Novinky v oblasti vytápění a přípravy teplé vody Roman Vavřička 1/15 http://utp.fs.cvut.cz Roman.Vavricka@fs.cvut.cz Teplá voda vs. Vytápění PŘÍKLAD: Rodinný dům 4 osoby VYTÁPĚNÍ Celková tepelná ztráta 8,5 kw POTŘEBA TEPLA ČSN EN ISO 13 790 cca 18 900 kwh/a TEPLÁ VODA 40 l/osobu den, z = 20 % POTŘEBA TEPLA cca 4 200 kwh/a Celková potřeba tepla: Rok 1995 23 100 kwh Rok 2005 14 300 kwh Rok 2015 7 300 kwh 2/15 1
Teplá voda vs. Vytápění PŘÍKLAD: Bytový dům 60 bytů, celkem 100 osob VYTÁPĚNÍ Celková tepelná ztráta před rekonstrukcí 97 kw, po rekonstrukci 60 kw POTŘEBA TEPLA VYT ČSN EN ISO 13 790 240 000 kwh/a (resp. 110 000 kwh) TEPLÁ VODA 30 l/osobu den, z = 80 % POTŘEBA TEPLA TV cca 100 000 až 120 000 kwh/a Celková potřeba tepla: Rok 2005 cca 370 000 kwh (před rekonstrukcí) Rok 2010 cca 230 000 kwh (dokončeno zateplení) Rok 2014 cca 180 000 kwh (vyvážení OS + výměna zdrojů tepla) 3/15 Potřeba tepla na VYT kde t d tis tes Q, 24 3600 e e e t VYT teor c i t d is ev Q VYT,teor teoretická potřeba tepla na vytápění [J], Φ c celková tepelná ztráta objektu [W], d počet dnů otopného období [dny], t is průměrná vnitřní teplota objektu [ C], t es průměrná venkovní teplota za otopné období [ C], t ev oblastní venkovní výpočtová teplota [ C], e i opravný součinitel vyjadřující vliv nesoučasnosti přirážek (ČSN 06 0210), nebo na nesoučasnost tepelné ztráty větráním a prostupem (ČSN EN 12 831)[-], e t opravný součinitel na snížení vnitřní teploty při přerušení vytápění [-], e d opravný součinitel na zkrácení doby provozu otopné soustavy při přerušovaném vytápění [-]. 4/15 2
Křivka trvání venkovních teplot 5/15 Potřeby tepla dle standardních podmínek projektu: ČSN EN ISO 13 790 Bytové domy bez nuceného systému větrání Denostupňová metoda 6/15 3
Faktory ovlivňující výpočet: Intenzita větrání n [1/h] Reálný průběh venkovní teploty t e [ C] 7/15 Sestavení okrajových podmínek výpočtu bilancování potřeby tepla v intervalu 24 hodin: Průměrné vnější a venkovní zisky (za 24 hodin) Denní průměrná venkovní teplota vzduchu Model intenzity větrání v závislosti na venkovní teplotě vzduchu tj. model chování uživatele během dne t e [ C] od do n [1/h] -12-10 0,04-10 -8 0,04-8 -6 0,04-6 -4 0,04-4 -2 0,10-2 0 0,15 0 2 0,20 2 4 0,30 4 6 0,40 6 8 0,50 8 10 0,60 10 12 0,60 12 14 0,60 8/15 4
Výsledky modelu bytový dům 180 bytů: Potřeba energie na vytápění [GJ] Odchylky [%] Měsíc ČSN EN ISO Denostupňová ČSN EN ISO Denostupňová Naměřená 13 790 metoda 13 790 metoda Leden 428 654 895 153% 209% Únor 360 519 763 144% 212% Březen 315 380 685 121% 217% Duben 158 163 484 103% 306% Květen 90 28 281 31% 312% Červen 0 0 0 0% 0% Červenec 0 0 0 0% 0% Srpen 0 0 0 0% 0% Září 68 34 264 50% 388% Říjen 135 204 491 151% 364% Listopad 315 433 683 137% 217% Prosinec 383 579 819 151% 214% 9/15 Výsledky modelu bytový dům 180 bytů: 800 600 400 200 0 Spotřeba tepla v [GJ]1000 ČSN EN ISO 13 790 Denostupnova Naměřená Přínos výpočtového modelu: 10/15 Možnost přesnější predikce potřeby tepla již ve fázi projektu Úprava smluvních podmínek pro dodávku tepla z CZT 5
11/15 Skutečná potřeba tepla na vytápění Q VYT Qteor, VYT R o k kde: η R účinnost rozvodu tepelné energie [-] Zahrnuje kvalitu tepelné izolace rozvodů tepla a způsob rozvodu potrubní sítě (nevytápěné prostory, apod.), bývá v rozmezí od 0,95 do 0,98. η o účinnost obsluhy (resp. regulace) [-] Zahrnuje způsob regulace objektu (zónová, ekvitermní, zátěžová, atd.), obvykle v rozmezí od 0,9 (kotle na tuhá paliva) do 0,99 (plynový kotel + objekt rozdělen na zóny) η k účinnost zdroje tepla (kotle) [-] η k účinnost zdroje tepla (kotle) [-] Kotle na tuhá paliva η k = od 0,68 do 0,77 (Dřevo zplyňující kotle η k = cca 0,88) Kotle na kapalná a plynná paliva η k = od 0,83 do 0,96 Elektrokotle η k = od 0,95 do 0,98 12/15 6
η k účinnost zdroje tepla [-] Tepelná čerpadla COP vs. SPF 13/15 η k účinnost zdroje tepla [-] Tepelná čerpadla COP vs. SPF Sezónní účinnost vytápění tepelného čerpadla!!! Pouze pro potřeby energetického štítku TČ!!! SPF s 100 F 25, kde SPF sezónní topný faktor (s teplotním krokem 1 K) [-], F i korekce účinnosti zohledňující záporné příspěvky soupravy TČ, regulátoru teploty a případného solárního zařízení (bez solárního zařízení F = 3 %, se solárním zařízením F = 3 % + 5 % = 8 %) [%]. 14/15 7
η k účinnost zdroje tepla [-] Tepelná čerpadla COP vs. SPF zjednodušená metoda!!! *Průměrné měsíční t w Měsíc Počet dnů venkovní teploty v ČR [ C] 35 C 45 C 55 C září 30 12,5 5,38 4,52 3,36 říjen 31 7,4 4,90 3,68 2,76 listopad 30 2,4 3,88 3,12 2,47 prosinec 31-1 3,32 2,64 2,28 leden 31-7,1 2,60 2,20 1,88 únor 28-1,2 3,30 2,62 2,24 březen 31 2,6 3,91 3,13 2,50 duben 30 7,3 4,90 3,67 2,75 květen 31 12,4 5,38 4,52 3,35 15/15 SPF 4,18 3,35 2,62 η s 164,12 130,91 101,91 Energetická náročnost přípravy TV Vstupní data návrhu TV 1. Potřeba teplé vody [m 3 /měrná jednotka perioda] 2. Způsob odběru teplé vody [V TV = f(τ) profil odběru TV] 3. Zdroj tepla [teplotní úroveň, provoz] 4. Způsob nabíjení zásobníku TV [regulace, odběrová místa] 16/15 8
Energetická náročnost přípravy TV Potřeba tepla dodaného ohřívačem TV Q Q Q Q 1 z Q TV, den 2p 2t 2z 2t 1 zv c t t 2p 2 1 36001000 Q 2p - teplo dodané ohřívačem TV [kwh/periodu], Q 2t - teplo pro ohřev vody [kwh/periodu], Q 2z - teplo ztracené při ohřevu a distribuci TV [kwh/periodu], z - poměrná ztráta tepla při ohřevu a distribuci TV [-], V 2p - celková potřeba teplé vody [m 3 /periodu], ρ - hustota vody při střední teplotě zásobníku [kg/m 3 ], c - měrná tepelná kapacita [J/kg K], t 1 - teplota studené vody (obvykle 10 C) [ C], - teplota teplé vody (obvykle 55 C) [ C]. t 2 17/15 Energetická náročnost přípravy TV 18/15 Potřeba tepla dodaného ohřívačem TV Q Q Q Q 1 z Q TV, den 2p 2t 2z 2t Výtah z normy ČSN EN 15 316-3 V Druh budovy 2p [m 3 Měrná jednotka /měrná jednotka den] Rodinný dům 0,04 až 0,05 (realita 0,35) Osoba Bytový dům 0,04 (realita 0,3 až 0,35) Osoba Ubytovací zařízení 0,028 Lůžko Restaurace 0,01 až 0,02 Jídlo Administrativní budova 0,01 až 0,015 Osoba Sportovní zařízení 0,1 Instalovaná sprcha Průmyslový závod 0,03 Sprchová koupel 1 zv c t t 2p 2 1 36001000 OBVYKLE!!! 1 Perioda = 24 hodin!!! MŮŽE BÝT 1 Perioda = 30 minut 9
Energetická náročnost přípravy TV Potřeba tepla dodaného ohřívačem TV Možnost A t2 tsv 1 t t Q Q d 08, Q N d TV,r TV,den TV,den d N t SV1 t SV2 2 SV 2 počet dnů otopného období [den], počet pracovních dní soustavy TV (obvykle 365) [den] teplota studené vody v létě [ C], teplota studené vody v zimě [ C], Možnost B Q Q 349, 5 TV,r TV,d 349,5 dne??? 25 % snížení potřeby TV v Červenci a Srpnu (tj. 62 dní) t SV = 10 C Př.: V TV = 120 l/den 2 680 kwh/rok 2 930 kwh/rok (+ 9,3 %) 19/15 Energetická náročnost přípravy TV Průměrný denní průběh odběru TV v bytovém domě 20/15 10
Energetická náročnost přípravy TV Profil odběru TV Bytové objekty měření vs. normy ČSN EN 15 316-3 - od 0 do 6 hodin = 0 % - od 6 do 9 hodin = 35 % - od 9 do 19 hodin = 15 % - od 19 do 22 hodin = 40 % - od 22 do 24 hodin = 10 % Aprox.: BD - od 0 do 6 hodin = 0 % - od 6 do 18 hodin = 60 % - od 18 do 23 hodin = 40 % ČSN 06 0320 - od 0 do 5 hodin = 0 % - od 5 do 17 hodin = 35 % - od 17 do 21 hodin = 50 % - od 21 do 24 hodin = 15 % 21/15 Metoda křivek dodávky a odběru tepla Trvalá dodávka tepla Přerušovaná dodávka tepla 22/15 11
Metoda křivek dodávky a odběru tepla Velikost zásobníku TV V Q c t t max TV 2 1 3600 1000 Požadovaný tepelný výkon zdroje tepla Qs P1 n max 23/15 Metoda křivek dodávky a odběru tepla Příklad 1 Snaha o minimalizaci velikosti zásobníku TV Zjednodušení pro výpočet: Procentuální poměr 1 % = 1 kwh 24/15 Časový úsek nabíjení Požadovaný objem zásobníku TV Požadovaná velikost zdroje V z [l] tepla P [kw] 6:00 až 7:00 Není rozhodují pro maximální rozdíl 30,0 7:00 až 9:00 Není rozhodují pro maximální rozdíl 7,5 14:00 až 14:30 248,4 20,0 20:00 až 22:00 Není rozhodují pro maximální rozdíl 22,5 12
Metoda křivek dodávky a odběru tepla Příklad 2 Optimalizace křivky dodávky tepla s ohledem na provoz zdroje tepla 1) Možnost využití zdroje tepla i pro jinou technologii (VYT, KLI, atd.). Zjednodušení pro výpočet: Procentuální poměr 1 % = 1 kwh Časový úsek nabíjení Požadovaný objem zásobníku TV Požadovaná velikost zdroje V z [l] tepla P [kw] 6:00 až 8:00 477,7 27,5 20:00 až 21:30 Není rozhodují pro maximální rozdíl 30,0 25/15 Metoda křivek dodávky a odběru tepla Příklad 3 Optimalizace křivky dodávky tepla s ohledem na provoz zdroje tepla a možnost nestandardních odběrů TV 1) Možnosti využití zdroje tepla i pro jinou technologii (VYT, KLI, atd.). 2) 15 % rezerva dodávky tepla nad křivkou odběru. Zjednodušení pro výpočet: Procentuální poměr 1 % = 1 kwh 26/15 Časový úsek nabíjení Požadovaný objem zásobníku TV Požadovaná velikost zdroje V z [l] tepla P [kw] 6:00 až 8:00 477,7 27,5 16:30 až 16:50 Není rozhodují pro maximální rozdíl 30,0 20:00 až 21:30 Není rozhodují pro maximální rozdíl 23,3 13
Metoda křivek dodávky a odběru tepla Příklad nedodržení výše popsaných zásad 27/15 Přednostní příprava TV VTV y c X p VTV y c X p Qk a Q a Q K tepelný výkon nutný k dohřevu TV = dostupný výkon kotle [W], V TV objem zásobníku TV [m 3 ], τ a doba ohřevu TV při teplotním rozdílu pro dohřev TV [s], ρ hustota vody při střední teplotě zásobníku [kg/m 3 ], c měrná tepelná kapacita vody při střední teplotě zásobníku [J/kg K], X p spínací diference pro dohřev TV (5 až 10 K) [K], y korekční faktor odběru tepla ze zásobníku TV [-]. k Provoz OS druhy otopných ploch (dynamické chování OP) regulace zdroje tepla (vazba na vnitřní tepelnou zátež) Čidlo t TV spínací diference (5 až 10 K) výška umístění čidla (ideálně 60 až 70 % výšky zásobníku) 28/15 14
Přednostní příprava TV VTV y c X p VTV y c X p Qk a Q a Příklad: Q K = 12 kw, X p = 10 K, τ a = 8 minut y = 0,89 (vertikální zásobník TV) V TV QP a y c X P 12000 860 154, 6 litrů 0, 891000 418710 k 29/15 Návrh zásobníku TV - ZÁVĚR Řešením tedy je 160 litrový zásobník.??? ALE PRO JAKÉ PARAMETRY??? 30/15 VTV y c X p VTV y c X p Qk a Q a Příklad 4: Q K = 12 kw, X p = 10 K, τ a = 8 minut y = 0,89 (vertikální zásobník TV) V TV QP a y c X P 12000 860 154, 6 litrů 0, 891000 418710 PRO Trvalý průtok vody při výstupní teplotě 60 C => 475 l/h např. sprcha cca 6 l/min = 360 l/h (55 C) Strana zdroje tepla Schopnost výměníku předat tepelný výkon do ohřevu TV 80 C, 2 m 3 /h 27,5 kw k 15
Návrh zásobníku TV - ZÁVĚR Okrajové podmínky návrhu zásobníku TV: 1) Celková potřeba TV měrná jednotka (osoba, lůžko, sprcha apod.) 2) Znalost průběhu odběru tepla časová distribuce TV 3) Teplotní úroveň zdroje tepla pro přípravu TV jaký zdroj tepla 4) Časové požadavky na provoz zdroje tepla společný zdroj 5) Přenosová schopnost teplosměnné plochy zásobníku TV 31/15 DĚKUJI ZA POZORNOST Roman.Vavricka@fs.cvut.cz 32/15 16