13.10.2013 Views

Zaradi različnih hitrosti vetra, spreminjanja hitrosti po višini, razliki ...

Zaradi različnih hitrosti vetra, spreminjanja hitrosti po višini, razliki ...

Zaradi različnih hitrosti vetra, spreminjanja hitrosti po višini, razliki ...

SHOW MORE
SHOW LESS

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

1.2.3. Izgube toplote skozi talne <strong>po</strong>vršine<br />

Pomembni delež toplotnih izgub skozi ovoj zgradbe tvori prehod toplote skozi<br />

talne <strong>po</strong>vršine. Razmere si je mogoče najpreprosteje predočiti v približku tal v obliki<br />

vodoravne temeljne plošče, skica 1.22.<br />

P(t)<br />

B<br />

Skica 1.22.<br />

Tovrsten problem je matematično zapleten saj je <strong>po</strong>trebno <strong>po</strong>iskati rešitev<br />

parcialne differencialne enačbe prevajanja toplote, ob danih začetnih in robnih <strong>po</strong>gojih,<br />

2 1<br />

∇ T =<br />

a<br />

∂ T<br />

I-149<br />

∂t<br />

kjer je Laplace-ov operator, ∇ ≡ Δ , matematični oprerator, ki se v kartezičnem<br />

koordinatnem sistemu, katerega smeri koordinatnih osi so definirane z enotni vektorji, i<br />

2<br />

)<br />

,<br />

v<br />

j in k v , zapiše<br />

∂ T<br />

∂x<br />

∂ T<br />

∂ y<br />

∂ T<br />

∂z<br />

2 2 2<br />

2<br />

∇ T = + 2 2 + 2<br />

R<br />

I-150<br />

50


in konstanta a je za homogeno telo definirana kot termalna difuzivnost,<br />

a =<br />

λ<br />

I-151<br />

ρ c p<br />

kjer <strong>po</strong>meni λ, koeficient toplotne prevodnosti, ρ gostoto snovi in cp specifično toploto<br />

snovi pri konstantnem tlaku. Nekaj zapisanih vrednosti je <strong>po</strong>danih v TABELI IX.<br />

TABELA IX<br />

λ [W/mK] ρ cp [ x 10 6 J/m 3 K] a [ x 10 -6 m 2 /s]<br />

Opeka 0.6 1.35 0.44<br />

Beton 1.7 1.8 1.0<br />

Granit 3.5 2.2 1.6<br />

Mavec 0.22 0.72 0.31<br />

Železo 84 3.6 23<br />

Lahki beton 0.14 0.5 0.28<br />

Mineralna volna 0.04 0.12 0.3<br />

Les 0.14 0.75 0.19<br />

1.2.3.1 Toplotna vdornost<br />

Zapletenost zapisanega problema je mogoče predočiti na osnovi dveh zelo<br />

<strong>po</strong>enostavljenih primerih nestacionarnega prevajanja toplote. Kot prvi takšen primer<br />

služi izračun časovne odvisnosti temperature na stiku dveh teles, ki vsaka zase za<strong>po</strong>lnjuje<br />

<strong>po</strong>lprostor pri čemer znaša temperatura teles v času t < 0, T1 in T2 telesi pa se stakneta v<br />

trenutku t = 0. Potek temperatur v trenutku t = 0 je <strong>po</strong>dan na skici 1.23.<br />

Enačba I-149 se v danem enodimenzionalnem primeru zapiše,<br />

2<br />

∂<br />

- a 2<br />

T<br />

∂t<br />

∂ T<br />

∂x<br />

= 0 I-152<br />

Rešitev zapisane parcialne diferencialne je <strong>po</strong>dana (glej <strong>po</strong>glavje 1.7.2) z<br />

izrazom,<br />

T(x,t) - T0 = C<br />

x<br />

1 −<br />

∫<br />

t<br />

0<br />

e<br />

2<br />

v<br />

4at<br />

dv<br />

I-153<br />

51


T2(x,t=0) = T2(∞)<br />

T(x, t=0)<br />

Skica 1.23<br />

T1(x,t = 0) = T1(∞)<br />

0 x<br />

kjer je C še nedoločena konstanta. Da je izraz I-153 res rešitev se je mogoče prepričati<br />

tako, da se ga vstavi v I-152.<br />

V zgornjem primeru dano telo zavzema <strong>po</strong>lprostor zato <strong>po</strong>tekajo meje integracije<br />

of 0 do ∞. Tedaj se izraz I-153 prevede v,<br />

T(x=∞, t) - T0 = C<br />

1<br />

∫ t<br />

2<br />

∞<br />

−<br />

4 e<br />

0<br />

at<br />

v<br />

dv<br />

∞<br />

= C 4 a ∫<br />

kjer je bila u<strong>po</strong>rabljena zamenjava spremenljivke,<br />

u =<br />

v<br />

4at<br />

−<br />

e<br />

0<br />

u<br />

2<br />

du<br />

, I-154<br />

I-155<br />

Toda integral na desni izraza I-154 je sorazmeren verjetnostnemu integralu (error<br />

function) erf(x), ki je definiran,<br />

x<br />

2<br />

erf(x) = ∫ , I-156<br />

π<br />

−<br />

2<br />

u<br />

e du<br />

0<br />

katerega vrednosti so tabelirane in ki v limiti x → ∞ zavzame vrednost,<br />

52


erf(∞) = 1 I-157<br />

Graf funkcije erf(x) je prikazan na skici 1.24.<br />

Izraz I-154 se torej <strong>po</strong>enostavi v,<br />

Skica 1.24<br />

T(x=∞, t) – T0 = C π a , I-158<br />

in če se izraz za konstanto C vstavi v enačbo I-153, tedaj je rešitev <strong>po</strong>dana z,<br />

T(x,t) - T0 = [T(x=∞, t) - T0 ] erf(<br />

x<br />

) I-159<br />

4at<br />

r )<br />

Gostota toplotnega toka, j = j(x, t) i , preko stične <strong>po</strong>vršine je <strong>po</strong>dana z izrazom,<br />

r ∂ T )<br />

j (x, t) = - λ grad T(x,t) = - λ i I-160<br />

∂x<br />

in je tedaj gostota toka j(x=0, t) na mestu x = 0,<br />

j(x=0, t) = C λ<br />

e<br />

2<br />

x<br />

−<br />

4at<br />

t<br />

x=<br />

0<br />

=<br />

( ∞)<br />

T − T0<br />

π<br />

λρ c<br />

1<br />

, I-161<br />

t<br />

kjer je že u<strong>po</strong>števana definicija konstante a, izraz I-151. Ker mora veljati izrek o ohranitvi<br />

energije, sledi<br />

j1 + j2 = 0 I-162<br />

53


in zatorej se izraz I-162 razčleni v,<br />

[ T2(∞) – T0 ] b2 + [ T1(∞) – T0 ] b1 = 0 I-163<br />

tako, da je (končna) temperatura T0, temperatura stičišča, <strong>po</strong>dana z izrazom,<br />

T0 =<br />

b<br />

1<br />

T<br />

1<br />

( ∞)<br />

+ b T ( ∞)<br />

1<br />

2<br />

b + b<br />

kjer <strong>po</strong>meni konstanta b,<br />

2<br />

2<br />

I-164<br />

b = λ ρ c p<br />

I-165<br />

koeficient stične <strong>po</strong>vršine (t.im. toplotna vdornost). Iz izraza I-164 sledi, da je v primeru<br />

enakih teles, t.j. b1 = b2, temperatura stičišča kar aritmetična sredina njunih začetnih<br />

temperatur,<br />

T0 =<br />

T<br />

1<br />

( ∞) + T ( ∞)<br />

2<br />

2<br />

I-166<br />

V splošnem, če sta telesi različne sestave, pa je temperatura stične ploskve bliže<br />

temperaturi telesa z večjim koeficientom b. Telo z večjim koeficientom b se na stični<br />

<strong>po</strong>vršini manj ohladi (oziroma segreje) kot snov z manjšim b. Če, n.pr. stopimo na hladna<br />

betonska tla, se temperatura nog zniža bolj kot temperatura betona, nekoliko bolje je če<br />

stopimo na opečnata tla (dvakrat manjša toplotna vdornost kot beton), ali pa na lesena tla<br />

(šestkrat manjša toplotna vdornost od betonskih tal). Podobno velja ob dotiku z vročim<br />

telesom.<br />

Zgled: Na betonsko ploščo toplotne vdornosti b1 = 2360 s W/m 2 K in temperature<br />

T1(∞) = - 10 C, <strong>po</strong>stavimo debele hrastove plohe toplotne vdornosti b2 = 640 s W/m 2 K<br />

in temperature T2 = 20 C. Kolikšna je temperatura njune stične ploskve? Kolišno gostoto<br />

toplotnega toka prejema hladnejše telo?<br />

T0 =<br />

j =<br />

b1T1<br />

( ∞)<br />

( ∞)<br />

+ b T ( ∞)<br />

2<br />

b1<br />

+ b2<br />

T2 − T<br />

π<br />

0<br />

2<br />

λρ c<br />

= 0.21 T2 + 0.79 T1 = - 3.7 C.<br />

1<br />

=<br />

t<br />

( ∞)<br />

T2 − T<br />

π<br />

0<br />

b2<br />

1<br />

= 8557.6<br />

t<br />

1<br />

t<br />

W s<br />

2<br />

m K<br />

54


Zgled: za primer betonske plošče, ki za<strong>po</strong>lnjuje - ∞ ≤ x ≤ 0 <strong>po</strong>lprostora s temperaturo T<br />

= -5 0 C, ki se v trenutku t = 0 sklene z lesenim prekritjem, 0 ≤ x ≤ ∞, temperature T =<br />

25 0 C nariši <strong>po</strong>tek temperature za t = 600 s, t = 10000 s in t = 50000 s v intervalu prostora<br />

- 0.7 m ≤ x ≤ 0.7 m. Za <strong>po</strong>datke u<strong>po</strong>rabi konstante iz TABELE IX.<br />

Po <strong>po</strong>datkih TABELE IX velja:<br />

abeton = 1.0 x 10 -6 m 2 /s in toplotna vdornost bbeton = 1.75 x 10 3 W√s/m 2 K ter<br />

ales = 0.19 x 10 -6 m 2 /s in toplotna vdornost bles = 0.32 x 10 3 W√s/m 2 K<br />

Iz izraza I-164 je temperatura na stiku tedaj enaka,<br />

T0 =<br />

b<br />

1<br />

T<br />

1<br />

( ∞)<br />

+ b T ( ∞)<br />

1<br />

2<br />

b + b<br />

2<br />

2<br />

= 272.6 K = - 0.4 0 C<br />

Izračunati in narisati je <strong>po</strong>trebno izraz I-159, za izbrane vrednosti parametra t,<br />

T(x,t) - T0 = [T(x=∞, t) - T0 ] erf(<br />

x<br />

)<br />

4at<br />

<strong>po</strong>sebej za negativne in <strong>po</strong>zitivne vrednosti x. Rezultat je prikazan na skici 1.25<br />

Skica 1.25<br />

Prostorski <strong>po</strong>tek temperature T(x, t) v odvisnosti od razdalje od stične <strong>po</strong>vršine x, za<br />

različne vrednosti parametra t. Krivulje so izračunane za t = 600 s (v prvem kvadrantu<br />

leva krivulja), za t = 10000 s (sredina) in za t = 50000 s (desna krivulja). V tretjem<br />

kvadrantu se krivulje vrstijo v nasprotnem vrstnem redu. Rezultat n.pr. <strong>po</strong>meni, da je <strong>po</strong><br />

času t = 10000 sekund temperatura lesa v globini 5 cm od stika samo še približno<br />

<strong>po</strong>lovica njegove vrednosti v začetku.<br />

55


1.2.3.2 Časovna sprememba temperature tal<br />

Temperatura zraka je <strong>po</strong>dvržena vsakodnevnim časovnim spremembam, ki<br />

izhaja iz periodičnega (dnevnega in pa letnega) vrtenja zemlje okoli sonca. Amplituda<br />

periodičnega nihanja temperature je v danem trenutku odvisna od lokalnih klimatskih<br />

<strong>po</strong>gojev, močno pa seveda zavisi tudi od letnega časa, skica 1.26, ki prikazuje dnevne<br />

Skica 1.26<br />

variacije temperature, kot so zabeležene na reaktorskem centru Inštituta »J. Stefan« v<br />

Ljubljani med 13. februarjem in 15. marcem 2007. Letno nihanje temperature na<br />

zapisanem mestu <strong>po</strong>daja skica 1.27. Zapleteno spreminjanje temperature na <strong>po</strong>vršini bo v<br />

nadaljnjem opisano v najbolj grobem približku v obliki,<br />

T(z=0, t) = Tp + [ΔT(z=0)]cos(ω t) I-167<br />

kjer je Tp <strong>po</strong>vprečna temperatura v danem časovnem obdobju, ΔT je amplituda nihanja<br />

temperature in ω je krožna frekvenca, ki je s časovno periodo τ <strong>po</strong>vezana z izrazaom,<br />

2π<br />

ω = . I-168<br />

τ<br />

56


Skica 1.27<br />

Za primerjavo. dnevno nihanje temperature zraka n.pr. zadovoljivo <strong>po</strong>piše enačba I-139,<br />

kot <strong>po</strong>seben primer izraza I-167.<br />

Spreminjanje temperature tal, skica 1.28, <strong>po</strong>d vplivom periodične spremembe<br />

0<br />

z<br />

T(z=0, t) = Tp + [ΔT (z=0)] cos(ω t)<br />

Za z -> ∞ je T(z, t) = Tp<br />

Skica 1.28<br />

57


temperature <strong>po</strong>vršine, ki se nahaja v koordinatnem izhodišču, z = 0, skica 1.28, se<br />

najpreprosteje izračuna <strong>po</strong>d pred<strong>po</strong>stavko, da je temperatura zemlje na veliki oddaljenosti<br />

od <strong>po</strong>vršine konstantna in enaka Tp, snovne lastnosti zemlje, a, izraz I-151, so neodvisne<br />

od globine (in od temperature) ter v njeni notranjosti ni nikakršnih dodatnih izvorov ali<br />

<strong>po</strong>norov toplote tako, da je struktura zemljine (v območju <strong>po</strong>lprostora) vseskozi enaka.<br />

Časovna in krajevna odvisnost temperature je <strong>po</strong>dana z izrazom I-149, pri čemer<br />

gre za sorazmerno enostaven problem v eni razsežnosti, ki se zapiše,<br />

2<br />

∂ T<br />

2<br />

∂z<br />

1<br />

=<br />

a<br />

∂ T<br />

I-169<br />

∂t<br />

kjer je temperatura T = T(z, t) funkcija globine z ter časa t.<br />

Rešitev se išče z nastavkom,<br />

T(z, t) = T* + T1(t) T2(z) I-170<br />

tako, da se I-169 <strong>po</strong>enostavi v,<br />

1<br />

T1(t) T2˝(z) - T2(z) T& 1()<br />

t = 0, I-171<br />

a<br />

oziroma<br />

a<br />

T ′<br />

2<br />

T<br />

( z)<br />

2<br />

=<br />

T1 T<br />

&<br />

() t<br />

1<br />

= - c I-172<br />

kjer označuje c (negativno) separacijsko konstanto, kajti leva stran, ki zavisi zgolj od<br />

globine z je enaka desni, ki pa je funkcija časa t. Enačaju je lahko zadoščeno samo tedaj,<br />

če sta kvocienta neodvisna od argumentov in enaka dani konstantno vrednosti, ki je<br />

označena kot –c. Toda <strong>po</strong> pred<strong>po</strong>stavki je temperatura T periodična funkcija časa t, I-167,<br />

in torej je realno pričakovati, da bo <strong>po</strong>dobno časovno odvisnost izkazovala tudi rešitev<br />

enačbe I-169. To je mogoče se se za separacijsko konstanto <strong>po</strong>stavi imaginarno število c<br />

= i u, kjer je i = −1 in u je realna konstanta.<br />

Potrebno je <strong>po</strong>iskati periodično rešitev navadne diferencialne enačbe 1. reda,<br />

() t<br />

T& 1 + i u T1(t) = 0, I-173<br />

ki pa je <strong>po</strong>dana z<br />

iut<br />

T1(t) = T1(t=0) I-174<br />

e −<br />

pri čemer je konstanta T1(t=0) še nedoločena.<br />

Rešitev izraza,<br />

58


iu<br />

T˝2(z) +<br />

a<br />

iščemo z nastavkom,<br />

T2(z) = Konst<br />

T2(z) = 0 I-175<br />

z<br />

e α −<br />

I-176<br />

(lahko pa tudi z nastavkom v v obliki e - i α t , kar ne spremeni rezultata) kjer se izkaže, da<br />

mora parameter α zadoščati izrazu,<br />

α = ±<br />

u<br />

− i =<br />

a<br />

iu<br />

± i = ± (i-1)<br />

a<br />

u<br />

2 a<br />

I-177<br />

kar sledi z u<strong>po</strong>rabo relacije (1+i) 2 = 2i in zato i = (1+i)/ 2 .<br />

Izraz I-176 se torej zapiše v obliki,<br />

T2 (z) = A<br />

i<br />

e 2<br />

u<br />

a<br />

z<br />

u<br />

−<br />

e 2a<br />

z<br />

+ B<br />

u u<br />

−i z z<br />

a a<br />

e 2<br />

e 2 I-178<br />

toda, ker mora temperatura v limiti, ko gre z -> ∞ zavzeti dano končno vrednost mora biti<br />

konstanta B = 0 in tako se tedaj splošna rešitev I-169 glasi,<br />

T(z, t) = T* + A1<br />

e<br />

⎛<br />

i⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

u ⎞<br />

z −ut ⎟ u<br />

2a<br />

⎟ −<br />

⎠ e 2a<br />

z<br />

I-179<br />

kjer sta še nedoločeni konstanti združeni v novo konstanto A1. Realni del izraza I-179, je<br />

tedaj iskana rešitev, saj zadošča diferencialni enačbi I-169 in robnemu <strong>po</strong>goju I-167. Iz<br />

primerjave s slednjo, velja namreč,<br />

T* = Tp<br />

A1 = ΔT(z=0)<br />

u = ω I-180<br />

tako, da je končna rešitev zadanega problema tedaj,<br />

T(z, t) = Tp + [ΔT(z=0)] e 2<br />

−<br />

ω<br />

z<br />

a cos ⎟ ⎛ ω ⎞<br />

⎜ z −ω t<br />

⎝ 2a<br />

⎠<br />

. I-181<br />

Grafična predstavitev izraza I-181 je prikazana na skici 1.29 za naslednje<br />

vrednosti parametrov: Tp = 3 st C, [ΔT(z=0)] = 20 st C, τ = 24 h in a = 6 x 10 -7 m 2 /s =<br />

59


2.16 x 10 -3 m 2 /h, za naslednje vrednosti z: z = 0 m (krivulja največje amplitude), z = 0.1<br />

m (srednja amplituda), z = 0.3 m (najnižja amplituda) ter z = 0.7 m (vodoravna črta), ki<br />

dokazuje, da je na tej globini temperatura tal konstantna. Vpliv dnevnega nihanja<br />

temperature zraka se pri danih <strong>po</strong>gojih torej zaznava vse do globine z ≈ 0.4 m. Iz skice je<br />

razvidno, da so tla zamrznjena (<strong>po</strong>d danimi <strong>po</strong>goji računa) vse do 30 cm <strong>po</strong>d <strong>po</strong>vršino<br />

zemlje.<br />

Skica 1.29<br />

Če se namesto dnevnega nihanja temperature zraka u<strong>po</strong>števa <strong>po</strong>goje letne spremembe<br />

temperature, τ = 365 dni, pri čemer se za <strong>po</strong>vprečno temperaturo vzame vrednost Tp = 8<br />

0 C, za amplitudo nihanja temperature pa vrednost 16 0 C, (a = 6 x 10 -7 m 2 /s = 5.18 x 10 -2<br />

m 2 /dan) tedaj skica 1.30, kjer si krivulje za<strong>po</strong>redoma vrstijo od najvišje vrednosti (na<br />

ordinatni osi) izračunane za z = 0 m, z = 2m, z = 4m in z = 6m, kaže, da za zapisane<br />

vrednosti celo na globini 6 m temperatura še ne doseže stacionarne (konstantne)<br />

vrednosti, t.j. 8 0 C.<br />

Skica 1.30<br />

60


1.2.3.3 Prehod toplote med zrakom in tlemi<br />

Nihanje temperature zraka v bližini tal približno <strong>po</strong>pisuje izraz,<br />

i t<br />

e ω −<br />

Tz = Tpz + ΔTz I-182<br />

kjer imajo zapisane količine svoj običajni <strong>po</strong>men, t.j. Tpz je <strong>po</strong>vprečna temperatura zraka,<br />

amplituda nihanja temperature zraka pa je ΔTz. Na mejni plasti med zrakom in tlemi, t.j.<br />

pri z = 0, prehaja toplota iz zraka v tla, pri čemer za gostoto toplotnega toka velja,<br />

⎡<br />

∂T<br />

⎤<br />

⎢α<br />

( Tz () t −T<br />

( z,<br />

t)<br />

) = − λ ⎥<br />

I-183<br />

⎣<br />

∂z<br />

⎦<br />

z = 0<br />

kjer T(z, t) označuje temperaturo tal. Slednja seveda mora zadoščati izrazu I-169,<br />

2<br />

∂ T<br />

2<br />

∂z<br />

1<br />

=<br />

a<br />

∂ T<br />

I-169<br />

∂t<br />

katerega rešitev je <strong>po</strong>dana z že znanim izrazom I-179<br />

T(z, t) = Tp + A1<br />

e<br />

⎛<br />

i⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

ω ⎞<br />

z −ω t ⎟<br />

2a<br />

⎟<br />

⎠<br />

−<br />

e 2<br />

ω<br />

a<br />

z<br />

i<br />

= Tp +<br />

( Ω z −ωt<br />

A1 e<br />

)<br />

I-179<br />

kjer je novi parameter Ω definiran z vpeljavo,<br />

Ω = ( 1 i)<br />

ω<br />

+ . I-184<br />

2a<br />

Izraz I-183 se sedaj prevede v,<br />

− i t<br />

( ) t i −ω<br />

e ω<br />

α (Tpz + ΔTz - Tp - A1<br />

od koder nemudoma sledi,<br />

e<br />

) = - λ A1 ( i Ω)<br />

i(<br />

−ωt<br />

e<br />

)<br />

I-185<br />

Tpz = Tp I-186<br />

α ( ΔTz - A1 ) = - λ A1 ( i Ω) I-187<br />

61


Torej je <strong>po</strong>vprečna temperatura zraka, Tzp, enaka <strong>po</strong>vprečni temperaturi tal, Tp, skladno<br />

pričakovanjem saj v odsotnosti toplotnih <strong>po</strong>norov in toplotnih izvorov v tleh tako, da se<br />

tla dodatno ne hladijo oziroma se dodatno ne segrevajo. Iz druge enačbe sledi, da je<br />

amplituda A1 <strong>po</strong>dana z,<br />

A1 =<br />

ΔTz<br />

λ<br />

1−i<br />

Ω<br />

α<br />

=<br />

λ<br />

1+<br />

α<br />

ΔTz<br />

ω λ ω<br />

−i<br />

2a<br />

α 2a<br />

Na tem mestu je ugodno definirati sistemsko funkcijo FA,<br />

FA =<br />

λ<br />

1+<br />

α<br />

katere modul je enak,<br />

A<br />

1<br />

ω λ ω<br />

−i<br />

2a<br />

α 2a<br />

F = F * =<br />

A FA<br />

⎛ λ<br />

⎜<br />

1+<br />

⎝ α<br />

1<br />

ω ⎞<br />

⎟<br />

2a<br />

⎟<br />

⎠<br />

2<br />

⎛ λ<br />

+ ⎜<br />

⎝α<br />

ω ⎞<br />

⎟<br />

2a<br />

⎟<br />

⎠<br />

2<br />

I-188<br />

I-189<br />

I-190<br />

in tanges kota ϕ, ki je enak kvocientu imaginarne z realno kom<strong>po</strong>nento sistemske<br />

funkcije FA je tedaj,<br />

tg ϕ =<br />

λ ω<br />

α 2a<br />

λ ω<br />

1+<br />

α 2a<br />

tako, da se sistemska funkcija FA lahko zapiše tudi v obliki,<br />

FA = A<br />

iϕ<br />

I-191<br />

F e<br />

I-192<br />

Če se vpelje oznaka,<br />

Θ =<br />

λ<br />

α<br />

ω<br />

2a<br />

I-193<br />

tedaj je odvisnost modula sistemske funkcije FA (krepka krivulja) in faznega faktorja ϕ<br />

(tanka črta) v odvisnosti od Θ prikazana na skici 1.31.<br />

62


Skica 1.31<br />

Na tem mestu gre <strong>po</strong>udariti, da je gostota toplotnega toka iz zraka v tla <strong>po</strong>dana z<br />

izrazom,<br />

v<br />

j (z, t) = - λ grad T = - λ<br />

∂ T )<br />

k I-194<br />

∂z<br />

kjer je k ) enotni vektor, ki definira smer osi z. T <strong>po</strong>meni temperaturo tal, katere<br />

funkcijska odvisnost od parametrov z in t je <strong>po</strong>znana, enačba I-179. Z u<strong>po</strong>rabo izrazov I-<br />

188 in I-190 se temperatura (konstanten faktor Tp je izpuščen), izraz I-179, lahko zapiše,<br />

( Ω t )<br />

iϕ<br />

i z −ω<br />

T(z, t) = ΔTz |FA| e e<br />

I-195<br />

tako, da je tedaj velikost gostote toplotnega toka j v tla,<br />

j(z, t) = - λ i Ώ T(z, t) = (1-i) λ<br />

ω<br />

T(z, t) I-196<br />

2a<br />

Če se izračuna realni del gostote toka, I-196, je tedaj mogoče <strong>po</strong>kazati, da je v časovnem<br />

<strong>po</strong>vprečju,<br />

1<br />

∫<br />

< Re j(z, t) > = ( Re ( z,<br />

t)<br />

τ<br />

τ 0<br />

j ) dt<br />

= 0 I-197<br />

kar <strong>po</strong>meni, da je enak delež gostote toplotnega toka, kot je prenesen na tla v prvi<br />

<strong>po</strong>lovici periode v drugi <strong>po</strong>lovici vrnjen v zrak. V časovnem <strong>po</strong>vprečju je torej celoten<br />

63


(presežni) trans<strong>po</strong>rt toplotne energije, izračunan v okviru zapisanih pred<strong>po</strong>stavk, enak<br />

nič.<br />

1.2.3.4 Prehod toplote s plošče končnih razsežnosti v tla<br />

Toplotni tok zaradi periodičnega nihanja temperature v tla je bil dosedaj<br />

obravnavan za primer <strong>po</strong>lprostora. V primeru plošče končnih razsežnosti, skica 1.22, je<br />

račun zahteven in zato bodo navedeni le splošni rezultati. Podrobnosti so raziskane v<br />

člankih J. Claesson, C-E. Hagentoft, Int. J. Building and Environment 26, str. 195-208<br />

(1991), J. Claesson, C-E. Hagentoft, ibid, stran 395-403.<br />

Skica 1.22 prikazuje ne<strong>po</strong>dkleteno zgradbo pravokotne oblike širine B in<br />

dolžine L talne AB (t.j. armirano-betonske) plošče toplotne u<strong>po</strong>rnosti R. Temperatura<br />

zraka (v intervalu enega leta) v notranjosti niha periodično, toda z določenim faznim<br />

zamikom Δ glede na nihanje zraka v zunanjosti torej,<br />

T(z=0, t) = Tp + [ΔT(z=0)]cos(ω t - Δ) I-198<br />

Toplotni tok v ploščo (in s tem v tla) se zapiše kot vsota stacionarnega deleža<br />

Ps ter deleža, ki se periodično (na letni ravni) spreminja, P´(t),<br />

P(t) = Ps + P´(t) I-199<br />

pri čemer je stacionarni toplotni tok pravokotne plošče (konstantne toplotne u<strong>po</strong>rnosti)<br />

<strong>po</strong>vršine L x B <strong>po</strong>dan z izrazom,<br />

⎛ L d ⎞<br />

Ps = λ (Tn – T0 ) L hs⎜ , ⎟ d = R λ I-200<br />

⎝ B B ⎠<br />

pri čemer je hs(u,v), faktor izgube toplote, brezdimenzijska funkcija dveh neodvisnih<br />

spremenljivk, ki je numerično izvrednotena in <strong>po</strong>dana v obliki grafa. V izrazu I-199<br />

<strong>po</strong>menita Tn in T0 temperaturo v notranjosti zgradbe in <strong>po</strong>vprečno letno zunanjo<br />

temperaturo zraka.<br />

Periodična kom<strong>po</strong>nenta toplotnega toka se pa glasi,<br />

P´(t) = - λ T1 (2L+2B) |hp 0 | sin [(ω t – Δ) - ϕp 0 ] I-201<br />

pri čemer zavisita (brezdimenzijski) funkciji |hp 0 | in ϕp 0 od razmerja at<br />

π<br />

je tp časovna perioda in obe funkciji sta prav tako <strong>po</strong>dani numerično.<br />

d , kjer<br />

p<br />

64


1.2.3.5 Ocena toplotnih izgub zunanjega ovoja zgradbe<br />

Celotna <strong>po</strong>vršina zunanjega plašča zgradbe naj bo A. Sestavlja jo <strong>po</strong>samezne <strong>po</strong>vršine, ki<br />

odpadejo na okna, vrata in druge odprtine plašča, zunanje stene, <strong>po</strong>dstrešje, talna<br />

<strong>po</strong>vršina nad kletjo, itd. Vsaka od teh <strong>po</strong>sameznih ploskev je opredeljena z njej lastnim<br />

koeficientom prehoda toplote Uj, j = 1, 2,....., p, s skupaj p vrednostmi koeficientov U.<br />

Oceno toplotnih izgub zunanjega plašča zgrabe <strong>po</strong>daja <strong>po</strong>vprečna U-vrednost, ki se jo<br />

izračuna <strong>po</strong> obracu,<br />

< U> = U<strong>po</strong>v =<br />

kjer je,<br />

p<br />

∑<br />

j=<br />

1<br />

p<br />

∑<br />

j=1<br />

U<br />

A<br />

j<br />

A<br />

j<br />

, I-202<br />

A = A , I-203<br />

j<br />

celotna skupna <strong>po</strong>vršina zunanjega plašča zgradbe. Zgornja ocena je ustrezna v primeru,<br />

ko je temperatura tistih prostorov zgradbe, ki mejijo na zunanjost približno enaka. Pozimi<br />

temu ni vedno tako, saj je temperatura talne <strong>po</strong>vršine običajno višja, kot pa znaša zunanja<br />

temperature, Tz, daleč od zunanje mejne <strong>po</strong>vršne zidu, prav tako je ob sončnem dnevu<br />

temperatura tal <strong>po</strong>dstrešja-zaradi segrevanja <strong>po</strong>d vplivom sonca- višja kot Tz, itd. Tudi<br />

65


temperatura stopnišča, garderobe, garaže, in drugi <strong>po</strong>možnih prostorov so običajno<br />

drugačne, kot pa je Tn. V teh primerih se ustrezne koeficiente U dodatno uteži, tako se<br />

npr. koeficient prehoda toplote <strong>po</strong>dstrešne <strong>po</strong>vršine U<strong>po</strong>dstr, v zgoraj zapisani enačbi<br />

<strong>po</strong>množ z utežjo 0.8, koeficient prehoda toplote talne <strong>po</strong>vršne Utalne se <strong>po</strong>množi s<br />

faktorjem 0.5, itd. Te uteži na same pripadajoče <strong>po</strong>vršine seveda ne vplivajo.<br />

Kar zadeva koeficient prehoda toplote tlorisne <strong>po</strong>vršine, velja o<strong>po</strong>zoriti, da se v<br />

enačbi za 1/U, s<strong>po</strong>dnje mejne <strong>po</strong>vršine, t.j. faktorja u<strong>po</strong>ra prestopa toplote 1/αz ne<br />

u<strong>po</strong>števa.<br />

Pogosto je ustrezno navesti aritmetično <strong>po</strong>vprečeni koeficient prehoda toplote Ua,<br />

ki je definiran kot,<br />

Ua =<br />

U<br />

zp<br />

A<br />

A<br />

zp<br />

zp<br />

+ U<br />

+ A<br />

ov<br />

ov<br />

A<br />

ov<br />

, I-204<br />

kjer <strong>po</strong>menijo Uzp koeficient toplotnega prehoda vseh zunanjih <strong>po</strong>vršin (brez odprtin!)<br />

zgradbe, Azp je seštevek zunanjih <strong>po</strong>vršin zgradbe, Uov je koeficient toplotnega prehoda<br />

vseh odprtin v zunanjih stenah (okna in vrata), katerih skupna <strong>po</strong>vršina znaša Uov.<br />

Očitno je, da je za vzdrževanje čim ugodnejših bivalnih <strong>po</strong>gojev preko celega leta<br />

in ob u<strong>po</strong>števanju energetske krize, <strong>po</strong>trebno določiti tako projektirane koeficiente U, da<br />

bodo toplotne izgube čim manjše. Čeprav je to do neke mere tehnično izvedljivo, pa je ob<br />

teh prizadevanjih <strong>po</strong>trebno u<strong>po</strong>števati še ekonomski faktor, tako, da se v praksi išče<br />

optimalno razmerje med še dopustnimi toplotnimi izgubami in cenovno učikovitostjo.<br />

66

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!