02 Výpočet potřeby tepla a paliva Roman Vavřička ČVUT v Praze, Fakulta strojní Ústav techniky prostředí 1/29 http://utp.fs.cvut.cz Roman.Vavricka@fs.cvut.cz kde t d tis tes Q, 24 3600 e e e t VYT teor c i t d is ev Q VYT,teor teoretická potřeba tepla na vytápění [J], Φ c celková tepelná ztráta objektu [W], d počet dnů otopného období [dny], t is průměrná vnitřní teplota objektu [ C], t es průměrná venkovní teplota za otopné období [ C], t ev oblastní venkovní výpočtová teplota [ C], e i opravný součinitel vyjadřující vliv nesoučasnosti přirážek (ČSN 06 0210), nebo na nesoučasnost tepelné ztráty větráním a prostupem (ČSN EN 12 831)[-], e t opravný součinitel na snížení vnitřní teploty při přerušení vytápění [-], e d opravný součinitel na zkrácení doby provozu otopné soustavy při přerušovaném vytápění [-]. 2/29 1
Začátek otopného období je za předpokladu, že venkovní průměrná denní teplota klesne 2 dny po sobě pod +13 C a následující dekádu je předpoklad, že průměrná denní teplota bude opět nižší než +13 C. Konec otopného období je definován naopak (tj. 2 dny po sobě => nad +13 C a následující dekáda také). 3/29 Vypočet dle váženého průměru objemů jednotlivých místností! kde t is průměrná vnitřní teplota objektu [ C] V i objem i-té místnosti [m 3 ] t i vnitřní teplota i-té místnosti [ C] t is n i 1 n V t i 1 i V i i 4/29 2
Opravný součinitel vyjadřující vliv nesoučasnosti přirážek pro výpočet tepelných ztrát objektu e i [-] e i Q Q p c kde Q P Q c základní tepelná ztráta prostupem [W] celková tepelná ztráta objektu [W] Obvykle je e i = od 0,6 (rodinné domy) do 0,9 (bytové domy, školy). 5/29 Opravné součinitele při přerušení vytápění e t a e d e t t d t t d i, snížená es t ed is es e t - opravný součinitel na snížení vnitřní teploty nemocnice => e t = 1,0 obytné budovy s nepřerušovaným vytápěním => e t = 0,95 obytné budovy s nočním přerušením vytápění => e t = 0,9 správní budovy => e t = od 0,65 (využití budovy 6 h/den) až 0,90 (využití budovy 16 h/den) školy => e t = od 0,80 (s polodenním vyučováním) do 0,85 (s celodenním vyučováním) e d - opravný součinitel na zkrácení doby provozu otopné soustavy školy e d = 0,7; budovy s dvoudenním klidem e d = 0,8; budovy s jednodenním klidem e d = 0,9; trvale vytápěné budovy e d = 1,0 6/29 3
Skutečná potřeba tepla na vytápění Q VYT Qteor, VYT R o k kde: η R účinnost rozvodu tepelné energie [-] Zahrnuje kvalitu tepelné izolace rozvodů tepla a způsob rozvodu potrubní sítě (nevytápěné prostory, apod.), bývá v rozmezí od 0,95 do 0,98. η o účinnost obsluhy (resp. regulace) [-] Zahrnuje způsob regulace objektu (zónová, ekvitermní, zátěžová, atd.), obvykle v rozmezí od 0,9 (kotle na tuhá paliva) do 0,99 (plynový kotel + objekt rozdělen na zóny) 7/29 η k účinnost zdroje tepla (kotle) [-] η k účinnost zdroje tepla (kotle) [-] Kotle na tuhá paliva η k = od 0,68 do 0,77 (Dřevo zplyňující kotle η k = cca 0,88) Kotle na kapalná a plynná paliva η k = od 0,83 do 0,96 Elektrokotle η k = od 0,95 do 0,98 8/29 4
η k účinnost zdroje tepla [-] Tepelná čerpadla COP vs. SPF 9/29 η k účinnost zdroje tepla [-] Tepelná čerpadla COP vs. SPF Sezónní účinnost vytápění tepelného čerpadla!!! Pouze pro potřeby energetického štítku TČ!!! SPF s 100 F 25, kde SPF sezónní topný faktor (s teplotním krokem 1 K) [-], F i korekce účinnosti zohledňující záporné příspěvky soupravy TČ, regulátoru teploty a případného solárního zařízení (bez solárního zařízení F = 3 %, se solárním zařízením F = 3 % + 5 % = 8 %) [%]. 10/29 5
η k účinnost zdroje tepla [-] Tepelná čerpadla COP vs. SPF zjednodušená metoda!!! *Průměrné měsíční t w Měsíc Počet dnů venkovní teploty v ČR [ C] 35 C 45 C 55 C září 30 12,5 5,38 4,52 3,36 říjen 31 7,4 4,90 3,68 2,76 listopad 30 2,4 3,88 3,12 2,47 prosinec 31-1 3,32 2,64 2,28 leden 31-7,1 2,60 2,20 1,88 únor 28-1,2 3,30 2,62 2,24 březen 31 2,6 3,91 3,13 2,50 duben 30 7,3 4,90 3,67 2,75 květen 31 12,4 5,38 4,52 3,35 11/29 SPF 4,18 3,35 2,62 η s 164,12 130,91 101,91 Potřeba tepla pro přípravu TV TV, den 1 Q z c V t t 2 1, léto Qteor, TV QTV, den d 08, QTV, den N d t2 t1, zima TV t t 2 1 V 2P potřeba teplé vody[m 3 /os den] (rodinný dům 30 až 40 l/os den, kancelářská budova 5 až 10 l/os den), t 1 průměrná roční teplota přiváděné studené vody [t 1 = 10 C], t 2 teplota ohřáté vody [t 2 = 55 C], z poměrný koeficient (u průtočného ohřevu je z = 0, jinak je závislý na celkové délce rozvodů TV a stavu tepelné izolace, z = 0,3 až 1). t 1,léto teplota studené vody v létě [t 1,léto = 15 C], t 2,léto teplota studené vody v zimě [t 1,zima = 5 C], N počet pracovních dní soustavy [např. rodinný dům N = 365 dní]. 12/29 6
Potřeba tepla pro přípravu TV 2 1, léto Qteor, TV QTV, den d 08, QTV, den N d t2 t1, zima d počet dnů otopného období [den], N počet pracovních dní soustavy TV (obvykle 365) [den] t 1,léto teplota studené vody v létě (15 C) [ C], t 1, zima teplota studené vody v zimě (5 C) [ C], t t Q Q, 2p,r 2p 349 5 349,5 dne??? 25 % snížení potřeby TV v Červenci a Srpnu (tj. 62 dní) Př.: V TV = 120 l/den, 235 dní, z = 20 % 2 400 kwh/rok 2 630 kwh/rok (+9,5 %) 13/29 Potřeba paliva na VYT + TV kde H u U VYT TV Q VYT výhřevnost paliva [MJ/m 3 ; MJ/kg] ( Q ) H u TV Zemní plyn (tranzitní) H u = 35,87 MJ/m 3 Zemní plyn (norský) H u = 39,65 MJ/m 3 Bioplyn H u 17,00 MJ/m 3 Dřevní štěpka H u 12,00 MJ/kg Palivové dřevo H u 14,50 MJ/kg Hnědé uhlí (tříděné Most) H u = 17,18 MJ/kg Černé uhlí (energetické Ostrava) H u = 29,32 MJ/kg 14/29 7
Křivka trvání venkovních teplot te te, počáteční ( tev te, počáteční ) 1 0, 626 0, 985 d d počet dnů otopné období t e,počáteční 15/29 Reálný průběh venkovní teploty t e 16/29 8
Vnitřní tepelné zisky Obytné domy TNI 73 0329 a TNI 73 0330: Bytové domy - nejmenší plocha na osobu je 15 m 2. Rodinné domy - nejmenší plocha na osobu je 20 m 2. Přítomnost osob je 70 % doby v roce => f = 0,7. Domácí spotřebiče a umělé osvětlení => Φ s,o = 100 W/osobu. Na každou bytovou jednotku (RD je bytová jednotka) bez ohledu na přítomnost osob => Φ s,p = 100 W/bytovou jednotku. Příklad 1-6 bytů => celková plocha vytápěné části => 510 m 2, 4 osoby na byt Příklad 2 RD => celková plocha vytápěné části => 153 m 2, 4 osoby 17/29 zisk, vnitřní s, o f s, p 6 4100 0, 7 6100 2 280 W 4, 47 W / m zisk, vnitřní s, o f s, p 4100 0, 7 100 380 W 2, 48 W / m 2 2 Vnější tepelné zisky TNI 73 0329:2010,, F A I F sol sh sol sol r i r i Měsíc Počet dnů n [den] Střední teplota t ep [ C] Celkové solární záření za měsíc I sol,j [kwh/m2] Sever Jih Východ Západ Horizont SZ JZ SV JV Leden 31-1 7 50 15 20 23 12 44 12 37 Únor 28 1 13 56 26 28 40 20 51 20 47 Březen 31 4 23 82 51 53 79 37 76 36 73 Duben 30 9 32 95 74 72 118 49 86 51 92 Květen 31 14,6 47 97 104 93 161 73 98 79 109 Červen 30 17 52 87 115 88 166 73 88 91 108 Červenec 31 18,2 47 93 100 93 162 75 97 78 103 Srpen 31 18,8 38 100 88 88 143 63 100 64 101 Září 30 13,8 24 95 60 64 96 40 86 38 82 Říjen 31 9,4 17 75 34 48 57 25 71 21 51 Listopad 30 4 9 36 14 18 24 11 32 10 25 Prosinec 31-0,5 6 29 11 12 17 9 26 9 23 18/29 9
Vnější tepelné zisky průhledné prvky,, F A I F sol sh sol sol r i r i 19/29 Parametry k výpočtu účinné solární sběrné ploše zasklených prvků A sol Celková Celková Korekce pro propustnost Podíl plochy Korekční činitel stínění propustnost nerozptyl. průhlednými rámu zasklení zasklení prvky F sh,gl g n F w g gl F F [-] [-] [-] [-] [-] Dle projektu zastínění vnější a vnitřní (typická hodnota např. 0,7) A F g ( 1 F ) A Další tabulka sol sh, gl gl f w, pohledová Hodnota daná normou: 0,9 F w g n Dle projektu (např. 0,3) Celková propustnost zasklení g n [-] Jednoduchá zasklení 0,85 Dvojsklo 0,75 Dvojsklo se selektivním nízkoemisním povrchem 0,67 Trojsklo 0,7 Trojsklo se selektivním nízkoemisním povrchem 0,5 Zdvojené okno 0,75 Vnější tepelné zisky neprůhledné prvky,, F A I F sol sh sol sol r i r i A R U A sol s, c se c c, pohledová Parametry k výpočtu účinné solární sběrné ploše neprůhledných prvků A sol Pohltivost slunečního Tepelný odpor Součinitel prostupu tepla záření neprůhledných přestupu tepla na neprůhledných částí prvků vnějším povrchu α S,c R se U c [-] [m 2.K -1.W -1 ] [W.m -2.K -1 ] Dle projektu (např. 0,6) 0,04 Dle projektu 20/29 Sálání vůči obloze: R U A h t r s, e c c, pohledová r e, r F r = 1 nestíněná horizontální plocha F r = 0,5 nestíněná vertikální plocha h r = 5 W/m 2 K odpovídá průměrné teplotě 10 C Δt e,r = 11 K pro mírné teplotní pásmo 10
Vnější tepelné zisky výpočet,, F A I F sol sh sol sol r i r i Korekce stínění na externí překážky F sh Faktor osálání mezi stavebním prvkem a oblohou Horizontální F r,i [-] [-] Vertikální 1 1 0,5 21/29 Vnější tepelné zisky - výpočet,, F A I F sol sh sol sol r i r i Vnější tepelné zisky Počet Počet Průsvitné konstrukce Neprůsvitné konstrukce dnů hod Měsíc S J V Z Střecha S J V Z Střecha n n hod Q sol [den] [hod] [kwh] Leden 31 744 Únor 28 672 Březen 31 744 Duben 30 720 Květen 31 744 Červen 30 720 Červenec 31 744 Srpen 31 744 Září 30 720 Říjen 31 744 Listopad 30 720 Prosinec 31 744 22/29 11
VYPOČTENO DLE ČSN EN 12 831 VYPOČTENO DLE ČSN EN 12 831 28.03.2017 Potřeba tepla celková tabulka pro výpočet Měsíc Počet dnů Počet hod Střední venkovní teplota Měrný tepelný tok prostupem celé budovy Měrný tepelný Potřeba tepla tok větráním prostupem celé budovy Potřeba tepla větráním Celková potřeba tepla Vnitřní tepelné zisky Solární tepelné zisky Celkové tepelné zisky Bilanční poměr pro režim vytápění Faktor využitelnosti tep. zisků pro vytápění Redukční faktor na přerušené vytápění n nhod tep HT QH,tr HV QH,ve QH,ht QH,int QH,sol QH,gn γh ηh,gn ah,red QH,nd [den] [hod] [ C] [W.K -1 ] [kwh] [W.K -1 ] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [-] [-] [-] [kwh] Leden 31 744-1 Únor 28 672 1 Březen 31 744 4 Duben 30 720 9 Květen 31 744 14,6 Červen 30 720 17 Červenec 31 744 18,2 Srpen 31 744 18,8 Září 30 720 13,8 Říjen 31 744 9,4 Listopad 30 720 4 Prosinec 31 744-0,5 Q a Q Q H, nd H, red H, ht H, gn H, gn Potřeba tepla 23/29 Potřeba tepla využitelnost tepelných zisků - výpočet Vnitřní tepelná kapacita budovy Časová konstanta budovy Referenční časová konstanta Bezrozměrný číselný parametr závislý na časových konstantách budovy Cm τ τh,0 ah,0 ah [J/K] [h] [h] [-] Tabulka níže Cm 3600 H H T V 15 (měsíční metoda) 1,0 (měsíční metoda) a H a H, 0 H, 0 Třída budovy Velmi lehká Lehká Stření Těžká Velmi těžká Vnitřní tepelná kapacita budovy Cm [J/K] (měsíční metoda) 80 000 Podlahová plocha vytápěné zóny 110 000 Podlahová plocha vytápěné zóny 165 000 Podlahová plocha vytápěné zóny 260 000 Podlahová plocha vytápěné zóny 370 000 Podlahová plocha vytápěné zóny 24/29 12
Potřeba tepla využitelnost tepelných zisků - výpočet Když γ H > 0 a γ H 0 Když γ H =1 Když γ H < 0 ah 1H H, gn ah 1 1 H H, gn ah a 1 H 1 H, gn H Celkové tepelné zisky Q H Celková potřeba tepla Q H, gn H, ht 25/29 Potřeba tepla redukční faktor na přerušované vytápění výpočet a H, red H, 0 provozu dprovozu 1 3 H 1 247 τ provozu d provozu počet hodin v týdnu s požadovanou teplotou pro vytápění, počet dnů v týdnu s požadovanou teplotou pro vytápění, Pozn.: Konstanta 3 je empirický korekční činitel b H,red Pro nepřerušované vytápění např. rodinný dům, nemocnice, atd. je a H,red = 1 Ale např. škola 5 dní v týdnu, 10 hodin denně => provozu dprovozu 10 5 03, 247 247 26/29 13
VYPOČTENO DLE ČSN EN 12 831 VYPOČTENO DLE ČSN EN 12 831 28.03.2017 Potřeba tepla celková tabulka pro výpočet Měsíc Počet dnů Počet hod Střední venkovní teplota Měrný tepelný tok prostupem celé budovy Měrný tepelný Potřeba tepla tok větráním prostupem celé budovy Potřeba tepla větráním Celková potřeba tepla Vnitřní tepelné zisky Solární tepelné zisky Tepelné zisky celkem Bilanční poměr pro režim vytápění Faktor využitelnosti tep. zisků pro vytápění Redukční faktor na přerušené vytápění n nhod tep HT QH,tr HV QH,ve QH,ht QH,int QH,sol QH,gn γh ηh,gn ah,red QH,nd [den] [hod] [ C] [W.K -1 ] [kwh] [W.K -1 ] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [kwh] [-] [-] [-] [kwh] Leden 31 744-1 Únor 28 672 1 Březen 31 744 4 Duben 30 720 9 Květen 31 744 14,6 Červen 30 720 17 Červenec 31 744 18,2 Srpen 31 744 18,8 Září 30 720 13,8 Říjen 31 744 9,4 Listopad 30 720 4 Prosinec 31 744-0,5 Q a Q Q H, nd H, red H, ht H, gn H, gn Potřeba tepla 27/29 ZHODNOCENÍ Výsledky modelu bytový dům 180 bytů, přirozené větrání, upravený model intenzity větrání dle reálné venkovní teploty vzduchu: Potřeba energie na vytápění [GJ] Odchylky [%] Měsíc ČSN EN ISO Denostupňová ČSN EN ISO Denostupňová Naměřená 13 790 metoda 13 790 metoda Leden 428 654 895 153% 209% Únor 360 519 763 144% 212% Březen 315 380 685 121% 217% Duben 158 163 484 103% 306% Květen 90 28 281 31% 312% Červen 0 0 0 0% 0% Červenec 0 0 0 0% 0% Srpen 0 0 0 0% 0% Září 68 34 264 50% 388% Říjen 135 204 491 151% 364% Listopad 315 433 683 137% 217% Prosinec 383 579 819 151% 214% 28/29 14
DĚKUJI ZA POZORNOST http://utp.fs.cvut.cz Roman.Vavricka@fs.cvut.cz 29/29 15