ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Stavební tepelná technika 1 Část A Prof.Ing.Jan Tywoniak,CSc. Praha 2011 04/11/2011 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti součásti stavební fyziky stavební akustika, osvětlení, (požární bezpečnost) stavební tepelná technika tepelná technika tepelná ochrana budov thermal performance of buildings and building components (CEN) thermal protection of buildings building physics STT1 Tywoniak 2011 2 1
Cíle stavební tepelné techniky Příspěvek ke kvalitě vnitřního prostředí v budovách Příspěvek k úsporám energie v souvislosti s provozem budov (vytápění, chlazení) Příspěvek k zajištění odpovídající životnosti stavebních konstrukcí a jejich styků Hodnocení (podle měřítka): stavební konstrukce a jejich detaily místnosti a další prostory Budovy a jejich části STT1 Tywoniak 2011 3 Budovy jsou součástí problému změny klimatu, ale mohou být také součástí jeho řešení, pokud budou splňovat vyšší standard z hlediska environmentální udržitelnosti. Eliot Spitzer, Governor NY STT1 Tywoniak 2011 4 2
Přirozená řešení (přírodní, tradiční) velká inspirace STT1 Tywoniak 2011 5 EPBD (recast) 2010 Směrnice EU Příliš obecné o to větší úloha národní implementace Výpočty v hodnotách primární energie "nearly Směrnice zero-energy o podpoře energie building" z OZE Směrnice o ekodesignu means a building that has a very 2021 (2019) všechny nové budovy jako high energy performance energeticky nulové nebo blízké nulovým (near-tozero) 2013 kontrola požadavků na budovy: cost- optimum (?) STT1 Tywoniak 2011 6 3
kwh/(m 2 a) STT1 Tywoniak 2011 7 energetické služby STT1 Tywoniak 2011 8 4
Úroveň pasivního domu RD Byt (menší bytový dům) počet osob 4 4 celková plocha 150 m 2 100 m 2 potřeba tepla na 150 x 20 x 35 % 100 x 15 x 22 % vytápění 1/0,9 = 3,3 1/0,9 = potřeba tepla na TV Proporce energet.služeb - bydlení MWh 550 x 4 x 1/0,9 = 2,4 MWh 1,7 MWh 26 % 550 x 4 x 1/0,9 = 2,4 MWh 31 % pomocná 0,4 MWh 4 % 0,4 MWh 5 % el.energie uživatelská 3,2 MWh 34 % 3,2 MWh 42 % el.energie celkem 9,3 MWh 100 % 7,7 MWh 100 % STT1 Tywoniak 2011 9 Zero-Energy Building vytápění (+chlazení + ) teplá voda pomocná elektrická energie uživatelská elektrická energie primární energie FV produkce, další produkce OZE STT1 Tywoniak 2011 10 5
Změna proporcí energetických potřeb elektro teplá voda vytápění teplá voda obvyklé řešení pasivní dům STT1 Tywoniak 2011 11 Primární energie elektro solár dřevo Faktor energetické přeměny elektrická energie 3,0 dřevo 0,05 solární termický systém 0,05 peletky 0,15 fotovoltaika 0,20 STT1 Tywoniak 2011 12 6
Základní technická norma ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov Část 1 Názvosloví Část 2 Požadavky 2002, 2007, nové znění (listopad 2011)! Požadované a doporučené hodnoty Informativní hodnoty do budoucna Příloha A Pokyny pro navrhování Část 3 Veličiny a hodnoty Část 4 Výpočtové metody Dále: soubor asi 60 ČSN (EN ISO).. STT1 Tywoniak 2011 13 Fyzikální realita Model děje (naše vnímání a znalosti) Matematické vyjádření zjednodušení Provedení výpočtu s korektními daty Získání výsledku a jeho interpretace Zatřídění: podle normy a jiných předpisů (problém: boj o dotační peníze) 04/11/2011 STT1 Tywoniak 2011 14 7
šíření tepla 1 2 STT1 Tywoniak 2011 15 šíření tepla vedením (kondukce, conduction) prouděním (konvekce, convection) sáláním (radiace, radiation) Klíčová otázka: druh prostředí? STT1 Tywoniak 2011 16 8
proudění v kapalinách a plynech ve vnějším prostředí v interiérech budov při površích konstrukcí proudění přirozené a nucené přestup tepla mezní vrstva (hraniční) boundary layer, Grenzschicht STT1 Tywoniak 2011 17 Rovnice vedení tepla (Fourierovy rovnice) q = -λ. grad θ 2 θ θ = a. + 2 t x a = λ cρ 2 θ + 2 y 2 θ 2 z STT1 Tywoniak 2011 18 9
sálání přenos eletromagnetických vln 760-3000 nm (infračervená oblast) přestup tepla povrch - obklopující prostředí vliv sálání: lze jen obtížně vyjádřit pro libovol.místo -> analogie s prouděním Q 1,2 = h r. S 1 (θ 1 θ 2 )... θ s, θ a h = h c + h r STT1 Tywoniak 2011 19 R S = h c 1 + h r h r = ε. h r0 emisivita povrchu h r0 = 4. σ.t m 3 sálání černého tělesa σ = 5,67. 10-8 Stefanova-Boltzmannova k. h c = h ci 2,5 5,0 0,7 W/(m 2 K) h c = h ce h ce = 4 + 4.v STT1 Tywoniak 2011 20 10
odpor při přestupu tepla - normové hodnoty podle směru tepelného toku podle účelu výpočtu (tepelné toky,povrchové teploty) podle polohy v místnosti, podmínek proudění atd.... --------------------------------------------------------- R si, R se [m 2 K/W] pro směr tepelného toku nahoru vodorovně dolů int. 0,10 0,13 0,17 ext. 0,04 0,04 0,04! vzduch.vrstvy (dvoupl.konstrukce) odlišně! STT1 Tywoniak 2011 21 prostup tepla θ i q si = q = q se θ si q se = h se (θ se - θ e ) q si = h si (θ i - θ si) θ se θ e q = θ si d λ θ se STT1 Tywoniak 2011 22 11
θ i q = θ R si si + θ R x x = θ i R T θ e θ si θ x = R x θ x θ se θ e R si R 1 R 2 R se R T STT1 Tywoniak 2011 23 Thermal resistance surface to surface R tepelný odpor air to air R T, R TOT odpor při prostupu tepla STT1 Tywoniak 2011 24 12
R T = R si + R 1 + R 2 + R 3 + + R se přestup prostup přestup proudění, sálání vedení proudění, sálání R = Σ R i U = 1/R T Q = A. U. θ STT1 Tywoniak 2011 25 základní vlastnosti materiálů tepelná vodivost (součinitel tepelné vodivosti) λ W/(mK) ρ kg/m 3 c J/(kg.K) STT1 Tywoniak 2011 26 13
10 1 10 0 tepelná vodivost 10-1 10-2 hustota STT1 Tywoniak 2011 27 STT1 Tywoniak 2011 28 14
tepelná vodivost [W/(m.K)] schopnost homogenního izotropického materiálu vést teplo izotropie? (dřevo, vláknité materiály) vliv vlhkosti (výrazný nárůst) vliv teploty (nárůst) vliv zabudování (stlačení, sedání)!!! STT1 Tywoniak 2011 29 orientační hodnoty tepelné vodivosti hliník ocel antikor.ocel žel.beton plná cihla EPS, XPS min.vlákna vakuové izol. 200 W/(m.K) 50 15 1,7 0,8 0,040.. 0,03?. 0,040... 0,00x??? STT1 Tywoniak 2011 30 15
druh publikovaných hodnot hodnoty deklarované hodnoty návrhové (výpočtové) katalogy, výrobci (tendenční chování!) normy (skupiny výrobků)! rezerva ve vlastnostech při praktickém návrhu STT1 Tywoniak 2011 31 nestejnorodé vrstvy STT1 Tywoniak 2011 32 16
kotevní prvky Nejen problém kotev, ale i okolí. a STT1 Tywoniak 2011 33 Výpočet U a korekce všechny nehomogenity (tep.mosty v konstrukcích) mají být zahrnuty ve výsledku! vzduchové mezery v izol.vrstvách mechanické kotvy skrz izolaci srážková voda v obrácených střechách U c = U + U 1 + U 2 + U 3 +...! čím méně toho zpracovatel ví, tím má lepší výsledky???! STT1 Tywoniak 2011 34 17
Úroveň 0 Narušení celistvosti podle ČSN EN ISO 6946 STT1 Tywoniak 2011 35 úroveň 1 Narušení celistvosti podle ČSN EN ISO 6946 úroveň 2 STT1 Tywoniak 2011 36 18
vliv mechanického kotvení a) podrobně z trojrozměrného vedení tepla U f = α. λ ks/m2 x W/K/ks b) zjednodušení (ne pro kovové kotvy!) f n f A α= 6 mezi plášti vrstveného zdiva pokud tep.vodivost kotvy < 1,0 W/(mK), žádná korekce! f STT1 Tywoniak 2011 37 úprava α= 0,8 (kotvení v celé výšce vrstvy) STT1 Tywoniak 2011 38 19
vliv vody v obrácené střeše (voda na rozhraní hydroizolace a XPS) R 1 tepelný odpor vrstvy nad hydroizolací p střední množství srážek v mm/den (f.x) pro jednoduché případy = 0,04, podrobněji v EN ISO 6946 STT1 Tywoniak 2011 39 vystupující části Pokud λ < 2,5 W/(m.K) žádná úprava Jinak: jednotná tlouštka vrstvy, s upravenou hodnotou Rsp: λ Platí pro vnitřní i vnější povrchy λ STT1 Tywoniak 2011 40 20
Historie požadavků U stěna střecha okno 1949 1,45 1,16 1962 1,45 0,9 2,9 1979 0,9 0,51 2,9 1992 0,46 0,32 2,9 2002 0,38 (0,46) 0,30* 0,30 0,24* 1,8 2005 1,7 STT1 Tywoniak 2011 41 vlastnosti neprůsv.konstrukcí U [W/(m2K)] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1949 2002 0 20 40 60 stěna střecha STT1 Tywoniak 2011 42 21
Aktuálně Obvodová stěna Šikmá střecha > 45 střecha < 45 strop nad exteriérem U N,20 [W/(m 2 K)] Požadované Doporučené Cílové 0,30 (0,38) masivní: 0,25 lehké: 0,20 0,18 0,12 0,30 0,20 0,18 0,12 0,24 0,16 0,15 0,10 0,24 0,16 0,15 0,10 strop pod nevytápěným půdním prostorem 0,30 0,20 0,15 0,10 Okno a dveře z vytápěného prostoru do exterieru Podlaha na zemině 1,5 (1,7) 1,2 0,8 0,6 0,45 0,30 0,22 až 0,15 STT1 Tywoniak 2011 43 STT1 Tywoniak 2011 44 22
započítání vrstev do tepelného odporu v chráněné expozici: pouze vnitřní plášť dvoupl.konstrukce po hydroizolaci výjimka: obvodové izolace pod suterénních stěn a tep.izolace pod základ.deskou (izol.materiál trvale odvolávající účinkům vlhkosti). výjimka: obrácené střechy! XPS možno vynechat tenké vrstvy (folie, parozábrany apod.! Pozor mohou být podstatné pro vlhkostní výpočty! Konstrukce v kontaktu se zeminou: Rse = 0 STT1 Tywoniak 2011 45 vzduchové vrstvy konstrukce jednoplášťové a dvouplášťové nevětraná vrstva R podle tabulky, nebo podrobněji výpočtem podle směru tep.toku nahoru, vodor. dolů do 300 mm jednotlivé malé otvory možné slabě větraná 0,5. R! (max. 0,15)! silně větraná R -> 0, R se = R si STT1 Tywoniak 2011 46 23
max. 1/10 jednoho z obou dalších rozměrů ε min. 0,8 (běžné stavební materiály, ne skla) STT1 Tywoniak 2011 47 STT1 Tywoniak 2011 48 24
STT1 Tywoniak 2011 49 STT1 Tywoniak 2011 50 25
izolační vrstvy s proměnlivou výškou Ro celkový odpor spodní části R2 nejvyšší tepelný odpor proměnlivé části STT1 Tywoniak 2011 51 pro větší sklony než 5! STT1 Tywoniak 2011 52 26
STT1 Tywoniak 2011 53 Průměrná hodnota součinitele prostupu tepla - U em střední (průměrná) hodnota U em nejjednodušší vyjádření vlastností budovy jako celku (charakterizuje obálku budovy) Dosud: požadavek U em < 0,30 + 0,15/(A/V) dosud Nově: viz dále!! Výpočet s vlivem tepelných vazeb mezi konstrukcemi doporučení: 2/3 požadavku nezávislé na druhu budovy 04/11/2011 STT1 Tywoniak 2011 54 27
Průměrná hodnota součinitele prostupu tepla - U em Metoda referenční budovy pro nastavení požadavku Každá budova vlastní požadavek! Podíl prosklení do 50 %: všechny konstrukce U N (požadované) z toho Uem,N Prosklení > 50 %: odpovídající plocha nad 50 %: dosadí se zde hodnota pro neprůsvitný plášť - z toho Uem,N Vliv tepelných vazeb: paušálně konstantou 04/11/2011 Referenční budova je virtuální budova stejných rozměrů a stejného prostorového uspořádání jako budova hodnocená, shodného účelu a shodného umístění, na jejíchž všech plochách obálky budovy jsou použity konstrukce se součiniteli prostupu tepla právě odpovídajícími příslušné normové požadované hodnotě. Pokud součet průsvitných ploch tvoří více než 50 % plochy teplosměnnéčásti obvodových stěn budovy (neprůsvitných i průsvitných, přilehlých k venkovnímu prostředí), započte se na 50% plochy teplosměnné části obvodových stěn budovy odpovídající požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla výplní otvorů a ve zbytku se uvažuje požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla neprůsvitného obvodového pláště. STT1 Tywoniak 2011 56 28
U em,n,20 = Σ (U N,j A i b j )/ Σ A j + 0,02 U N,j je odpovídající normová požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla j-té teplosměnné konstrukce A j plocha j-té teplosměnné konstrukce stanovená z vnějších rozměrů; teplotní redukční činitel odpovídající j-té konstrukci b j STT1 Tywoniak 2011 57 Požadované hodnoty průměrného součinitele prostupu tepla U em,n,20 [W/(m 2 K)] Nové obytné budovy Ostatní budovy 04/11/2011 Výsledek výpočtu podle, nejvýše však 0,50 Výsledek výpočtu podle 5.3.4, nejvýše však hodnota: Pro objemový faktor tvaru: A/V < 0,2 U em, N,20 =1,05 A/V > 1,0 U em, N,20 =0,45 Pro ostatní hodnoty A/V U em, N,20 = 0,30+0,15/(A/V). STT1 Tywoniak 2011 58 29
Energetická bilance budovy H s H D Základní schéma energetické toky STT1 Tywoniak 2011 59? H s H D? STT1 Tywoniak 2011 60 30
rozměry: vnější, celkové vnitřní, vnitřní obvodové konstrukce: vnější rozměry Podlahové plochy: celkové vnitřní rozměry STT1 Tywoniak 2011 61 Q L = H. (θ i θ e ). t Q L celková tepelná ztráta běhemčasového úseku [J] H měrná tepelná ztráta budovy [W/K] H = H T + H V (transmission, ventilation) H T = H D + H g + H U.. + H A Tepelná propustnost obvodovým pláštěm Ustálená tep.propustnost přes zeminu Měrná ztráta prostupem tepla přes nevytápěné prostory STT1 Tywoniak 2011 62 Měrná ztráta prostupem tepla přes sousední bud. 31
H D = Σ U. A + Σ ψ. l + Σ χ H V = V. ρ. c a tepelná propustnost zeminoučsn EN ISO 13370 (nebo zjednodušeně) nevytápěnými ČSN EN ISO 13789 (nebo zjednodušeně) STT1 Tywoniak 2011 63 STT1 Tywoniak 2011 64 32
Q s (1-η)Q g 1 2 Q m η r Q V Q g primární Q Q r Q oa energie na vstupu Q hs 3 Q i vytápění TV 4 Q h η Q g Q V Q T Q ww ztráty Q l STT1 Tywoniak 2011 65 B RE-H RE-E Sys L+ SHS THT IHS (incl. HR sys->b) VHT NH HR-Sys-L Sys-HL Electr Gas or oil or coal or... heating STT1 Tywoniak 2011 66 33
HRV_B RE-H RE-E THT VHT SHS B Sys NC L- IHS CR-Sys-L Sys-CL Sys-HL Gas or oil or coal or... Electr cooling EXP-RE-E STT1 Tywoniak 2011 67 Bilanci lze sestavit pro krátký nebo dlouhý časový úsek odlišná využitelnost (proměňujících se) tep.zisků Smluvní předpoklady výpočtu: Klimatická data Obsazenost budovy, chování uživatelů! 04/11/2011 STT1 Tywoniak 2011 68 34
Systém výpočtového hodnocení Model podle ČSN ISO 13790 časový úsek výpočtu: sezonní výpočet (pevná délka, celý rok), měsíční (12) klimatická data podle lokality referenční jednozónový model, vícezónový model (propojený, nepropojený) STT1 Tywoniak 2011 69 10 000 9 000 Měsíční potřeba tepla [MJ] 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0 Využitelné tepelné zisky Potřeba tepla na vytápění 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 STT1 Tywoniak 2011 70 35
složitější budovy komplexnější výpočet v budoucnu propojení energetických toků, odlišné účinnosti a odlišná media jemný krok výpočtu (hodinový), měsíční, roční ruční výpočet prakticky vyloučen profesní problém: kdo počítá tepelné ztráty? (předání dat a jejich interpretace) přerušované vytápění, tlumené (noc, víkend, prázdniny) Energetické aktivní prvky v budově (kolektory ve fasádě, fotovoltaická produkce včetně prodeje,...? validovaný software podmínka úspěchu STT1 Tywoniak 2011 71 Základní hodnocení Q + Q r = Q h + Q w + Q t + + Q potřeba energie na vytápění budovy Q r teplo zpětně získané z přídavných zařízení, z vytápěcího systému a z okolního prostředí Q h potřeba tepla na vytápění budovy Q w potřeba tepla na TV Q t celková tepelná ztráta otopné soustavy STT1 Tywoniak 2011 72 36
metoda rovnováhy tepelných toků Pro sousední nevytápěné prostory H ue H ie H iu H U = H iu. b b = H ue /(H iu H ue ) STT1 Tywoniak 2011 73 metoda rovnováhy tepelných toků Teplota v sousedním nevytápěném prostoru (s vlivem jiných zdrojů např.solárních) Φ H ue H iu? STT1 Tywoniak 2011 74 37
metoda rovnováhy tepelných toků Pro sousední budovu (nevytápěnou, vytápěnou na nižší teplotu) pomocí redukčního faktoru b H A STT1 Tywoniak 2011 75 Činitel teplotní redukce STT1 Tywoniak 2011 76 38
Problém podzemní části budovy Podlaha na terénu Zvýšená podlaha (průlezný prostor) Nevytápěný suterén Částečně/zcela vytápěný suterén Samostatná ČSN EN ISO 13370 Řeší celkový prostup tepla s vlivem okrajů půdorysu Mj. i dynamické efekty zeminy Problém podzemní části budovy STT1 Tywoniak 2011 78 39
Problém podzemní části budovy okrajové tepelné izolace horizontální, vertikální STT1 Tywoniak 2011 79 Model budovy rozdělení na zóny Jednozónový model Vícezónový model s ovlivněním zón mezi sebou (propojený) Vícezónový model bez ovlivnění zón mezi sebou (nepropojený) Rozdělení: podle pravidel EN ISO 13790 a/nebo národních podmínek (energetická legislativa) Problém: s nevytápěnými suterény, schodišti, Typický příklad vícezónové budovy: výrobní budova s navazující administrativní částí (odlišné provozní profily, odlišné prosklení, ) STT1 Tywoniak 2011 80 40
STT1 Tywoniak 2011 81 STT1 Tywoniak 2011 82 41