Toplina, proračun gubitaka i sustavi grijanja Prof. dr. sc.. Josip Borošić Mr. sc.. Božidar Benko
Toplina Prirodno zagrijavanje zaštićenih prostora transformacija svjetlosne energije sunca u toplinsku energiju Količina topline u zaštićenu prostoru = refleksija / apsorpcija / transmisija Mehanizmi prijenosa topline: Kondukcija (provođenje) Konvekcija (strujanje) Radijacija (zračenje)
Toplina Kondukcija prijenos topline od zagrijanih čestica na susjedne čestice ili na čestice drugih krutih tvari. Konvekcija prijenos topline kretanjem čestica tekućina i plinova. Zagrijane čestice postaju lakše, mijenjaju položaj, pritom predaju toplinu susjednim česticama i česticama krutih tijela.
Toplina Dva tipa konvekcije u zaštićenu prostoru: Iznuđena konvekcija,, kroz otvore na površini pokrovnog materijala, ovisi o brzini i strujanju zraka. Gubici topline infiltracijom i ventilacijom. Slobodna konvekcija,, dizanje toplog zraka iznad grijane površine i spuštanje hladnog zraka. Gubici topline kondenzacijom vode.
Toplina Radijacija prijenos energije od tvari više temperature prema tvari niže temperature, bez zagrijavanja medija kojim toplina prolazi. Svako kruto tijelo, tekućina ili plin imaju sposobnost emitirati i apsorbirati energiju zračenja. Spektar radijacije ovisi većinom o temperaturi na površini materijala koji zrači. Sunce s oko 6000 C C na površini zrači 52 % svjetlosne energije, 6 % UV, 29 % IR-A, 13 % IR-B. Prijenos solarne radijacije u zaštićeni prostor ovisi o vrsti pokrovnog materijala, kutu upada zraka, elementima konstrukcije.
Toplina Radijacijom se emitira toplina od površine tla, usjeva, dijelova konstrukcije. Spektralna distribucija većinom u infracrvenom dijelu, 800 1800 nm toplinsko zračenje. Staklo i polimeri za ploče imaju malu propusnost (< 10 %) i veću refleksiju za IR zračenje PE ima veliku propusnost, oko 70 %,, brzo hlađenje za vedrih noći Kondenzirana voda smanjuje gubitke topline radijacijom, ali smanjuje i ulazak svjetla
Proračun gubitaka topline Q c (W) = k (W/m² ² K) ) x A (m²) ) x T T (K, C) T T = T 1 T 2 ( C) Q c toplinski tok k koeficijent prolaza topline A površina T 1 temperatura toplijeg medija T 2 temperatura hladnijeg medija
Proračun gubitaka topline k (W/m² ² K) toplina koju je moguće provesti kroz presjek tijela (m²) ) pri p razlici temperatura (1 K) u određenom enom vremenu (1 h) λ (W/m K) toplina koja prođe kroz 1 m² m zida debljine 1 m za vrijeme 1 h ako je temperaturna razlika 1 K Primjeri za k-vrijednosti k (W/m² ² K): Staklo, 5 mm 5,7 PE film, 0,2 mm 10,5 Dvostruki PE film 6,11 Poliester valovit, 1 mm 6,53
Proračun gubitaka topline Q i (W) = 0,373 (W/m( W/m³ K) x T T (K, C) x V (m 3 ) x n v 0,373 konstanta, predstavlja količinu inu topline zraka u W/m³ K V volumen zašti tićenog prostora u m 3 n v broj prirodne izmjene zraka u satu
Proračun gubitaka topline Konstrukcija + pokrov Broj izmjene zraka u satu Nova konstrukcija, staklo ili poliester Nova konstrukcija, dvostruki PE Stara konstrukcija, staklo, dobro održavanje Stara konstrukcija, staklo, slabo održavanje 0,75 1,5 0,2 1 1 2 2 4
Elementi za proračun potrebne količine topline Prosječne srednje dnevne temperature zraka na lokaciji zaštićena prostora Količina snježnih oborina tijekom zime Broj sunčanih i vjetrovitih dana tijekom razdoblja uzgoja Optimalne temperature za uzgoj planiranih kultura Vrsta pokrovnog materijala (k-vrijednosti) Površina pokrovnog materijala Volumen zaštićena prostora Ukupni gubici topline radijacijom, kondukcijom, konvekcijom
Sustavi grijanja (prema mediju za prijenos topline) Voda statični sustav za veće klimatske jedinice - cijevi i cijevni registri (radijatori), potisna crpka; - ohlađena se voda vraća u kotlovnicu; - različiti položaji cijevnih registara, ovisno o: temperaturi vode, načinu uzgoja biljaka (razina tla ili stolovi), visini i širini lađa, sklopu uzgajanih kultura (pomične cijevi).
Sustavi grijanja (prema mediju za prijenos topline) Zrak dinamični sustav za manje klimatske jedinice - ventilatori potiskuju topli zrak; - termogeni u objektu ili izvan; - fan-jet jet sustav, za transport toplog zraka plastično crijevo s bočnim otvorima prema dolje. Voda + zrak = termokonvektori - uzduž lađa ventilatori za potiskivanje i miješanje zraka.
Sustavi grijanja Prednosti dinamičnog sustava: Ujednačenija vertikalna distribucija topline, Brzo uključenje i isključenje, ušteda goriva kod promjenjivog vremena, Uz dopunske uređaje, koristi se i za hlađenje, Kretanje zraka povoljno za oprašivanje biljaka, Niža investicija, Ne smeta za mehaniziranu obradu tla.
Sustavi grijanja Nedostaci dinamičnog sustava: Veći troškovi eksploatacije, Nestanak električne struje, brže hlađenje zaštićena prostora (statični još grije, dok se voda u cijevima ne ohladi), Niža temperatura tla (za oko 2 C).
Sustavi grijanja Statični sustav grijanja: Veća horizontalna ujednačenost topline, cijevni se registri posebno postavljaju uz bočne i čeone stranice zaštićena prostora, na mjesta gdje se gubi toplina Kombinirani sustav?? Na početku i kraju sezone grijanja uključuje se grijanje zrakom (interventno, noćno grijanje) Glavna sezona grijanja, kontinuirano uključeno grijanje vodom, a grijanje zrakom povremeno se uključuje u razdoblju velikih T-vrijednosti (vrlo niske vanjske temperature zraka)
Goriva Kruta: drvo, ugljen, Tekuća: mazut, loživo ulje, Plinovita: zemni plin, kaptažni plin, gradski plin, Toplinska moć goriva: količina topline u kj, koje 1 kg goriva proizvede pri potpunom sagorijevanju.
Toplinska moć nekih goriva Gorivo Drvo, 20 % vode (suho) oko 14.200 Drvo, 60 % vode oko 5.800 Toplinska moć, kj/kg Smeđi i ugljen 15.000 23.000 Kameni ugljen 23.000 32.000 Loživo ulje 38.000 44.000 Zemni plin 33.000 44.000
Smanjenje gubitaka topline Q c = k x A x T A/ smanjenje k-vrijednostik B/ smanjenje T-vrijednosti C/ optimalno korištenje goriva D/ smanjenje potrošnje goriva po jedinici proizvoda
A/ smanjenje k-vrijednostik 1. Postavljanje PE-folije unutar objekta ( tunel ) Ušteda oko 25 %, oko 14 % smanjenje svjetla Učinak ovisi o zabrtvljenosti objekta Učinkovitija primjena u objektima s 1 lađom (snijeg se manje zadržava), s drvenom konstrukcijom Za kulture manjih zahtjeva za svjetlom Jednostavan i ekonomski učinkovit način
A/ smanjenje k-vrijednostik 2. PE-folija iznad krova staklenika 2.1. Jednostruki prekrivač Jeftin materijal, manji gubitak svjetla, malo slabije čuva toplinu (od 2.2.) Postavljaju se PE-crijeva (Φ( 50 cm) po dužini lađe na sredini rogova na obje strane krovišta Jedan je kraj crijeva hermetički zatvoren, a na drugi se montira mali ventilator za upuhavanje vanjskog zraka PE-folija (0,15 mm) prekriva krov i postavljena PE- crijeva Rubovi se folije pričvrste za rubove krova
A/ smanjenje k-vrijednostik 2. PE-folija iznad krova staklenika 2.2. Dvostruki prekrivač Zrakom napuhnuta dva sloja PE-folije Ušteda energije 40 (Kanada) do 57 % (Ohio( Ohio), značajno manji prinos (redukcija svjetla) krastavaca i rajčice Za objekte s maksimalnom dužinom roga 5,5 m, inače se mora dijeliti na više sektora po dužini krova Glavni nedostatak smanjenje svjetla; 35 % redukcija ukupne solarne radijacije unutar staklenika (Ohio( Ohio), uz dvostruki prekrivač dodatno 11 % smanjenje svjetla
A/ smanjenje k-vrijednostik 2. PE-folija iznad krova staklenika 2.2. Dvostruki prekrivač Svjetlo je difuzno, jednolično raspoređeno, manje sjene od konstrukcije Relativna je vlaga danju tijekom zime (ventilacija zatvorena) za oko 12 % veća u plasteniku nego u stakleniku (Ohio( Ohio) Osjetljive kulture na nedostatak svjetla (ruža, karanfil, krizantema, krastavac) imaju značajnu redukciju kvalitete i količine prinosa
A/ smanjenje k-vrijednostik 2. PE-folija iznad krova staklenika 2.2. Dvostruki prekrivač Debljina PE-folija 0,15 µm Ventilator 50 W, Φ 10 cm, 5 cm široke lopatice, maksimalnog tlaka 0,145 kpa 1 ventilator za oko 900 m 2 površine objekta
A/ smanjenje k-vrijednostik 3. Pomične unutarnje zavjese Najveći su gubici topline kroz krov (oko 65 %) i vertikalne površine (30 %) Tome uglavnom doprinose radijacija i kondukcija s 65 do 80 % gubitaka topline noću Logična uporaba pomičnih energetskih zavjesa noću!
A/ smanjenje k-vrijednostik 3. Pomične unutarnje zavjese Ušteda goriva 30 do 40 %, godišnje smanjenje troškova 20 do 30 % Dva načina postavljanja: od oluka do oluka (složene ispod oluka), od stupa do stupa (složene pokraj stupa) Važno je razmotriti brtvljenje (međusobno spajanje) između u zavjesa, te zavjesa i dodirnih mjesta s pokrovnim materijalom Kose zavjese slijede nagibe krova po cijeloj širini lađe, pomiču se između stupova
A/ smanjenje k-vrijednostik Podjela zavjesa prema funkciji: Antikonvekcijske, Antiradijacijske s aluminijskom folijom (uske trake)
A/ smanjenje k-vrijednostik 3. Pomične unutarnje zavjese Razmotriti zasjenjivanje kada su složene i jednostavnost montaže! Način učvršćenja ovisi o vrsti materijala Na izbor utječu i uzgajane kulture, orijentacija i dimenzije lađa Horizontalne zavjese daju oko 10 do 15 % veću uštedu topline od kosih zavjesa
A/ smanjenje k-vrijednostik 3. Pomične unutarnje zavjese Izbor materijala ovisi o: štednja energije i smanjenje temperatura (zasjenjivanje) Optimalna ušteda: niska snaga zračenja gornje površine materijala (npr. aluminij) i visoka snaga zračenja donje površine (npr. crno) Propusnost za vodenu paru, niža relativna vlaga zraka ispod zavjese
A/ smanjenje k-vrijednostik 3. Pomične unutarnje zavjese Dovoljno čvrst materijal, dnevno rastezanje i skupljanje Starenje (UV-zrake), rast algi (vlaga zraka) Materijal: lagan, lako pomičan i da čini mali volumen kad je danju složen Trajnost ovisi o materijalu: akrilne komponente su čvršće, 5 do 10 god.; često korišten poliester,, 3 do 5 god.; PE traje 1 do 2 god. Skupljanje materijala: akrilik se skuplja, druga dva ne
A/ smanjenje k-vrijednostik 3. Pomične unutarnje zavjese Sustav grijanja ispod zavjesa Snijeg alarm za skupljanje noću! 4. Nepomične vertikalne zavjese 5. Izolacija oluka 6. Brtvljenje ventilacije 7. Izolacija sjevernih stranica zaštićena prostora