ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov 125 TBA01 Vytápění prof. Ing., CSc. A227b 2 1
Hypocausta Vytápění - Historie 700 př.n.l - 0 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 Krby, kamna Vytápění - Historie - středověk ČR,Český Krumlov,Foto autor ČR, Mostov,Foto autor ČR, Mostov,Foto autor Foto autor ČR,,Foto autor 4 2
Vytápění - Historie 18-19.století - parní soustavy J.Pacold: Konstrukce pozemního stavitelství, Praha 1901 5 Historie 20.století J.Pacold: Konstrukce pozemního stavitelství, Praha 1901 6 3
Historie 20.století teplovodní soustavy Parní soustavy jsou nahrazovány teplovodními použití elektrické energie, čerpadel, regulace Foto: Autor Teplovodní kotel Strebl z roku 1927 7 1900-1945 Zdroj:Kolektiv autorů: Topenářská příručka, Praha 2001 8 4
Vytápění - současnost Teplovodní otopné soustavy Plynové kotle řízené elektronikou Otopné plochy umístěné v podlaze, stěnách, stropech Počítačové modely chování systémů Zdroj:autor Zdroj:autor 9 Vytápění - současnost Zdroj:autor Zdroj:autor 10 5
Vytápění - současnost Zdroj:autor 12 Vytápění - současnost Zdroj:autor 13 6
Vliv umístění tělesa na obraz proudění vzduchu v místnosti Zdroj:autor 14 TEORETICKÝ ZÁKLAD 15 7
Základy termokinetiky Energie Energie je obecně schopnost hmoty konat práci. Jednotka Joule je pojmenovaná podle anglického fyzika James Prescott Joule (1818 1889) Energii nelze vytvořit ani zničit a podle současného stavu poznání dokážeme popsat známými formami energie cca 30 % celkové energie Vesmíru, jehož jsme součástí. Známými formami energie jsou např. mechanická, elektrická, magnetická, zářivá nebo vnitřní energie. Zbytek dosud nepopsané celkové energie se v literatuře označujeme jako temná energie a je předmětem základního výzkumu. 16 Základy termokinetiky Teplo Q [J, kwh] je část vnitřní energie, kterou těleso přijme nebo odevzdá při tepelné výměně jinému tělesu. 1 J = 1 Ws; 1 MJ = 0,278 kwh ; 1 kwh = 3,6 MJ Q = m. c. dt Tepelný výkon Φ (fí) [W, J/s] Tok tepla za čas Φ = Q/τ τ čas [s] m hmotnost [kg] c měrná tepelná kapacita [ J.kg -1.K -1 ] dt změna teploty [K] 1 J/s = 1 W; 1 MJ = 0,278 kwh ; 1 kwh = 3,6 MJ 17 8
Základy termokinetiky Teplota T, t, Θ (théta) 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 Jakou teplotu má vakuum? 18 Základní zákony termodynamiky O.zákon Existuje stavová veličina TEPLOTA. Dvě soustavy v termodynamické rovnováze mají stejnou teplotu. Dvě soustavy v tepelném kontaktu mění své fyzikální parametry tak dlouho, dokud nenastane rovnováha vyjádřená stejnou teplotou. 19 9
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. 20 Sdílení tepla v prostoru Vedení (kondukce) Sdílení uvnitř pevných těles, Biot-Fourierův zákon Proudění 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 Vedení Sálání Sálání (radiace) Přenos tepla elektromagnetickým vlněním Nevyžaduje hmotu Stefan-Boltzmannův zákon 21 10
Sdílení tepla v prostoru Prostup = proudění+vedení+proudění Sdílení tepla mezi dvěmi tekutinami oddělenými stěnou Např. stěna budovy https://www.powerwiki.cz/ 22 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ BUDOV 23 11
Vnitřní prostředí budov Ve vnitřním prostředí trávíme až 90% svého života ( SZÚ 2012) 5% 4% 7% 16% Ulice s dopravou Venku mimo ulice Obytný prostor Vnitřní ostatní Dopr.prostředky 68% Zdroj: Braniš, M., Kolomazníková, J. (2010) Year-long continuous personal exposure to PM2.5 recorded by a fast responding portable nephelometer. Atmospheric Environment 44(24): 2865-2872 24 Vnitřní prostředí budov Složky vnitřního prostředí Tepelně-vlhkostní Kvalita vzduchu plyny aerosoly mikroorganismy Akustika Světelná Elektro -statická, -iontová, - magnetická, ionizující a radiační pole Psychický komfort (barvy, povrchy, architektura ) Elmg pole Psychika Tepelněvlhkostní Vnitřní prostředí budov Akustika Vzduch Osvětlení Zdroj : Jokl 1986 25 12
VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ BUDOV Tepelně-vlhkostní mikroklima Stav vnitřního prostředí z hlediska tepelných a vlhkostních toků mezi člověkem a okolím Tepelná pohoda Stav mysli, kdy nevnímáme ani teplo ani chlad; je nám příjemně 26 Člověk z hlediska tepelné energie Člověk je zdrojem tepla Q m metabolický tepelný výkon Závisí především na aktivitě a velikosti člověka V klidu cca 100 W, vrcholný sportovní výkon až 1,6 kw Udává se též v jednotkách met 27 13
Člověk z hlediska tepelné energie Člověk je zdrojem tepla Q m metabolické teplo Člověk sdílí teplo s okolím Q z Dýchání Konvekce Radiace Kondukce Evaporace 28 Člověk z hlediska tepelné energie Člověk je zdrojem tepla Q m metabolické teplo Člověk sdílí teplo s okolím Q z Dýchání Konvekce Radiace Kondukce Evaporace 29 14
Člověk z hlediska tepelné energie Člověk je zdrojem tepla Q m metabolické teplo Člověk sdílí teplo s okolím Q z Dýchání Konvekce Radiace Kondukce Evaporace 30 Člověk z hlediska tepelné energie Člověk je zdrojem tepla Q m metabolické teplo Člověk sdílí teplo s okolím Q z Dýchání Konvekce Radiace Kondukce Evaporace 31 15
Člověk z hlediska tepelné energie Člověk je zdrojem tepla Q m metabolické teplo Člověk sdílí teplo s okolím Q z Dýchání Konvekce Radiace Kondukce Evaporace 32 Člověk z hlediska tepelné energie Člověk je zdrojem tepla Q m metabolické teplo Člověk sdílí teplo s okolím Q z Dýchání Konvekce Radiace Kondukce Evaporace Rovnice tepelné bilance lidského organismu Q m = Q z pohoda Q m > Q z horko Q m < Q z chlad 33 16
Co ovlivňuje tepelnou pohodu Člověk Metabolické teplo Tepelný odpor oděvu Místnost Teplota vzduchu Povrchová teplota okolních stěn Rychlost proudění vzduchu Vlhkost vzduchu 34 Fyzikální veličiny pro popis tepelného stavu místnosti Teplota vzduchu Teplota okolních ploch Střední radiační teplota, Θ r Teplota imaginární duté šedé koule, která má stejné sálavé účinky jako daný prostor Operativní teplota Θ o, Vypočtená hodnota, zohledňuje teplotu vzduchu i teplotu okolních ploch Výsledná teplota kulového teploměru Θ g Hodnota měřená kulovým teploměrem o g 35 17
Měření vnitřního prostředí budov Kulový teploměr Teplota vzduchu Relativní vlhkost Intenzita sálání Povrchové teploty Rychlost proudění vzduchu 36 Výsledná vnitřní teplota Druh budovy, prostoru Oblečení, zima (clo) Činnost (met) Kancelář 1,0 1,2 Velkoprostorová kancelář Kavárna, restaurace 1,0 1,2 1,0 1,2 Obchodní dům 1,0 1,6 Bydlení 1,0 1,2 Kategorie vnitřního tepelného prostředí Výsledná teplota, zima C A 21,0 až 23,0 B 20,0 až 24,0 C 19,0 až 25,0 A 21,0 až 23,0 B 20,0 až 24,0 C 19,0 až 25,0 A 21,0 až 23,0 B 20,0 až 24,0 C 19,0 až 25,0 A 17,5 až 20,5 B 16,0 až 22,0 C 15,0 až 23,0 A 21,0 až 23,0 B 20,0 až 24,0 C 19,0 až 25,0 37 18
ENERGETICKÉ VÝPOČTY PRO VYTÁPĚNÍ 38 Podklady pro navrhování vytápění - energetické výpočty Výpočet tepelného výkonu [kw] Předběžný výpočet ČSN EN 12831 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 39 19
Výpočet tepelného výkonu kw GJ/s 40 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 41 20
Předběžný výpočet tepelného výkonu Pro celou budovu, stanovení výkonu zdrojů Obálková metoda Celou budovu uvažuji jako jednu místnost se zvolenou průměrnou teplotou Prostup tepla jednotlivými obalovými konstrukcemi Ztráta větráním 42 ČSN EN 12831 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 125TBA1 18/19 teplotou ZS - prof. 43 21
ČSN EN 12831 Postup výpočtu a) Stanovení základních údajů: výpočtové 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) 44 ČSN EN 12831 - 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. 46 22
ČSN EN 12831 - Klimatické údaje (NA) NA = národní příloha Dodávka tepla Dodávka tepla Dodávka tepla 47 ČSN EN 12831 - 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.. 49 23
ČSN EN 12831 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 50 ČSN EN 12831 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) 51 24
ČSN EN 12831 Prostup do exteriéru H A U e I e T, ie K K K i i i K I Plošná konstrukce lineární tepelný most A plocha (m 2 ) U součinitel prostupu tepla (W/m 2.K) e korekční činitel vystavení povětrnosti (pokud vlivy nebyly uvažovány při výpočtu U(W/m 2.K) EN ISO 6946) 52 ČSN EN 12831 Prostup do exteriéru H A U e I e T, ie K K K i i i K I stavební část lineární tepelný most ψ součinitel lineárního tepelného mostu (W/m.K) ČSN EN ISO 14683 zjednodušeně ČSN EN ISO 10211-2 podrobný výpočet I délka lineárního mostu (m) e korekční činitel vystavení povětrnosti 53 25
Tepelné mosty? ČSN EN ISO 14683 54 ČSN EN 12831 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) 55 26
Vmech,inf Vinf Vex Vsu Vinf Vmin Vmin Vinf 56 ČSN EN 12831 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 57 27
ČSN EN 12831 Návrhový tepelný výkon Pro vytápěný prostor: HL,i = T,i + V,i + RH,i Pro budovu nebo část budovy: (W) 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 58 Výpočet roční potřeby tepla kwh, GJ, MJ 62 28
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. Vyhláška 194/2007 θ ed = θ e7 + θ e14 + 2 θ e21 Sb. ve znění 125TBA1 18/19 4 ZS - prof. 237/2014 Sb 63 Roční průběh potřebného výkonu 64 29
ČSN EN 12831 - Klimatické údaje (NA) NA = národní příloha Dodávka tepla Dodávka tepla Dodávka tepla 65 Roční potřeba tepla na vytápění Denostupňová metoda HL = návrhový výkon R 24. HL.. D I 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) η r -účinnost rozvodů (0,95-0,98) η o -účinnost obsluhy (0,9-1) d počet dnů dodávky tepla v otopném období E ei. et. e. d počet dnů dodávky tepla v otopném obdob ϴ I - průměrná výpočtová teplota v budově ϴ M,E - průměrná venkovní teplota v době dodávky tepla v otopném období ϴ E - venkovní výpočtová teplota 66 r D ) d o d ( I M, E 30
Příklad. Kolik stojí ročně vytápění rodinného domu, když 1 kwh stojí 2 Kč? Tepelná ztráta: 10 kw Počet dnů dodávky tepla v otopném období: d = 225 Průměrná teplota v ϴ M,E = 4,3 C Výpočtová venkovní teplota v ϴ E = -12 C Průměrná výpočtová vnitřní teplota v ϴ i = 20 C Součinitel ε = 0,69 D ) d R ( I M, E 24. HL.. D I E 67 Řešení Počet denostupňů: D = 20 4,3. 225 = 3532,5 Roční potřeba tepla Φ = 24 10 0,69 3532,5 =18281 kwh 20+12 Cena tepla C = 18281 kwh 2 Kč/kWh = 36561 /12 = 3047 Kč/měs Výsledek LS 2017/2018 77 % správných odpovědí z 44 68 31
ČSN EN ISO 13790 Tepelné chování budov - výpočet potřeby tepla na vytápění 69 Energetická bilance budovy 70 32
Roční potřeba energie a potřeba tepla Proměnné klimatické podmínky Prostup a větrání Vnitřní a vnější zisky Účinnost výroby a distribuce energie ČSN EN 13790 Předpokládaná spotřeba paliva Certifikace budov GJ, kwh 71 33