Βασικές αρχές θερμοδυναμικής και Απώλειες ενέργειας σε κτήρια Τ.Ε.Ι. ΛΑΡΙΣΑΣ Σ.ΤΕ.Γ Τμήμα Γεωργικών Μηχανών και Αρδεύσεων Διδάσκων: Δρ. Ν. Κατσούλας.

Παρουσίαση με θέμα: "Βασικές αρχές θερμοδυναμικής και Απώλειες ενέργειας σε κτήρια Τ.Ε.Ι. ΛΑΡΙΣΑΣ Σ.ΤΕ.Γ Τμήμα Γεωργικών Μηχανών και Αρδεύσεων Διδάσκων: Δρ. Ν. Κατσούλας."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Βασικές αρχές θερμοδυναμικής και Απώλειες ενέργειας σε κτήρια Τ.Ε.Ι. ΛΑΡΙΣΑΣ Σ.ΤΕ.Γ Τμήμα Γεωργικών Μηχανών και Αρδεύσεων Διδάσκων: Δρ. Ν. Κατσούλας

2 Γενικά Οι κυριότεροι παράγοντες του περιβάλλοντος, που επιδρούν άμεσα στα ζώα είναι η θερμοκρασία, η υγρασία, η θερμική ακτινοβολία, η ταχύτητα του ανέμου, η ατμοσφαιρική πίεση και ο φωτοπεριοδισμός. Παρόλα αυτά, κατά την κατασκευή μιας σταβλικής εγκατάστασης και το σχεδιασμό του εξοπλισμού της, οι παράγοντες που θα πρέπει να λαμβάνονται ιδιαίτερα υπόψη είναι η θερμοκρασία, η υγρασία και η ταχύτητα του ανέμου.

3 Θερμοκρασία Τα ζώα για να αναπτυχθούν και να αποδώσουν σωστά, απαιτούν ορισμένη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Εάν η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή, το ζώο δυσκολεύεται να αποβάλλει θερμότητα, ιδρώνει, επιταχύνει την αναπνοή του και μειώνει το μεταβολισμό. Εάν με αυτό το μηχανισμό δεν μειωθεί αρκετά η θερμοκρασία του σώματος, τότε αυτόματα λιγοστεύει η όρεξη του ζώου και μειώνεται η απόδοσή του. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες παρατηρείται υπερκατανάλωση τροφών καθώς και θνησιμότητα στα νεογέννητα.

4 Μετάδοση της θερμότητας Είναι το φαινόμενο κατά το οποίο μεταφέρεται θερμική ενέργεια (θερμότητα) από ένα θερμότερο σώμα σε ένα ψυχρότερο ή από ένα θερμότερο σε ένα ψυχρότερο σημείο του ίδιου σώματος Η διάδοση της θερμότητας γίνεται: Με αγωγή, με ακτινοβολία και με μεταφορά μάζας

5 Μετάδοση με αγωγή Το ποσό της ενέργειας που διέρχεται από μία διατομή επιφάνειας Α ομογενούς ράβδου μήκους L είναι ανάλογο της διαφοράς θερμοκρασίας των άκρων της ράβδου και δίνεται από τη σχέση: L A Τ1Τ1 Τ2Τ2 Ροή ενέργειας λ (W m -1 ºC -1 ) είναι ένας συντελεστής αναλογίας χαρακτηριστικός του μέσου ο οποίος ονομάζεται συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας

6 Μετάδοση με αγωγή Q=-λ A (T 2 -T 1 )/L Q: ένταση θερμικού ρεύματος, W λ: συντελεστής αναλογίας χαρακτηριστικός του μέσου ο οποίος ονομάζεται συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, W m -1 ºC -1 Α: επιφάνεια, m 2 L: μήκος, m Τ 1 και Τ 2 : θερμοκρασία στα άκρα της ράβδου, ºC

7 Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας λ Εκφράζει το ποσό θερμότητας που διέρχεται σε ένα δευτερόλεπτο από 1 m 2 της επιφάνειας ενός σώματος πάχους 1 m, όταν μεταξύ των δύο επιφανειών του σώματος υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας 1ºC

8 Θερμική αγωγιμότητα Εκφράζει την ευκολία η δυσκολία με την οποία διαπερνά η θερμότητα μέσα από τη μάζα των υλικών. Η αντίσταση R που προβάλλει ένα σώμα στη διέλευση της θερμότητας είναι ανάλογη του πάχους και αντιστρόφως ανάλογη της αγωγιμότητάς του. L R=------ λ

9 Μετάδοση με αγωγή Διαφορά θερμοκρασίας Ροή ενέργειας =--------------------------- Θερμική αντίσταση

10 Μετάδοση με συναγωγή Στα ρευστά, εκτός από την μετάδοση θερμότητας με αγωγή μπορεί να λάβει μέρος και μετάδοση θερμότητας με μεταφορά. Στην περίπτωση αυτή πραγματοποιείται μετακίνηση μάζας του υλικού από την θερμότερη προς την ψυχρότερη περιοχή. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η μετάδοση θερμότητας με ρεύμα αέρα στα αερόθερμα.

11 Ανάλογα με το αίτιο που προκαλεί τη ροή του ρευστού, διακρίνουμε τη φυσική (natural) και τη βεβιασμένη (forced) μεταφορά. Στην πρώτη περίπτωση η κίνηση του αέρα οφείλεται σε διαφορά πυκνότητας η οποία δημιουργείται λόγω διαφοράς θερμοκρασίας ενώ στη δεύτερη το ρευστό μετακινείται με μηχανικά μέσα (π.χ. ανεμιστήρας, κυκλοφοριτής, κ.α.)

12 Μετάδοση με συναγωγή Στην περίπτωση κατά την οποία μια θερμή επιφάνεια βρίσκεται σε επαφή με ένα ρευστό, η ροή θερμότητας είναι ανάλογη της επιφάνειας και της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ επιφάνειας (Τ s ) και του ρευστού (T a ) Q= h A ΔΤ Ο συντελεστής αναλογίας h, καλείται συντελεστής θερμικής μεταφοράς και μετριέται σε W m -2 °C -1 και εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της ροής του ρευστού πάνω από την επιφάνεια

13 Συντελεστής θερμικής μεταφοράς Εκφράζει το ποσό θερμότητας που μεταδίδεται με συναγωγή σε ένα δευτερόλεπτο από μία επιφάνεια 1 m 2 στον εφαπτόμενο με αυτή αέρα, όταν μεταξύ της επιφάνειας και του αέρα υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας 1ºC.

14 Στον υπολογισμό της μετάδοσης θερμότητας στα υλικά κατασκευής, υπεισέρχεται μετάδοση θερμότητας με αγωγή, μέσα στη στερεά μάζα του υλικού και μετάδοση θερμότητας με μεταφορά, από τις επιφάνειες του υλικού προς τον εφαπτόμενο με αυτές αέρα (και αντίστροφα)

15 Μετάδοση με αγωγή και μεταφορά Το ποσό της θερμότητας που περνάει από ένα τοίχωμα απλό ή σύνθετο και όταν υπολογίζεται η μετάδοση της θερμότητας με αγωγή και συναγωγή, δίνεται από την εξίσωση: Q = A U ΔΤ Όπου U ο συντελεστής θερμοπερατότητας W m -2 ºC -1

16 Συντελεστής θερμοπερατότητας Εκφράζει το ποσό θερμότητας που μεταδίδεται με συναγωγή σε ένα δευτερόλεπτο από μία επιφάνεια 1 m 2, όταν στις δύο παρειές της επιφάνειας υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας 1ºC και όταν η μετάδοση της θερμότητας υπολογίζεται με αγωγή και μεταφορά

17 Είναι το αντίστροφο της θερμικής αντίστασης: U = 1/R = λ/L

18 Θερμική αντίσταση τοιχώματος Στην πράξη τα τοιχώματα μιας κατασκευής απλά ή σύνθετα, αποτελούνται από ένα ή περισσότερα υλικά διαφορετικού πάχους και διαφορετικού συντελεστή αγωγιμότητας. Η θερμική αντίσταση ενός τοιχώματος ισούται με το άθροισμα των επιμέρους αντιστάσεων των υλικών.

19 Θερμική αντίσταση τοιχώματος R = R 1 + R 2 +... + R n ή L 1 L 2 L n R = --- + --- +... + --- λ 1 λ 2 λ n

20 Θερμική αντίσταση τοιχώματος Στη θερμική αντίσταση R θα πρέπει να προστεθούν οι αντιστάσεις r i και r o που οφείλονται στη διάδοση της θερμότητας με συναγωγή από την εσωτερική και εξωτερική επιφάνεια του τοιχώματος προς τον εφαπτόμενο αέρα και αντίστροφα. Συνεπώς η θερμική αντίσταση ενός δομικού στοιχείου δίνεται από τη σχέση: R = r i + R 1 + R 2 +... + R n + r o

21 Θερμοπερατότητα τοιχώματος U = 1/R = 1 = -------------------------------- r i + R 1 + R 2 +... + R n + r o 1 L 1 L 2 L n 1 (--- + --- + --- +... + --- + ---) -1 λ i λ 1 λ 2 λ n λ ο

22 Συνολικές απώλειες με αγωγιμότητα και μεταφορά Ο υπολογισμός της θερμοπερατότητας γίνεται κατά τον ίδιο τρόπο για το δάπεδο, την οροφή και τα παράθυρα. Μόλις υπολογιστεί η θερμοπερατότητα όλων των εξωτερικών επιφανειών μιας κτιριακής κατασκευής, είναι δυνατό να υπολογιστεί η συνολική απώλεια με αγωγιμότητα και συναγωγή από τη σχέση: Q = A U ΔΤ

23 Απώλειες ενέργειας λόγω διαφυγών αέρα Οι διαφυγές αέρα συμβάλουν αξιόλογα στις απώλειες ενέργειας ενός κτηρίου για αυτό θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τον υπολογισμό των απωλειών. Ο υπολογισμός των απωλειών λόγω διαφυγών αέρα γίνεται με τη σχέση: Q = C q α ΔT C: η θερμοχωρητικότητα του αέρα, 1220 j m -3 ºC, q: η ποσότητα εισερχόμενου αέρα ανά επιφάνεια ανοίγματος, m 3 sec -1 m -2 α: η επιφάνεια ανοιγμάτων, m 2 και ΔT: η διαφορά θερμοκρασίας εσωτερικού-εξωτερικού αέρα

24 Μετάδοση με ακτινοβολία Η μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία πραγματοποιείται με ηλεκτρομαγνητικά κύματα με τυπικό παράδειγμα την μετάδοση της ηλιακής ενέργειας

25 Μετάδοση με ακτινοβολία Κάθε σώμα με θερμοκρασία μεγαλύτερη του απολύτου μηδενός (-273 ο C) εκπέμπει συνέχεια θερμότητα με ακτινοβολία. Το φάσμα εκπομπής (συχνότητα κύματος) εξαρτάται από τη θερμοκρασία του σώματος και τα οπτικά χαρακτηριστικά της επιφάνειάς του.

26 Μετάδοση με ακτινοβολία Διακρίνουμε την μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία (0,3 έως 2,8 nm) που αντιστοιχεί στην ηλιακή ακτινοβολία και την μεγάλου μήκους κύματος (ή θερμική) ακτινοβολία, που αντιστοιχεί στην ακτινοβολία που εκπέμπουν τα σώματα στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος

27 Μετάδοση με ακτινοβολία Ο νόμος των Stefan – Boltzman λέει ότι η θερμότητα που εκπέμπει ένα σώμα είναι ανάλογη προς την τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας του: Q= σ Τ 4 όπου: Q, ροή θερμότητας με ακτινοβολία [W m -2 ] σ, σταθερά Stefan-Boltzmann [5.67·10 -8 W m -2 ·K -4 ] T, απόλυτη θερμοκρασία [K]

28 Μετάδοση με ακτινοβολία Ο τύπος αυτός ισχύει για τα μέλανα σώματα. Ως μέλαν σώμα χαρακτηρίζεται το ιδανικό εκείνο σώμα που απορροφάει όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτό και επομένως α=1, όπου α η απορροφητικότητα. Στην πράξη…

29 Μετάδοση με ακτινοβολία …Όταν σε μια επιφάνεια προσπίπτει ακτινοβολία τότε ένα μέρος της απορροφάται και ένα μέρος της ανακλάται. Αν η επιφάνεια είναι διαφανής στις ακτινοβολίες που προσπίπτουν, τότε μέρος αυτών θα διαπερνά το υλικό. Αυτό ισχύει για τα υλικά κάλυψης των θερμοκηπίων τα οποία είναι περατά στην ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος και ορισμένα και στην ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος.

30 Μετάδοση με ακτινοβολία Έτσι, για τα σώματα αυτά ισχύει: Q= ε σ Τ 4 όπου ε η ικανότητα εκπομπής ή εκπεμπτικότητα

31 Εκπεμπτικότητα Εκπεμπτικότητα ενός σώματος είναι ο λόγος της ικανότητας εκπομπής του σώματος προς την ικανότητα εκπομπής του μελανού σώματος. Έχει βρεθεί πειραματικά ότι τα σώματα που έχουν μεγάλη ικανότητα εκπομπής, έχουν και μεγάλη ικανότητα απορρόφησης. Αυτό οδήγησε στο νόμο του Kirchhof, που δίνει τη σχέση: ε (λ) = α (λ)

32 Εκπεμπτικότητα Δηλαδή η εκπεμπτικότητα ενός σώματος για δεδομένο μήκος κύματος είναι ίση με την απορροφητικότητά του στο ίδιο μήκος κύματος. Για τα μελανά σώματα επομένως είναι: ε = α = 1, ενώ για όλα τα άλλα το ε > 1

33 Παράδειγμα Ένας μεταλλικός σωλήνας ζεστού νερού που χρησιμοποιείται για θέρμανση στο θερμοκήπιο έχει επιφανειακή θερμοκρασία 90 °C. Η επιφάνειά του έχει βαφεί με μπογιά αλουμινίου με ε=0.45. Ποια είναι η ποσότητα θερμότητας που εκπέμπεται από την επιφάνεια με ακτινοβολία και κατά πόσο θα αλλάξει αν ο σωλήνας βαφεί με μπογιά με βάση ένα λάδι που έχει εκπεμπτικότητα ε=0.95;

34 Λύση Για ε=0.45: Q= (0.45)(5.6697 10 -8 )(90+273.15) 4 => Q = 444 W/m Για ε=0.95: Q= (0.95)(5.6697 10 -8 )(90+273.15) 4 => Q = 937 W/m

35 Εφαρμογή στο κτήριο Σύμφωνα με το νόμο των Stefan-Boltzmann, τα δομικά στοιχεία μιας κτιριακής κατασκευής, εφόσον έχουν θερμοκρασία μεγαλύτερη από το απόλυτο μηδέν, ακτινοβολούν συνέχεια θερμότητα, ενώ ταυτόχρονα δέχονται τη θερμότητα που εκπέμπουν όλα τα παραπλήσια προς αυτά αντικείμενα. Στους υπολογισμούς των θερμικών απωλειών ή του κέρδους θερμότητας των κτιριακών κατασκευών συνήθως δεν γίνεται εφαρμογή του παραπάνω νόμου για τους εξής λόγους:

36 Εφαρμογή στο κτήριο 1. Στον υπολογισμό της θερμοπερατότητας ενός δομικού στοιχείου συνυπολογίζεται και η μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία, γιατί οι συντελεστές αγωγιμότητας r i και r o του αέρα που περιβάλλει εσωτερικά και εξωτερικά το δομικό στοιχείο, περιλαμβάνουν την ανταλλαγή θερμότητας με ακτινοβολία μεταξύ του αέρα και του δομικού στοιχείου.

37 Εφαρμογή στο κτήριο 2. Κατά τη διάρκεια της ημέρας η εξωτερική επιφάνεια των κτηρίων ακτινοβολεί προς το περιβάλλον θερμότητα ανάλογη προς την τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας τους, σύμφωνα με το νόμο των Stefan-Boltzmann, που είναι μερικοί βαθμοί Κελσίου. Το ποσό αυτό της θερμικής απώλειας είναι αμελητέο και δεν πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στους υπολογισμούς, γιατί την ίδια στιγμή η εξωτερική επιφάνεια του κτηρίου δέχεται την ηλιακή θερμότητα, η οποία είναι ασύγκριτα πιο μεγάλη γιατί ο ήλιος ακτινοβολεί με θερμοκρασία περίπου 5700 °C.

38 Εφαρμογή στο κτήριο Όσον αφορά τη θερμότητα που εκπέμπουν τα δομικά στοιχεία στον εσωτερικό χώρο, μπορεί και αυτή να παραβλεφθεί, γιατί την ίδια στιγμή οι εσωτερικές επιφάνειες του κτηρίου δέχονται την ακτινοβολία των αντικειμένων του εσωτερικού χώρου, που μπορεί να θεωρηθεί ίση με αυτή που εκπέμπουν, από τη στιγμή που δομικά στοιχεία και αντικείμενα ακτινοβολούν στην ίδια περίπου θερμοκρασία.

39 Εφαρμογή στο κτήριο Εφαρμογή του νόμου των Stefan-Boltzmann πρέπει να γίνεται μόνο στους υπολογισμούς των θερμικών απωλειών ενός κτίσματος κατά τη διάρκεια της νύχτας και κυρίως όταν ο ουρανός είναι χωρίς σύννεφα, γιατί τότε οι θερμικές απώλειες μιας κατασκευής, λόγω ακτινοβολίας των εξωτερικών επιφανειών, είναι ιδιαίτερα αξιόλογες.

40 Εφαρμογή στο κτήριο Όταν υπάρχουν σύννεφα, οι απώλειες αυτές μειώνονται αισθητά, γιατί τα σύννεφα απορροφούν την εκπεμπόμενη από τη γη ακτινοβολία και στη συνέχεια την εκπέμπουν πίσω στη γη, ακτινοβολόντας θερμότητα με βάση τον ίδιο νόμο. Έτσι, οι θερμικές απώλειες με ακτινοβολία από τις εξωτερικές επιφάνειες μιας κατασκευής είναι: Q = ε κ σ Α κ Τ κ 4, με καθαρό ουρανό και Q = ε κ σ Α κ Τ κ 4 - ε σ σ Α σ Τ σ 4 με συννεφιασμένο ουρανό, όπου: δείκτης κ= κατασκευή και σ= σύννεφα