Μοντέλο διαχείρισης της ηλιακής ακτινοβολίας για τη συνθηκών και την εξοικονόμηση ενέργειας σε ένα κτήριο ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Μοντέλο διαχείρισης της ηλιακής ακτινοβολίας για τη βελτίωση των συνθηκών και την εξοικονόμηση ενέργειας σε ένα κτήριο ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Νικόλαος Π. Κακαβούλης Επιβλέπων : Νικόλαος Χατζηαργυρίου Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Ιούνιος 29

2

3 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Μοντέλο διαχείρισης της ηλιακής ακτινοβολίας για τη βελτίωση των συνθηκών και την εξοικονόμηση ενέργειας σε ένα κτήριο ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Νικόλαος Π. Κακαβούλης Επιβλέπων : Νικόλαος Χατζηαργυρίου Καθηγητής Ε.Μ.Π. Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την 8 η Ιουλίου Νικόλαος Χατζηαργυρίου Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Ιούνιος 29

4 ... Νικόλαος Π. Κακαβούλης Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Copyright Νικόλαος Π. Κακαβούλης, 29 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. 4

5 Στη μνήμη του αγαπημένου μου θείου Θόδωρου 5

6 6

7 Περίληψη Ο σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη ενός δωματίου για τρεις εβδομάδες διαφορετικών εποχών, η οποία έχει ως τελικό στόχο την ενεργειακή εξοικονόμηση. Όλα τα προγράμματα γίνονται σε περιβάλλον λογισμικού LabVIEW. Συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος της εργασίας, μελετούνται: το ανισοτροπικό μοντέλο του Perez για τον υπολογισμό της συνολικά απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας από τον υπό μελέτη χώρο, καθώς και τα φαινόμενα σκίασής του. Έτσι, λαμβάνονται αποφάσεις για τη μετατροπή του συγκεκριμένου χώρου σε ένα φιλικότερο εργασιακό περιβάλλον με την τοποθέτηση εξωτερικών περσίδων. Εν συνεχεία, μελετάται η πιθανή χρήση κλιματιστικού, η απόδοση αυτού, καθώς και η διερεύνηση της λειτουργίας του λαμβάνοντας υπόψη: πρώτον, τα επιτρεπτά επίπεδα θερμοκρασίας και δεύτερον, τη λιγότερη ενεργειακή κατανάλωση. Επιπρόσθετα, γίνεται μελέτη στο φωτισμό του δωματίου. Με άλλα λόγια, θεωρείται ότι υπάρχει διακόπτης μεταβλητού τεχνητού φωτισμού και έτσι, επιτυγχάνεται ρύθμιση της έντασης του φωτισμού και, επομένως, καλύτερη ποιότητα εργασίας, αλλά και εξοικονόμηση ενέργειας. Τέλος, στο δεύτερο μέρος της εργασίας γίνεται συνοπτική παρουσίαση του υβριδικού συστήματος στο εργαστήριο Σ.Η.Ε. ενώ παράλληλα, αναλύεται η πορεία που ακολουθήθηκε για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας και άλλων τριών οργάνων στο σύστημα αυτό. ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: ανισοτροπικό μοντέλο Perez, περσίδες, πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας, απόδοση κλιματιστικού, βέλτιστη λειτουργία κλιματιστικού, μελέτη τεχνητού φωτισμού, εξοικονόμηση ενέργειας, LabVIEW, υβριδικό σύστημα, σύνδεση ανεμογεννήτριας. 7

8 Abstract The aim of this thesis is to study a room for three weeks, during different seasons, with the final goal of energy saving. All programs are created with the LabVIEW software environment. Specifically, in the first part of the thesis are studied the Perez anisotropic model for the calculation of the total solar radiation absorbed by the room in question and the shadow effects on it. Thus, decisions are made for the transformation of the room into a more labor friendly environment by installing outer venetian blinds (shutting control). Moreover, the potential use of a heat pump (cooling mode), its efficiency and the examination of its operation are studied taking into account: firstly, the acceptable temperature levels and secondly, the least energy consumption. Furthermore, the room s lightning is studied. In other words, it is presumed that there is a dimmer and as a result, the dimming control is achieved. This leads not only to a work quality, but also to energy saving. Finally, in the second part of the thesis a synoptic representation of the hybrid system located in the laboratory of electrical energy is done, whereas, simultaneously, the procedure followed for the connection of the wind turbine and of three other measurement instruments in the system is analyzed. Keywords: anisotropic Perez model, outer venetian blinds, internal temperature s prediction, heat pump efficiency, best heat pump performance, study of artificial lighting, energy saving, LabVIEW, hybrid system, connection of wind turbine 8

9 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω, καταρχάς, τον καθηγητή μου κύριο Νικόλαο Χατζηαργυρίου που μου εμπιστεύτηκε το συγκεκριμένο θέμα της διπλωματικής και ήταν πάντα πρόθυμος να με καθοδηγήσει όποτε τον χρειαζόμουν. Στη συνέχεια, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιστημονικό συνεργάτη κύριο Παναγιώτη Ρωμανό για την καλή συνεργασία που είχαμε και την πολύτιμη βοήθειά του καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης αυτής της διπλωματικής. Επιπλέον, ευχαριστώ όλη την υπόλοιπη ομάδα της διπλωματικής για την συμπαράσταση και την αλληλοβοήθεια την περίοδο της κατασκευής του εργαστηρίου. Χαιρετίζω, λοιπόν, την ομάδα των Εxcellence.Γιώργος Τσολάκος, Κώστας Πανταζής, Στέφανος Μπόνιας, Νίκος Δανιήλ, Γιαννακόπουλος Παναγιώτης, Μάκης Χριστάκης, καθώς και τη μοναδική κοπέλα, Ευαγγελία Στούμπη. Ευαγγελία σε ευχαριστώ διπλά για την ηθική σου υποστήριξη και την καταλυτική βοήθειά σου στην ολοκλήρωση της διπλωματικής. Δε θα ήταν σωστό να μην ευχαριστήσω τον υπεύθυνο του εργαστηρίου Σ.Η.Ε., κύριο Γιώργο Κατσαρό για τη βοήθεια του σε τυχόν θέματα που προέκυψαν κατά την περίοδο της κατασκευής του εργαστηρίου. Επίσης, ευχαριστώ τη φίλη μου, Μαργαρίτα Αγριαντώνη για τις πολύτιμες πληροφορίες που μου έδωσε όσον αφορά τα υλικά κατασκευής ενός κτιρίου. Να μην ξεχάσω να ευχαριστήσω τους πολύ καλούς μου φίλους, τους οποίους ενδέχεται να παίδεψα κατά τη διάρκεια της εκπόνησης αυτής της διπλωματικής. Τέλος, το μεγαλύτερο ευχαριστώ στην οικογένεια μου και κυρίως τους γονείς μου, Φόνη και Παντελή, οι οποίοι πάντα με στηρίζουν σε κάθε σημαντικό βήμα της ζωής μου. Σε αυτούς χρωστάω ό,τι έχω καταφέρει ως σήμερα. 9

10 1

11 Πίνακας περιεχομένων 1 Απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία Εισαγωγή Ανισοτροπικό μοντέλο διάχυτης ακτινοβολίας του Perez Η άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία πάνω στην επιφάνεια του παραθύρου [1] Η διάχυτη ακτινοβολία πάνω στην επιφάνεια του παραθύρου Η συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία πάνω στην επιφάνεια του παραθύρου [1] Η συνολικά απορροφούμενη ακτινοβολία από το δωμάτιο [1] Η απορροφούμενη από το δωμάτιο, διάχυτη και ανακλώμενη από το έδαφος, ακτινοβολία Η άμεσα απορροφούμενη από το δωμάτιο ακτινοβολία Σκίαση Υπολογισμός της συνολικά απορροφούμενης ακτινοβολίας από το δωμάτιο με το πρόγραμμα LabVIEW Λειτουργία περσίδων (shutting control) Εισαγωγή Η αξία της αποκοπής της άμεσης ακτινοβολίας Βέλτιστη κλίση περσίδας Αποτελέσματα Μεταφορα θερμότητας μέσα από τα τοιχώματα Εισαγωγή Ορισμός του συστήματος Η μεταφορά θερμότητας και οι μηχανισμοί της Μεταφορά θερμότητας με αγωγή (conduction) Μεταφορά θερμότητας με θερμική μεταβίβασησυναγωγή (convection) [6] Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία (radiation) [6] Μονοδιάστατη μεταφορά θερμότητας με αγωγή στη μόνιμη κατάσταση Θερμοκρασιακή κατανομή στον τοίχο [8]

12 3.4.2 Θερμική αντίσταση Σύνθετος τοίχος Γενικές παραδοχές του θερμοδυναμικού μας μοντέλου Αποτελέσματα του υπό μελέτη δωματίου Πάτωμα-ταβάνι Εξωτερικός τοίχος παράθυρο Εσωτερικοί τοίχοι- ξύλινη πόρτα Πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας - απόδοση κλιματιστικού Ισοζύγιο ενέργειας- εσωτερική ενέργεια [6] Πρώτος νόμος θερμοδυναμικής [6] Διαφορική εξίσωση πρόβλεψης θερμοκρασίας [6] Χωρίς κλιματιστικό Χωρίς εσωτερικές θερμικές πηγές Εσωτερικές θερμικές πηγές στο δωμάτιο Με χρήση του κλιματιστικού- απόδοση κλιματιστικού Δεύτερος νόμος θερμοδυναμικής [6] Αντλία θέρμανσης (Heat pump system) συστήματα ψύξης (Refrigeration system) [6] Απαιτήσεις για τη λειτουργία του κλιματιστικού Αποτελέσματα λειτουργίας κλιματιστικού Φωτισμός Λήψη μετρήσεων φωτεινότητας για την εβδομάδα Απριλίου Μεγέθη φωτομετρίας [12] Εύρεση αναλογίας μεταξύ ωριαίας απορροφούμενης ακτινοβολίας και ωριαίας ισχύος φωτισμού Σχέση ηλεκτρικής κατανάλωσης κεντρικού φωτισμού και ποσοστού ισχύος φωτισμού [13] Αποτελέσματα λειτουργίας μεταβλητού φωτισμού Τελικά συμπεράσματα Τελικές αποφάσεις για τις περσίδες Λειτουργία και απόδοση κλιματιστικού Φωτισμός Συνολική εξοικονόμηση ενέργειας Προοπτικές για περαιτέρω μελέτη

13 7 Κατασκευή υβριδικού συστήματος στο εργαστήριο Σ.Η.Ε Υβριδικό σύστημα Γενικά στοιχεία υβριδικού συστήματος Σύνδεση ανεμογεννήτριας στο υβριδικό σύστημα DC κομμάτι INVERTER Windy boy AC κομμάτι Μελλοντική χρήση και αξιοποίηση του συστήματος Μελλοντική αναβάθμιση Παράρτημα Βιβλιογραφία

14 Πίνακας Εικόνων Εικόνα 1.1 Υπό μελέτη κατοικία και παράθυρο...18 Εικόνα 1.2 Συνιστώσες ηλιακής ακτινοβολίας...18 Εικόνα 1.3 Ζενίθ γωνία και γωνία πρόσπτωσης για κάθετη επιφάνεια... 2 Εικόνα 1.4 Ζενίθ γωνία, κλίση επιπέδου, αζιμούθια γωνία επιφάνειας και ηλιακή αζιμούθια γωνία για κεκλιμένη επιφάνεια...22 Εικόνα 1.5 Δημιουργία διάχυτης ακτινοβολίας από ανακλάσεις από: τα σύννεφα, το έδαφος και αιωρούμενα σωματίδια ή υγρασία Εικόνα 1.6 Συνιστώσες της συνολικά προσπίπτουσας ακτινοβολίας...23 Εικόνα 1.7 Κάτοψη με όλα τα φυσικά εμπόδια γύρω από το παράθυρο Εικόνα 1.8 Ανατολική όψη Εικόνα 1.9 Νότια όψη Εικόνα 1.1 Δυτική όψη...32 Εικόνα 1.11 Υπολογισμός της σκίασης...33 Εικόνα 2.1 Μόνιμα στοιχεία σκίασης για αποκοπή της άμεσης ακτινοβολίας.4 Εικόνα 2.2 Εργασιακός χώρος όταν έχουμε άμεση ακτινοβολία (αριστερά) και όταν αυτή εμποδίζεται με κάποιο τρόπο να εισέλθει στο χώρο αυτό (δεξιά)..42 Εικόνα 2.3 Λειτουργία περσίδας όταν υπάρχει άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία-πολύ σημαντική η κλίση των περσίδων...42 Εικόνα 2.4 Εύρεση βέλτιστης κλίσης των περσίδων, α, για την αποκοπή της άμεσα προσπίπτουσας ακτινοβολίας...43 Εικόνα 3.1 Τοιχώματα δωματίου...52 Εικόνα 3.2 Μεταφορά θερμότητας με αγωγή (conduction)...53 Εικόνα 3.3 Σχέση μεταξύ της ροής θερμότητας και της διαφοράς θερμοκρασίας για μία διάσταση x...54 Εικόνα 3.4 Μεταφορά θερμότητας με θερμική μεταβίβαση (συναγωγή) Εικόνα 3.5 Μεταφορά θερμότητας μέσα από επίπεδο τοίχο- θερμοκρασιακή κατανομή...57 Εικόνα 3.6 Τομή ενός σύνθετου τοίχου, τριών υλικών...58 Εικόνα 3.7 Τομή πατώματος- ταβανιού...61 Εικόνα 3.8 Τομή εξωτερικού τοίχου...61 Εικόνα 3.9 Σχηματική αναπαράσταση εξωτερικού τμήματος του δωματίου (εξωτερικός τοίχος- παράθυρο)

15 Εικόνα 3.1 Τομή εσωτερικού τοίχου...62 Εικόνα 3.11 Σχηματική αναπαράσταση εσωτερικού τμήματος του δωματίου (εσωτερικός τοίχος- ξύλινη πόρτα)...63 Εικόνα 4.1 Σύστημα ψύξης (refrigeration system)...73 Εικόνα 4.2 Αντλία θέρμανσης (heat pump system) με δυνατότητα παροχής θέρμανσης-ψύξης...75 Εικόνα 5.1 Διάταξη EIB για τη μέτρηση φωτεινότητας στο χώρο...96 Εικόνα 7.1 Υβριδικό σύστημα εργαστηρίου Εικόνα 7.2 Φωτοβολταϊκά πανέλα Εικόνα 7.3 Ανεμογεννήτρια Εικόνα 7.5 Υβριδικό σύστημα εργαστηρίου Σ.Η.Ε Εικόνα 7.4 Μπαταρίες Εικόνα 7.6 Απλοποιημένο μονογραμμικό σχέδιο για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας...12 Εικόνα 7.7 Ηλεκτρολογικό σχέδιο για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας και τη τοποθέτηση οργάνων Εικόνα 7.8 Η πλακέτα των LEM Εικόνα 7.1 Πρόχειρο σχέδιο της πλακέτας που χρησιμοποιήθηκε για την εγκατάσταση των LEM Εικόνα 7.9 Πλακέτα τροφοδοτικού και πλακέτα των LEM Εικόνα 7.11 Inverter Windy Boy 11 για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας 125 Εικόνα 7.12 Πολυόργανο MIC-42 της DEIF και ο μικροαυτόματος των 16 A για τη σύνδεση στο μονοφασικό δίκτυό μας Εικόνα 7.13 Σύνδεση της ανεμογεννήτριας Εικόνα 8.1 Παράδειγμα προγράμματος LabVIEW (εμπρόσθιος πίνακας και διάγραμμα βαθμίδων)...13 Εικόνα 8.2 Παράθυρο που περιέχει τους ελεγκτές και τους δείκτες...13 Εικόνα 8.3 Παράθυρο που περιέχει τις έτοιμες συναρτήσεις για το διάγραμμα βαθμίδων Εικόνα 8.4 Εμπρόσθιος πίνακας του προγράμματος για τον υπολογισμό της συνολικά απορροφούμενης ακτινοβολίας, με και χωρίς τη χρήση περσίδων

16 Εικόνα 8.5 Όταν το πρόγραμμα βρίσκεται σε λειτουργία, με το πάτημα ενός κουμπιού εμφανίζεται η αντίστοιχη γραφική παράσταση Εικόνα 8.6 Διάγραμμα βαθμίδων του προγράμματος που αφορά τον υπολογισμό της συνολικά απορροφούμενης ακτινοβολίας, με και χωρίς τη χρήση περσίδων Εικόνα 8.7 Παρουσίαση των συνολικών υποπρογραμμάτων που χρειάστηκαν Εικόνα 8.9 Διάγραμμα βαθμίδων για το μοντέλο του Perez Εικόνα 8.8 Εμπρόσθιος πίνακας για το μοντέλο του Perez Εικόνα 8.1 Εμπρόσθιος πίνακας που αφορά την πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας και την απόδοση του κλιματιστικού για τις περιόδους Οκτωβρίου και Αυγούστου Εικόνα 8.11 Διάγραμμα βαθμίδων του τελικού προγράμματος που αφορά τη μελέτη θερμοδυναμικής για τις εβδομάδες Αυγούστου και Οκτωβρίου Εικόνα 8.12 Εμπρόσθιος πίνακας που αφορά την πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας και την απόδοση του κλιματιστικού για την περίοδο Απριλίου Εικόνα 8.13 Διάγραμμα βαθμίδων του τελικού προγράμματος που αφορά τη μελέτη θερμοδυναμικής για την εβδομάδα Απριλίου Εικόνα 8.14 Διάγραμμα βαθμίδων κοινού προγράμματος και για τις τρεις περιόδους και αφορά την αναλυτική πρόβλεψη και τη λειτουργία του κλιματιστικού Εικόνα 8.15 Πρόγραμμα για τη λύση της διαφορικής εξίσωσης για τη πρόβλεψη θερμοκρασίας Εικόνα 8.16 Μέρος του προγράμματος που φαίνεται πιο αναλυτικά η λειτουργία του κλιματιστικού...14 Εικόνα 8.17 Κάτοψη δωματίου με τα επί μέρους έπιπλα και τις ηλεκτρικές συσκευές Εικόνα 8.18 Χαρακτηριστικά LG κλιματιστικού Εικόνα 8.19 Χαρακτηριστικά LG κλιματιστικού Εικόνα 8.2 Σχέδιο Fraunhofer για τη σύνδεση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος

17 Απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο 17

18 1 Απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία 1.1 Εισαγωγή Εικόνα 1.1 Υπό μελέτη κατοικία και παράθυρο μήκος L loc = Στο παρόν κεφάλαιο υπολογίζεται η συνολική απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία με τη βοήθεια ενός ανισοτροπικού μοντέλου διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας που πρωτοαναπτύχθηκε από τον Perez (1988). Το παράθυρο του υπό μελέτη δωματίου (βλέπε Εικόνα 1.1) είναι νότιο (γ= ). Η οικία έχει γεωγραφικό πλάτος φ= 38 4 και γεωγραφικό 1.2 Ανισοτροπικό μοντέλο διάχυτης ακτινοβολίας του Perez Ο υπολογισμός της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω στο παράθυρο επιτυγχάνεται με τη μέτρηση της συνολικής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο με τον αισθητήρα της ISET ο οποίος είναι τοποθετημένος στο Γέρακα. Έχουμε τριών ειδών ακτινοβολίες [1]: την άμεσα προσπίπτουσα, τη διάχυτη και τη ανακλώμενη από το έδαφος ακτινοβολία (βλέπεε Εικόνα 1.2). Αυτές προσπίπτουν στην κάθετη επιφάνεια του παραθύρου και συνθέτουν τη συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία. Η μελέτη και ο υπολογισμός των τριών συνιστωσών γίνεται με βάση κάποια μοντέλα (ισοτροπικό, ανισοτροπικό HDKR, ανισοτροπικό Perez). Στη συγκεκριμένη περίπτωση προτιμήθηκε το ανισοτροπικό μοντέλο του Perez, για πιο ακριβέστερα αποτελέσματα, καθώς βασίζεται σε μια αναλυτικότερη περιγραφή της διάχυτης ακτινοβολίας. Εικόνα 1.2 Συνιστώσες ηλιακής ακτινοβολίας 18

19 1.2.1 Η άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία πάνω στην επιφάνεια του παραθύρου [1] Ως άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία (beam radiation) ορίζεται η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει από τον ήλιο χωρίς να έχει διαχυθεί από την ατμόσφαιρα. Η άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία εξαρτάται από τη θέση του ήλιου. Εφόσον ο ήλιος κατά τη διάρκεια της ημέρας μετακινείται, η άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία δεν παραμένει σταθερή. Αρχικά, υπολογίζεται η ηλιακή ώρα, η οποία είναι ανάλογη με την κίνηση του ήλιου και δεν συμπίπτει με την επίσημη ώρα. Η διαφορά σε λεπτά μεταξύ τους είναι ίση με: Solar time- standard time =4 Lst Lloc E (1.1) όπου L st είναι ο κεντρικός μεσημβρινός για την ώρα τοπικής ζώνης. L loc αποτελεί το γεωγραφικό μήκος σε μοίρες. Για την περίπτωσή μας ισχύει L loc = Η εξίσωση με παράμετρο το χρόνο Ε προσδιορίζεται από την εξίσωση (1.2): E ( cosb.3277 sinb cos 2B.489 sin 2 B) (1.2) όπου 36 B ( n 1) (1.3) 365 και n η μέρα του έτους, δηλαδή 1 n 365. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην εποχή του έτους που μελετάται, καθώς είναι πιθανόν να ισχύει η θερινή ώρα (Daylight Saving Time,DST). Αυτό σημαίνει ότι η επίσημη ώρα προπορεύεται κατά μια ώρα της ηλιακής ώρας. Το υπό μελέτη παράθυρο είναι κάθετο στο οριζόντιο επίπεδο (β=9 ). Η γωνία πρόσπτωσης θ, δηλαδή η γωνία μεταξύ της άμεσα προσπίπτουσας ακτινοβολίας (beam ακτινοβολία) σε μία επιφάνεια και της καθέτου αυτής της επιφάνειας (βλέπε Εικόνα 1.3), δίνεται από τον τύπο (1.4). 19

20 cos sin cos cos cos sin cos cos cos sin sin (1.4) Εικόνα 1.3 Ζενίθ γωνία και γωνία πρόσπτωσης για κάθετη επιφάνεια Όπου: Η ηλιακή απόκλιση δ ορίζεται ως η γωνιακή θέση του ήλιου στο ηλιακό μεσημέρι (ηλιακή ώρα: 12: π.μ.), αναφορικά με το επίπεδο του ισημερινού και με θετικές τιμές προς το Βορά. Δίνεται από την εξίσωση (1.5): sin( n ) 365 (1.5) o Το γεωγραφικό πλάτος φ είναι η γωνιακή απόσταση από τον ισημερινό, βόρεια ή νότια, με θετικές τιμές προς το Βορά: o 9 9 Το κτίριο που μελετούμεε έχει γεωγραφικό πλάτος φ= Η αζιμούθια γωνία γ δίνεται ως η παρέκκλιση της προβολής σε οριζόντιο επίπεδο της καθέτου της υπό μελέτη επιφάνειας από τον τοπικό μεσημβρινό (Εικόνα 1..4). Λαμβάνουμε ως αναφορά το Νότο (γ= ) και αρνητικά προς την Ανατολή και θετικά προς τη Δύση : o o 2

21 o Το παράθυρο που μελετούμε είναι νότιο οπότε γ=. o Η ωριαία γωνία ω αποτελεί την γωνιακή μετατόπιση του ήλιου προς τα ανατολικά ή τα δυτικά από τον τοπικό μεσημβρινό εξαιτίας της περιστροφής της Γης ως προς τον άξονά της κατά 15 ανά ώρα. Τις πρωινές ώρες ισχύει : ω<,για το ηλιακό μεσημέρι: ω= ενώ τις απογευματινές ώρες : ω>. Για μια οριζόντια επιφάνεια, η ζενίθ γωνία θ z είναι η γωνία μεταξύ της καθέτου αυτής και της ευθείας προς τον ήλιο. Επομένως, για μια οριζόντια επιφάνεια, η ζενίθ γωνία είναι ίση με τη γωνία πρόσπτωσης της άμεσα προσπίπτουσας ακτινοβολίας (beam ακτινοβολίας) και, συνεπώς, υπολογίζεται από τον τύπο (1.6): cos cos cos cos sin sin (1.6) z Εφόσον ο ήλιος μετακινείται κατά τη διάρκεια της μέρας η αζιμούθια γωνία του ήλιου γ ς (βλέπε Εικόνα 1.4) μεταβάλλεται και υπολογίζεται από την εξίσωση (1.7): ' 1C1C 2 C1 C2 C3 ( ) 18 (1.7) 2 με ' sin cos sin (1.8) sin z C 1 1 ew 1 tan, ew cos 1 ew tan (1.9) C 2 1 αν ( ) 1 αλλού (1.1) C 3 1 αν 1 αν αλλού (1.11) 21

22 Οι συνολικές ώρες ηλιοφάνειας σε μια μέρα Ν δίνεται από την εξίσωση (1.12): 1 N 2 cos ( tan tan ) 15 (1.12) Ο γεωμετρικός συντελεστής R b ισούται με το λόγο της άμεσα προσπίπτουσας ακτινοβολίας στην υπό μελέτη επιφάνεια (κάθετη) προς αυτή σε οριζόντια επιφάνεια. Υπολογίζεται από την εξίσωση (1.13): R b G G b, T b G G b, n cos cos cos cos b, n Z Z (1.13) Εικόνα 1.4 Ζενίθ γωνία, κλίση επιπέδου, αζιμούθια γωνία επιφάνειας και ηλιακή αζιμούθια γωνία για κεκλιμένη επιφάνεια Η διάχυτη ακτινοβολία πάνω στην επιφάνεια του παραθύρου Η ηλιακή ακτινοβολία η οποία περνάει μέσα από τη γήινη ατμόσφαιρα, περιέχει δύο στοιχεία: μια άμεσα ακτινοβολία και ακτινοβολία. Η διάχυτη μια διάχυτη ακτινοβολία Εικόνα 1.5 Δημιουργία διάχυτης ακτινοβολίας από ανακλάσεις από: τα σύννεφα, το έδαφος και αιωρούμενα σωματίδια ή υγρασία. δημιουργείται από τις ανακλάσεις από 22

23 τα σύννεφα, από την υγρασία και από άλλα αιωρούμενα σωματίδια στον αέρα. Η ίδια ενδέχεται να περιέχει και ανακλάσεις από το έδαφος (Εικόνα 1.5). Η διάχυση λόγω της ατμόσφαιρας είναι αυτή που ευθύνεται έτσι ώστε ο γήινος ουρανός την ημέρα να μη φαίνεται μαύρος όπως τη νύχτα και παρέχει τον απαραίτητο φωτισμό στα κτίρια τη διάρκεια της ημέρας [2]. Η κατεύθυνση με την οποία φτάνει στη γη εξαρτάται άμεσα από τις συνθήκες νέφωσης και την ατμοσφαιρική διαύγεια, τα οποία ωστόσο παρουσιάζουν υψηλή μεταβλητότητα. Στοιχεία από μια αίθρια μέρα οδήγησαν σε μια πιο αναλυτική περιγραφή των συνιστωσών που συνθέτουν τη διάχυτη ακτινοβολία [1]: Την ισοτροπική συνιστώσα (isotropic diffuse), ομοιόμορφα ληφθείσα από τον ουράνιο θόλο. Την «περιήλια» διάχυτη συνιστώσα (circumsolar diffuse), σαν αποτέλεσμα της σύνδρομης σκέδασης της ηλιακής ακτινοβολίας, η οποία είναι συγκεντρωμένη γύρω από τον ήλιο. Τη διάχυτη από τον ορίζοντα (diffuse from Horizon). Παρατηρείται κυρίως σε αίθριο ουρανό. Όταν η άμεσα προσπίπτουσα και η διάχυτη ακτινοβολία προστίθενται, παρέχουν ένα τρόπο για τον υπολογισμό της ακτινοβολίας, που προσπίπτει σε κεκλιμένη επιφάνεια, από μετρήσεις στο οριζόντιο επίπεδο. Η συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία είναι ένα άθροισμα ακτινοβολιών (Εικόνα 1.6) [1]: Της άμεσα προσπίπτουσας ακτινοβολίας ( beam radiation) Των τριών συνιστωσών της διάχυτης ακτινοβολίας ( diffuse radiation) Της ανακλώμενης ακτινοβολίας από άλλες επιφάνειες κοντά στην εξεταζόμενη επιφάνεια (reflected radiation). Εικόνα 1.6 Συνιστώσες της συνολικά προσπίπτουσας ακτινοβολίας 23

24 Έτσι, για την περίπτωση του παραθύρου η συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία μπορεί να γραφτεί με την εξίσωση(1.14): I I I I I I (1.14) T T, b T, d, iso T, d, cs T, d, hz T, refl Όπου iso, cs, hz και refl παραπέμπουν στις συνιστώσες της διάχυτης ακτινοβολίας και στη ανακλώμενη ακτινοβολία. Γνωρίζοντας ότι το παράθυρο έχει εμβαδόν Α w, η εξίσωση (1.14) μετατρέπεται σε A I I R A w T b b w I A F I R A I A F d, iso s sw d, cs b w d, hz hz hzw I A F i i i i i w (1.15) Ο πρώτος όρος είναι η συνεισφορά της άμεσα προσπίπτουσας ακτινοβολίας (beam ακτινοβολίας). Ο δεύτερος αποτελεί την ισοτροπική διάχυτη ακτινοβολία όπου περιέχει το γινόμενο της επιφάνειας του ουρανού (μια ακαθόριστη επιφάνεια) και τον ορατό συντελεστή ακτινοβολίας από τον ουρανό στο παράθυρο F s-w. Ο τρίτος είναι η «περιήλια» διάχυτη συνιστώσα που θεωρείται ότι έχει την ίδια κατεύθυνση με την άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία. Ο τέταρτος όρος είναι η συνεισφορά της διάχυτης από τον ορίζοντα ακτινοβολίας από μια ακόμη ζώνη με ακαθόριστη επιφάνεια A hz. Ο πέμπτος όρος είναι το σύνολο των ανακλώμενων ακτινοβολιών από άλλες γειτονικές επιφάνειες (κτίρια κ.λ.π.). Το σύμβολο i αναφέρεται σε καθεμιά από τις ανακλώμενες: Ii είναι η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στην i- οστή επιφάνεια, ρ i ο συντελεστής ανάκλασης εκείνης της επιφάνειας και F i-w ο ορατός συντελεστής από την i-οστή επιφάνεια στην επιφάνεια παραθύρου. Επειδή είναι σχεδόν απίθανο να μπορεί να υπολογιστεί η ανακλώμενη ενέργεια από όλες τις γειτονικές επιφάνειες, θεωρούμε ότι υπάρχει μόνο μια επιφάνεια, οριζόντια,μεγάλη σε έκταση. Σε αυτήν την περίπτωση, I i γίνεται I και ρ i γίνεται ρ g, ένας σύνθετος συντελεστής ανάκλασης εδάφους. Η εξίσωση (1.15) μπορεί να ξαναγραφεί σε έναν πιο εύχρηστο τύπο ανταλλάσσοντας τα εμβαδά και τους ορατούς συντελεστές ακτινοβολίας 24

25 (εφόσον η αμοιβαία σχέση των ορατών συντελεστών απαιτεί A F A F ). Συνεπώς, λύνεται και το πρόβλημα των ακαθόριστων s sw w w s επιφανειών A s και A hz. Το εμβαδόν παραθύρου A w εμφανίζεται και στα δύο μέλη της εξίσωσης οπότε και απλοποιείται. Το αποτέλεσμα είναι μια εξίσωση που δίνει τη συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία με όρους οι οποίοι μπορούν να υπολογιστούν θεωρητικά ή εμπειρικά: I I R I F I R I F I F (1.16) T b b d, iso w s d, cs b d, hz w hz g w g Όταν υπολογιστεί η συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία, ο λόγος αυτής προς την προσπίπτουσα σε οριζόντιο επίπεδο μετράται από τον τύπο (1.17). I T R (1.17) I Το μοντέλο του Perez βασίζεται σε μια πιο λεπτομερής ανάλυση των τριών συνιστωσών της διάχυτης ακτινοβολίας. Η διάχυτα προσπίπτουσα ακτινοβολία [1] πάνω σε μια κεκλιμένη επιφάνεια δίνεται από τον τύπο: 1 cos a Id, T Id 1 F1 F1 F2 sin 2 b (1.18) όπου F 1 και F 2 είναι συντελεστές φωτεινότητας «περιήλιας» και διάχυτης από τον ορίζοντα ακτινοβολίας και a και b όροι που εξηγούν τις γωνίες πρόσπτωσης του κώνου της «περιήλιας» διάχυτης ακτινοβολίας (βλέπε Εικόνα 1.6) πάνω σε κεκλιμένη και σε οριζόντια επιφάνεια. Αυτή θεωρείται ότι προέρχεται από σημειακή πηγή στον ήλιο. Οι όροι a και b είναι a max,cos (1.19) b max cos85,cos z (1.2) Με τους παραπάνω ορισμούς, a b γίνεται R b για τις περισσότερες ώρες όπου οι συλλέκτες θα έχουν υψηλές αποδόσεις. 25

26 Οι συντελεστές φωτεινότητας F 1 και F 2 είναι συναρτήσεις τριών παραμέτρων οι οποίες περιγράφουν τις ουράνιες συνθήκες: τη ζενίθ γωνία θ z, τη καθαρότητα ε και τη φωτεινότητα Δ. H καθαρότητα ε είναι συνάρτηση της ωριαία διάχυτης ακτινοβολίας I d και της κάθετης πρόσπτωσης άμεσης ακτινοβολίας I n και δίνεται από την εξίσωση (1.21). I d In z Id z (1.21) όπου θ z είναι σε μοίρες και η άμεση ακτινοβολία που προσπίπτει κάθετα ισούται με: I n Ib (1.22) cos z Η φωτεινότητα Δ δίνεται από τον τύπο (1.23). I m I d (1.23) on όπου : m είναι η μάζα του αέρα και για ζενίθ γωνίες έως 7 προσεγγίζεται από τον εξής τύπο: 1 m (1.24) cos z I on αποτελεί την εξωγήινη ακτινοβολία που προσπίπτει κάθετα και δίνεται από την εξίσωση (1.25). 36 n Ion Gsc (1.33cos ) t (1.25) 365 με t 36 sec, εφόσον αναφερόμαστε σε διάστημα μίας ώρας, η ηλιακή σταθερά Gsc 1367 W/m 2 και n η μέρα του έτους που μελετάται. Οι συντελεστές φωτεινότητας F 1 και F 2 είναι συναρτήσεις κάποιων συντελεστών που έχουν βρεθεί στατιστικά για διαστήματα τιμών της καθαρότητας ε. οι συγκεκριμένοι συντελεστές παρουσιάζονται στον Πίνακα 1-1. Οι εξισώσεις για τον υπολογισμό των F 1 και F 2 είναι 26

27 F max, f f f 18 z (1.26) F f f f 18 z (1.27) Range of ε f 11 f 12 f 13 f 21 f 22 f Πίνακας 1-1 Συντελεστές φωτεινότητας για τον ανισοτροπικό ουρανό των Perez κ.α Η συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία πάνω στην επιφάνεια του παραθύρου [1] Με το μοντέλο του Perez η συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία είναι 1 cos 2 1 cos 2 IT Ib Rb Id 1 F1 Id F1 b Id F2 sin I g a (1.28) όπου I: συνολικά ωριαία ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια μετρούμενη από κάποιο πυρανόμετρο και αποθηκευμένο με τη βοήθεια του Labview σε αρχεία τύπου Excel. Ισχύει: I I I (1.29) b d I b : ωριαία άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία (beam) σε οριζόντια επιφάνεια. I d : ωριαία διάχυτη ακτινοβολία, προσπίπτουσα σε οριζόντια επιφάνεια. β: κλίση της επιφάνειας παραθύρου (στην περίπτωσή μας β=9 ). ρ g : συντελεστής ανάκλασης (λαμβάνεται ίσος με,4 [3]). 27

28 Ο ωριαίος δείκτης καθαρότητας k T ορίζεται ως k T I (1.3) I με I την εξωγήινη ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο σε διάστημα μιας ώρας, μεταξύ δύο ωριαίων γωνιών ω 1 και ω 2 (με ω 2 >ω 1 ): I n Gsc 1.33 cos cos cos sin2 sin1 sin sin 18 (1.31) Η σχέση του Erbs, I d /I, μας δίνει το ποσοστό της ωριαία προσπίπτουσας σε οριζόντιο επίπεδο ακτινοβολίας το οποίο είναι διάχυτο με k T, τον ωριαίο δείκτη καθαρότητας kt με kt.22 2 I d kt kt με.22 k T I kt kt.165 με kt.8 (1.32) Τέλος, για την εύρεση των γωνιών θ και θ z, για τον υπολογισμό της συνολικά προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε διάστημα μιας ώρας, θεωρούμε ότι αναφέρονται στην ωριαία γωνία των ημιώρων. 1.3 Η συνολικά απορροφούμενη ακτινοβολία από το δωμάτιο [1] Το άμεσο ενεργειακό κέρδος από τη παθητική ηλιακή θέρμανση εξαρτάται από την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας από το δωμάτιο, το οποίο είναι μια κοιλότητα με ένα άνοιγμα (παράθυρο) καλυμμένο με ένα τζάμι. Το ποσοστό της προσπίπτουσας στο τζάμι ηλιακής ενέργειας που τελικά απορροφάται από το δωμάτιο δίνεται από την εξίσωση (1.33). i r eff r A i 1i d A i (1.33) 28

29 Εδώ: τ r : ο συντελεστής μετάδοσης του υαλοπίνακα για την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. τ d : ο συντελεστής μετάδοσης του υαλοπίνακα για την ισοτροπικά διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία, η οποία προσπίπτει με μια ενεργό γωνία 6 περίπου. A α : επιφάνεια του παραθύρου (για την περίπτωσή μας A α =3.736 m 2 ). A i : συνολική επιφάνεια του εσωτερικού του δωματίου χωρίς να περιλαμβάνουμε την επιφάνεια των ανοιγμάτων (για την περίπτωσή μας A tot = m 2, δηλαδή A i A tot A ). α i : ο συντελεστής απορρόφησης της διάχυτης ακτινοβολίας από το εσωτερικό του δωματίου. Το υπό μελέτη δωμάτιο έχει διάφορες επιφάνειες, όπως τοίχους, πάτωμα, έπιπλα κ.α. και μια μέση τιμή α i =.45 μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Το παράθυρο του δωματίου είναι μονό με K L.125, όπου K μια αναλογική σταθερά, η οποία ορίζεται και ως συντελεστής εξασθένησης, και L το πάχος του γυαλιού Η απορροφούμενη από το δωμάτιο, διάχυτη και ανακλώμενη από το έδαφος, ακτινοβολία Και για τη διάχυτη και για την ανακλώμενη από το έδαφος ακτινοβολία οι συντελεστές μετάδοσης και απορρόφησης είναι όμοιοι και σταθεροί. Έτσι, και για τις δύο ακτινοβολίες η ενεργός γωνία πρόσπτωσης, μιας και το παράθυρο έχει κλίση 9,είναι περίπου 59 σύμφωνα με τον Brandemuehl και Beckman( [1]-Figure ). Με μια τέτοια γωνία πρόσπτωσης και για μονό γυαλί πάχους KL ο συντελεστής μετάδοσης είναι περίπου:.83 ( [1]-Figure 5.3.1). d g Η ενεργός τιμή του συντελεστή απορρόφησης βρίσκεται από τον παρακάτω τύπο: Δηλαδή,.954 d g eff eff i A i 1i d A i (1.34) 29

30 1.3.2 Η άμεσα απορροφούμενη από το δωμάτιο ακτινοβολία Για την εύρεση του συντελεστή μετάδοσης για την άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία πρέπει να λάβουμε υπόψη δύο παράγοντες: Μετάδοση της αρχικά μη πολωμένης ακτινοβολίας, τ r. 1 1 r 1 r r (1.35) 2 1 r 1 r Όπου r και r η κάθετη και παράλληλη συνιστώσα της μη πολωμένης ακτινοβολίας και δίνονται από τις εξισώσεις (1.37) και (1.38) αντίστοιχα. Γνωρίζοντας τη γωνία πρόσπτωσης θ στο γυαλί από το νόμο του Snell ισχύει: sin με n 1 =1 και n 2 = Οπότε: r n 1 2 sin (1.36) n2 sin sin tan (1.37) 2 2 (1.38) 2 tan 2 r Μετάδοση λαμβάνοντας υπόψη την απορρόφηση από το γυαλί, τ α. I transmitted K L exp Iincident cos2 (1.39) Τελικά, παίρνουμε ότι για την άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία ο συντελεστής μετάδοσης είναι (1.4) b r Ο συντελεστής απορρόφησης για την άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία είναι ίσος με το συντελεστή και των άλλων δύο ακτινοβολιών, δηλαδή ίσος με.954. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο του Perez η συνολικά απορροφούμενη ακτινοβολία είναι: 3

31 1 S I R I F T b eff b b d eff d 1 a b 1 cos 2 1 cos 2 Id F1 Id F2 sin g eff I g (1.41) 1.4 Σκίαση Μέχρι αυτό το σημείο δεν έχει ληφθεί καθόλου υπόψη η πιθανή σκίαση του παραθύρου από τα γύρω κτίρια, δέντρα, βουνά και οποιοδήποτε άλλο εμπόδιο που ενδέχεται να σκιάζει για κάποια χρονική στιγμή το παράθυρο και εμποδίζει την άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία (beam) να φτάσει στην εξωτερική επιφάνεια του παραθύρου. Στην Εικόνα 1.7 παρουσιάζεται ένα απλοποιημένο σχέδιο κάτοψης με όλα τα φυσικά εμπόδια που βρίσκονται γύρω από το παράθυρο και είναι πιθανό να δημιουργήσουν πρόβλημα. Για οποιαδήποτε ημέρα του χρόνου γίνεται διερεύνηση για το αν κάποιο από αυτά ρίχνει τον ίσκιο του στο παράθυρο και αν ναι, για πόσο χρονικό διάστημα. Εικόνα 1.7 Κάτοψη με όλα τα φυσικά εμπόδια γύρω από το παράθυρο Συνολικά τίθενται προς διερεύνηση δύο κτίρια (ανατολικό και δυτικό), μια συστάδα δέντρων και το άνω μπαλκόνι. Η λογική που ακολουθήθηκε είναι η ίδια. 31

32 ξ Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη Καταρχάς, όλα τα εμπόδια θεωρήθηκαν ορθογώνια παραλληλεπίπεδα για να είναι πιο εύκολη η εκτίμηση για τυχόν σκίαση, χωρίς το σφάλμα να είναι σημαντικό. Αυτή η παραδοχή αφορά τα δύο σπίτια και τη συστάδα των δέντρων στα ανατολικά. Η θεώρηση αυτή φαίνεται σχηματικά στις εικόνες (1.8) έως (1.1). Εικόνα 1.8 Ανατολική όψη Εικόνα 1.9 Νότια όψη Για κάθε μέρα μελέτης, ξεκινώντας από την ανατολή μέχρι και τη δύση του ήλιου, μελετούμε ανάλογα με τη πορεία του ήλιου και τη θέση του τη δεδομένη χρονική στιγμή αν υπάρχει σκίαση ή όχι. Δηλαδή, κάθε χρονική στιγμή ο ήλιος έχει μια ωριαία γωνία ω ς και, συνεπώς, υπολογίζεται εύκολα η αζιμούθια γωνία γ ς, καθώς και η ζενίθ γωνία θ z. Έπειτα, βρίσκουμε το εμπόδιο ή το σημείο ενός εμποδίου με την ίδια αζιμούθια γωνία Εικόνα 1.1 Δυτική όψη παραστατικά η διαδικασία που ακολουθείται. Ωστόσο, η τελική συνθήκη για τη μελέτη σκίασης διαφέρει. Δηλαδή: o o Αν πρόκειται για κάποιο κτίριο ή τη συστάδα δέντρων τότε, όπως και στην Εικόνα 1.11, για να μην παρουσιάζεται σκίαση θα πρέπει θ ε >θ z. Αν πρόκειται για την άνω βεράντα τότε για να μη σκιάζεται το παράθυρο θα πρέπει θ ε <θ z. (γ ς =γ ε ) και υπολογίζουμε την ζενίθ γωνία του, θ ε. Στην Εικόνα 1.11 φαίνεται πιο 32

33 Εικόνα 1.11 Υπολογισμός της σκίασης Για τις τρεις περιόδους που μελετήσαμε βρήκαμε τα εξής: Απριλίου: Σκίαση του παραθύρου μόνο από το άνω μπαλκόνι, δηλαδή παρουσιάζεται σκίαση καθ όλη τη διάρκεια της μέρας. 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου: Σκίαση του παραθύρου μόνο από το άνω μπαλκόνι, δηλαδή παρουσιάζεται σκίαση καθ όλη τη διάρκεια της μέρας Οκτωβρίου: : Σκίαση του παραθύρου μόνο από τη συστάδα των δέντρων, επομένως παρουσιάζεται σκίαση κάποια στιγμή το πρωί. 1.5 Υπολογισμός της συνολικά απορροφούμενης ακτινοβολίας από το δωμάτιο με το πρόγραμμα LabVIEW Με τη βοήθεια του λογισμικού LabVIEW (βλέπε Παράρτημα B) υπολογίσαμε και για τις τρεις περιόδους τις συνιστώσες της ηλιακής ακτινοβολίας, προσπίπτουσας και απορροφούμενης. Η ηλιακή ακτινοβολία πολλαπλασιάστηκε με το εμβαδόν του παραθύρου (Ε παραθύρου υ=3,736 m 2 ). Έτσι για την καθεμιά περίοδο είχαμε: Απριλίου: : Αρχικά, παρουσιάζουμε τη μετρούμενη σε οριζόντιο επίπεδο ακτινοβολία, που πήραμε από τον αισθητήρα ISET (βλέπε Διάγραμμα 1-1). Στη συνέχεια, παριστάνονται η προσπίπτουσα ακτινοβολία και η απορροφούμενη ακτινοβολία και για τις επτά ημέρες (βλέπε Διάγραμμα 1-2 και Διάγραμμα 1-3). 33

34 ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο(w/m 2 ) Ι μετρού 9 ύμενη(w/m 2 ) Απριλίου χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 1-1 Μετρούμενη ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο για την εβδομάδα Απριλίου ηλιακή ακτινοβολία(w) Ib(W) Id(W) Ig-r(W) Itot(W) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 1-2 Άμεση, διάχυτη,ανακλώμενη από το έδαφος και συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία για την εβδομάδα Απριλίου ηλιακή ακτινοβολία(w) Sb(W) Sd(W) Sg-r(W) Stot(W) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 1-3 Άμεση, διάχυτη,ανακλώμενη από το έδαφος και συνολικά απορροφούμενη ακτινοβολία για την εβδομάδα Απριλίου 34

35 Αξίζουν να σημειωθούν τα παρακάτω: 1. Η συνολικά προσπίπτουσα και η συνολικά απορροφούμενη ακτινοβολία «ακολουθούν» τη μετρούμενη ακτινοβολία. Αυτό φαίνεται καθαρά αν παρατηρηθούν οι μορφές των γραφικών τους παραστάσεων. 2. Λόγω της σκίασης, η άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία είναι μηδενική και, επομένως, η συνολική ακτινοβολία (προσπίπτουσα ή απορροφούμενη) εξαρτάται από τη διάχυτη και την ανακλώμενη από το έδαφος. 3. Την 16 η και την 21 η Απριλίου έχουμε πιο αίθριο καιρό σε σχέση με τις υπόλοιπες ημέρες της εβδομάδας, καθώς στο διάγραμμα της μετρούμενης ακτινοβολίας η μορφή της για εκείνες τις μέρες τείνει αυτή για αίθριο καιρό (βλέπε παράρτημα Α). 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου Ομοίως, παρουσιάζονται στα παρακάτω διαγράμματα η μετρούμενη ακτινοβολία (Διάγραμμαα 1-4), η προσπίπτουσα ακτινοβολία (Διάγραμμα 1-5) και η απορροφούμενη ακτινοβολία(διάγραμμα 1-6). ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο(w/m 2 ) Ι μετρ ρούμενη(w/m 2 ) 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 1-4 Μετρούμενη ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο για την εβδομάδα 31 Ιουλίου- 6 Αυγούστου 35

36 Ib(W) Id(W) Ig-r(W) Itot(W) ηλιακή ακτινοβολία(w) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 1-5 Άμεση, διάχυτη,ανακλώμενη από το έδαφος και συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία για την εβδομάδα 31 Ιουλίου- 6 Αυγούστου Sb(W) Sd(W) Sg-r(W) Stot(W) ηλιακή ακτινοβολία(w) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 1-6 Άμεση, διάχυτη,ανακλώμενη από το έδαφος και συνολικά απορροφούμενη ακτινοβολία για την εβδομάδα 31 Ιουλίου- 6 Αυγούστου Κάποιες παρατηρήσεις: 1. Όπως και προηγουμένως, η συνολικά προσπίπτουσα και η συνολικά απορροφούμενη ακτινοβολία «ακολουθούν» τη μετρούμενη ακτινοβολία. Αυτό φαίνεται καθαρά αν παρατηρηθούν οι μορφές των γραφικών τους παραστάσεων. 2. Ομοίως, λόγω της σκίασης του παραθύρου οι μόνες συνιστώσες της συνολικά ακτινοβολίας (προσπίπτουσας ή απορροφούμενης) είναι η διάχυτη και η ανακλώμενη από το έδαφος ακτινοβολία. 36

37 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη 3. Παρατηρούμε μια ομοιομορφία στις ακτινοβολίες κυρίως μεταξύ του διαστήματος Αυγούστου (καθ όλη τη διάρκεια της εβδομάδας επικρατεί πικρατεί καλοκαιρία). Οι γραφικές παραστάσεις ταιριάζουν με τη μορφή που ισχύει όταν έχουμε αίθριο καιρό με μηδενική νέφωση (βλέπε Παράρτημα Α) Οκτωβρίου κτωβρίου Τέλος, όσον αφορά τη τελευταία περίοδο (7-13 (7 13 Οκτωβρίου) καταλήξαμε στις εξής γραφικές παραστάσεις: ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο(w/m2) Iμετρούμενη(W/m2) 7-13 Οκτωβρίου χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 1-7 Μετρούμενη ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο για την εβδομάδα 7-13 Οκτωβρίου ηλιακή ακτινοβολία(w) Ib(W) Id(W) Ig-r(W) Itot(W) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 1-8 Άμεση, διάχυτη,ανακλώμενη από το έδαφος και συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία για την εβδομάδα 7-13 Οκτωβρίου 37

38 Sb(W) Sd(W) Sg-r(W) Stot(W) ηλιακή ακτινοβολία(w) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 1-9 Άμεση, διάχυτη,ανακλώμενη από το έδαφος και συνολικά απορροφούμενη ακτινοβολία για την εβδομάδα 7-13 Οκτωβρίου Από τα παραπάνω: 1. Κατανοούμε τη μεγάλη συμβολή της άμεσης ακτινοβολίας στη συνολική ακτινοβολία, εφόσον στη συγκεκριμένη βδομάδα παρατηρείται σκίαση μόνο για ορισμένα λεπτά της ώρας την ώρα της ανατολής. 2. Συνεπώς, η μορφή της καμπύλης της συνολικής ακτινοβολίας (προσπίπτουσας ή απορροφούμενης) είναι ίδια με αυτή της άμεσης ακτινοβολίας. 3. Η 8 η Οκτωβρίου χαρακτηρίζεται ως η πιο αίθρια μέρα της εβδομάδας, αφού τα ποσά της άμεσης ακτινοβολίας είναι υψηλά και η καμπύλη της μετρούμενης ακτινοβολίας είναι «πιο κοντά» σε αυτήν του παραρτήματος Α. 38

39 Λειτουργία περσίδων (shutting control) ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο 39

40 2 Λειτουργία περσίδων (shutting control) 2.1 Εισαγωγή Στο προηγούμενο κεφάλαιο υπολογίστηκαν αρχικά οι συνιστώσες της ηλιακής απορροφούμενης ακτινοβολίας. Στη συνέχεια λήφθηκε υπόψη και ο παράγοντας σκίασης στο μοντέλο μας και πόσο τελικά αυτός επηρεάζει την απορροφούμενη από το δωμάτιο ακτινοβολία. Στο παρόν κεφάλαιο εξετάζουμε τον έλεγχο των περσίδων στο παράθυρο. Η τοποθέτηση των περσίδων κρίνεται αναγκαία εφόσον η άμεση ακτινοβολία δεν είναι επιθυμητή και γιατί κατά τη διάρκεια του έτους ο ήλιος δεν έχει την ίδια πορεία, όποτε και το παράθυρο δε σκιάζεται με τον ίδιο τρόπο κάθε μέρα. 2.2 Η αξία της αποκοπής της άμεσης ακτινοβολίας Η σκίαση στοχεύει στη βελτίωση των συνθηκών διαβίωσης του ανθρώπου στο εσωτερικό του κτιρίου, δημιουργώντας θερμοκρασίες κατάλληλες για εργασία ή ξεκούραση, αλλά και στον έλεγχο του φυσικού φωτισμού, με τη σωστή διανομή του στον εσωτερικό χώρο, συμβάλλοντας στην οπτική άνεση [4]. Στις θερμές περιόδους του έτους, οι οποίες στον ελλαδικό χώρο είναι Εικόνα 2.1 Μόνιμα στοιχεία σκίασης για αποκοπή της άμεσης ακτινοβολίας μεγάλες σε διάρκεια, οι ακτίνες του ήλιου συχνά οδηγούν σε υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας. Η κατάσταση αυτή επιτυγχάνεται με την παρεμπόδιση των ηλιακών ακτίνων να φτάσουν στον εσωτερικό χώρο, κάτι που επιτυγχάνεται με μόνιμα, κινητά ή εποχιακά στοιχεία σκίασης (βλέπε Εικόνα 2.1). Στην πράξη βλέπουμε να χρησιμοποιούνται πρόβολοι, τέντες, περσίδες και ρολά. Ο βαθμός σκίασης εξαρτάται από τη θέση του ήλιου, αλλά και τον προσανατολισμό και τη γεωμετρία του κτιρίου. Στόχος είναι η σκίαση του κτιρίου τις περισσότερες δυνατές ώρες της ημέρας σε συνδυασμό με τον φυσικό φωτισμό. Ο ήλιος κινείται από την ανατολή ως τη δύση, σχηματίζοντας καμπύλη με μέγιστο ύψος στο βορρά, για το βόρειο ημισφαίριο της γης. Η νότια 4

41 πλευρά προστατεύεται καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου, διότι το καλοκαίρι ο ήλιος είναι ψηλά, ενώ το χειμώνα αρκετά χαμηλά. Η σκίαση των ανατολικών και δυτικών ανοιγμάτων είναι πιο προβληματική, αφού εκεί φτάνει μεγαλύτερο ποσό ηλιακής ακτινοβολίας λόγω του χαμηλού ύψους του ήλιου. Τα συστήματα σκίασης μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με την τοποθέτησή σους σε σχέση με την εξωτερική επιφάνεια του κτιρίου: Εξωτερικά, Περιεχόμενα στους υαλοπίνακες και Εσωτερικά [4]. Πρέπει να τονιστεί ότι η εξωτερική τοποθέτηση περσίδων κρίνεται πιο αποτελεσματική, αφού τόσο η ανακλώμενη, όσο και η απορροφούμενη θερμότητα παραμένουν στο εξωτερικό (το ηλιακό φώς ανακλάται πριν φτάσει στα τζάμια). Τα ποσοστά αυτά όμως εξαρτώνται από το υλικό, το χρωματισμό και τη γωνία πρόσπτωσης. Η επιφάνεια αλουμινίου έχει [4]: o Χαμηλό συντελεστή ανάκλασης (σε σχέση με το χάλυβα), που σημαίνει ότι η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία ανακλάται διάχυτα. o Χαμηλή δευτερογενή θερμική εκπομπή, που βοηθά στη μείωση της θέρμανσης από ακτινοβολία, άρα αποφυγή υπερθέρμανσης. o Είναι μη τοξικό, δε μαγνητίζεται, ανθεκτικό στην υπεριώδη ακτινοβολία, ανακυκλώσιμο υλικό. Η σκίαση του παραθύρου και άρα η αποκοπή της άμεσης ακτινοβολίας είναι ιδιαιτέρως χρήσιμη για χώρους εργασίας, καθώς η άμεση ακτινοβολία είναι ενοχλητική για τα μάτια. Στην Εικόνα 2.2, παρατηρείται η διαφορά αν στο χώρο εισέρχεται η άμεση ακτινοβολία ή αν τελικά έχουμε μόνο διάχυτη ακτινοβολία. 41

42 Εικόνα 2.2 Εργασιακός χώρος όταν έχουμε άμεση ακτινοβολία (αριστερά) και όταν αυτή εμποδίζεται με κάποιο τρόπο να εισέλθει στο χώρο αυτό (δεξιά). Έτσι τελικά, ανάλογα με τη γωνία του ήλιου και αν το κτίριο δε σκιάζεται με κάποιο άλλο τρόπο ρυθμίζουμε αυτόματα την κλίση των περσίδων. 2.3 Βέλτιστη κλίση περσίδας Για τη λειτουργία περσίδων, στην περίπτωση μας, ισχύουν τα εξής: θα πρέπει να Εικόνα 2.3 Λειτουργία περσίδας όταν υπάρχει άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία-πολύ σημαντική η κλίση των περσίδων 1. Να υπάρχει άμεση ακτινοβολία. 2. Το παράθυρο να μη σκιάζεται από φυσικά εμπόδια (κτίρια βεράντα, δέντρα). Δηλαδή, για τις αντίστοιχες αζιμούθιες γωνίες να ισχύουν οι αντίστοιχες συνθήκες που αναφέρθηκαν στο κεφάλαιο 1.4. Το ότι οι περσίδες θα ανοίξουν ή θα κλείσουν δεν είναι αρκετό, αλλά εξίσου σημαντικό ρολό παίζει και η γωνία αυτών. Για καθαρά ενεργειακούς λόγους η περσίδα πρέπει να κλείσει τόσο όσο χρειάζεται για να εμποδίζει την άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία (beam radiation) να περάσει στο δωμάτιο και, παράλληλα, να περνάει όσο πιο πολύ φως γίνεται στο δωμάτιο (βλέπε Εικόνα 2.3). 42

43 Στην Εικόνα 2.4 παρουσιάζεται η διαδικασία που ακολουθείται για την εύρεση της βέλτιστης κλίσης των περσίδων [5]. Ο ήλιος για δεδομένη χρονική στιγμή παρουσιάζει κλίση από το οριζόντιο επίπεδο h = 9- θ z. Επίσης, d είναι η απόσταση δύο περσίδων και b L καθεμιάς (με b L > d). το πλάτος Η απόσταση Εικόνα 2.4 Εύρεση βέλτιστης κλίσης των περσίδων, α, για την αποκοπή της άμεσα προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Δd υπολογίζεται εύκολα: ενώ ισχύει επίσης: και α min Από το ορθογώνιο τρίγωνο έχουμε ότι: αν ο ήλιος βρίσκεται σε κλίση h η ελάχιστη αποκόπτεται η άμεση ακτινοβολία και παρέχεται ο μέγιστος δυνατός φυσικός φωτισμός, αντλούμε την εξίσωση (2.3). d d bl sin( min) tan( h) 2 x b cos( ) Όμως, με τη βοήθεια της τριγωνομετρίας μπορούμε να γράψουμε τα εξής: tan( h) d d b sin( ) 2 x b cos( ) L L γωνία των περσίδων, με την οποία μόλις που sin( h) cos( h) L min (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) sin( h min ) sin( h) cos( min ) cos( h) sin( min ) Επομένως, η εξίσωση (2.3) γράφεται τελικά: d cos( h) sin( h min ) b Και η ελάχιστη κλίση των περσίδων είναι ίση με: L (2.5) (2.6) 43

44 Min 1 d cos( h) sin h bl (2.7) 2.4 Αποτελέσματα Με τη βοήθεια κατάλληλου μοτέρ δημιουργούμε τις σκάλες τοποθέτησης των περσίδων στη βέλτιστη κλίση που έχει υπολογιστεί, έτσι ώστε να κόβεται τελικά η άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία (beam radiation). Για την υλοποίηση του προγράμματος σε λογισμικό LabVIEW (βλέπε Παράρτημα Β) θεωρήσαμε τα εξής: Το πλάτος της κάθε περσίδας είναι 1 εκατοστά. Η απόσταση μεταξύ των περσίδων είναι 9 εκατοστά. Οι περσίδες μπορούν να τοποθετηθούν σε 1 διαφορετικές σκάλες. Η ανάλογη τάση που χρειάζεται για τη συγκεκριμένη κλίση κυμαίνεται μεταξύ -5 έως 5 Volts. Πριν τη παρουσίαση των αποτελεσμάτων, αξίζει να σημειωθεί ότι για τις πρώτες δύο περιόδους κατά τη διάρκεια των οποίων υπολογίστηκε ότι το παράθυρο σκιάζεται για όλες τις ώρες ηλιοφάνειας οι περσίδες δεν είναι χρήσιμες και απλά μένουν σε σταθερή οριζόντια θέση. Έτσι, πετυχαίνουμε μέγιστη φωτεινότητα για εκείνες τις μέρες. Με το πρόγραμμα που αναπτύξαμε μέσω LabVIEW (βλέπε Παράρτημα Β) θέσαμε τις περσίδες να τοποθετούνται σε οριζόντια θέση για μηδενική τάση Απριλίου και 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου: Στα δύο επόμενα διαγράμματα παρουσιάζονται η μηδενική κλίση των περσίδων και η μηδενική τάση για όλη τη διάρκεια των δύο εβδομάδων. 44

45 ψ(μοίρες)-κλίση περσίδας 9 7 μοίρες χρόνος εβδομάδας(h) τάση μοτέρ(v) τάση(volts) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 2-1 Κλίση των περσίδων κατά τη διάρκεια των εβδομάδων Απριλίου και 31 Ιουλίου- 6 Αυγούστου Διάγραμμα 2-2 Τάση που απαιτείται για τη λειτουργία των περσίδων κατά τη διάρκεια των εβδομάδων Απριλίου και 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου 7-13 Οκτωβρίου Όσον αφορά την τρίτη περίοδο μελέτης (7-13 Οκτωβρίου) βρέθηκε ότι κατά τη διάρκεια της μέρας το παράθυρο σκιάζεται μόνο λόγω της συστάδας των δέντρων στα ανατολικά. Συνεπώς, κρίνεται απαραίτητη η χρήση των περσίδων. Με μηδενική την άμεση ακτινοβολία (προσπίπτουσα και απορροφούμενη), στο Διάγραμμα 2-3 παριστάνονται οι συνιστώσες της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς και της συνολικά προσπίπτουσας ακτινοβολίας ενώ στο Διάγραμμα 2-4 παριστάνεται η συνολικά απορροφούμενη ακτινοβολία. 45

46 Ib(W) Id(W) Ig-r(W) Itot(W) ηλιακή ακτινοβολία(w) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 2-3 Άμεση, διάχυτη,ανακλώμενη από το έδαφος και συνολικά προσπίπτουσα ακτινοβολία για την εβδομάδα 7-13 Οκτωβρίου μετά τη χρήση περσίδων Sb(W) Sd(W) Sg-r(W) Stot(W) ηλιακή ακτινοβολία(w) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 2-4 Άμεση, διάχυτη,ανακλώμενη από το έδαφος και συνολικά απορροφούμενη ακτινοβολία για την εβδομάδα 7-13 Οκτωβρίου μετά τη χρήση περσίδων Στη συνέχεια γίνεται σύγκριση στις ακτινοβολίες για αυτή τη βδομάδα με και χωρίς τη χρήση περσίδων. Παρατηρούμε από το παρακάτω διάγραμμα ότι η συμβολή της άμεσης ακτινοβολίας είναι καθοριστική τη δεύτερη μέρα (8 η Οκτωβρίου, ενώ ακολουθεί η τέταρτη μέρα (1 η Οκτωβρίου). Ελάχιστα συμβάλλει την πρώτη μέρα (7 η Οκτωβρίου) και την έκτη μέρα (12 η Οκτωβρίου) μιας και οι γραφικές παραστάσεις σχεδόν συμπίπτουν. 46

47 Stot-χωρίς περσίδες(w) Stot-με περσίδες(w) απορροφούμενη ακτινοβολία(w) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 2-5 Συνολικά απορροφούμενη ακτινοβολία για την περίοδο 7-13 Οκτωβρίου, με και χωρίς τη χρήση περσίδων Ο Πίνακας 2-1 αποκαλύπτει το ενεργειακό κέρδος που έχουμε από την ηλιακή ακτινοβολία κάθε μέρα ξεχωριστά, με και χωρίς τη χρήση περσίδων. Ταυτόχρονα, υπολογίζονται οι ενεργειακές απώλειες τις οποίες έχουμε με την τοποθέτηση και λειτουργία των περσίδων. Όπως προαναφέρθηκε τη δεύτερη μέρα η αποκοπή της άμεσης ακτινοβολίας επιφέρει και σημαντική ενεργειακή απώλεια της τάξης των 1 Wh. Η τελική ενεργειακή διαφορά είναι ίση περίπου με 1535 Wh. Στο Διάγραμμα 2-6 παριστάνεται η ενέργεια η οποία λαμβάνεται κάθε στιγμή αθροιστικά με αυτή που έχει ληφθεί έως εκείνη τη στιγμή. Παρατηρούμε ότι για την πρώτη μέρα οι ενέργειες οι οποίες λαμβάνονται με και χωρίς περσίδες έχουν ελάχιστη διαφορά. 47

48 χωρίς περσίδες με περσίδες ΗΜΕΡΑ Stot-χωρίς περσίδες(wh) Stot-με περσίδες(wh) Ενεργειακή διαφορά (Wh) 7-Οκτ 8-Οκτ 9-Οκτ 1-Οκτ 11-Οκτ 12-Οκτ 13-Οκτ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 3435,46 357, , ,27 462, , , , , , ,2 2539,42 389, , , , 377,7 9835,2 869, ,82 623,85 336,61 144, ,86 Πίνακας 2-1 Σύγκριση ενεργειών που λαμβάνονται από τον ήλιο ως απορρόφηση από το δωμάτιο, με και χωρίς τη χρήση περσίδων, την περίοδο 7-13 Οκτωβρίου Stot-χωρίς περσίδες(wh) Stot-με περσίδες(wh) απορροφούμενη ακτινοβολία(wh) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 2-6 Συνολική ενέργεια την οποία λαμβάνει το δωμάτιο από την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας,με και χωρίς τη χρήση των περσίδων, για την περίοδο 7-13 Οκτωβρίου Στο Διάγραμμα 2-7 εμφανίζεται η κλίση των περσίδων κάθε χρονική στιγμή, καθώς και η γωνία πρόσπτωσης της άμεσης ακτινοβολίας. Παρατηρείται ότι, κατά τη διάρκεια της ημέρας, η κλίση των περσίδων ξεκινάει από μια μέγιστη αρνητική κλίση φτάνει σε μια ελάχιστη αρνητική και επιστρέφει ξανά σε μέγιστη αρνητική κλίση. Η κίνηση των περσίδων γίνεται 48

49 αντιστρόφως από την κίνηση του ήλιου. Η κλίση των περσίδων μηδενίζεται κάποια στιγμή το πρωί που το παράθυρο σκιάζεται από τα δέντρα. Τέλος, στο Διάγραμμα 2-8 παριστάνεται γραφικά η τάση που απαιτείται για τη λειτουργία των περσίδων κατά τη διάρκεια της εβδομάδας 7-13 Οκτωβρίου, η οποία είναι ανάλογη της βέλτιστης κλίσης των περσίδων που απαιτείται κάθε χρονική στιγμή. θ(μοίρες)-γωνία πρόσπτωσης ψ(μοίρες)-κλίση περσίδας μοίρες χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 2-7 Κλίση των περσίδων και γωνία πρόσπτωσης της άμεσης ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της εβδομάδας 7-13 Οκτωβρίου τάση μοτέρ(v) τάση(volts) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 2-8 Τάση που απαιτείται για τη λειτουργία των περσίδων κατά τη διάρκεια της εβδομάδας 7-13 Οκτωβρίου 49

50 5

51 Μεταφορά θερμότητας μέσα από τα τοιχώματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο 51

52 3 Μεταφορα θερμότητας μέσα από τα τοιχώματα 3.1 Εισαγωγή Η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί από τις αλληλεπιδράσεις ενός συστήματος με το εξωτερικό του περιβάλλον. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις αναφέρονται επιστημονικά ως έργο W και θερμότητα Q. Στο παρόν κεφάλαιο θα αναλυθούν οι τρόποι μεταφοράς θερμότητας και με βάση αυτούς θα υπολογιστούν οι θερμικές αντιστάσεις των υλικών που ορίζουν τα όρια του συστήματος μας. 3.2 Ορισμός του συστήματος Εφόσον θέλουμε να αναλύσουμε τη θερμοδυναμική συμπεριφορά του δωματίου μας, λαμβάνουμε σαν όρια του συστήματος μας τα τοιχώματα του δωματίου μας. Στην Εικόνα 3.1 παρατηρούμε τα στοιχεία που αποτελούν τα όρια του συστήματός μας: Εξωτερικός τοίχος Παράθυρο Ξύλινη πόρτα 3 εσωτερικοί τοίχοι Πάτωμα-ταβάνι Εικόνα 3.1 Τοιχώματα δωματίου 52

53 3.3 Η μεταφορά θερμότητας και οι μηχανισμοί της Το σύμβολο Q υποδηλώνει την ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται από τη μια πλευρά των συνόρων ενός συστήματος στην άλλη λόγω της θερμικής αλληλεπίδρασης του συστήματος με το εξωτερικό περιβάλλον [6]. Η σύμβαση προσήμου που ακολουθείται είναι η εξής: Q>: μεταφορά θερμότητας στο σύστημα από το εξωτερικό περιβάλλον Q<: μεταφορά περιβάλλον θερμότητας από το σύστημα προς το εξωτερικό Η σύμβαση προσήμου όσον αφορά το έργο είναι η ακριβώς αντίθετη. Υπάρχουν τρεις μηχανισμοί μεταφοράς θερμότητας [7]: με αγωγή (conduction) με θερμική μεταβίβαση ή συναγωγή (convection) με ακτινοβολία (radiation) Μεταφορά θερμότητας με αγωγή (conduction) Η θερμότητα μεταδίδεται δια μέσου της μάζας των σωμάτων (υγρών στερεών ή αερίων). Η δυσκολία της μεταφοράς θερμότητας διαμέσου των σωμάτων, εξαρτάται από την αγωγιμότητα του σώματος (για παράδειγμα καλός αγωγός θερμότητας είναι τα μέταλλα). Η μεταφορά με αγωγή έχει σαν συνέπεια, απώλειες θερμότητας από ένα κτίριο. Οι απώλειες αυτές μπορούν να μειωθούν με τη χρήση μονωτικών υλικών [7]. Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας με αγωγή έχει ποσοτικοποιηθεί μακροσκοπικά από το νόμο του Fourier. Εικόνα 3.2 (conduction) Μεταφορά θερμότητας με αγωγή Από την Εικόνα 3.2 θεωρούμε ότι έχουμε ένα επίπεδο τοίχο επιφάνειας Α και πάχους L, 53

54 όπου η θερμοκρασία T( (x) μεταβάλλεται γραμμικά με τη θέση x (βλέπε Εικόνα 3.3). Από το νόμο του Fourier, ο ρυθμός θερμότητας μέσα από υλικό με επίπεδη επιφάνεια, κάθετη στην x διεύθυνση, είναι Q x που μεταφέρεται ανάλογος της επιφάνειας A και της κλίσης της θερμοκρασίας στη x διεύθυνση, dt/dx. Q x dt k A dx (3.1) Εικόνα 3.3 Σχέση μεταξύ της ροής θερμότητας και της διαφοράς θερμοκρασίας για μία διάσταση x Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας k (W/m K) των υλικών είναι δείκτης της ικανότητας μεταφοράς θερμότητας των υλικών διαμέσου της μάζας τους. Το αρνητικό πρόσημο είναι αποτέλεσμα της μεταφοράς ενέργειας στη διεύθυνση της φθίνουσας θερμοκρασίας [6]. Επομένως, στην περίπτωσή μας όπου αναφερόμαστε για ένα τοίχο συνολικού πάχους L και με γραμμική μεταβολή της θερμοκρασίας ισχύει ότι: dt dx T T L 2 1 (3.2) Και άρα τελικά: Q x T k A T L 2 1 (3.3) Μεταφορά θερμότητας με θερμική μεταβίβαση-συναγωγή (convection) [6] Η μεταφορά θερμότητας μεταξύ ενός στερεού το οποίο ο βρίσκεται σε θερμοκρασία T b και ενός ρευστού θερμοκρασίας T f (T b T f ) είναι γνωστή ως μεταφορά θερμότητας με θερμική μεταβίβαση ή αλλιώς συναγωγή. Παίζει σημαντικό ρόλο στην απόδοση πολλών συσκευών πρακτικού ενδιαφέροντος. Έστω ότι θεωρούμε T b >T f (βλέπε Εικόνα 3.4) τότε ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας από την επιφάνεια του στερεού προς τον αέρα είναι 54

55 ίσο με την παρακάτω εξίσωση, που είναι γνωστή και ως ο νόμος ψύξης του Νεύτωνα. Q h A ( T T ) (3.4) c b f με Α την επιφάνεια του στερεού που έρχεται σε επαφή με το ρευστό και h το συντελεστή θερμικής μεταβίβασης. Εικόνα 3.4 Μεταφορά θερμότητας με θερμική μεταβίβαση (συναγωγή) Μεταφορά με θερμική μεταβίβαση (συναγωγή) παρατηρείται και κατά την διάχυση των ρευστών. Η θερμότητα σε ένα ρευστό μεταφέρεται και μέσω της μάζας του με την κίνηση του. Αν η κίνηση γίνεται σε φυσικό μέσο όπου υπάρχουν θερμοκρασιακές διαφορές (ο κρύος αέρας κινείται προς τα κάτω ενώ ο ζεστός αέρας κινείται προς τα πάνω) την κίνηση αυτή την ονομάζουμε φυσική διάχυση ενώ αν η κίνηση γίνεται βεβιασμένα (ανεμιστήρες, ανεμοπίεση) την ονομάζουμε βίαιη διάχυση. Η μεταφορά θερμότητας με θερμική μεταβίβαση είναι μακροσκοπικό φαινόμενο. Η διαφορά πυκνοτήτων διαφόρων ρευστών προκαλεί φυσική διάχυση. Αντίστοιχα η μηχανική ανάμειξη προκαλεί βεβιασμένη διάχυση Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία (radiation) [6] Η θερμική ακτινοβολία εκπέμπεται από σώμα σαν αποτέλεσμα των αλλαγών στη διάταξη των ατόμων και μορίων του. Η ενέργεια μεταφέρεται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (ή αλλιώς φωτόνια). Όλα τα σώματα, στερεά, υγρά και αέρια, εκπέμπουν, απορροφούν ή μεταδίδουν θερμική ακτινοβολία σε μεταβλητά επίπεδα. Ο ρυθμός Q c με τον οποίο εκπέμπεται η ενέργεια από μία επιφάνεια με εμβαδόν Α έχει ποσοτικοποιηθεί μακροσκοπικά με ένα τροποποιημένο τύπο από το νόμο του Stefan- Boltzmann: Q A T (3.5) c 4 b όπου T b η απόλυτη θερμοκρασία τις επιφάνειας, ε ο συντελεστής εκπομπής του υλικού ο οποίος δηλώνει πόσο αποτελεσματικά η επιφάνεια εκπέμπει ( ε 1) και σ η σταθερά Stefan-Boltzman. 55

56 3.4 Μονοδιάστατη μεταφορά θερμότητας με αγωγή στη μόνιμη κατάσταση Όταν αναφερόμαστε σε μία διάσταση τότε οι μεταβολές στη θερμοκρασία και η μεταφορά θερμότητας συμβαίνουν μόνο κατά μήκος αυτής της μοναδικής διεύθυνσης. Επίσης, αναλύουμε τη μόνιμη κατάσταση, στην οποία η θερμοκρασία κάθε στιγμή είναι ανεξάρτητη από το χρόνο Θερμοκρασιακή κατανομή στον τοίχο [8] Η θερμοκρασιακή κατανομή σε ένα τοίχο μπορεί να προσδιοριστεί λύνοντας την εξίσωση θερμότητας με τις κατάλληλες συνοριακές συνθήκες. Για τη μόνιμη κατάσταση και χωρίς να υπάρχει κάποια παραγωγή ενέργειας, η εξίσωση θερμότητας απλοποιείται σε d dt k dx dx (3.6) Αν ορίσουμε σα ροή θερμότητας το ρυθμό θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας, δηλαδή: dt qx k dx (3.7) Επομένως, από την εξίσωση (3.6) συνεπάγεται ότι η ροή θερμότητας είναι σταθερή και ανεξάρτητη της μεταβλητής x. Αν θεωρήσουμε τη θερμική αγωγιμότητα του υλικού του τοίχου σταθερή, με διπλή ολοκλήρωση καταλήγουμε στη γενική λύση: T( x) C x C 1 2 (3.8) Σαν συνοριακές συνθήκες επιλέγουμε τις τιμές απόλυτης θερμοκρασίας στα σημεία x= και x=l, δηλαδή Τ()=T 1 και T(L)=T 2 και καταλήγουμε ότι η θερμική κατανομή μέσα στον επίπεδο τοίχο είναι x T ( x) T2 T1 T1 (3.9) L Χρησιμοποιώντας το νόμο του Fourier υπολογίζουμε τη μεταφορά θερμότητας η οποία είχε αναφερθεί προηγουμένως στην εξίσωση (3.3). 56

57 3.4.2 Θερμική αντίσταση Από την εξίσωση (3.3), που ισχύει για μονοδιάστατη μεταφορά θερμότητας με αγωγή στη μόνιμη κατάσταση, υπάρχει μια αναλογία μεταξύ της διάχυσης θερμότητας και οποιασδήποτε ηλεκτρικής φόρτισης. Όπως μία ηλεκτρική αντίσταση είναι συναφής με την ηλεκτρική αγωγιμότητα, όμοια η θερμική αντίσταση συνδέεται με τη θερμική αγωγιμότητα. Ακολουθώντας το νόμο του Ohm που ισχύει στα ηλεκτρικά κυκλώματα, R V I L A (3.1) η θερμική αντίσταση για μεταφορά θερμότητας με αγωγή (thermal resistance for conduction) R th,cond ορίζεται ως ο λόγος της διαφοράς θερμοκρασιών (που προκαλεί μεταφορά θερμότητας) προς το ρυθμό μεταφοράς [8]. Δηλαδή: R th, cond T T L k A 1 2 Q x (3.11) Θερμική αντίσταση μπορεί να συσχετιστεί και με τη μεταφορά θερμότητας με θερμική μεταβίβαση (convection) [9]. Από την εξίσωση (3.4) και τον ορισμό της θερμικής αντίστασης υπολογίζουμε: R th. conv ( Tb Tf ) 1 Q h A c (3.12) Για τον τοίχο της εικόνας 3.5, το ισοδύναμο θερμικό κύκλωμα θα είναι κάτι ανάλογο με το ηλεκτρικό κύκλωμα τριών αντιστάσεων σε σειρά [8]. Αυτό εξηγείται ως εξής: Εικόνα 3.5 Μεταφορά θερμότητας μέσα από επίπεδο τοίχο- θερμοκρασιακή κατανομή Η μεταφορά θερμότητας μπορεί να υπολογιστεί ξεχωριστά για καθένα από τα τρία μέρη του συστήματος. 57

58 Έτσι ισχύει: Q x T,1 T T1 T T T 2 1 L 1 h A k A h A 1 1,2 2 2 (3.13) Σε αντιστοιχία προς τη συνολική διαφορά θερμοκρασιών,t,1 -T,2, η συνολική θερμική αντίσταση R tot είναι ίση με: Q x T,1 T R tott,2 1 L 1 Rtot h A k A h A 1 2 (3.14) Σύνθετος τοίχος Ένας τοίχος αποτελείται από περισσότερα από ένα υλικά. Επομένως, ανάλογα τη διάταξη των υλικών μπορούμε, όπως και προηγουμένως, να σχηματίσουμε το ισοδύναμο θερμικό κύκλωμα για τον απλούστερο υπολογισμό της συνολική θερμικής αντίστασης. Q x T T,1,3 R t (3.15) Εικόνα 3.6 Τομή ενός σύνθετου τοίχου, τριών υλικών Η συνολική θερμική αντίσταση αποτελείται και από εν σειρά και από παράλληλες αντιστάσεις. Στην Εικόνα 3.6 παριστάνεται ένα απλό παράδειγμα σύνθετου τοίχου με 3 διαφορετικά υλικά, με διαφορετικά πάχη Συμπεραίνουμε ότι η συνολική αντίσταση είναι ίση με: θερμικές και εμβαδά. R tot 1 L 1 L 1 L 2 1 Rt / / h1 A3 k1 A1 k2 A2 k3 A3 h2 A A 3 (3.16) Τέλος, στα πιο σύνθετα συστήματα είναι σύνηθες να δουλεύουμε χρησιμοποιώντας ένα συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας U [8], ανάλογο της σχέσης του νόμου της ψύξης του Newton. Αν ΔΤ η συνολική διαφορά θερμοκρασιών τότε έχουμε: Q U A T x (3.17) 58

59 Στο παράδειγμά μας, Α 3 η συνολική επιφάνεια του τοίχου τότε: U 1 R A tot 3 (3.18) 3.5 Γενικές παραδοχές του θερμοδυναμικού μας μοντέλου Ένα θερμοδυναμικό μοντέλο του δωματίου αναπτύχθηκε με τη βοήθεια του λογισμικού LabVIEW της National Instrument (βλέπε Παράρτημα Β). Για την απλοποίηση του προβλήματος έγιναν ορισμένες παραδοχές οι οποίες και αναλύονται: Μονοδιάστατη μεταφορά θερμότητας με αγωγή στον άξονα των x. Οι εξωτερικές και εσωτερικές θερμοκρασίες θεωρούνται ομογενείς σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή t. Θεωρείται ότι δε υπάρχει μεταφορά θερμότητας από θερμική ακτινοβολία Η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του σοβά της εξωτερικής επιφάνειας του τοίχου και του περιβάλλοντος είναι μεταξύ μιας μικρής επιφάνειας και ενός πολύ μεγαλύτερου περιβλήματος. Οι συντελεστές θερμικής μεταβίβασης h που χρησιμοποιούνται θεωρούνται σταθεροί: για την ατμόσφαιρα h out =22,7 W/m 2 K [1]. Για τους εσωτερικούς χώρους h in =8,29 W/m 2 K [1]. Ο αέρας του δωματίου θεωρείται ομογενής, οπότε η πυκνότητα του είναι σταθερή σε οποιοδήποτε σημείο (ρ αέρα = Kg/m 3 ). Η ειδική θερμότητα του αέρα για ισόχωρη μεταβολή θεωρείται σταθερή σε κάθε θερμοκρασία, μιας και οι θερμοκρασίες κυμαίνονται κοντά στους 25 C (C v =718 J/Kg K). Μελετούμε το μοντέλο μας στη μόνιμη κατάσταση. Δε θεωρούμε ότι έχουμε αποθήκευση ενέργειας στους τοίχους. Οπότε ότι ενέργεια μεταφέρεται, δεν αποθηκεύεται, αλλά μεταβιβάζεται άμεσα. Η μόνη ενεργειακή αλληλεπίδραση με το εξωτερικό περιβάλλον είναι με τη μορφή θερμότητας και όχι με τη μορφή έργου (W=). Το σύστημά μας θεωρείται κλειστό, οπότε δεν έχουμε μεταβολή στη μάζα. 59

60 Ο αερισμός του δωματίου θεωρείται αμελητέος. Αρχική συνθήκη θερμοκρασίας θεωρείται και η επιθυμητή (25 C). Κατά την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας πάνω στον εξωτερικό τοίχο δεν έχουμε ανάκλαση ακτινοβολίας. 3.6 Αποτελέσματα του υπό μελέτη δωματίου Οι υπολογισμοί έγιναν με τη βοήθεια του excel και του λογισμικού LabVIEW. Η λογική ήταν η εξής: Για τους εσωτερικούς τοίχους και των 3 πλευρών πήραμε ως συνολική επιφάνεια το άθροισμα των εμβαδών και των τριών τοίχων Το πάτωμα και το ταβάνι αποτελούνται από τα ίδια υλικά οπότε και αυτά τα θεωρήσαμε σαν μια επιφάνεια με διπλάσιο εμβαδόν από το αρχικό Πάτωμα-ταβάνι Θεωρώντας σαν μια ενιαία επιφάνεια το πάτωμα και το ταβάνι του δωματίου υπολογίσαμε αρχικά το συνολικό εμβαδόν, το οποίο βρέθηκε m 2. Με τη βοήθεια πολιτικού μηχανικού βρέθηκαν ότι τα υλικά από τα οποία κατασκευάστηκαν (βλέπε Εικόνα 3.7)είναι: Σανίδες (ξύλινο πάτωμα) πάχους 2,2 εκατοστών. Ξύλινα δοκάρια, για τη στήριξη του πατώματος, τοποθετημένα ανά 4 εκατοστά μακριά το ένα από το άλλο και με πάχος και πλάτος 5 εκατοστών. Ανάμεσα στα δοκάρια υπάρχει αέρας. Μπετόν-πλάκα, με πάχος 2 εκατοστά. Σοβάς, με πάχος 2 εκατοστά περίπου. Η σειρά με την οποία κατασκευάστηκαν φαίνεται στην Εικόνα 3.7.Οι θερμικές αγωγιμότητες k υπάρχουν αναλυτικά στο παράρτημα C. Η συνολική αντίσταση βρέθηκε ίση με R th,ταβ-πατ =.7653 K/W. 6

61 Εικόνα 3.7 Τομή πατώματος- ταβανιού Εξωτερικός τοίχος παράθυρο Υπολογίσαμε τα δύο εμβαδά: Ε παραθ =3.736 m 2 Ε εξ.τοιχ =7.259 m 2. Όσον αφορά το παράθυρο θεωρήσαμε μονό τζάμι με πάχος 3 εκατοστών. Εξωτερικός τοίχος: Με τις οδηγίες πολιτικού μηχανικού βρέθηκαν ότι (βλέπε Εικόνα 3.8) έχουμε σοβά- τούβλο-αέρα-τούβλο-σοβά: Εικόνα 3.8 Τομή εξωτερικού τοίχου Τούβλα κοινά, πάχους 9 εκατοστών. Ανάμεσα στα τούβλα το κενό είναι κι αυτό 9 εκατοστών. Σοβάς, με πάχος 2 εκατοστά περίπου. Οι θερμικές αγωγιμότητες k των υλικών υπάρχουν αναλυτικά στο παράρτημα C. Η συνολική αντίσταση βρέθηκε ίση με R th,εξ.τοιχ-παραθ =.1697 K/W. 61

62 Εικόνα 3.9 Σχηματική αναπαράσταση εξωτερικού τμήματος του δωματίου (εξωτερικός τοίχος- παράθυρο) Εσωτερικοί τοίχοι- ξύλινη πόρτα Όμοια, υπολογίσαμε τα δύο εμβαδά: Ε πόρτας = m 2 Ε εσ.τοιχ = m 2. Πόρτα: κατασκευασμένη από ξύλο πάχους 4.5 εκατοστών. Εσωτερικός τοίχος: Με τις οδηγίες πολιτικού μηχανικού βρέθηκαν ότι (βλέπε Εικόνα 3.1) έχουμε σοβά-τούβλο-σοβά: Τούβλα κοινά, εκατοστών. πάχους 9 περίπου. Σοβάς, με πάχος 2 εκατοστά Οι θερμικές αγωγιμότητες k των υλικών υπάρχουν αναλυτικά στο παράρτημα C. Εικόνα 3.1 Τομή εσωτερικού τοίχου Η συνολική αντίσταση βρέθηκε ίση με R th,εσ.τοιχ-πορτας =.975 K/W. 62

63 Εικόνα 3.11 Σχηματική αναπαράσταση εσωτερικού τμήματος του δωματίου (εσωτερικός τοίχος- ξύλινη πόρτα) 63

64 64

65 Πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας- Απόδοση κλιματιστικού ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο 65

66 4 Πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας - απόδοση κλιματιστικού Τα αντικείμενα της θερμοδυναμικής και της μεταφοράς θερμότητας είναι συμπληρωματικά, και μάλιστα μπορεί να θεωρηθεί το δεύτερο σαν μια προέκταση του πρώτου. Για πολλά προβλήματα μεταφοράς θερμότητας, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής αποτελεί ένα βασικό εργαλείο. Στο παρόν κεφάλαιο με τη βοήθεια του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής θα γίνει, αρχικά, πρόβλεψη θερμοκρασίας του δωματίου λαμβάνοντας υπόψη κάποιες παραμέτρους κάθε φορά: ηλιακή ακτινοβολία, ηλεκτρικές καταναλώσεις, λειτουργία κλιματιστικού. Στο τέλος, με τη λειτουργία του κλιματιστικού βασιζόμενοι στις αρχές του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου θα υπολογίσουμε τον πραγματικό βαθμό απόδοσης αυτού. Το θερμοδυναμικό μοντέλο του δωματίου το οποίο αναπτύχθηκε αναλύθηκε στη μόνιμη κατάσταση χωρίς να έχουμε εξάρτηση από το χρόνο. 4.1 Ισοζύγιο ενέργειας- εσωτερική ενέργεια [6] Στη μηχανική τα είδη των ενεργειών που συναντώνται είναι η κινητική(κε) και η δυναμική ενέργεια(pe). Το άθροισμα των δύο αυτών συνιστωσών παραμένει σταθερό στο χρόνο. Ωστόσο στα περισσότερα συστήματα έχουμε αλληλεπιδράσεις με το εξωτερικό περιβάλλον. Στη θερμοδυναμική η έννοια ενέργεια διευρύνεται και το ισοζύγιο ενέργειας επεκτείνεται για να συμπεριλάβει μια μεγαλύτερη ποικιλία τροπών με τους οποίους το σύστημα αλληλεπιδρά με το περιβάλλον. Το ισοζύγιο ενέργειας γράφεται με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής. Μακροσκοπικά, στη μηχανική θερμοδυναμική, οι ενεργειακές μεταβολές αποτελούνται από τρεις συνιστώσες. Έτσι, έχουμε τη δυναμική και την κινητική ενέργεια όπως και προηγουμένως. Ωστόσο υπάρχει άλλος ένας ενεργειακός παράγοντας, η εσωτερική ενέργεια. Ως εσωτερική ενέργεια U ορίζεται οποιαδήποτε αλλαγή στην ενεργειακή κατάσταση του συστήματος που δεν είναι υπό τη μορφή κινητικής ή δυναμικής ενέργειας. Δηλαδή η μεταβολή της συνολικής ενέργειας ισούται: 66

67 4.2 Πρώτος νόμος θερμοδυναμικής [6] E KE PE U (4.1) Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια απλή διατύπωση της διατήρησης της ενέργειας σε ένα σύστημα και, επομένως, ο μόνος τρόπος να μεταβληθεί το ποσό ενέργειας σε ένα σύστημα είναι μέσω των ορίων του. Με τον πρώτο νόμο, για ένα κλειστό σύστημα φαίνεται καθαρά ότι οι μόνοι τρόποι με τους οποίους μπορεί να περάσει ενέργεια από τα όρια του συστήματος είναι με τη μορφή θερμότητας και έργου. E Q W (4.2) tot st Δηλαδή, η μεταβολή ενέργειας μέσα σε ένα σύστημα κατά τη διάρκεια μιας χρονικής στιγμής είναι ίση με το καθαρό ποσό ενέργειας που μεταφέρεται μέσα στο σύστημα με τη μορφή θερμότητας μείον το καθαρό ποσό ενέργειας που μεταφέρεται έξω από το σύστημά μας με τη μορφή έργου. Πιο αναλυτικά, λόγω της εξίσωσης (4.1), η εξίσωση(4.2) μπορεί να γραφεί και ως: KE PE U Q W (4.3) Παραγωγίζοντας την παραπάνω εξίσωση, εισέρχεται και ο χρονικός παράγοντας και έχουμε τελικά: dke dpe du Q W (4.4) dt dt dt 4.3 Διαφορική εξίσωση πρόβλεψης θερμοκρασίας [6] Η προσέγγιση για την πρόβλεψη της εσωτερικής θερμοκρασίας του δωματίου στηρίζεται στον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής. Θεωρώντας ότι το δωμάτιο είναι ένα κλειστό σύστημα τότε από την εξίσωση (4.4) παίρνουμε τη χρονική μεταβολή της ενέργεια σε χρόνο t. Υποθέτοντας ότι dκε= dpe=, τότε η παραπάνω εξίσωση γίνεται du r dt Q W (4.5) 67

68 Από τις παραδοχές που έχουμε κάνει για το σύστημά μας, η μάζα του αέρα που υπάρχει στο δωμάτιο είναι σταθερή με το χρόνο, συνεπώς το αριστερό μέλος μπορεί να εκφραστεί και ως: du d m u du dt dt dt r r mr (4.6) Κάνοντας χρήση του κανόνα της αλυσίδας ο ρυθμός μεταβολής της ειδικής εσωτερικής ενέργειας γράφεται: du du dt dt c (4.7) V dt dt dt dt Λαμβάνοντας υπόψη ότι W τελικά η εξίσωση (4.5) γίνεται : dt mr Cv Q (4.8) dt Η συνολική ροή θερμότητας που μεταφέρεται στο δωμάτιο τη χρονική στιγμή t αποτελείται από τις εξής συνιστώσες: Τη μεταφορά θερμότητας με αγωγή από τους τοίχους τη χρονική στιγμή k. Την απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία από το δωμάτιο τη χρονική στιγμή k. Τις ηλεκτρικές καταναλώσεις που υπάρχουν στο δωμάτιο τη χρονική στιγμή k. Τη θερμότητα από την παρουσία ανθρώπου στο δωμάτιο τη χρονική στιγμή k. Τη θερμότητα από τη πιθανή χρήση του κλιματιστικού τη χρονική στιγμή k. Ανάλογα με τη μελέτη που γίνεται συμπεριλαμβάνονται και οι αντίστοιχες συνιστώσες ροής θερμότητας. Η γενική λύση της διαφορικής έγινε με τη χρήση των μετασχηματισμών Laplace. Έτσι, γενικά για το μοντέλο του δωματίου μας ισχύει: 68

69 Q Q Q Q Q Q Q Q k k k cond,. cond,. cond, k k k k irrad elec man air cond (4.9) Όπου: Όσον αφορά τη μετάδοση θερμότητας με αγωγή με τη χρήση της εξίσωσης (3.17) έχουμε: (4.1) k k k o Qcond,. U A Tout,1 Tin. (4.11) k k k o Qcond,. U A Tout,2 Tin. (4.12) o Q k, k k cond U A T out,2 Tin k όπου Tout,1 η εξωτερική θερμοκρασία περιβάλλοντος τη χρονική στιγμή k, ενώ T η θερμοκρασία των γειτονικών δωματίων τη χρονική στιγμή k. k out,2 (Θεωρούμε ότι τα γειτονικά δωμάτια κάθε χρονική στιγμή βρίσκονται σε επιθυμητή και σταθερή θερμοκρασία 25 C). k Q irrad η απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία τη χρονική στιγμή k. k Q elec οι ηλεκτρικές καταναλώσεις στο δωμάτιο τη χρονική στιγμή k. k Q man η θερμότητα λόγω της παρουσίας ανθρώπου στο δωμάτιο τη Q χρονική στιγμή k. k air cond η θερμότητα του κλιματιστικού σε περίπτωση που λειτουργεί τη χρονική στιγμή k. Η διαφορική εξίσωση (4.8) γράφεται αναλυτικά: dtin k k k k mr Cv U A T,1. out Tin U A. Tout,2 T in dt (4.13) U A T T Q Q Q Q,2 k k k k k k out in irrad elec man air cond Η λύση της διαφορικής εξίσωσης είναι της παρακάτω μορφής: k B 1 k B Dt Tin ( t) Tin e D D (4.14) 69

70 Όπου: t ο χρόνος δειγματοληψίας (στη περίπτωσή μας t = 47 sec). k Tin και k 1 T in δειγματοληψίας. οι εσωτερικές θερμοκρασίες της προηγούμενης και της επόμενης 1 k k,1. out. out,2 r Cv B U A T U A T m k k k k k U A Tout,2 Q irrad Q elec Q man Q air cond 1 D U A U A U A.. mr Cv (4.15) (4.16) 4.4 Χωρίς κλιματιστικό Μελετούμε τη συμπεριφορά του δωματίου χωρίς τη χρήση του k κλιματιστικού, Q, σε τι θερμοκρασιακά ποσά μπορεί να φτάσει και air cond ποιος παράγοντας είναι αυτός που επιδρά περισσότερο στην αυξομείωση της θερμοκρασίας Χωρίς εσωτερικές θερμικές πηγές Αναφερόμενοι στον όρο εσωτερικές θερμικές πηγές εννοούμε τις ηλεκτρικές συσκευές και τον παράγοντα άνθρωπο. Έτσι, k Q man και k Q elec είναι μηδενικά για τη συγκεκριμένη μελέτη. Παρατηρούμε τη συμβολή του ήλιου στις θερμοκρασιακές μεταβολές του δωματίου, καθώς και της μεταφοράς θερμότητας μέσα από τους τοίχους του. Συνεπώς, για τις τρεις περιόδους πήραμε τα παρακάτω γραφήματα. Παρατηρήσαμε ότι χωρίς την ύπαρξη ηλεκτρικών καταναλώσεων η εσωτερική θερμοκρασία ακολουθεί την καμπύλη της εξωτερικής θερμοκρασίας του περιβάλλοντος (βλέπε Διαγράμματα ). Κατά μέσο όρο η εσωτερική θερμοκρασία είναι αυξημένη κατά 3-5 C της εξωτερικής. Η συμβολή της άμεσης ακτινοβολίας είναι αξιοσημείωτη την περίοδο του Οκτωβρίου που δεν έχουμε σημαντικά φαινόμενα σκίασης από φυσικά εμπόδια και γι αυτό παρατηρείται ότι στις 8 Οκτωβρίου η εσωτερική θερμοκρασία αυξάνει δραματικά χωρίς τη χρήση περσίδων, με μέγιστη διαφορά ακόμη και 15 C. 7

71 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη θερμοκρασία( C) Απριλίου χωρίς ηλεκτρικές καταναλώσεις χρόνος εβδομάδας(h) Τout ( C) Tin-χωρίς ηλεκτρικές καταναλώσεις Διάγραμμα 4-1 Πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας δωματίου χωρίς ηλεκτρικές καταναλώσεις για την περίοδο Απριλίου 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου χωρίς ηλεκτρικές θερμοκρασία( C) καταναλώσεις χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Τin- χωρίς ηλεκτρικές καταναλώσεις Διάγραμμα 4-2 Πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας δωματίου χωρίς ηλεκτρικές καταναλώσεις για την περίοδο 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου 7-13 Οκτωβρίου χωρίς ηλεκτρικές θερμοκρασία( C) καταναλώσεις χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin -με περσίδες Tin- χωρίς περσίδες Διάγραμμα 4-3 Πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας δωματίου χωρίς ηλεκτρικές καταναλώσεις για την περίοδο 7-13 Οκτωβρίου 71

72 4.4.2 Εσωτερικές θερμικές πηγές στο δωμάτιο Στη συγκεκριμένη ενότητα θα συμπεριλάβουμε και τις ηλεκτρικές συσκευές (βλέπε παράρτημα D) και τον άνθρωπο στη θερμοκρασιακή συμπεριφορά του συστήματός μας. Θεωρούμε ότι κάθε άνθρωπος εκπέμπει θερμότητα ισχύος 6 W [11]. Η ηλεκτρική κατανάλωση του δωματίου καταγράφεται αναλυτικά στον Πίνακα 4-1 που ακολουθεί: Ηλεκτρική συσκευή Ισχύς(W) Τηλεόραση 65 Ηλεκτρικό πιάνο 35 Ηλεκτρονικός υπολογιστής(μονάδα) 1 65 Οθόνη ηλεκτρονικού υπολογιστή 1 7 Ηχοσύστημα 1 Κεντρικό φως 2 Λαμπατέρ κομοδίνου 4 Πίνακας 4-1 Ηλεκτρικές συσκευές δωματίου και θερμικές ισχείς αυτών Στη παρούσα διπλωματική ακολουθήσαμε δύο μοντέλα ηλεκτρικής κατανάλωσης (βλέπε παράρτημα E). Το ένα αφορούσε καταγεγραμμένη εβδομαδιαία ηλεκτρική κατανάλωση την εβδομάδα Απριλίου 29. Το άλλο μοντέλο είναι ημερήσιο και αφορά στατιστική καταγραφή των ηλεκτρικών συσκευών που χρησιμοποιούνται σε μια τυπική μέρα μέσα στο δωμάτιο. Το δεύτερο μοντέλο χρησιμοποιήθηκε τις περιόδους 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου και 7-13 Οκτωβρίου. 4.5 Με χρήση του κλιματιστικού- απόδοση κλιματιστικού Στην παρούσα ενότητα υπολογίζεται η πραγματική απόδοση του κλιματιστικού και όχι η θεωρητική που δίνεται με την αγορά κάθε κλιματιστικού. Οι αποδόσεις που δίνουν οι κατασκευαστές είναι η μέγιστη απόδοση που δουλεύει το κλιματιστικό για ένα συγκεκριμένο ζεύγος θερμοκρασιών (βλέπε παράρτημα F) Δεύτερος νόμος θερμοδυναμικής [6] Η λειτουργία του κλιματιστικού βασίζεται στο δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, σύμφωνα με τον οποίο είναι αδύνατο για οποιοδήποτε σύστημα να 1 Παραπομπή [19] 72

73 λειτουργήσει με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε το μοναδικό αποτέλεσμα να ήταν η μεταφορά ενέργειας με τη μορφή θερμότητας από ένα ψυχρό σε ένα θερμότερο σώμα χωρίς την κατανάλωση έργου. Το κλιματιστικό λειτουργεί σαν αντλία θέρμανσης (heat pump) η οποία διαθέτει βαλβίδα αντίστροφης κίνησης και έτσι δημιουργείται ανάστροφη πορεία στην ροή θερμότητας Αντλία θέρμανσης (Heat pump system) συστήματα ψύξης (Refrigeration system) [6] Ο σκοπός της λειτουργίας ενός συστήματος ψύξης είναι να κρατήσει μια περιοχή σε μια επιθυμητή θερμοκρασία χαμηλότερη από αυτήν του περιβάλλοντος. Εικόνα 4.1 Σύστημα ψύξης system) (refrigeration Το έργο που καταναλώνεται W c Για ένα σύστημα φαίνεται και από την Εικόνα 4.1: Η ροή θερμότητας λαμβάνεται από την ψυχρή περιοχή, την περιοχή που θέλουμε να ψύξουμε. Η ροή θερμότητας αποβάλλεται στη θερμή περιοχή, το περιβάλλον. είναι η ενέργεια που απαιτείται για να μεταφερθεί θερμότητα από την ψυχρή στη θερμή περιοχή. Ο βαθμός απόδοσης β για ένα τέτοιο σύστημα ψύξης είναι ίσος με το λόγο της επιθυμητής ενέργειας προς την καταναλισκόμενη: ψύξης, όπως Q in Q out Q in Q in W Q Q c out in (4.17) 73

74 Το αντικείμενο μιας αντλίας θέρμανσης είναι να κρατάει τη θερμοκρασία σε ένα κτίριο πάνω από τη θερμοκρασία του γύρω περιβάλλοντος. Για μια αντλία θέρμανσης ισχύουν περίπου τα ίδια με τα συστήματα ψύξης, όπως φαίνεται και από την Εικόνα 4.1, μόνη διαφορά παρατηρείται στους θερμούς και ψυχρούς χώρους: Η ροή θερμότητας Q in λαμβάνεται από την ψυχρή περιοχή, το περιβάλλον. Η ροή θερμότητας Q out αποβάλλεται στο χώρο που θέλουμε να θερμάνουμε. Το έργο που καταναλώνεται W c είναι η ενέργεια που απαιτείται για να μεταφερθεί θερμότητα από την ψυχρή στη θερμή περιοχή. Ο βαθμός απόδοσης γ για μια αντλία θέρμανσης είναι ίσος με το λόγο της επιθυμητής ενέργειας προς την καταναλισκόμενη: Q out Q out W Q Q c out in (4.18) Ο βαθμός απόδοσης γ δεν μπορεί ποτέ να είναι μικρότερος της μονάδας. Υπάρχουν και αντλίες θέρμανσης, οι οποίες πέρα από θέρμανση μπορεί τους καλοκαιρινούς μήνες να παρέχουν ψύξη στα κτίρια. Αυτό γίνεται με τη χρήση βαλβίδα αντίστροφης κίνησης. Έτσι, με τη βαλβίδα αυτή, η διαδρομή του θερμοδυναμικού κύκλου αντιστρέφεται στη λειτουργία ψύξης ενώ αλλάζουν λειτουργίες ο συμπυκνωτής (condenser) και ο εξατμιστής (evaporator), δηλαδή ο συμπυκνωτής γίνεται εξατμιστής και αντίστοιχα ο εξατμιστής γίνεται συμπυκνωτής (βλέπε Εικόνα 4.2). Παρατηρείται ότι στη λειτουργία ψύξης η αντλία θέρμανσης λειτουργεί ακριβώς και όπως ένα σύστημα ψύξης που αναφέρθηκε προηγουμένως. Επομένως, ο βαθμός απόδοσης στη λειτουργία αυτή είναι ίσος με την εξίσωση (4.5). 74

75 Εικόνα 4.2 Αντλία θέρμανσης (heat pump system) με δυνατότητα παροχής θέρμανσης-ψύξης Για τον υπολογισμό της πραγματικής απόδοσης του κλιματιστικού χρειάζεται να γίνει αναφορά στο κύκλο Carnot και στους βαθμούς απόδοσης αυτού. Το θεώρημα του Carnot αναφέρει ότι καμία μηχανή μεταξύ δύο ταμιευτήρων θερμότητας δεν μπορεί να είναι πιο αποδοτική από μια μηχανή Carnot, η οποία λειτουργεί ανάμεσα στους ίδιους ταμιευτήρες. Ο μέγιστος βαθμός απόδοσης για ένα οποιοδήποτε σύστημα ψύξης που υποβάλλεται σε λειτουργία μεταξύ δύο ταμιευτήρων θερμότητας είναι ίσος με: max TC T T H C (4.19) Όμοια, αν μιλούμε για αντλία θέρμανσης, ο μέγιστος βαθμός απόδοσης είναι ίσος με: 75

76 max TH T T H C (4.2) Απαιτήσεις για τη λειτουργία του κλιματιστικού Με τη βοήθεια του λογισμικού LabVIEW (βλέπε παράρτημα Β) δημιουργήθηκε πρόγραμμα με το οποίο προσδιορίζει ανάλογα με την υπάρχουσα θερμοκρασία του δωματίου και τις ηλεκτρικές συσκευές που είναι σε λειτουργία αν θα πρέπει να λειτουργήσει το κλιματιστικό και αν ναι ποιος θα είναι ο βαθμός απόδοσης του. Κάποια στοιχεία που χρειάστηκαν είναι τα παρακάτω: Η επιθυμητή θερμοκρασία του δωματίου θεωρείται οι 25 C. Πρακτικά αν το δωμάτιο έχει 26 C και ορισμένες φορές 27 C σε ατομικό επίπεδο θεωρείται μια ανεκτή θερμοκρασία. Μάλιστα, προτιμάται το εύρος των C από εκείνο των C. Θεωρούμε ότι το κλιματιστικό όταν λειτουργεί δίνει σταθερή θερμική ισχύς -9 btu/h. Το αρνητικό πρόσημο μπαίνει για να επισημάνει ότι η ισχύς του κλιματιστικού είναι αρνητική, καθώς δεν τη δίνει ουσιαστικά στο σύστημα αλλά τη λαμβάνει από αυτό, μιας και αναφερόμαστε σε διαδικασία ψύξης (βλέπε Εικόνα 4.2). Το κλιματιστικό δε λειτουργεί όταν δεν υπάρχει παρουσία ανθρώπου, για λόγους καθαρά εξοικονόμησης ενέργειας. Πρωταρχική και απαραίτητη προϋπόθεση για τη λειτουργία του κλιματιστικού είναι η εσωτερική θερμοκρασία του δωματίου να είναι μεγαλύτερη από την επιθυμητή θερμοκρασία. Για λόγους εξοικονόμησης ενέργειας χρησιμοποιήθηκαν δύο μεταβλητές a,b. Η πρώτη παίρνει τιμές 1 ή ανάλογα αν το κλιματιστικό στην προηγούμενη επανάληψη λειτούργησε ή όχι. Η δεύτερη παίρνει από την αρχή μια σταθερή τιμή. Είναι ένας παράγοντας που υποδεικνύει τη συχνότητα λειτουργίας του κλιματιστικού. Για να γίνουμε πιο σαφείς, εφόσον η δειγματοληψία των μετρήσεων είναι στα 47 δευτερόλεπτα, ανάλογα με την τιμή του b, ο 76

77 ελάχιστος χρόνος αναμονής επαναλειτουργίας του κλιματιστικού μεταβάλλεται. Με b το κλιματιστικό δε λειτουργεί ασκόπως συνέχεια με την οποιαδήποτε αύξηση της θερμοκρασίας του δωματίου πάνω από το επιθυμητό όριο. Στη δική μας περίπτωση μελετήσαμε το σύστημά μας για τιμές, 1, 2, 4, 6 και 8. Δηλαδή για b=8, αν το κλιματιστικό λειτούργησε τη χρονική στιγμή t= τότε για να ξαναλειτουργήσει σε περίπτωση που έχει φτάσει την επιθυμητή θερμοκρασία, θα πρέπει να περάσουν τουλάχιστον 8 47sec 376sec 6min. Κατά το πρότυπο ASHRAE, υπάρχει αναλογία ανάμεσα στον πραγματικό βαθμό απόδοσης (β ή C.O.P.) και το μέγιστο βαθμό απόδοσης Carnot (β max ) διαιρεμένο δια δύο. Συνεπώς, και ο ονομαστικός βαθμός απόδοσης(β nom ή C.O.P. nom ) είναι ανάλογος με το μέγιστο βαθμό απόδοσης Carnot (β max,nom ) διαιρεμένο δια δύο. Είναι αποδεκτός μόνο βαθμός απόδοσης μεταξύ του και της ονομαστικής τιμής (C.O.P. nom ). Τα χαρακτηριστικά του κλιματιστικού που χρησιμοποιήθηκε βρίσκονται στο παράρτημα F. Στο παράρτημα G παρουσιάζεται περιληπτικά η λογική και οι συνθήκες που ακολουθούνται για τη λειτουργία του κλιματιστικού Αποτελέσματα λειτουργίας κλιματιστικού Τελικά, για τις τρεις περιόδους του έτους που μελετήσαμε πήραμε τα παρακάτω αποτελέσματα. Κάθε περίοδος χωρίζεται ανάλογα με τη μεταβλητή b, τον παράγοντα για την επαναλειτουργία του κλιματιστικού Απριλίου Στο Διάγραμμα 4-4 παρουσιάζεται η εβδομαδιαία πρόβλεψη της εσωτερικής θερμοκρασίας για το υπό μελέτη δωμάτιο. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με αυτά του διαγράμματος 4-1, παρατηρούμε ότι η ύπαρξη ηλεκτρικών καταναλώσεων στις επιμέρους χρονικές στιγμές επιφέρει μια αύξηση της θερμοκρασίας δωματίου της τάξεως του 1-2 C. 77

78 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη Απριλίου θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout ( C) Tin ( C)-χωρίς κλιματιστικό 168 Διάγραμμα 4-4 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού (16-22 Απριλίου) Για b=,1,2 Η λογική λειτουργίας του κλιματιστικού με σκοπό την εξοικονόμηση ενέργειας είναι τέτοια ώστε για b=, 1 και 2 τα αποτελέσματα να είναι ίδια. Στο Διάγραμμα 4-5 έχουμε τη πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας λαμβάνοντας υπόψη τη χρήση του κλιματιστικού, ενώ στο Διάγραμμα 4-6 παριστάνεται ο βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού Απριλίου (b=,1,2) θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout ( C) Tin ( C)-χωρίς κλιματιστικό Tin ( C)-με κλιματιστικό 2 per. Mov. Avg. (Tin ( C)-με κλιματιστικό) Διάγραμμα 4-5 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικούb=,1,2 (16-22 Απριλίου) 78

79 Χρησιμοποιώντας συνάρτηση κινητού μέσου ανά 2 δειγματοληψίες παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία όταν το κλιματιστικό λειτουργεί είναι γύρω στους 24 C. Επιπλέον, από το γραφική παράσταση του βαθμού απόδοσης συμπεραίνουμε ότι το κλιματιστικό λειτουργεί με μέγιστο βαθμό απόδοσης (C.O.P.=3,81). Το κλιματιστικό λειτουργεί κυρίως την πρώτη μέρα (16 η Απριλίου), κάποιες μέρες (17 η και 18 η Απριλίου) λειτουργεί σε ορισμένα διαστήματα της μέρας (πρωί- απόγευμα), ενώ στις 19 και 22 Απριλίου το κλιματιστικό δε λειτουργεί καθόλου. C.O.P χρόνος εβδομάδας(h) C.O.P. (b=,1,2) Διάγραμμα 4-6 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού b=,1,2 (16-22 Απριλίου) Για b=4 Μη επιτρέποντας στο κλιματιστικό να δουλεύει σε λιγότερο από 4 χρόνους δειγματοληψίας εξωτερικής θερμοκρασίας, η εσωτερική θερμοκρασία λαμβάνεται τελικά στο Διάγραμμα 4-7. Στο Διάγραμμα 4-8 παριστάνεται ο βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού. Και σε αυτήν την περίπτωση ο βαθμός απόδοσης είναι ο μέγιστος που ορίζεται από τις προδιαγραφές. Χρησιμοποιώντας συνάρτηση κινητού μέσου ανά 2 δειγματοληψίες παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία όταν το κλιματιστικό λειτουργεί είναι λίγο 79

80 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη πάνω από τους 25 C, ενώ τις μέρες που λειτουργεί το απόγευμα γύρω στους 23,5 C Απριλίου (b=4) θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout ( C) Tin ( C)-χωρίς κλιματιστικό Tin( C) -με κλιματιστικό 2 per. Mov. Avg. (Tin( C) -με κλιματιστικό) C.O.P. Διάγραμμα 4-7 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού - b=4 (16-22 Απριλίου) 3,5 3 2,5 2 1,5 1, χρόνος εβδομάδας(h) C.O.P.(b=4) 168 Διάγραμμα 4-8 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού b=4 (16-22 Απριλίου) Για b=6 Περιορίζοντας ακόμη περισσότερο τη λειτουργία του κλιματιστικού μειώνουμε κι άλλο την ηλεκτρική κατανάλωσή του. Και σε αυτήν την 8

81 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη περίπτωση, ο βαθμός απόδοσης είναι ο μέγιστος που ορίζεται από τις προδιαγραφές (βλέπε Διάγραμμα 4-1). Με b=6, πάλι με τη συνάρτηση κινητού μέσου ανά 2 δειγματοληψίες γίνεται αντιληπτό ότι η θερμοκρασία παρουσιάζει ανά χρονικές στιγμές δύο εύρη θερμοκρασιών (βλέπε Διάγραμμα 4-9). Το ένα κινείται γύρω από τους 26 C με απόκλιση,5 C, ενώ το άλλο κινείται γύρω από τους 24 C Απριλίου (b=6) θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout ( C) Tin ( C)-χωρίς κλιματιστικό Tin( C)-με κλιματιστικό 2 per. Mov. Avg. (Tin( C)-με κλιματιστικό) Διάγραμμα 4-9 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού- b=6 (16-22 Απριλίου) C.O.P χρόνος εβδομάδας(h) C.O.P.(b=6) Διάγραμμα 4-1 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού b=6 (16-22 Απριλίου) 81

82 Για b=8 Τέλος, για b=8 δεν παρατηρείται αλλαγή στο βαθμό απόδοσης του κλιματιστικού. Από το Διάγραμμα 4-11 που έχουμε την πρόβλεψη θερμοκρασίας διακρίνουμε ότι τις ώρες που υπάρχει εντονότερη χρήση του κλιματιστικού η «μέση» θερμοκρασία είναι ανοδική με μεγαλύτερη θερμοκρασία τους 27,5 C. Όσον αφορά τις απογευματινές ώρες όταν αυτό λειτουργεί, τότε όμοια με προηγουμένως η θερμοκρασία τείνει στους 24 C Απριλίου (b=8) θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout ( C) Tin ( C)-χωρίς κλιματιστικό Tin( C)-με κλιματιστικό 2 per. Mov. Avg. (Tin( C)-με κλιματιστικό) Διάγραμμα 4-11 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία, με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού- b=8 (16-22 Απριλίου) Αξίζει να σχολιαστεί ότι για b=8 η χρήση του κλιματιστικού περιορίζεται ακόμη περισσότερο και αυτό γίνεται πλέον και εμφανές από το παρακάτω Διάγραμμα. Την πρώτη μέρα δεν εμφανίζεται πλέον μία ενιαία χρονική στιγμή με αυξημένη λειτουργία. Αλλά λίγο μετά τις μεσημεριανές ώρες υπάρχει μια διακοπή στη λειτουργία του κλιματιστικού. 82

83 3 C.O.P χρόνος εβδομάδας(h) C.O.P.(b=8) Διάγραμμα 4-12 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού b=8 (16-22 Απριλίου) 31Ιουλίου-6 Αυγούστου Στο Διάγραμμα 4-13 παρουσιάζεται η εβδομαδιαία πρόβλεψη της εσωτερικής θερμοκρασίας για το υπό μελέτη δωμάτιο την περίοδο του Αυγούστου. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με αυτά του διαγράμματος 4-2, παρατηρούμε ότι η ύπαρξη ηλεκτρικών καταναλώσεων τις απογευματινές ώρες (μετά τις τέσσερις το απόγευμα), όπως και κατά την επιστροφή μου τις πρώτες πρωινές ώρες επιφέρει μια διαφοροποίηση στην εσωτερική θερμοκρασία και μια αύξηση της τάξεως του 1-2 C. 31 Ιουλίου-6 αυγούστου θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin( C)χωρίς κλιματιστικό Διάγραμμα 4-13 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού (31 Ιουλίου- 6 Αυγούστου) 83

84 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη b=,1,2 Όπως και για την περίοδο του Απριλίου, έτσι και για αυτήν την περίοδο παίρνουμε περιπτώσεις ανάλογα με τη σταθερά b, της οποίας η αξία έχει υπογραμμιστεί. Όπως και κατά την περίοδο της άνοιξης δεν έχουμε καθόλου λειτουργία περσίδων. Στο Διάγραμμα 4-14 έχουμε τη πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας λαμβάνοντας υπόψη τη χρήση του κλιματιστικού, ενώ στο Διάγραμμα 4-15 παριστάνεται ο βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού. Όπως προαναφέραμε, η απουσία ανθρώπου από τις οκτώ το πρωί έως τις τέσσερις το απόγευμα έχει σαν αποτέλεσμα το κλιματιστικό να μην λειτουργεί εκείνες τις ώρες. Δηλαδή, η θερμοκρασία θεωρητικά παραμένει ιδιαιτέρως υψηλή (της τάξης των 36 C). Κατά τη λειτουργία του κλιματιστικού η θερμοκρασία πέφτει αισθητά. Με τη βοήθεια της συνάρτησης κινητού μέσου ανά 2 δειγματοληψίες, παρατηρούμε ότι η θερμοκρασία δωματίου παραμένει σταθερή περίπου στους 24 C εκτός από τις απογευματινές ώρες που υποχωρεί σταδιακά από τους 25,5 C στους 24 C. 31 Ιουλίου-6 αυγούστου (b=,1,2) θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin( C)χωρίς κλιματιστικό Tin( C)με κλιματιστικό 2 per. Mov. Avg. (Tin( C)με κλιματιστικό) Διάγραμμα 4-14 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικούb=,1,2 (31 Ιουλίου-6 Αυγούστου) 84

85 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη Από το παρακάτω διάγραμμα φαίνεται καθαρά ότι, σε αντίθεση με την εβδομάδα του Απριλίου, ο βαθμός απόδοσης δεν παραμένει σταθερός με την προδιαγραφόμενη τιμή που συνοδεύει το κλιματιστικό, αλλά παρουσιάζει σημαντικές διακυμάνσεις (από 2,4 έως 3,4), κυρίως τις απογευματινές ώρες. Όσον αφορά τις πρωινές ώρες, εκτός από την έκτη μέρα (5η Αυγούστου), ο βαθμός απόδοσης είναι σχεδόν πάντα ίσος με τα ονομαστικά μεγέθη. C.O.P.(b=,1,2) 3,5 C.O.P. 3 2,5 2 1,5 1, χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 4-15 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού b=,1,2 (31 Ιουλίου-6 Αυγούστου) b=4 Μη επιτρέποντας στο κλιματιστικό να δουλεύει σε λιγότερο από 4 χρόνους δειγματοληψίας εξωτερικής θερμοκρασίας, παίρνουμε τα παρακάτω αποτελέσματα. Η εσωτερική θερμοκρασία απεικονίζεται στο Διάγραμμα 4-16, ενώ ο βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού παριστάνεται γραφικά στο Διάγραμμα

86 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη 31 Ιουλίου-6 αυγούστου (b=4) θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin( C)χωρίς κλιματιστικό Tin( C)-με κλιματιστικό 2 per. Mov. Avg. (Tin( C)-με κλιματιστικό) Διάγραμμα 4-16 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού- b=4 (31 Ιουλίου-6 Αυγούστου) Από την παραπάνω γραφική παράσταση παρατηρούμε ότι όταν το κλιματιστικό λειτουργεί, η θερμοκρασία δεν παρουσιάζει σημαντικές διαφοροποιήσεις συγκρίνοντάς τη με τα προηγούμενα αποτελέσματα. Αντίθετα, ο βαθμός απόδοσης παρουσιάζει μικρότερες αποκλίσεις στις περιόδους που προηγουμένως είχαμε πολύ χαμηλό βαθμό απόδοσης. Συγκεκριμένα, εμφανίζεται αυξημένος κατά,4 σε εκείνα τα σημεία. C.O.P. C.O.P.(b=4) 3,5 3 2,5 2 1,5 1, χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 4-17 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού b=4 (31 Ιουλίου-6 Αυγούστου) 86

87 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη b=6 Περιορίζοντας ακόμη περισσότερο τη λειτουργία του κλιματιστικού μειώνουμε κι άλλο την ηλεκτρική κατανάλωσή του. Και σε αυτήν την περίπτωση ο βαθμός απόδοσης αυξάνει κι άλλο σε σχέση με την πρώτη περίπτωση (b=). Όλη την εβδομάδα εκτός από την πέμπτη και έκτη μέρα ο βαθμός απόδοσης εκτός από μεμονωμένα σημεία είναι ίσος με 3,81 (βλέπε Διάγραμμα 4-19). Με b=6, πάλι με τη συνάρτηση κινητού μέσου ανά 2 δειγματοληψίες η θερμοκρασία εμφανίζεται αυξημένη σε σχέση με προηγουμένως και κυμαίνεται πλέον από 25 C έως 27 C τις απογευματινές-βραδινές ώρες λειτουργίας (βλέπε Διάγραμμα 4-18). 31 Ιουλίου-6 αυγούστου (b=6) θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin( C)χωρίς κλιματιστικό Tin( C)-με κλιματιστικό 2 per. Mov. Avg. (Tin( C)-με κλιματιστικό) Διάγραμμα 4-18 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού- b=6 (31 Ιουλίου-6 Αυγούστου) 87

88 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη C.O.P. C.O.P.(b=6) 3,5 3 2,5 2 1,5 1, χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 4-19 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού b=6 (31 Ιουλίου-6 Αυγούστου) b=8 Τέλος για b=8, ο βαθμός απόδοσης ακόμη και την πέμπτη και έκτη μέρα αγγίζει την ονομαστική τιμή, εκτός από κάποια σημεία οπού και εκεί δεν πέφτει κάτω από τα 3,5 (βλέπε Διάγραμμα 4-21). Ωστόσο η πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας δεν έχει αποδεκτά αποτελέσματα καθώς η θερμοκρασία του δωματίου, μετά τις τέσσερις το απόγευμα, κυμαίνεται από 26 έως 29 C. 31 Ιουλίου-6 αυγούστου (b=8) θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin( C)χωρίς κλιματιστικό Tin( C) -με κλιματιστικό 2 per. Mov. Avg. (Tin( C) -με κλιματιστικό) Διάγραμμα 4-2 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού- b=8 (31 Ιουλίου-6 Αυγούστου) 88

89 C.O.P. 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 C.O.P.(b=8) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 4-21 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού b=8 (31 Ιουλίου-6 Αυγούστου) 7-13 Οκτωβρίου Στο Διάγραμμα 4-22 παρουσιάζεται η εβδομαδιαία πρόβλεψη της εσωτερικής θερμοκρασίας για το υπό μελέτη δωμάτιο την περίοδο του Οκτωβρίου. Σημαντική διαφοροποίηση από τις δύο προηγούμενες περιόδους αποτελεί η απαραίτητη χρήση περσίδων για αποκοπή της άμεσης ακτινοβολίας. Καταρχάς παρατηρούμε την 8 η Οκτωβρίου που είχαμε και τις υψηλότερες τιμές άμεσης ακτινοβολίας χωρίς τη χρήση περσίδων η θερμοκρασία φτάνει τους 45 C. Λαμβάνοντας υπόψη τις ηλεκτρικές καταναλώσεις παρατηρούμε μικρή άνοδο της θερμοκρασίας της τάξεως του 1-2 C τις ώρες που λειτουργούν ηλεκτρικές συσκευές. 89

90 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη 7-13 Οκτωβρίου θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin( C) με περσίδες -χωρίς κλιματιστικό Tin ( C) χωρίς περσίδες -χωρίς κλιματιστικό Διάγραμμα 4-22 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία, με και χωρίς τη χρήση περσίδων, χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού (7-13 Οκτωβρίου) b=,1,2 Ξεκινώντας τη διερεύνηση για αυτή τη περίοδο, αρχικά παρατηρούμε ότι το κλιματιστικό λειτουργεί κατά διαστήματα τις τρεις πρώτες μέρες. Στο Διάγραμμα 4-23, η εσωτερική θερμοκρασία, λαμβάνοντας υπόψη τη χρήση περσίδων, τις περιόδους όπου λειτουργεί το κλιματιστικό, παρουσιάζει μια σταθερότητα στους 23 C. θερμοκρασία( C) 7-13 Οκτωβρίου (b=,1,2) χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin( C) με περσίδες -χωρίς κλιματιστικό Tin( C) με περσίδες -με κλιματιστικό Διάγραμμα 4-23 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία, με περσίδες, με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού- b=,1,2 (7-13 Οκτωβρίου) 9

91 Ο βαθμός απόδοσης (βλέπε Διάγραμμα 4-24) και για τις δύο περιπτώσεις δεν παρουσιάζει διακυμάνσεις και είναι ίσος με το ονομαστικό μέγεθος (C.O.P.=3,81). Τη δεύτερη μέρα, το κλιματιστικό με τη ταυτόχρονη χρήση των περσίδων λειτουργεί κάποιες χρονικές στιγμές παραπάνω. 3 C.O.P χρόνος εβδομάδας(h) C.O.P.(b=,1,2)-με περσίδες C.O.P.(b=)-χωρίς περσίδες Διάγραμμα 4-24 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού (με και χωρίς περσίδες) b=,1,2 (7-13 Οκτωβρίου) b=4 Μη επιτρέποντας στο κλιματιστικό να δουλεύει σε λιγότερο από 4 χρόνους δειγματοληψίας εξωτερικής θερμοκρασίας, παίρνουμε τα παρακάτω αποτελέσματα: Η εσωτερική θερμοκρασία με τη χρήση περσίδων απεικονίζεται στο Διάγραμμα 4-25, ενώ ο βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού και για τις δύο περιπτώσεις παριστάνεται γραφικά στο Διάγραμμα Όμοια με προηγουμένως οι βαθμοί απόδοσης είναι σταθεροί και μέγιστοι. Η θερμοκρασία με τη χρήση του κλιματιστικού και των περσίδων δε μεταβάλλεται ουσιαστικά. Μόνο τη δεύτερη μέρα (8 η Οκτωβρίου) για ελάχιστη χρονική περίοδο η μέση θερμοκρασία είναι υψηλότερη, φτάνοντας τους 25 C. Το συγκεκριμένο δε μας ενοχλεί, αντίθετα είναι πιο αποδεκτή θερμοκρασία σε σχέση με τους C. 91

92 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη θερμοκρασία( C) 7-13 Οκτωβρίου (b=4) χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin( C) με περσίδες -χωρίς κλιματιστικό Tin( C) με περσίδες -με κλιματιστικό Διάγραμμα 4-25 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία, με περσίδες, με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού- b=4 (7-13 Οκτωβρίου) C.O.P χρόνος εβδομάδας(h) C.O.P.(b=4)-με περσίδες C.O.P.(b=4)-χωρίς περσίδες Διάγραμμα 4-26 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού (με και χωρίς περσίδες) b=4 (7-13 Οκτωβρίου) b=6 Περιορίζουμε ακόμη περισσότερο τη λειτουργία του κλιματιστικού. Και σε αυτήν την περίπτωση, ο βαθμός απόδοσης είναι ο μέγιστος. Παρόλο που με τη χρήση περσίδων εμποδίζουμε μεγάλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας, το κλιματιστικό λειτουργεί πιο πολλές φορές από όταν δε θα είχαμε περσίδες. (βλέπε Διάγραμμα 4-28). Με b=6, αν χρησιμοποιούσαμε τη συνάρτηση κινητού μέσου θα παρατηρούσαμε ότι η θερμοκρασία κυρίως κινείται γύρω από τους 24 C 92

93 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη (βλέπε Διάγραμμα 4-27), ενώ μόνο στις 8 Οκτωβρίου στην αρχή της απογευματινής λειτουργίας του κινείται γύρω από τους 26 με 26,5 C, κάτι που για την περίπτωσή μας κρίνεται αποδεκτό. θερμοκρασία( C) 7-13 Οκτωβρίου (b=6) χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin( C) με περσίδες -χωρίς κλιματιστικό Tin( C) με περσίδες -με κλιματιστικό Διάγραμμα 4-27 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία, με περσίδες, με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού- b=6 (7-13 Οκτωβρίου) C.O.P χρόνος εβδομάδας(h) C.O.P.(b=6)-με περσίδες C.O.P.(b=6)-χωρίς περσίδες Διάγραμμα 4-28 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού (με και χωρίς περσίδες) b=6 (7-13 Οκτωβρίου) b=8 Τέλος για b=8, η τιμή του βαθμού απόδοσης δεν μειώνεται. Υπάρχουν μικρές χρονικές περίοδοι που πλέον το κλιματιστικό δε λειτουργεί σε σχέση με τις προηγούμενες περιπτώσεις (βλέπε Διάγραμμα 4-3). Τα αποτελέσματα για την πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας παραμένουν αποδεκτά αφού και για την πρώτη, αλλά και για τη δεύτερη μέρα 93

94 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη στις οποίες το κλιματιστικό λειτουργεί περισσότερο, η μέση θερμοκρασία δε ξεπερνά τους 26,5 C (βλέπε Διάγραμμα 4-29) Οκτωβρίου (b=8) θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin( C) με περσίδες -χωρίς κλιματιστικό Tin( C) με περσίδες -με κλιματιστικό C.O.P. Διάγραμμα 4-29 Εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία, με περσίδες, με και χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού- b=8 (7-13 Οκτωβρίου) 3,5 3 2,5 2 1,5 1, χρόνος εβδομάδας(h) C.O.P.(b=8)-με περσίδες C.O.P.(b=8)-χωρίς περσίδες Διάγραμμα 4-3 Βαθμός απόδοσης του κλιματιστικού (με και χωρίς περσίδες) b=8 (7-13 Οκτωβρίου) 94

95 Έλεγχος φωτισμού (dimming control) ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο 95

96 5 Φωτισμός Στο παρόν κεφάλαιο θα γίνει μελέτη του φωτισμού στο δωμάτιο το οποίο λειτουργεί και ως χώρος εργασίας. Γενικά, ο τομέας του φωτισμού αποτελεί σημαντικότατο παράγοντα που επιδρά στη λειτουργικότητα και κατά συνέπεια στην παραγωγικότητα μιας επιχείρησης, ιδιαίτερα στα κτίρια γραφείων, όπου η φύση της εργασίας απαιτεί υψηλά επίπεδα φωτεινότητας και καλής ποιότητας φωτισμό. Με γνώμονα ένα φιλικότερο εργασιακό περιβάλλον, γίνεται προσπάθεια έτσι ώστε, θεωρώντας ότι υπάρχει εγκατεστημένος διακόπτης μεταβλητού τεχνητού φωτισμού για τη δυνατότητα ρύθμισης της έντασης φωτισμού (dimming), να διαπιστώσουμε πόση εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να γίνει με την αυτόματη ρύθμιση του φωτισμού ανά τακτά χρονικά διαστήματα. 5.1 Λήψη μετρήσεων φωτεινότητας για την εβδομάδα Απριλίου Με τη βοήθεια ενός αισθητήρα ισχύος φωτισμού, που μας δόθηκε για τις ανάγκες αυτής της διπλωματικής, πάρθηκαν μετρήσεις φωτεινότητας για Εικόνα 5.1 Διάταξη EIB για τη μέτρηση φωτεινότητας στο χώρο σύνδεση με τον Η/Υ μέσω θύρας RS-232 της ΑΒΒ. μια συγκεκριμένη βδομάδα. Η διάταξη ΕΙΒ που χρησιμοποιήθηκε φαίνεται στη διπλανή εικόνα. Αποτελείται από τρεις συσκευές: Τροφοδοτικό της ABB με την ένδειξη i-bus EIB για τροφοδοσία της διάταξης με συνεχή τάση. Συσκευή για τη Αισθητήρας της Theben με την ονομασία Wetterstation και IP 44. Ο αισθητήρας έχει τη δυνατότητα μέτρησης θερμοκρασίας, φωτεινότητας, βροχόπτωσης και ταχύτητας ανέμου. Αρχικά προγραμματίστηκε η διάταξη μέσω προγράμματος ETS και επιτεύχθηκε η δημιουργία σεναρίου για την ανάγνωση της ισχύος φωτισμού. 96

97 Στη συνέχεια, μέσω OPC-server συνδέθηκε στον ηλεκτρονικό υπολογιστή με ένα πρόγραμμα LabVIEW, το οποίο δημιουργήθηκε για την αποθήκευση των πληροφοριών κάθε 47 δευτερόλεπτα. 5.2 Μεγέθη φωτομετρίας [12] Η φωτεινή ροή ή η φωτιστική ισχύς (Φ) είναι η συνολική ισχύς ορατής ακτινοβολίας που διαρρέει μια επιφάνεια ή που εκπέμπεται από μια πηγή. Μετριέται, κατά ICI, σε: 1 lumen (1 lm) = μονάδα φωτιστικής ισχύος Ο φωτισμός ή η ισχύς φωτισμού (Ε) ενός αντικειμένου είναι η φωτεινή ροή (lm) που διέρχεται ανά μονάδα επιφάνειας. Μετριέται σε lux (lx) και είναι: E (5.1) S Δηλαδή η μονάδα φωτισμού είναι ίση με: 1 1 lx 1 lm 2 m Η ισχύς φωτισμού δείχνει «πόσο φωτίζεται μια επιφάνεια εργασίας» και πόσο ευδιάκριτα είναι τα αντικείμενα ή οι λεπτομέρειες τους πάνω σε αυτή την επιφάνεια. Η απαιτούμενη ισχύς φωτισμού για χώρους στους οποίους απαιτείται καλός γενικός φωτισμός για διάβασμα είναι τα 5 lux. 5.3 Εύρεση αναλογίας μεταξύ ωριαίας απορροφούμενης ακτινοβολίας και ωριαίας ισχύος φωτισμού Αρχικά, θεωρώντας ότι υπάρχει αναλογία ανάμεσα στην απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία σε ένα χώρο και τη ισχύ φωτισμού σε αυτόν, υπολογίσαμε μια συνάρτηση της μορφής: y = a x+b [13]. Για την περίοδο Απριλίου λάβαμε με τη βοήθεια του LabVIEW τα κάτωθι αποτελέσματα: 97

98 μετρούμενη ισχύς φωτισμού ισχύς φωτισμού (lux) Διάγραμμα 5-1 Μετρούμενη ισχύς φωτισμού ανά 47 δευτερόλεπτα για την εβδομάδα Απριλίου Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής επιλέχτηκε μια εκ των επτά ημερών για την εύρεση της εξίσωσης που αφορά την ισχύ φωτισμού και την ωριαία απορροφούμενη ακτινοβολία. Θεωρήθηκε ότι η ίδια εξίσωση ισχύει για όλη την εβδομάδα αλλά και για τις άλλες δύο περιόδους όπου έγινε η μελέτη. Έτσι, για τη μεσαία ημέρα της εβδομάδας (19 η Απριλίου) τοποθετήθηκαν σε μια κοινή γραφική παράσταση (βλέπε Διάγραμμα 5-2) συναρτήσει του χρόνου η μέση ωριαία ισχύ φωτισμού αλλά και η συνολικά απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία που υπολογίστηκε στο πρώτο κεφάλαιο Stot Lux ώρα ημέρας (h) 24 Διάγραμμα 5-2 Κοινή απεικόνιση της συνολικά απορροφούμενης ακτινοβολίας και της ωριαίας μέσης ισχύος φωτισμού για τη 19 η Απριλίου 98

99 Είναι εμφανής η εξάρτηση της ισχύος φωτισμού από την ηλιακή ακτινοβολία που απορροφά το δωμάτιο. Για την εύρεση της συνάρτησης πήραμε τις ώρες που είχαμε ηλιοφάνεια και με μέθοδο ελαχίστων τετραγώνων γραμμικοποιήσαμε τη συμπεριφορά των ωριαίων σημείων. Stot-Lux Linear (Stot-Lux) Stot (W) y = 1,94x - 5, Μέση ωριαία ισχύς φωτισμού (lux) Διάγραμμα 5-3 Σχέση μεταξύ απορροφούμενης ακτινοβολίας και ισχύος φωτισμού, εύρεση γραμμικής συνάρτησης Από το Διάγραμμα 5-3 βρήκαμε τελικά τη εξής γραμμική συνάρτηση: y 1,94 x 5,954 (5.2) 5.4 Σχέση ηλεκτρικής κατανάλωσης κεντρικού φωτισμού και ποσοστού ισχύος φωτισμού [13] Για τη μελέτη της ηλεκτρικής κατανάλωσης του φωτιστικού που χρειάζεται για να επιτύχουμε ανάλογη ισχύ φωτισμού στο χώρο, πήραμε κάποιες μετρήσεις από το έξυπνο σπίτι στο Γέρακα τις οποίες τις προσαρμόσαμε στο δικό μας χώρο (βλέπε Διάγραμμα 5-4). Ο κεντρικός φωτισμός του δωματίου είναι μια λάμπα χαμηλής κατανάλωσης ισχύος 2 W. Με τη βοήθεια του αισθητήρα τις νυχτερινές ώρες, όπου δεν έχουμε ηλιοφάνεια, μετρήσαμε την ισχύ τεχνητού φωτισμού η οποία υπολογίστηκε στα 26 lux περίπου. Όσον αφορά την υφιστάμενη εγκατάσταση φωτισμού, θεωρούμε ότι τα 26 lux αντιστοιχούν σε 5 lux (που είναι και το επιτρεπτό όριο). Η συνάρτηση πολυωνυμικής μορφής δευτέρου βαθμού είναι ίση: y x x 2,24,563 1,166 (5.3) 99

100 Ε(%Lux) Poly. (Ε(%Lux)) Ε φωτιστικού (W) y =,24x 2 -,563x + 1, ποσοστό ισχύος φωτισμού(%) 1 Διάγραμμα 5-4 Σχέση ηλεκτρικής κατανάλωσης και ποσοστού ισχύος φωτισμού, εύρεση πολυωνυμικής συνάρτησης δεύτερου βαθμού 5.5 Αποτελέσματα λειτουργίας μεταβλητού φωτισμού Τα αποτελέσματαα βρέθηκαν χωριστά για καθεμιά περίοδο. Η χρήση τεχνητού φωτισμού με και χωρίς ρύθμιση της έντασής του στηρίχτηκε: στη μέση ωριαία ισχύ φωτισμού (φωτεινότητα), η οποία της απορροφούμενης ακτινοβολίας στην παρουσία ανθρώπου τη δεδομένη χρονική στιγμή είναι ανάλογη Έτσι, καταλήξαμε στα κάτωθι αποτελέσματα: Απριλίου Από το παρακάτω διάγραμμα παρατηρούμε ότι υπάρχουν αρκετά διαστήματα (ιδιαιτέρως στις 2 Απριλίου) όπου η χρήση μεταβλητού τεχνητού φωτισμού κρίνεται απαραίτητη. 1

101 ηλεκτρική κατανάλωση(w) σταθερός φωτισμός(wh) μεταβλητός φωτισμός (Wh) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 5-5 Ηλεκτρική κατανάλωση φωτισμού, με και χωρίς τη ρύθμιση της έντασης φωτισμού, (16-22 Απριλίου) 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου Για τη συγκεκριμένη περίοδο, όπως και για την περίοδο του Οκτωβρίου στις οποίες θεωρήσαμε κοινό μοντέλο καταναλώσεων παρατηρείται μια ομοιομορφία στις γραφικές τους παραστάσεις. Σε σχέση με την προηγούμενη περίοδο υπάρχει μικρότερη εξοικονόμηση από το φωτισμό, η οποία συμβαίνει κυρίως τις απογευματινές ώρες (βλέπε Διάγραμμα 5-6). σταθερός φωτισμός(wh) μεταβλητός φωτισμός (Wh) ηλεκτρική κατανάλωση(w) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 5-6 Ηλεκτρική κατανάλωση φωτισμού, με και χωρίς τη ρύθμιση της έντασης φωτισμού (31 Ιουλίου- 6 Αυγούστου) 7-13 Οκτωβρίου Για την τελευταία περίοδο η εξοικονόμηση είναι ακόμη χαμηλότερη. Συγκρίνοντας τις δύο επόμενες γραφικές παραστάσεις (με και χωρίς περσίδες) δε διακρίνουμε σημαντικές μεταβολές, εκτός από τη 17 η Απριλίου 11

102 στην οποία, στο διάγραμμα που αφορά τη χρήση των περσίδων, παρατηρείται μεγαλύτερη κατανάλωση στην περίπτωση σταθερού φωτισμού. ηλεκτρική κατανάλωση(w) σταθερός φωτισμός(wh)- χωρίς περσίδες μεταβλητός φωτισμός(wh)-χωρίς περσίδες χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 5-7 Ηλεκτρική κατανάλωση φωτισμού, με και χωρίς τη ρύθμιση της έντασης φωτισμού, χωρίς περσίδες (7-13 Οκτωβρίου) ηλεκτρική κατανάλωση(w) σταθερός φωτισμός(wh)- με περσίδες μεταβλητός φωτισμός(wh)-με περσίδες χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 5-8 Ηλεκτρική κατανάλωση φωτισμού, με και χωρίς τη ρύθμιση της έντασης φωτισμού, με περσίδες (7-13 Οκτωβρίου) 12

103 Τελικά συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο 13

104 6 Τελικά συμπεράσματα Στο παρόν κεφάλαιο καταλήγουμε τελικά στις αποφάσεις τις οποίες πρέπει να παρθούν έχοντας λάβει υπόψη αυτά που αναφέρθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια. Στη συνέχεια θα γίνει μια αποτίμηση στην εξοικονόμηση ενέργειας που πετυχαίνουμε. 6.1 Τελικές αποφάσεις για τις περσίδες Η αποκοπή της άμεσης ακτινοβολίας κρίνεται απαραίτητη αφού ο χώρος τον οποίο μελετάμε λειτουργεί και σαν εργασιακός χώρος. Έτσι, το διάβασμα γίνεται πιο ξεκούραστο. Υπολογίσαμε ότι από τις τρεις περιόδους μόνο η περίοδος του Οκτωβρίου απαιτεί λειτουργία περσίδων, καθώς τότε το παράθυρο δε σκιάζεται τις ώρες που υπάρχει ηλιοφάνεια (βλέπε Πίνακας 6-1). Συνεπώς, θα πρέπει να τοποθετηθούν εξωτερικές περσίδες και, απλά, τις μέρες που δε θα χρειάζονται θα παραμένουν σε οριζόντια θέση. Υπολογίστηκε ότι για την περίοδο του Οκτωβρίου οι ενεργειακές απώλειες από την ηλιακή ακτινοβολία λόγω της χρήσης περσίδων αγγίζουν τις 15354,86 Wh. Περίοδος μελέτης Λειτουργία περσίδων Απριλίου ΟΧΙ 31 Ιουλίου- 6 Αυγούστου ΟΧΙ 7-13 Οκτωβρίου ΝΑΙ Πίνακας 6-1 Λειτουργία περσίδων 6.2 Λειτουργία και απόδοση κλιματιστικού Η θερμοκρασία πάνω από την οποία λειτουργεί το κλιματιστικό είναι οι 25 C. Για τη συγκεκριμένη μελέτη, η επιθυμητή θερμοκρασία δωματίου κυμαίνεται από τους 24 έως τους 26,5 C. Παρακάτω παρατίθενται τα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε όσον αφορά τη πιθανή χρήση του κλιματιστικού για τις τρεις περιόδους. Επιλέχτηκε η βέλτιστη και οικονομικότερη λύση για καθεμιά ξεχωριστά. 14

105 16-22 Απριλίου Από το κεφάλαιο με την πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας, αναλύοντας τα αποτελέσματα για τις διάφορες τιμές b (ελάχιστος χρόνος επαναλειτουργίας), βλέπουμε ότι, μέχρι και για b=6, τα αποτελέσματα της εσωτερικής θερμοκρασίας είναι αποδεκτά (για b=6 η μέγιστη «μέση θερμοκρασία» είναι γύρω στους 26 C, το οποίο για την περίπτωση που μελετάται είναι αποδεκτό). Για b=8 η θερμοκρασία φτάνει τους 27,5 C,το οποίο και απορρίπτεται. Συνεπώς, επιλέγουμε λειτουργία κλιματιστικού με b=6. Στο Διάγραμμα 6-1 παρουσιάζεται και για τις τέσσερις περιπτώσεις η αθροιστική καταναλισκόμενη ηλεκτρική ενέργεια από το κλιματιστικό κατά τη διάρκεια της εβδομάδας. ηλεκτρική κατανάλωση(wh) Aπριλίου χρόνος εβδομάδας(h) b=,1,2 b=4 b=6 b=8 Διάγραμμα 6-1 Ηλεκτρική καταναλισκόμενη ενέργεια την εβδομάδα Απριλίου, και για τις 4 περιπτώσεις b Στον παρακάτω πίνακα καταγράφονται όλα τα αποτελέσματα που πάρθηκαν κατά τη διερεύνηση της μεταβλητής b. Λαμβάνοντας υπόψη και τα θερμοκρασιακά αποτελέσματα, συμπεραίνουμε ότι με τη χρήση της μεταβλητής εξοικονομούμε 21,56 % από τη λειτουργία του κλιματιστικού. 15

106 Συνολική ενεργειακή κατανάλωση (Wh) Εξοικονόμηση από τη μεταβολή του b (%) b=,1,2 b=4 b=6 b=8 7696, , , ,76 9,71 21,56 46,11 Πίνακας 6-2 Συγκεντρωμένα αποτελέσματα που πάρθηκαν κατά τη διερεύνηση της μεταβλητής b (16-22 Απριλίου) 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου Ομοίως, στηριζόμενοι στα αποτελέσματα του τέταρτου κεφαλαίου επιλέγουμε b=6. Για b=6, η θερμοκρασία εμφανίζεται με μέγιστα γύρω στους 26 C τις απογευματινές-βραδινές ώρες (27 C σε μεμονωμένα σημεία). Η περίπτωση για b=8 απορρίφθηκε γιατί τα επίπεδα θερμοκρασιών κυμαίνονται από 26 έως 29 C. ηλεκτρική κατανάλωση(wh) Iουλίου-6 Αυγούστου χρόνος εβδομάδας(h) b=,1,2 b=4 b=6 b=8 Διάγραμμα 6-2 Ηλεκτρική καταναλισκόμενη ενέργεια την εβδομάδα 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου, και για τις 4 περιπτώσεις b 16

107 Με τη βοήθεια του παρακάτω πίνακα και των αποτελεσμάτων που φαίνονται στο Διάγραμμα 6-2 συμπεραίνουμε ότι η εξοικονόμηση στη χρήση του κλιματιστικού είναι 2,33 %. Συνολική ενεργειακή κατανάλωση (Wh) Εξοικονόμηση από τη μεταβολή του b (%) b=,1,2 b=4 b=6 b= , , , ,56 7,34 2,33 27,97 Πίνακας 6-3 Συγκεντρωμένα αποτελέσματα που πάρθηκαν κατά τη διερεύνηση της μεταβλητής b (31 Ιουλίου- 6 Αυγούστου) 7-13 Οκτωβρίου Για την περίοδο του Οκτωβρίου επιβάλλεται η χρήση περσίδων, οπότε θα πρέπει να λάβουμε υπόψη και αυτό τον παράγοντα. Όσον αφορά την πρόβλεψη θερμοκρασίας δωματίου καταλήγουμε ότι βέλτιστη τιμή μεταξύ αυτών που τέθηκαν προς διερεύνηση είναι b=8. Στο Διάγραμμα 6-3 παρουσιάζονται οι ευρεθείσες καμπύλες εσωτερικής θερμοκρασίας, με και χωρίς τη χρήση περσίδων, για τη συγκεκριμένη τιμή b. θερμοκρασία( C) Οκτωβρίου (b=8) χρόνος εβδομάδας(h) Τout( C) Tin( C) με περσίδες -με κλιματιστικό Tin ( C) χωρίς περσίδες -με κλιματιστικό Διάγραμμα 6-3 Εξωτερική θερμοκρασία και εσωτερική θερμοκρασία δωματίου λαμβάνοντας υπόψη το κλιματιστικό, με και χωρίς περσίδες (7-13 Οκτωβρίου) 17

108 Δύο παρατηρήσεις οφείλεται να γίνουν: Όταν το κλιματιστικό λειτουργεί και για τις δύο περιπτώσεις, η θερμοκρασία, χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση κινητού μέσου, δεν ξεπερνά τους 24 C. Τις δύο πρώτες ημέρες, κατά τη λειτουργία του τις απογευματινές ώρες η θερμοκρασία κυμαίνεται από 25,5 έως 26,5 C μέχρι που σταθεροποιείται στους 24 C. Τη δεύτερη μέρα, με τη χρήση περσίδων, το κλιματιστικό, για ένα διάστημα μιας ώρας περίπου, δουλεύει παραπάνω από όταν δεν θα είχαμε περσίδες. Στον παρακάτω πίνακα το κλιματιστικό εμφανίζεται να καταναλώνει περισσότερη ενέργεια όταν έχουμε περσίδες. Ασφαλώς, οι καταναλώσεις δε συγκρίνονται με αυτές του καλοκαιριού, οι οποίες είναι δεκαπλάσιες. Το συγκεκριμένο παράδοξο συμβαίνει για τους εξής λόγους: Έχουμε κάνει παραδοχή για την απορροφούμενη ακτινοβολία ότι η συνθήκη σκίασης παραθύρου ισχύει για το κέντρο συμμετρίας του παραθύρου. Έτσι αν δε σκιάζεται αυτό το σημείο, ακόμη κι αν σκιάζεται το ένα τρίτο του παραθύρου θεωρούμε ότι το παράθυρο δε σκιάζεται καθόλου. Οπότε χωρίς τη χρήση περσίδων, και ειδικά τη δεύτερη μέρα που η άμεσα προσπίπτουσα ακτινοβολία έχει πολύ μεγάλη συμβολή, η θερμοκρασία δωματίου εκτινάσσεται στους 45 C. Στις 8 Οκτωβρίου, γύρω στις 4 το απόγευμα φαίνεται ότι λειτουργεί το κλιματιστικό μόνο όταν έχουμε περσίδες. Από την εξίσωση (4.19), συμπεραίνουμε ότι αν ο βαθμός απόδοσης είναι αρνητικός το κλιματιστικό δε λειτουργεί. Αυτό συμβαίνει όταν μετά από μια επανάληψη λειτουργίας κλιματιστικού η ευρεθείσα εσωτερική θερμοκρασία (T C ) είναι μεγαλύτερη από την εξωτερική (T H ). Γνωρίζοντας ότι η θερμοκρασία στην προηγούμενη επανάληψη ήταν πολύ υψηλή της τάξεως των 4 C, ενώ η εξωτερική θερμοκρασία περιβάλλοντος 27 C, σε μία επανάληψη η θερμοκρασία δωματίου δεν καταφέρνει να πέσει κάτω από τους 27 C. Επομένως, ο βαθμός απόδοσης είναι αρνητικός και άρα το κλιματιστικό δε 18

109 λειτουργεί. Συμπεραίνουμε ότι αν δεν είχαμε κάνει την παραδοχή για το παράθυρο και τη σκίασή του θα είχαμε διαφορετικά αποτελέσματα. b=,1,2 b=4 b=6 b=8 Συνολική ενεργειακή κατανάλωση χωρίς περσίδες (Wh) 1798, , , ,95 Συνολική ενεργειακή κατανάλωση με περσίδες (Wh) 278, , ,3 1951,778 Εξοικονόμηση από τη μεταβολή του b (%) όταν χρησιμοποιούμε περσίδες σε σύγκριση με τη μη χρήση περσίδων Εξοικονόμηση από τη μεταβολή του b (%) όταν έχουμε τη χρήση περσίδων -15,58-15,8-12,6-8,54,43 3,4 6,9 Πίνακας 6-4 Συγκεντρωμένα αποτελέσματα που πάρθηκαν κατά τη διερεύνηση της μεταβλητής b, με και χωρίς τη χρήση περσίδων (7-13 Οκτωβρίου) Με τα παραπάνω αποτελέσματα κρίνουμε ότι μπορούμε να μειώσουμε την κατανάλωση του κλιματιστικού στα 8,54 % (για b=8). Η εξοικονόμηση που έχουμε από τη διερεύνηση του b είναι 6,9 %. Τέλος, και για τις τρεις περιόδους, οι διακυμάνσεις της εσωτερικής θερμοκρασίας με εύρος 3-4 C, μπορούν να μειωθούν με τη χρήση ενός κλιματιστικού λιγότερων btu/h. Για παράδειγμα, έστω ότι είχαμε κλιματιστικό 7 btu/h για την εβδομάδα του Αυγούστου βλέπουμε ότι η διακύμανση είναι μικρότερη. Κυμαίνεται στους 2-3 C, μείωση κατά ένα βαθμό (βλέπε Διάγραμμα 6-4). 19

110 Διπλωματική εργασία Νικόλαου Κακαβούλη Tin( C)-με κλιματιστικό 9btu/h Tin( C)-με κλιματιστικό 7btu/h θερμοκρασία( C) χρόνος εβδομάδας(h) Διάγραμμα 6-4 Σύγκριση καμπυλών εσωτερικής θερμοκρασίας για την εβδομάδα 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου για λειτουργία κλιματιστικών 9 και 7 btu/h 6.3 Φωτισμός Για τη μελέτη φωτισμού από το προηγούμενο κεφάλαιο βρήκαμε τα κάτωθι αποτελέσματα: Απριλίου Ο Πίνακας 6-5 παραθέτει τη συνολική καταναλισκόμενη ενέργεια μόνο από το φωτισμό με και χωρίς τη δυνατότητα ρύθμισης της έντασης του φωτισμού. Η εξοικονόμηση ενέργειας στο φωτισμό λόγω της ρύθμισης σε αυτόν (dimming control) αγγίζει το 37,34%. Χωρίς ρύθμιση φωτισμού Με ρύθμιση φωτισμού Συνολική καταναλισκόμενη ενέργεια από φωτισμό 115, ,984 (Wh) Πίνακας 6-5 Καταναλισκόμενη ενέργεια από το φωτισμό, με και χωρίς ρύθμιση φωτισμού, την περίοδο Απριλίου 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου Όσον αφορά την περίοδο του Αυγούστου η εξοικονόμηση που λαμβάνουμε είναι της τάξης του 33,75% (βλέπε Πίνακα 6-6). 11

111 Συνολική καταναλισκόμενη ενέργεια από φωτισμό (Wh) Χωρίς ρύθμιση φωτισμού Με ρύθμιση φωτισμού ,237 Πίνακας 6-6 Καταναλισκόμενη ενέργεια από το φωτισμό, με και χωρίς ρύθμιση φωτισμού, την περίοδο 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου 7-13 Οκτωβρίου Τέλος, για την τελευταία περίοδο παίρνουμε δύο περιπτώσεις, ανάλογα με το αν χρησιμοποιούμε περσίδες ή όχι. Μια πρώτη παρατήρηση από τα στοιχεία του παρακάτω πίνακα είναι ότι δεν έχουμε τα ίδια επίπεδα εξοικονόμησης σε σχέση με τις δύο προηγούμενες περιόδους. Χωρίς περσίδες: Η εξοικονόμηση είναι της τάξης του 12,63% Με περσίδες: Η εξοικονόμηση αγγίζει το 13,91% Συνολική καταναλισκόμενη ενέργεια από φωτισμό (Wh)- χωρίς περσίδες Συνολική καταναλισκόμενη ενέργεια από φωτισμό (Wh)- με περσίδες Χωρίς ρύθμιση φωτισμού Με ρύθμιση φωτισμού , ,689 Πίνακας 6-7 Καταναλισκόμενη ενέργεια από το φωτισμό, με και χωρίς ρύθμιση φωτισμού, με και χωρίς τη λειτουργία περσίδων, την περίοδο 7-13 Οκτωβρίου 6.4 Συνολική εξοικονόμηση ενέργειας Συνοψίζοντας όλα τα παραπάνω αποτελέσματα για κάθε μία από τις τρεις περιόδους υπολογίστηκε η συνολική ενεργειακή εξοικονόμηση λαμβάνοντας υπόψη : Τις περσίδες Τον κλιματισμό με το βέλτιστο b Τη ρύθμιση του φωτισμού Έτσι: 111

112 16-22 Απριλίου Η συνολική εξοικονόμηση βρέθηκε 23,62%. Χωρίς εξοικονόμηση Με εξοικονόμηση Ποσοστό εξοικονόμησης ΦΩΤΙΣΜΟΣ 115, ,984 37,34 ΚΛΙΜΑΤΙΣΤΙΚΟ 7696, ,257 21,56 ΣΥΝΟΛΟ 8847, ,241 23,62 Πίνακας 6-8 Συνολική εξοικονόμηση για την περίοδο Απριλίου 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου Η συνολική εξοικονόμηση υπολογίστηκε 2,88% Χωρίς εξοικονόμηση Με εξοικονόμηση Ποσοστό εξοικονόμησης ΦΩΤΙΣΜΟΣ ,237 33,75 ΚΛΙΜΑΤΙΣΤΙΚΟ 22583, ,22 2,33 ΣΥΝΟΛΟ 23563, ,457 2,88 Πίνακας 6-9 Συνολική εξοικονόμηση για την περίοδο 31 Ιουλίου-6 Αυγούστου 7-13 Οκτωβρίου Λόγω της παραδοχής που είχαμε κάνει μελετώντας το φαινόμενο της σκίασης καταλήξαμε ότι έχουμε σχεδόν μηδενική εξοικονόμηση (-,62%). Ωστόσο, θα πρέπει να τονιστεί ότι αν δεν είχαμε διερευνήσει τη λειτουργία το κλιματιστικού τότε το ποσοστό της ενεργειακής κατανάλωσης θα άγγιζε το -5,18%. Ολοκληρώνοντας, με διαφορετική παραδοχή στη μελέτη σκίασης είναι βέβαιο ότι θα είχαμε εξοικονόμηση ενέργειας και τον Οκτώβρη. Χωρίς εξοικονόμηση Με εξοικονόμηση Ποσοστό εξοικονόμησης ΦΩΤΙΣΜΟΣ ,689 13,91 ΚΛΙΜΑΤΙΣΤΙΚΟ 1798, ,778-8,54 ΣΥΝΟΛΟ 2778, ,467 -,62 Πίνακας 6-1 Συνολική εξοικονόμηση για την περίοδο 7-13 Οκτωβρίου 112

113 6.5 Προοπτικές για περαιτέρω μελέτη Γενίκευση της μεθόδου, η οποία αναπτύχθηκε, για τη μελέτη ενός ολόκληρου κτιρίου (μελέτη πιθανής σκίασης). Έτσι, θα μπορεί να γίνει ευρύτερη ανάλυση στην εξοικονόμηση από τη ρύθμιση του φωτισμού και τη χρήση των κλιματιστικών όπου αυτά απαιτούνται. Δημιουργία προγράμματος λαμβάνοντας υπόψη και τη θέρμανση των χώρων την εποχή μεταξύ τέλη Οκτωβρίου και τέλη Μαρτίου. Μελέτη δωματίου λαμβάνοντας υπόψη και πιθανό αερισμό (ανοιχτή πόρτα, παράθυρο). Καταγεγραμμένα μοντέλα ηλεκτρικών καταναλώσεων για ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια. Τοποθέτηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (κυρίως φωτοβολταϊκών στοιχείων) και συσσωρευτών για μελέτη εξοικονόμησης ενέργειας σε ένα κτίριο, λόγω της εγκατάστασης ανανεώσιμων πηγών, καθώς και μελέτη δυνατότητας αυτονομίας. Έλεγχος κλιματιστικού για διαφορετικά b ή μεταβολή της μεταβλητής b κατά τη διάρκεια της μέρας για αύξηση της εξοικονόμησης. Λεπτομερέστερη ανάλυση φωτισμού για καλύτερα αποτελέσματα ρύθμισης φωτισμού Έλεγχος θεωρητικών αποτελεσμάτων με αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Διαφορετική ανάλυση στη μεταφορά θερμότητας μέσα από τους τοίχους, λαμβάνοντας υπόψη και την αποθήκευση θερμότητας στου τοίχους. Σύγκριση διαφορετικών μοντέλων που υπάρχουν για τον υπολογισμό της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας. 113

114 114

115 Κατασκευή υβριδικού συστήματος στο εργαστήριο Σ.Η.Ε. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο 115

116 7 Κατασκευή υβριδικού συστήματος στο εργαστήριο Σ.Η.Ε. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης διπλωματικής ήταν και η αναδιαμόρφωση του εργαστηρίου Σ.Η.Ε. και η κατασκευή ενός υβριδικού συστήματος, το οποίο, εκτός των άλλων, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και για προσομοίωση σε πραγματικό χρόνο της συμπεριφοράς ενός έξυπνου σπιτιού ανάλογα με τις ενεργειακές καταναλώσεις του, την ώρα της ημέρας και τις εκάστοτε μετεωρολογικές συνθήκες που επικρατούν. 7.1 Υβριδικό σύστημα Ένα υβριδικό σύστημα ανανεώσιμης ενέργειας είναι ένα σύστημα όπου δύο ή περισσότερες παροχές από διαφορετικές πηγές ανανεώσιμης ενέργειας (ηλιακή θερμική, ηλιακή- φωτοβολταϊκή, αιολική, βιομάζα, υδραυλική κτλ.) ενσωματώνονται για να παράσχουν ηλεκτρισμό ή θερμότητα, ή και τα δύο, καλύπτοντας την ίδια ζήτηση. Επειδή οι τύποι παροχής των διαφορετικών πηγών ανανεώσιμης ενέργειας μπορεί να μην έχουν συνεχή ροή αλλά να διακόπτονται, είναι συχνά πιθανόν να επιτύχουμε μια καλύτερη γενική παροχή ενσωματώνοντας δύο ή περισσότερες πηγές, συμπεριλαμβάνοντας μερικές φορές μια μορφή αποθήκευσης της ενέργειας, όπως για παράδειγμα μπαταρίες. Με τον τρόπο αυτό η παροχή ενέργειας μπορεί να γίνει πιο σταθερή και να παρέχει υψηλή αξιοπιστία. Τα κατάλληλα υβριδικά συστήματα που βρίσκονται εκτός δικτύου μπορούν να εμπερικλείουν ενέργεια στις μπαταρίες για την αύξηση της διάρκειας της ενεργειακής αυτονομίας. Εάν κάποια από τα φορτία που συνδέονται με ένα υβριδικό φωτοβολταϊκό-αιολικό σύστημα απαιτούν μόνιμη παροχή ηλεκτρισμού, μια εφεδρική γεννήτρια diesel μπορεί να συνδεθεί με το σύστημα για να παράσχει ηλεκτρική ενέργεια για τα υψηλότερα φορτία που δεν μπορούν να καλυφθούν από τον υβριδικό συνδυασμό αέρα και ήλιου. Ένα τυπικό μικρό υβριδικό σύστημα μπορεί να περιλαμβάνει τα παρακάτω στοιχεία: Ηλιακή Γεννήτρια PV, η οποία περιλαμβάνει έναν αριθμό σειριακών ή παράλληλα συνδεδεμένων ηλιακών στοιχείων (ανάλογα με την απαιτούμενη τάση). Συμπεριλαμβάνονται στοιχεία σύνδεσης και προστασίας (βοηθητικές 116

117 δίοδοι και/ ή anti-return).το στοιχείο αυτό αποδίδει μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας μέσα από την μετατροπή της ηλιακή ενέργειας. Ανεμογεννήτρια, η οποία καλύπτει μέρος της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενεργείας μέσα από την μετατροπή της μηχανικής ενέργειας από τον άνεμο. Μονάδα αποθήκευσης (σετ συσσωρευτών). Συνήθως χρησιμοποιούνται οι μπαταρίες Pb όπως επίσης και οι Ni-Fe, που επικεντρώνονται σε εφαρμογές στον τομέα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Μονάδα ρύθμισης ισχύος. Αυτή μπορεί να αποτελείται από έναν μετατροπέα DC/DC. (για DC φορτία) και/ ή μετατροπέα (για AC φορτία). Τα κύρια οφέλη (πλεονεκτήματα) ενός υβριδικού συστήματος είναι: Πιθανότητα συνδυασμού δύο ή περισσότερων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας βάσει της φυσικής τοπικής δυνητικότητας των χρηστών Περιβαλλοντική προστασία, ιδιαίτερα όσον αφορά την μείωση εκπομπών CO2 χαμηλού κόστους Χαμηλό κόστος η αιολική και η ηλιακή ενέργεια μπορούν να γίνουν ανταγωνιστικές με την πυρηνική ενέργεια, το κάρβουνο και το αέριο δίνοντας ιδιαίτερη σημασία στις τάσεις για μελλοντικό κόστος που αφορούν την ορυκτή και την πυρηνική ενέργεια. Διαφορετικότητα και ασφάλεια παροχής. Γρήγορη ανάπτυξη - δομοστοιχειωτό και γρήγορο στην εγκατάσταση του. Το καύσιμο είναι δωρεάν και ανεξάντλητο. Το κόστος είναι προβλέψιμο και δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις στις τιμές των καυσίμων, παρόλο που οι διακυμάνσεις στις τιμές των μπαταριών θα έχουν επίπτωση στις περιπτώσεις όπου χρησιμοποιούνται. 117

118 7.2 Γενικά στοιχεία υβριδικού συστήματος Το υβριδικό σύστημα του εργαστηρίου (βλέπε Εικόνα 7.1 και Εικόνα 7.5) εκμεταλλεύεται ταυτόχρονα την ηλιακή και την αιολική ενέργεια, ενώ υπάρχουν και μπαταρίες για δυνατότητα αποθήκευσης. Έχει τη δυνατότητα σύνδεσης με το κεντρικό δίκτυο της ΔΕΗ. Το υβριδικό σύστημα περιλαμβάνει: Φωτοβολταϊκά isofoton I 11/12 Εικόνα 7.1 Υβριδικό σύστημα εργαστηρίου Συνολικά τοποθετήθηκαν 11 φωτοβολταϊκά πανέλα, συνδεδεμένα σε σειρά, ισχύος 11 W ±1% το καθένα. Έτσι, η συνολική ισχύς φτάνει τα 1,21 kw. Εικόνα 7.2 Φωτοβολταϊκά πανέλα Ανεμογεννήτρια Whisper Wind generators μοντέλο H8HV Η ανεμογεννήτρια είναι ισχύος 1kW. H ανεμογεννήτρια Whisper συνοδεύεται από ένα μετατροπέα, τον Whisper link, στην έξοδο του οποίου παίρνουμε συνεχείς τιμές (DC τιμές). Εικόνα 7.3 Ανεμογεννήτρια 118

119 Συσσωρευτές ΕΡΓΟΝ Pb Solar OPzS Χρησιμοποιήθηκαν 3 μπαταρίες μολύβδου οξέος των 2 V και 375 Ah η καθεμία. Είναι διάφανα στοιχεία βιομηχανικού σωληνωτού τύπου, βαθιάς εκφόρτισης. Εικόνα 7.4 Μπαταρίες Και τα τρία αυτά στοιχεία συνδέονται στο δίκτυό μας με τη βοήθεια αντιστροφέων (inverters). Έτσι, χρησιμοποιήθηκαν τα μοντέλα Sunny Boy 11, Windy Boy 17 και Sunny Island 45 από την εταιρία SMA. Οι αντιστροφείς φαίνονται στην Εικόνα 7.5. plc Πίνακας φορτίων Αιολική ενέργεια Ηλιακή ενέργεια Ενέργεια μπαταρίες από φορτία Εικόνα 7.5 Υβριδικό σύστημα εργαστηρίου Σ.Η.Ε. Το σύστημα μας έχει τη δυνατότητα σύνδεσης με ένα αριθμό φορτίων: 1 κινητήρα STAC ισχύος,5hp και RPM=28 4 λαμπτήρες φθορισμού ισχύος 2 W ο καθένας 5 λαμπτήρες πυρακτώσεως ισχύος 1 W ο καθένας 119

120 1 πηνία με x Ν =162 Ω το καθένα. Το σύστημα θα εξυπηρετεί τα φορτία του απ ευθείας, εφ όσον παράγεται ενέργεια από τα φωτοβολταϊκά ή την ανεμογεννήτρια και θα αποθηκεύει την περισσευούμενη ενέργεια στις μπαταρίες. Όταν δε θα υπάρχει παραγόμενη ενέργεια, για την κάλυψη της ζήτησης θα ενεργοποιούνται οι μπαταρίες. Σε περίπτωση που ούτε οι μπαταρίες θα μπορούν να εξυπηρετήσουν τα φορτία τότε θα υπάρχει δυνατότητα σύνδεσης του με το δίκτυο της ΔΕΗ. Τέλος, θα μπορεί να παρέχει ενέργεια στην ΔΕΗ, όταν αυτή παράγεται και δεν μπορεί να καταναλωθεί άμεσα ή να αποθηκευτεί. 7.3 Σύνδεση ανεμογεννήτριας στο υβριδικό σύστημα Εικόνα 7.6 Απλοποιημένο μονογραμμικό σχέδιο για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας Η κύρια εργασία που μου ανατέθηκε ήταν η σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο μονοφασικό υβριδικό δίκτυό μας. Έτσι, χρειάστηκε να γίνει διαστασιολόγηση των καλωδίων και για το συνεχές κομμάτι και για το εναλλασσόμενο κομμάτι. Επιπλέον, έγινε η τοποθέτηση ενός πολυοργάνου της DEIF στην ac πλευρά και δύο κυκλωμάτων LEM στη dc πλευρά για τη μέτρηση συνεχούς τάσης και ρεύματος. Πιο αναλυτικά περιγράφονται παρακάτω. Για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυό μας ακολουθήθηκε το σχέδιο Fraunhofer (βλέπε παράρτημα Η). Το ηλεκτρολογικό σχέδιο που ακολουθήθηκε έγινε με τη βοήθεια του προγράμματος Autocad και παρουσιάζεται στην Εικόνα

121 Εικόνα 7.7 Ηλεκτρολογικό σχέδιο για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας και τη τοποθέτηση οργάνων DC κομμάτι Ο υπολογισμός για καλώδια τάσεων μέχρι και 1 V ΕΡ ή 14 V ΣΡ γίνεται σύμφωνα με το πρότυπο CENELEC HD που είναι κανονισμός στην Ελλάδα και στα μέλη της Ε.Ε. [12]. Υπολογισμός μέγιστου ρεύματος που διέρχεται στο καλώδιο [12] Το ρεύμα υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη ένα «ρεύμα αναφοράς» Ι, το οποίο δηλώνει το όριο φόρτισης ενός καλωδίου, και πολλαπλασιάζοντάς το με δύο συντελεστές ως εξής: 121

122 I I f f (7.1) n όπου Ι βρίσκεται σε αντίστοιχους πίνακες για διαφορετικούς τύπους καλωδίων και διαφορετική εγκατάσταση καλωδίων f θ ο συντελεστής θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι η θερμοκρασία στο όριο του καλωδίου όταν αυτό δεν φορτίζεται. f n ο συντελεστής του πλήθους κυκλωμάτων. Το πλήθος των φορτιζόμενων αγωγών είναι ίσο προς τους αγωγούς που φέρουν ρεύμα, δηλαδή ο αγωγός προστασίας PE δεν προσμετράται. Αν ένας αγωγός διαρρέεται από ρεύμα κάτω από το 3 % της επιτρεπόμενης φόρτισής του δεν προσμετράται στην ομαδοποίηση. Για τη διαστασιολόγηση των καλωδίων στην πλευρά του DC λάβαμε υπ όψιν τη μέγιστο συνεχές ρεύμα εισόδου του Windy boy 17 που δίνεται από τις προδιαγραφές του αντιστροφέα (βλέπε παράρτημα I). Συνεπώς, I max =12,6 A Από την εξίσωση (1.5) υπολογίζουμε αρχικά για καλώδιο διατομής 1,5 mm 2 το ρεύμα αναφοράς, δηλαδή I =17 A( [12]-Πίνακας 7.3b). Ο συντελεστής θερμοκρασίας περιβάλλοντος για μόνωση PVC και θερμοκρασία 45 C είναι ίσος με f θ =,79( [12]-Πίνακας 7.5). Ο συντελεστής πλήθους κυκλωμάτων, με τρόπο τοποθέτησης ελεύθερα στον αέρα υπολογίστηκε f n =1( [12]-Πίνακας 7.6). Έτσι, από την εξίσωση (1.5) προκύπτει το μέγιστο ρεύμα που τελικά μπορεί να περάσει, I=13,43 A. Εφόσον Ι >Ι max χρησιμοποιούμε καλώδιο 1,5mm

123 Εικόνα 7.8 Η πλακέτα των LEM Πέρα από τη διαστασιολόγηση των καλωδίων έγινε και η τοποθέτηση των LEM (βλέπε Εικόνα 7.8). Με τη βοήθεια των LEM μπορούμε να λάβουμε μετρήσεις ρεύματος και τάσης στον ηλεκτρονικό υπολογιστή με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Η λειτουργία των LEM έχει ως εξής: ανάλογα με την τιμή συνεχούς τάσης ή ρεύματος παρέχουν στην έξοδο τους ρεύμα της τάξεως των ma. Εν συνεχεία, αυτό διοχετεύεται σε μια αναλογική μονάδα η οποία μπορεί να μετράει ρεύμα ή τάση. Οι προδιαγραφές της συγκεκριμένης αναλογικής μονάδας αναφέρουν δυνατότητα μέτρησης για ρεύματα εισόδου έως 2 ma ή τάση εισόδου έως 1 VDC. Η μονάδα αυτή συνδέεται μέσω Can-Βus με την κεντρική και λογική μονάδα επεξεργασίας των PLC. Από εκεί, μέσω Ethernet μεταφέρονται στον υπολογιστή. Το λογισμικό που χρησιμοποιείται για τον προγραμματισμό των PLC είναι το Codesys. Για την ανεμογεννήτρια χρησιμοποιήθηκαν τα παρακάτω LEM: Current Transducer LA 25-NP για μέτρηση του ρεύματος, το οποίο δέχεται στην είσοδο μέχρι και 25 Α ενώ στην έξοδο δίνει μέχρι και 25 ma. Με βάση τον πίνακα χαρακτηριστικών, επιλέγουμε την ρύθμιση εκείνη, ώστε να δέχεται ονομαστικά μέχρι Ι=8 Α στην είσοδο και έτσι ακολουθήθηκε και η ανάλογη συνδεσμολογία για την κόλληση των ακροδεκτών (βλέπε Εικόνα 7.1). Η αντίσταση μέτρησης R Μ =15 Ω στην έξοδο της συνδεσμολογίας επιλέχτηκε καθώς ήταν μέσα στα όρια των προδιαγραφών για το συγκεκριμένο μοντέλο. Voltage Transducer LV 25-P για την μέτρηση της τάσης, το οποίο δέχεται στην είσοδο 1 έως 5V ενώ στην έξοδο δίνει μέχρι Ι=25 ma. Η αντίσταση μέτρησης R Μ =15 Ω στην έξοδο της συνδεσμολογίας επιλέχτηκε καθώς ήταν μέσα στα όρια των προδιαγραφών για το συγκεκριμένο μοντέλο για τροφοδοσία ±15 V. Ενώ, η αντίσταση εισόδου R 1 = 32,6 kω επιλέχτηκε με βάση τον πίνακα χαρακτηριστικών για μεγαλύτερη ακρίβεια στην τάση. 123

124 Εικόνα 7.9 Πλακέτα τροφοδοτικού και πλακέτα των LEM Ενώ το LEM για τη μέτρηση της τάσης είχε τη δυνατότητα τροφοδοσίας από τάση ±12V ή ±15V, για λόγους ευκολίας η τροφοδοσία και των δύο LEM επιλέχτηκε να είναι κοινή DC τάση ±15V. Στην Εικόνα 7.9 φαίνεται η τοποθέτηση του τροφοδοτικού και ακριβώς δίπλα η πλακέτα των LEM. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται το σχέδιο που ακολουθήθηκε για την κόλληση της πλακέτας των LEM. Το σχέδιο έγινε με τη βοήθεια του προγράμματος Autocad. Εικόνα 7.1 Πρόχειρο σχέδιο της πλακέτας που χρησιμοποιήθηκε για την εγκατάσταση των LEM 124

125 7.3.2 INVERTER Windy boy Για το συγκεκριμένο τύπο ανεμογεννήτριας ισχύος 1kW επιλέχτηκε ο windy boy 17 του οποίου τα χαρακτηριστικά βρίσκονται στο παράρτημα Ι. Εικόνα 7.11 Inverter Windy Boy 11 για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας AC κομμάτι Εικόνα 7.12 Πολυόργανο MIC-42 της DEIF και ο μικροαυτόματος των 16 A για τη σύνδεση στο μονοφασικό δίκτυό μας πολυοργάνου είναι οι εξής: Το πολυόργανο MIC βασίζεται σε μια πλατφόρμα διαμόρφωσης επεξεργασίας ψηφιακών σημάτων, στην οποία όλα τα σήματα ρευμάτων και τάσεων εισόδου λαμβάνονται ψηφιακά σε κάθε δειγματοληψία. Συνεπώς, το σύστημα είναι πιο αξιόπιστο στις μετρήσεις του. Οι πιο σημαντικές δυνατότητες μέτρησης μέσω του o o o o Ρεύμα (I) και Τάση (V) Ενεργό (P), άεργο (Q) και φαινόμενη ισχύ (S) Συχνότητα (f) THD I και THD V Το πολυόργανο έχει τη δυνατότητα να συνδέεται, μέσω ModBus, με τον υπολογιστή, και έτσι με το πρόγραμμα MicLink έχουμε τη δυνατότητα να βλέπουμε τις μετρήσεις από την οθόνη του υπολογιστή. Τέλος, μπορεί να γίνει και σύνδεση μέσω LabVIEW και να γίνεται καλύτερη επεξεργασία των αποτελεσμάτων. 125

126 Για τη διαστασιολόγηση των καλωδίων στην πλευρά του AC λάβαμε υπ όψιν τη μέγιστη ισχύ AC εξόδου του Windy boy 17 που δίνεται από τις προδιαγραφές του αντιστροφέα (βλέπε παράρτημα I). Συνεπώς, P AC,max =17 W Για μονοφασικό σύστημα με φασική τάση 23 V καταλήγουμε ότι το μέγιστο ρεύμα εξόδου είναι ίσο με Ι AC,max =7,39 A. Όπως και προηγουμένως, από την εξίσωση (1.5) υπολογίζουμε αρχικά για καλώδιο διατομής 1,5 mm 2 το ρεύμα αναφοράς, δηλαδή I =17 A( [12]- Πίνακας 7.3b). Ο συντελεστής θερμοκρασίας περιβάλλοντος για μόνωση PVC και θερμοκρασία 45 C είναι ίσος με f θ =,79( [12]-Πίνακας 7.5). Ο συντελεστής πλήθους κυκλωμάτων, με τρόπο τοποθέτησης ελεύθερα στον αέρα υπολογίστηκε f n =1( [12]-Πίνακας 7.6). Έτσι, από την εξίσωση (1.5) προκύπτει το μέγιστο ρεύμα που τελικά μπορεί να περάσει, I=13,43 A. Εφόσον Ι >Ι max χρησιμοποιούμε καλώδιο 1,5mm 2. Στην Εικόνα 7.13 φαίνεται η τελική τοποθέτηση των οργάνων μέτρησης και η σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυο του υβριδικού συστήματος. Εικόνα 7.13 Σύνδεση της ανεμογεννήτριας 126

127 7.4 Μελλοντική χρήση και αξιοποίηση του συστήματος Θα επιτευχθεί επικοινωνία των πολυοργάνων και των προγραμματιζόμενων ελεγκτών (plc) με τον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Με τη βοήθεια του λογισμικού LabVIEW θα είναι δυνατή η αυτόματη επιλογή των ρελαί που επιθυμούμε να είναι κλειστοί και ανοικτοί. Υπάρχουν ρελαί τα οποία ελέγχουν ήδη τα φορτία. Ωστόσο, θα τοποθετηθούν και ρελαί για τον έλεγχο της κάθε μονάδας ξεχωριστά (φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτρια, συσσωρευτές). Οι προγραμματιζόμενοι ελεγκτές είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους μέσω CAN-bus, ενώ η κεντρική μονάδα αυτών συνδέεται μέσω καλωδίου Ethernet. Το λογισμικό μέσω του οποίου επιτυγχάνεται η επικοινωνία των plc με τον ηλεκτρονικό υπολογιστή είναι το Codesys. Η επικοινωνία μέσω LabVIEW γίνεται με πρωτόκολλο επικοινωνίας TCP/IP. Τέλος, αναμένεται η τοποθέτηση μετρητών ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο αλλά και σε κεκλιμένο επίπεδο, με κλίση αυτή των φωτοβολταϊκών. Από το παραπάνω συνεπάγεται ότι παρατηρώντας την μετρούμενη ηλιακή ακτινοβολία από τους αισθητήρες-μετρητές κάθε στιγμή, και έχοντας σε λειτουργία τη δεδομένη χρονική στιγμή κάποια από τα φορτία, μπορούμε να μετρήσουμε τη ισχύ την οποία λαμβάνουμε από τα φωτοβολταϊκά, την ανεμογεννήτρια. Εάν η ισχύ αυτή δεν επαρκεί για την κάλυψη του συνολικού φορτίου τότε εισάγονται και οι μπαταρίες και αν δεν επαρκούν ούτε οι μπαταρίες τότε εισάγουμε και το δίκτυο της Δ.Ε.Η Μελλοντική αναβάθμιση Αναμένονται να γίνουν τα εξής: Τοποθέτηση μεγαλύτερων φορτίων (φορτίων μεγαλύτερης ισχύος) Μετατροπή από μονοφασικό σε τριφασικό σύστημα. Νέες συστοιχίες φωτοβολταϊκών πανέλων για αύξηση της παραγόμενης ενέργειας. Μεγαλύτερος αριθμός μπαταριών για αύξηση της αυτονομίας του συστήματος μας. 127

128 8 Παράρτημα Παράρτημα Α A. Διάγραμμα beam ακτινοβολίας για την 7 η Οκτωβρίου χωρίς σκίαση και χωρίς την ύπαρξη ατμόσφαιρας Γενικά η beam ακτινοβολία χωρίς την ύπαρξη ατμόσφαιρας δίνεται από την εξίσωση (8.1). Gb 1367 cos (8.1) όπου cosθ δίνεται από την εξίσωση (1.4). Ενδεικτικά παρουσιάζουμε το διάγραμμα για την 7 η Οκτωβρίου (Διάγραμμα 8-1). 12 διάγραμμα beam ακτινοβολίας για τις 7 οκτωβρίου :33 AM 7:57 AM 8:21 AM 8:45 AM 9:9 AM 9:33 AM 9:57 AM 1:21 AM 1:45 AM 11:9 AM 11:33 AM 11:57 AM 12:21 PM 12:45 PM 1:9 PM 1:33 PM 1:57 PM 2:21 PM 2:45 PM 3:9 PM 3:33 PM 3:57 PM 4:21 PM 4:45 PM 5:9 PM 5:33 PM 5:57 PM 6:21 PM 6:45 PM Διάγραμμα 8-1 Διάγραμμα beam ακτινοβολίας για την 7 η Οκτωβρίου χωρίς την ύπαρξη ατμόσφαιρας Παρατηρούμε ότι η μέγιστη τιμή παρουσιάζεται στο ηλιακό μεσημέρι (12: π.μ.). Η ίδια μορφή παρουσιάζεται και όταν έχουμε ατμόσφαιρα αλλά με αίθριο καιρό. Αυτό παρατηρείται όταν ο δείκτης καθαρότητας (βλέπε εξίσωση 1.3) προσεγγίζει τη μονάδα. 128

129 Παράρτημα B B. Λογισμικό LabVIEW B.1 Εισαγωγή Καθημερινά οι προγραμματιστές αναπτύσσουν λογισμικά εφαρμογών, έτσι ώστε να αυξήσουν την απόδοση και την παραγωγικότητα σε περισσότερες και διαφορετικές καταστάσεις. Το LabVIEW, σαν γλώσσα προγραμματισμού, αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο το οποίο μπορεί να βοηθήσει να επιτύχει τους στόχους αυτούς. Το LabVIEW (Laboratory Instrument Virtual Engineering Workbench) είναι μια γλώσσα προγραμματισμού βασισμένη σε γραφικό περιβάλλον η οποία αναπτύχθηκε από τη National Instruments. Η γραφική του υπόσταση το κάνει ιδανικό για εφαρμογές μετρήσεων, αυτοματισμών, ελέγχου μηχανημάτων, απόκτησης και ανάλυσης δεδομένων (DAQ) [14]. Πέρα από τη βιομηχανία, έχει υιοθετηθεί και για ακαδημαϊκούς σκοπούς καθώς και σε ερευνητικά εργαστήρια. Ο καλύτερος τρόπος για να περιγραφεί το εύρος λειτουργιών του προγράμματος είναι με τη μορφή ενός παραδείγματος. Έστω ότι έχουμε μια βιομηχανία ενός προϊόντος. Στο πρώτο στάδιο λαμβάνονται μετρήσεις διαφόρων μεγεθών (π.χ. θερμοκρασία, πίεση, τάση κλπ). Mε τη βοήθεια του LabVIEW, τα δεδομένα μεταφέρονται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή και εκεί μπορούν να αναλυθούν, να παρασταθούν σε γραφικές παραστάσεις, να αποθηκευτούν κ.α.. Μετά από αυτές τις διαδικασίες είναι πιθανό να δοθούν εντολές για άμεση ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση κάποιων συσκευών. Η εποπτεία, ο έλεγχος, αλλά και η άμεση επικοινωνία με προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές (plc) καθιστά το LabVIEW ένα από τα από τα πιο εύχρηστα προγράμματα [15]. B.2 Συνοπτική παρουσίαση του προγράμματος LabVIEW Στην παρούσα ενότητα παρουσιάζονται κάποια βασικά χαρακτηριστικά του λογισμικού αυτού. 129

130 Το προγράμματα που δημιουργούνται μέσω του LabVIEW ονομάζονται virtual instruments (VIs) αφού η εμφάνιση και η λειτουργία τους μιμούνται πραγματικά όργανα ( virtual instruments = εικονικά όργανα ). Στην Εικόνα 8.1 παρουσιάζεται ένα απλουστευμένο πρόγραμμα LabVIEW. Εικόνα 8.1 Παράδειγμα προγράμματος LabVIEW (εμπρόσθιος πίνακας και διάγραμμα βαθμίδων) Ένα VI αποτελείται από τρία μέρη [15]: Ο εμπρόσθιος πίνακας (front panel) παρουσιάζει ελεγκτές Εικόνα 8.2 Παράθυρο που περιέχει τους ελεγκτές και τους δείκτες (controls), τα οποία είναι στοιχεία που εισάγει στο πρόγραμμα ο χρήστης, και δείκτες (indicators) τα οποία είναι στοιχεία που θεωρούνται οι έξοδοι του συστήματος. Έτσι, έχουμε ένα σύνολο από κουμπιά, leds, γραφικές απεικονίσεις αποτελεσμάτων όπως και τις εισόδους και εξόδους που προαναφέρθηκαν. Στην Εικόνα 8.2 παρουσιάζεται το παράθυρο που συνοδεύει τον εμπρόσθιο πίνακα και περιέχει όλα τα εργαλεία που είναι αναγκαία για το σχεδιασμό του εμπρόσθιου πίνακα. 13

131 Στο παρόν πρόγραμμα, στον εμπρόσθιο πίνακα έχουμε ένα διακόπτη με δυο λειτουργίες. Ανάλογα σε ποια θέση τον έχουμε, η αντίστοιχη ένδειξη ανάβει. Στην περίπτωσή μας,έχουμε θέσει το διακόπτη στη λειτουργία 2 και, επομένως, ανάβει το LED με την ένδειξη λειτουργία 2. Το διάγραμμα βαθμίδων (block diagram) περιέχει τον κώδικα για Εικόνα 8.3 Παράθυρο που περιέχει τις έτοιμες συναρτήσεις για το διάγραμμα βαθμίδων το VI. Το διάγραμμα βαθμίδων είναι το πραγματικό πρόγραμμα που εκτελείται. Τα στοιχεία που αποτελούν ένα τέτοιο διάγραμμα προϋπάρχουσες συναρτήσεις, οι οποίες συναντώνται στο παράθυρο που συνοδεύει το διάγραμμα βαθμίδων, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 8.3. Οι συναρτήσεις είναι ανάλογες με την είσοδο που χρησιμοποιούμε: αν είναι αριθμός, κάποια συμβολοσειρά, πίνακας, λογική τιμή κλπ. Επιπλέον, υπάρχουν δομές που χρησιμοποιούνται για να ορίσουν πιθανότητα, επανάληψη του προγράμματος κ.α. Ενώ, σημαντικό κομμάτι είναι και η ενδεχόμενη επικοινωνία με άλλες συσκευές και έλεγχο αυτών. Φυσικά, μπορεί να εισαχθεί και ο παράγοντας χρόνος και, επομένως, οι λειτουργίες να γίνονται σε πραγματικό χρόνο ή με καθυστέρηση. Πολύ σημαντική είναι και η συμβολή των subvi (βλέπε παρακάτω).τέλος, είναι εφικτή η αποθήκευση και η ανάγνωση αρχείων. Στο παρόν πρόγραμμα, στο διάγραμμα βαθμίδων έχουμε μια δομή με δυο λειτουργίες (αληθής ή ψευδής). Ανάλογα ποια λογική τιμή ισχύει τότε έχουμε και την ανάλογη συνάρτηση που ισχύει. Στην Εικόνα 8.1 έχουμε θέσει το διακόπτη στη λειτουργία 2 και, επομένως, είμαστε στη λογική τιμή «ψευδής» με τις εξής λογικές συναρτήσεις: η έξοδος της λειτουργίας 1 να είναι ίση με την είσοδο (ψευδής, άρα το LED σβηστό) και η έξοδος της λειτουργίας 2 να είναι η αντίθετη από την είσοδο (αληθής, άρα το LED αναμμένο). Το εικονίδιο (icon) αποτελεί την εικονική αναπαράσταση του VI και έχει συνδέσμους για την επιλογή των εισόδων και εξόδων του προγράμματος. Με την εικονική αυτή αναπαράσταση ένα VI μπορεί να 131

132 λειτουργήσει σαν δομικό στοιχείο ενός άλλου προγράμματος, δηλαδή σαν υποπρόγραμμα. Τότε παίρνει τη ονομασία subvi. Τέλος, πρέπει να γίνει μια αναφορά στις δυνατότητες του LabVIEW όσον αφορά την επικοινωνία και τους οδηγούς (drivers) του LabVIEW. Ένας οδηγός είναι το χαμηλότερο από τα τρία επίπεδα στην ανάπτυξη λογισμικού. Παρόλα αυτά ίσως αποτελεί τον πιο σημαντικό παράγοντα γιατί ο τελικός χρήστης που γράφει ένα VI ελέγχου δε χρειάζεται να γνωρίζει τη σύνταξη για να επικοινωνήσει με ένα όργανο, αλλά μόνο να είναι σε θέση να ενώνει τις σωστές εισόδους στον οδηγό του οργάνου. Υπάρχουν διάφορες μορφές επικοινωνίας μέσω του LabVIEW, όπως για παράδειγμα: VISA(μέσο επικοινωνίας για GPIB, σειριακή (RS-232)), τα τρία πρωτόκολλα επικοινωνίας TCP/IP/UDP, DAQ KAI I/O files [14]. B.3 Η παρουσίαση των προγραμμάτων του LabVIEW για τη διπλωματική Συνολικά έγιναν πάρα πολλά VIs που λειτούργησαν ως κεντρικά προγράμματα καθώς και ως subvis (υποπρογράμματα). Για τη δημιουργία όλων αυτών των προγραμμάτων χρειάστηκε η σχολαστική ανάγνωση των δύο εγχειριδίων που αφορούν το LabVIEW. Περισσότερες λεπτομέρειες που αφορούν το περιβάλλον LabVIEW μπορούν να βρεθούν στο [16] και [17]. Για την παρούσα διπλωματική, ο βασικός προγραμματισμός χωρίστηκε σε δύο άξονες: Τη θέση του ήλιου, το μοντέλο Perez και τη λειτουργία περσίδων Τη μετάδοση θερμότητας, την πρόβλεψη της εσωτερικής θερμοκρασίας και την απόδοση του κλιματιστικού B.3.1 Πρόγραμμα συνολικά προσπίπτουσας και απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας, με και χωρίς τη χρήση περσίδων Αρχικά, παρουσιάζεται ο εμπρόσθιος πίνακας (front panel) του τελικού προγράμματος(βλέπε Εικόνα 8.4). Στα αριστερά είναι οι ελεγκτές-είσοδοι. Κάτω αριστερά, δίνεται η δυνατότητα αποθήκευσης συγκεκριμένων αποτελεσμάτων με το πάτημα του κίτρινου κουμπιού. Ακριβώς δίπλα γράφονται οι διευθύνσεις και τα ονόματα των αρχείων. Σε όλο το δεξί μέρος, έχουμε κουμπιά που πατώντας κάθε φορά εμφανίζεται και το αποτέλεσμα 132

133 που επιθυμούμε να δούμε με τη μορφή γραφικής παράστασης. Έτσι, στην Εικόνα 8.5 παρατηρούμε ότι : ενώ τρέχουμε το πρόγραμμα, πατώντας το τρίτο κουμπί που αφορά τη γραφική παράσταση για τη beam-diffuse-ground reflected radiation χωρίς τη χρήση περσίδων, ανοίγει αυτόματα άλλο παράθυρο με τη σχετική γραφική παράσταση. Εικόνα 8.4 Εμπρόσθιος πίνακας του προγράμματος για τον υπολογισμό της συνολικά απορροφούμενης ακτινοβολίας, με και χωρίς τη χρήση περσίδων Εικόνα 8.5 Όταν το πρόγραμμα βρίσκεται σε λειτουργία, με το πάτημα ενός κουμπιού εμφανίζεται η αντίστοιχη γραφική παράσταση 133

134 Όσον αφορά το διάγραμμα βαθμίδων (block diagram) του προγράμματος, στην Εικόνα 8.6 φαίνεται όλο το πρόγραμμα. Χρησιμοποιήθηκαν τίτλοι για τον καλύτερο κατατοπισμό όσον αφορά το πρόγραμμα. Στην Εικόνα 8.7 φαίνονται πόσα VIs χρησιμοποιήθηκαν. Από αυτά τα 6 είναι φτιαγμένα από τον ίδιο το χρήστη ενώ τα υπόλοιπα έτοιμα από βιβλιοθήκες. Εικόνα 8.6 Διάγραμμα βαθμίδων του προγράμματος που αφορά τον υπολογισμό της συνολικά απορροφούμενης ακτινοβολίας, με και χωρίς τη χρήση περσίδων Εικόνα 8.7 Παρουσίαση των συνολικών υποπρογραμμάτων που χρειάστηκαν 134

135 Θεωρήθηκε ορθό από τα 6 προγράμματα να παρουσιαστεί και το VI που αναπαριστά το μοντέλο Perez. Η Εικόνα 8.8 και η Εικόνα 8.9 είναι o εμπρόσθιος πίνακας και το διάγραμμα βαθμίδων αντίστοιχα. Στον εμπρόσθιο πίνακα αριστερά δίνονται οι είσοδοι-ελεγκτές και δεξιά οι έξοδοι-δείκτες. Το μοντέλο Perez επαναλαμβάνεται τόσες φορές όσες απαιτούνται (για την ακρίβεια όσο είναι και το μέγεθος του πίνακα των ωριαίων γωνιών). Με πράσινη λεζάντα και βελάκι εμφανίζονται οι βασικές μεταβλητές από τις οποίες εξαρτάται το μοντέλο Perez. Εικόνα 8.8 Εμπρόσθιος πίνακας για το μοντέλο του Perez Εικόνα 8.9 Διάγραμμα βαθμίδων για το μοντέλο του Perez 135

136 B.3.2 Πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας δωματίου και απόδοση κλιματιστικού Δημιουργήθηκαν αρκετά προγράμματα όσον αφορά το πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας. Παρ όλα αυτά παρατίθενται μόνο τα δύο πιο βασικά που αφορούν την εβδομαδιαία πρόβλεψη: Το πρώτο πρόγραμμα λειτούργησε για τις περιόδους του Αυγούστου και του Οκτωβρίου, εκεί όπου χρησιμοποιήθηκε σταθερό μοντέλο ηλεκτρικών καταναλώσεων για κάθε μέρα. Στην Εικόνα 8.1 παρουσιάζεται ο εμπρόσθιος πίνακας του τελικού VI για την πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας και την απόδοση του κλιματιστικού. Στα αριστερά είναι όλες οι είσοδοι που δίνονται, είτε αυτό είναι κάποιος αριθμός είτε κάποιο αρχείο προς ανάγνωση-επεξεργασία,ενώ στα δεξιά έχουμε τα κουμπιά για την παρουσίαση των αποτελεσμάτων ή την αποθήκευση αυτών. Εικόνα 8.1 Εμπρόσθιος πίνακας που αφορά την πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας και την απόδοση του κλιματιστικού για τις περιόδους Οκτωβρίου και Αυγούστου Ιδιαίτερη προσοχή αξίζει να δοθεί στη σταθερά b καθώς είναι ένας πολλαπλασιαστικός παράγοντας που υποδεικνύει τη συχνότητα λειτουργίας 136

137 του κλιματιστικού. Δηλαδή, εφόσον η δειγματοληψία των μετρήσεων είναι 47 δευτερόλεπτα,ανάλογα με την τιμή του b, ο ελάχιστος χρόνος αναμονής επαναλειτουργίας του κλιματιστικού μεταβάλλεται. Με b το κλιματιστικό δε λειτουργεί ασκόπως συνέχεια με την οποιαδήποτε αύξηση θερμοκρασίας του δωματίου. Στην Εικόνα 8.11 φαίνεται το διάγραμμα βαθμίδων. Αξίζει να σημειωθεί ότι το subvi που βρίσκεται μέσα στη δομή με το γκρι, παρουσιάζεται πιο αναλυτικά παρακάτω στην Εικόνα Οι έξοδοι αυτού του subvi οδηγούνται ή στην αποθήκευση ή στην παρουσίαση σε γραφική παράσταση Εικόνα 8.11 Διάγραμμα βαθμίδων του τελικού προγράμματος που αφορά τη μελέτη θερμοδυναμικής για τις εβδομάδες Αυγούστου και Οκτωβρίου Το δεύτερο πρόγραμμα λειτούργησε για την περίοδο του Απριλίου, όπου στη συγκεκριμένη εβδομάδα μελέτης οι ηλεκτρικές καταναλώσεις ήταν οι πραγματικές εκείνης της εβδομάδας. Στην Εικόνα 8.12 και στην Εικόνα 8.13 αναπτύσσεται το συγκεκριμένο μοντέλο. Η μόνη ουσιαστική διαφορά είναι ότι σαν είσοδο, αντί για μία κοινή είσοδο και για τις επτά ημέρες, έχουμε ξεχωριστή είσοδο για να ανοίγει αρχείο και να διαβάζει τις ηλεκτρικές καταναλώσεις ξεχωριστά. 137

138 Εικόνα 8.12 Εμπρόσθιος πίνακας που αφορά την πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας και την απόδοση του κλιματιστικού για την περίοδο Απριλίου Εικόνα 8.13 Διάγραμμα βαθμίδων του τελικού προγράμματος που αφορά τη μελέτη θερμοδυναμικής για την εβδομάδα Απριλίου Στην Εικόνα 8.14 παρουσιάζεται αναλυτικά το διάγραμμα βαθμίδων του κοινού subvi. Στα αριστερά έχουμε τις εισόδους καθώς και τις τιμές θερμικής 138

139 αγωγιμότητας των υλικών. Λίγο πιο διπλά στο ορθογώνιο υπολογίζονται οι θερμικές αντιστάσεις των τοίχων. Πάνω δεξιά έχουμε τη πρόβλεψη της εσωτερικής θερμοκρασίας χωρίς τη χρήση του κλιματιστικού, ενώ κάτω δεξιά τη πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας λαμβάνοντας υπόψη και τη πιθανή λειτουργία του κλιματιστικού. Εικόνα 8.14 Διάγραμμα βαθμίδων κοινού προγράμματος και για τις τρεις περιόδους και αφορά την αναλυτική πρόβλεψη και τη λειτουργία του κλιματιστικού Στην Εικόνα 8.15 παρουσιάζεται αναλυτικότερα το subvi που γίνεται η λύση της διαφορικής εξίσωσης και η πρόβλεψη εσωτερικής θερμοκρασίας. Εικόνα 8.15 Πρόγραμμα για τη λύση της διαφορικής εξίσωσης για τη πρόβλεψη θερμοκρασίας 139

140 Στην Εικόνα 8.16 παρουσιάζεται αναλυτικότερα το πρόγραμμα που αναπτύχθηκε για τη οικονομικότερη λειτουργία του κλιματιστικού και την απόδοσή του. Εικόνα 8.16 Μέρος του προγράμματος που φαίνεται πιο αναλυτικά η λειτουργία του κλιματιστικού 14

141 C. Θερμοφυσικές ιδιότητες υλικών Περιγραφή Θερμική αγωγιμότητα, k W m K Παράρτημα C Πυκνότητα, ρ Kg m 3 Ειδική θερμότητα, c p J Kg K Ειδική θερμότητα, C v J Kg K Σοβάς Κοινό τούβλο Πλάκα από γυαλί Αέρας Ξύλο πατώματος Ξύλο πόρτας Σκυρόδεμα Παραπομπή [19] 3 Παραπομπή [8] 4 Παραπομπή [6] 141

142 Παράρτημα D D. Κάτοψη δωματίου με τις ηλεκτρικές συσκευές Εικόνα 8.17 Κάτοψη δωματίου με τα επί μέρους έπιπλα και τις ηλεκτρικές συσκευές 142

143 Παράρτημα E E. Μοντέλα ηλεκτρικών καταναλώσεων Πρώτο μοντέλο ηλεκτρικές καταναλώσεις (W) Πρώτο μοντέλο ηλεκτρικών καταναλώσεων Χρόνος εβδομάδας (h) Διάγραμμα 8-2 Πρώτο μοντέλο ηλεκτρικών καταναλώσεων για την περίοδο Απριλίου Δεύτερο μοντέλο ηλεκτρικές καταναλώσεις (W) Δεύτερο μοντέλο ηλεκτρικών καταναλώσεων χρόνος ημέρας (h) Διάγραμμα 8-3 Δεύτερο μοντέλο ηλεκτρικών καταναλώσεων για τις περιόδους 31 Ιουλίου- 6 Αυγούστου και 7-13 Οκτωβρίου. Όμοια ημερήσια ηλεκτρική κατανάλωση και για τις δύο βδομάδες 143

144 Παράρτημα F F. Αναλυτικά χαρακτηριστικά LG air-condition Το μοντέλο κλιματιστικού που χρησιμοποιήθηκε είναι το C9AWR. Παρακάτω φαίνονται τα χαρακτηριστικά του. Χρησιμοποιήθηκε το πιο πρόσφατο και πιο βελτιωμένο μοντέλο με υψηλότερο C.O.P.=3,81. Εικόνα 8.18 Χαρακτηριστικά LG κλιματιστικού 144

145 Εικόνα 8.19 Χαρακτηριστικά LG κλιματιστικού 145

146 Παράρτημα G G. Λογική λειτουργίας κλιματιστικού Τ επιθ =25 C a i-1 = ή 1 (1=το κλιματιστικό στην προηγούμενη επανάληψη λειτούργησε) b i-1,πόσες ακόμη επαναληπτικές διαδικασίες απαιτούνται για την επαναλειτουργία του κλιματιστικού Όλη η διαδικασία επαναλαμβάνεται τόσες φορές όσες είναι και το σύνολο των δειγματοληψιών που γίνονται για το δεδομένο διάστημα μελέτης. Σε κάθε επανάληψη γίνεται ταυτόχρονος υπολογισμός εσωτερικής θερμοκρασίας δωματίου με και χωρίς κλιματιστικό (Τ εσ,με και Τ εσ,χωρίς ), λύνοντας την αντίστοιχη διαφορική εξίσωση που προκύπτει. Η λογική χωρίζεται σε τέσσερα μέρη: συνθήκες λειτουργίας κλιματιστικού, αλλαγή συνθήκη επαναλειτουργίας κλιματιστικού, απόδοση κλιματιστικού,συνθήκες απόδοσης κλιματιστικού-τελικά αποτελέσματα. Δηλαδή: ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΤΙΚΟΥ Αν Q man,i = (απουσία ανθρώπου) τότε Q κλιμ,i = a i = (το κλιματιστικό δε λειτουργεί) b i = b i-1 αλλιώς { αν ( ((Τ εσ,i-1 >Τ επιθ ) και(b i-1 )) ή ((Τ εσ,i-1 >Τ επιθ ) και(a i-1 =1)) ) τότε Q κλιμ,i = -9btu/h a i = 1 (το κλιματιστικό λειτουργεί) b i = b αλλιώς Q κλιμ,i = a i = (το κλιματιστικό δε λειτουργεί) b i = b i-1 146

147 } ΑΛΛΑΓΗ ΣΥΝΘΗΚΗΣ ΕΠΑΝΑΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΤΙΚΟΥ Αν b i > τότε b i := b i -1 αλλιώς b i = ΑΠΟΔΟΣΗ ΚΛΙΜΑΤΙΣΤΙΚΟΥ Αν a i = 1 τότε ( C. O. P.) W i i T Q, i ( C. O. P.) T, i T , i, i i αλλιώς ( C. O. P.) Wi i ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΚΛΙΜΑΤΙΣΤΙΚΟΥ - ΤΕΛΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ αν ( C. O. P.) i τότε {αν ( C. O. P.) 3.81 τότε i Τ εσ,i = Τ εσ,με Q i :=Q κλιμ,i b i := b i a i := a i ( C. O. P.) : ( C. O. P.) i i W i : W i αλλιώς Τ εσ,i = Τ εσ,με Q i :=Q κλιμ,i 147

148 b i := b i a i := a i ( C. O. P.) : 3.81 i αλλιώς } W i Q, i : 3.81 Τ εσ,i = Τ εσ,χωρίς Q i := b i := b i -1 a i := ( C. O. P.) : W : i i 148

149 Παράρτημα H H. Σχέδιο Fraunhofer [18] Το σχέδιο που ακολουθήθηκε για τη σύνδεση της ανεμογεννήτριας στο δίκτυό μας, αλλά και για τη σωστή τοποθέτηση του πολυοργάνου φαίνεται στην Εικόνα 8.2. Το σχέδιο υποδεικνύει τη σωστή συνδεσμολογία που πρέπει να ακολουθηθεί για τη σύνδεση ενός φωτοβολταϊκού πάρκου. Κατά αναλογία πράξαμε και για την περίπτωση της ανεμογεννήτριας. Εικόνα 8.2 Σχέδιο Fraunhofer για τη σύνδεση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος 149