1/80
Ztráty sdílením a rozvodem tepla vliv otopných ploch
vliv regulace tepelné ztráty pomocná energie
2/80
Otopná soustava sdílení tepla a regulace
rozvod tepla
produkce tepla
3/80
Výpočtové postupy
ztráty sdílením tepla (EN 15316-2-1)
nestejnoměrným rozložením teploty
polohou otopných ploch
regulací vnitřní teploty
ztráty rozvodem tepla (EN 15316-2-3)
ztráty potrubí
+ pomocná energie
+ pomocná energie
ztráty produkce tepla (EN 15316-4-x)
účinnosti zdrojů, výpočet potřeby energonositelů
4/80
Ztráty sdílením tepla (emission)
5/80
Tok výpočtu pomocná energie Wem Qem,in = Qem,out – k·Wem + Qem,ls
QH (EN ISO 13790) přívod tepla Qem,in potřeba tepla QH
ztráty tepla Qem,ls nevyužité ztráty
využité ztráty
6/80
Tok výpočtu pomocná energie Wem
přívod tepla Qem,in potřeba tepla QH
nevyužité ztráty
využité ztráty
7/80
Pomocná energie na sdílení tepla
pomocnou energií je např. elektrická energie pro
ventilátory (fan-coily) – podpora sdílení tepla (proudění vzduchu)
regulační prvky (elektrické pohony) na otopných plochách
10 W
0.1 až 1 W
8/80
Tok výpočtu pomocná energie Wem
přívod tepla Qem,in potřeba tepla QH spotřeba energie nevyužité ztráty
využité ztráty
9/80
Využití ztrát tepla
ztráty Qem,ls nemusí být ztraceny
využitelnost pro vytápění je ovlivněna
poměrem zisků a ztrát zóny – činitel využití zisků
teplotou zóny
ztrátami jsou ztráty do nevytápěného prostoru nebo venkovního prostředí
10/80
Výpočet
ztráty tepla závisí na
potřebě tepla na vytápění (EN ISO 13790)
nestejnoměrném rozložení vnitřní teploty (str)
poloze otopných ploch – zabudování do konstrukce budovy směrem do venkovního prostředí/nevytápěného prostoru (emb)
regulací vnitřní (výsledné) teploty (ctr)
pomocné potřebě energie
Qem,ls = Qem,str + Qem,emb + Qem,ctr
11/80
Nestejnoměrné rozložení teploty ČSN EN ISO 13790 = konstantní rovnoměrná vnitřní teplota ČSN EN ISO 13790 = konstantní rovnoměrné U konstrukcí zvýšená teplota pod stropem / u stěny
zvýšený součinitel prostupu tepla u okna / venkovní stěny
Qem,str = S A · Uinc · (qi,inc – qe) · t
?
12/80
Nestejnoměrné rozložení teploty zvýšení vnitřní teploty Qem,str = S A · U · (qi,inc – qi) · t
zvýšení U konstrukcí Qem,str = S A · (Uinc – U) · (qi – qe) · t
13/80
Ztráty zabudované otopné plochy
prostup do venkovního prostředí, zeminy, nevytápěného prostoru
podlahové vytápění
stěnové vytápění
stropní vytápění
14/80
Ztráty vlivem regulace ČSN EN ISO 13790 = ideální regulace
změna teploty, kmitání teploty okolo nastavené vlivem
vlastností regulačního systému (druh regulátoru, nastavení konstant regulátoru)
umístění čidel
vlastností otopné soustavy (setrvačnost)
ekvivalentní zvýšení teploty prostoru
15/80
Výpočet – metoda účinností
fhydr
činitel hydraulické rovnováhy
fim
činitel přerušovaného provozu (časové omezení teploty), zpravidla = 1.0
frad
činitel účinku sálání (pouze u sálavých systémů), zpravidla = 1.0
16/80
Hydraulická rovnováha
statické hydraulické vyvážení – vyvažovací ventily dynamické hydraulické vyvážení – regulátory tlakové diference
17/80
Hydraulická rovnováha regulátor ve vratné větvi kapilára nad membránu
zvýšení tlaku ve větvi = uzavírání ventilu
udržení tlaku v nastavených mezích
18/80
Výpočet – metoda účinností
hstr hctr hemb
dílčí účinnost pro svislý teplotní profil dílčí účinnost pro regulaci teploty v místnosti dílčí účinnost pro specifické ztráty zabudovaných otopných ploch
19/80
Výpočet – metoda účinností
20/80
Druhy regulátorů
P-regulátor = proporcionální regulátor
trvalá regulační odchylka, vyjádřená pásmem proporcionality (K)
PI-regulátor = proporcionálně integrační regulátor
zesílí regulační odchylku a působí zpětně na soustavu zásahem přímo úměrným této odchylce
kombinace s integračním členem pro integraci regulačních odchylek, umožňuje se dostat přesněji na požadovanou teplotu optimalizace – autoadaptivní nastavení konstant P a I pro rychlý náběh
PID-regulátor = proporcionálně integračně derivační regulátor
derivační člen reaguje na změnu regulační odchylky (směrnice)
21/80
P regulace
22/80
PID regulace – funkce
23/80
PID regulace – nastavení konstant
24/80
PID regulace – funkce
P
I-D
25/80
Umístění otopného tělesa – vnější stěna
26/80
Umístění otopného tělesa – vnitřní stěna
27/80
Příklad
stanovte účinnost soustavy pro sdílení tepla v prostoru
otopné těleso na venkovní zdi
teplotní rozdíl 42,5 °C
P-regulátor (2 K)
hem = 0.88
28/80
Výpočet – metoda účinností
29/80
Příklad
stanovte účinnost soustavy pro sdílení tepla v prostoru
podlahové vytápění – mokrý systém (voda)
podlahové vytápění s minimální tepelnou izolací
dvoupolohový regulátor
hem = 0.88
30/80
Ztráty rozvodem tepla (distribution)
31/80
Tepelné ztráty rozvodů
závisí na
teplotě přívodní vody
teplotě vratné vody
střední hodnota během otopného období střední hodnota během otopného období
teplotě okolního prostředí
teplota ve vytápěných místnostech teplota v nevytápěných místnostech
tloušťce a druhu tepelné izolace
délce potrubí L
32/80
Ztráta tepla rozvodů
Qz ,L QH ,dis ,ls ,an U j q m q i , j L j t j Uj
součinitel prostupu tepla [W/mK]
qm qi,j
střední teplota teplonosné látky (otopné vody, chladicí vody) [°C]
Lj
délka trubek [m]
t
počet hodin vytápění v časovém kroku výpočtu [h]
teplota okolního prostředí (zóny) [°C]
33/80
Střední teplota teplonosné látky
bez regulace
konstantní teplota teplonosné látky v časových úsecích
rovná návrhové teplotě
ekvitermní regulace
závislost na teplotě venkovního vzduchu, mění se v časových úsecích výpočtu (měsících) závisí na návrhový teplotní spád otopné vody qw1,des / qw2,des výpočtová venkovní teplota qe,des výpočtová vnitřní teplota qi,des = průměrná vnitřní teplota qi
34/80
Jak se mění qm s odběrem tepla? q m ( dis ) ? dis
střední zatížení rozvodu [-]
QH ,dis ,out dis em t QH,dis,out
energie dodaná rozvodem za časový úsek [kWh]
em
jmenovitý výkon instalovaných ploch [kW]
t
počet hodin vytápění v časovém kroku výpočtu [h]
35/80
Rovnice potřebné k odvození n
rovnice otopné plochy
q Q OT Q OT ,des q des
rovnice tepelné ztráty
qi qe Q z Qz ,des q i ,des q e ,des
rovnost průtoků během otopného období
m m des
odvoďte qm = f (dis)
36/80
Odvození
q qi qe dis q i ,des q e ,des q des
n
qw1 qw 2 qi 2 qw1,des qw 2,des q i ,des 2
n
n ... teplotní exponent otopné plochy: 1.33 pro otopná tělesa, 1.1 pro podlahové vytápění
37/80
Odvození
qm
qw1 qw 2 2
1 n
qw1,des qw 2,des q i q e q i q i ,des 2 q i ,des q e ,des
q m q i qdes (dis )1 / n
38/80
Odvození 60
teplota přívodní vody tw1
55
teplota vratné vody tw2 teplota otopné vody [°C]
50 45 40 35 30 25 20 -12
-8
-4
0
4
venkovní teplota t e [°C]
8
12
16
20
39/80
Součinitel prostupu tepla
kruhové potrubí – více vrstev, nadzemní rozvody, okolí vzduch U
1 1
1d1
U
n
1
1 2 j
ln
d j 1 dj
1
n1dn1
diz
dp di
1 dp
diz 1 ln ln w di 2p di 2iz d p e diz 1
1
1
lze v podstatě aproximovat jednou vrstvou
40/80
Tepelná ztráta potrubí
zabudované kruhové potrubí
o vnějším průměru d izolovaná trubka uložená v materiálu (index Z)
U
1 1
d 4 ln iz ln 2iz d 2 z diz 1
e z H e
z
diz
iz
d
H
41/80
Požadavky vyhlášky 193 / 2007 Sb.
42/80
Ztráta tepla rozvodů QH ,dis ,ls ,an QH ,dis ,ls ,rbl ,an QH ,dis ,ls ,nrbl ,an
využitelná (ve vytápěných místnostech)
nevyužitelná (v nevytápěných místnostech)
43/80
Využité a nevyužité ztráty
44/80
Příklad
stanovte využitelné a nevyužitelné ztráty tepla
leden, duben
potrubí neizolované Cu 15x1 mm
ve vytápěných místnostech 60 m (ti = 20 °C)
v nevytápěných místnostech 10 m (ti = 18 °C)
výpočet proveďte pro volně vedené a pro zabudované potrubí pod omítkou (20 mm) porovnejte ztráty tepla s potřebou tepla zóny / domu
45/80
Ztráta tepla rozvodů - zjednodušeně dvoutrubková soustava
LL, LW
délka, resp. šířka zóny [m]
hlev
výška podlaží v domě [m]
Nlev
počet podlaží v domě
46/80
Ztráta tepla rozvodů - zjednodušeně
47/80
Ztráta tepla rozvodů - zjednodušeně
48/80
Ztráta tepla rozvodů - zjednodušeně
49/80
Pomocná energie při distribuci (rozvodu) tepla
50/80
Pomocná elektrická energie
proč se tím zabývat?
studie v rámci programu SAVE II: malá oběhová čerpadla (do 250 W) v systémech vytápění spotřebují ročně > 40 TWh (100 mil. čerpadel)
regulace průtoku převážně škrcením
použití čerpadel s řízenými otáčkami: 25 až 80 % úspor
51/80
Pomocná elektrická energie
správný návrh
adekvátní prvek z hlediska dopravovaného průtoku a tlakové ztráty
pracovní bod v oblasti maximální účinnosti
účinná konstrukce pohonů (EC motory, permanentní magnety)
účinnost běžných oběhových čerpadel do 50 W: ~ 10-15 %
vhodná regulace průtoku (zásadní vliv na příkon): proměnné otáčky
52/80
Řízení oběhových čerpadel konstantní otáčky
53/80
Účinnost oběhového čerpadla stanovte účinnost čerpadla průtok 1.5 m3/h tlaková ztráta 40 kPa
54/80
Účinnost oběhového čerpadla
55/80
Řízení oběhových čerpadel
56/80
Řízení oběhových čerpadel konstantní diferenční tlak p-c
57/80
Řízení oběhových čerpadel variabilní diferenční tlak p-v
58/80
Charakteristiky oběhového čerpadla
59/80
Účinnost oběhového čerpadla stanovte účinnost čerpadla průtok 1.5 m3/h tlaková ztráta 40 kPa
60/80
Provoz při sníženém výkonu EEI = Energy efficiency index
vážený příkon při standardizovaném profilu referenční příkon pro hydraulicky stejné
61/80
Provoz při sníženém výkonu
62/80
Směrnice a úspory
směrnice o ekodesignu 2005/32/EC, revidovaná 2009/125/EC nařízení 641/2009 o čerpadlech
samostatná čerpadla
od 1.1.2013
EEI ≤ 0,27
od 1.8.2015
EEI ≤ 0.23
s výjimkou solární systémy, primární okruhy tepelných čerpadel
integrovaná do výrobků
od 1.8.2015
EEI ≤ 0.23 (nové inst.)
integrovaná do výrobků
od 1.1.2020
EEI ≤ 0.23 (rekonstr.)
dopady
předpokládané úspory 23 TWh (Temelín + Dukovany vyrobí 26 TWh)
ekvivalent roční spotřeby 14 mil. obyvatel
63/80
Otopná tělesa při sníženém průtoku
64/80
Pomocná energie při distribuci (rozvodu)
závisí na
návrhovém hydraulickém výkonu, resp. příkonu
norma: činitel energetické potřeby pro provoz oběhového čerpadla
časovém úseku
Phyd pdes Vdes
účinnosti čerpadel
návrhovém průtoku Vdes návrhové tlakové ztrátě pdes
počet hodin vytápění
korekční faktory na různé vlivy
65/80
Pomocná energie při distribuci (rozvodu) WH ,dis ,hydr ,an
Phydr ,des 1000
dis t fS fNET fSD fHB fG ,PM
fS
korekční činitel pro regulaci teploty přívody vody (bez regulace, ekvitermní)
fNET
korekční činitel pro hydraulické sítě (uspořádání: etážové, paprskovité, stoupačkové, atd)
fSD
korekční činitel pro dimenzování otopné plochy (míra předimenzování)
fHB
korekční činitel pro hydraulické seřízení (míra hydraulického vyvážení)
fG,PM
korekční činitel pro zdroj s integrovaným čerpadlem
66/80
Činitel regulace teploty přívodní vody fS = 1
pro ekvitermně řízenou (kompenzovanou podle venkovní teploty)
pro konstantní teplotu
fS
plocha budovy A
67/80
Činitel hydraulické sítě fNET = 1 pro horizontální uspořádání, dvoutrubkový okruh (etážové)
68/80
Další korekční činitele korekční činitel dimenzování otopné plochy fSD = 1 pro dimenzování podle návrhového výkonu fSD = 0.96 v případě předimenzování
korekční činitel hydraulického seřízení fHB = 1 hydraulicky seřízené okruhy fHB = 1.15 hydraulicky neseřízené
korekční činitel pro zdroj s integrovaným čerpadlem fHB = 1 standardní zdroj s regulací podle venkovní teploty fHB = 0.75 zavěšený na stěnu, regulace podle venkovní teploty fHB = 0.45 zavěšený na stěnu, regulace podle vnitřní teploty
69/80
Potřeba pomocné elektrické energie WH,dis,aux,an = WH,dis,hydr,an . edis
edis fh fPL fPSP fC fh
korekční činitel pro účinnost
fPL
korekční činitel pro částečné zatížení
fPSP
korekční činitel pro volbu návrhového bodu
fC
korekční činitel pro regulaci
70/80
Potřeba pomocné elektrické energie H0,max
H [m]
Hpmp Hdes
Ph,des
fC
PPL,C PPL
Pel,pmp
PPL
P [W]
Pel,pmp,ref PPL,C
VPL
Pel,pmp,max
V
fPSP
Pel ,pmp Pel ,pmp ,ref
fh
Pel ,pmp ,ref
fPL
PPL dis Pel ,pmp
Phydr ,des
71/80
Korekční činitele 200 fh 1.25 Phydr ,des
korekční činitel pro účinnost
korekční činitel pro zatížení
fPL
dis
72/80
Korekční činitele korekční činitel pro regulaci regulace na konstantní tlakovou diferenci pc pv
regulace na proměnnou tlakovou diferenci
fC
Pel ,pmp,max / Pel ,pmp
73/80
Využitelná pomocná elektrické energie využitelná v rozvodu
QH,dis,aux,rvd = faux,rbl . WH,dis,aux,an
využitelná v prostoru pro vytápění
QH,dis,aux,rbl = (1 - faux,rbl) . WH,dis,aux,an
faux,rbl = 0.75
pro neizolovaná čerpadla
faux,rbl = 0.90
pro izolovaná čerpadla
74/80
Přeměna pomocné energie na teplo
WH,dis,aux,an
(1 – faux,rbl) · WH,dis,aux,an faux,rbl · WH,dis,aux,an část využité pomocné energie v rozvodu
část využité pomocné energie v prostoru
75/80
Analýza pro rodinný dům
pasivní dům
objem 460 m3, vytápěná podlahová plocha 176 m2
tepelná ztráta 2,8 kW (-12 °C), 19,4 kWh/(m2.rok)
nucené větrání
vytápění: teplovzdušné x teplovodní
analýza různých možností návrhu
teplotní spád otopné vody (5 K, 15 K)
provozní větrání: 25 m3/(h.os), 45 m3/(h.os)
běžné prvky / úsporné prvky (čerpadla, ventilátory)
76/80
Teplovodní vytápění + větrání se ZZT Varianta
teplotní spád vytápění °C
průtok vytápění l/h
příkon čerpadel W
průtok větrání m3/h
příkon VZT W
AAA
45 / 30
160
4
100
25
AAB
45 / 30
160
26
100
25
ABA
45 / 30
160
4
180
63
ABB
45 / 30
160
26
180
63
BAA
45 / 40
480
7
100
25
BAB
45 / 40
480
34
100
25
BBA
45 / 40
480
7
180
63
BBB
45 / 40
480
34
180
63
77/80
Teplovodní vytápění + větrání se ZZT BBB
203 169
BBA 157
BAB 123
BAA
193
ABB ABA
166
AAB
147
Větrání Provoz čerpadel - vytápění
120
AAA 0
50
100
150
200
250
E pom [kWh/rok]
300
350
400
450
500
78/80
Teplovzdušné vytápění + větrání se ZZT Varianta
teplotní spád VZT °C
průtok vzduch vytápění m3/h
průtok větrání m3/h
příkon VZT vytápění/větrá ní W
příkon VZT větrání W
teplotní příkon spád čerpade OV l °C W
AAA
43 / 20
315
100
90
43
48 / 44
7
AAB
43 / 20
315
100
90
43
48 / 44
35
ABA
43 / 20
315
180
90
65
48 / 44
7
ABB
43 / 20
315
180
90
65
48 / 44
35
BAA
33 / 20
540
100
221
43
48 / 36
4
BAB
33 / 20
540
100
221
43
48 / 36
27
BBA
33 / 20
540
180
221
65
48 / 36
4
BBB
33 / 20
540
180
221
65
48 / 36
27
79/80
Teplovzdušné vytápění + větrání se ZZT BBB
422 394
BBA
445
BAB 417
BAA 271
ABB ABA
238
Teplovzdušné vytápění + Větrání
AAB
295
Provoz čerpadel
262
AAA 0
50
100
150
200
250
E pom [kWh/rok]
Pouze větrání
300
350
400
450
500
80/80
Pomocná elektrická energie TNI 73 0329 [kWh/rok]
Vypočtené hodnoty [kWh/rok]
Teplovodní vytápění, přirozené větrání
100
5 – 43
Teplovodní vytápění, nucené větrání s rekuperací
400
120 – 200
Teplovzdušné vytápění s rekuperací tepla
800
240 – 450
penaltové hodnoty
úsporné pohony
