Výpočtové metody energetické náročnosti budov Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Výpočtové metody energetické náročnosti budov Přehled platné legislativy Výpočetní postup podle vyhlášky 291/2001 Sb. Výpočet tepelného výkonu Výpočet potřeby tepla 1
Legislativa v roce 2007 v ČR ČSN 060210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění (1994+z1999) ČSN EN 12831 Otopné soustavy v budovách - Výpočtová metoda pro tepelné ztráty (2003) ČSN 730540-2 Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky (2005) ČSN EN 832 Tepelné chování budov - Výpočet potřeby energie na vytápění -Obytné budovy (2000) ČSN EN ISO 13790 Tepelné chování budov -Výpočet potřeby energie na vytápění ČSN 383350 Zásobování teplem, všeobecné zásady (1989+z1991) http://www.cni.cz Legislativa v roce 2007 v ČR Zákon 406/2006 o hospodaření energií Vyhláška 291/2001 Sb. kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při spotřebě tepla v budovách Vyhláška 213/2001 Sb. kterou se vydávají podrobnosti náležitostí energetického auditu se změnami: 425/2004 Vyhláška 150/2001 Sb. kterou se stanovíminimální účinnost užití energie při výrobě elektřiny a tepelné energie Vyhláška 151/2001 Sb. kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie Vyhláška 152/2001 Sb. kterou se stanoví pravidla pro vytápění a dodávku teplé užitkové vody, měrné ukazatele spotřeby tepla pro vytápění a pro přípravu teplé užitkovévody a požadavky na vybavenívnitřních tepelných zařízení budov přístroji regulujícími dodávku tepelné energie konečným spotřebitelům 2
Vyhláška 291/2001Sb. Slouží pro porovnání parametrů budov. Posuzuje energetickou náročnost (tepelnou náročnost) z pohledu stavebního řešení. Zohledňuje vnitřní zisky budovy (snižují měrnou potřebu tepla). (!!chlazení pasivních domů) Druh OS a její regulace je obsažena ve stupni využití tepelných zisků. Druh zdroje tepla není brán v úvahu. Požadavky vyhlášky nemusí být splněny, pokud auditor prokáže, že to není technicky možné nebo ekonomicky vhodné. Podmínky výpočtu: Vyhláška 291/2001Sb. Nepřetržité vytápění n=0,5h -1 Střední teplota 3,8 C, otopné období 242 dnů. Spotřeba tepla spočítána v hranicích vnějších konstrukcí. A plocha ochlazovaných konstrukcí (m 2 ) V objem vytápěné části budovy (m 3 ) Budova vyhovuje pokud: 3
Vyhláška 291/2001Sb. Měrná spotřeba tepelné energie (kwh/m 3 ) Výsledná spotřeba tepelné energie pro vytápění (kwh) Spotřeba tepelné energie pro vytápění (kwh) Tepelné zisky z vnitřních zdrojů (kwh) Tepelné zisky ze slunečního záření (kwh) Vyhláška 291/2001Sb. Spotřeba tepla na krytí ztrát větráním (kwh) Spotřeba tepla na krytí ztrát prostupem (kwh) 4
Metody výpočtu tepelných ztrát (= tepelného výkonu) ČSN 06 0210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění Vydána 1.5.1994 Novelizace 1.2.1999 Platnost do??? ČSN 12831 Tepelné soustavy v budovách Výpočet tepelného výkonu Vydána 1.3.2005. Novelizace 1.8.2005 (textová úprava). ČSN 060210 Vazba na novelizovanou ČSN 730540-4 Tepelná ochrana budov - Část 4: Výpočtové metody Vydána 1.6.2005 Tepelné mosty-vliv zohledněn zvýšením součinitele prostupu tepla Připočteno ΔU (0,02-0,15W/m 2.K) Zvýšena λ izolace Zvýšení λ vrstev (pouze přibližně) Prostup tepla konstrukcí přilehlou k zemině Výpočet dle ČSN EN ISO 13370 Výpočet U konstrukce přilehlé k nevytápěnému prostoru ČSN EN ISO 13790 5
ČSN 060210 ČR rozdělena do klimatických oblastí s výpočtovými teplotami -12,-15,-18 C Tepelná ztráta = prostup + větrání Není určena pro sálavé vytápění Qp = U A t Prostup tepla Q = ρ cv t V Větrání ČSN EN 12831 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. + zvláštní případy: budovy s vysokou výškou stropu nebo rozdílnou teplotou 6
Nové značky veličin: ČSN EN 12831 θ. teplota ( C) [théta] Φ tepelná ztráta, výkon (W) [velké fí] Nové veličiny: H součinitel tepelné ztráty (W/K) ψ lineární součinitel prostupu tepla (W/m.K) Q množství tepla (J) Výpočet tepelných ztrát Celková návrhová tepelná ztráta (W) Φ i = Φ T,i + Φ V,i Φ T,i.. návrhová tepelná ztráta prostupem tepla Φ V,i..návrhová tepelná ztráta větráním 7
Prostup tepla - vytápěný prostor Φ = ( H + H + H + H )( θ θ ) Ti, Tie, Tiue, Tig, Tij, 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) Ztráty do exteriéru H = A U e + Ψ I e T, ie K K K i i i K I stavební část lineární tepelný most A (m 2 ) U (W/m 2.K) e korekční činitel vystavení povětrnosti pokud vlivy nebyly uvažovány při výpočtu U(W/m 2.K) EN ISO 6946 8
Ztráty do exteriéru H = A U e + Ψ I e Tie, 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) Tepelné mosty-lineární činitele ČSN EN ISO 14683 9
Ztráty nevytápěným prostorem HT,iue = Ak Uk bu+ Ψl ll bu k l b u redukční činitel (-) při známé θ : jinak: b u b u θ = θ int,i int,i iu + θ θ Hue = H H u e ue Ztráty do zeminy HT,ig fg1 fg2 Ak Uequiv,k ) k = ( G Korekční činitele: f g1 vliv ročních změn teploty f g2 vliv průměrné a venkovní výpočtové teploty G w vliv spodní vody (při vzdálenosti < 1m) U equiv,k ekvivalentní součinitel prostupu tepla stanovený dle typu podlahy. w 10
Ztráty do zeminy U equiv,k -určí se v závislosti na U stavební části a charakteristickém parametru B. (ČSN EN ISO 13370) A g B = 0,5 P A g plocha podlahové konstrukce (m2) P.obvod podlahové konstrukce (m) Ztráta do/z vytápěného prostoru H T,ij = k f i,j A k U k fij θ = int,i θ A (m 2 ) U (W/m 2.K) f ij redukční teplotní činitel vytápěného θ int,i sousední ho prostoru θ e 11
Ztráta větráním Φ = H ( θ θ ) H = V& ρ c Vi, Vi, int, i e V, i H součinitel návrhové tepelné ztráty větráním (W/K) Vi výměna vzduchu (m 3 /s) i p Množství větracího vzduchu Přirozené větrání ( inf, min, ) V& = max V&, V& i i i Nucené větrání & i = V& inf, i + V& su, i. fvi + V& mech, inf, i V inf infiltrace, su přiváděný vzduch, mech,inf nuceně odváděný - přiváděný vzduch, fvi teplotní redukční součinitel & min, i = V n min.v& i Druh místnosti Obytnámístnost (základní) Kuchyně nebo koupelna soknem Kancelář Zasedací místnost, školní třída n min (h -1 ) 0,5 1,5 1,0 2,0 12
Infiltrace obvodovým pláštěm V& inf,i = 2. V. n. e. ε i 50 i i n50 intenzita výměny vzduchu za hodinu při rozdílu tlaků 50 Pa 2 n50 je pro celou budovu tzn. nejhorší případ je vstup vzduchu pouze z jedné strany ei stínící činitel (stínění prostoru zástavbou) εi výškový korekční činitel (vliv výškového umístění středu prostoru) Návrhový tepelný výkon Pro vytápěný prostor: Φ HL,i = Φ T,i + Φ V,i + Φ RH,i (W) Pro budovu nebo část budovy: Φ HL = Σ Φ T,i + Σ Φ V,i + Σ Φ RH,i (W) Φ T,i návrhová tepelná ztráta prostupem tepla Φ V,i návrhová tepelná ztráta větráním (* pro budovu redukováno maximum) Φ RH,i zátopový tepelný výkon při přerušovaném vytápění 13
Předpoklady: Obytné budovy n 50 <3 h -1 Použití vnějších rozměrů Zjednodušený výpočet Celková tepelná ztráta: ( ) Φ= Φ +Φ i T, i V, i. f θ, i f Δθ teplotní korekční činitel zohledňující dodatečné vyšší ztráty (24 C) Zjednodušený výpočet Ztráta prostupem tepla Φ T,i Ztráta větráním = Σ f A U k k k k ( θ ) θ int,i ( ) Φ = 0,34 V& θ θ V,i min,i int,i e V& Celkový tepelný výkon min, i = n min V ΦHL = Σ ΦT,i + Σ ΦV,i + Σ ΦRH,i (W) i e 14
ČSN EN 13790 Potřeba tepla na vytápění: ( Qh Qr ) Qth Q = + Q h potřeba tepla na vytápění budovy Q r teplo zpětně získané, včetně obnovitelných zdrojů, pokud není přímo zohledněno vredukci tepelné ztráty Q th celková tepelná ztráta vytápěcího systému,včetně zpětně získané tepelné ztráty soustavy. Takévliv nerovnoměrné teploty místností a nedokonalé regulace Energetická bilance budovy 15
Potřeba tepla Q h = Q η L Q g Tepelné ztráty Q L a tepelné zisky Q g se vypočítávají pro každý časový úsek výpočtu. Q h = n Potřeba tepla Q h je součtem potřeb tepla za kratší časové období (měsíce). Q nh Potřeba energie na vytápění ( θ θ ) Q = H t L i e H = H T + H V H V. = V ρ a c a Celková tepelná ztráta Q L jednozónové budovy skonstantní vnitřní teplotou θ i během daného časového úseku t při průměrné venkovní teplotě θ e 16
Tepelné zisky Q g Vnitřní tepelné zisky využitelné Vytápěné a nevtápěné místnosti. [ Φ + ( b) Φ ] t = t Qi ih 1 iu Φ = i Solární zisky Q = Q + Q g Qs = 1 n i I sj Asnj + ( b) I sj j j n s A snj, u ČSN EN 832 Výpočet tepelných ztrát budovy vytápěné na konstantní teplotu včetně vlivu solárních zisků Roční potřeba tepla na vytápění pro udržení požadované vnitřní teploty Roční potřeba energie, kterou má pokrývat otopná soustava Φ = H ( θ θ ) Ti, Ti, int, i e Φ = H ( θ θ ) Vi, Vi, int, i e 17
ČSN 383350 Výpočet potřeby energie podle obestavěného prostoru (tepelné charakteristiky budovy) ( ) Q = V q θ θ o o is e V.objem budovy q 0 tepelná charakteristika (W/m 3.K) θ is...střední vnitřní teplota θ e... nejnižší venkovní teplota (-12,-15-18) Odhad tepelného výkonu Měrná tepelná ztráta q (W/m 3 ) A - 1960 - k = 1,45 W/m2K B - 1978 - k = 0,89 W/m2K C - 1992 - k = 0,46 W/m2K D - 1994 - k = 0,33 W/m2K E - 2000 - k = 0,33 W/m2K (okna ko = 1,50 W/m2K) 18
ČSN 730540-2 Nejnižší vnitřní povrchová teplota θsi -tato teplota musí být větší, než je teplota kritická. Součinitel prostupu tepla U, který musí být vždy nižší, než je součinitel prostupu tepla U požadovaný normou. Přitom se do tohoto součinitele prostupu tepla U započítávají i systematické tepelné mosty. Pokles dotykové teploty podlahy Δθ10. Zkondenzované množství vodní páry uvnitř konstrukce musí být menší než množství vody, jež může během roku vyschnout, a zároveň musí být takové, aby nedošlo k poruše konstrukce. Průvzdušnost obvodového pláště musí být u konstrukčních spár téměř nulová a u funkčních spár taková, aby násobnost výměny vzduchu při přetlaku 50 Pa byla menší než hodnoty uvedené v normě (pro přirozené větrání n 50,N = 4,5 1/hod). ČSN 730540-2 Intenzita výměny vzduchu v místnosti n musí být v rozpětí n N n 1,5n N, kde n N je požadovaná násobnost výměny vzduchu. Tepelná stabilita místnosti v zimním období musí splňovat požadavky normy na maximální pokles teploty v zimním období. Tepelná stabilita místnosti v letním období musí splňovat požadavky na maximální denní vzestup teploty v místnosti. Energetická náročnost budovy musí prokázat, že budova má nižší měrnou potřebu tepla e VN, než je požadavek normy. Tento požadavek se pak může vyjádřit i stupněm energetické náročnosti SEN. 19
Součinitelé prostupu tepla Popis konstrukce Typ konstrukce Požadované hodnoty U N Doporučené hodnoty U N Energetický štítek budovy SEN stupeň energetické náročnosti Střecha plochá a šikmá se sklonem do 45 včetně Podlaha nad venkovním prostorem Strop pod nevytápěnou půdou se střechou bez tepelnéizolace Podlaha a stěna s vytápěním Stěna venkovní Střecha strmá se sklonem nad 45 lehká těžká lehká těžká [W/(m 2 K)] 0,24 0,30 0,30 0,38 [W/(m 2 K)] 0,16 0,20 0,20 0,25 Podlaha a stěna přilehlá k zemině (s výjimkou podle poznámky 2) Strop a stěna vnitřní z vytápěného k nevytápěnému prostoru 0,60 0,40 Strop a stěna vnitřní zvytápěného k částečně vytápěnému prostoru 0,75 0,50 Stěna mezi sousedními budovami Strop mezi prostory srozdílem teplot do 10 C včetně 1,05 0,70 Stěna mezi prostory srozdílem teplot do 10 C včetně 1,30 0,90 Strop vnitřní mezi prostory s rozdílem teplot do 5 C včetně 2,2 1,45 Stěna vnitřní mezi prostory s rozdílem teplot do 5 C včetně 2,7 1,80 Okno a jiná výplň otvoru podle 4.6, z vytápěného prostoru (včetně rámu, který má nejvýše 2,0 W/(m 2.K)) nová upravená 1,80 2,0 1,20 1,35 Dveře, vrata a jiná výplň otvoru podle 4.6, z částečně vytápěného nebo nevytápěného prostoru vytápěné budovy (včetně rámu) 3,5 2,3 Roční potřeba tepla na vytápění Přibližná metoda: 6 ( θ θ ) Qrvyt, = V0 qt ipr, epr, 24 n 10 V 0. obestavěný prostor (m 3 ) q t... tepelná charakteristika budovy (W.m -3.K -1 ) θ i,pr průměrná teplota vnitřního vzduchu (18-20 C) θ e,pr průměrná teplota venkovního vzduchu v otopném období ( C) n počet dní otopného období (-) 20
Roční potřeba tepla na vytápění Přesnější výpočet: ( is epr, ) Denostupňová metoda Q vyt tepelná ztráta budovy (W) ε... opravný součinitel nesoučasnosti (-) θ is střednívnitřní teplota (18-20 C) Qrvyt, = 24 ε Qvyt d θ θ θ e,pr průměrná venkovní teplota v otopném období ( C) θ e výpočtovávenkovní teplota ( C) D počet denostupňů d počet dnů topného období ( θ θ ) is e ( is epr, ) D= d θ θ Potřeba tepla na ohřev vody Teplota vody standardně 55 C, v místech odběru 45-60 C (možnost kolísání v době odběrových špiček) Teplota vody v zásobníku běžně 60 C Potřeba tepla na přípravu TUV je dána součtem skutečné potřeby a tepelných ztrát (zásobník, rozvody). TUVr, TUVd, TUVd, ( 55 θcws, ) ( ) ( ) 55 θcww, Q = Q d+ 0,8 Q 350 d Q TUV,d denní potřeba tepla na ohřev TUV (Wh.den -1 ) θ... teplota studené vody v zimě a létě ( C) 21
Potřeba teplé vody V 2p Potřeba tepla na ohřev vody Součet potřeby vody na mytí osob, mytí nádobí, úklid. ( ) E = cv θ θ 2t 2p hw cw E 2t teoretické teplo potřebné na ohřev daného množství vody V 2p v určitém čase (kwh) E 2p teplo potřebné na ohřev daného množství vody V2p v určitém čase (kwh) E = (1 + z) E 2p 2t Operativní vs. bilanční hodnocení Odráží skutečný provoz budovy, užitečné pro optimalizaci provozu. Reálná spotřeba energie budovy: přesné změření závisí na druhu paliva a jeho případné využitelnosti i pro další zařízení. Nepřesnosti výpočtu proti realitě jsou způsobeny: -odlišnými teplotními podmínkami uvnitř a vně budovy (větrání až 150%) -reálnými vlastnostmi použitých materiálů v průběhu životnosti (5-40%) -chováním uživatelů (5-20%) 22