Projektování automatizovaných systémů

Projektování automatizovaných systémů Osvald Modrlák, Petr Školník, Jaroslav Semerád, Albín Dobeš, Frank Worlitz TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

Název prezentace Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Tepelná technika Základní pojmy

* teplota, teplotní rozdíl Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Základní pojmy ϑ - teplota 0 C stupeň Celsia Θ - termodynamická teplota K Kelvin ϑ = ϑ 2 - ϑ 1 - teplotní rozdíl 0 C, K Θ = Θ 1 - Θ 2 - teplotní rozdíl 0 C, K 0 C + 273,15 = K Teplota a teplotní rozdíl jsou skalární veličiny * teplo Q - teplo J joule (cal, Wh, ) 1 J = 0,239 cal Teplo je forma energie. * tepelná kapacita (akumulované teplo) Q = m*c* ϑ (J) kde m - hmotnost tělesa (kg) c - měrná tepelná kapacita (měrné teplo) (J*kg -1 *K -1 ) ϑ - teplotní rozdíl (K)

Základní pojmy * měrná tepelná kapacita c J*kg -1 *K -1 * tepelný výkon P[W] Tepelný výkon je teplo za jednotku času, je to skalární veličina. * hustota tepelného toku q[w*m -2 ] Vyjadřuje tepelný výkon na jednotkovou plochu, je to vektorová veličina. q = P/ S * součinitel tepelné vodivosti λ W*m -1 *K -1 c 20 20 (kj*kg - 1 *K - 1 ) ρ 20 (kg*m - 3 ) λ (W*m - 1 *K - 1 ) voda 4,18 998 0,598 transformátorový olej 1,89 866 0,124 měď 0,383 8 930 395 železo 0,452 7 860 73

Příklady a) Vypočítejte energii potřebnou pro ohřev 1 litru vody o 20 0 C. m v = 1(kg), c = 4,18 (kj*kg -1 *K -1 ), ϑ = 20 (K) Q = m * c * ϑ = 1 * 4,18*10 3 * 20 = 83,6 (kj) b) Do jaké výšky bychom zvedli v ideálním případě (100% účinnosti) náklad o hmotnosti 1 tuny při vynaložení stejné energie m n = 1000 kg, g = 9,8 m*s -2 W = m * g * h = Q h = Q/(m*g) = (83,6*10 3 )/(10 3 * 9,81) = 8,52 (m) Jaký příkon by musel mít přímotopný průtokový ohřívač, aby z vodovodního potrubí o průměru 10 mm vytékala voda o teplotě 60 0 C rychlostí 2 m*s -1. Voda se ohřívá z 10 0 C, účinnost ohřevu je 97 %. P Q = η * t = m * c * ϑ η * t P ρ * π * r = 2 * v * c * ϑ η m = ρ * V = ρ * π * r = ρ * π * r 2 * v * t 2 * a = P = 6 998* π *25*10 *2*4,18*10 0,97 3 *50 = 33760( W )

Oteplovací a ochlazovací děj Závislost teploty na čase ohřevu vyjadřuje oteplovací křivka: Závislost teploty na čase ochlazování vyjadřuje ochlazovací křivka: τ Oteplovací (ochlazovací) křivka ϑ max oteplovací křivka ochlazovací křivka ϑ = ϑ max *(1 e t τ ) ϑ = ϑ * max τ e t teplota 63,2 % maximální teploty ϑ max - rozdíl mezi maximální a minimální teplotou ϑ min Ukončený děj: t = 3*τ čas

Příklady ϑ = ϑ max *(1 e t τ ) Na jakou maximální teplotu se ohřeje kapalina, jestliže z 30 0 C na 80 0 C, se ohřeje za 6 minuty, jeli počáteční teplota 20 0 C. Časová konstanta je 10 minut. ϑ max = ϑ 1 e 50 = = t 6 τ 10 1 e 0 110,82( C) ϑ ϑ max max = ϑ = ϑ max max ϑ + ϑ min min = 110,82 + 20 = 130,82 0 C Voda je ochlazována z 100 0 C na 20 0 C. Ze 40 0 C na 30 0 C se voda ochladí za 10 minut. Určete časovou konstantu a celkovou dobu ochlazování. ϑ = ϑ 1 1 τ maxe t ϑ 2 = ϑ 2 τ maxe t t1 τ t2 t1 ϑ1 ϑmax * e τ = = e t2 ϑ 2 τ ϑmax * e ln ϑ1 t2 t1 t2 t1 600 = τ = = = 865,6( s) ϑ 1 20 2 τ ϑ ln ln ϑ 10 2 t = 3* τ = 3*865,6 = 2596,8( s)

ochlazování 100 ϑ max 90 80 70 60 50 ochlazování 40 ϑ 1 30 ϑ 2 20 ϑ min 10 0 τ t 1 t 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64

Analogie mezi tepelným a elektrickým polem Elektrické pole Tepelné pole Potenciál V (V) Termodynamická teplota Θ (K) Napětí U = V 1 V 2 (V) Teplotní rozdíl Θ = Θ 1 - Θ 2 (K) Měrná vodivost γ (S*m - 1 ) Součinitel tepelné vodivosti λ (W*m - 1 *K - 1 ) Elektrická vodivost G (S) Tepelná vodivost G (W*K - 1 ) Proudová hustota J (A*m - 2 ) Hustota tepelného toku q (W*m - 2 ) Elektrický proud I (A) Tepelný tok φ (W) Odpory v sérii R = R 1 +R 2 + Vedení tepla složenou stěnou R=R 1 +R 2 +

Přenos tepla vedením Kde vzniká přenos tepla vedením? Přenos tepla vedením vzniká uvnitř pevných těles nebo při jejich dotyku Existuje tepelné pole? Ano, teplo vytváří kolem sebe tepelné pole. Co je to tepelné pole? Tepelné pole je množina okamžitých teplot části prostoru. Co je stacionární tepelné pole Ustálený stav časová změna teploty je nulová ϑ = 0 t Při výpočtu tepelných zrát a tepelné pohody se předpokládá stacionární tepelné pole. Skutečné kolísání teplot v čase se zohlední pomocí přídavných koeficientů ve výpočtu.

Přenos tepla vedením Co je izoterma (plošně) a izotermická plocha (prostorově)? Spojnice míst se stejnou teplotou. Co je teplotní gradient (spád)? Je to vektor kolmý k izotermě (izotermické ploše). Je-li teplotní gradient větší než nula, dochází k šíření tepla. Nejčastější případy pro vedení tepla: * prostup tepla rovinnou stěnou * prostup tepla válcovou stěnou (trubky)

Vedení tepla rovinnou stěnou Tepelný tok při stacionárním tepelném poli: φ ϑ 1 ϑ 2 φ ϑ 1 ϑ 2 l φ l l l 3 l 2 l 1 [ ] W l S G ) *( * ) *( 2 1 2 1 ϑ ϑ λ ϑ ϑ φ = = = [ ] W l l l S S l S l S l R R R 3 3 2 2 1 1 2 1 3 3 2 2 1 1 2 1 3 2 1 2 1 ) *( * * * ) ( ) ( λ λ λ ϑ ϑ λ λ λ ϑ ϑ ϑ ϑ φ + + = = + + = + + =

Materiál Další materiály: λ Součinitel tepelné vodivosti λ (W/m*K) Beton 1,300 pórobeton (plynosilikát) 0,180 Omítka vápenná 0,880 Omítka perlitová 0,100 Pěnový polystyren - PPS 0,037 Pěnový polystyren extrudovaný - EXP 0,034 Pěnový polyuretan tuhý 0,032 ORSIL N 0,039 ORSIL T 0,041 Čedič 4,200 Mramor 3,500 Pískovec 1,700 cihly plné 0,800 CD TYN 0,360 POROTHERM 44 Si - P8 super izolační stěna 0,112 YTONG P2-400 tepelně izolační tvárnice 0,110

Prostup tepla válcovou stěnou (trubky). Při průchodu tepla se zároveň zvětšuje plocha průběh teploty není lineární. Při výpočtu mohou nastat případy: - čistá trubka - trubka + kotelní kámen - trubka + nečistoty na povrchu Přenos tepla vedením

Příklady Určete tepelný tok (výkon) procházejí stěnou silnou 15 mm o ploše 3 m 2. Vnitřní teplota je 110 0 C, vnější teplota je 80 0 C. Materiál stěny je beton (1,1 W*m -1 K -1 ) λ 1,1 φ = * S *( ϑ1 ϑ2) = *3*(110 80) = l 0,015 6600 [ W ] Určete tepelný (tok) výkon přes stěnu kotle. Teplota ohřevu je 700 0 C, požadovaná teplota vody je 200 0 C. Stěna kotle má tloušťku 10 mm a plochu 20m 2, součinitel tepelné vodivosti je 50W*m -1 *K -1. Vnitřní stěna kotle je: a) čistá b) s kotelním kamenem o tloušťce 1 mm (λ=0,8 W*m -1 *K -1 ) λ 50 φ = * S *( ϑ1 ϑ2) = *20*(700 200) = 5* 10 l 0,01 φ = *( ϑ1 ϑ2) 20*500 = = 6,9* 10 l1 l2 0,001 0,01 + + λ λ 0,8 50 S 6 1 2 [ W ] 7 [ W ]

Příklady Určete tepelný (tok) výkon přes stěnu kotle. Teplota ohřevu je 700 0 C, požadovaná teplota vody je 200 0 C. Stěna kotle má tloušťku 10 mm a plochu 20m 2, součinitel tepelné vodivosti je 50W*m -1 *K -1. Vnitřní stěna kotle je: a) čistá b) s kotelním kamenem o tloušťce 1 mm (λ=0,8 W*m -1 *K -1 ) c) vypočítejte teplotu na rozhraní Předpokládáme lineární změnu teploty l 0,01 0 [ C] 1 6 0 ϑ ϑ ) = φ * = 6,9*10 * = 69 ( 1 x = λ * S 50*20 ϑ x = ϑ 69 = 700 69 = 1 1 631 [ C] 0 Kontrola výpočet teploty na straně vody l2 ( ϑx ϑ2) = φ * = λ * S ϑ = ϑ 431 = 2 x 2 6,9*10 631 431= 6 200 * 0,001 0,8* 20 0 [ C] = 431,25 0 [ C]

Přenos tepla prouděním Kde vzniká přenos tepla prouděním? Přenos tepla prouděním se uplatňuje při přestupu tepla z pevné plochy do okolního prostředí nebo naopak (v kombinaci se sáláním) ϑ p1 ϑ 1 φ = α p1 * S * (ϑ p1 - ϑ 1 ) (W) φ = α p2 * S * (ϑ 2 - ϑ p2 ) (W) α p1 φ φ α p2 ϑ 2 ϑ p2 Přenos tepla prouděním Přenos tepla vedením Přenos tepla prouděním

Přenos tepla prouděním Pro určení přenosu tepla prouděním se zavádí součinitel přestupu tepla - α p (W*m -2 *K -1 ). Určuje, jak velký tepelný tok (výkon) protéká jednotkovou plochou při teplotním rozdílu 1 0 C. Součinitel přestupu tepla není pro jednotlivé látky konstantní (závisí na tlaku, teplotě, rychlosti a druhu proudění plynu nebo kapaliny, na rozměrech, tvaru a drsnosti obtékaného tělesa a pohybuje se v širokém rozmezí. Pokud to lze, určuje se měřením na modelu za přibližně stejných podmínek. α pmin (W*m - 2 *K - 1 ) α pmax (W*m - 2 *K - 1 ) Klidný vzduch 3,5 35 Proudící vzduch 11 584 Proudící kapalina 2300 5800 Vroucí kapalina 4660 6970

Příklady Určete tepelné ztráty stěnou o ploše 10 m 2. Teplota stěny je 40 0 C, teplota okolí je 10 0 C. a) přirozené proudění vzduchu - α p = 6,22 (W*m -2 *K -1 ) b) ofukování proudem vzduchu rychlostí 10 m*s -1 - α p = 45,3 (W*m -2 *K -1 ) P = α p S *( ϑ ϑ ) = 6,22*10*30 1866 * 1 2 = P = α p S *( ϑ ϑ ) = 45,3*10*30 13590 * 1 2 = ( ) W ( ) W

Přenos tepla sáláním Každé těleso s teplotou vyšší než Θ = 0K vyzařuje do svého okolí energii ve formě elektromagnetických vln. Na těleso zároveň dopadá tepelný tok od ostatních těles. Kdy dochází k ohřevu? K ohřevu dochází, jestliže těleso přijme větší tepelnou energii než vyzáří (a naopak). Při dopadu tepelného záření na těleso se část energie: * pohltí - činitel pohltivosti a * odrazí - činitel odrazivosti b * projde tělesem - činitel prostupu c Na čem závisí množství vyzářené energie? * na ploše aktivního povrchu tělesa * na čtvrté mocnině termodynamické teploty * na charakteru povrchu tělesa

Činitelé pro dopadu tepelného záření na těleso činitel pohltivosti činitel odrazivosti činitel prostupu Musí platit a + b + c = 1 a = (energie pohlcená)/(celková dopadající energie) b = (energie odražená)/(celková dopadající energie) c = (energie prošlá)/(celková dopadající energie) Existují tělesa, u který je nenulový pouze 1 činitel? * absolutně černé těleso a = 1, b = c = 0 * absolutně bílé těleso a = 0, b = 1, c = 0 * absolutně průzračné těleso a = b = 0, c = 1 Obecná tělesa, která nemají tyto vlastnosti jsou označována jako tělesa šedá.

Vlnový charakter tepelného záření Opakování: jak rozdělujeme záření? neviditelné, ultrafialové záření 0,1 < λ < 0,38 µm viditelné, světelné záření 0,38 < λ < 0,76 µm neviditelné, infračervené záření 0,76 < λ < 10 µm Opakování: jaký je vztah mezi vlnovou délkou a frekvencí? λ = c/f kde c je rychlost šíření elektromagnetického vlnění ve vakuu. Závisí poměrná pohltivost, odrazivost a propustnost na vlnové délce? Ano, proto se definují pro různé vlnové délky (papír odráží světelné záření ale pohlcuje infračervené a ultrafialové záření). Úplný zápis součtu jednotlivých činitelů: a λ + b λ + c λ = 1

Základní vztahy Spektrální hustota intenzity vyzařování: P λ základní jednotka (W*m -2 *m -1 ) používaná jednotka (MW*m -2 *µm -1 ) - vyjadřuje energii, kterou vyzáří těleso - spektrální hustota intenzity vyzařování závisí na čtvrté mocnině termodynamické teploty a vlnové délce - P λč - absolutně černé těleso při dané teplotě a vlnové délce - P λš - šedé (obecné) těleso při dané teplotě a vlnové délce Celkový tepelný tok (výkon): P č = σ č * Θ 4 (W*m -2 ; W*m -2 *K -4, K 4 ) (součet spektrálních hustot intenzity vyzařování všech vlnových délek absolutně černého tělesa) kde σ č je konstanta σ č = 5,6697*10-8 (W*m -2 *K -4 )

Při jaké vlnové délce se vyzáří maximální energie? Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Vlnová délka, při které se vyzáří maximální energie, závisí teplotě. S rostoucí teplotou se vlnová délka, při které se vyzáří maximální energie snižuje a při vyšších teplotách se dostává do oblasti viditelného spektra. 2892 λ max = T ( µ m; K ) Jaká je maximální spektrální citlivost lidského oka při denním vidění? λ = 555 nm Při jaké teplotě je maximální citlivost lidského oka? T = 2892/0,55 = 5 511 0 C což odpovídá teplotě slunečního povrchu dlouhodobá adaptace oka na sluneční svit.

Příklady Určete celkový tepelný výkon a vlnovou délku pro maximální spektrální hustotu intenzity vyzařování absolutně černého tělesa o ploše 400 cm 2 a teplotě 3000 0 C P č = σ č * Θ 4 * S = Tepelný výkon: = = 5,6697*10 [ ] 260306 W 8 *(3000 + 273,15) 4 *400*10 4 = Vlnová délka pro maximální spektrální hustotu: 2892 λmax = = 0, 88 3000 + 273,15 [ ] µm

Základní vztahy Jaký je vyzařovaný výkon šedého (obecného) tělesa? kde ε š tělesa P š = ε š *σ č *Θ 4 (W*m -2 ; -,W*m -2 *K -4, K 4 ) stupeň černosti (součinitel emisivity) šedého (obecného) Platí A š = ε š Sálavost tělesa je stejně velká jako jeho pohltivost černé plochy silně sálají teplo a zároveň teplo silně pohlcují. Pro bílé, lesklé plochy je to naopak. Příklady součinitelů emisivity - ε absolutně černé těleso ε = 1 šamotová cihla ε = 0,8 lesklý hliník ε = 0,1 pálená cihla ε = 0,9

Závěr Znalosti sálání jsou důležité v různých aplikacích, zejména při vysokých teplotách: * solární kolektory pro přímý ohřev vody (světelné záření od slunce projde přes ochranné sklo, tmavé absorbéry akumulují teplo do teplonosného média) * omezení sálání pomocí tepelné clony (ε 0,2)

Zdroj: Zdeněk Hradílek a spol. Vladimír Král Josef Rada Elektrotepelná zařízení Elektrotepelná technika Elektrotepelná technika Materiál je určen pouze pro studijní účely

Tepelná technika Elektrické vytápění

Obecné možnosti vytápění * fosilní paliva - jejich zdroje jsou omezené - je nehospodárné přeměňovat kvalitní palivo na teplo pro domácnosti (zejména černé uhlí) - extrémně znečišťují životní prostředí (s výjimkou zemního plynu). * kogenerace - kombinovaná výroba tepla a elektrické energie - účinnost cyklu je relativně vysoká (okolo 80%) - nízké ztráty při rozvodu, vyšší měrné náklady - vhodné zejména u menších celků (sídliště, průmyslové podniky, obce) * KVET - kombinovaná výroba tepla a elektrické energie (teplárny) - vysoké ztráty v rozvodu, nižší měrné náklady - velké výkyvy v dodávkách tepla (zima léto) - vhodné pro větší města a velké průmyslové podniky

* elektrická energie - v místě spotřeby bez zplodin, čisté, rychlá regulace možnosti - akumulační vytápění (8 nebo 16 hodin) - přímotopné vytápění (20 hodin) - kombinace obou způsobů * využití obnovitelných zdrojů - tepelné čerpadlo - využití energie vzduchu, vody, země - vyšší investiční náklady, optimální doba návratnosti do 10 let - vhodná je kombinace vytápění a příprava TUV - možnost získání výhodné sazby (tepelné čerpadlo) - podmínkou je kvalitní tepelná izolace objektu - efektivní je kombinace s dalšími zdroji tepla - solární kolektory - omezené využití v zimních měsících, kdy je tepelná energie potřebná nejvíce - nutná kombinace s dalšími zdroji tepla - v letních měsících příprava TUV, bazény - biomasa - musí být speciální režim spalování (nelze použít klasický kotel) - úprava paliva piliny, pelety, brikety,

Porovnání ročních nákladů na vytápění * spotřeba domácnosti 15,5 MWh (55,8 GJ)(průměrná roční spotřeba) * dodavatelé regionální (ČEZ, Severočeská plynárenská, ) * ceníky elektrické energie a plynu k 1. 1. 2009

Tepelná pohoda Hlavní úkol vytápění je zajistit v uzavřených místnostech příznivé tepelné poměry v chladném venkovním období, kdy je venkovní teplota nižší než požadovaná teplota v místnosti vytvoření tepelné pohody. Tepelná pohoda * takové tepelné poměry, aby se člověk cítil příjemně * je ovlivněna věkem, pracovní činností a zdravotním stavem člověka * je dána rovnováhou tepelného režimu člověka Tepelná pohoda může být různá i při stejné teplotě a stavu člověka: - poměrem teplých a studených stěny (včetně stropu a podlahy) - rozložením teploty ve vertikálním směru - vzdušným prouděním v místnosti (okna, nedostatečná izolace) - relativní vlhkost v místnosti (optimální stav 35 50%) - větrání, výměna vzduchu

Každý člověk produkuje tělesné teplo Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Tepelná pohoda - metabolické - ve svalech Objektivní tepelná pohoda je dána rovnováhou mezi vývinem a výdajem tepla v organismu. p(w/m2) 65 60 55 50 45 40 35 Vývin metabolického tepla člověka v klidu z 1 m 2 0 20 40 60 80 věk muži ženy Vývin metabolického tepla u člověka Starší lidé a ženy potřebují k tepelné pohodě vyšší teplotu než děti. Na to je třeba brát ohled.

Účinná teplota okolních ploch - t p Uvádí se k posouzení sálavého účinku okolních ploch. Účinná teplota je definována jako společná teplota všech okolních ploch, při níž by celkový tepelný tok sáláním mezi povrchem těla a okolními plochami byl stejný jako ve skutečnosti. Účinná teplota: * příliš malá (nevytopené chaty) * příliš velká (sálavé panely, podlahové vytápění) * rozdíl teplot mezi vnitřní teplotou a účinnou teplotou okolních ploch by měl být co nejmenší.

Teplota vzduchu v místnosti - t v Teplota vzduchu v místnosti se dá považovat za jedno z hlavních kritérií tepelné pohody (za předpokladu minimálního proudění a přibližně stejné teploty stěn a teploty v místnosti). Je teplota vzduchu v místnosti ve vertikálním rozložení konstantní? Není, čím je dán vertikální průběh tepla? * nestejnoměrným přívodem tepla * nestejnoměrným ochlazováním stěn, podlah a stropů. Jaké úrovně jsou pro pocit tepelné pohody nejdůležitější? * teplota dolní vrstvy (10 cm nad podlahou) * teplota vzduchu v úrovni hlavy (zhruba 170 cm nad podlahou) * rozdíl těchto dvou teplot

Rozložení teplot Ideální rozložení teplot * teplota u podlahy 19 0 C * teplota u hlavy 21 0 C * rozdíl teplot u stojícího člověka 2 0 C * t v t p Podlahové vytápění * blíží se nejvíce ideálnímu průběhu teplot * t v t p Konvektorové vytápění (přímotop) * t v > t p

Rozložení teplot Teplovodní (radiátor na stěně od okna) * t v > t p Teplovodní (radiátor na stěně u okna) * t v t p teplovzdušné vytápění * t v > t p

Výsledná teplota prostředí Výsledná teplota prostředí lze zjednodušeně určit: t i = 0,5*t v +0,5*t p Na výsledné teplotě prostředí se v ustáleném stavu rovnoměrně podílí teplota v místnosti a účinná teplota okolních ploch. 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 tv 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 OTP 10 11 121314 151617 1819 20 2122 2324 25 2627 28 2930 tp Příklad: Pro požadavek teploty v místnosti t i = (18,5 21,5) 0 C (OTP - optimální tepelná pohoda) a teplotě vzduchu v místnosti: t v = (15 25) 0 C účinná teplota okolních ploch musí být v rozsahu: t i =18,5 0 C, t p =15 0 C t p1 = 22 0 C t i =21,5 0 C, t p =15 0 C t p1 = 28 0 C t i =18,5 0 C, t p =25 0 C t p1 = 12 0 C t i =21,5 0 C, t p =25 0 C t p1 = 18 0 C t p = t i 0 tv,5* 0,5

ϑ 2 Q t 1 Prostup tepla stěnou Stěna má určitý tepelný odpor (tepelnou vodivost) 1. Přestup tepla do dělící stěny, povrch stěny se zahřívá 2. Teplo je vedeno stěnou 3. Přestup tepla z dělící stěny do vnějšího, chladnějšího okolí. Obecný výpočet tepelných ztrát Q o = U S *( t t ) (pro jednoduchou stěnu): 1 Q o * 2 kde S plocha ochlazované stěny (m 2 ) U součinitel prostupu tepla (W*m -2 *K -1 ) t 1 = t i výpočtová vnitřní teplota ( 0 C) t 1 = t e teplota na vnější straně stěny ( 0 C) Je-li vnější teplota vyšší, má tepelný tok stěnou zápornou hodnotu.

Součinitel prostupu tepla U (W*m -2 *K -1 ) Stěna má určitý tepelný odpor (tepelnou vodivost) 1. Přestup tepla do dělící stěny, povrch stěny se zahřívá - α 1 α 1 - součinitel přestupu tepla z vnějšího okolí do stěny (Wm -2 K -1 ) 2. Teplo je vedeno stěnou - λ λ - tepelná vodivost stěny (Wm -1 K -1 ) 3. Přestup tepla z dělící stěny do vnějšího, chladnějšího okolí - α 2 α 2 - součinitel přestupu tepla ze stěny do vnějšího okolí (Wm -2 K - 1) U = 1 α 1 + 1 d + λ 1 α 2 Doporučená hodnota pro obytné domy U < 0,25 (Wm -2 K -1 ) Tabulkový výpočet prostupu tepla stěnou kde d tloušťka stěny Stanovit přesně koeficienty α 1 a α 2 je obtížné a hodnoty mají omezenou přesnost

Požadované a doporučené hodnoty U N pro budovy s převažující vnitřní teplotou θ im = 20 C Popis konstrukce Střecha plochá a šikmá se sklonem do 45 včetně Podlaha nad venkovním prostorem Strop pod nevytápěnou půdou se střechou bez tepelné izolace Podlaha a stěna s vytápěním Stěna venkovní Střecha strmá se sklonem nad 45 Typ konstruk ce UN Požadovan é hodnoty UN Doporučen é hodnoty Součinitel typu konstrukce Činitel teplotní redukce lehká 0,24 0,16 0,8 1,25 těžká 0,30 0,20 0,8 1,00 lehká 0,30 0,20 1,0 1,25 těžká 0,38 0,25 1,0 1,00 Podlaha a stěna přilehlá k zemině (s výjimkou podle poznámky 2) Strop a stěna vnitřní z vytápěného k nevytápěnému prostoru 0,60 0,40 0,8 0,49 Strop a stěna vnitřní z vytápěného k částečně vytápěnému prostoru 0,75 0,50 0,8 0,40 Stěna mezi sousedními budovami Strop mezi prostory s rozdílem teplot do 10 C v četně 1,05 0,70 0,8 0,29 Stěna mezi prostory s rozdílem teplot do 10 C v četně 1,30 0,90 1,0 0,29 Strop vnitřní mezi prostory s rozdílem teplot do 5 C v četně 2,2 1,45 0,8 0,14 Stěna vnitřní mezi prostory s rozdílem teplot do 5 C v četně 2,7 1,80 1,0 0,14 Okno a jiná výplň otvoru podle 4.6, z vytápěného prostoru (včetně rámu, který má nejvýše 2,0 W/(m 2.K)) nová 1,80 1,20 5,5 1,15 upravená 2,0 1,35 6,0 1,15 Dveře, vrata a jiná výplň otvoru podle 4.6, z částečně vytápěného nebo nevytápěného prostoru vytápěné budovy (včetně rámu) 3,5 2,3 6,0 0,66

Praktický výpočet otopného zařízení Pro dimenzování otopné soustavy je důležité znát maximální hodnotu tepelných ztrát budovy (množství tepla které projde stěnou z vnitřního prostředí do vnějšího prostředí. Na tuto hodnotu se otopná soustava dimenzuje. Podklady pro výpočet tepelných ztrát: Podklady pro výpočet tepelných ztrát: * situační plán (poloha objektu ve vztahu ke světovým stranám, výška a vzdálenost okolních budov, nadmořská výška stavby, převládající směr a intenzita větru * půdorys jednotlivých podlaží budovy se všemi důležitými rozměry (okna, dveře ) * řezy budovou s udáním všech hlavních výšek (výška místností) * údaje o materiálech a konstrukce stěn, podlah, stropů a střechy * údaje o materiálu a konstrukci oken a dveří * údaje o využití jednotlivých místností * zamýšlený způsob vytápění

Obecný postup výpočtu Celková tepelná ztráta místnosti Q c (W): Q c = Q p + Q v - Q z kde Q p celková ztráta prostupem stěnami Q v tepelné ztráty větráním Q z tepelné zisky Tepelná ztráta prostupem stěnami Q p (W): Q p = Q o * (1 + p 1 + p 2 + p 3 ) kde Q o základní tepelná ztráta prostupem stěnami Součet tepelných toků prostupem jednotlivými stěnami, které ohraničují vytápěnou místnost od venkovního prostředí nebo sousedních místností: p 1 p 2 p 3 Q o = n j= 1 U j * S j *( t t přirážka na vyrovnání vlivu chladných konstrukcí přirážka na urychlení zátopu přirážka na světovou stranu i ej )

Výpočtová venkovní teplota (výběr lokalit) Lokalita (místo měření) Nadmořská výška Venkovní výpočtová teplota Otopné období pro t em =12 t em =13 t em =15 h t e t es d t es d t es d [m] [ C] [ C] [dny] [ C] [dny] [ C] [dny] Jablonec nad Nisou 502-18v 3,1 241 3,6 256 5,1 298 Jičín 278-15 3,5 223 3,9 234 5,2 268 Jihlava 516-15 3,0 243 3,5 257 4,8 296 Kolín 223-12v 4,0 216 4,4 226 5,9 257 Liberec 357-18 3,1 241 3,6 256 5,1 298 Mladá Boleslav 230-12 3,5 225 3,9 235 5,1 267 Most 230-12v 3,7 223 4,1 233 5,2 264 Ostrava 217-15 3,6 219 4,0 229 5,2 260 Semily 334-18v 2,8 243 3,4 259 4,7 303 Teplice 205-12v 3,8 221 4,1 230 5,3 261 Trutnov 428-18 2,8 242 3,3 257 5,0 298 t em t es v střední denní venkovní teplota pro začátek a konec otopného období střední venkovní teplota za otopné období větrná oblast

Otopná období - Liberec

Přirážky Přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn p 1 umožňuje zvýšení teploty vnitřního vzduchu tak, aby při nižší povrchové teplotě ochlazovaných stěn bylo ve vytápěné místnosti dosaženo požadované vnitřní teploty, pro kterou je základní tepelná ztráta počítána. Závisí na průměrném součiniteli prostupu tepla všech stěn místnosti. U c = Qo S *( ti t e ) U c (Wm - 2 K - 1 ) do 0,1 0,1 0,9 0,9 1,5 1,5 2,0 p 1 = 0,15*k c 0 0,03 0,12 0,15 0,21 0,25 0,3

Přirážky Přirážka na urychlení zátopu p 2 se uvažuje pouze v případě, že nelze zajistit nepřerušovaný provoz vytápění. V běžných případech se s přirážkou nepočítá. p 2 = 0,1 (denní doba vytápění je delší než 16 hodin) p 2 = 0,2 (denní doba vytápění je kratší než 16 hodin) Přirážka na světovou stranu p 3 o velikosti rozhoduje poloha nejvíce ochlazované stavební konstrukce místnosti, při více ochlazovaných konstrukcích jejich společného rohu. světová strana J JZ Z SZ S SV V JV p 3-0,05 0 0 0,05 0,1 0,05 0,05 0

Tepelná ztráta větráním vyjadřuje tepelnou ztrátu tepla způsobenou přirozeným nebo nuceným větráním. Qv = cv * Vv *( ti te ) [ ] kde c v objemová kapacita vzduchu při teplotě 0 0 C c v = 1 300 (J*m -3 *K -1 ) V v objemový tok větracího vzduchu (m3*s -1 ) vychází z hygienických nebo technických požadavků velikost V v se určuje výpočtem v závislosti na způsobu větrání W Celkový přesný výpočet tepelných ztrát je složitý, pro orientační určení tepelných ztrát místnosti a návrh způsobu vytápění se používají tabulky. Celkové tepelné ztráty budovy jsou dány součtem tepelných ztrát jednotlivých místností

Tepelné ztráty na 1m 3 vytápěného prostoru Tabulkový výpočet: výpočet tepelných ztrát

Výpočet otopného příkonu Pro výpočet příkonu tepelného zdroje je rozhodující zvolený způsob vytápění, režim vytápění (jmenovité vytápění, temperace), způsob větrání. Skutečný instalovaný výkon elektrický příkon topidel smí být vyšší oproti vypočtenému celkovému příkonu maximálně: a) o 20% pro příkon do 50 kw b) o 10% pro příkon nad 50 kw Přímotopné elektrické vytápění P k = Q c * K * 10-3 (kw) kde Q c celková tepelná ztráta objektu (W) K koeficient průběhu vytápění, volí se hodnota: K = 1 nepřerušovaný provoz K = 1,1 topná přestávka do 4 hodin K = 1,2 topná přestávka větší než 4 hodiny K = 1,4 při občasném využití

Výpočet otopného příkonu Akumulační elektrické vytápění Odběr elektrické energie je zejména v nočních hodinách (6 nebo 8 hod.), případně v odpoledních hodinách (0 nebo 2 hodiny). Příkon akumulačního tepelného zdroje lze stanovit z celkové denní spotřeby tepla Q d, která závisí: * na celkových tepelných hodinových ztrátách Q c * na požadované době vytápění na plnou hodnotu T v (včetně doby náběhu) * na době tlumeného vytápění (temperace) T t Při výpočtu se uvažuje doba nabíjení T n = 8 hodin Provozní režimy vytápění se stanoví z doby plného vytápění T v na t i = 20 0 C. Akumulační vytápění se navrhuje pro provozní režim vytápění na plnou hodnotou T v (hod.): * kuchyně 10 hodin dětské pokoje 14 hodin * kuchyně s jídelnou 12 hodin ostatní místnosti 12 hodin * obývací pokoje 14 hodin

Výpočet příkonu akumulačních topidel: P a = Q d * k v * 10-3 (kw) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Elektrické akumulační vytápění kde P a příkon akumulačního topidla (kw) k v součinitel provozu (h -1 ) Denní potřeba tepla: Q d = Q c * T v (Wh)

Ústřední akumulační vytápění * navrhuje se pro plné vytápění po dobu T v = 12 hodin * zbývající provoz je buď tlumeny (temperace) nebo přerušovaný Denní potřeba tepla pro teplovodní systémy: Q d = Q dd + Q dn (Wh) kde Q dd potřeba tepla v denní době (Wh) Q dn potřeba tepla v noční době (Wh) Potřeba tepla v denní době Potřeba tepla v noční době Q dd = (Q c * (T vd + T td *f))/η Q dn = (Q c * (T vn + T tn *f))/η kde T vd (T vn ) požadovaná doba vytápění na plnou teplotu v denní (noční) době T td (T tn ) požadovaná doba tlumeného vytápění v denní (noční) době f koeficient vlivu stavební konstrukce, lehká 0,3 těžká 0,5 η účinnost otopného zařízení, η = 0,95

Výpočet otopného příkonu Výpočet potřebného příkonu P a = (Q d / T n ) * 10 3 (kw) kde Q d celková denní potřeba tepla doba nabíjení T n Smíšené (hybridní) elektrické vytápění * zahrnuje akumulační a přímotopné vytápění * akumulační vytápění - odběr elektrické energie 8 hodin * přímotopné vytápění - při nízkých venkovních teplotách ve dne mimo špičku * hybridní vytápění umožňuje zvýšit instalovaný výkon vytápěcích zařízení (je nižší soudobost) * návrh hybridního elektrického vytápění se počítá zvlášť pro akumulační a přímotopnou část

Příklady Určete velikost tepelných ztrát vytápěné místnosti (obývací pokoj) ve 2. podlaží 3. podlažní budovy. Plocha stěn je 2 * 30m 2 + 2 * 20m 2. Výpočtová venkovní teplota je -15 0 C (platí pro 2 stěny). Součinitel přestupu tepla na vnitřní straně je U = 4 (W*m -2 *K -1 ), na vnější straně 25 (W*m -2 *K -1 ). 1) cihlová zeď bez izolace λ a = 0,5 (W*m -1 *K -1 ) d = 450mm 2) cihlová zeď s tepelnou izolací λ b = 0,05 (W*m -1 *K -1 ) d = 200 mm Pro výpočet uvažujeme tepelné ztráty pouze přes 2 stěny. Pro obývací pokoj t i = 20 0 C Výpočet součinitele prostupu tepla: U 1 1 d 1 + + α λ α 1 = = = 1 2 1 4 1 0,45 + 0,5 1 + 25 0,84 U 1 α 1 1 d 1 + a db + + λ λ α 2 = = = a b 2 1 4 1 0,45 0,2 + + + 0,5 0,05 1 25 0,19

Příklady Tepelné ztráty stěnou: 1) Q 1 = U 1 * S * (t 1 t 2 ) = 0,84 * (30+20) * (20 (-15)) = 1471,6 (W) b) Q 2 = U 2 * S * (t 1 t 2 ) = 0,19 * (30+20) * (20 (-15)) = 337,2 (W) Vypočítejte součinitel prostupu tepla u stěny s plochou 50 m 2. Stěna je tvořena: 1. beton tl. 30 cm λ = 1,5 (Wm -1 K -1 ) 2. polystyren tl. 10 cm λ = 0,16 (Wm -1 K -1 ) Součinitel přestupu tepla uvažujte α = 12 (Wm -2 K -1 ) 1. Pouze beton U 1 1 d 1 + λ α 1 = = = 1 + α 2 1 12 1 0,3 + 1,5 1 + 12 2,73 2. Beton + izolace U 1 1 d 1 + λ α 1 = = = 1 + α 2 1 12 1 0,3 0,1 1 + + + 1,5 0,16 12 1

Příklady Vypočítejte příkon akumulačního vytápění (akumulační kamna s ventilátorem) obývacím pokoji (T v = 14 hodin, topná přestávka 6 hodin) v přízemí nepodsklepeného 2. podlažního rodinného domu. Půdorys místnosti je obdélníkový (10 x 8) m 2, Výška místnosti je 4 m. Místnost má tři výpočtové plochy (2 stěny a podlaha). V místnosti jsou 3 okna a dveře na balkon. Výpočtová venkovní teplota je (-18 0 )C, vnitřní 20 0 C krajina normální, budova nechráněná, řadová, orientace SZ. Intenzita výměny vzduchu n = 0,2 h -1 Podlaha: výpočtová teplota 5 0 C, beton 20cm, λ=1,23, tepelná izolace 10cm, λ=0,06, nášlapná podlaha 3 cm, λ=0,2. 1. stěna: vnitřní omítka 5 cm, λ=0,88, cihla 30 cm, λ=0,6, izolace 20 cm, λ=0,04, vnější omítka 10 cm, λ=0,9 2. stěna: vnitřní omítka 5 cm, λ=0,88, cihla 30 cm, λ=0,6, izolace 20 cm, λ=0,04, vnější omítka 10 cm, λ=0,9 Okna zdvojená, plastová, plocha 1m 2 Balkónové dveře zdvojené, plastové, plocha 2,5 m 2 Tepelná ztráta stěn + okna - bez přirážky - 1221 W - včetně přirážky - 1302 W Tepelná ztráta větráním a infiltrací - 878 W Celková tepelná ztráta - 2180 W Příkon akumulačních kamen P = 2180*14* 0,19*10-3 = 5,8 kw

Zdroj: Zdeněk Hradílek a spol. Elektrotepelná zařízení Vladimír Král Elektrotepelná technika Josef Rada Elektrotepelná technika V. Jelínek Technická zařízení budov K. Brož Vytápění

Tepelná technika Elektrické vytápění

Režim a druhy vytápění budov Podle umístění zdroje: 1. Ústřední (centrální) vytápění 2. Lokální vytápění elektrotopný spotřebič je přímo ve vytápěném prostoru Podle časového odběru elektrické energie: 1. Trvalé vytápění (přímotop) nejméně 8 hodin denně 5 dní po sobě 2. Občasné vytápění 3. Nepřerušované vytápění 4. Akumulační vytápění

Akumulační elektrické vytápění * Nabíjení je 8 nebo 16 hodin * Převážná část nabíjení je v nočních hodinách * Elektrická energie se přeměňuje v teplo v odporových topných článcích nebo kabelech * Teplo je akumulováno v akumulačním materiálu (šamot, magnezit) * Vybíjení tepla je statické (bez ventilátoru) * Po ukončení nabíjení nelze řídit vydávání (vybíjení) tepla * Sdílení tepla sáláním a přirozenou konvencí * Akumulační jádra šamotové tvárnice * Povrch kachle * Vydávané teplo je úměrné stavu nabití nejvíce topí po nabití ráno, nejméně večer

Akumulační elektrické vytápění * Vybíjení tepla je statické (bez ventilátoru) * Vybíjení tepla je statické (bez ventilátoru) * Vydávání tepla lze částečně řídit zavíráním (otvíráním) průchodu (přirozeným tahem) podle nastavení termostatu * Dále je sdílení tepla sáláním a přirozenou konvencí * Akumulační jádra šamotové tvárnice * Vydávané teplo lze částečně regulovat, vhodné pro obytné systémy

Statické akumulační vytápění

Akumulační elektrické vytápění * Vybíjení tepla je dynamické (s ventilátorem) 75% tepla * Chod ventilátoru dvourychlostní, řízení prostorovým termostatem * Akumulační jádro je dokonale izolováno * Akumulační jádra magnezitové tvárnice * Plášť je plechový, s nízkými povrchovými teplotami * Nabíjení lze nastavit termostatem v rozsahu (35 100) % * Využití pro obytné prostory * Mají tepelnou pojistku

Dynamické akumulační vytápění

Dynamické akumulační vytápění

Přímotopné elektrické vytápění konvekční vytápění * Konvektory jsou topidla, která přeměňují veškerou elektrickou energii na teplo * Do spodní části přichází studený vzduch, který se ohřívá a horní částí odchází teplý vzduch (přirozená nebo nucená cirkulace) ohřívá se především vzduch. Poměr sálavého tepla je malý * Umístění - pojízdná - přenosná - pevně instalovaná * Provedení - s ohřívanou náplní - s topným odporem * Konvekce - přirozená - nucená (ventilátor) * Výhody - rychlý ohřev - optimální využití elektrické energie - možnost regulace s automatickým nastavením teploty - jednoduchost

Podlahové vytápění * Podlahové vytápění je velkoplošné radiační vytápění. * Existují 2 základní typy: - horkovodní - elektrické * K udržení tepelné pohody vyžaduje nižší provozní teplotu * Pro horkovodní lze využít nízkopotenciální zdroje tepla tepelná čerpadla, solární panely Možnosti realizace: 1. pouze podlahové vytápění - nutný volný, nezastavěný prostor, nižší účinná teplota stěn, omezení pro maximální teplotu média 2. pouze stěnové vytápění nejsme omezeni teplotou média, lze dosáhnout větší plochy, zvyšuje se účinná teplota stěn, studená podlaha lze i v místnosti s kobercem, vhodné pro rekonstrukce 3. stěnové i podlahové vytápění optimální kombinace, vyšší investiční náklady

Podlahové vytápění topnými kabely * Topné kabely jsou zality do betonové podlahy * Realizace - akumulační otopná soustava - přímotopná soustava * Výhody - vysoká účinnost - rovnoměrné využití tepla - snadné vytvoření tepelné pohody Přímotopná soustava 1. podkladový beton 2. polystyrén 3. betonová vrstva 4. topné kabely 5. dlažba 6. napojení izolace (izolace stěn, dilatace)

Podlahové vytápění topnými kabely Tab. 1 - Optimální povrchová teplota podlahy užívané bez obutí Podlahový materiál Optimální povrchová teplota podlahy 1. min 10. min Doporučené rozmezí povrchové teploty podlahy t P ( C) Textilie 21 24,5 21,0 až 28,0 Korek 24 26 23,0 až 28,0 Dřevo - borovice 25 26 22,5 až 28,0 Dřevo - dub 26 26 24,5 až 28,0 PVC na betonu 28 27 25,5 až 28,0 Linoleum na dřevě 28 26 24,0 až 28,0 Plynobeton 29 27 26,0 až 28,5 Betonová mazanina 28,5 27 26,0 až 28,5

Podlahové vytápění topnými kabely * Podlahová vytápění se instaluje vždy jako plovoucí od spodní vrstvy * Přímotopné vytápění - tloušťka do 15 cm - příkon je přibližně 100 W/m 2 * Akumulační vytápění - tloušťka do 25 cm - příkon je přibližně 200 W/m 2 podlahová krytina betonová vrstva instalační pás s topným kabelem betonová vrstva tepelná izolace proti vlhkosti základní stavební konstrukce

Podlahové vytápění topnými kabely Vlastnosti podlahového vytápění: * velká setrvačnost - delší doba náběhu - horší okamžitá regulace * střední hodnota teploty podlahy je v rozmezí (26 28) 0 C * není vhodné v prostorách s vyššími tepelnými ztrátami a malou využitelnou plochou podlahy (koupelny, chodby se skříněmi) nutné přídavné vytápění * vysoké požadavky na provedení (problematické opravy) * v některých případech se doplňuje vytápěním stěn (může být vyšší teplota, provádí se pouze jako přímotopné vytápění) * vhodné pro tepelná čerpadla

Podlahové vytápění Klasické vytápění Přímotopné 1. Základní nosná deska 2. Izolace proti vlhku 3. Spodní izolační vrstva, např. polystyren PS 20 4. Vrchní izolační vrstva, např. minerální vlna 5. Tepelná izolace proti svislým stěnám 6. Izolace proti vlhku 0,2 (0,5) mm PE 9. Topná mazanina (55 až 60 mm podle akumulační schopnosti vnějšího zdiva, nabíjecí doby, podlahové krytiny a doby nízkého tarifu) 10. Topná rohož v 1/2 tloušťky mazaniny 13. Lepidla na krytinu 14. Podlahová krytina 17. Ochranná trubka pro snímač teploty 18. Elektronický regulátor teploty

Sálavé elektrické vytápění * Přenos tepla je především sáláním (podobné slunečnímu záření) * Vyrábějí se jako stropní nebo nástěnné * Zadní stěna je tepelně izolována, přední strana je rovnoměrně ohřívána odporovou topnou fólií

Porovnání rozložení teploty při klasickém a sálavém vytápění

Sálavé elektrické vytápění Princip - infračervené zářiče s povrchovou teplotou vyšší než 250 0 C. - sálání je usměrněno reflektorem do žádaného směru. - infračervené záření prochází vzduchem (aniž by se ohříval) a dopadá na předměty. - v předmětech (stěnách, podlaze, ) se infračervené záření přemění na teplo (asi z 85 %), které se sekundárně vyzáří Výhody: Nevýhody: * rovnoměrné vertikální rozložení teploty * nižší teplota pro tepelnou pohodu (18 19) 0 C, což je dáno vyšší účinnou teplotou okolních stěn * snížení prašnosti (nedochází k cirkulaci vzduchu) * vyšší relativní vlhkost (vzduch není vysoušen) * zabraňuje orosení stěn a následné tvorbě plísně * snadná instalace * malá tepelná setrvačnost, jednoduchá regulace * působí pouze v místnost, kde je instalováno * plocha, na kterou dopadá záření musí být dostatečně velká a neměla by být stíněna

Teplovodní elektrokotel Princip - topným médiem ve voda, která je ohřívána v kotli - princip ohřevu * topná tělesa (klasický odporový ohřev) * elektrody (průchod proudu vodou mezi elektrodami) - rozvod vody do topného zařízení (radiátory, trubky, ) Elektrický odporový ohřev Princip: kde α R Joule Lenzův zákon: P = R * I 2 Při ohřevu topného tělesa roste odpor: R ϑ = R 20 * (1+α R *(ϑ -20)) je teplotní součinitel odporu. Pro topná zařízení by měl být co nejmenší

Materiály pro topné články a jejich konstrukce Základní požadavky: * velký měrný odpor * malý teplotní součinitel odporu * malý součinitel teplotní roztažnosti * mechanická pevnost při provozních teplotách * tvárnost * stálost * chemická odolnost (oxidace při vysokých teplotách) * ekonomická dostupnost Přehled materiálů: * slitiny mědi nikelin a konstantan (nikl, mangan, měď) * chromnikl (chrom, nikl) * slitiny se železem (chrom, nikl, železo) * slitiny s hliníkem (chrom, hliník, železo)

Materiály pro topné články a jejich konstrukce

Topný článek Technologie topných článků: * odporové články jsou obecně většinou uzavřené, oddělené od ohřívaného média, článek je uzavřen v trubce nebo v ocelové jímce * ochranný plášť měď, měď s ochranným povlakem, antikorozní ocel * vnější povrchová teplota těles s měděným povlakem je až 200 0 C, s antikorozním povlakem 800 0 C

Elektrodový ohřev Elektrodové kotle * jsou jednoduché, levné a hospodárné * vyrábějí se pro nn a vn * rozsah výkonů desítky až stovky kw, v zahraničí až MW Princip * ohřev vody je dán přímým průchodem proudu mezi elektrodami v kapalině (iontová vodivost) * velikost proudu je dána vodivostí kapaliny (obsah vodivých látek) * pro napájení lze použít pouze střídavý proud (elektrochemický rozklad, který by měl za následek vznik plynů, vody je nežádoucí) * minimální frekvence je 25 Hz, běžně se používá síťová frekvence * proudová hustota v kapalině je v rozsahu (0,5 1,5) A/cm 2 * materiál elektrod grafit (malé příkony), zušlechtěné oceli * elektrická vodivost závisí:teplotě vody chemickým složením vody

Regulace výkonu * změna vodivosti vody * plocha elektrod (izolační návleky) * vzdálenost elektrod * izolační přepážky mezi elektrodami * elektrody rozdělené do skupin a následné přepínání skupin * mechanické ponořování elektrod * změna výšky hladiny vody v kotli Výhody elektrodových kotlů * jednoduchost, nízká cena, spolehlivost životnost elektrod až 20 let, elektromagnetické pole zároveň chemicky upravuje vodu zabraňuje tvorbě kotelního kamene * maximální energetická účinnost kotle minimální povrchová teplota kotle, účinnost přeměny energie je téměř 100% * možnost autoregulace - regulace změnou vodivosti vody s teplotou (s rostoucí teplotou okolí v létě roste vodivost a klesá tepelný výkon), při odstávce je voda studená, malá vodivost, je i proudový ráz malý

Výhody elektrodových kotlů * jeden typ kotle pro různé výkony úpravou vodivosti lze měnit výkon v širokém rozsahu (např. 5 30 kw) přísady pro změnu vodivosti například siřičitan sodný koncentrace přísady se mění i případnou korozí otopného systému maximální teplota vody je 70 0 C Autoregulace kotle vlivem teploty (se Autoregulace kotle vlivem teploty (se zvyšující se teplotou roste výkon kotle). Při teplém počasí (teplota vody je nižší je výkon kotle zhruba třetinový.

Automatická regulace vytápění Účel regulace: automaticky udržet na žádané hodnotě požadovanou fyzikální veličinu. Pro vytápění místnosti je to : na vnitřní teplotu na venkovní teplotu kombinace obou systémů Udržení veličiny na požadované hodnotě: a) změřením skutečné hodnoty teploty v místnosti b) porovnání změřené hodnoty s požadovanou c) regulační prvek způsobí zmenšení zjištěného rozdílu Při návrhu regulačního systému se bere ohled na: * požadavky uživatele (hodnota požadované teploty v jednotlivých místnostech, jejich využívání) * stavebné konstrukce a otopné systémy (tepelné ztráty) * platné předpisy a normy

Automatická regulace vytápění Akumulační schopnost budovy a tepelné ztráty mají vliv na výběr regulačního zařízení: * potřebný tepelný příkon na krytí ztrát * rychlost reakce regulačního prvku na změnu parametrů - litinová tělesa 20 60 minut - ocelová tělesa 10 20 minut - konvektor 5 10 minut - velkoplošné podlahové systémy 2 3 hodiny

Regulační obvody Prvky regulačního systému: * snímač (čidlo) změří skutečnou hodnotu teploty a převede ji na fyzikální veličinu, která je převedena do regulátoru * regulátor porovnává skutečnou teplotu s požadovanou * regulační prvek provede vlastní regulaci (vypne, zapne, otevře nebo zavře směšovací ventil) Typy regulačních obvodů * uzavřený regulační obvod tři proměnné veličiny regulovaná (vnitřní teplota), řídící a poruchová (tepelné ztráty, tepelné zisky, vítr, ) * uzavřený regulační obvod se zpětnou vazbou (lokální vytápění) snímaná pomocná veličina se přivede do regulátoru, čímž se zrychlí regulace (například snímání teploty vody v otopném systému) * otevřený regulační obvod (pro ústřední vytápění) regulace podle venkovní teploty (ekvitermní regulace), pomocnou veličinou je teplota otopné vody. Požadovaná teplota v jednotlivých místnostech může nastavena různě, regulace je podle vnější teploty.

Příprava TUV Výpočtová hodnota tepla pro ohřev TUV vztažená na osobu a den: * minimální spotřeba TUV 40 l/osobu a den 2 kwh * průměrná spotřeba TUV všední den (3 4) kwh víkend Elektrický ohřev TUV na osobu a den * ústřední ohřev TUV 5,8 kwh 6 kwh * místní ohřev TUV 10,5 kwh (dvoupokojový byt + kuchyň) 16,3 kwh (vícepokojový byt) Výpočet: výpočet potřeby TUV Rozdělení ohřevu TUV a) podle místa ohřevu: lokální ohřev (boiler v koupelně) centrální (ústřední) ohřev b) podle konstrukce a principu využití TUV akumulační ohřev průtočný ohřev

Lokální příprava TUV Lokální ohřev zajišťuje TUV v místě nebo v nejbližším okolí. Výhody: * minimální ztráty na vedení TUV * malé náklady na rozvod TUV * operativnost na případně změny v požadavcích na TUV Nevýhody: * nižší efektivita (zejména v objektech s více lokálními ohřívači TUV) Při návrhu a realizaci by měl měly upřednostnit způsoby s využitím nižšího tarifu (akumulační ohřev). Pouze v případech s nepravidelnou a občasnou potřebou TUV se volí přímotopné ohřívače TUV (průtočné ohřívače).

Optimální teplota na TUV

Akumulační ohřev TUV Rozdělení: * přímotopné voda je ohřívána průběžně, podle potřeby. * s využitím NT voda je ohřívána v době nízkého tarifu Popis akumulačního ohřívače: * studená voda se přivádí do spodní části nádoby * v zásobníku jsou zhruba 3 pásma spodek studená voda střed smísená vrstva vršek teplá voda * vnitřní tlak odpovídá vodovodnímu tlaku v síti * teplá voda je odebírána z vrchní části * ohřívače TUV mají velmi kvalitní tepelnou izolaci * příslušenství: optická signalizace teploty možnost regulace teploty ohřáté vody katodovou ochranu proti korozi tepelnou ochranu proti přehřátí

Akumulační ohřev TUV Příkon topného tělesa: Q = 0,8 * i * q n (kw) kdei počet zásobovaných osob q n tepelný příkon TUV pro jedno osobu (kw/osobu) Velikost ohřívače TUV: * 1 nebo 2 místnosti 120 nebo 160 l (výstup koupelna a kuchyň) 80 l koupelna + 10 l kuchyň (přímotop) * 3 a více místností 200 l koupelna + 10 l kuchyň (přímotop) (přímotopné ohřívače TUV lze nahradit průtočnými ohřívači) Další možnosti pro ústřední ohřev TUV * společné systémy vytápění a přípravy TUV * bivaletní systémy kombinace s TČ nebo solárními kolektory * trivaletní systémy kombinace kotle s TČ nebo solárními kolektory

Doporučený minimální objem (litry, dm 3 ) zásobníku TUV Způsob ohřevu Elektricky Předpoklad spotřeby Denní/noční proud Počet osob malá střední vysoká denní noční denní noční denní noční 1 20 50 20 50 50 80 2 20 50 50 80 80 125 3 50 80 80 125 100 160 4 50 100 100 160 125 200 5 80 100 125 180 160 250 6 100 125 160 200 200 300 7 > projekt projekt projekt projekt projekt projekt

Topný článek pro boilery Keramický topný článek: * odporový článek není ponořen ve vodě a je umístěn v ocelové jímce * na dráty nepůsobí vodní kámen * má delší životnost než ponorný článek

Zásobníkový akumulační ohřívač 1. indikátor teploty 2. jímka topného tělesa 3. suché keramické topné těleso 4. provozní a bezpečnostní termostat 6. napouštěcí trubka studené vody 8. jímka termostatu 9. vypouštěcí trubka teplé vody 10. hořčíková anoda (vodní kámen) 12. polyuretanová izolace (42 mm)

Kombinovaný zásobníkový akumulační ohřívač V kombinaci s jiným tepelným zdrojem 1. indikátor teploty 2. jímka topného tělesa 3. suché keramické topné těleso 4. provozní a bezpečnostní termostat 6. napouštěcí trubka studené vody 7. vypouštěcí trubka teplé vody 8. jímka termostatu 9. trubkový výměník 10. hořčíková anoda (vodní kámen) 12. polyuretanová izolace (42 mm)

Kombinovaný ohřívač pro solární systém

Průtokové ohřívače ohřívají vodu pouze při jejím průtoku odběr zapne a ohřeje pouze takové množství vody, které je zapotřebí Hlavní výhody průtokový ohřívačů: * jednoduchá montáž * minimální ztráty * základní sazba Rozdělení průtokových ohřívačů: * beztlakový * tlakový Použití průtokových ohřívačů: * malá a nepravidelná spotřeba vody

Beztlakové ohřívače * jsou určeny k napájení jednoho blízkého odběrného místa * nejsou pod tlakem vodovodního potrubí * při odběru teplé vody otvírá ventil přívod studené vody k přístroji, studená voda tlačí teplou vodu k odběrnému místo

Tlakové ohřívače * jsou určeny k napájení více nedalekých odběrných míst (umyvadlo + sprcha, ) * v přístroji je tlak vodovodního okruhu * teplá voda je vytlačována k místu odběru (podobný princip jako u boileru) * tlakové ohřívače musí mít bezpečnostní ventil (při ohřevu se zvyšuje objem a roste tlak, rozpínající se voda se odvádí do zvláštního odtoku)

Ekonomika provozu

Možnosti provedení 1. Elektronické průtokové ohřívače * umožňuje přesné nastavení teploty vody * nastavení na regulačním prvku se určuje celkové teplota vody Příklad ohřívače AEG: * teplotní rozsah (30 60) 0 C * napájení pevným připojením * možnost připojení solárního systému (do 60 0 C) * výkon (18 24) kw

Možnosti provedení 2. Hydraulické průtokové ohřívače * udržuje konstantní teplotu při tlakových změnách v potrubí * topný výkon se připojuje ve dvou stupních podle průtoku vody 3. Malé průtokové ohřívače * minimální zásobní prostor snižuje ztráty * vhodné pro místa s minimálním odběrem (umyvadlo na toaletě,..) * připojení pevné nebo přes zásuvku Porovnání: - 8x denně mytí rukou na toaletě - teplota 40 0 C - roční spotřeba vody a el. energie

Možnosti provedení Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření Hydraulický průtokový ohřívač AEG Malý průtokový ohřívač AEG

regulace vytápěcího systému venkovní senzor solární kolektor TUV teplá voda čerpadlo Solar čerpadlo bojler TUV směšovač TV čerpadlo TV výstup kotel zdroj zásobník TUV pokoj

regulace vytápěcího systému Teplotní senzor Čerpadlo Směšovací ventil Termoventil pro radiátor

Vytápěcí systém - regulace jednotlivých smyček regulace teploty v místnostech venkovní senzor solární kolektor TUV teplá voda čerpadlo Solar čerpadlo bojler TUV směšovač TV čerpadlo TV výstup kotel zdroj zásobník TUV Místnost

Vytápěcí systém regulace jednotlivých smyček regulace ohřevu TUV venkovní senzor solární kolektor TUV teplá voda čerpadlo Solar čerpadlo bojler TUV směšovač TV čerpadlo TV výstup kotel zdroj zásobník TUV Příprava TUV pokoj

Vytápěcí systém regulace jednotlivých smyček regulace solárního systému Solární kolektor venkovní senzor solární kolektor TUV teplá voda čerpadlo Solar čerpadlo bojler TUV směšovač TV čerpadlo TV výstup kotel zdroj zásobník TUV pokoj

Vytápěcí systém regulace jednotlivých smyčekregulace kotle venkovní senzor solární kolektor TUV teplá voda Zdroj tepla čerpadlo Solar čerpadlo bojler TUV směšovač TV čerpadlo TV výstup kotel zásobník TUV pokoj zdroj

regulační schémata Schéma 1 Schéma 2

regulační schémata Schéma 3 Schéma 4

regulační schémata Schéma 5

Zdroj: Zdeněk Hradílek a spol. Elektrotepelná zařízení Vladimír Král Elektrotepelná technika Josef Rada Elektrotepelná technika V. Jelínek Technická zařízení budov K. Brož Vytápění Materiál je určen pouze pro studijní účely