Budova a energie ENB vytápění a chlazení

Transkript

1 CT 52 Technika prostředí LS 2013 Budova a energie ENB vytápění a chlazení 9. Přednáška Ing. Olga Rubinová, Ph.D.

2 Osnova předmětu týden přednáška 1 Faktory ovlivňující kvalitu vnitřního prostoru 2 Tepelná pohoda a rovnováha člověka 3 Vlhkost v budovách 4 Hodnocení tepelně vlhkostního mikroklimatu budov 5 Vzduch, který dýcháme 6 Hodnocení a zvyšování kvality vzduchu 7 Hygienické požadavky na pracovní prostředí 8 Energetická náročnost a legislativa ČR 9 ENB vytápění a chlazení 10 ENB osvětlení a teplá voda 11 ENB větrání 12 Problematika nízkoenergetických budov 13 Další složky mikroklimatu budov 2

3 3

4 Co je to potřeba a spotřeba tepla (obecně energie) umístění v krajině, požadavky uživatele tepelné vlastnosti obálky, poloha v budově provoz - vybavení, obsazení lidmi VNĚJŠÍ KLIMATICKÉ PODMÍNKY VÝMĚNA VZDUCHU A ZPŮSOB VĚTRÁNÍ PROSTUP TEPLA VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ VNITŘNÍ TEPELNÍ ZISKY ÚČINNOST SDÍLENÍ PRIMÁRNÍ ENERGIE (ENERGONOSITEL) SPOTŘEBA TEPLA DODANÁ ENERGIE ÚČINNOST VÝROBY ÚČINNOST DISTRIBUCE POTŘEBA TEPLA UŽITEČNÁ ENERGIE 4

5 Co je to zóna celá budova provozně jednotný celek (obsluhovaný 1 VZT zařízením) místnost jednotná pracovní doba, druh práce, požadavky na prostředí (stejná teplota) budova rozdělena do několika zón (vícezónový výpočet) se započtením tepelného propojení mezi zónami budova rozdělena do několika zón (vícezónový výpočet) bez započtení tepelného propojení mezi zónami místnost podlaží budova 5

6 Tepelná bilance zóny dynamické (podrobné) simulace dynamické metody (čas. krok hodina) jednoduchá hodinová metoda kvazistacionární metody dynamické vlivy zahrnuty empiricky stanoveným faktorem využitelnosti tepelných zisků / ztrát měsíční metoda korelační (statická) denostupňová metoda s pevnou délkou otopného období 6

7 Vliv vnitřní teploty a akumulace budovy teplota CHLAZENÍ t e,l akumulace tepla t i - komfort - spotřeba energie t max = t L t min = t Z VYTÁPĚNÍ t e,z měsíce 7

8 Pasivní solární (heliotechnické) budovy = zisk + akumulace MÍSTNOST přímé (sluneční záření prochází přímo do místnosti přes zasklení) nepřímé (sluneční záření se do místnosti dostává ve formě tepelné energie vyzařované z akumulační stěny) ABSORBÉR AKUMULÁTOR 8

9 Efektivní akumulační tloušťka materiál Efektivní tloušťka (m) Rychlost vedení tepla stěnou (mm/h) kámen 0,17 45 beton 0,14 35 dřevo 0,06 17 cihly 0,11 28 ocel 0,

10 Materiály s fázovou změnou - PCM PCM Micronal (+23 C, +26 C) materiál Tloušťka (mm) Tepelná kapacita (kj/m 2 K nebo kj/m 2 ) PCM Technologie - Materiály s fázovou změnou tepla Tepelný výkon při Δt = 3K a 8 h (W) Železobeton Plynosilikát Zdivo z plných pálených cihel Měkké dřevo Sádrokarton mramor ocel voda Polykarbonátová deska s výplní Micronalu Polykarbonátová deska s výplní Micronalu

11 Tepelná kapacita stavebních konstrukcí Tepelná kapacita vrstvené stěny (J/K) C = ρ. d. c. A Časová konstanta budovy (h) vyjadřuje její tepelnou setrvačnost tj. jak rychle by se měnila teplota prostoru v budově při náhlé změně venkovní teploty (C m = 180 až 470 kj/k) τ H = H TR C + H VE 11

12 Tepelná ztráta Celkový tepelný tok prostupem a větráním (k vnějšímu prostředí, okolním nevytápěným prostorům a do zeminy vč. tepelných vazeb, okna včetně okenic) Q L = Q T + Q V Tepelná ztráta (ENERGIE) tepla prostupem/větráním Q T = i {H T,i.(t i - t e,i )}.τ τ čas (s) H měrná ztráta (W/K) H t = U.S H v = V.ρ.c t i - t e,i. rozdíl teplot (K) 12

13 Tepelné zisky metabolického tepla uživatelů a obyvatelů budovy tepelného výkonu spotřebičů osvětlovacích zařízení (svítidla mohou být odsávána) Φ i = Φ OCC,mean + Φ APP,mean + Φ LI,mean Typ budovy f APP q APP - W/m 2 Administrativní 0,20 15 Zdravotní středisko 0,20 15 Vzdělávací zařízení 0,15 5 Nemocnice 0,50 8 Restaurace 0,25 10 Obchodní 0,25 10 Výrobní 0,20 5 Hotel 0,50 4 Sportovní zařízení 0,

14 Pasivní zisky z osvětlení W light = 6A gross + t u P 1000 n SPOTŘEBA = VÝKON*ČAS Činitel podílu spotřeby elektřiny na osvětlení v j-tém měsíci f L,j Měsíc flt,j [-] 1,52 1,25 1,04 0,85 0,7 0,65 0,65 0,70 0,87 1,03 1,24 1,50 Φ LI,n = ( 1 + dli, n) t h;y.w light

15 Solární pasivní zisky Q s,k = k [I s,k F s,o,k A s ] A s F s,o,k I s,k účinná solární sběrná plocha s určenou orientací a sklonem korekční činitel stínění účinné solární sběrné plochy od vnějších překážek sluneční záření, celková dopadající energie slunečního záření během výpočtového období na m 2 sběrné plochy k, s danou orientací a sklonem, (MJ/m 2 ), A s = F sh,g.g g.(1 - F F ).A w,p A s účinná solární sběrná plocha s určenou orientací a sklonem (m 2 ) A w,p celková plocha průsvitného prvku (například plocha okna) včetně rámu, (m 2 ) F F korekční činitel rámu zasklení průsvitného prvku, (-), podíl průsvitné plochy a celkové plochy zaskleného prvku, lze předpokládat konstantní hodnoty 0,3 pro vytápění a 0,2 pro chlazení) g g celková propustnost slunečního záření průsvitnou částí prvku, (-) F sh,g korekční činitel stínění pohyblivých stínících prvků (běžně s) 15

16 Princip měsíční metody γ H = Q Q G L, H 1 γ C = Q Q G L, C 1 γ = Q Q G L, C 1 Q C = QG. ηcql, C Q = Q + Q L, C TR VE t max = t L Q = Q + Q L, H TR VE t min = t Z γ = Q Q G L, H 1 Q = Q. Q H L, H ηh G Q G = QSol + Q int měsíce

17 1 Využití pasivních solárních zisků pro vytápění Dvojsklo či trojsklo to je oč tu běží PASIVNÍ SOLÁRNÍ ZISK TEPELNÁ ZTRÁTA PROSTUPEM Q = Q. Q H L, H ηh Stupeň využití η = 0,6 (zde zvoleno, jinak se vypočte) (vyjadřuje akumulační schopnost budovy) G 17

18 1 Využití pasivních solárních zisků pro vytápění I = 3,68 kwh/m 2 t pr = 1,9 C 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 I 90 /I 0 = 119 % I = 0,82 kwh/m 2 t pr = 0,0 C Naměřené hodnoty na vodorovnou rovinu okno je svislé jižní stěně. α březen Dlouhodobě jsou 0 4,29 vysledovány 15 5,27 hodnoty dopadající 30 5,94 energie (kwh/m 2 ) 45 6, , , ,13 α 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:

19 1 Využití pasivních solárních zisků pro vytápění Q s,k = k [I s,k F s,o,k A s ] Q s,tr = 24. k [U s,k A w,p ].Δt A s = F sh,g.g g.(1 - F F ).A w,p E = 3,68 kwh/m 2 tpr = 1,9 C I 90 = 3,68.1,19 = 4,40 kwh/m 2 ZISK Q s,k I s,k A s g F F A w,p dvojsklo 14,34 4,40 3,26 0,8 0,15 4,8 trojsklo 10,78 4,40 2,45 0,6 0,15 4,8 ZTRÁTA Q s,tr Δt t e A w,p U dvojsklo 2,29 18,1 1,9 4,8 1,1 trojsklo 1,67 18,1 1,9 4,8 0,8 Q = Q. Q H L, H ηh G Q 1 = 2,29 0,6.14,34 = - 6,31 kwh Q 2 = 1,67 0,6.10,78 = - 4,80 kwh Záporná bilance potřeba tepla není 19

20 1 Využití pasivních solárních zisků pro vytápění Q s,k = k [I s,k F s,o,k A s ] Q s,tr = 24. k [U s,k A w,p ].Δt A s = F sh,g.g g.(1 - F F ).A w,p E = 0,82 kwh/m 2 tpr = 0,0 C I 90 = 0,82.1,19 = 0,98 kwh/m 2 ZISK Q s,k I s,k A s g F F A w,p dvojsklo 3,19 0,98 3,26 0,8 0,15 4,8 trojsklo 2,40 0,98 2,45 0,6 0,15 4,8 ZTRÁTA Q s,tr Δt t e A w,p U dvojsklo 2,53 20,0 0,0 4,8 1,1 trojsklo 1,84 20,0 0,0 4,8 0,8 Q = Q. Q H L, H ηh G Q 1 = 2,53 0,6.3,19 = + 0,62 kwh Q 2 = 1,84 0,6.2,40 = + 0,40 kwh Kladná bilance potřeba tepla je 20

21 1 Využití pasivních solárních zisků pro vytápění E = 3,68 kwh/m 2 tpr = 1,9 C E = 0,82 kwh/m 2 tpr = 0,0 C lépe dvojsklo S lépe trojsklo Z ZÁPAD Slunce v zimním dni V VÝCHOD Slunce v zimním dni 21

22 Stínící technika Cíl = řídit průchod slunečního záření do místnosti Okenice Venkovní rolety Venkovní žaluzie Slunolamy a markýzy F = 0,1 až 1,0 g = 0,4 až 0,85 22

23 Měsíční potřeba - přerušovaný a tlumený provoz Stupeň využití zisků/ztrát pro γ H 1 η Q = f G, akumulace QL H = QL, H ηh QG Q C = QG. ηcql, C Q. a red f pr τ redukční faktor pro tlumené vytápění / chlazení poměr počtu pracovních dní ku počtu dní v týdnu celkem časová konst. budovy a red = γ 1 τ ( f ) pr Měsíční potřeba tepla pro vytápění (d počet dní v měsíci) Q H = ared, H d. QH, d 23

24 Potřeba a spotřeba energie EPA EPA C H QC = COP. η = QH η η zdroj distr distr + Q + Q p, C p, H Tepelné čerpadlo/zdroj chladu Tepelné ztráty potrubí Q H Q C Účinnost kotle, předávací stanice, 24

25 Pomocná energie (pohon čerpadel) Pomocná energie (P příkon, f činitel regulace, h provozní doba, d... počet dní v měsíci P Qp =. f. h 1000 pr d [ kwh] Typ čerpadel f c;h, f c;c Jednootáčkové 1,00 Tříotáčkové 0,68 S proměnnými otáčkami 0,54 Čerpadla ventilátory 25

26 Potřeba energie pro ohřev a dopravu vzduchu - VZT 1. Měrná tepelná ztráta větráním H v 2. Korekce redukční činitel b (jiná vstupní teplota) součinitel chodu větrání f vent (doba provozu) regulace podílu venkovního vzduchu f c,vent (vzduchového výkonu) účinnost zpětného získávání tepla η HR činitel recirkulace f recirc (podíl oběhového vzduchu) 3. Potřeba tepla pro ohřev vzduchu Q H,AHU 4. Potřeba pomocné energie pro mechanické větrání Q AUX,FANS

27 Vliv regulace vzduchového výkonu

28 Vlastnosti referenční budovy Vytápění Účinnost výroby energie zdrojem tepla η H,gen,R % 80 Účinnost distribuce energie na vytápění η H,dis,R % 85 Účinnost sdílení energie na vytápění η H,em,R % 80 Chlazení Chladicí faktor kompresorového zdroje chladu EER C,gen,R W/W 2,7 Chladicí faktor ostatních zdrojů chladu EER C,gen,R W/W 0,5 Účinnost distribuce energie na chlazení η C,dis,R % 85 Účinnost sdílení energie na chlazení η C,em,R % 85 Dodaná energie na chlazení pro rodinné a bytové domy (nebo zόny s tímto provozem) Q fuel,c kwh 0 TNI Energetická náročnost budov typické hodnoty pro výpočet (2013) 28

29 Účinnosti soustav příklady dle TNI

30 Kapka, padá-li stále, ne silou vyhloubí kámen; člověk jen stálou pílí, ne naráz, se učeným stane. Latinské přísloví 30