ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov. 125TBA1 Vytápění. Prof. Ing. Karel Kabele, CSc. A227b konzultace: středa 9-10

Transkript

1 ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov 125TBA1 Vytápění Prof. Ing. Karel, CSc. A227b konzultace: středa TERMIT ČLOVĚK 5 m 5 mm = 1000 love-to-animals.blog.cz m 1,8 m = kw kw 2 1

2 Vytápění - Historie 700 př.n.l - 0 Hypocausta Turecko,Foto autor Hypocaustum (řecky vytápění zdola ) A - topeniště (praefurnium), B - dutina zdvojené podlahy, C - nosné sloupky cca 80 cm, D - podlahové desky, E - vytápěná místnost (kaldárium), F - komíny ve stěnách Santorini, Řecko, Foto autor 3 Vytápění - Historie - středověk Krby, kamna ČR,Český Krumlov,Foto autor ČR, Mostov,Foto autor ČR, Mostov,Foto autor Foto autor ČR,,Foto autor 4 2

3 Vytápění - Historie století - parní soustavy J.Pacold: Konstrukce pozemního stavitelství, Praha Historie 20.století J.Pacold: Konstrukce pozemního stavitelství, Praha

4 Historie 20.století teplovodní soustavy Parní soustavy jsou nahrazovány teplovodními použití elektrické energie, čerpadel, regulace Foto: Autor Teplovodní kotel Strebl z roku

5 Vytápění - současnost Teplovodní otopné soustavy Plynové kotle řízené elektronikou Otopné plochy umístěné v podlaze, stěnách, stropech Počítačové modely chování systémů 9 Vytápění - současnost 10 5

6 Vytápění - současnost 12 Vytápění - současnost 13 6

7 Vliv umístění tělesa na obraz proudění vzduchu v místnosti 14 Systémy vytápění Energonositel Zdroj tepla Přenos tepla Vytápění prostoru Paliva Uhlí Zemní plyn Bioplyn Biomasa Topný olej Energie prostředí Solární energie Geotermální energie Energie vody, země, vzduchu Elekřina Topidla Kotle Kogenerační jednotky Fototermické kolektory Tepelná čerpadla Přímo zdrojem Teplovodní otopná soustava Horkovodní otopná soustava Parní otopná soustava Teplovzdušné vytápění Otopná tělesa Desková Článková Trubková Konvektory Sálavé panely Otopné plochy Podlahové vytápění Stropní vytápění Stěnové vytápění Přímé sdílení Kamna Krby Plynová topidla Elektrická topidla Zářiče Vzduch 15 7

8 Vše v jedné místnosti Lokální vytápění Energonositel Zdroj tepla Přenos tepla Vytápění prostoru 16 Vše v jednom podlaží Etážové vytápění Energonositel Zdroj tepla Přenos tepla Vytápění prostoru 17 8

9 Vše v jedné budově Ústřední vytápění Energonositel Zdroj tepla Přenos tepla Vytápění prostoru 18 Dálkové vytápění Energonositel Zdroj tepla Přenos tepla Vytápění prostoru Distribuční soustava Zdroj tepla Vše v jednom sídelním celku 19 9

10 TEORETICKÝ ZÁKLAD 20 Základy termokinetiky Teplo, tepelná energie Forma přenosu energie související s neuspořádaným pohybem částic soustavy Teplota Stavová veličina, vyjadřující střední kinetickou energii částic hmoty Termodynamická /Kelvin/ T [K] Celsius t [ C] t= T-273,15 Fahrenheit [ F] 1 F=5/9 C ( F-32).5/9= C 21 10

11 Základní zákony termodynamiky O.zákon Existuje stavová veličina TEPLOTA. Dvě soustavy v termodynamické rovnováze mají stejnou teplotu. Dvě soustavy v tepelném kontaktu mění své fyz. parametry tak dlouho, dokud nenastane rovnováha vyjádřená stejnou teplotou. 22 Základní zákony termodynamiky 1.zákon Součet energií všech hmotných objektů izolované soustavy je konstantní 2.zákon Teplo se šíří samovolně z místa vyšší teploty do místa s nižší teplotou. 3.zákon Žádným konečným pochodem nelze dosáhnout absolutní nuly 23 11

12 Sdílení tepla v prostoru Vedení (kondukce) Sdílení uvnitř pevných těles, Biot-Fourierův zákon Proudění (konvekce) Sdílení tepla makropohybem molekul a jejich shluků Pohybem tekutiny a přenos z povrchu pevného tělesa do tekutiny a naopak Newton-Richman, Fourier-Kirchhof Prostup = proudění+vedení+proudění Sdílení tepla mezi dvěmi tekutinami oddělenými stěnou 24 Sdílení tepla v prostoru Sálání (radiace) Přenos tepla elektromagnetickým vlněním Nevyžaduje hmotu Stefan-Boltzmannův zákon Sazima a kol: Technický průvodce Sdílení tepla 25 12

13 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ BUDOV Teorie vnitřního prostředí budov Tepelně vlhkostní mikroklima Akustické mikroklima Psychické mikroklima Světelné mikroklima Elektrostatické mikroklima a další. Tepelně-vlhkostní mikroklima Stav vnitřního prostředí z hlediska tepelných a vlhkostních toků mezi člověkem a okolím Tepelná pohoda Tepelná rovnováha mezi člověkem a okolím 26 Člověk z hlediska tepelné energie Zdroj tepla Qm metabolické teplo Sdílení tepla s okolím Qz Dýchání Konvekce Radiace Kondukce Evaporace Rovnice tepelné bilance lidského organismu Qm=Qz pohoda Qm>Qz horko Qm<Qz chlad T a T p 27 13

14 Co ovlivňuje tepelnou pohodu Člověk Tepelná produkce metabolismu Tepelný odpor oděvu Místnost Teplota vzduchu Povrchová teplota okolních stěn Rychlost proudění vzduchu Vlhkost vzduchu 28 ENERGETICKÉ VÝPOČTY PRO VYTÁPĚNÍ 36 14

15 Podklady pro navrhování vytápění - energetické výpočty Výpočet tepelného výkonu [kw] Předběžný výpočet ČSN EN Tepelné soustavy. Stanovení tepelného výkonu Výpočet roční potřeby energie [kwh, GJ] Denostupňová metoda ČSN EN13790 Energetická náročnost budov - Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení Zákon č. 406/2000 Sb, Vyhláška č. 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov (Průkaz energetické náročnosti) Matematické modelování Porovnání variant řešení Nestandardní řešení 37 Výpočet tepelného výkonu kw GJ/s 38 15

16 Tepelný výkon Tepelný výkon pro navržení velikosti zdroje a otopných ploch Stanovuje se na základě tepelných ztrát Předběžný výpočet na úrovni studie Podrobný výpočet projekt stavby 39 Předběžný výpočet tepelného výkonu Pro celou budovu, stanovení výkonu zdrojů Obálková metoda Celou budovu uvažuji jako jednu místnost s danou průměrnou teplotou Prostup tepla jednotlivými obalovými konstrukcemi Ztráta větráním 40 16

17 ČSN EN Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu Norma popisuje výpočet návrhového tepelného výkonu pro: vytápěný prostor pro dimenzování otopných ploch budovu nebo část budovy pro dimenzování tepelného výkonu Výpočet pro standardní případy - výška místností do 5 m, vytápění do ustáleného stavu x zvláštní případy: budovy s vysokou výškou stropu nebo rozdílnou teplotou 41 ČSN EN Postup výpočtu a) Stanovení základních údajů: výpočtové venkovní teploty průměrné roční venkovní teploty b) Určení každého prostoru budovy: vytápěný ( teplota), nevytápěný c) Stanovení: rozměrových vlastností a tepelných vlastností všech stavebních částí pro každý vytápěný a nevytápěný prostor. d) Výpočet návrhových tepelných ztrát prostupem: (návrhový součinitel tepelné ztráty prostupem x návrhový rozdíl teplot) e) Výpočet návrhových tepelných ztrát větráním: (návrhový součinitel tepelné ztráty větráním x návrhový rozdíl teplot) f) Výpočet celkové tepelné ztráty: (návrhová tepelná ztráta prostupem + návrhová tepelná ztráta větráním) g) Výpočet zátopového výkonu: (dodatečný výkon potřebný pro vyrovnání účinků přerušovaného vytápění) h) Výpočet návrhového celkového tepelného výkonu: (celkové návrhové tepelné ztráty + zátopový výkon) 42 17

18 Značení veličin: ČSN EN Veličiny θ. teplota ( C) [théta] Φ tepelná ztráta, výkon (W) [velké fí] H součinitel tepelné ztráty (W/K) ψ lineární součinitel prostupu tepla (W/m.K) Q množství tepla (J) 43 ČSN EN Veličiny Výsledná teplota Θo = aritmetický průměr teploty vnitřního vzduchu a průměrné teploty sálání. Výpočtová vnitřní teplota Θint = výsledná teplota ve středu vytápěného prostoru Předpokládá se, že za běžných podmínek jsou obě teploty sobě rovné

19 ČSN EN Klimatické údaje (NA) NA = národní příloha 45 ČSN EN Výpočtová vnitřní teplota (NA) Výpočtová vnitřní teplota θ int,i = výsledná teplota ve středu prostoru ve výšce 0,6-1,6m Vyplývá z požadavku na zajištění tepelné pohody

20 ČSN EN Výpočet tepelných ztrát Celková návrhová tepelná ztráta (W) i = T,i + V,i T,i.. návrhová tepelná ztráta prostupem tepla V,i..návrhová tepelná ztráta větráním 47 ČSN EN Prostup tepla ( H H H H ) ( ) T, i T, ie T, iue T, ig T, ij int, i e H součinitel tepelné ztráty prostupem (W/K) Indexy: int..vnitřní prostor i..vytápěný prostor e.vnější, venkovní u.nevytápěný prostor g.zemina, půda j...vytápěný prostor (na výrazně jinou teplotu) 48 20

21 ČSN EN Ztráta větráním H ( ) V, i V, i int, i e H V c V, i i p H součinitel návrhové tepelné ztráty větráním (W/K) Vi výměna vzduchu (m 3 /s) 52 Vmech,inf Vinf Vex Vsu Vinf Vmin Vmin Vinf 53 21

22 ČSN EN Větrací vzduch V min hygienické množství V min, i n min.v i Druh místnosti n min (h -1 ) Obytná místnost (základní) 0,5 Kuchyně nebo koupelna s oknem 1,5 Kancelář 1,0 Zasedací místnost, školní třída 2,0 54 ČSN EN Návrhový tepelný výkon Pro vytápěný prostor: HL,i = T,i + V,i + RH,i (W) Pro budovu nebo část budovy: HL = T,i + V,i + RH,i (W) T,i návrhová tepelná ztráta prostupem tepla V,i návrhová tepelná ztráta větráním (* pro budovu redukováno maximum) RH,i zátopový tepelný výkon při přerušovaném vytápění 55 22

23 Výpočet roční potřeby tepla kwh, GJ, MJ 57 Otopné období x dodávka tepelné energie Otopné období začíná 1. září a končí 31. května následujícího roku. Období, kdy systémy vytápění musí být v pohotovosti, tzn. jsou připraveny dodávat tepelnou energii do budovy. Je stanoveno pevně bez ohledu na počasí. Dodávka tepelné energie během otopného období se zahájí v otopném období, když průměrná denní teplota venkovního vzduchu v příslušném místě nebo lokalitě poklesne pod + 13 ºC ve dvou dnech po sobě následujících a podle vývoje počasí nelze očekávat zvýšení této teploty nad +13 ºC pro následující den. Vytápění bytů a nebytových prostor v bytových a nebytových budovách se omezí nebo přeruší v otopném období tehdy, jestliže průměrná denní teplota venkovního vzduchu v příslušném místě nebo lokalitě vystoupí nad +13 ºC ve dvou dnech po sobě následujících a podle vývoje počasí nelze očekávat pokles této teploty pro následující den. Při následném poklesu průměrné denní teploty venkovního vzduchu pod +13 ºC se vytápění obnoví. θ ed = θ e7 + θ e θ e21 4 Vyhláška 194/2007 Sb. ve znění 237/2014 Sb 58 23

24 Roční průběh potřebného výkonu 59 ČSN EN Klimatické údaje (NA) NA = národní příloha 60 24

25 Roční potřeba tepla na vytápění Denostupňová metoda HL = návrhový výkon D ei. et. e. HL R I E D ( I M, E ) d e i -nesoučasnost infiltrace a prostupu (0,8-0,9) e t -snížení teploty během dne (0,8-0,7) e d -zkrácení doby s vyt. přestávkami (0,8-1) d počet dnů otopného období η r -účinnost rozvodů (0,95-0,98) ϴ I - průměrná výpočtová teplota v budově η o -účinnost obsluhy (0,9-1) ϴ M,E - průměrná venkovní teplota v otopném d počet dnů otopného období období ϴ E - venkovní výpočtová teplota 61 r o d ČSN EN ISO Tepelné chování budov - výpočet potřeby tepla na vytápění 62 25

26 Energetická bilance budovy 63 Roční potřeba energie a potřeba tepla Proměnné klimatické podmínky Prostup a větrání Vnitřní a vnější zisky Účinnost výroby a distribuce energie ČSN EN Předpokládaná spotřeba paliva Certifikace budov GJ, kwh 64 26