TOPLOTA, HLAJENJE IN TOPLOTNE OBREMENITVE
Kaj pomeni toplotna obremenitev prostora?
Toplotna obremenitev pove, koliko toplote moramo prostoru dovesti pri ogrevanju oziroma koliko toplote moramo iz prostora odvesti pri hlajenju. Nanjo ne vpliva samo velikost prostora. Pomembni so tudi zunanja temperatura, izolacija objekta, okna in vrata, sončno sevanje, število ljudi, razsvetljava, stroji in druge naprave v prostoru.
Zato dva enako velika prostora nimata nujno enakih potreb po ogrevanju ali hlajenju.
Od kod prihaja toplota v prostoru?
Toplota v prostor ne prihaja samo iz ogrevalne naprave. Oddajajo jo tudi ljudje, razsvetljava, računalniki, stroji in druga električna oprema. Poleti lahko velik delež predstavlja tudi sončno sevanje skozi okna, streho in druge dele objekta.
Pri hlajenju moramo te notranje in zunanje toplotne dobitke upoštevati, saj jih mora hladilni sistem iz prostora odvesti.
Ali tudi človek ogreva prostor?
Da. Človeško telo zaradi presnove – metabolizma – neprestano proizvaja toploto in jo oddaja v okolico. Koliko toplote človek oddaja, je odvisno predvsem od njegove aktivnosti.
V prostoru z enim ali dvema človekoma ta vpliv pogosto ni velik. V pisarni, učilnici, trgovini, restavraciji ali prostoru z večjim številom ljudi pa lahko ljudje predstavljajo pomemben del toplotne obremenitve, ki jo moramo pri hlajenju upoštevati.
Kako na hlajenje vplivajo naprave, razsvetljava in proizvodni procesi?
Električne naprave med delovanjem del porabljene energije oddajo v prostor kot toploto. Računalniki, monitorji, razsvetljava in druga električna oprema zato povečujejo toplotno obremenitev prostora.
V industriji je ta vpliv lahko bistveno večji. Elektromotorji, obdelovalni stroji, kompresorji, peči, sušilne naprave, varilna oprema in drugi proizvodni procesi lahko v prostor oddajajo velike količine toplote. Pomembno je tudi, koliko naprav deluje istočasno, koliko časa obratujejo in ali se del nastale toplote odvaja neposredno iz prostora.
Zato pri industrijskem objektu samo površina in višina prostora še zdaleč nista dovolj. Poznati moramo tudi vrsto proizvodnje, nameščeno opremo, njen način in čas delovanja ter toploto, ki se med procesom dejansko sprošča v prostor.
Kako na hlajenje vplivajo sonce in okna?
Skozi okna v prostor ne prehaja samo dnevna svetloba, ampak tudi sončna energija, ki prostor segreva. Vpliv je odvisen od velikosti in vrste zasteklitve, orientacije objekta, zunanjih ali notranjih senčil ter časa, ko je površina izpostavljena soncu.
Pri pisarnah in trgovinah z velikimi steklenimi površinami je lahko sončno sevanje pomemben del toplotne obremenitve. Tudi pri industrijskih objektih ga ne smemo zanemariti, zlasti pri večjih oknih, svetlobnikih in strešnih površinah. Zato imata lahko dva enako velika prostora zelo različne potrebe po hlajenju.
Kako na ogrevanje in hlajenje vpliva izolacija objekta?
Toplota prehaja skozi zunanje stene, streho, tla, okna in vrata. Kako hitro se to dogaja, je odvisno od njihove sestave in toplotne izolacije. Dobro izoliran objekt pozimi počasneje izgublja toploto, poleti pa se skozi ovoj praviloma počasneje segreva.
Razlika je posebej pomembna pri velikih objektih. Starejša proizvodna ali skladiščna hala z veliko površino strehe in slabo izoliranim ovojem ima lahko povsem drugačne potrebe kot enako velika sodobna hala z dobro izoliranimi paneli.
Zato pri izbiri sistema ne zadoščajo samo dolžina, širina in višina prostora. Pomembno je tudi, kako je objekt zgrajen in kako dobro je toplotno zaščiten.
Kako na ogrevanje in hlajenje vplivajo vrata in pogosto odpiranje?
Vsako odpiranje vrat pomeni izmenjavo zraka med prostorom in okolico. Pozimi v prostor vstopa hladen zrak in topel uhaja, poleti pa lahko v klimatiziran prostor vstopata topel in vlažen zunanji zrak. Večja kot so vrata in pogosteje kot se odpirajo, večji je lahko njihov vpliv.
To je posebej pomembno pri industrijskih halah, skladiščih, delavnicah, servisih in logističnih objektih, kjer se velika vrata zaradi ljudi, vozil ali pretoka materiala odpirajo večkrat na uro ali ostajajo odprta dalj časa.
Zato pri takšnem objektu ni dovolj vedeti samo, kako dobro je izoliran. Pomembni so tudi velikost vrat, pogostost in trajanje odpiranja ter način uporabe prostora.
Zakaj je pomembna zunanja temperatura?
Razlika med temperaturo zunaj in želeno temperaturo v prostoru neposredno vpliva na količino toplote, ki jo moramo dovajati ali odvajati. Večja kot je temperaturna razlika, večje so praviloma tudi potrebe sistema.
Pri izbiri naprave zato ne uporabljamo ene splošne zunanje temperature za vse objekte. Upoštevati moramo lokacijo objekta in razmere, za katere mora biti sistem načrtovan.
Enaka pisarna, trgovina ali proizvodna hala ima lahko zaradi različnih zunanjih pogojev na različnih lokacijah različne potrebe po ogrevanju in hlajenju.
Kam toplota iz prostora pravzaprav uhaja?
Toplota iz ogrevanega prostora prehaja proti hladnejši okolici skozi zunanje stene, streho, tla, okna in vrata. Koliko toplote izgubimo, je odvisno predvsem od velikosti teh površin, njihove toplotne izolacije ter razlike med notranjo in zunanjo temperaturo.
Del toplote izgubimo tudi z izmenjavo zraka.
Svež zunanji zrak, ki ga dovajamo s prezračevanjem, moramo pozimi ogreti. Dodatne izgube nastajajo zaradi nenadzorovanega vdora hladnega zraka skozi netesnosti ter pri odpiranju vrat in drugih odprtin.
Zato dva prostora z enako površino in prostornino nimata nujno enakih potreb po ogrevanju. Dobro izolirana hala z malo odpiranja vrat lahko potrebuje bistveno manj toplote kot enako velika starejša hala z velikimi vrati in pogosto izmenjavo zraka.
To je tudi razlog, da podatek v W/m³ uporabljamo samo za hitro orientacijo. Za natančnejšo določitev potrebne grelne moči moramo poznati dejanske toplotne izgube objekta.
Koliko W/m³ potrebujemo za ogrevanje delavnice ali hale?
Za hitro orientacijsko oceno, kadar natančnega izračuna toplotnih izgub še nimamo, lahko potrebno grelno moč približno ocenimo glede na prostornino prostora.
Kot zelo groba orientacija:
dobro izoliran prostor: približno 25–35 W/m³
srednje dobro izoliran prostor: približno 35–50 W/m³
slabše izoliran prostor: približno 50–70 W/m³ ali več
Primer: delavnica meri 10 × 15 × 4 m = 600 m³. Če je srednje dobro izolirana in za prvo oceno vzamemo 40 W/m³, dobimo:
600 m³ × 40 W/m³ = 24.000 W ≈ 24 kW.
To je samo orientacijska ocena, ne izračun toplotnih izgub. Dejanska potrebna moč je odvisna predvsem od zunanje in želene notranje temperature, izolacije sten in strehe, oken, velikosti in pogostosti odpiranja vrat, zrakotesnosti ter načina uporabe prostora. Pri visokih halah je pomembna tudi stratifikacija zraka.
Zakaj ista naprava nima vedno enake grelne moči?
Pri napravah, ki prostor ogrevajo s toplo vodo, grelna moč ni ena sama nespremenljiva številka. Odvisna je predvsem od temperature vode, temperature zraka, ki vstopa v napravo, ter količine zraka, ki teče skozi prenosnik toplote.
Če skozi isti prenosnik toplote teče bolj vroča voda, lahko naprava praviloma odda več toplote. Če temperaturo vode znižamo, se zmanjša tudi razlika med temperaturo vode in zraka, zato se zmanjša grelna moč naprave.
Zato moramo pri podatku o moči vedno pogledati tudi, pri kakšnem temperaturnem režimu vode in temperaturi vstopnega zraka je bila ta moč določena.
Naprava torej nima »ene moči« – njena dejanska moč je odvisna od pogojev, v katerih deluje.
Kaj pomeni temperaturni režim vode 80/60, 70/50 ali 50/40 °C?
Pri toplovodnem ogrevanju običajno navajamo dve temperaturi. Prva je temperatura vode, ki vstopa v napravo, druga pa temperatura vode, ki iz nje izstopa.
Tako na primer režim 70/50 °C pomeni, da v prenosnik toplote priteka voda s temperaturo 70 °C in se iz njega vrača s temperaturo približno 50 °C.
Temperaturni režim pomembno vpliva na grelno moč. Pri višji temperaturi vode lahko ista naprava praviloma odda več toplote, pri nižjem temperaturnem režimu pa manj. Zato naprava, ki pri režimu 80/60 °C zagotavlja zahtevano moč, pri režimu 50/40 °C morda ne bo več zadostovala.
To je posebej pomembno pri nizkotemperaturnih sistemih in toplotnih črpalkah, kjer so temperature ogrevalne vode praviloma nižje.
Pri izbiri naprave zato ni dovolj poznati samo potrebne moči v kW – poznati moramo tudi temperaturni režim vode, pri katerem mora naprava to moč doseči.
Kaj pomeni temperaturna razlika ΔT?
Oznaka ΔT (delta T) pomeni temperaturno razliko. Pri ogrevalnem sistemu lahko z njo opisujemo razliko med temperaturo vode na vstopu in izstopu iz naprave.
Če je na primer temperaturni režim 70/50 °C, je razlika med vstopno in izstopno temperaturo vode 20 K. Pri režimu 50/40 °C je ta razlika 10 K.
Vendar pri podatkih o grelni moči naprav srečamo tudi temperaturno razliko med povprečno temperaturo vode in temperaturo zraka, ki vstopa v napravo. Večja kot je ta razlika, več toplote lahko prenosnik toplote praviloma odda zraku.
Zato moramo pri tehničnih podatkih vedno preveriti, na katero temperaturno razliko se navedeni podatek nanaša.
Enaka oznaka ΔT torej ne pomeni vedno iste stvari – pomembno je, med katerima temperaturama je razlika določena.
Hiter orientacijski izračun
prostornina prostora (m³) × orientacijski W/m³ = približna potrebna moč (W)
Primer:
20 m × 10 m × 5 m = 1.000 m³
1.000 × 40 W/m³ = približno 40 kW
Ta ocena je uporabna za prvi pogovor in približen izbor velikostnega razreda naprave; ne nadomešča izračuna toplotnih izgub.
Zakaj pri visokem prostoru samo površina v m² lahko zavede?
Pri ogrevanju ni pomembna samo površina tal, ampak tudi prostornina prostora. Delavnica velikosti 200 m² in višine 3 m ima približno 600 m³ zraka, enako velika hala z višino 8 m pa približno 1.600 m³.
Poleg večje prostornine se pri visokih prostorih pojavi še stratifikacija – topel zrak se dviga in se lahko zbira pod stropom, medtem ko je v območju, kjer delajo ljudje, občutno hladneje.
Zato je pri delavnicah, skladiščih in industrijskih halah podatek v m³ pogosto uporabnejši prvi podatek kot samo m², pri večjih višinah pa moramo razmišljati tudi o razporeditvi toplote po višini prostora.
Zakaj pri hlajenju ne moremo preprosto uporabiti W/m³?
Pri ogrevanju lahko W/m³ uporabimo za zelo grobo prvo orientacijo, pri hlajenju pa je takšna ocena bistveno manj zanesljiva. Hladilna obremenitev je močno odvisna od sončnega sevanja, velikosti in orientacije steklenih površin, števila ljudi, razsvetljave, električne opreme ter proizvodnih procesov.
Posebej v industriji lahko stroji in proizvodnja oddajajo toliko toplote, da dva prostora enake velikosti in prostornine potrebujeta povsem različno hladilno moč.
Zato pri hlajenju ne bi uporabljali ene splošne vrednosti W/m³ kot pravila. Za prvo oceno moramo poznati vsaj uporabo prostora, ljudi, zasteklitev in senčenje ter pomembnejše notranje vire toplote.
Kaj pomeni rezerva pri izbiri grelne moči?
Pri orientacijskem izračunu se pogosto pojavi vprašanje, ali je smiselno izbrati nekoliko močnejšo napravo. Določena rezerva je lahko koristna zaradi nepopolnih vhodnih podatkov, občasnega odpiranja vrat ali hitrejšega ogrevanja hladnega prostora.
Vendar večja rezerva ni vedno boljša. Pretirano predimenzionirana naprava lahko pomeni višjo investicijo, večji pretok zraka, več hrupa in slabšo regulacijo temperature.
Zato rezerve ne bi določali z enim splošnim odstotkom za vse objekte. Najprej ocenimo dejanske pogoje, nato izberemo najbližjo primerno velikost naprave.
Kaj pomeni pretok vode skozi prenosnik toplote?
Da lahko naprava oddaja toploto, mora skozi njen prenosnik toplote krožiti zadostna količina vode. Pretok vode običajno podajamo v l/h, m³/h ali l/s.
Potrebni pretok je povezan z grelno oziroma hladilno močjo in s temperaturno razliko vode med vstopom in izstopom. Če želimo prenesti več toplote ali če je temperaturna razlika vode manjša, praviloma potrebujemo večji pretok vode.
Zato pri izbiri naprave ni dovolj preveriti samo njene moči. Preveriti moramo tudi, kakšen pretok vode potrebuje pri izbranem temperaturnem režimu in kakšen tlačni padec pri tem nastane v prenosniku toplote.
Temperatura vode, pretok vode in moč naprave so med seboj povezani – spremenimo en pogoj in spremenijo se tudi pogoji delovanja sistema.
Ko voda teče skozi prenosnik toplote, cevi, ventile in druge elemente sistema, mora premagovati njihov upor. Zaradi tega nastane tlačni padec, ki ga v tehničnih podatkih običajno navajamo v kPa.
Tlačni padec je odvisen predvsem od pretoka vode in značilnosti prenosnika toplote. Z večanjem pretoka praviloma narašča tudi tlačni padec.
Ta podatek je pomemben pri načrtovanju hidravličnega sistema in izbiri obtočne črpalke. Črpalka mora zagotoviti potreben pretok vode in hkrati premagati upor celotnega sistema.
Zato pri napravi ne preverjamo samo potrebnega pretoka vode, ampak tudi tlačni padec, ki pri tem pretoku nastane.
Kaj pomeni tlačni padec vode skozi napravo?
Kako glikol vpliva na delovanje sistema?
V sistemih, kjer obstaja nevarnost zmrzovanja, lahko vodi dodamo glikol. Ta znižuje temperaturo zmrzovanja tekočine in tako pomaga zaščititi sistem pri nizkih temperaturah.
Vendar mešanica vode in glikola nima enakih fizikalnih lastnosti kot čista voda. Z večanjem deleža glikola se spreminjajo pogoji prenosa toplote in pretoka skozi sistem. Posledično se lahko spremeni grelna ali hladilna moč naprave, potreben pretok ter tlačni padec.
Zato pri izbiri naprave ni dovolj vedeti samo, da sistem vsebuje glikol. Poznati moramo tudi vrsto in delež glikola v mešanici, da lahko delovanje naprave preverimo pri dejanskih pogojih.
Podatkov za čisto vodo zato ne smemo samodejno uporabiti za sistem z glikolom.
Kaj vpliva na dejanski prenos toplote?
Prenosnik toplote povezuje dva medija – pri vodnih napravah praviloma vodo in zrak. Koliko toplote lahko dejansko prenese, ni odvisno samo od njegove velikosti, ampak od pogojev na obeh straneh.
Na vodni strani so pomembni temperatura in pretok vode ter morebitna vsebnost glikola, na zračni strani pa temperatura in količina zraka, ki prehaja skozi prenosnik. Na prenos vplivajo tudi konstrukcija prenosnika, število vrst cevi in stanje njegovih površin.
Zato morajo biti lamele prenosnika čiste in pretok zraka neoviran. Prah in umazanija zmanjšujeta prehod zraka in prenos toplote ter lahko poslabšata delovanje celotne naprave.