% i brzinu zraka vz=0. Efektivna temperatura je fiktivna temperatura kojoj odgovara takva kombinacija temperature, vlažnosti i brzine zraka koja prema iskustvu daje istovjetnu razinu komfora. Prema američkim autorima zona komfora je u granicama ET=17-220. ET=250 smatra se granicom za radnu sposobnost bez ograničenja, a ET=320 – granicom podnošljivosti.
Efektivna temperatura može se odrediti npr. pomoću nomograma na sl. 6.1. Na slici je prikazan i primjer odreñivanja efektivne temperature: uz temperaturu suhog termometra 29 0C, temperaturu vlažnog termometra 26 0C i brzinu zraka od 2 m/s, ET=230.
Sl. 6.1 Nomogram za odreñivanje efektivne temperature
16
TOPLINSKO OPTEREĆENJE PROSTORIJE Toplinsko opterećenje prostorije QN je toplinski tok (toplina u jedinici vremena izražena u W, odn. snaga) koji je potrebno dovesti u prostoriju ili odvesti iz prostorije kako bi stanje zraka u prostoriji ostalo nepromijenjeno. Toplinsko opterećenje u zimskom razdoblju naziva se potrebna toplina za grijanje prostorije koja predstavlja osnovu za dimenzioniranje kapaciteta sustava grijanja i veličina ogrjevnih površina. U ljetnom razdoblju potrebno je toplinu iz prostorije odvoditi pomoću rashlañenog zraka. Takvo toplinsko opterećenje naziva se rashladno opterećenje prostorije i predstavlja osnovu za odreñivanje potrebne količine rashladnog zraka.
Procesi kojima se toplina razmjenjuje izmeñu prostorije i okoline su izmjena topline konvekcijom, provoñenjem (kondukcijom) i zračenjem, te izmjena mase zraka. Postupak proračuna toplinskog opterećenja je normiran (standardiziran) i razlikuje se za grijanje i za klimatizaciju. Toplinsko opterećenje prostorije jednako je algebarskoj sumi svih toplinskih gubitaka i dobitaka prostorije. Toplinsko opterećenje uključuje: − transmisijsku toplinu QT (prolaz topline kroz grañevinske elemente) − toplinu ventilacije QV (zbog mase vanjskog zraka koji ulazi u prostoriju infiltracijom ili ventilacijom) − rashladno opterećenje od sunčevog zračenja − rashladno opterećenje od rasvjete − rashladno opterećenje od strojeva i ureñaja − rashladno opterećenje od ljudi Potrebna toplina za grijanje uključuje samo transmisijsku toplinu i toplinu ventilacije. Rashladno opterećenje uključuje veći broj različitih izvora topline koje treba uzeti u obzir zavisno od slučaja do slučaja, ali najčešće ne uključuje toplinu ventilacije. Za klimatizaciju treba razlikovati osjetnu toplinu koja se manifestira u temperaturnoj razlici i latentnu toplinu koja je posljedica povećanja vlažnosti zraka i predstavlja toplinu koju treba potrošiti na sušenje zraka. 1
TRANSMISIJSKA TOPLINA, QT
Transmisijska toplina QT (izražena u W) predstavlja toplinski tok kroz grañevinske elemente koji omeñuju prostoriju (zidove, pod, strop, prozore i vrata). Toplinski tok Qkonv koji konvekcijom prelazi s čvrste površine grañevnog elementa na zrak u dodiru s njom računa se prema izrazu Qkonv = α(tpov–tz)S
(1.1)
α – koeficijent prijelaza topline koji zavisi od brzine zraka, W/(m K) S – površina grañevnog elementa, m2 tpov, tz – temperatura površine grañevnog elementa i temperatura zraka, 0C 2
Toplinski tok Qprov koji provoñenjem (kondukcijom) prolazi kroz materijal grañevnog elementa računa se prema izrazu Qprov = λ(tpov2–tpov1)S/d
(1.2)
λ – koeficijent provoñenja topline koji zavisi od materijala, W/(mK) d – debljina grañevinskog elementa, m S – površina grañevnog elementa, m2 tpov1, tpov2 – temperature jedne i druge površine grañevnog elementa, 0C
Ukoliko je grañevni element sastavljen od n slojeva različitih materijala, kondukcijom se kroz njega provodi toplinski tok Qprov 17
Q prov =
n
1 (t −t )S di pov ,u pov ,v
(1.3)
∑λ i =1
i
λi – koeficijent provoñenja topline za i-ti materijal, W/(mK) di – debljina i-tog sloja, m S – površina grañevnog elementa, m2 tpov,u, tpov,v – temperature na unutrašnjoj (okrenutoj prema prostoriji) i vanjskoj površini grañevnog elementa, 0C
Toplinski tok kroz višeslojni grañevinski element QGE=Qprov=Qkonv može se prema tome izračunati pomoću sljedećih izraza QGE = k(tu–tv)S ,
(1.4)
1/k = 1/αu + Σ(d/λ) + 1/αv
(1.5)
k – koeficijent prolaza topline za grañevni element, W/(m2K) tu, tv – unutrašnja i vanjska temperatura zraka (s jedne i druge strane grañevnog elementa), 0C αu, αv – koeficijenti prijelaza topline na unutrašnjoj i vanjskoj strani grañevnog elementa, W / (m2K) pri čemu termin prolaz topline obuhvaća prijelaz topline zajedno s provoñenjem topline. Primjer Odreñivanje koeficijenta prolaza topline k kroz višeslojni zid Materijal
1/αv = Rv Vanjska žbuka (cementna) Staklena vuna Zid od šuplje cigle Unutrašnja žbuka (sadrena) 1/αu = Ru
Debljina, d m
K. provoñenja, λ W/(mK)
0,015 0,030 0,24 0,015 -
1,40 0,04 0,58 0,70
T.otpor, R m2K/W R = d/λ 0,04 0,011 0,75 0,414 0,021 0,13
Σ = 1,366 k = 1/ΣR = 0,732 W/m2K Transmisijska toplina QT prostorije jednaka je algebarskoj sumi toplinskih tokova QGE kroz sve grañevne elemente prostorije, a transmisijska toplina zgrade QT jednaka je algebarskoj sumi transmisijskih toplina za sve prostorije. Za vanjsku temperaturu (atmosfere) tv odabire se vanjska projektna temperatura za datu regiju. Za unutrašnju temperaturu koristi se vrijednost standardne unutrašnje temperature za datu vrstu i namjenu prostorije. 2
TOPLINA VENTILACIJE, QV
Toplina ventilacije QV je toplinski tok razmijenjen izmeñu prostorije i okoline uslijed prirodne ili prisilne ventilacije. Prirodna ventilacija posljedica je propusnosti prostorije odn. izmjene zračne mase prostorije kroz sastavke (zazore) prozora i vrata. Okolni zrak kroz sastavke prozora i vrata ulazi u prostoriju, pa ga je potrebno zagrijati ili ohladiti (toplina ventilacije).
Toplina prirodne ventilacije QV,GE=Vρc(tu–tv) kroz neki grañevinski element (prozor ili vrata, pri čemu je V – volumenski protok kroz element, m3/s, ρ – gustoća zraka,
18
1,22 kg/m3, c – specifična toplina zraka, oko 1007 J/kgK) praktično se računa prema općem obrascu QV,GE = KV,GE(al)(tu–tv)
(2.1) -1
-3
2/3
KV,GE – ukupni koeficijent za toplinu ventilacije, Wh K m Pa a – koeficijent propusnosti kroz sastavak, m3/(mh Pa2/3) l – duljina sastavka (zazora), m
Volumenski protok V zavisi od razlike tlaka s unutrašnje i vanjske strane grañevinskog elementa. Radi jednostavnosti, ovdje je uveden ukupni koeficijent za toplinu ventilacije KV,GE. On obuhvaća gustoću zraka, specifičnu toplinu zraka i razliku tlaka izmeñu prostorije i okoline, uzimajući u obzir izloženost vjetru, položaj i tlocrt zgrade, pregradne zidove, visinu i karakteristike zgrade. Srednja vrijednost koeficijenta propusnosti a za sastavke bez brtvi iznosi 0,6 m3m-1h-1Pa-2/3, a za sastavke s posebnim brtvama oko 0,3 pa sve do 0,1 m3m-1h-1Pa-2/3. Ukupna toplina prirodne ventilacije QV za prostoriju dobiva se sumiranjem toplina ventilacije za sve grañevinske elemente QV,GE (prozore i vrata) kroz koje u prostoriju ulazi vanjski zrak. Iz higijenskih razloga, za prostorije u kojima ljudi trajno borave, broj izmjena zraka β u prostoriji na sat ne smije biti manji od vrijednosti βmin=0,5, dok za kupaonice i zahode ta vrijednost iznosi 4. Na bazi tog zahtjeva dobiva se minimalna potrebna toplina ventilacije QV,min:, pa se u slučaju da je proračunata vrijednost topline ventilacije QV
(2.2)
VR – volumen prostorije, m3 ρ – gustoća zraka, (oko 1,22 kg/m3) cp – specifična toplina zraka, (oko 1007 J/kgK) Za prostorije s prisilnim provjetravanjem, u slučaju tlačne ventilacije računa se standardna toplina ventilacije po uobičajenoj metodi. Kod odsisne ventilacije potrebno je za pretičak zraka odrediti dodatnu toplinu ventilacije. Kod odreñivanja ukupnog toplinskog opterećenja zgrade pribrajaju se samo djelomične vrijednosti topline ventilacije (s faktorom ζ=0,5 do 0,7) za sve prostorije, jer vjetar ne može istovremeno nastrujavati na sve vanjske površine. 3
POTREBNA TOPLINA ZA GRIJANJE ZGRADE, QN
Potrebna toplina za grijanje zgrade QN jednaka je sumi transmisijske topline QT za zgradu i topline ventilacije ζQV za zgradu. QN = QT + ζQV
(3.1)
Prema A/V metodi može se potrebna toplina za grijanje zgrade Qn procijeniti pomoću izraza A Qn = km + 0,34 β V ∆t V
(3.2)
km – srednji koeficijent prolaza topline (sl. 3.1), W/(m2K) A – ukupna vanjska površina zgrade , m2 V – ukupni volumen zgrade , m3 β = 0,5-1, broj izmjena zraka na sat, 1/h ∆t = tu – tv, temperaturna razlika, K 19
Sva ogrjevna tijela treba predimenzionirati za 15% (faktor sigurnosti 1,15) u odnosu na potrebnu toplinu.
Sl. 3.1 Koeficijent prolaza topline u zavisnosti od vrijednosti A/V
4
RASHLADNO OPTEREĆENJE OD SUNČEVOG ZRAČENJA, QS
Toplinski tok uslijed sunčevog zračenja uzima se u obzir pomoću odgovarajućih korekcija u izrazima (1.4) i (1.5). Jedino se kod odreñivanja rashladnog opterećenja prozora odvojeno uzima u obzir vrijednost toplinskog toka uslijed sunčevog zračenja QS. Praktički se transmisijski toplinski tok QPROZ kroz prozor odreñen pomoću izraza (1.4) i (1.5) uvećava za vrijednost QS. QS = ISs
(4.1)
I – gustoća toplinskog toka sunčevog zračenja na površinu prozora, W/m2 Ss – površina staklenog dijela prozora, m2 5
RASHLADNO LJUDI, QRST
OPTEREĆENJE
OD
RASVJETE,
STROJEVA
I
Energija za rasvjetu pretvara se gotovo u potpunosti u toplinu i postaje dio rashladnog opterećenja prostorije. Rasvjetna tijela ugrañena u otvore za odsis zraka bitno smanjuju rashladno opterećenje od rasvjete. Rashladno opterećenje od strojeva i ureñaja često se može odrediti prema izrazu QSTR = (1-η)P
(5.1)
P – ukupna snaga stroja, W η – ukupni stupanj korisnog djelovanja stroja Neki strojevi i ureñaji generiraju još i latentnu toplinu koju takoñer treba uzeti u obzir. Ukupno rashladno opterećenje odavanja topline od ljudi zavisi od radne aktivnosti, odjeće i stanja okoline i otprilike varira u granicama 80-300W po čovjeku. Potrebno je razlikovati osjetno i latentno opterećenje koje zavisno od radne aktivnosti i temperature prostorije varira otprilike izmeñu 20% (laka aktivnost pri 18 0C) do 65% (teški fizički rad pri 26 0C) od ukupnog opterećenja od ljudi.
20
6
POTREBNA KOLIČINA I VLAŽNOST ZRAKA ZA KLIMATIZACIJU
Ukupno rashladno opterećenje prostorije QN jednako je zbroju transmisijske topline QT, rashladnog opterećenja od sunčevog zračenja QS i rashladnog opterećenja od rasvjete, strojeva i ljudi QRSL. QN = QT + QS + QRSL
(6.1)
Zapravo se potrebna osjetna QN,os i latentna QN,lt toplina moraju obračunavati i izražavati odvojeno, a pri tome vrijedi QN = QN,os + QN,lt
(6.2) 3
Količina zraka (volumenski protok zraka V izražen u m /s) potrebna za kompenzaciju osjetnog toplinskog opterećenja prostorije QN,os odreñuje se prema izrazu V=
QN , os c p ρ∆t
(6.3)
cp – specifična toplina zraka, J/kgK ρ – gustoća zraka, kg/m3 ∆t – razlika temperatura prostorije i zraka koji se dovodi ∆t=tu-td, 0C Zbog ugodnosti ljeti (razdoblje hlañenja) se ne preporučuje razlika temperatura ∆t veća od 6-9 0C, dok zimi (razdoblje grijanja) može iznositi i do 30 0C. Za kompenzaciju latentnog toplinskog opterećenja potrebna je apsolutna vlažnost xd dovedenog zraka xd = xu −
QN ,lt V ρr
(6.4)
r – toplina isparavanja vode, J/kg xu – apsolutna vlažnost zraka u prostoriji
21
GRIJANJE Zadatak grijanja je zimsko zagrijavanje prostorija u kojima se zadržavaju ljudi, te održavanje ugodne temperature koja osigurava da odavanja topline ljudskog tijela bude jednako normalnom fiziološkom generiranju topline tijela. Svi ureñaji za grijanje moraju u pogledu sigurnosti i zaštite od požara ispunjavati neke standardne uvjete ili djelovanje ureñaja mora biti tipski ispitano kako ne bi ugrožavali život i zdravlje ljudi ili imovinu. Podjele sustava za grijanje Grijanje se prema smještaju ureñaja odn. postrojenja za generiranje topline dijeli na: a) Lokalno b) Centralno Prema radnom mediju dijeli se na: I. grijanje toplom vodom II. grijanje parom III. grijanje zrakom c) Daljinsko (rajonsko). Prema mediju za prijenos topline na daljinu dijeli se na: I. grijanje toplom vodom niskog tlaka II. grijanje toplom vodom visokog tlaka III. grijanje parom Kod lokalnog grijanja ložište (element za generiranje topline) se nalazi u samoj prostoriji koja se grije. Kod centralnog grijanja toplina se za cijelu zgradu generira centralno, u zajedničkoj kotlovnici. Time se omogućava učinkovitije izgaranje, posluživanje, te automatska regulacija izgaranja i odavanja topline grijala, a instalacija ukupno zahtjeva manje mjesta. Grijanje parom omogućava prijenos topline na veće udaljenosti, para ima manju specifičnu toplinu (cpp
drvo, ugljen, loživo ulje plin električna energija.
Prema načinu odavanja topline razlikuju se: a) visokotemperaturno grijanje Zračenje je dominantan način izmjene topline, a ogrjevna tijela (grijala) imaju male dimenzije zbog njihove visoke temperature. U principu se postavljaju razmjerno visoko i koriste za prostorije koje su otvorene ili veće (dvorane). b) niskotemperaturno grijanje Temperatura ogrjevnih tijela ne smije biti bitno viša od temperature prostorije (npr. za podno grijanje oko 28 0C), pa je konvekcija dominantan način izmjene topline, a ogrjevna tijela imaju relativno velike površine odn. dimenzije. c) klasično grijanje
22
Temperature ogrjevnih tijela su izmeñu onih za visokotemperaturno i za niskotemperaturno grijanje i ne smiju prelaziti 100 0C. Za centralno/daljinsko grijanje, standardna ulazna temperatura iznosi 90 0C, a izlazna 70 0C, pa se računa da je srednja temperatura ogrjevnih tijela 80 0C. Veće temperature dovode do neugodnog pougljenjivanja prašine. Toplina se izmjenjuje konvekcijom i zračenjem. d) grijanje zagrijanim zrakom 1
LOKALNO GRIJANJE
Kod lokalnog grijanja se ložište (element za generiranje topline) nalazi u samoj prostoriji koja se grije. Ureñaji za lokalno grijanje (peći) su: − − − − − − 1.1
kamini, peći s velikom akumulacijom energije (kruta goriva) peći s malom akumulacijom energije (kruta goriva) uljne peći plinske peći električne peći. Peći za kruta goriva
Kamini Klasični kamini imaju otvoreno ložište pa se toplina prenosi zračenjem. Imaju niski stupanj iskoristivosti (10-20%), tako da se rijetko koriste, uglavnom za dekoraciju ili za dodatno grijanje. Peći s velikom akumulacijom energije (kaljeve) Kaljeve peći grade se od keramičkih pločica (kalj, pećnjak) i šamotne opeke. Zbog svoje velike mase imaju veliku toplinsku tromost, pa nije moguća kvalitetna regulacija grijanja. Kao gorivo koristi se drvo, smeñi ugljen ili lignit, a česte su i izvedbe ili adaptacije na loženje plinom. Toplina se podjednako odaje konvekcijom i zračenjem. Stupanj iskoristivosti je visok te iznosi 65-75% i više. Akumulacijske peći u koje je unutar šamotne oplate ugrañena peć od željeza koriste se za kontinuirano grijanje većih prostorija (dvorana). Peći s malom akumulacijom energije To su peći s plaštem od lijevanog željeza ili čeličnog lima koji je s unutrašnje strane obložen šamotom. Površinske temperature su neugodno visoke (200-250 0C), pa se toplina pretežno izmjenjuje zračenjem. Zato, kao i zbog male akumulacije energije, pogodne su za povremeno grijanje. Nazivna snaga ovih peći je 4-10 kW uz stupanj korisnog djelovanja oko 70%. Razlikuju se željezne peći s gornjim (irske) i donjim (američke) izgaranjem. 1.2
Peći za loženje plinom
U odnosu na kruta goriva, loženje plinom ima sljedeće prednosti: − − − − − − −
jednostavno posluživanje visok stupanj korisnog djelovanja (oko 80%) pogonska i ekološka čistoća jednostavna doprema goriva nema odvoza pepela moguća automatska regulacija temperature prostorije male dimenzije
Nedostatak loženja plinom predstavlja opasnost od trovanja i eksplozija. 23
Prema načinu odavanja topline razlikuju se peći sa zračenjem topline i peći s konvekcijom topline. Plinske peći sa zračenjem topline Zbog nehigijenskih previsokih površinskih temperatura, peći sa zračenjem topline uglavnom nisu pogodne za trajno grijanje prostorija, pa se pretežno koriste za povremeno grijanje. Peći sa zračenjem topline uključuju − plinske radijatore − žarne peći − peći s infracrvenim zračenjem (užarene i tamne) Užarene peći s infracrvenim zračenjem su stropne plinske grijalice koje se koriste za visoke dvorane i hale (minimalna visina postavljanja grijalice iznosi 4 m), pa su posebno interesantne za industriju. U grijalici plin potpuno izgara u posebnoj poroznoj masi (keramika ili dr.) koja se zagrije (zažari) na temperaturu 800-900 0C. Snaga grijalice iznosi 5-42 kW, uz stupanj korisnog djelovanja grijalice 60-95%. Plinovi izgaranja često izlaze izravno u prostoriju, pa je nužno osigurati odvod zraka pomoću ventilatora koji se postavljaju iznad grijalica.
Sl. 1.1 Užarena infracrvena grijalica
Sl. 1.2 Užarena infracrvena grijalica
Plinske peći s konvekcijom topline Peći s konvekcijom topline imaju zaštitni plašt od čeličnog ili aluminijskog lima, a neki puta od šamota i keramičkih pločica. Snaga tih peći uglavnom ne prelazi 12 kW. Često su predviñene za smještaj ispod prozora ili uz vanjski zid, pa se kroz otvor u vanjskom zidu neposredno dovodi zrak, a odvode dimni plinovi. Sigurnosni ureñaji Sve plinske naprave moraju imati osigurač koji zatvara plin, ako se ugasi plamen, tj. sprječava ulaz sirovog plina u napravu i prostoriju (opasnost od trovanja i eksplozije). 24
Ti osigurači izvode se kao bimetalni ili kao termoelektrični osigurači. Bimetalni osigurač ima bimetalnu polugu koja, kada se ugrije, otvara ventil za dovod plina. Termoelektrični osigurač ima termoelement koji u toplom stanju generira istosmjernu struju, pa se pomoću elektromagneta ventil za dovod plina održava u otvorenom položaju.
Sl. 1.3 Bimetalni osigurač
Sl. 1.4 Termoelektrični osigurač
S izuzetkom užarenih peći s infracrvenim zračenjem i katalitičkih peći na tekući plin, plinske peći moraju imati odvodni vod za dimne plinove koji se najčešće priključuje na dimnjak za koji vrijede strogi propisi. Izmeñu ostalog, zbog opasnosti od trovanja ili gašenja plamena (eksplozija) mora se u dimnjak ugraditi prekidač propuha s osiguranjem od protustrujanja koje bi se inače moglo pojaviti zbog utjecaja vjetra. 1.3
Peći za loženje uljem
Kao gorivo obično se koristi lako loživo ulje. Ove peći imaju iste prednosti kao i peći ložene plinom. Neugodan miris ulja najčešće je posljedica prolijevanja ulja pri punjenju gorivom. Temperatura vanjskog plašta uvjetuje da se toplina odaje pretežno konvekcijom, a u manjoj mjeri zračenjem. Peći imaju spremnik za ulje, a plamenik-isparivač (komora izgaranja) vrlo je osjetljiv na neodgovarajući uzgon u dimnjaku, pa je kod jačih peći često potrebno ugraditi ventilator za dovod zraka. Snaga uljnih peći je 4-20 kW, uz stupanj iskoristivosti oko 70-80%. 1.4
Električne peći
Električne peći koriste se uglavnom za dodatno grijanje prostora koji se zagrijavaju nekim drugim sustavom grijanja, osobito u prijelaznim razdobljima. Kad se izuzme visoka cijena električne energije, grijanje pomoću električne energije ima niz očitih prednosti u odnosu na druge vrste grijanja. Najčešće vrste električnih peći uključuju: − − − − − 2
električnu grijalicu (konvektor) kalorifer infracrvenu grijalicu električni radijator termo-akumulacijsku peć UREðAJI CENTRALNOG I DALJINSKOG GRIJANJA
Osnovni dijelovi sustava centralnog i daljinskog grijanja uključuju kotao (s dovodom goriva i dimnjakom) ili izmjenjivače topline, pumpu, razvodni cjevovodni sustav (s 25
ekspanzijskom posudom i armaturom), ureñaje za grijanje prostorije, te mjernu, regulacijsku i sigurnosnu opremu. Kotlovi i ureñaji za grijanje u suštini su izmjenjivači topline – elementi kroz koja struje dva fluida različite temperature potpuno odijeljena čvrstom stjenkom koja provodi toplinu. Zadatak izmjenjivača topline je predaja topline od jednog fluida na drugi. Kotlovi imaju i drugi bitan zadatak – izgaranje goriva koje se odvija u ložištu. 2.1
Ureñaji za grijanje prostorije
Toplinu koja se vodom ili parom dovodi do ureñaja za grijanje, ti ureñaji konvekcijom i zračenjem predaju zraku i okolnim površinama. Ureñaji za grijanje dijele se na grijala (ogrjevna tijela) i panele (ogrjevne površine). Koriste se cijevna, rebrasta, pločasta i člankasta grijala (radijatori), te konvektori i podni konvektori. Grijala se izrañuju od aluminija, čeličnog lima ili lijevanog željeza. U principu se postavljaju ispod prozora čime se sprječava nelagodno strujanje i zadržavanje hladnog zraka u blizini poda. Paneli mogu biti stropni, zidni i podni. Grijala Cijevna grijala izrañena su od glatkih cijevi, a izvode se jednostruko (u obliku cijevnih zavoja) ili kao cijevni registri (baterija paralelno spojenih cijevi). Upotrebljavaju se uglavnom za grijanje nusprostorija (npr. u obliku sušila za ručnike). U cilju učinkovitijeg prijelaza topline, rebrasta cijevna grijala imaju rebra ili lamele postavljene okomito na cijev. Pločasta grijala izrañuju se od čeličnog lima ili aluminija, izrazito su male dubine (nalikuju spljoštenim čeličnim cijevima), s glatkom ili profiliranom ogrjevnom površinom, koja velik dio topline predaje zračenjem. Pločasti radijatori izrañuju se od profiliranog čeličnog lima, a pločasti konvektori nalik su pločastim radijatorima, ali imaju sa stražnje strane dodatne vertikalne lamele. Radijatori (člankasta grijala) su sastavljeni od istovrsnih članaka od lijevanog željeza, čeličnog lima ili aluminija. Članci se spajaju pomoću nazuvica s desno-lijevim navojem 1¼" i odgovarajućih brtvi.
Sl. 2.1 Konvektor
Konvektori su grijala od rebrastih čeličnih cijevi ili od bakrenih cijevi s aluminijskim lamelama, ugrañena u limeno kućište ili u zidnu udubinu s oplatom na prednjoj i bočnim stranama. Zbog uzgonskog efekta dimnjaka zrak kroz konvektor struji
26
povećanom brzinom čime se dobiva učinkovitiji prijelaz topline. Konvektori su jeftiniji, manji, lakši i brže se zagrijavaju nego radijatori, ali je čišćenje otežano. Noviji radijatori takoñer koriste efekt dimnjaka, pa u neku ruku predstavljaju kombinaciju radijatora i konvektora. Standardni i stvarni toplinski učin ogrjevnih tijela Za sva ogrjevna tijela mora se obaviti ispitivanje toplinskog učina (odrediti standardni toplinski učin) i registracija, čime se omogućava ispravno dimenzioniranje ogrjevnih tijela. Standardni toplinski učin jest toplinski učin uz temperaturnu razliku ∆tN=60 K izmeñu srednje temperature vode tm u ogrjevnom tijelu i temperature prostorije tu, te uz 20 K razlike temperatura u polaznom i povratnom vodu. Srednja temperatura vode računa se prema izrazu tm = (tv + tr) / 2
(2.1) 0
tv – temperatura u polaznom vodu, C tr – temperatura u povratnom vodu, 0C. Uz standardnu temperaturu prostorije tu=20 0C izlazi da polazna i povratna temperatura trebaju biti tv=90 0C, tr=70 0C, a srednja temperatura tm=80 0C (opterećenje pri 80/20 0C). Novija norma predviña vrijednosti tu=20 0C, tv=75 0C, tr=65 0C, uz temperaturnu razliku ∆tN=50 0C. Stvarno toplinsko opterećenje Q može se odrediti iz standardnog toplinskog opterećenja QN prema Q/QN = (∆t / ∆tN)n
(2.2) 0
∆t – stvarna razlika temperatura grijala i prostorije, C n – eksponent: n=1,30 za radijatore n=1,25 za cijevi n=1,20-1,30 za pločaste radijatore n=1,25-1,45 za konvektore Primjer: Odrediti stvarni toplinski učin Q radijatora koji se nalazi u prostoriji temperature tu=22 0C, a srednja temperatura radijatora iznosi tm=75 0C, ako je poznato standardno toplinsko opterećenje radijatora QN=114 W po članku (W/čl).
∆t = tm – tu = 75 – 22 = 53 0C Q = QN (∆t / ∆tN)n = 114 (53/60)1,3 = 97,0 W/čl.
Stvarni toplinski učin radijatora iznosi Q = 97,0 W/čl. Paneli Paneli su velike ogrjevne površine koje obuhvaćaju niskotemperaturno grijanje (podno, stropno i zidno) i ploče za zračenje. Kod niskotemperaturnog grijanja ogrjevne cijevi ugrañene su u zidove, tako da nisu primjetne, a temperature površina su zbog fizioloških razloga niske i iznose 25-45 0C. Prijelaz topline odvija se u većoj mjeri putem zračenja nego kod ogrjevnih tijela.. Niskotemperaturnim grijanjem štedi se energija, naročito kada se za zagrijavanje koriste dizalice topline. Podno grijanje ostvaruje se putem čeličnih, bakrenih ili plastičnih cijevi ugrañenih u glazuru ili ispod nje. Zbog doticaja sa stopalima, temperatura poda ne smije prelaziti 26 0C, a u zonama po kojima se rijetko hoda 29 0C. Da se izbjegne oštećenje betona, temperatura vode za grijanje ne treba biti veća od 45 do 50 0C. Ovako niske temperature uvjetuju ograničen toplinski učinak podnog grijanja, pa se podno grijanje često koristi kao dodatno.
27
Stropno grijanje ostvaruje se pomoću cijevi ulivenih u beton ili žbuku (danas rjeñe), a češće pomoću cijevi s lamelama smještenih u meñuprostor spuštenog stropa. Da se izbjegne neudoban utjecaj zračenja, temperatura površine stropa smije iznositi do 35 0 C, a vode do 75 0C. Usijane ploče za stropno grijanje (sun-strip) za tvorničke hale i visoke prostorije sastoje se od registra cijevi s lamelama ili dvostrukim limenim pločama smještenih uz sam strop. Zavisno od visine prostorije, temperatura površine ploča iznosi do 145 0C uz maksimalnu polaznu temperaturu vode od 180 0C. Karakteristično je dobro zagrijavanje podne površine (putem zračenja), a putem razmještaja ploča može se zagrijavanje dijelova prostorije prilagoditi predviñenim aktivnostima ljudi.
2.2
Kotlovi
Kotlovi su ureñaji u kojima se kemijska energija goriva izgaranjem transformira u toplinu (u ložištu kotla), pa se ta toplina predaje radnom fluidu (vodi ili pari). Predavanje topline radnom mediju predstavlja osnovnu razliku kotlova i peći, koje toplinu predaju okolini. Najčešće je odavanje topline kotlova na okolinu nepoželjno, tako da kotlovi obično imaju toplinsku izolaciju. Razlikuju se kotlovi od lijevanog željeza i kotlovi od čeličnog lima. Vodni i parni kotlovi razlikuju se samo u nekim dodatnim dijelovima. Parni kotlovi su do neke razine ispunjeni vodom, a iznad toga je parni prostor. Prema vrsti goriva, postoje kotlovi na kruto (ugljen), tekuće i plinovito gorivo, te električni kotlovi. Ugljen u ložištu obično izgara na rešetki, dok se tekuće i plinovito gorivo ubrizgava kroz posebne mlaznice koje se nazivaju plamenici (gorači, gorionici). Često se izrañuju kotlovi koji mogu koristiti dvije vrste goriva. Električni kotlovi koriste se za grijanje samo u iznimnim slučajevima. Zbog sigurnosti, parni kotlovi podliježu čitavom nizu propisa i standarda. Vodni kotlovi s temperaturom vode većom od 100 0C podliježu regulativi za parne kotlove. S izuzetkom malih kotlova za toplu vodu (bojlera), za sve kotlove potrebno je stručno rukovanje. Sustavi vodenog grijanja moraju imati termometar za polazni vod, ekspanzijsku posudu i sigurnosne cijevi. Ekspanzijska posuda obično se nalazi na najvišoj točki postrojenja za grijanje. Ima zadatak preuzeti višak vode koji nastaje radi povećanja volumena vode pri zagrijavanju (toplinska dilatacija). Svaki kotao mora imati direktnu vezu s ekspanzijskom posudom ili s atmosferom putem sigurnosnih cijevi, koje ne smiju imati mogućnost zatvaranja (ventil). Svaki parni kotao mora imati sljedeće sigurnosne ureñaje: sigurnosni ventil ili sigurnosnu hidrostatsku cijev, vodokazno staklo, alarmni signal i manometar. Umjesto sigurnosnim ventilom, prekoračenje dozvoljenog tlaka često se sprečava pomoću sigurnosne hidrostatske cijevi (sl. 2.2) s vodom kao zapornom tekućinom. Kraći krak cijevi spaja se na parni prostor kotla, a dulji završava posudom. Kotlovi od lijevanog željeza najčešće su izrañeni spajanjem niza istovrsnih članaka (člankasti kotao). Takvi kotlovi većinom koriste kruto gorivo, izrazito su otporni na koroziju, a popravci se vrše jednostavnije (izmjena članka). Člankasti kotlovi izrañuju se u širokom rasponu snage do najviše 700 kW. Kotlovi od čeličnog lima izrañuju se u velikom rasponu snage, od bojlera za pojedine stanove otprilike do snage od 3500 kW. Postoji veći broj tipova ovakvih kotlova. Kombinirani kotlovi za grijanje i potrošnu toplu vodu često se koriste kad su potrebne manje snage (do 100 kW), a izvode se kao protočni ili akumulacijski.
28
Sl. 2.2 Sigurnosna hidrostatska cijev: H visina koja odgovara radnom tlaku uvećanom za 20%, h≥H/2, PI pred-istjecanje
2.3
Izmjenjivači topline
Izmjenjivači topline koriste se za prijenos topline od jednog fluida na drugi, kada nije potrebna transformacija energije (npr. kod daljinskog grijanja). Ti ureñaji najčešće se sastoje od snopa cijevi kroz koje protječe jedan fluid, dok drugi fluid protječe s vanjske strane cijevi kroz taj snop. U njima se može vršiti zagrijavanje, hlañenje, isparavanje ili ukapljivanje fluida.
3
CENTRALNO GRIJANJE TOPLOM VODOM
Ovi sustavi centralnog grijanja kao radni medij koriste toplu vodu (maks. temperature 100 0C) ili vrelu vodu (maks. temperature 120 0C). Voda se ugrije u kotlu, pa se kroz cjevovod razvodne mreže dovodi do ogrjevnih tijela, gdje se ohladi i sabirnim cjevovodom vraća u kotao. Zbog niske površinske temperature ogrjevnih tijela (ugodno zagrijavanje), sustavi za grijanje toplom vodom najpogodniji su za grijanja stambenih, javnih i dr. zgrada u kojima ljudi borave veći dio dana. Osim toga, grijanje toplom vodom odlikuje se jednostavnim posluživanjem i velikom pogonskom sigurnošću, mogućnošću centralne regulacije i dugotrajnošću zbog spore korozije. Meñutim, masa vode i toplinska tromost su znatni, investicijski troškovi visoki, a prisutna je i opasnost od zamrzavanja prilikom isključivanja pogona ili pojedinih ogrjevnih tijela. Prema sili koja uzrokuje cirkulaciju (optok) vode grijanje toplom vodom dijeli se na: a) grijanje s prirodnom cirkulacijom (gravitacijsko) b) grijanje s prisilnom cirkulacijom ("pumpno"). Obzirom na kontakt s okolnom atmosferom grijanje toplom vodom dijeli se na: a) otvoreno grijanje b) zatvoreno grijanje.
29
Prema voñenju vode kroz cjevovod sustavi grijanja se dijele na: a) jednocijevne sustave (sl. 3.1) b) dvocijevne sustave (sl. 3.3), a prema položaju cjevovoda na: a) sustave s gornjim razvodom (sl. 3.4) b) sustave s donjim razvodom (sl. 3.5). 3.1
Voñenje vode kroz cjevovode
Ekspanzijska posuda Povećanje volumena vode uslijed zagrijavanja kompenzira se ekspanzijskom posudom koja preuzima višak vode. U otvorenim sustavima ekspanzijska posuda otvorena je prema atmosferskom tlaku i smještena na najvišem mjestu postrojenja za grijanje. Zatvoreni sustavi nemaju veze s atmosferom, a zatvorena ekspanzijska posuda može se postaviti na najviše ili na najniže (kotlovnica) mjesto postrojenja za grijanje. Zatvoreni sustavi moraju imati posebne sigurnosne naprave. Gornja razdioba U sustavu s gornjom razdiobom (sl. 3.4) ugrijana voda iz kotla vodi se dovodnim vodovima (glavni uzlazni vod, gornji razdjelni vod, silazni vertikalni ogranci) do radijatora, a ohlañena voda iz radijatora povratnim vodovima (silazni vertikalni ogranci, sabirni vod) vodi se natrag u kotao. Sustav se odzračuje centralno. Kotao i sabirni vod obično su smješteni u podrumu, a razdjelni vod na tavanu. Donja razdioba Donja razdioba ne primjenjuje se u jednocijevnim sustavima, a za centralno grijanje najčešće se primjenjuje dvocijevni sustav s donjom razdiobom (sl. 3.5). Kotao je obično u podrumu, a razdjelni (polazni) i sabirni (povratni) vodovi polažu se uz strop podruma. Topla voda iz kotla vodi se preko razdjelnih vodova u uzlazne polazne ogranke, zatim se ohlañuje prolaskom kroz grijala, pa se kroz silazne povratne ogranke vraća u kotao. Centralno ili češće posebno odzračivanje predviña se u najvišoj točki sustava. Odzračivanje sustava Zrak u cijevima ili ogrjevnim tijelima uzrokuje poremećaje u cirkulaciji vode, koroziju i buku. Zato posebnu pažnju treba posvetiti odzračivanju sustava, a postrojenje može imati centralno ili lokalno odzračivanje. U postrojenjima s gornjim razvodom razdjelne cijevi postavljaju se pod malim nagibom, a na najvišem mjestu mora se predvidjeti odzračivanje (često putem otvorene ekspanzijske posude). Kod donje razdiobe odzračivanje se vrši kroz polazne i odzračne vodove koji su spojeni na ekspanzijsku ili na odzračnu posudu preko koje se vrši odzračivanje. Radi sprečavanja neželjene cirkulacije vode u odzračnim vodovima, ti vodovi završavaju cijevnim petljama (sl. 3.5 – formira se zračni džep). Jednocijevni sustavi Jednocijevni sustav (sl. 3.6) predstavlja posebnu izvedbu gornje razdiobe u kojoj se gornji razdjelni dovodni vod neposredno vertikalnim silaznim ograncima spaja sa donjom sabirnom mrežom, a radijatori se serijski priključuju na silazni ogranak, tako da voda prolazi redom kroz sva priključena grijala. Jednocijevni sustavi sa serijskim spajanjem ogrjevnih tijela (sl. 3.1) najjednostavniji su i najjeftiniji. Voda prolazi kroz kružni cjevovod od kotla redom kroz sva ogrjevna tijela i natrag u kotao. Za veće zgrade može se primijeniti isti tip grijanja s nekoliko
30
paralelnih kružnih cjevovoda. Kružni cjevovod može se voditi horizontalno ili vertikalno. Prolaskom kroz svako sljedeće ogrjevno tijelo smanjuje se temperatura vode u krugu, pa su nizvodno potrebne sve veće ogrjevne površine.
radijator radijator polazni vod povratni vod Sl. 3.1 Jednocijevni sustav sa serijskim spajanjem radijatora
Bitno poboljšanje karakteristika jednocijevnog sustava donosi jednocijevni sustav s paralelnim spajanjem radijatora (sl. 3.2) u kojem se ogrjevno tijelo spaja paralelno s glavnim razdjelnim vodom (zbog povećanih hidrauličkih otpora može se koristiti samo u sustavima s prisilnom cirkulacijom). Ogrjevna tijela opremaju se regulacijskim ventilima što omogućava regulaciju toplinskog učina pojedinih ogrjevnih tijela. Ohlañena voda iz ogrjevnog tijela miješa se na spoju glavnog razdjelnog voda i povratnog voda iz ogrjevnog tijela, što i u ovom slučaju izaziva smanjenje temperature vode u glavnom vodu. Priključivanje ogrjevnog tijela vrši se pomoću elementa (npr. ejektorske spojnice) koji osigurava pravilnu raspodjelu vode izmeñu glavnog voda i grijala.
Sl. 3.2 Jednocijevni sustav s paralelnim spajanjem radijatora
Dvocijevni sustavi Dvocijevni sustav (sl. 3.3) predstavlja najčešće korišteni sustav za razdiobu i dovod topline priključenim toplinskim potrošačima. Svako ogrjevno tijelo priključuje se na odvojeni dovodni i odvodni vod, pa tako dobiva približno istu polaznu temperaturu. Razlikuju se gornja i donja razdioba tople vode.
Sl. 3.3 Dvocijevni sustav
Etažno grijanje Etažno grijanje predstavlja posebnu izvedbu dvocijevnog sustava s gornjom razdiobom, pri čemu se cijelo postrojenje nalazi na istom katu.
31
3.2
Gravitacijsko grijanje
Kod toplovodnog grijanja gravitacijom optok vode u sustavu uzrokovan je razlikom gustoće ugrijane i ohlañene vode, ∆p = gh(ρr-ρv)
(3.1)
∆p – uzgonska razlika tlaka koja uzrokuje cirkulaciju vode, Pa h – visinska razlika najviše i najniže točke postrojenja, m ρr, ρv – gustoća vode u povratnom i polaznom vodu, kg/m3
Danas se takvi sustavi uglavnom više ne izvode. Sustavi toplovodnog gravitacijskog grijanja su: a) dvocijevni sustav (s gornjom ili donjom razdiobom), b) jednocijevni sustav (s gornjom razdiobom), c) etažno grijanje (s gornjom razdiobom). 3.3
Grijanje prisilnom cirkulacijom
Zbog dobre cirkulacije vode, malih promjera cjevovoda i bolje mogućnosti regulacije grijanja, danas se za toplovodno grijanje praktički koriste isključivo sustavi s prisilnom cirkulacijom (koja se ostvaruje pomoću pumpe). Nekada se najčešće računalo s polaznom temperaturom 90 0C, dok je danas polazna temperatura uglavnom u rasponu 65-75 0C, zbog štednje energije. Brzina strujanja vode relativno je velika, pa je potrebno posebnu pažnju posvetiti problemu odzračivanja. Pumpa se ugrañuje u polazni ili u povratni vod. Često se paralelno ugrañuju tri pumpe, svaka s 50% potrebnog kapaciteta, tako da jedna pumpa služi kao rezerva. Toplovodno grijanje s prisilnom cirkulacijom izvodi se kao: a) dvocijevni sustav (s gornjom ili donjom razdiobom), b) jednocijevni sustav (s gornjom razdiobom).
Sl. 3.4 Dvocijevna, otvorena izvedba grijanja s prisilnom cirkulacijom, gornjom razdiobom i pumpom u polaznom vodu: 1 kotlovi, 2 cirkulacijska pumpa, 3 povratna zaklopka, 4 dovodni vod, 5
32
povratni vod, 6 radijator, 7 ekspanzijska posuda, 8 sigurnosni ekspanzijski vodovi, 9 sigurnosni povratni vod, 10 odzračni vodovi, 11 odzračne posude, 12 preljev, N neutralna točka
Neutralna točka je točka u kojoj je priključena ekspanzijska posuda pa (ako je posuda otvorena) u neutralnoj točki vlada fiksni pretlak uvjetovan samo visinskom razlikom do posude. Visina posude iznad najvišeg radijatora mora biti veća od visine dobave pumpe kako se u najvišem priključku ne bi pojavio podtlak (kada je neutralna točka na tlačnoj strani pumpe).
3.3.1
Dvocijevni sustavi
Dvocijevni sustav s prisilnom cirkulacijom u izvedbi s gornjom razdiobom i pumpom u polaznom vodu prikazan je na sl. 3.4, a u izvedbi s donjom razdiobom i pumpom u povratnom vodu na sl. 3.5.
Sl. 3.5 Dvocijevna, otvorena izvedba grijanja s prisilnom cirkulacijom, donjom razdiobom i pumpom u povratnom vodu: 1 kotlovi, 2 cirkulacijska pumpa, 3 povratna zaklopka, 4 dovodni vod, 5 povratni vod, 6 radijator, 7 ekspanzijska posuda, 8 sigurnosni ekspanzijski vodovi, 9 sigurnosni povratni vod, 10 odzračni vodovi, 11 odzračne posude, 12 preljev, N neutralna točka
3.3.2
Jednocijevni sustavi
Na sl. 3.6 prikazana je jedna mogućnost voñenja cjevovoda jednocijevnog sustava s prisilnom cirkulacijom. 3.3.3
Hidraulički proračun sustava s prisilnom cirkulacijom
Na temelju hidrauličkog proračuna vrši se dimenzioniranje cijevi(odreñivanje promjera cijevi). Takoñer potrebno je za svako grijalo osigurati jednaku razliku tlaka izmeñu ulaznog i izlaznog priključka (to se naziva hidrauličko uravnotežavanje cjevovoda). U suštini se proračunavaju padovi tlaka u pojedinim sekcijama cjevovoda, pa se proračun temelji na poznatim izrazima za pad (gubitak) tlaka u cjevovodu. Potreban maseni protok m (kg/s), odn. volumenski protok V (m3/s) odreñuje se iz izraza 33
Q = cvm∆t = cvρV∆t
(3.2)
Q – potreban toplinski učin (snaga) za neku cijevnu dionicu, W cv – specifična toplina vode, W/kgK ρ – gustoća vode, kg/m3 ∆t – (∆t=tv-tr, tv je polazna temperatura, a tr povratna temperatura), 0C
Sl. 3.6 Jednocijevna, otvorena izvedba grijanja s prisilnom cirkulacijom i troputnim regulacijskim ventilima: 1 kotao, 2 pumpa, 3 radijator, 4 troputni ventil, 5 ekspanzijska posuda, 6 ekspanzijski vod, 7 sigurnosni povratni vod, 8 odzračivanje, 9 preljev
Odreñivanje brzine strujanja i pada tlaka u cijevi bazira se na jednadžbi kontinuiteta m = ρV = ρvπd2/4 = const.
(3.3)
v – srednja brzina strujanja vode u cijevi, m/s d – unutrašnji promjer cijevi, m i na izrazu za pad tlaka ∆p (Pa) u cijevi ∆p = l
λ d
ρ
v2 v2 + ∑ ζρ = lR + ∑ l p R = le R 2 2
(3.4)
l – duljina cijevi, m λ – koeficijent linijskog pada tlaka, ς – koeficijent lokalnog pada tlaka, R – linijski specifični otpor, Pa/m lp – ekvivalentno produljenje cijevi, m. le – ekvivalentna duljina cijevi, m. Kod hidrauličkog proračuna sustava grijanja praktički se koristi izraz ∆p = lR +Σ(lpR) = leR,
(3.5)
34
pri čemu su maseni protoci m i brzine v tablično ili dijagramski izraženi u zavisnosti od standardnog nazivnog promjera cijevi DN i otpora R. Tablice i dijagrami načinjeni su na bazi izraza R=
λ d
ρ
v2 2
v = 4m/(ρπd2)
(3.6) (3.7)
Koeficijenti lokalnog pada tlaka ς mogu se odrediti prema tablicama, dok se ekvivalentna produljenja čeličnih cijevi lp mogu odrediti na bazi izraza lp = ςd/λ 4
(3.8)
CENTRALNO GRIJANJE PAROM
Kod parnog grijanja koristi se kao radni medij vodena para. Para proizvedena u kotlu dovodi se parnim vodovima do ogrjevnih tijela, u njima kondenzira, pa se kao kondenzat (u kapljevitom stanju) kondenzacijskim vodovima vraća u kotao. Para se rijetko upotrebljava za grijanje stambenih ili uredskih prostorija. Često se koristi za zagrijavanje velikih dvorana koje su samo povremeno u pogonu (nema opasnosti od zamrzavanja kao kod vodenog grijanja) ili za slučajeve u kojima se para koristi i za druge svrhe (tvornice, javne kuhinje i praonice itd.). U odnosu na kapljevitu vodu para ima relativno malu masu, tako da su akumulirana toplina i toplinska tromost mali. Moguć je transport na veće udaljenosti, ali postoji opasnost od korozije, temperature ogrjevnih površina su visoke, a centralna regulacija je otežana. Prema tlaku pare grijanje parom dijeli se na: a) niskotlačno, b) visokotlačno, c) vakuumsko. Obzirom na kontakt s okolnom atmosferom grijanje parom dijeli se na: a) otvoreno, b) zatvoreno. Prema voñenju vode kroz cjevovod sustavi grijanja se dijele na: a) jednocijevne, b) dvocijevne, prema položaju glavnog razvoda: a) sustave s gornjim razvodom, b) sustave s donjim razvodom, prema položaju kondenzacijskog cjevovoda na: a) sustave s gornjim (suhim) povratom kondenzata, b) sustave s donjim (vlažnim) povratom kondenzata. i konačno prema načinu povrata kondenzata na: a) sustave s prirodnim (gravitacijskim) povratom kondenzata, b) sustave s prisilnim povratom kondenzata. Kombiniranjem ovih raznih mogućnosti dobiju se mnogobrojne izvedbe parnog grijanja. Za ispravno funkcioniranje bez smetnji nužna je za sve vrste parnog grijanja brižljiva izrada projekta i sama izvedba postrojenja. 35
Tablica 4.1 Sigurnosni ureñaji potrebni za zatvorene generatore pare (GP) na plin ili naftu s temperaturama ≤ 120 0C (DIN 4751 T2) Mjerena veličina radni tlak
razina vode polazna temp.
4.1
Sigurnosni ureñaj Tip manometar sigurnosni ventil ekspanzijski lonac
ograničavač maks. tlaka ograničavač min. tlaka ekspanzijska posuda s održavanjem tlaka sustava osigurač za potrebnu razinu vode termometar kotla regulator temperature ureñaj za nadzor temperature ograničavač temperature
Napomena Pozicija GP GP, polazni v. sigurnosni ventil
>350 kW, >100 0C, za >350 kW, ≤100 0C dovoljni su ograničavači temp. i maks. tlaka
ekspanzijski vod ekspanzijski vod
>350 kW ili >3 bar
GP, polazni v.
ispod 350 kW dovoljno spriječiti pregrijavanje
GP GP GP GP
za posredno grijane GP
Grijanje parom niskog tlaka
Kod grijanja parom niskog tlaka (otvoreni sustavi parnog grijanja) para se proizvodi u niskotlačnim parnim kotlovima ili se reducira tlak pare oduzete iz visokotlačnih kotlovskih postrojenja. Ne smiju se koristiti radijatori iz čeličnog lima. Najviši dozvoljeni radni tlak iznosi 1 bar. Zavisno od horizontalne duljine zgrade, ili točnije horizontalne duljine najdužeg ogranka cijevi, uobičajeni su radni tlakovi od 0,05 do 0,2 bar. Tlak pare ispred radijatora iznosi oko 0,02 bar. Prekoračenje dozvoljenog tlaka često se sprečava pomoću sigurnosne hidrostatske cijevi (sl. 2.2) spojene na parni prostor kotla. Kao zaporna tekućina koristi se voda. Umjesto hidrostatske cijevi može se koristiti sigurnosni ventil. Budući da je zrak teži od pare, odzračivanje se vrši putem kondenzatnih (povratnih, silaznih) vodova. Zato se kondenzatni cjevovod preko odzračnog voda mora spojiti s atmosferom. 4.2
Vakuumsko parno grijanje
U kondenzatnim vodovima vlada podtlak koji se održava vakuumskom pumpom, dok u parnim vodovima može vladati podtlak ili pretlak. U odnosu na grijanje parom niskog tlaka, temperatura ogrjevnih tijela je niža, a zavisi od odabira tlakova u ureñaju. Takoñer, bolja je mogućnost centralne regulacije, a povrat kondenzata je brži, ali su troškovi viši. Postoje dva tipa vakuumskog parnog grijanja – jednostavno grijanje s konstantnim tlakom u kondenzacijskom vodu od 0,2-0,3 bara i diferencijalno grijanje s konstantnom razlikom tlaka od oko 0,1 bar izmeñu parnog i kondenzatnog voda. 4.3
Grijanje parom visokog tlaka
Pretlak pare kod visokotlačnog parnog grijanja veći je od 1,0 bar. Temperatura ogrjevnih tijela je visoka, a mogućnost regulacije slaba, pa se grijanje parom visokog tlaka ne koristi za grijanje prostorija, već za tvornice koje u svom radnom procesu trebaju paru visokog tlaka. Pretlak pare zavisi od spoja na dovod pare i duljine cjevovoda, a obično iznosi 1-3 bara. Iza svakog trošila ili grupe trošila mora se postaviti odvajač kondenzata, kako para ne bi došla u kondenzatni vod. Za kotlove s pretlakom većim od 1,0 bar vrijede propisi za visokotlačne kotlove. 36
5
DALJINSKO GRIJANJE
Umjesto centralne kotlovnice za centralno grijanje, kod daljinskog grijanja pojavljuje se predajna stanica odn. kućna toplinska stanica u koju se toplina dovodi iz gradske toplane ili termoelektrane-toplane. Takve stanice znatno su manje od kotlovnica. Izvedba stanice zavisi od fluida za transport topline i vrsti mreže daljinskog grijanja. Mreže daljinskog grijanja mogu biti niskotlačne (za opskrbu topline na području manjem od 1 km2) i visokotlačne. Parovodna mreža daljinskog grijanja Parovodna mreža daljinskog grijanja ranije se češće koristila, a sastoji se od jednog parnog voda i jednog kondenzacijskog voda. Tlak pare niskotlačne mreže iznosi do 2 bar, a u visokotlačnoj do 12 bar. U predajnoj stanici prigušuje (obara) se tlak pare, a tu je takoñer i mjerna blenda u parnom vodu ili brojilo u kondenzacijskom vodu, radi obračunavanja isporučene pare. Kućna toplinska stanica mora imati izmjenjivač topline radi predaje topline sustavu toplovodnog grijanja, te razdjelni i sabirni vod s cirkulacijskom pumpom. Toplovodna mreža daljinskog grijanja U niskotlačnim mrežama polazna temperatura iznosi do 110 0C, a povratna je 70 0C. Kućna toplinska stanica priključuje se najčešće direktno (uz miješanje s povratnom vodom). Danas se za transport topline uglavnom koriste dalekovodi tople (vrele) vode s temperaturom vode 130/70 0C (polazna temperatura 130 0C, povratna temperatura 70 0C) ili s temperaturom 180/50 0C i to s 2 ili 3 cijevi. Kućna toplinska stanica priključuje se indirektno (preko izmjenjivača topline) ili direktno uz miješanje(ako grijala mogu podnijeti prekoračenje tlaka). Danas je i kod direktnog priključivanja uobičajeno korištenje vlastite (kućne) cirkulacijske pumpe. Dalekovodi tople vode imaju centralnu regulaciju – polazna temperatura se prilagoñuje meteorološkim uvjetima. Minimalna polazna temperatura dvocijevnog dalekovoda iznosi 70 0C zbog zagrijavanja potrošne tople vode. Trocijevni dalekovodi imaju jednu polaznu cijev za grijanje i jednu s konstantnom temperaturom (90-100 0C) za zagrijavanje potrošne tople vode i za klima-ureñaje, te zajedničku povratnu cijev. Predajna stanica ima ureñaj za prigušivanje tlaka i eventualno brojilo za isporučenu toplinu.
37
VENTILACIJA I KLIMATIZACIJA Postrojenja za obradu zraka Ureñaje za ventilaciju, grijanje zrakom i klimatizaciju teško je jednoznačno podijeliti. Zato je uveden pojam ureñaja za obradu zraka koji obuhvaća sve te ureñaje. Sustavi za obradu zraka mogu obuhvaćati ureñaje za transport, čišćenje, zagrijavanje, hlañenje, vlaženje i sušenje zraka. U većini zgrada izmjena zraka prepuštena je prirodnoj ventilaciji (kroz zatvorene ili otvorene prozore i vrata). Neki puta prirodna ventilacije pojačava se izradom specijalnih otvora u blizini radijatora ili konvektora. Izmjena zraka može se vršiti i mehaničkim putem (ventilatorom – prisilna ventilacija). Zrak koji se dovodi u prostoriju ponekad se zbog ugodnosti prethodno temperira približno na temperaturu prostorije. Taj se zrak po potrebi može još pročišćavati, ovlažiti ili sušiti. Svi ovi postupci obrade zraka mogu se vršiti u ureñajima za ventilaciju. Ako se dovedeni zrak zagrije na temperaturu veću od temperature prostorije, on može preuzeti zadatak grijanja prostorije (grijanje zrakom). U ureñajima za klimatizaciju, zrak se prije dovoñenja u prostoriju pročišćava, ovlažuje ili suši, dovodi na odreñenu temperaturu i eventualno obrañuje na još neki način, sve unutar odreñenih (neki puta vrlo strogih) tolerancija. 1
VENTILACIJA
Prirodna ventilacija Prirodna ventilacija posljedica je razlike tlakova izmeñu prostorije i okoline (atmosferskih prilika). Razlika unutrašnje i vanjske temperature još potencira ventilaciju. Naime, otprilike na polovici visine prostorije, tlak u prostoriji jednak je onom izvan nje (neutralna zona). Npr. u zimi, kada je temperatura zraka veća u prostoriji nego izvan nje, tlak u blizini stropa veći je nego vani, a u blizini poda situacija je obrnuta, tako da hladni zrak ulazi u prostoriju u donjem dijelu, dok topli izlazi u gornjem. Ljeti, u klimatiziranim prostorijama situacija je obrnuta. Prisilna ventilacija Kada je prirodna ventilacija nedovoljna, pribjegava se prisilnoj (mehaničkoj) ventilaciji koja se realizira pomoću ventilatora. Utjecaj prirodne ventilacije tada je i dalje prisutan, ali se može zanemariti. Izmjena zraka mehaničkim putem može se vršiti tako da se pomoću ventilatora u prostoriju ubacuje čisti zrak (tlačna ventilacija), ili izbacuje nečisti (odsisna ventilacija), ili kombinacijom oba ova načina (tlačno-odsisna ventilacija). Tlačna ventilacija izaziva pretlak u prostoriji, čime se onemogućava uvlačenje zraka iz susjednih prostorija. Koristi se u prostorijama namijenjenim boravku ljudi, operacijskim dvoranama itd. Odsisna ventilacija izaziva podtlak u prostoriji, sprečavajući prodiranje zraka u susjedne prostorije, pa se koristi u prostorima u kojima se zrak zagañuje (radionice, kuhinje, sanitarne prostorije itd.). Kombinirani način obuhvaća istovremeno mehaničko ubacivanje i odsisavanje zraka. Taj način je najkvalitentniji jer omogućava da se tlak u pojedinim prostorijama regulira prema potrebi. Zrak za ventilaciju može se uzimati izvana u potpunosti (nije ekonomično) ili djelomično (pri čemu se u prostoriju vraća dio odsisanog zraka – optočni zrak).
38
Dovod zraka brzinom većom od 0,25-5 m/s postavlja se na visinu veću od 3 m uz horizontalan smjer strujanja. Zrak se prema potrebi dodatno može pročišćavati pomoću filtara, te zagrijavati, ovlaživati, sušiti i/ili podvrgnuti drugim postupcima. Količina topline QV (izražena u W) potrebna za temperiranje zraka iznosi QV = Vvρcp(tu–tv)
(1.1) 3
Vv – volumenski protok vanjskog zraka koji se ubacuje, m /s ρ – gustoća zraka, kg/m3 cp – specifična toplina zraka, J/kgK) tu, tv – temperatura prostorije i temperatura vanjskog zraka, 0C 2
GRIJANJE ZRAKOM
Zrak koji služi za djelomično ili isključivo grijanje prostorije, zavisno od potrebne topline za grijanje, zagrijava se na temperaturu do 50 0C, dakle znatno veću od temperature prostorije. Ureñaj za grijanje zraka i ventilaciju sastoji se od grijača zraka i ventilatora, a prema potrebi može imati i dodatne elemente. Grijanje zrakom podrazumijeva grijanje samo optočnog zraka (bez dodatka vanjskog zraka). Zračno grijanje i ventilacija podrazumijeva zagrijavanje zraka koji se isključivo ili djelomično (uz miješanje s optočnim zrakom) uzima iz atmosfere. Zagrijavanje zraka može biti direktno (na samom izvoru topline) i indirektno (pomoću radnog medija – vode ili pare). Nadalje zagrijavanje se prema uzroku cirkulacije zraka dijeli na gravitacijsko i prinudno (pomoću ventilatora). Prema mjestu zagrijavanja zraka, grijanje je individualno ili centralno (zrak za grijanje više prostorija zagrijava se na jednom mjestu i razvodi kanalima). Ureñaji za grijanje zrakom uključuju kalorifer i ventilokonvektor (za posredno grijanje pogona i ureda, respektivno), te termogen (s ognjištem na plin ili ulje) i središnju jedinicu za zračno grijanje (za veće protoke – do 20000 m3/h). 3 3.1
KLIMATIZACIJA Parno-kompresorski rashladni proces
Na sl. 3.1 prikazan je kvalitativni p-v dijagram (tlak – specifični volumen) za vodenu paru. Za kvantitativni prikaz procesa s vodenom parom spretnije je koristiti druge dijagrame. Linija zasićene kapljevine odvaja kapljevitu vodu od vlažne pare, a linija zasićene pare odvaja vlažnu paru od pregrijane pare. Ove dvije linije sastaju se u kritičnoj točki K iznad koje više nije moguće razlikovati paru i kapljevinu. U području vlažne pare, udjel pare x povećava se od vrijednosti 0 (0% pare – čista kapljevina) na samoj liniji zasićene kapljevine do vrijednosti 1 (100% pare – čista para) na liniji zasićene pare. U području kapljevine prisutna je samo kapljevita faza, a u području pregrijane pare prisutna je samo parna faza. Na istoj slici prikazan je linijom 1-4 proces isparavanja u parnom kotlu. Linija 1-2 predstavlja zagrijavanje kapljevite vode do temperature vrelišta u točki 2. Proces isparavanja odvija se na konstantnoj temperaturi vrelišta T2-3 i konstantnom tlaku, a prikazan je linijom 2-3. Linija 3-4 predstavlja povećanje temperature odn. pregrijavanje pare. Izoterma T2-3 prikazana je crtkanom linijom. U području kapljevine, ta je izoterma gotovo vertikalna zbog toga što su kapljevine praktički nestlačive. Parno-kompresorski rashladni kružni proces daleko je najrašireniji u klimatizacijskoj tehnici. Sl. 3.2 predstavlja shematski prikaz takvog kružnog procesa, a na sl. 3.3 dan 39
je prikaz istog procesa u p-v dijagramu. Točka 1 predstavlja paru na ulazu u kompresor, a točka 2 je točka izlaza pare povišenog tlaka iz kompresora. Putem motora i kompresora predaje se radnom fluidu (vodi) mehanički rad WK. Ovaj proces je približno adijabatski, tj. nema razmjene topline izmeñu radnog fluida i okoline. K p
kapljevina
pregrijana para
vlažna para
T2-3 1 2
3
T2-3
4 T2-3=const.
kotao 1-4 linija zasićene kapljevine x=0
linija zasićene pare
x=1 v
Sl. 3.1 p-v dijagram za vodenu paru i proces u parnom kotlu
Na povećanoj temperaturi i konstantnom tlaku odvodi se u kondenzatoru u procesu 25 od radnog medija toplina Q2-5, koja se predaje okolnom atmosferskom zraku. U kondenzatoru se para ohladi do temperature vrelišta (linija 2-3), daljnjim hlañenjem se ukapljuje na konstantnoj temperaturi (linija 3-4), da bi se na kraju kapljevina pothladila (linija 4-5). Nakon toga potrebno je smanjiti tlak dobivene kapljevine, što bi se moglo obaviti u hidrauličkom motoru. Praktički se motor ne koristi zbog malog iznosa snage koja bi se u njemu dobila. Q2-5 5
2 2 kondenzator
5 prigušnica 7
M
kompresor
WK
isparivač 1 7
1 Q7-1
Sl. 3.2 Shematski prikaz rashladnog kružnog procesa
Tlak radnog medija se ne iskorištava, nego se naprosto obara u prigušnici (proces 5-7) u procesu pri konstantnoj entalpiji i bez razmjene topline s okolinom (adijabatski). Sa smanjenjem tlaka smanjuje se temperatura kapljevine (linija 5-6), a zatim kapljevina djelomično isparava uz daljnje smanjenje temperature i tlaka (linija 6-7). Na tako sniženom tlaku, vlažnoj pari se u isparivaču (proces 7-1) dovodi toplina Q7-1 od zraka koji se želi ohladiti. Pri tome, preostala kapljevina u potpunosti ispari (pri konstantnom tlaku i temperaturi – linija 7-8), a dobivena para se još malo pregrije, odn. poveća temperaturu (linija 8-1). Ukupni rad potreban za ovaj kružni proces 40
W12571 jednak je površini omeñenoj linijama 1-2-5-7-1 na sl. 3.3, a takoñer je jednak razlici odvedene i dovedene topline prema izrazu W12571 = Q2-5-Q7-1 ,
(3.1) kondenzator 2-5
p
kapljevina 5 4
Q2-5 3
kompresor 1-2 (adijabata)
2
6
pregrijana para
W12571 prigušnica 5-7
1 7 x=0
Q7-1
vlažna para
8
x=1 v
isparivač 7-1 Sl. 3.3 Kvalitativni prikaz rashladnog kružnog procesa u p-v dijagramu
Za hlañenje se u klimatizaciji najčešće koristi parno-kompresorski rashladni proces. Isparivač se neposredno koristi kao hladnjak za zrak za klimatizaciju, ili kao hladnjak za vodu pomoću koje se taj zrak hladi posredno, u zasebnom hladnjaku za zrak. Kondenzator se odvojeno hladi, obično zrakom iz atmosfere, čime se zapravo zagrijava okolina. Osim u klimatizaciji, ovaj proces se s drugim rashladnim medijem koristi u hladnjacima, pri čemu je isparivač smješten u prostoru hladnjaka. Koristi se takoñer za grijanje, u ureñaju koji se naziva dizalica topline, pri čemu se kondenzator koristi za grijanje prostorija, a isparivač oduzima toplinu atmosferskom zraku. U termoelektranama na paru koristi se proces sličan obrnutom rashladnom procesu (kružni proces u obrnutom smjeru) koji se naziva Clausius-Rankineov proces. Povećanje tlaka vrši se u napojnoj pumpi (od 7 do 5), zagrijavanje i isparavanje u parnom kotlu (od 5 do 2), ekspanzija pare u parnoj turbini (od 2 do 1), a kondenzacija u kondenzatoru (od 1 do 7) koji se hladi npr. riječnom vodom i u kojem se voda u potpunosti ukaplji. 3.2
Ureñaji i postrojenja za klimatizaciju
Postrojenje za klimatizaciju sastoji se od ureñaja za klimatizaciju, razvodne mreže kanala za zrak s otvorima prema prostoriji i atmosferi, vodova za radni medij i električnu struju, te ureñaja za upravljanje i regulaciju. Ureñaji za klimatizaciju izvode se kao individualni agregati (za manje prostorije), klima-komore (zasebna prostorija u kojoj je smješten ureñaj za klimatizaciju) ili klima-centrale (ureñaj za klimatizaciju smješten u nekoliko prostorija). Shema klima-ureñaja dana je na sl. 3.4. U klimatiziranu prostoriju dovodi se obrañeni zrak (DO) i istovremeno odvodi jednaka količina zraka (OD). Zaklopkama (Z) regulira se dio zraka koji će se vratiti natrag u prostoriju (OP – optočni zrak), dok se preostali dio zraka odbacuje u atmosferu (OT), a istovremeno se jednaka količina svježeg zraka (SV) uzima iz atmosfere. Otpadni zrak (OT) općenito je hladniji od atmosferskog, tako da se uz pomoć izmjenjivača topline (rekuperatora ili regeneratora) njegov rashladni potencijal često koristi za ohlañivanje dodatnog svježeg zraka (SV). 41
Ventilatori (V) osiguravaju potrebni protok zraka kroz ureñaj za klimatizaciju. Dodatni zrak (DO) najprije se pročišćava u filtru (F) zatim predgrijava u predgrijaču (P), kako bi se izbjeglo smrzavanje vlage iz zraka (uključuje se zimi kada temperatura dovedenog zraka padne ispod +5 0C). Zatim se zrak hladi u hladnjaku (H), a eventualno i pothlañuje kako bi se iskondenzirala i uklonila suvišna vlaga iz zraka (sušenje zraka). U ovlaživaču (O) dodaje se prema potrebi vlaga, čime se zrak dodatno ohlañuje. Kapljice vode, koje su bile dodane u ovlaživaču ili su nastale kondenzacijom pri hlañenju, uklanjaju se iz zraka u skupljaču kapljica (S). Ukoliko je zrak pothlañen, na kraju ga je potrebno dogrijati na potrebnu temperaturu u dogrijaču (D). OT
OD OP
atmosfera
V Z F
P
H
SV
O
S
D
V
klimatizirani prostor DO
Sl. 3.4 Shematski prikaz klima komore: Z-zaklopka, V-ventilator, F-filtar, P-predgrijač, Hhladnjak, O-ovlaživač, S-skupljač kapljica, D-dogrijač, OT-otpadni zrak, SV-svježi zrak, OPoptočni zrak, OD-odvedeni zrak, DO-dovedeni zrak
3.3 3.3.1
Dijelovi ureñaja za klimatizaciju Filtri
Filtri se mogu podijeliti na uljne, suhe, vodene, elektrostatičke, pokretne i ugljične. Uljni filtri sastoje se od metalnog pletiva ili metalne vune natopljene u ljepljivo ulje. Suhi filtri kao materijal za filtriranje koriste papir, staklenu vunu, plastiku ili tekstil. Neki puta se izrañuju kao višedjelni – za zaustavljanje raznih granulata prašine. Filtri za aerosol često su višedjelni, a koriste se za odvajanje fine prašine. Vodeni filtri načinjeni su u obliku mlaznica kroz koje se u zrak raspršuju kapi vode, tako da istovremeno služe kao ovlaživači zraka. Kapi vode se nakon toga odvajaju od zraka u sakupljačima kapi. Ovi filtri imaju relativno mali učinak, ali mogu djelomično ukloniti dim i zadah. U elektrostatičkim filtrima prvo se prašini predaje pozitivni električni naboj. Tako nabijena prašina odvaja se pri kasnijem prolazu izmeñu ploča nabijenog kondenzatora. Pokretni filtri pomiču se tako da zrak uvijek prolazi kroz čisti dio filtra. Imaju oblik beskonačne trake (koja se u donjem dijelu neprestano čisti), rolne (koja se s jednog kalema premotava na drugi) ili bubnja (koji se okreće tako da se prašina skuplja u sredini). Ugljični filtri sastoje se od patrona s aktivnim ugljenom, a koriste se za uklanjanje mirisa ili plinova. 3.3.2
Grijači i hladnjaci
Grijači i hladnjaci za zrak najčešće su izmjenjivači topline koji se izrañuju kao cijevni izmjenjivači (jednocijevni ili cijevni registri) s lamelama. Izrañuju se od čelika ili od 42
bakrenih cijevi s lamelama od aluminija ili bakra. Kroz cijevi struji radni medij (voda), a oko njih zrak, brzinom 2-3 m/s. Grijači koji direktno koriste produkte izgaranja plina ili ulja koriste se rijetko, a električni grijači samo za male ureñaje. Isparivači rashladnog stroja mogu se koristiti neposredno kao hladnjaci za zrak za ureñaje male i srednje veličine. 3.3.3
Sušenje zraka
Sušenje zraka najčešće se odvija pomoću hladnjaka, pri čemu je zbog sušenja često potrebno pothladiti zrak. Apsorpcija vlage pomoću higroskopnih materijala koristi se relativno rijetko. 3.3.4
Ovlaživači zraka
Ovlaživanje zraka najčešće se vrši ubrizgavanjem vode Voda se prolaskom kroz mlaznice rasprši u maglu koja ishlapljivanjem poveća sadržaj vodene pare u zraku. Radi poboljšanog raspršivanja, neki puta se koriste mlaznice s komprimiranim zrakom ili s rotirajućim diskovima. Nakon prostora s mlaznicama mora se postaviti odvajač kapljica koji se sastoji od cikcak postavljenih površina o koje kapljice udaraju, pa se na taj način zadržavaju i odvajaju. Ponekad se ovlaživanje vrši tako da se kroz mlaznice u zrak direktno ubrizgava vodena para. Manje je učinkovito ovlaživanje prolaskom zraka pored vlažnih površina ili iznad kupki koje se zagrijavaju. 3.4
Individualni agregati
Individualni agregati izvode se kao samostojeći u prostoriji (ormari) ili prozorski, zidni, krovni. Nema kanala niti posebnih otvora za zrak, a svi ureñaji (uključujući rashladni stroj, ureñaje za regulaciju i upravljanje) smješteni su u agregatu. Prozorski klimatizator ugrañuje se u prozor tako da su isparivač hlañen zrakom (hladnjak), jedan ventilator i eventualno grijač zraka smješteni unutar prostorije, a kompresor, kondenzator i drugi ventilator – izvan prostorije. U dvodijelnom klimatizatoru vanjski i unutrašnji dio izvedeni su kao dvije zasebne jedinice povezane cijevima. Na vanjsku jedinicu neki puta se spaja nekoliko unutrašnjih. Ormar za klimatizaciju je samostojeća jedinica. Kompresor i zrakom hlañeni kondenzator s pripadajućim ventilatorom mogu biti ugrañeni u ormar ili izvedeni kao posebna jedinica. Ako se kondenzator hladi vodom, ugrañuje se zajedno s kompresorom u ormar, dok se za hlañenje te vode koristi zasebni ureñaj. Ormar za klimatizaciju može biti opremljen grijačem, ovlaživačem, filtrom i dr. elementima.
3.5
Sustavi za klimatizaciju
Sustavi za klimatizaciju mogu se klasificirati prema broju kanala za zrak, dobavnom tlaku ventilatora, mogućnosti promjene protoka zraka Meñutim, najčešće se klasificiraju prema sredstvu za održavanje temperature zraka u prostoriji na zračni, zračno-vodeni i vodeni sustav. Klima-komore mogu biti zidane ili u blok-izvedbi, uglavnom u kućištu od lima, kao gotov proizvod ili se pojedinačno sastavlja u podrumu, tavanu ili meñu-prostoriji. U modulskoj izvedbi svaki element je izrañen kao zasebna jedinica. 3.5.1
Zračni sustav
Razvodni sustavi dijele se na niskotlačne (pretlak<1250 Pa, brzina zraka<10 m/s) i visokotlačne (pretlak<2500 Pa, brzina zraka>10 m/s). Visokotlačni sustavi ispred prostorije ili zone imaju ekspanzijske kutije u kojima se tlakovi i brzine zraka snižavaju na vrijednosti prikladne za ubacivanje u prostoriju. 43
Stanje zraka u prostoriji održava se promjenom svojstava ili protoka dovedenog zraka, a zračni sustav može biti jednokanalni i dvokanalni. U jednokanalnom sustavu zrak se iz ureñaja za klimatizaciju prema prostorijama dovodi kroz isti kanal, pa je stanje dovedenog zraka u svim prostorijama isto. U slučaju nepromjenljivog protoka zraka, stanje dovedenog zraka prilagoñava se trenutnom stanju zraka u prostorijama. U slučaju promjenljivog protoka zraka, dovedeni zrak ima konstantnu temperaturu, dok se temperatura u pojedinoj prostoriji održava promjenom količine dovedenog zraka (prilagoñava se toplinskom opterećenju svake prostorije). Time se ujedno smanjuje ukupna potrebna količina zraka, pa je takav sustav ekonomičniji. U dvokanalnom sustavu grijač i hladnjak se postavljaju paralelno, pa se topli i hladni zrak razvode zasebnim kanalima do svake prostorije i miješaju ispred svake prostorije u kutiji za miješanje koja takoñer ima i regulator protoka. Temperatura tople struje prilagoñava se temperaturi vanjskog zraka, dok je temperatura hladne struje konstantna i iznosi oko 15 0C. Ovi sustavi izvode se sa stalnim ili s promjenljivim protokom zraka. U dvokanalnim dvokomornim sustavima potpuno su razdvojene struje toplog (primarnog – stalni protok) i hladnog (sekundarnog – promjenljivi protok) zraka, a miješanje se odvija u samoj prostoriji. Višezonski sustav predstavlja varijantu dvokanalnog razvoda u kojem se na izlazu iz ureñaja za klimatizaciju struje hladnog i toplog zraka miješaju posebno za svaku prostoriju (ili zonu), a zatim vode jednokanalnim sustavom do te prostorije (odn. zone). Može se izvesti sa stalnim ili s promjenljivim protokom, a na ulazu u svaku prostoriju (odn. zonu) zrak se obično dodatno dogrijava.
3.5.2
Zračno-vodeni sustav
Kod zračno-vodenih klimatizacijskih sustava, zrak i voda koriste se kao sredstva kojima se održava stanje zraka u prostoriji. Osim zračnog razvoda kojima se zrak dovodi i odvodi iz prostorije, potreban je i cijevni razvod kojim se voda dovodi do izmjenjivača topline u svakoj prostoriji. Razlikuju se sustavi s dogrijavanjem i indukcijski sustavi. Zračno-vodeni sustavi iziskuju visoke investicijske troškove, pa su ekonomski opravdani samo za veće objekte. U sustavu s dogrijavanjem priprema se zrak konstantne temperature 12-15 0C koji se jednokanalnim jednozonskim sustavom sa stalnim protokom dovodi u grijaću jedinicu smještenu u svakoj prostoriji. Indukcijski sustav ima visokotlačni sustav za razvod zraka kojim se u indukcijsku jedinicu smještenu u svakoj prostoriji dovodi količina (primarnog) zraka potrebna za ventilaciju. Taj zrak u indukcijskoj jedinici ekspandira u mlaznicama, razvijajući time znatnu brzinu, a time i podtlak. Stvoreni podtlak uvlači u indukcijsku jedinicu iz prostorije sekundarni (inducirani) zrak u omjeru 1:1 do 4:1 u odnosu na količinu primarnog zraka. Pri tome sekundarni zrak najprije prolazi kroz izmjenjivač topline smješten u indukcijskoj jedinici. Primarni i sekundarni zrak izmiješaju se u indukcijskoj jedinici, pa zatim ulaze u prostoriju. Cijevima se u izmjenjivač topline dovodi voda, a prema broju cijevi razlikuju se dvocijevni, trocijevni i četverocijevni sustavi. Dvocijevni sustav s prekretanjem ima stalni protok primarnog zraka. Po zimi se u izmjenjivač topline dovodi topla voda za grijanje zraka (izmjenjivač djeluje kao grijač), a kada temperatura vanjske atmosfere dosegne tzv. prekretnu temperaturu, u izmjenjivač se dovodi hladna voda za hlañenje zraka (izmjenjivač radi kao hladnjak). Sustavi bez prekretanja koriste se u područjima s blagim zimama, gdje izmjenjivač uvijek radi kao hladnjak u koji se dovodi hladna voda konstantne temperature.
44
U trocijevnim indukcijskim sustavima primarni (hladni) zrak ima konstantnu temperaturu, dok se na izmjenjivač spajaju dvije dovodne cijevi (za toplu i hladnu vodu) i jedna odvodna cijev. Sustav u svakoj prostoriji omogućava nezavisan odabir hlañenja ili grijanja prema trenutnoj potrebi, ali je miješanja tople i hladne vode u povratu energetski nepovoljno. Četverocijevni indukcijski sustav nalikuje na trocijevni, ali ima zasebne polazne i povratne cijevi za toplu i za hladnu vodu. Indukcijska jedinica obično ima dva zasebna izmjenjivača topline – grijač i hladnjak. 3.5.3
Vodeni klimatizacijski sustav
U vodenim klimatizacijskim sustavima željena temperatura zraka održava se samo pomoću vode (tople ili hladne) koja struji kroz izmjenjivač topline. U svakoj prostoriji smješten je takav izmjenjivač topline s ventilatorom (najčešće ventilokonvektor). U slučaju četverocijevnog razvoda vode, obično se koriste dva odvojena izmjenjivača topline (grijač i hladnjak). Radi kondenzacije vode na površini hladnjaka (ljeti), potrebno je osigurati odvod tog kondenzata.
45
