DIPLOMOVÁ PRÁCE REKONSTRUKCE VYTÁPĚNÍ RODINNÉHO DOMKU

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV ODBOR TERMOMECHANIKY A TECHNIKY PROSTŘEDÍ

DIPLOMOVÁ PRÁCE

REKONSTRUKCE VYTÁPĚNÍ RODINNÉHO DOMKU

Vypracoval: Jindřiška Čapková Vedoucí diplomové práce: Ing. Josef Štětina Číslo diplomové práce: VUT-EU-ODDI-3302-01-05 Celkový počet stran: 57

BRNO

květen 2005

Čestné prohlášení Prohlašuji, že tuto diplomovou práci jsem vypracoval samostatně bez cizí pomoci. Vycházel jsem při tom ze svých znalostí, odborných konzultací a doporučené literatury, uvedené v seznamu..

V Brně dne

2005

…………………………………… podpis

Poděkování Děkuji vedoucímu diplomové práce Ing. Josefu Štětinovi za trpělivost při odborných konzultacích a rady, které mi pomohly při tvorbě této diplomové práce.

VUT BRNO, FSI-EÚ

VUT-EU-ODDI-3302-01-05

Anotace Stále se zvyšující ceny energií a navíc hrozba jejich budoucího vyčerpání nás nutí činit nejen opatření snižující spotřebu ale i hledat alternativní zdroje energie. Jedním z těchto alternativních zdrojů, v současné době zažívající velký rozmach, je energie slunce. Cílem této diplomové práce je návrh rekonstrukce vytápění rodinného domku z lokálních plynových topidel na centrální systém s automatickou regulací jednotlivých těles. Součástí návrhu je výpočet solárního systému pro ohřev teplé užitkové vody (TUV). Pro období s nedostatečnou nabídkou slunečního záření je navrženo dohřívání využívající plynového kotle. Součástí práce je také simulace energetického přínosu solárního systému a potřebné cizí energie pro dohřívání pomocí programu TRNSYS.

6

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obsah Obsah.......................................................................................................................................... 7 Seznam veličin ........................................................................................................................... 8 1. Úvod ..................................................................................................................................... 10 2. Solární systémy .................................................................................................................... 11 2.1. Zásady dimenzování...................................................................................................... 11 2.2. Bezpečnost soustav ....................................................................................................... 12 2.3. Solární systémy pro ohřev TUV.................................................................................... 13 2.3.1. Určení potřeby energie pro TUV ........................................................................... 14 2.4. Určení plochy slunečních kolektorů.............................................................................. 16 2.5. Potřebný objem zásobníku TUV ................................................................................... 20 2.6. Teplonosná kapalina...................................................................................................... 23 2.7. Regulace solárního systému .......................................................................................... 24 2.8. Způsob dohřívání TUV ................................................................................................. 30 2.8.1. Varianta A .............................................................................................................. 30 2.8.2. Varianta B .............................................................................................................. 30 3. Vytápění rodinného domku.................................................................................................. 31 3.1. Výpočet tepelných ztrát budovy.................................................................................... 32 3.2. Tlakové ztráty otopného systému.................................................................................. 35 3.2.1. Varianta A .............................................................................................................. 36 3.2.2. Varianta B .............................................................................................................. 37 3.3. Způsob regulace vytápění.............................................................................................. 39 3.4. Kotel .............................................................................................................................. 48 3.4.1. Varianta A .............................................................................................................. 48 3.4.2. Varianta B .............................................................................................................. 49 4. Počítačová simulace ............................................................................................................. 50 5. Rentabilita pořízení a provozu ............................................................................................. 54 6. Závěr..................................................................................................................................... 56 7. Seznam použité literatury..................................................................................................... 58 Seznam příloh........................................................................................................................... 58

7

VUT BRNO, FSI-EÚ


Seznam veličin Značka c d dh k k m p p1 p2 p3 q r t1,2 te ti tis w Ak DS GA Gd Gmon GS Q Qc QN QNmom Qo QP Qpřibl. QSK QSN Qv QVKK QVSP Qz R S Sj V VSP Vv α

Veličina měrná tepelná kapacita průměr hydraulický průměr součinitel tepelné ztráty součinitel prostupu tepla hmotnost tlaková spád přirážka na vliv chladných stěn přirážka na urychlení zátopu přirážka na světovou stranu tepelná charakteristika objektu poloměr vstupní a výstupní teplota media venkovní teplota vnitřní teplota průměrná vnitřní teplota v objektu střední rychlost plocha kolektoru stupeň solárního pokrytí roční záření na m2 specifické záření za den specifické záření za měsíc roční záření na plochu kolektorů energie celková tepelná ztráta roční potřeba energie spotřeba energie pro TUV za měsíc základní tepelná ztráta prostupem ztráta prostupem tepla přibližná potřeba tepla brutto výnos kolektorového pole netto solární výnos větráním tepelné ztráty solárního okruhu tepelné ztráty zásobníku trvalý tepelný zisk měrná tlaková ztráta plocha stěny ochlazovaná část stavební konsrukce obestavěný prostor objem zásobníku objemový vzduch větracího vzduchu součinitel přestupu tepla

8

Značka jednotky J/kg.K m m W/m2.K W/m2.K kg Pa W/m3 K m °C °C °C °C m/s m2 kWh/m2 rok kWh/m2 den kWh/m2 měsíc kWh/rok W W kWh/rok kWh/měsíc W W W kWh/rok kWh/rok W kWh/rok kWh/rok W Pa/m m2 m2 m3 l m3 W/mK

VUT BRNO, FSI-EÚ ηK ηSys λ λ ξ ρ


stupeň využití kolektoru stupeň využití soustavy součinitel tepelné vodivosti součinitel tření součinitel místních ztrát hustota tekutiny

W/mK kg/m3

9

VUT BRNO, FSI-EÚ


1. Úvod Zdroje energie dostupné na Zemi lze rozdělit do dvou skupin: - neobnovitelné zdroje - obnovitelné zdroje Neobnovitelné zdroje, často nazývané tradiční, jsou na Zemi lokalizovány jen na několika málo místech. Jejich množství je omezené a při současné rychlosti těžby a spotřeby hrozí jejich relativně brzké vyčerpání. Do této skupiny řadíme tuhá, kapalná a plynná fosilní paliva. Mezi obnovitelné zdroje, také označované jako netradiční nebo alternativní, řadíme energii z biomasy, energii větru, vody a slunce. Z rozboru současné spotřeby energie ve vyspělých průmyslových státech vyplývá, že velká část spotřeby energie připadá na domácnosti, na zařízení občanského vybavení a na služby. Největší část energie v této sféře je převedena na teplo při maximální teplotě do 200 °C a z toho je nejvíce energie použito na vytápění a ohřev užitkové vody, tj. na teplo s teplotou do 100 °C. Toto teplo se až dosud získává převážně spalováním fosilních paliv. Kromě nebezpečí vyčerpání se staví proti používání fosilních paliv také skutečnost, že jejich spalováním se uvolňuje velké množství skleníkových plynů. Hromadění těchto plynů v atmosféře způsobuje tzv. skleníkový efekt. To znamená že atmosféra propustí mnohem méně infračerveného záření z povrchu do vesmíru, v důsledku čehož se pomalu zvyšuje průměrná teplota povrchu Země. Toto globální oteplení může přinést dramatické změny počasí na celé planetě s nebezpečím zániku mnoha rostlinných a živočišných druhů. Přitom pro výrobu tepla lze s výhodou využít energie slunečního záření. Kapacita tohoto zdroje je obrovská. Předpokládá-li se, že na každý 1 m2 dopadá u nás za rok v průměru 1 000 kWh sluneční energie, dopadá na celé území ČR 7,88 . 1013 kWh ročně. Z uvedených čísel vyplývá, že energie slunečního záření může být významným zdrojem tepla s nímž se musí počítat do budoucnosti. Energie slunečního záření jako netradiční zdroj tepla má ovšem také své nevýhody. Jde především o časovou proměnlivost a v podstatě i nespolehlivost přívodu energie. Množství dopadající sluneční energie sleduje daný denní a roční cyklus a v určitém místě na Zemi je závislé také na oblačnosti. Největší část energie dopadá v letních měsících a naopak v zimních měsících, kdy je třeba vytápět, dopadá menší část. Tyto nevýhody je však možno do jisté míry překonat a s použitím nízkoteplotních slunečních systémů lze již v současnosti hradit významnou část spotřeby tepla.

10

VUT BRNO, FSI-EÚ


2. Solární systémy Sluneční energie dopadající nepřetržitě na Zemi ve formě záření se z menší části (asi 34 %) přímo odráží zpět do vesmírného prostoru, z větší části (asi 66 %) je však Zemí absorbována. Absorbovaná energie prochází na Zemi různými přeměnami, aby na konec byla ve formě infračerveného záření vrácena zpět do vesmíru. Poměrně nejsnadněji lze energii slunečného záření přeměnit v energii tepelnou – zachycením kolektory buď ve tvaru plochých panelů nebo koncentrátorů s odraznými plochami. Jako sluneční kolektory nebo termické kolektory se označují takové systémy, které přeměňují sluneční záření na tepelnou energii – tuto energii lze převést v teplo o nízkém potenciálu (do 100 °C). Jedná se o tzv. nízkoteplotní systémy, které se využívají především k ohřívání užitkové vody, k vytápění budov, popř. k teplovzdušnému sušení různých materiálů. Naproti tomu solární články, resp. solární moduly, přeměňují záření resp. světlo na elektrický proud. Využívají při tom fotoelektrický efekt, při němž je vývin tepla spíše nežádoucí. Jeli řeč o aktivních solárních systémech, nebo o aktivním využívání soustav energie, mohou tím být míněny jak soustava se slunečními kolektory, tak také soustava fotovoltaická, protože v obou případech jde o získávání solární energie technickými systémy. U pasivního využití solární energie se dá použít sám dům jako druh kolektoru a získanou solární energii lze využít bez pomocných technických prostředků pro podporu vytápění domu. Pasivní využívání sluneční energie neznamená, že bude uplatnění aktivních systémů naprosto zbytečné, protože přípravu teplé vody a zásobování elektrickým proudem nelze pasivním způsobem realizovat. Pasivní a aktivní využití se zejména při vytápění vzájemně doplňují.

2.1. Zásady dimenzování Z tepelně technického hlediska jsou solární soustavy opravdu komplexními systémy. Proměna sluneční energie na teplo je určována celou řadou vlivů, mnohostranně navzájem závislých. Stejně podstatné jsou otázky, které mají v dimenzování důležitou roli: - Kolik plochy kolektorů a jaký objem zásobníku je třeba předpokládat? - Které konstrukční prvky a jaký způsob provozu zvolit, abychom dostali dobrou, hospodárně pracující soustavu, která bude „střižena uživateli na míru“ a bude s ní moci být spokojen? Cílem dimenzování je tedy stanovit potřebu energie pro zamýšlené použití a produkci energie s tím sladit. Potřeba energie je určována hlavně chováním spotřebitele a jeho nároky na komfort. Parametry, které ovlivňují zisk soustavy, lze sestavit takto: Zisk tepla z kolektoru je závislý především na: - velikosti (ploše) kolektoru - konstrukci kolektoru, resp. jeho charakteristikách (selektivní, vakuovaný, atd.) - způsobu využívání, resp. provozních podmínkách, hlavně na střední teplotě kolektoru - klimatických podmínkách na stanovišti, zejména na slunečním záření a venkovní teplotě - situaci na staveništi, tj. orientaci a sklonu kolektoru a stupni zastínění stromy, jinými budovami apod. Tento brutto zisk tepla, který může být zjištěn různými cestami, je větší než zisk využitelné energie (netto zisk), který je uživateli k dispozici. V důsledku proměnlivé nabídky (v létě nadměrné), časového posunu mezi nabídkou a potřebou a nevyhnutelných tepelných ztrát, není část energie využita. Velký vliv na výnos a tím i spotřebu dodatečného dohřívání má způsob provozování soustavy (High-Flow, Low-Flow, aj.). Ten má přímý vliv na ostatní části soustavy. 11

VUT BRNO, FSI-EÚ -

-


Objem zásobníku musí být dostatečně velký, aby překonal výkyvy mezi nabídkou a poptávkou. Nemá ovšem být zase příliš velký, aby byly omezeny jeho tepelné ztráty. Průtok teplonosného média určuje při daném záření zvýšené teploty kolektoru a tím do jisté míry jeho střední teplotu. Tepelné vrstvení v zásobníku, resp. jeho kvalita, rozhoduje o tom, zda může být vynecháno dohřívání cizí energií. Teplosměnná plocha tepelného výměníku v kolektorovém okruhu má vliv na tepelný spád mezi kolektorovým okruhem a médiem v zásobníku a tím i na střední teplotu kolektoru. Průměr potrubí, jeho délka i izolace mají vliv na tepelné ztráty v okruhu a určují i rychlost náběhu. Lze proto doporučit malé, ale dostatečně dimenzované průměry trubek, krátké cesty a izolaci všeho potrubí okruhu. Strategie řízení a nastavitelný rozdíl teplot mezi spínáním a vypínáním oběhového čerpadla je třeba volit tak, aby umožňovaly co nejlepší tok energie od kolektoru do zásobníku. Čerpadlo v solárním okruhu musí být tlakově a průtokem (hydraulicky) regulováno tak, aby bylo pro jeho provoz třeba co nejméně energie. Tlaková ztráta v okruhu závisí přitom na průtoku teplonosného média, druhu a velikosti tepelného výměníku, průměru a délce potrubí, strategii řízení a rovněž na druhu a počtu dalších armatur. Velikost expanzní nádoby je určena objemem soustavy.

2.2. Bezpečnost soustav Jako každé technické zařízení představuje také solární soustava určité riziko úrazu. Vhodnými bezpečnostními opatřeními jsou tato rizika minimalizována a mimořádné nebezpečí pro člověka je vyloučeno. U kompletní soustavy se to týká solárního okruhu, zásobníku a odběrového okruhu. Jejich provedení je jednotlivě řízeno řadou předpisů a směrnic. Bezpečnostní opatření v solárním okruhu V solárním okruhu může nastat případ, že se vlivem vysokých teplot v kolektoru teplonosná kapalina vypaří. Extrémním případem je klidový stav solárního okruhu při vysokých hodnotách slunečního záření. V takových případech stoupá značně tlak v systému. Podle DIN 4757-1 je proto předepsán pojistný ventil, který se otevírá při překročení maximálně přípustného provozního tlaku, který je dán odolností vůči tlaku nejslabší části soustavy, nejčastěji kolektoru. Obvyklé hodnoty pro otevírací tlak jsou 250 resp. 350 kPa (2,5 resp. 3,5 bar). Pojistný ventil má být instalován na chladné větvi solárního okruhu, aby se při nárůstu tlaku pro otevření vyloučila změna skupenství teplonosné kapaliny v oblasti těsnění ventilu. Zvláště je třeba dát pozor na to, aby nedošlo při otevření ventilu k opaření. Proto musí být výtok zabezpečen odpovídajícím způsobem uzavřenou kovovou nádobou. Podle DIN 4757-1 mají být solární soustavy provedeny tak, aby vykazovaly „bezpečnostní jistotu“, tzn. že ani extrémní zatížení nesmí vést k poruchám, jejichž odstranění by vyžadovalo úkony nad běžný rámec obsluhy. Pro zajištění „sebejistoty“ požadované normou se osvědčili zejména pro standardní malé soustavy následující koncepty: - Expanzní nádoba má být navržena tak, aby pojala nejen teplotní roztažnost teplonosné kapaliny, ale také objem kapaliny celého kolektorového okruhu. Při běhu na prázdno tlačí páry teplonosnou kapalinu z kolektoru, aniž by se pojistný ventil otevřel. Při klesající teplotě je kapalina z membránové expanzní nádoby tlačena zase zpět do kolektoru. - Tvorbu páry v kolektoru lze účinně vyloučit použitím kapaliny s velmi vysokou koncentrací glykolu, ve spojení s vyššími tlaky v soustavě nebo použitím termoolejů,

12

VUT BRNO, FSI-EÚ


jejichž bod varu leží výrazně výše něž nežli teplota v kolektoru při chodu na prázdno. Tento koncept je velmi málo rozšířen vzhledem k nevýhodám, jaké tyto teplonosné kapaliny představují. Pojistná opatření pro zásobník Aby nedošlo v zásobníku k tvorbě páry, musí v něm být teplota omezena nastavenou maximální hodnotou, přičemž v žádném případě nemá přesahovat 95 °C. Vhodná opatření jsou podmíněna zpravidla řízením a regulací soustavy. Pro omezení tlaku je na přívod vody do zásobníku instalován pojistný ventil. Protože tlak v zásobníku má být vyšší než tlak v solárním okruhu (aby se vyloučilo znečištění vody v zásobníku přípravkem proti zamrzání), je třeba otevírací tlak na přetlakovém ventilu zásobníku volit vyšší než u pojistného ventilu na solárním okruhu. Obvykle to bývá 600 kPa (6 bar). Bezpečnostní opatření v odběrovém okruhu Pro ochranu odběratele vody před opařením musí být buď omezena teplota v zásobníku na 60 °C nebo musí být použit směšovací ventil. V našem případě je použit směšovací ventil, který upravuje teplotu vody na předem nastavenou hodnotu hned za výstupem ze zásobníku.

2.3. Solární systémy pro ohřev TUV Příprava teplé vody je dnes nejrozšířenějším využitím solárních soustav. V našich podmínkách se jedná o systémy pro sezónní (zpravidla letní) ohřev užitkové vody, nebo o systémy pro celoroční ohřev užitkové vody. V prvním případě se zpravidla navrhuje jednoduché zařízení pouze se slunečními kolektory bez dalšího zdroje tepla. Toto monovalentní zařízení se nejčastěji uplatňuje pro ohřívání vody v bazénech, pro ohřev užitkové vody v rekreačních objektech pouze s letním provozem a všude tam kde je teplá voda vítaná, ale není bezpodmínečně nutná (např. sprchy u koupaliště). V případě systému pro celoroční ohřev užitkové vody je nutný kombinovaný systém s dalším zdrojem tepla. Tímto dalším zdrojem tepla je zpravidla kotel (ohřívák) na plyn, kapalné palivo nebo elektřinu. V tomto případě jde o tzv. bivalentní systém. Pro ohřev pitné vody v malých soustavách (do 10 m2 kolektorové plochy) je nejčastěji stavěn dvouokruhový systém s nuceným oběhem a vnitřním tepelným výměníkem solárního okruhu.

Obr. 2.1 Bivalentní systém pro ohřev TUV Solární zařízení sestává z jednotlivých dílů: slunečního kolektoru, tepelného zásobníku a solárního okruhu, resp. systému pro přenos tepla. Obrázek 2.2 představuje takovou soustavu

13

VUT BRNO, FSI-EÚ


se všemi nutnými konstrukčními částmi. Solární kolektor přeměňuje sluneční záření na teplo a převádí ho do teplonosného média, aby mohlo být transportováno k místu spotřeby.

Obr. 2.2 Solární soustava Vedle co největší účinnosti je kladen zvláštní důraz na životnost, tzn. že použité materiály musí být odolné vůči všem povětrnostním vlivům a UV záření. Jako zevně viditelná část solární soustavy musí plnit nejen tepelně-technické požadavky, ale také mít odpovídající estetický výraz. Tepelný zásobník má za úkol vyrovnávat přirozené kolísání dodávek solární energie. Použité materiály musí vykazovat dobrou tepelnou odolnost a životnost nejméně 20 let. Solární okruh slouží k tomu, aby vždy, když kolektor produkuje dostatek tepla, přenesl toto teplo do zásobníku, resp. k přímé spotřebě, a to pře čerpáváním teplonosného média. Teplonosné médium se v kolektoru ohřeje a v zásobníku resp. ve spotřebiči se ochladí, tedy přijaté teplo zase předá. Nároky na technické vybavení jsou poměrně vysoké. Pro zásobování teplou vodou je požadována teplota nejméně 45 °C, takže solární soustava musí ohřát vodu o více než 35 °C (při teplotě vody z vodovodu 10 °C). Při venkovních teplotách 12 – 15 °C v letním období, musí být soustava schopna dosáhnout na kolektoru 50 – 70 °C a přitom přeměnit záření na teplo s přijatelným stupněm účinnosti.

2.3.1. Určení potřeby energie pro TUV Stanovení potřebného množství energie musí vycházet ze zjištěné potřeby teplé vody. V ideálním případě se spotřeba zjistí měřením, což je pro malé soustavy příliš náročné. Proto jsou stanovena směrná čísla (tab. 2.1). Tato jsou značně závislá na individuálních zvyklostech. Kdo potřebuje mnoho teplé vody, nebo mívá často návštěvy, použije horní hranici hodnot.

14

VUT BRNO, FSI-EÚ


Tabulka 2.1 směrné hodnoty pro spotřebu teplé vody v domácnosti Použití Tělesná péče 1x umytí rukou (obličeje) 1x čištění zubů 1x mytí vlasů 1x lázeň nohou 1x sprchování 1x plná lázeň 1x dětská lázeň Domácnost 1x mytí nádobí ručně 1x mytí nádobí v myčce 1x pračka 1x úklid domácnosti (3 vědra)

Spotřeba v l

Teplota ve °C

Potřeba energie v kWh při teplotě studené vody 10 °C

2-5 1-2 10 - 20 25 30 - 50 100 - 200 30 - 50

37 37 37 40 37 40 37

0,06 - 0,16 0,03 - 0,06 0,3 - 0,6 0,9 0,9 - 1,5 3,5 - 7 0,9 - 1,5

10 - 15 20 - 25 20 - 40

45 50 - 65 30 - 60

0,4 - 0,6 0,9 - 1,6 0,5 - 2,3

30

35

0,9

Mimo individuálních zvyklostí uživatele je třeba u starších domů brát ohled i na stávající potrubní systémy, které v mnoha případech vyžadují zlepšení. Předimenzované průměry potrubí, nedostatečné tloušťky izolací a cirkulace v trvalém provozu mohou zvýšit hodnoty spotřeby nutného tepla na mnohonásobek. Proto se často vyplatí při stavbě solárního soustavy vylepšit tepelně a technicky i stávající rozvodný potrubní systém. V rodinných domech je třeba se zříci cirkulace a pokud možno volit nepříliš dlouhé potrubí mezi zásobníkem a místem spotřeby a jeho dobrou izolaci. V průběhu zjišťování spotřeby by měla být rovněž prověřena možnost úspor pitné vody. Tak může být k umyvadlu nebo vaně v místě odběru zamontována směšovací baterie nebo ventil omezující průtok, takže ani po roztočení kohoutu naplno nepoteče více vody než je nutné. stejně tak se používají úsporné hlavice sprch, které jemným rozdělením vody při sprchování šetří vodu při stejném komfortu. Tabulka 2.2 Potřeba vody a energie (na osobu) u soustav pro ohřev teplé užitkové vody Potřeba Nízká Střední Vysoká 35 - 50 l/d 50 - 70 l/d 70 - 115 l/d Spotřeba teplé vody o teplotě 50 °C 1,3 - 1,9 1,9 - 2,7 2,7 - 4,4 Potřeba tepla pro ohřev kWh/d kWh/d kWh/d 12 °C teplé vody objekt technika potřeba tepla pro přípravu teplé vody [kWh/d] dobrá 1,3 - 1,8 1,8 - 2,5 2,5 - 6,2 rodinný dům jednotlivé odběry špatná 1,7 - 3,0 3,0 - 4,5 4,5 - 7,5 dobrá 1,7 - 3,0 3,0 - 4,5 4,5 - 7,5 rodinný dům s cirkulací špatná 2,3 - 4,2 4,2 - 7,0 7,0 - 10,0 1,3 - 1,7 1,7 - 3,0 3,0 - 5,8 dům pro více rodin dobrá 8 až 16 bytů špatná 1,7 - 2,2 2,2 - 3,6 3,6 - 6,5

Dobrá technika – krátká potrubí, dobré izolace, bez cirkulace nebo s přerušovanou cirkulací, teplota teplé vody pod 60 °C. Špatná technika – dlouhá potrubí, špatné izolace, velké průměry potrubí, chybí přerušování cirkulace. Pokud vyjdeme z výše uvedených směrných čísel, můžeme pro čtyřčlennou rodinu s nízkou až střední spotřebou počítat s 200 l vody o teplotě 50 °C na den. Při studené vodě o teplotě

15

VUT BRNO, FSI-EÚ


10 °C to odpovídá energii 9,3 kWh denně. Za rok tedy čtyřčlenná rodina spotřebuje 3400 kWh pro ohřev 73 000 l pitné vody.

2.4. Určení plochy slunečních kolektorů Stanovení brutto zisku tepla z kolektoru Poté co byla zjištěna potřeba teplé vody a potřeba energie Q, je pro dimenzování nutné vědět, jaký musí být výnos tepla z kolektoru, resp. z kolektorového pole. Vedle potřeby užitečné energie závisí dodávka energie z kolektoru také na těchto dalších faktorech: - stupeň solárního pokrytí. Optimální poměr mezi náklady a potřebou bývá dosažen při solárním pokrytí 40 až 60 %. V našem případě bude tedy při 50 % pokrytí přispívat solární systém 1700 kWh. - tepelné ztráty v systému. Kolektorové pole musí dodat více než 1700 kWh, protože mezí kolektorem a spotřebičem dochází ke ztrátám. - ztráty v kolektorovém okruhu závisí v podstatě na délce potrubí a kvalitě izolace. Příznivé jsou krátké trasy potrubí a velké tloušťky izolace. V závislosti na délce potrubí a denní době provozu mohou být tepelné ztráty v kolektorovém okruhu odhadnuty pomocí obrázku 2.4. Tvoří přibližně 10 – 20 % brutto zisku kolektoru. Ztráty větší než 20 % signalizují nevhodné vedení a nedostatečné izolace potrubí. V našem případě jsou odhadnuté ztráty kolektorového okruhu 250 kWh ročně. - V závislosti na součinu k . A, uvedenému v údajích výrobce, mohou být ztráty zásobníku odhadnuty s použitím obrázku 2.3 V našem případě činí tyto ztráty celkem 600 kWh za rok. - Protože solární soustava dodává do zásobníku 50 % energie, bude z celkových tepelných ztrát připsáno solární soustavě jen 50 %, tedy v našem případě 300 kWh, což odpovídá 13 % kolektorového zisku. Komentář [JŠ1]: Mimo okraje

Obr. 2.3 Tepelná ztráta zásobníku

Obr. 2.4 Ztráty v kolektorovém okruhu

Brutto výnos kolektorového pole je v našem případě spočítán následovně: Potřeba teplé vody na rok QN . stupeň solárního pokrytí DS = netto solární výnos QSN + tepelné ztráty zásobníku QVSp + tepelné ztráty kolektor. okruhu QVKK = brutto výnos kolektorového pole QSK

3400 kWh/r 0,5 (50 %) 1700 kWh/r 300 kWh/r 250 kWh/r 2250 kWh/r

16

VUT BRNO, FSI-EÚ


Aby mohlo být dosaženo 50 % pokrytí potřeby tepla pro ohřev užitkové vody čtyřčlenné rodiny, musí kolektorové pole dodat ročně 2250 kWh.

Obr. 2.5 Roční bilance soustavy solárních kolektorů Zjištění nabídky solárního záření na kolektor Nyní zbývá propočítat nabídku záření na kolektor na stanovišti. Přitom hrají roli: - místo výstavby (klimatické poměry) - úhel sklonu a nasměrování kolektoru (stavební poměry) - eventuální zastínění okolními domy, stromy atd. Data o solárním záření jsou dobře zpracována pro mnoho míst Evropy. Vliv sklonu a orientace je většinou přeceňován. Rozdíly v množství zachyceného záření při umístění mírně odlišném od ideální polohy jsou relativně malé (viz obr. 2.6 a 2.7).

Obr. 2.6 Úhly sklonu příznivé pro solární využití

17

Komentář [JŠ2]: Mezi obrázek a text vložit asoň 6 bodů moc nalepeno

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr.2.7 Relativní změny slunečního záření při odchylkách orientace Pro naši čtyřčlennou rodinu (potřeba 9,3 kWh/den) potřebujeme stanovit plochu kolektorů pro 50 % solární pokrytí potřeby. Kolektory budou umístěny na nezastíněnou střechu přístavku. Na střeše se vybuduje konstrukce se sklonem 45° a orientací na jih. Dimenzování plochy kolektoru Pro dimenzování se v praxi používají různé metody. 1) Dimenzování podle zjednodušeného vzorce Na základě zkušeností z desítek let provozu solárních soustav ohřevu pitné vody pro malé soustavy se osvědčily zjednodušené vzorce: - 1 – 1,5 m2 plochy kolektoru na osobu - 0,8 – 1,2 m2 plochy kolektoru z vakuovaných trubic na osobu. Toto pravidlo vyhovuje pro průměrnou spotřebu teplé vody a vede k solární soustavě s 40 až 60 % solárním krytím potřeby. Takové zjednodušené pravidlo může samozřejmě poskytnout jen hrubá směrná čísla, která nepřihlíží ke kvalitě kolektoru, klimatickým rozdílům a odchylkám od ideálního umístění kolektorů. Přesto je toto pravidlo pro odhad kolektorové plochy velmi praktické. V našem případě to pro montáž kolektoru znamená:

(

)

AK = 4 osoby ⋅ 1 až 1,5 m 2 / os. = 4 až 6 m 2

(2.1)

2) Dimenzování pomocí stupně využití kolektoru Poté co byl stanoven brutto výnos kolektoru QSK, může být pomocí rovnice

ηK =

QSK QSK = GS Ga ⋅ AK

(2.2)

určena pro stupeň využití potřebná plocha kolektoru AK, pokud je známo záření GA: AK =

QSK Ga ⋅η K

(2.3)

Pro náš případ volíme kolektor se selektivním povrstvením a jednoduchým krytem. Tyto kolektory dosáhnou v celoročním průměru účinnosti asi 45 %. Tím se dá určit plocha kolektorů následovně:

18

VUT BRNO, FSI-EÚ Brutto tepelný výnos kolektoru QSK /roční záření na stanovišti Ga /stupeň využití kolektoru ηK plocha kolektoru AK

VUT-EU-ODDI-3302-01-05 2250 kWh/r 2 1236 kWh/m r 0,45 2 4m

3) Dimenzování pomocí stupně využití soustavy Jako návrhový den byl zvolen letní den se zářením 5,5 kWh/m2.d na vodorovnou plochu. To odpovídá asi 7 až 8 hodinám slunečního svitu při intenzitě 600 W/m2 a 4 až 5 hodinám se zářením menším než 200 W/m2, které nemůže být zpravidla plochým kolektorem využito. Plocha kolektoru bude nyní dimenzována tak, že potřeba energie v návrhovém dnu QN,d (v našem případě 9,3 kWh/d) bude 100 % kryta solárním netto výnosem ze solární soustavy. Zjištění plochy kolektoru se provede pomocí stupně využití solární soustavy ηSys:

η Sys =

QSN QSN = GS Gd ⋅ AK

(2.4)

Solární záření na celkovou plochu kolektorového pole je rovno specifickému záření návrhového dne Gd = 5,5 kWh/m2.d násobenému plochou kolektorů AK. Pro výpočet kolektorové plochy pomocí rovnice (2.4) musí být znám stupeň využití systému ηSys. Ten je ovlivňován mnoha proměnnými, např. zářením, druhem kolektoru (plochý, vakuovaný trubicový), povětrnostními vlivy, délkou vedeného potrubí, kvalitou tepelné izolace, velikostí zásobníku a především teplotami (kolektoru, zásobníku, okolí). Proto může být stupeň využití systému solární soustavy uveden jen přibližně ze zkušenosti – 25 – 40 %. Spodní hodnoty platí spíše pro nepříznivé podmínky, např. vysoké teploty plochých kolektorů, horní hodnoty spíše pro příznivé provozní podmínky a kolektory z vakuovaných trubic. Jako střední stupeň využití může být do výpočtu dosazena hodnota 34 %. Tím může být plocha kolektorů pro naši rodinu stanovena následovně: potřeba tepla v návrhovém dnu QN,d /stupeň využití systému ηSys /záření v návrhovém dnu Gd plocha kolektorů AK

9,3 kWh/d 0,34 5,5 kWh/m2.d 2 5m

4) Dimenzování pomocí stupně využití systému a středních měsíčních hodnot Na rozdíl od dříve popsaných metod nebudou zde brány v úvahu denní potřeba energie a záření za návrhového dne, ale měsíční potřeba (denní potřeba . počet dnů v měsíci) a měsíční suma záření (denní průměry záření . počet dnů v daném měsíci). Tím lze stanovit pro každý měsíc v roce takovou plochu kolektorů, kterou bude docíleno 100% solární pokrytí potřeby. Z těchto hodnot pak může být zvolena rozumná plocha kolektorů. Tato metoda není sice tak exaktní, jako ty dříve popsané, ale je velmi názorná. Tabulka 2.3 ukazuje výsledek stanovení plochy kolektorů pro náš případ na základě měsíčních hodnot. S plochou kolektorů 6 m2 může rodina v letním období do dubna do září téměř zcela pokrýt potřebu tepla. Čistě teoreticky by bylo možno s kolektorovou plochou 23,7m2 (prosincová plocha) krýt potřebu tepla dokonce celoročně! Na tomto místě se doporučuje propočítat, kolik jednotlivých kolektorů je k dosažení celkové účinné plochy třeba a zda se na dané ploše najde vůbec místo pro jejich umístění!

19

VUT BRNO, FSI-EÚ


Tabulka 2.3 Stanovení plochy kolektorů ve srovnání nabídky a spotřeby záření na 45° skloněnou jižně potřeba teplé potřebná plocha kolektoru k vody QNmon v orientovanou plochu [kWh/m2] kWh za měsíc 100% pokrytí [m2] na den Gd na měsíc Gmon leden 1,46 45 288 18,8 únor 2,45 69 260 11,1 březen 3,33 103 288 8,2 duben 4,15 124 279 6,6 květen 4,85 150 288 5,6 červen 4,81 144 279 5,7 červenec 5,16 160 288 5,3 srpen 4,81 149 288 5,7 září 3,87 116 279 7,1 říjen 3,01 93 288 9,1 listopad 1,56 47 279 17,6 prosinec 1,15 36 288 23,7 celkem 1237 3392 Zvolená plocha kolektorů 5,3 Byly zvoleny solární kolektory Heliostar H 320 N2P (1 ks) a Heliostar H 202 N2P (2 ks), od slovenského výrobce Thermosolar, o celkové ploše 5,29 m2. Při umístění těchto tří kolektorů tak, aby si navzájem nestínili, bude plně využit prostor střechy přístavku.

2.5. Potřebný objem zásobníku TUV Nabídka energie se zpravidla nekryje s její momentální potřebou, proto musí tepelný zásobník splňovat důležitou úlohu. Přebytečnou nabídku energie musí z kolektoru převzít a uchovat pro periody chudé na záření. Kapacita zásobníku Kapacita zásobníku je v prvé řadě otázkou způsobu akumulace. Zhruba je možno rozlišovat mezi chemickou a termickou akumulací. Chemická akumulace je pro nás běžná ve formě topného oleje, plynu nebo benzinu. Bohužel se dosud nepodařilo tento proces chemického uvolňování energie obrátit pomocí technik v přijatelných mezních podmínkách a účinnostech, proto se pro uchování tepla uplatňují jen termické, tedy tepelné zásobníky. Tyto se dělí na zásobníky pro teplo latentní a teplo „citelné“. Při změně skupenství je potřeba relativně velké množství tepla. Toto teplo se označuje jako latentní, protože nevede k žádné změně teploty. Nyní byly objeveny a zkoumány materiály u nichž změny skupenství probíhají při teplotách využitelných bezprostředně pro domácí topení nebo přípravu teplé vody. Jsou to např. parafin při 20 – 90 °C nebo různé hydráty solí mezi 25 a 70 °C. Výhodou takových latentních zásobníků tepla je výrazně vyšší akumulační kapacita, jakož i skutečnost, že se teplota při nabíjení a vybíjení změnou skupenství mění jen nepatrně. Zacházení s těmito látkami není bohužel v praxi bez problémů. Některé látky při častém nabíjení a vybíjení mění své vlastnosti a ztrácí akumulační kapacitu, u jiných dělá problémy materiál tuhnoucí na tepelném výměníku. Ačkoliv se na vývoji zásobníků latentního tepla pracuje již řadu let, není dosud na trhu žádný sériově zralý, přijatelně pracující produkt, který by byl vhodný pro přípravu teplé vody nebo vytápění.

20

VUT BRNO, FSI-EÚ


Citelné, nebo senzibilní teplo znamená, že při přívodu tepla se teplota média v zásobníku zvyšuje, při odběru tepla klesá. Vzájemné vztahy popisuje fyzikální rovnice Q = m ⋅ c ⋅ (t 2 − t1 )

(2.5)

kde Q je naakumulované, resp. odebrané teplo, m je hmotnost a t1 a t2 jsou teploty média. Velikost zásobníku Kapacita zásobníku, resp. jeho potřebný objem se řídí denní spotřebou vody. Např. čtyřčlenná rodina potřebuje pro přípravu teplé vody přibližně 10 kWh na den. Obvyklé velikosti solárních zásobníků v domovní technice se pohybují mezi 150 a 1000 l objemu. Podle empirického pravidla má být počítáno se zásobou na 1,5 až dvojnásobek denní potřeby. Tím se solární zásobníky stávají značně větší než zásobníky teplé vody u konvenčních topných soustav, které obsahují jednodenní nebo i menší zásobu teplé vody. Pro takové případy je menší množství vody dostačující, protože v domácnosti je v každé době k dispozici výkon a palivo pro dotápění. Také jejich tepelné ztráty hrají podřadnější roli, nebo nejsou vůbec brány v úvahu. Tepelné ztráty Tepelné ztráty jsou nechtěným průvodním jevem při zacházení s citelným teplem. Nastávají poté co médium v zásobníku dosáhlo vyšší teplotu než okolí, a jsou o to větší, o kolik je větší tento teplotní rozdíl. Pro redukci tepelných ztrát je nutné celou plochu povrchu izolovat bez mezer, spár a tepelných mostů. Bezpodmínečně nutná a smysluplná je nejméně 10 cm izolace, lépe ještě větší, přičemž má být použita vysoce hodnotná izolační hmota o tepelné vodivosti 0,040 W/mK nebo méně. Izolační materiál má plně přiléhat na stěnu zásobníku a nemá mít spáry, čímž se vyloučí ztráty konvekcí. Rozvrstvení tepla Majitel obvykle vyžaduje od solární soustavy vodu v rozmezí teplot mezi 45 a 55 °C. Z půlky nabitý zásobník tak může nabídnout různé kvality tepla. Např. 300 litrový zásobník se 150 l vody o teplotě 50 °C a 150 l vody o teplotě 10 °C má stejný obsah energie jako zásobník s 300 l vody 30 °C teplé. V prvním případě je odběratel spokojen a 150 ohřátých litrů spotřebuje, ve druhém případě musí vodu dohřívat cizí energií a podle okolností to přisuzuje špatné funkci solární soustavy. Rozdíl se nachází v tom, že v solárním zásobníku dochází k tepelnému vrstvení vody. Chladná voda je specificky těžší a klesá dolu. K tepelnému vrstvení tak dochází samo o sobě. Navíc má voda relativně malou tepelnou vodivost, díky které je výměna tepla mezi vrstvami s rozdílnými teplotami ztížena. Tepelné rozvrstvení se může tedy udržet tak dlouho, doku nedojde k promíchání vrstev. U konvenčních zásobníků je jejich obsah promícháván zpravidla vlivem nesprávně instalovaného přívodu a odvodu vody, nevhodného tvaru nádrže, atd. U solárních zásobníků lze jejich vhodnou konstrukcí dosáhnout význačného a stálého tepelného vrstvení a tím i dobrého výnosu celé solární soustavy. Nabíjení a vybíjení Rozhodující vliv na tepelné vrstvení vody v zásobníku mají pochody probíhající při nabíjení a vybíjení, tedy při přísunu tepla a jeho odběru, které probíhají u tepelných zásobníků buď nepřímo prostřednictvím tepelného výměníku nebo přímo, tj. přitékající a dotékající vodou. Pro přípravu teplé vody je nejlépe použitelný zásobník s nepřímým nabíjením a přímým vybíjením. Oddělením spotřebního okruhu od okruhu solárního se směsí vody s prostředkem proti zamrzání umožňuje celoroční provoz i při nebezpečí mrazu. Na vnitřním tepelném

21

VUT BRNO, FSI-EÚ


výměníku vzniká při přívodu tepla do zásobníku vzhůru směřující konvekční proudění, které vede k jistému promíchání při nabíjení. Vybíjení naproti tomu probíhá po vrstvách.

Obr. 2.8 Tepelný zásobník s nepřímím nabíjením a přímým vybíjením Konstrukční detaily Správné vrstvení je také ovlivněno následujícími konstrukčními detaily: - štíhlé stojaté nádrže – pozitivně ovlivňují termické stoupání vody v zásobníku - vpouštění studené vody u dna nádrže – je zajištěno formou širokého přítoku s promyšleně nastavenou, předřazenou plechovou zarážkou, která omezuje válcové kroužení vody v zásobníku - odběr teplé vody nahoře – usměrněním proudu může být obdobně zabráněno víření v zásobníku - napájení solární energií v dolní třetině zásobníku, nejčastěji prostřednictvím vnitřního tepelného výměníku. Má to ale tu nevýhodu, že prouděním v zásobníku dochází vždy také k promíchání vrstev. - Všechna uspořádání musí být konstruována tak, aby pokud možno chladná teplonosná kapalina tekla zpět do kolektoru a umožnila tak příznivé podmínky pro výkon celé soustavy. Jak již bylo řečeno, rozumný objem zásobníku je pro 1,5 až dvoudenní potřebu, nebo 70 až 100 l na osobu. Při uvažování vyššího stupně solárního krytí (např. 60 %) je vhodné použít horní hodnotu, pro nižší krytí (40 %) stačí hodnota menší.

Doporučení pro detailnější dimenzování: 1) Objem zásobníku = denní potřeba [v l] + 20 až 50 % přirážka pro špičky + 20 l na m2 plochy kolektorů, přičemž přirážka na špičky závisí na velikosti soustavy: 5 - 10 kWh/d 10 - 15 kWh/d 15 - 20 kWh/d 20 - 55 kWh/d

50% 40% 30% 20%

V našem případě to znamená: denní potřeba + přirážka na špičky 0,5 . 200 l + přirážka na kolektory 5,29 . 20 l = objem zásobníku celkem

200 l 100 l 105 l 405 l

2) když známe potřebnou plochu kolektorů AK, lze objem zásobníku určit také podle vztahu:

22

VUT BRNO, FSI-EÚ


VSP ≥ (70 až 100) l / m 2 ⋅ AK

(2.6)

Pro náš případ to vychází: VSP ≥ (70 až 100) . 5,29 = 370 až 529 l Interval hodnot dovolí vybrat z obvyklých velikostí zásobníků. Pro naši rodinu zvolíme zásobník o objemu 400 l.

2.6. Teplonosná kapalina Teplonosné médium má za úkol transportovat teplo od kolektoru k tepelnému zásobníku, resp. k uživateli. Na teplonosné kapaliny musí být proto kladeny následující požadavky: - vysoká tepelná jímavost, tzn. velká specifická tepelná kapacita - vysoká tepelná vodivost (vzhledem k přestupu tepla v kolektoru a ve výměníku - nízká viskozita, tj. dobré vlastnosti pro tok a proudění kapaliny - mrazuvzdornost až 10 K pod střední nejnižší teploty, požadované při projektování ústředního vytápění, podle lokality až -28 °C - v oblasti provozních teplot se nesmí projevit var - nesmí podporovat korozi potrubních systémů Mimoto nesmí být teplonosné kapaliny hořlavé, jedovaté, žíravé nebo dráždivé a musí být biologicky odbouratelné.Téměř ideálně splňuje většinu těchto požadavků voda. Protože však při teplotách pod 0 °C zamrzá, může být bez příměsí použita jen v letním provozu (soustavy bez tepelných výměníků). Pitná voda mimoto vykazuje v mnoha místech vlivem obsažených iontů a vlivem zvýšeného obsahu kyslíku korozivní účinky, takže solární soustavy bez tepelných výměníků mohou používat jen materiály dostatečně odolné korozi (měď, ušlechtilou ocel, plasty). Použitelná teplonosná média Pro solární soustavy se středoevropském klimatu jsou používány převážně směsi vody s nemrznoucími přípravky (glykoly) s přídavkem přípravku proti korozi (inhibitoru), které jsou nabízeny pod různými názvy. Nesmí být opomenuty antikorozivní přísady, protože jednoduchá směs vody s glykolem působí korozivněji než samotná voda. Protože jsou inhibitory koroze rychle pohlcovány (rozkládány) vzdušným kyslíkem, nejsou takové směsi vhodné pro otevřené solární systémy, do nichž nelze vyloučit přístup vzduchu. Oproti přednostem mrazuvzdornosti a menšího rizika koroze mají směsi vody s prostředky proti zamrzání několik zásadních nevýhod, které je nutno brát v úvahu: - Specifická tepelná kapacita glykolu je výrazně nižší než vody (cca 25 %). Se stoupajícím obsahem glykolu úměrně klesá tepelná kapacita směsi glykolu s vodou. Proto musí být specifický průtok tepelného nosiče solárním okruhem oproti vodě o 5 až 40 % zvýšen. - S přibývajícím obsahem glykolu ve směsi způsobuje stoupající viskozita směsi horší přestup tepla v tepelném výměníku a větší ztráty třením v potrubí, což vyžaduje větší výkony čerpadel. - Mimoto klesá povrchové napětí vody, takže směs prolíná do pórů materiálů, které jsou při použití samotné vody „těsné“. Z výše uvedených důvodů není ve většině případů vhodné přidávat do vodní směsi více mrazuvzdorného přípravku, než je pro zajištění jeho funkce nezbytně nutné. Přesto bývají pro zajištění vyššího bodu varu příležitostně používány směsi 90 % glykolu a 10 % vody. Takové směsi posunou bod varu kapaliny při 200 kPa (2 barech) přetlaku na 170 – 180 °C, takže se

23

VUT BRNO, FSI-EÚ


může zamezit vzniku „varu“ v soustavě pro nižší teploty při chodu na prázdno. Je to ovšem vykoupeno horšími vlastnostmi teplonosného média. Zacházení s teplonosnými kapalinami Kontrola obsahu prostředku proti mrazu, např. po výplachu a plnění soustavy, se provádí relativně jednoduchým měřením specifické hustoty pomocí hustoměru (areometru). Podle hustoty se dá z informačního listu výrobce vyčíst obsah prostředku, případně bod tuhnutí směsi. Nejčastěji používané etylenglykoly a propylenglykoly nejsou úředními předpisy zařazeny mezi „vodu ohrožující látky“ a jsou biologicky odbouratelné, platí však za zvlášť sledované odpady. Nezředěné zbytky těchto kapalin musí být musí být odstraňovány jako zvláštní odpad a nesmí být vylévány do kanalizace. Přivádění zředěných směsí glykolu a vody do biologických čistíren odpadních vod podléhá částečně vodohospodářskému schválení, podle výrobců však není třeba při odborném provedení očekávat poruchu provozu čistírny. Mimo výše uvedených vodních teplonosných kapalin jsou v obchodě k dispozici teplonosné oleje, které neobsahují ochranu před korozí. Jsou nejen výrazně dražší než glykoly, ale jsou i více viskózní (zvýšené zatížení čerpadla). Mimoto napadají běžná těsnění a spojovací materiály v čerpadlech a armaturách, takže vyžadují jejich zvláštní a tedy i dražší provedení. Jejich použití je proto vyhrazeno zvláštním případům, např. ve vysokoteplotní oblasti (nad 200 °C). Teploty varu Protože moderní solární kolektory dosahují v klidovém stavu až 200 °C i více, zaslouží si teplota varu teplonosné kapaliny zvláštní pozornost. Zatímco syntetické teplonosné oleje vykazují vesměs bod varu nad 200 °C, leží teplota varu vodních teplonosných kapalin za normálního tlaku 106,6 kPa (1066 mbar) podle podílu vody mezi 100 – 110 °C. Při přetlaku 250 kPa (2,5 bar), jaký je ve standardních soustavách běžně používán, stoupá teplota varu na 130 – 150 °C. Protože jsou kolektory v posledních letech stále výkonnější a mohou také dosahovat vyšší teploty v klidovém stavu, začaly se mezitím nabízet prostředky proti mrazu na glykolové bázi s vyššími teplotami varu. Přesto platí: dostane-li se kolektor v důsledku výpadku čerpadla do klidového stavu a není více ochlazován, nelze var teplonosné kapaliny vyloučit. Pro zajištění bezpečnosti soustavy musí proto být využita i jiná opatření.

Firma Thermosolar, výrobce solárních kolektorů Heliostar, nabízí i teplonosnou kapalinu Solaren EKO. Jedná se o netoxickou, nezapáchající, ekologicky nezávadnou kapalinu s nízkým bodem tuhnutí. Je to roztok propylenglykolu s inhibitory koroze, stabilizátory a pěnotvornou přísadou. Neobsahuje fosfáty, dusitany a aminy. Obsahuje hořkou přísadu, které je ochranou proti náhodnému požití při porušení těsnosti tepelného výměníku a průniku do okruhu pitné vody. Není vhodná pro styk s pozinkovaným materiálem. Kapalina je biologicky odbouratelná. Životnost náplně je v uzavřeném systému minimálně 6 let.

2.7. Regulace solárního systému Řízení a ovládání Řízení tj. koordinační centrum solární soustavy, má plnit následující úlohy: - Řízení oběhového čerpadla (čerpadel) v solárním okruhu za účelem optimalizace zisků z kolektorů a zásobníku. - Udržování hraničních teplotních hodnot v zásobníku

24

VUT BRNO, FSI-EÚ


Mimo těchto dvou hlavních úloh mohou moderní řídící jednotky převzít četné dodatečné funkce: např. analýzu chování soustavy, kontrolu funkce a sledování zisků, jakož i sledování závad a bezpečnosti soustavy. Koncept ovládání má různý vliv na funkci, účinnost a hospodárnost soustavy. V zásadě platí: čím je řízení komplikovanější a nákladnější, tím je těžší správné nastavení a větší poruchovost. Díky pokrokům elektroniky v posledních letech se staly regulační jednotky s mnoha pomocnými přídavnými funkcemi jednoduše ovladatelnými, robustními a k tomu cenově dostupnými. Týká se to i mikroprocesory řízeného, inteligentního nebo samoregulačního ovládání. Řízení pomocí diference teplot Pro ovládání funkce oběhového čerpadla (nebo čerpadel) se v solárních soustavách používají spínače, založené na diferenci teplot. Teplotní čidla na kolektoru a v zásobníku měří teploty a mění je v elektrické signály (napětí, změny odporu) elektronicky porovnávané. Teplotní čidla a elektronika jsou navzájem seřízeny tak, aby čidla různých výrobců většinou nešla navzájem měnit. Překročí-li teplota v kolektoru teplotu v zásobníku o několik stupňů (nastavitelných), je oživen přepínač (relé). Přepínač může být zatížen hodnotou napětí v síti a slouží pro zapínání a vypínání chodu oběhového čerpadla, nebo jiných ovládacích prvků, např. elektroventilů. Ovládání čerpadla pomocí teplotní diference mezi kolektorem a zásobníkem (dvoupolohové řízení) je nejjednodušší koncepcí řízení, nacházející zásadní uplatnění i u moderních mikroprocesorových regulátorů. Takové přístroje nabízejí kromě základní funkce i doplňkové možnosti komfortního ovládání. Technika řízení a pokyny pro montáž Požadavky na čidla Teplotní odolnost čidla musí být přizpůsobena maximální teplotě v klidovém stavu (od 160 až přes 200 °C). Přesnost čidla pro pracovní teplotu (20 – 80 °C) musí být taková, aby chyba v měření čidla regulačního přístroje nepřekročila v součtu 2 až 3 K. Téměř bez výjimky se požívají odporové teploměry. Např: Pt 1000 (odpor 1000 Ω při 0 °C). Montáž čidla Montáž čidla musí být provedena tak, aby byly měřeny skutečné teploty. Zásobníkové čidlo má měřit teplotu vody v okolí solárního tepelného výměníku. Podle konstrukce a vestavby tepelného výměníku do zásobníku (ležatý nebo stojatý) má být čidlo umístěno ve výšce mezi horním okrajem a středem tepelného výměníku. Ve většině solárních zásobníků jsou pro tento účel provedeny odpovídající otvory (s 1/2" vnitřním závitem), do nichž se zašroubuje jímka z mosazi nebo nerezu (a utěsní se konopím). Tepelné čidlo má přiléhat k vnitřním stěnám jímky a styk má být zlepšen přidáním tepelně vodivé pasty, aby byl zajištěn dobrý převod tepla. Má být zasunuto co nejhlouběji do jímky a zajištěno svěracím šroubem proti vysmeknutí. Někteří výrobci vybavují své zásobníky na povrchu pláště svěrací lištou, takže různá čidla mohou být jednoduše upevněna, což šetří čas pro montážní práce. Přitom musí být čidla umístěna pod povrch tepelné izolace. Připojovací kabely mohou být zpravidla prodlouženy dvoužilovým elektrokabelem. (Je nutné všímat si pokynů výrobce!) Kolektorové čidlo měří teplotu nejteplejšího kolektoru na výstupu k zásobníku. Vhodná jsou čidla zasahující dovnitř kolektoru, přičemž je třeba dbát na to, aby čidlem nebylo narušováno proudění teplonosného média z kolektoru; lepší jsou čidla montovaná v kolektorové skříni na absorbér (ploché čidlo na plechu absorbéru). Tato čidla reagují na rychleji a měří vyšší teplotu.

25

VUT BRNO, FSI-EÚ


Čidla na potrubí jsou vždy nouzovým řešením, ale je nutné je použít, pokud není možná montáž v kolektoru nebo ve sběrné trubce. Upevňují se pomocí hadicové spony, pokud možno nejblíže k místu, kde se ohřev projeví nejrychleji. Musí být obalena úměrně tlustou tepelnou izolací, aby udávala skutečnou teplotu trubky a ne střední teplotu mezi trubkou a vzduchem. U předem vyrobených kolektorů a zásobníků jsou zpravidla jímky s čidlem již předem připraveny, takže stačí provést jen jejich elektrické propojení s řídícím centrem. Nastavení ovladače Teplotní diferenční spínač musí být nastavitelný v rozmezí od 0 do 12 K, obvykle pracuje při teplotním rozdílu mezi 5 až 10 K. Při nastavování prahů spínání je třeba respektovat řadu vlivů: - Na cestě do zásobníku se teplonosné médium ochlazuje. Tepelné ztráty při diferenci 40 °C činí podle průměru potrubí a jeho izolace kolem 5 až 10 W/m délky potrubí, přičemž nejsou započítána nejslabší místa, jako jsou ventily, šroubení atd. V praxi je třeba počítat s ochlazením od 0,5 až do 3 K. - Tolerance mezi čidly může být 1 až 2 K. - Tepelný výměník v zásobníku potřebuje pro přenos tepla nejméně 2 až 3 K a má vyrobit nejméně tolik užitné energie, kolik spotřebuje čerpadlo.

Po zapnutí čerpadla proudí nejdříve chladná voda ze spojovacího potrubí do kolektoru, takže teplota kolektoru krátkodobě poklesne. Díky dostatečné diferenci teplot nutných pro spínaní, jako i diference mezi zapínáním a vypínáním (hystereze), může být zabráněno „taktování“ čerpadla (opakovanému zapínání a vypínání). Dnes jsou téměř bez výjimky k dispozici takové regulátory, u nichž je tento jev vyloučen, hystereze má činit 1,5 až 6 K – podle tolerance požitého čidla. Kontrolní funkce Nelze opomenout jednoduchou indikaci chodu prostřednictvím signálního světla (kontrolky). Zřetelně signalizovány musí být zejména chyba ve funkci soustavy. Pro přerušení chodu a údržbu se ukázal jako velmi užitečný i vypínač čerpadla s ručním zapínáním a vypínáním. Omezení teploty zásobníku Smysluplným, a dnes zásadně do každého řízení integrovaným členem, se stává omezovač teploty zásobníku. Ten je důležitý jak pro zabránění usazování vápníku (vodního kamene) na výměníku tepla při jeho teplotách nad 70 °C, tak i pro jištění zásobníku před nadměrným nabitím. Když nedochází ke spotřebě energie, např. během dovolené mohou bez omezovacího zařízení dosáhnout teploty i přes 100 °C. Přesáhne-li teplota v zásobníku nastavenou maximální teplotu (např. 70-75 °C s ohledem na zanášení vápenatými sloučeninami, nebo max. 95 °C z bezpečnostních důvodů), uvede řídící zařízení v činnost přepínací kontakt, omezující teplotu např. odpojením oběhového čerpadla. Toho lze v zásadě dosáhnout i jednoduchým spínacím teploměrem, dodatečně nainstalovaným do zásobníku. Potřebná jsou následující opatření: Řešení 1. Odpojení oběhového čerpadla. Při překročení nastavené mezní hodnoty je odpojeno oběhové čerpadlo. Tím se dostává kolektor do stavu „chodu naprázdno“, dochází k velmi vysokým teplotám v solárním okruhu, které zase vyžadují odpovídající bezpečnostní opatření. Řešení 2.

Komentář [JŠ3]: Nová stránka

26

VUT BRNO, FSI-EÚ


Ochlazení zásobníku provozem čerpadla v noci. Namísto odpojení čerpadla, nezávisle na vybavení řídícího solárního zařízení, se může ponechat čerpadlo zapojeno i v době nízké sluneční aktivity, zejména v noci, kolektor je pak ochlazován tepelnými ztrátami propojovacího potrubí a kolektoru samotného, zásobník je vybíjen a ochlazuje se. Toto řešení nenabízí stoprocentní ochranu před přehřátím zásobníku, a proto má být kombinováno s opatřením 1. Řešení 3. Chlazení zásobníku systémem pro vytápění Je-li do zásobníku vestavěn druhý tepelný výměník pro dohřívání vody z kotelny, může být alternativně k řešení 2 přepnuto čerpadlo okruhu vody do okruhu pro vytápění domu. Teplo ze solárního zásobníku je tak odvedeno do vytápěcího systému a případně do komína. To se děje tak dlouho, až na zásobníkovém termostatu klesne teplota pod nastavenou horní hodnotu. Přebytečné teplo je možno odvést také do jiného spotřebiče, např. do cirkulace teplé vody, do jednotlivých topných těles, nebo do bazénu. Řešení 3, ve spojení s řešením 1, je nejvhodnější pro malé soustavy. Další funkce Počítadlo provozních hodin. Je velmi vhodné zařadit do řídícího systému počítadlo hodin provozu. Měření a evidence hodin provoz umožňuje při roční údržbě jednoduchou kontrolu funkce solární soustavy, případné vybavení displeji s údaji o teplotách, snímaných přinejmenším z kolektoru a zásobníku, je velmi rozumné a ulehčuje seřízení a kontrolu funkcí v detailu. Hlášení závad. Rychlému vyhledání závad ve funkci soustavy, jako např. výpadku čidla teploty (poškození kabelu), nastavení čerpadla aj., jsou nápomocny další kontrolní prvky na řídícím systému, umožňující rychlé vyhledání vzniklých závad. Ochrana kolektoru. Protože je kolektor v klidovém stavu (omezení teploty v zásobníku) vystaven enormnímu zatížení, nabízí řídící jednotky nové generace i funkci ochrany kolektoru. Při ní čerpadlo, i když splnilo podmínku pro vypnutí (byla dosažena maximální teplota v zásobníku), zůstává nadále v provozu a sice se sníženými otáčkami v případě čerpadel s regulovanými otáčkami, resp. v tzv. „přerušovaném provozu“ u čerpadel bez regulace otáček. Tím sice dosahuje kolektor vysoké teploty (např. 100 - 130 °C), zůstává však výrazně pod teplotou klidového stavu. Vlivem relativně nízké účinnosti při těchto teplotách se získané teplo téměř úplně ztrácí v rozvodném potrubí, takže již nedochází k dalšímu zvyšování teploty v zásobníku Počítadlo množství tepla. Řídící systémy novější konstrukce mimoto obsahují ještě funkce, jako je „dálkový ukazatel“ nebo „počítadlo množství tepla“. S takovými ukazateli je možno přinést informace tak říkajíc do obývacího pokoje, tak jako u termostatů při výtápění místností je možno kontrolovat i provozní stav soustavy a zaměřit se na případné změny v nastavení hodnot. V popředí je přece „dobrý pocit“ z denní produkce ekologické tepelné energie, pro stanovení energetických zisků soustav je pomocí podpůrný program Německého ministerstva pro hospodářství, který se týká dodatečného vybavení domácností počítadly tepla. Pro výpočet tepla platí: Q&= m&⋅ c ⋅ (t 2 − t1 )

(2.7)

musí být tedy známo průtočné množství ( m&) a vstupní a výstupní teplota na tepelném výměníku (t2 a t1). Do kolektorového okruhu musí být dodatečně vestavěn průtokoměr na potrubí teplé vody a dvě čidla snímající teplotu.

27

VUT BRNO, FSI-EÚ


Teplotní čidla jsou poměrně levná, ale průtokoměr je – podle velikosti a přesnosti – velmi drahý. Proto se částečně přistoupilo k odhadování množství tepla, při němž je objemový proud po uvedení soustavy do provozu dosazen do měřící jednotky jako stálá veličina. V každém případě musí být vzaty v úvahu i koncentrace a druh prostředku proti zamrzání, protože pro výpočet tepla musí být známa i tepelná kapacita (c). Jak užitečné a hodnotné jsou ukazatele a přezkoušení zisků tepla a výkonu solární soustavy, tak sporná je snaha o jejich začlenění i do malých soustav. V popředí kritiky jsou především dodatečné náklady. Všeobecné stanovení množství získaného tepla ještě nestačí pro objektivní hodnocení celého systému, protože zisk energie ovlivňuje ještě celá řada faktorů, jako je objem zásobníku, druh zařízení a regulace přitápění atd. Zatímco u velkých soustav (a nejen solárních) má průběžné měření tepla nesporný význam, je pro soustavy s méně než 20 m2 zatím jen luxusem, který se však v budoucnosti (po zlevnění měřící techniky) může stát standardním vybavením. Řízení dohřívání Aby bylo ve dnech s chybějícím slunečním zářením dohřívání optimálně sladěno se solárními zisky soustavy, nabízí některé solární řídící systémy i funkci ovládání dohřívání, která je přinejmenším v novějších ovládacích orgánech konvenčního ústředního vytápění již často do systému integrována. Totéž platí pro řízenou cirkulaci. Časové ovládání v solárním okruhu Pro velké soustavy s dlouhým potrubím a tomu přiměřeně velkými průměry v solárním okruhu, zvlášť je-li potrubí vedeno venku, může mít zařazení časového spínače do řídící jednotky své opodstatnění. Aby bylo zabráněno již dříve zmíněnému „taktování čerpadla“ při zapnutí a rychle se měnícím záření na kolektory, stará se časový spínač (označený jako Timer) o to, aby čerpadlo po zapnutí běželo po nastavitelnou minimální dobu (1 až 5 minut) tak dlouho, až se obsah teplonosné kapaliny v potrubí vymění nejméně jedenkrát. Solární soustava s bypassem Jakmile je solární soustava po delším klidovém stavu (např. po noci) vedena do chodu, je teplonosná kapalina v solárním okruhu vychladlá často pod teplotu v zásobníku. Pak dochází ke krátkodobému odvádění tepla ze zásobníku, a to tím většímu, čím je větší teplotní rozdíl a objem kapaliny v solárním okruhu. U soustav s delším spojovacím potrubím není tento efekt v žádném případě zanedbatelný. Pro tyto případy je doporučována vestavba bypassu – obtoku tepelného zásobníku. Motorkem poháněným trojcestným ventilem se uvolní cesta k tepelnému výměníku v zásobníku teprve tehdy, ohřeje-li se teplonosná kapalina v okruhu na vyšší teploty (např. o 5 K), než je právě teplota vody v zásobníku. Často se také používá čidlo reagující na záření, zapínající čerpadlo solárního okruhu v závislosti na slunečním záření. Vícenáklady na regulaci a další potrubí, jakož i nutností zapojení dalších regulačních prvků, vrůstá cena bypassu natolik, že pro malé soustavy přestává být atraktivní, zejména tam, kde je objem teplonosného média v solárním okruhu relativně malý. Regulace řízením otáček čerpadla Vedle výše popsané jednoduché regulace na základě diference teplot, která spočívá na dvou stavech – zapnuto, vypnuto, existuje řízení s regulovanými otáčkami čerpadla (spojitá regulace). Průtok v solárním okruhu tak může být měněn většinou mezi 30 - 100 % maximálního výkonu čerpadla (pod 30 % výkonu klesá značně účinnost čerpadla). V řeči odborníků se tento způsob čerpaní označuje jako „Mached-Flow systém“ (koncept variabilního průtoku). Výhodou takovéto strategie regulace je přizpůsobení objemového proudu solárnímu zisku tepla, čímž se docílí optimální výstupní teplota z kolektoru, která

28

VUT BRNO, FSI-EÚ


může být udržována např. vždy mezi 5 až 10 K nad teplotou u výměníku v zásobníku. Tím je možno při chladném zásobníku zmenšit přítok natolik, že se na vstupu do zásobníku dosáhne teplota např. 50 °C a voda v zásobníku se rychle ohřeje na požadovanou úroveň. Pro takovýto provoz jsou ovšem nezbytné zásobníky s teplotním vrstvením vody. Systém s variabilním průtokem vody byly vyvinuty a přišly na trh teprve v novější době, protože malá, otáčkami řízená čerpadla pro ústřední vytápění, nebyla dlouho dosažitelná za přijatelnou cenu. Touto strategií regulace se může tepelný zisk soustavy zvýšit o několik procent za předpokladu, že budou jednotlivé komponenty solární soustavy navzájem optimálně sladěny. Zejména při nízkých průtocích je třeba dbát na to, aby teploty kolektoru nedosahovaly zbytečně vysoké hodnoty, což by bylo nevýhodné pro jejich účinnost. Důležité jsou také výkonné tepelné výměníky, které udržují teplonosné médium na co nejnižší teplotě tak, aby do kolektoru vstupovalo pokud možno chladné. Dosud jsou soustavy s tímto konceptem řízení nabízeny jen několika výrobci, zvláště proto, že potřebná regulace a čerpadla s variabilními otáčkami zvyšují celkové náklady na soustavu. Řízení pomocí rozdílů energetických toků Díky mikroelektronice se dají s přijatelnými náklady realizovat i náročnější koncepty řízení, než je porovnávání teplot. Je nabízena i solární regulace, která namísto teplotní diference měří energetické toky v kolektoru, zásobníku v potrubí a z nich odvozuje signály pro řízení čerpadla. Měřeny jsou teploty kolektoru, potrubí zásobníku a z nich za použití charakteristik soustavy (objem, plnění, délka a průměr potrubí solárního okruhu) bilancovány a převáděny na impulsy pro provoz čerpadla. Jako příklad uvádíme situaci spínání ráno. Čidlo kolektoru ukazuje teplotu 10 K nad teplotou v zásobníku. Podle regulátoru, pracujícího s diferencí teplot, by byl dán impuls pro zapnutí čerpadla. Protože se však v potrubí nachází velmi chladná kapalina, vedlo by to nejprve k vybíjení zásobníků. Řízení opírající se o energetické toky, čeká v tomto případě tak dlouho, až je teplota v kolektoru natolik vysoká, aby bylo množství tepla, přicházející z kolektoru větší, než tepelná ztráta zásobníku (při náběhu). Je-li kapalina v potrubí již ohřáta např. při střídavém záření, pak byla rozdílem teplot mezi kolektorem a zásobníkem dosažena podmínka pro zapnutí čerpadla, taková strategie ovládání se jeví jako výhodná zvláště pro soustavy s potrubím instalovaným vně budovy, vněmž se teplonosná kapalina relativně rychle a citelně ochlazuje. Vedle komplexní elektroniky je nutné navíc nejméně jedno teplotní čidlo. Komplexnější pojetí řízení U větších a velkých soustav s více zdroji (kolektory) nebo zásobníky, které jsou projektovány a také uváděny do provozu odbornými inženýry jsou nákladné řídící jednotky nezbytné, přičemž řada z výše zmiňovaných funkcí již odpovídá běžnému stavu techniky. Jako další funkce přichází v úvahu ještě technické rozhraní, na které může být připojen počítač jak pro vyhodnocování přijímaných, tak pro zadávání dat. Souhrn Motivem pro využití náročnějšího solárního řízení až po inteligentní, samostatně rozhodující solární počítač (i pro menší soustavy) je přání, vytěžit a uplatnit pokud možno úplně energii získanou drahými kolektory. Pokud se díky dalšímu vývoji, sériové výrobě a poklesu cen stanou promyšlené řídící jednotky pro zákazníky dostupnými, mohou podstatně zlepšit účinnost solárních soustav. Nesměla by se však přehlédnout skutečnost, že komplikované řídící systémy jsou hůře přehledné při seřizování a obsluze. V tomto případě má na konci procesu uživatelské chování trvalejší vliv na výnos soustavy, než jemnosti komplikovaného řízení chodu jednoho nebo dvou čerpadel.

29

VUT BRNO, FSI-EÚ


2.8. Způsob dohřívání TUV Pro období chudá na záření, kdy může být potřeba teplé vody kryta solární energií jen částečně, jsou solární soustavy vybaveny zpravidla možností dodatečného ohřevu tak, aby byla v místě odběru stále připravena voda o teplotě 45 – 50 °C. Soustava musí být koncipována tak, aby se dohřev zapínal samostatně jen při odběru a soustava co nejvíce využívala solární energie. Jako zdroje pro ohřev přichází v úvahu kotle ústředního nebo etážového vytápění (plyn, topný olej, dřevo, uhlí), elektrické topné těleso v zásobníku nebo napojený průtokový ohřívač (elektrický, plynový). Napojení těchto zdrojů tepla, využívající fosilních zdrojů energie a jejich hydraulické přizpůsobení mají podstatný vliv na solární přínos.

2.8.1. Varianta A Dohřívání napojeným průtokovým ohřívačem. Z energetického hlediska je toto řešení nejlepší, protože průtokový ohřívač je montován přímo před spotřebič a dodává právě jen tolik energie kolik bude spotřebováno pro dosažení požadované teploty. Ztráty rozvody a ztráty cizí energie zde odpadají. to ovšem platí jen tehdy je-li instalován moderní, termostatem ovládaný ohřívač, u něhož je výkon seřízen v závislosti na teplotě tak, aby vody z výtoku u uživatele měla konstantní teplotu 45 až 50 °C. Navíc v tomto případě je k dispozici pro příjem solární energie téměř celý objem zásobníku. Pro tuto variantu je zvolen zásobník BE 400 ERM o objemu 400 l slovenského výrobce Thermosolar. Nádoba zásobníku je ocelová, vnitřní povrch včetně výměníku je smaltovaný. Protikorozní ochrana je zajištěna hořčíkovou tyčovou anodou. Pouzdro snímače teploty je umístěné nad solárním výměníkem. Zásobník je izolovaný polyuretanovou tvrdou pěnou bez freonů a je určený pro umístění na podlahu. Tento zásobník umožňuje dohřev vody na požadovanou teplotu elektrickým vyhřívacím tělesem, tato však v našem případě nebude využívána.

Obr. 2.9 Dohřívání přes průtokový plynový ohřívač

2.8.2. Varianta B Dohřívání stávajícím tepelným kotlem přes tepelný výměník v solárním zásobníku. Při tomto řešení je do horní třetiny solárního zásobníku instalován přídavný výměník (výhřevná plocha 1 m2) a propojen na přívod a zpátečku kotle. Přes nastavitelný termostat (50 – 60 °C), který ve výši tepelného výměníku sleduje teplotu v zásobníku, je zapínáno nabíjecí čerpadlo (malé 30

VUT BRNO, FSI-EÚ


topenářské čerpadlo) jen tehdy, pokud je odebírána teplá voda a teplota vody klesne pod nastavenou hodnotu. Tato varianta je v podstatě nezávislá na druhu topného kotle a paliva. Přídavný zásobník v kotli není potřebný. Moderní topná zařízení pracují s dobrou účinností i v intervalovém (přerušovaném) provozu, takže je možné jimi dosáhnout i výborné energetické využití. Pro tuto variantu je zvolen zásobník BE 400 ERMR o objemu 400 l slovenského výrobce Thermosolar. Tento zásobník obsahuje dva vnitřní výměníky – v případě nedostatečného příkonu ze solárního zařízení je možné vodu dohřívat topnou vodou z kotle pomocí druhého výměníku. Na vnější straně nádoby se v místech výměníků nachází kanály pro umístění snímačů na měření teploty v místě solárního ohřevu a kotlového výměníku. Polohu snímače vůči výměníku je možné nastavit podle potřeby. Nádoba zásobníku je ocelová, vnitřní povrch včetně výměníků je smaltovaný. Protikorozní ochrana je zajištěna hořčíkovou tyčovou anodou. Zásobník je izolovaný polyuretanovou tvrdou pěnou bez freonů a je určený pro umístění na podlahu. I tento zásobník umožňuje dohřev vody na požadovanou teplotu elektrickým vyhřívacím tělesem, ani zde však tato funkce nebude využívána.

Obr. 2.10 Dohřívání přes druhý vnitřní tepelný výměník

3. Vytápění rodinného domku Pro zajištění požadovaného stavu vnitřního prostředí jsou stanoveny při navrhování a ověřování obytných objektů, tedy i rodinných domků, určité funkční požadavky, dané normou ČSN 730540/1994 Tepelná ochrana budov. Dodržení těchto funkčních požadavků zajišťuje v budovách zejména prevenci tepelně technických poruch, tepelnou pohodu uživatelů, požadovaný stav vnitřního prostředí pro technologické činnosti a nízkou spotřebu energie při provozu budov. Dále tyto požadavky zohledňují šíření tepla, vlhkosti a vzduchu konstrukcí, tepelnou stabilitu a energetické kritérium. Potřeba tepla obecně je tepelný tok (výkon), potřebný pro vytápění místností nebo budov při podmínkách stanovených normou ČSN 060210/1994 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění. Potřeba tepla je tedy totožná s celkovou tepelnou ztrátou Qc podle výše uvedené normy. Tato norma stanoví tepelné ztráty pro nejnižší venkovní výpočtovou teplotu vzduchu te v dané oblasti. Pro Brno a okolí je tato teplota te = -12 °C. Uvedená norma ČSN 060210 umožňuje stanovení orientační tepelné ztráty objektu (rodinného domku) tzv. zkráceným způsobem (pro projektové účely), výpočtem tepelných ztrát pouze z vnějšího ochlazovaného obvodového pláště budov. Přibližná (orientační) potřeba tepla pro vytápění se určí ze vztahu:

31

Komentář [JŠ4]: Mezi číslo a ČSN tvrdou mezeru

VUT BRNO, FSI-EÚ


Q přibl . = q . V . (tis − te ) . 10−3 kde: V q tis te

(3.1)

obestavěný prostor rodinného domku [m3], tepelná charakteristika objektu [W/m3K], ta je vlastně rovna měrné potřebě tepla pro otop 1 m3 obestavěného prostoru při rozdílu teplot uvnitř a vně objektu 1 K, průměrná vnitřní teplota v objektu [°C], volí se nejčastěji 18 až 20 °C, výpočtová vnější teplota vzduchu [°C].

Takto stanovené ztráty jsou pouze orientační a je třeba je upřesnit. Začátek a konec topného období je dán legislativním ustanovením o poklesu venkovních teplot. Pro běžné obytné budovy, mezi něž patří i rodinný dům, je začátek topné sezony dán dvěma po sobě jdoucími dny, kdy průměrná teplota ve dne klesne pod +13 °C. Konec topné sezony je dán obráceně dvěma po sobě jdoucími dny s průměrnou denní teplotou vyšší než +13 °C.

3.1. Výpočet tepelných ztrát budovy Pro praktické řešení vytápění rodinných domků se musíme seznámit se zásadami normového výpočtu tepelných ztrát podle ČSN 060210/1994 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění. Je to norma závazná a platí pro prováděné otopné soustavy. Výpočet tepelných ztrát podle této normy má hlavně ten účel, aby u tradičních otopných soustav omezil nadměrné dimenzování, popř. poddimenzování otopného zařízení. Lze říci, že změna hodnot tepelných ztrát ±10 % není v provozu otopného zařízení patrná, a že tato okolnost určuje i požadavek na přesnost jednotlivých veličin. Jako podklad pro výpočet tepelných ztrát potřebujeme znát situaci domku (pokojový plán), stavební výkresy domku (půdorysy a řezy) s rozměry místností, stěn a otvorů, dále mít k dispozici údaje o konstrukci stěn, oken, dveří, podlah, stropů a střech a údaje o používání místností. Pro výpočet tepelných ztrát jednotlivých místností se určí teploty ve vytápěných místnostech ti (viz tab. 3.1) a oblastní výpočtová teplota te. Pro výpočet musíme určit i další potřebné hodnoty, např. teplotu v nevytápěných místnostech. Tab. 3.1 Teploty ve vytápěných místnostech Druh vytápěné místnosti Teplota vytápěné místnosti t [°C] koupelna 24 pracovna, obývací pokoj, ložnice, kuchyň, WC, hala 20 předsíň, chodba, schodiště, prádelna 15 zádveří 10 garáž 5 Místnosti označíme (očíslujeme) tak, že začínáme na výkrese v levém horním rohu a postupujeme ve směru hodinových ručiček, začínáme s místnostmi obvodovými a končíme s místnostmi vnitřními. Každou místnost počítáme zvlášť, stěny v místnosti probíráme opět jednu po druhé a končíme stropem a podlahou. Při „ručním“ výpočtu jsou dílčí výsledky zaokrouhlovány, a to následovně: tepelné ztráty jednotlivých stěn na 5 a 10 W, dílčí hodnoty tepelných ztrát na 10 W, celková tepelná ztráta místnosti do 500 W zaokrouhlíme na 10 W a přes 500 W na 50 W. Za rozměry pro výpočet tepelné ztráty se uvažují vnitřní (světlé) rozměry, s výjimkou výšky venkovních ochlazovaných stěn, kde se uvažuje konstrukční výška podlaží, tj. včetně výšky konstrukce stropu.

32

VUT BRNO, FSI-EÚ


Nejprve je ovšem nutné pro každou stěnu (strop, podlahu) určit její součinitel prostupu tepla k. Tento spočítáme pomocí vzorce pro prostup tepla přes složenou rovinou stěnu: k=

1

αi kde

+Σ

1 Sj

λj

+

(3.2.)

1

αe

α je součinitel přestupu tepla z vnitřní a venkovní strany stěny, S je plocha stěny, λ je součinitel tepelné vodivosti, hodnoty pro jednotlivé materiály viz norma ČSN 73 0540-3

Celková tepelná ztráta je pak dána vztahem: Qc = QP + QV − QZ

kde

(3.3)

Qp je ztráta prostupem tepla, Qv je tepelná ztráta větráním, QZ je trvalý tepelný zisk

Tepelná ztráta místnosti prostupem tepla Qp se určí podle vztahu:

Q p = Qo (1 + p1 + p 2 + p3 ) kde

(3.4)

Qo je základní tepelná ztráta prostupem tepla, p1 je přirážka na vyrovnání vlivu chladných konstrukcí, p2 je přirážka na urychlení zátopu, p3 je přirážka na světovou stranu.

Základní tepelná ztráta prostupem tepla se rovná součtu tepelných toků prostupem tepla v ustáleném stavu jednotlivými konstrukcemi ohraničujícími vytápěnou místnost od venkovního prostředí nebo od sousední místnosti.

Qo = Σ k j S j (t i − t ej ) kde

(3.5)

Sj je ochlazovaná část stavební konstrukce, ti je výpočtová vnitřní teplota, te je výpočtová teplota prostředí na vnější straně konstrukce.

Tepelná ztráta prostoru větráním se stanoví ze vztahu: QV = 1300 . Vv (t i − t e ) kde

(3.6)

Vv je objemový tok větracího vzduchu.

V tabulce 3.2 je příklad výpočtu tepelné ztráty pro místnost 101 – kuchyň. V tabulce 3.3 jsou jednotlivé ztráty: základní tepelná ztráta prostupem, tepelná ztráta prostupem, ztráta větráním

33

VUT BRNO, FSI-EÚ


a celková tepelná ztráta. Trvalý tepelný zisk v této místnosti není žádný. Výpočty tepelných ztrát ostatních místností jsou uvedeny v příloze. Tab. 3.2 Výpočet tepelné ztráty místnosti 101

0 0 1 1,7 0 0 0 0 1 2,43 0 0 1 1,62 0 0 0 0 0 0

-2

Qo

1+p1+p2+p3

Δt

-1

na světovou stranu

-2

na urychlení zátopu

k

k Δt

na vyrovnání vlivu chladných stěn

2

přirážky tepelná ztráta

rozdíl teplot

2

součinitel prostupu tepla

plocha otvorů m

plocha bez otvorů

2

m cm m m 101 SN 23 3,5 2,9 10,15 SN 30 4,15 2,9 12,03 DN 0,85 2 1,7 SN 15 3,5 2,9 10,15 SN 45 2,8 2,9 8,12 DN 0,9 2,7 2,43 SO 45 1,4 3,3 4,62 OD 0,9 1,8 1,62 Pdl 40 3,5 4,15 14,52 Str 40 3,5 4,15 14,52

základní tepelná ztráta počet otvorů

plocha

šířka nebo výška

délka

tloušťka stěny

označení stěny

místnost

plocha stěny

p1 m Wm K p2 p3 K Wm W 10,15 1,19 5 5,95 60 kc 10,33 1,55 0 0 0 0,207 1,7 2 0 0 0 10,15 2,21 5 11,05 112 5,69 1,19 5 5,95 34 2,43 2 5 10 24 3 1,41 32 45,12 135 1,62 1,4 32 44,8 73 14,52 0,23 15 3,45 50 14,52 0,23 0 0 0 74,12 0,031 0 -0,05 0,981

Tab. 3.3 Tepelné ztráty místnosti 101 Qo= 488,7528 Qp= 479,5363 Qv= 486,7489 Qz= 0 Qc= 966,2852 Tab. 3.4 Místnosti a jejich tepelné ztráty Tepelná Číslo místnosti Místnost ztráta [W] Číslo tělesa 1 Sklep 1,57 101 Kuchyň 966,28 1 102 Pokoj 1418,60 2 103 Chodba 2108,50 3 104 WC 671,13 4 105 Prádelna 1304,61 5 6 201 Pokoj 457,37 7 202 Pokoj 2482,23 8 9 203 Koupelna 1415,09 10 204 Chodba 1567,93 11 301 Pokoj 1148,95 12 13 Tepelná ztráta celkem 13542,31 34

Typ tělesa Radik VKM 21-800/600 Radik VKM 20-2000/600 Radik VKM 33-900/600 Radik VKM 11-500/900 Radik VKM 20-600/600 Radik VKM 20-600/600 Radik VKM 20-800/600 Radik VKM 20-1600/600 Radik VKM 20-1600/600 KORALUX 1000/1830 Radik VKM 21-1100/600 PRISMA 366/1600 Radik VKM 21-800/300

VUT BRNO, FSI-EÚ


Tepelné ztráty všech místností jsou uvedeny v tabulce 3.4 Také jsou zde uvedena vybraná tělesa s odpovídajícím tepelným výkonem. Podle celkové tepelné ztráty byl vybrán kotel. Nejbližší vyšší tepelný výkon nabízený výrobcem je 18 kW, avšak plně regulovatelný v rozsahu 30 až 100 %.

3.2. Tlakové ztráty otopného systému Při proudění kapalin nebo plynů v potrubí platí základní vztah pro určení tlakové ztráty (spádu) Δp ve tvaru: Δp = λ ⋅

kde:

1 w2 ⋅ ⋅ρ dh 2

(3.7)

Δp je tlakový spád na délce potrubí l, λ je součinitel tření w je střední rychlost proudící látky dh je hydraulický průměr potrubí, u kruhového tento odpovídá průměru d ρ je hustota tekutiny (kapaliny nebo plynu)

Pro nestlačitelné kapaliny (voda), u nichž zůstává hustota ρ v širokých mezích konstantní, platí: p1 − p 2 λ w 2 = ⋅ ⋅ρ = R l d 2

(3.8)

p1 - p2 je tlakový úbytek v potrubním úseku o délce l R je tlakový úbytek na 1 m délky nazývaný měrná tlaková ztráta. Měrná tlaková ztráta R je uváděna ve výpočtových tabulkách nebo nomogramech. Úpravou předchozí rovnice dostáváme ztrátu třením pro určitý úsek potrubí ve tvaru: kde:

p1 − p 2 = R ⋅ l = ΔpT

(3.9)

Kromě hydraulických ztrát třením ΔpT v potrubí vznikají ještě ztráty v tzv. místních odporech (armatury, ohyby, přechody apod.). Jsou určeny vztahem: Δp z = ξ

w2 ρ=Z 2

(3.10)

Hodnoty ξ jsou určeny experimentálně: stanoví se z výpočtových tabulek. Celkový tlakový úbytek v úseku je pak dán vztahem

Δp = Σ( R ⋅ l + Z )

(3.11)

Po úpravě: Δp = Σ(λ

Σl w2 + Σξ ) ⋅ρ 2 d

(3.12)

35

VUT BRNO, FSI-EÚ


Výpočet potrubní sítě pro nestlačitelné kapaliny (voda) se provádí podle vztahu (3.12). V praxi se nejčastěji vyskytují dva případy řešení výpočtu potrubních sítí: a) je dán potrubní úsek se všemi údaji, tj. s délkou a průměrem úseků, počtem a druhem místních odporů, hmotnostním průtokem látky a hledáme tlakovou ztrátu Δp. b) Je určena délka úseků, počet a velikost místních odporů, hmotnostní průtok a přípustná tlaková ztráta a hledáme odpovídající průměr d. Výpočet dvoutrubkové otopné soustavy s nuceným oběhem vody Celkový tlak Δp se u soustavy s nuceným oběhem vody skládá z tlaku čerpadla Δpč a z účinného vztlaku vyvolaného rozdílem hustot Δpρ podle vztahu:

Δp = Δp č + Δp ρ

(3.13)

Tento celkový tlak pak musí být v rovnováze s tlakovými ztrátami. Δp = Σ ( Δp T + Δp z )

(3.14)

Obvykle je účinný vztlak Δpρ značně menší než tlak čerpadla Δpč, takže pak lze brát Δp ≈ Δpč.

3.2.1. Varianta A V tabulce 3.5 je uveden výpočet tlakové ztráty potrubí vedoucí k otopnému tělesu 1. Stejným způsobem jsou vypočteny tlakové ztráty potrubí i pro ostatní tělesa (viz tab. 3.6). Podrobné výpočty viz příloha. Tab. 3.5 Tlakové ztráty okruhu přes těleso 1 číslo úseku okruh přes 1 9 11 13 těleso 14 12 10 8 Celkem

Q m [ W ] [ kg/h ] OT 1 16476,2 1419 7860,7 677 5677,8 489 1033,4 89

1,04 2,88 2,12 1,47

35 28 28 15

1033,4 5677,8 7860,7 16476,2

1,47 2,12 2,88 1,04

15 28 28 35

89 489 677 1419

l DN d [m] [ mm ]

R*l [ Pa ]

Σξ

w [ m/s ]

R [ Pa/m ]

32 26 26 13

0,50163 0,36253 0,26186 0,19064

84,69 61,17 34,89 47,77

88,08 2,2 270,439 358,5175 176,18 3 192,6136 368,7901 73,97 3 100,491 174,4582 70,22 2,2 39,0581 109,2737

13 26 26 32

0,19064 0,26186 0,36253 0,50163

47,77 34,89 61,17 84,69

70,22 2 35,50736 105,7230 73,97 1,5 50,24552 124,2127 176,18 1,5 96,30681 272,4833 88,08 8 983,4146 1071,4931

-

Z [ Pa ]

R*l + Z [ Pa ]

2585

15,02

Pro každé těleso je vypočtena tlaková ztráta potrubí od kotle přes těleso a zpět, a pro průtok přes dané těleso je stanovena tlaková ztráta 6 stupně VK. Ze součtu těchto tlakových ztrát je určen maximální součet a od něj je pro každé těleso odečtena tlaková ztráta potrubí. Výsledný rozdíl určuje jaká musí být tlaková ztráta VK, aby byla tělesa v hydraulické rovnováze. Pro tuto tlakovou ztrátu se z grafu odečte stupeň nastavení VK. Výjimku tvoří tělesa 10 a 12, která nejsou v provedení Ventil Kompakt. U nich je potřebná tlaková ztráta zajištěna vhodným ventilem s regulací tlakové ztráty. 36

VUT BRNO, FSI-EÚ


Tab. 3.6 Tlakové ztráty těles Těleso 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Průtok přes těleso 89 186 187 62 63 63 74 149 149 148 139 59 51

Tlak. Ztráta potrubí 2585 3025 3331 4447 3867 4343 3776 5118 4522 5962 4465 4356 3758

Tlak. ztráta VK pro 6 stupeň 1200 5500 5500 800 800 800 1000 3100 3100 3100 2800 500 400

Tlaková ztráta Maximální celkem součet 3785 9062 8525 9062 8831 9062 5247 9062 4667 9062 5143 9062 4776 9062 8218 9062 7622 9062 9062 9062 7265 9062 4856 9062 4158 9062

Rozdíl 6477 6036 5730 4614 5195 4718 5286 3944 4540 3100 4596 4706 5304

Stupeň nastavení VK 4 6 6 4 3 4 4 6 6 (6) 6 (4) 3

Všechny tlakové ztráty v tabulce 3.5 jsou v Pa, průtoky přes tělesa jsou v l/h. Na obrázku 3.1 je rozvinuté schéma vytápění varianta A.

Obr. 3.1 Rozvinuté schéma vytápění varianta A

3.2.2. Varianta B Postup výpočtu v případě varianty B je analogický jako u varianty A, pouze se z důvodu jiného umístění kotle liší délky a z důvodu odlišných průtoků průměry některých úseků. I zde jsou podrobnější výpočty uvedeny v příloze. Tab. 3.7 Tlaková ztráta okruhu přes těleso 1 37

VUT BRNO, FSI-EÚ číslo úseku okruh přes 1 9 11 13 těleso 14 12 10 8


Q m [ W ] [ kg/h ] OT 1 16476,2 1419 14293,3 1231 5677,8 489 1033,4 89

0,78 10,22 2,12 1,47

35 35 28 15

1033,4 5677,8 14293,3 16476,2

1,47 2,12 10,22 0,78

15 28 35 35

89 489 1231 1419

l DN d [m] [ mm ]

R*l [ Pa ]

Σξ

w [ m/s ]

R [ Pa/m ]

32 32 26 13

0,50163 0,43517 0,26186 0,19064

84,20 65,31 34,52 47,77

65,68 2,2 270,439 336,1150 667,46 4,5 416,304 1083,7642 73,17 3 100,491 173,6650 70,22 2,2 39,058 109,2737

13 26 32 32

0,19064 0,26186 0,43517 0,50163

47,77 34,52 65,31 84,20

70,22 2 35,507 105,7230 73,17 1,5 50,246 123,4195 667,46 9 832,608 1500,0681 65,68 8 983,415 1049,0906

-

Z [ Pa ]

R*l + Z [ Pa ]

4481

29,18

Tab. 3.8 Tlakové ztráty těles Těleso 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Průtok přes těleso 89 186 187 62 63 63 74 149 149 148 139 59 51

Tlak. Ztráta potrubí 4481 5973 5228 3068 2487 2963 5672 8077 7482 8932 6361 7325 6713

Tlak. ztráta VK pro 6 stupeň 1200 5500 5500 800 800 800 1000 3100 3100 3100 2800 500 400

Tlaková ztráta Maximální celkem součet 5681 12032 11473 12032 10728 12032 3868 12032 3287 12032 3763 12032 6672 12032 11177 12032 10582 12032 12032 12032 9161 12032 7825 12032 7113 12032

Rozdíl 7551 6059 6804 8964 9545 9069 6360 3955 4550 3100 5670 4706 5319

Všechny tlakové ztráty v tabulce 3.8 jsou v Pa, průtoky přes tělesa jsou v l/h. Na obrázku 3.2 je rozvinuté schéma vytápění varianta B.

38

Stupeň nastavení VK 4 6 6 3 3 3 4 6 6 (6) 5 (4) 3

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr. 3.2 Rozvinuté schéma vytápění varianta B

3.3. Způsob regulace vytápění V každém objektu lze zpravidla nalézt místnosti, které nejsou využívány po celý den. Také potřebné teploty místností v průběhu dne bývají rozdílné - podle způsobu jejich využívání. Tyto rozdílné požadavky na jedinou otopnou soustavu řeší systémy známé pod označením IRC – Individual Room Control, které zabezpečují programově řízené vytápění jednotlivých místností podle individuálních požadavků. Příkladem může být rodinný domek, kde je ráno třeba přitopit v ložnici (na vstávání), kuchyni a jídelně (na snídani) a pak je možný celkový teplotní útlum, protože všichni obyvatelé odcházejí do zaměstnání. Odpoledne se vytápí na příjemnou teplotu obývací pokoj, k večeru se přidá kuchyně a jídelna. Před spaním se zvýší teplota v koupelně (večerní hygiena) a podle potřeby a zvyku také v ložnici. Ostatní nevyužívané místnosti mají zařazen vhodný (a zpravidla různý) teplotní útlum. Součástí regulačního procesu je samozřejmě také měření skutečných teplot v místnostech; regulace tedy zohledňuje i cizí tepelné vlivy jakými jsou: oslunění, teplo uvolňované v kuchyni při vaření, teplo uvolňované přítomností osob nebo provozem různých zařízení. Regulace také částečně kompenzuje nevhodně navržené tepelné rozvody, výkony otopných těles či různě účinné tepelné izolace budov. Princip činnosti V řídicí jednotce si uživatel naprogramuje teplotní režimy jednotlivých místností. Pro každou místnost a každý den v týdnu je možno sestavit program sestávající až z osmi různých časových úseků s různými teplotami. Časové úseky je možné nastavovat s rozlišením 15 minut a teploty s rozlišením 1 °C v rozsahu 6 ÷ 35 °C. K dispozici jsou i jiné režimy (operativní změny, udržovací režimy pro zimní dovolenou atd.).

39

VUT BRNO, FSI-EÚ


Řídicí jednotka opakovaně (v cyklu 4 minut) vysílá na koncové členy (elektronické hlavice nebo koncové moduly) informace o aktuálních teplotách. Koncový člen tuto informaci přijme, srovná ji s údajem vlastního čidla prostorové teploty (které je součástí hlavice, ale může být také montováno odděleně) a podle vyhodnocené odchylky rozhodne o regulačním zásahu, který případně vzápětí provede. U teplovodních systémů se jedná o plynulé přivírání či otevírání radiátorového ventilu, u elektrických topidel o sepnutí či rozepnutí relé (umístěné v instalační krabici zpravidla poblíž topidla). Po dalších čtyřech minutách přichází z řídicí jednotky ke koncovému členu aktualizovaná (pokud nedošlo ke změně programu tak stejná) požadovaná teplota a celý děj se opakuje. Řídicí jednotka může též vysláním speciálního dotazu zjistit skutečnou teplotu na dané adrese a zobrazit ji na displeji, případně využít k jiným činnostem. U verze konfigurované k vypínání kotle jsou např. sledovány skutečné teploty jednotlivých místností a porovnávány s požadovanými; jakmile jednotka zjistí, že bylo dosaženo požadavků ve všech místnostech, vydá prostřednictvím zvolené adresy povel k vypnutí kotle (pomocí koncového modulu 07.. a relé DRP0). Jakmile teplota libovolné místnosti poklesne pod požadovanou úroveň, dojde opět k zapnutí kotle. Přenos dat i napájení z řídicí jednotky ke koncovým členům probíhá po dvouvodičové sběrnici - nestíněné dvojlince, ke které jsou členy připojeny - a to až pro 8 adres. Jedna řídicí jednotka může řídit 16 adres prostřednictvím dvou větví sběrnice: levá větev dvojlinky řídí adresy 1 ÷ 8, pravá větev adresy .1 ÷ .8 (celkem 16). Sběrnice je napájena malým napětím (9,2 V) a je zkratuvzdorná. Regulační souprava je z hlediska elektrické bezpečnosti přístrojem třídy II. Instalace sběrnice je tedy relativně snadnou záležitostí srovnatelnou s rozvodem telefonu. Aby komunikace mezi řídicí jednotkou a koncovými členy byla jednoznačná, musí mít koncové členy svoje adresy. Ty jsou určeny propojkou na desce elektroniky koncového členu (provedení 1 ÷ 4) a polaritou připojení sběrnice (tedy celkem 8 kombinací na každé větvi). Na jedné adrese mohou být až 3 koncové členy. Řídicí jednotky ETH 1 jsou vybaveny porty pro připojení PC. Počítač pak může sloužit jak k monitorování, tak programování či jinému ovládání řídicí jednotek. Tato přednost vynikne zejména u velkých objektů, kde je možno centrálně řídit soupravu s více řídicími jednotkami (hotely, administrativní budovy, ...). Regulace vytápění Otopné soustavy jsou ve smyslu příslušných norem projektovány a dimenzovány podle tepelných ztrát vytápěného objektu pro nejnižší venkovní teplotu v daném regionu; v našich krajích jde o teploty cca -12 °C (až -18 °C). Skutečný počet dnů s takto nízkými teplotami je však nepatrný a otopná soustava je tak po většinu trvání topné sezóny značně předimenzovaná. Její výkon je třeba snižovat a k tomuto účelu slouží právě nejrůznější způsoby regulace. Dalším důvodem k regulaci je také dosažení tepelné pohody. V současné době se pro vytápění používají především otopné soustavy: - teplovodního ústředního (etážového) vytápění s různými typy zdrojů (plynovými, elektrickými kotli, kotli na tuhá paliva, tepelnými čerpadly, ... atd.), - přímotopné elektrické, (elektrické konvektory, sálavé panely, podlahové topné rohože, ... atd.), tj. soustavy bez kotle a teplonosného média. Pomineme-li velmi jednoduché formy ovládání výkonu otopné soustavy, lze rozdělit oblasti regulace na: - regulace centrálního zdroje, - individuální regulace otopných těles.

40

VUT BRNO, FSI-EÚ


Regulace zdroje Do nedávné doby byly běžně používány pouze dva základní principy: - termostat v referenční místnosti - ekvitermní regulace Regulace pokojovým termostatem v referenční místnosti Ve vytápěném objektu je vybrána místnost, jejíž teplotní režim je určen jako vztažný a rozhoduje o míře vytápění celého objektu. Jakmile je v této místnosti dosaženo požadované teploty, je pokojovým termostatem vyslán povel zdroji s požadavkem jeho vypnutí či potřebného omezení okamžitého výkonu. Dojde-li naopak ke snížení teploty v referenční místnosti pod požadovanou míru (což je dáno citlivostí, resp. hysterezí termostatu), obdrží zdroj povel k zapnutí či zvýšení okamžitého výkonu. Praktická provedení termostatů mohou být rozličná. Od nejjednodušších prostých termostatů s jediným ovládacím kolečkem (potenciometrem) k nastavení požadované teploty až po komfortní programovatelné termostaty s možností nastavení několika různých útlumů během dne; ve spolupráci s dostatečně inteligentním kotlem i možností relativního plynulého automatického nastavování okamžitého výkonu kotle (jen v určitém rozsahu). Ekvitermní regulace Zabezpečuje přizpůsobení okamžitého výkonu otopné soustavy aktuální venkovní teplotě prostřednictvím regulace teploty otopného média. Bude-li pro minimální venkovní teplotu (např. -15 °C) potřebná teplota náběhové vody 90 °C, stanoví projekt, jaké teploty náběhové vody budou potřebné pro jiné (vyšší) venkovní teploty. Tato závislost se ve formě vhodně zvolené křivky zadá ekvitermnímu regulátoru. Možná je i kombinace s pokojovým termostatem. Technicky se potřebné teploty náběhové vody dosahuje zpravidla směšováním teplé vody z kotle s vratnou vodou ve směšovací armatuře řízené elektrickým pohonem z ekvitermního regulátoru. Konstrukce a možnosti ekvitermních regulátorů jsou rozmanité, mohou být i s časovým programem vhodných útlumů a podobně. Problémem je umístění venkovního čidla s ohledem na jeho případné oslunění či další (povětrnostní) vlivy. Regulace otopných těles - ruční - termostatické hlavice - elektronická regulace dvoustavová (termopohony) - elektronická regulace plynulá (servopohony) Metody regulace zdroje tepla jsou na hranici svých možností a s výjimkou nepatrného zvyšování účinnosti jednotlivých prvků otopné soustavy je již nelze dále rozvíjet. Zásadním krokem vpřed je metoda nesoučasného vytápění jednotlivých místností; jejím cílem je vytápět jednotlivé místnosti na takové teploty, které jsou v daném čase požadované a potřebné. Znamená to ovšem jednoznačně přechod od regulace zdroje k regulaci výkonu otopných těles. Nejde již o regulaci teploty otopné vody, ale o regulaci průtoku - tedy množství otopné vody. Tato změna regulačního principu má rovněž dopad na hydrauliku otopné soustavy (zabezpečení rovnoměrného zaplavování jednotlivých větví otopné soustavy a dodržení určitého rozmezí diferenčního tlaku vyvozovaného oběhovým čerpadlem). Ruční regulace Ruční otevírání a uzavírání radiátoru jeho kohoutem je nejprostší metodou regulace. Lidská obsluha je však pracná, drahá a nespolehlivá. Ve stávajících objektech jsou kohouty často již

41

VUT BRNO, FSI-EÚ


nepohyblivé vlivem usazeného vodního kamene či jiných nečistot a tak i samotná možnost ruční regulace nepřipadá prakticky v úvahu. Termostatické hlavice Ventily s termostatickými hlavicemi jsou přímočinné proporcionální regulátory s malým pásmem proporcionality. Nepracují s žádnou pomocnou energií a reagují na odchylku mezi nastavenou a skutečnou teplotou v místnosti. Používané pásmo proporcionality bývá zpravidla 2 K (tedy např. při 20 °C bude ventil otevřen, při 22 °C uzavřen). Teplotní čidlo hlavice je založeno na tepelné roztažnosti pracovní látky (vosk, speciální kapalina); při ohřátí se látka roztahuje v pružné nádobce (vlnovci) a tlačí na kuželku ventilu uzavírajícího průtok otopného média radiátorem. Požadovaná teplota se nastavuje ručně prostřednictvím otočné části hlavice. Pro uspokojivou funkci otopné soustavy s termostatickými ventily je nezbytné její poměrně dokonalé hydraulické vyvážení zabezpečující stejnou tlakovou ztrátu každého otopného tělesa a stabilní průtok jednotlivými částmi otopné soustavy ve všech situacích. Reakční doba termostatické hlavice je relativně velmi dlouhá. Při jejím regulačním zásahu navíc dochází ke vzájemnému ovlivňování ostatních hydraulických okruhů - změna průtoku jedním ventilem ovlivňuje změnu průtoku jinými ventily a naopak. Dokonalé vyvážení je tedy prakticky vyloučené, nestabilita soustavy může způsobovat i její kmitání. Řešením může být použití speciálních radiátorových ventilů s integrovaným regulátorem diferenčního tlaku (které se objevily až v nedávné době a jejich cena je výrazně vyšší) nebo elektronické regulační soupravy s dostatečně rychlou reakcí, která vzniklá nevyvážení rychle kompenzuje. Praktickou provozní nevýhodou termostatických hlavic je nebezpečí jejich zatuhnutí působením vodního kamene a jiných nečistot. Nastává zpravidla po skončení letního období, kdy hlavice byla několik měsíců bez pohybu; doporučení výrobce k občasnému ručnímu protočení na tom jen stěží něco změní. Systémovou nevýhodou termostatických hlavic je absence časového (programového) řízení. V rodinném domku jde např. o klasickou situaci: "jak nastavit hlavice při odchodu do zaměstnání a škol". Nastaví-li se všude útlumové teploty, vrací se obyvatelé do prochladlého bytu a relativně dlouho čekají na jeho vyhřátí. Ponechají-li se hlavice v nastavení teplot komfortních, vytápí se po celou dobu nepřítomnosti osob zcela zbytečně. Kombinované regulace Ve snaze o odstranění některých nevýhod výše uvedených regulací vznikla celá řada kombinovaných systémů; mezi hlavní z nich patří: - zónová regulace (topenářské rozdělení soustavy na větve a jejich dílčí regulace podle referenčních místností) - kombinace ekvitermní regulace s termostatickými ventily, Ve stručnosti lze říci, že některé aplikace dosahují určitého mírného zlepšení (regulace jednotlivých zón může být jistě přesnější než regulace celku), některé jsou sporné (kombinace ekvitermní regulace s množstevní regulací termostatickými hlavicemi má většinou neblahý vliv na hydraulické vyvážení a hlavice degraduje do pozice limiterů maximální teploty). Dá se očekávat, že jejich význam postupně vymizí s nástupem nových koncepcí využívajících možností elektroniky.

Rozvoj elektroniky umožnil reálnou a cenově přístupnou konstrukci systémů pro individuální regulaci vytápění jednotlivých místností (IRC - individual room control). Celková spotřeba tepelné energie v objektu se skládá ze součtu energetických spotřeb jeho jednotlivých částí (místností). Snížení teploty v kterékoliv místnosti se svým dílem příznivě projeví ve snížení celkové spotřeby energie. Elektronické regulační soupravy snadno dosahují vyšší přesnosti

42

VUT BRNO, FSI-EÚ


regulace a mají bohaté programové možnosti. Jednou z mnoha samozřejmostí bývá např. občasné automatické "procvičení" ventilu zabraňující usazování vodního kamene s nebezpečím zatuhnutí ventilu. Jednotlivé druhy systémů IRC se mezi sebou liší především typem použitého akčního členu (termopohon, servopohon) a také systémem komunikace řídicí centrály s akčními členy. Elektronická regulace dvoustavová s termopohony Běžný termopohon je zařízení, které vychází z principu termostatické hlavice. Řídicí veličinou však není teplota okolí, nýbrž teplo vestavěného topného článku vyhřívaného přivedeným elektrickým proudem. Termopohony jsou vyráběny jak pro síťové napájení 230V, tak i pro napětí nižší (24V). Připojují se dvěma neorientovanými vodiči. Přivedením proudu dojde k ohřátí vlnovce a uzavření ventilu, po odpojení proudu se ventil opět otevře; existují však i termopohony s funkcí opačnou. I na termopohon přirozeně působí také teplota okolí, což může v některých případech ovlivnit jeho funkci (např. při umístění na rozdělovači podlahového topení). Termopohon má proto definován pracovní režim v určitém pásmu okolních teplot a pro správnou funkci je nezbytné tuto vlastnost respektovat. Z téhož důvodu rovněž nelze v žádném případě doporučit jakékoliv dodatečné úpravy konstrukce těchto členů, případně dodatečné doplňování termostatických hlavic topnými články. Základní nevýhody běžných termopohonů: - dlouhá reakční doba - dvoustavová regulace "ON/OFF" - nutnost trvalého napájení. Od okamžiku přivedení proudu do termopohonu k jeho uzavření uplyne určitá doba elektrická energie se musí změnit na tepelnou, "ohřát" vlnovec a ten teprve svým roztažením uzavře ventil. Tato doba se v praxi pohybuje v rozmezí od cca 3 do 15 minut (možnost zkrácení této doby krátkodobě zvýšeným příkonem existuje, přináší však určité komplikace na straně termopohonu i napájecích obvodů). Při odpojení proudu do termopohonu musí vlnovec opět zchladnout a pak teprve ventil otevře. U "pomalejších" termopohonů tak dochází např. k nežádoucímu zaplavování radiátoru horkou vodou při nedostatečně rychlém uzavření ventilu v situaci, kdy požadované teploty v místnosti již bylo dosaženo. Běžný termopohon pracuje v režimu dvou stavů: otevřen/uzavřen. Regulace teploty vzduchu v místnosti se tedy provádí střídavým zapínáním a odpínáním elektrického napájení termopohonu. Jak vyplývá z principu činnosti, termopohony vyžadují trvalé napájení (tedy jak k přepnutí stavu, tak k udržení v jedné z možných poloh). Tento fakt předurčuje koncepci řídicí elektroniky a představuje jistá omezení. Je-li termopohon napájen, odebírá cca 2 ÷ 3 W elektrické energie, což u většího počtu řízených radiátorů představuje za topnou sezónu nikoliv nezanedbatelnou energii. Kromě běžných dvoustavových termopohonů existují v nabídce některých předních světových výrobců i modely s možností plynulého ovládání (zpravidla řídicím napětím 0 – 10 V). Jedná se však o poněkud odlišnou kategorii výrobků v jiné cenové hladině. Elektronické regulace s termopohony jsou řešeny zpravidla s centrální řídicí jednotkou osazenou mikropočítačem. Prostřednictvím teplotních čidel jsou snímány teploty v jednotlivých místnostech, porovnávány s požadovanou (programovanou) teplotou a na základě výsledku jsou spínány či odepínány příslušné termopohony. Elektronická regulace plynulá se servopohony Servopohon je akční člen, jehož vlastnosti jsou pro konstrukci programově řízeného vytápění velmi vhodné. První takovou vlastností je plynulé ovládání průtoku otopného média škrcením radiátorového ventilu. Servopohon obsahuje malý elektromotorek a převodovku s ozubenými

43

VUT BRNO, FSI-EÚ


koly ze speciálních plastových materiálů a výstupním šnekovým šroubem. Tento princip využívá firma Etatherm ke konstrukci svých elektronických hlavic od počátku své existence, přičemž cenové relace celé regulační soupravy jsou přinejmenším srovnatelné se soupravami používajícími termopohony. Druhou skvělou vlastností servopohonu s elektromotorkem je jeho paměťová funkce - mechanismus je samodržný a nastavenou polohu si zachová i při odpojeném napájení. Elektronické hlavice se servopohony tak lze řídit v určitých (pravidelných) intervalech nepatrnou energií i při jejich nasazení ve velkých množstvích. Jediným negativním projevem servopohonu může být jeho hluk při činném chodu způsobený hlukem motorku a převodovky. Tomuto problému věnovala firma Etatherm značnou pozornost a provedla řadu opatření v mechanické konstrukci i optimalizaci řízení běhu mechanismu. Je třeba připustit, že v prvních letech výroby se objevovaly hlavice, jejichž hluk byl relativně značný. Po provedení konstrukčních změn a převedení výroby přímo do vlastní firmy byla hladina hluku výrazně snížena. Hluk dnešních hlavic je vnímán pouze při soustředěném poslechu ve velmi tichém prostředí. Elektronické regulační soupravy pro individuální řízení teplot jednotlivých místností vyžadují komunikaci akčních členů s řídicí jednotkou. Tato komunikace musí být spolehlivá a měla by být instalačně snadná. Etatherm používá vlastní sběrnici, ke které se jednotlivé hlavice (moduly) připojují v libovolném místě a libovolném pořadí (z jedné řídicí jednotky 2 větve, každá po osmi adresách s max. třemi hlavicemi na jedné adrese). Komunikační a napájecí sběrnice je tvořena dvěma vodiči; napětí mezi vodiči je cca 9,2 V, proud nepřesáhne 0,5 A, při zkratu nedojde k poškození komponentů soupravy. Pro zvýšení odolnosti vůči vnějšímu rušení se pro vedení sběrnice doporučuje kroucený dvojvodič (nestíněný). K zabezpečení spolehlivého přenosu všech informací je nutno při instalaci zajistit, aby odpor sběrnice měřený od řídicí jednotky k nejvzdálenějšímu koncovému členu nebyl větší než 8 ohmů (měřeno na vstupu příslušné větve sběrnice, konec sběrnice v místě nejvzdálenějšího koncového členu zkratován). Příklady použitelných kabelů: - Up 2x0,5 ČSN 34 7711 (max. 40 m / větev), průměr izolace žíly cca 2 mm, - U 2x0,8 ČSN 34 7711 (max. 100 m / větev), max. průměr izolace žíly 1,8 mm, - U 2x1 ČSN 34 7711 (max. 150 m / větev), max. průměr izolace žíly 2 mm. Uvedené kabely lze ukládat i pod omítku. Pro odbočky od sběrnice k hlavicím je vhodné použít vodič nejvýše rozměru 2x0,5 mm nebo ekvivalentní lanko, pro které jsou určeny průchody krytů hlavic. K odbočení přívodů ke koncovým členům ze sběrnice lze použít spojky TS (pro vodiče o průměru žíly 0,4 ÷ 0,9 mm, max. průměr izolace 2,03 mm) - viz "50-příslušenství soupravy". Centrální řízení má při regulaci domku, bytů, škol, hotelů, ... nezastupitelnou roli. Umožňuje totiž prostřednictvím řídicí jednotky: - ovládat další zařízení (kotel) v závislosti na dosažení požadovaných teplot v místnostech, - uvedení celé soupravy do žádaného stavu podle různých podmínek (např. otevřít všechny hlavice při hrozícím přetopení kotle na tuhá paliva), - provádět diagnostiku regulační i otopné soustavy - evidovat údaje využitelné pro rozdělování topných nákladů mezi jednotlivé uživatele Běžnou možností dnešních regulací s centrální řídicí jednotkou (nebo jednotkami) je jejich připojení k osobnímu počítači. Pomocí dodaného programu (Etatherm svůj program KomWin nabízí zdarma) lze řídicí jednotku programovat, konfigurovat i jinak ovládat s mnohem vyšším komfortem. PC rovněž umožní archivaci mnohých dat, sad programů atd. S rychlým průnikem PC do domácností je tato funkce regulační soupravy vysoce oceňována. U velkých objektů (hotely, školy, ...) je využití PC praktickou nutností.

44

VUT BRNO, FSI-EÚ


Koncovými členy soupravy jsou obecně: - elektronické hlavice se servopohonem proporcionálně ovládající ventily radiátorů teplovodního vytápění, - koncové moduly ovládající desky paměťových relé spínajících/odpínajících elektrická topidla (konvektory, sálavé panely, podlahové vytápění, akumulační kamna atd.), - speciální členy (s odlišným rozsahem teplot, konc. modul s venkovním čidlem, konc. modul-spínač, atd.). Napájení řídicí jednotky (12V ss) je řešeno samostatným síťovým zdrojem (v zásuvkovém provedení). Do zvláštního vstupu řídicí jednotky lze přivést externí řídicí povel, kterým lze vyvolat zvláštní programový režim (odpojení el. topidel signálem HDO, otevření ventilů el. hlavicemi, přiřazení jiných uživatelských programů vytápění vybraným adresám, atd.). Pracovní podmínky (platí pro všechny prvky soupravy): - max. relat. vlhkost vzduchu: 80 % - rozsah teplot okolí: 0 ÷ +40 °C Teplovodní otopná soustava Řešení otopné soustavy při aplikaci regulace nesoučasného vytápění je obdobné jako u jiných soustav s množstevní regulací, např. termostatickými ventily. Přesnost a vysoká dynamika regulace Etatherm přitom však velmi často příjemně kompenzuje některé - jinak mnohem obtížněji řešitelné - nedostatky vlastní otopné soustavy (předimenzované radiátory, určité hydraulické nevyvážení ... atd.). Stejně jako při aplikaci termostatických ventilů je nutné kontrolovat maximální diferenční tlak, neboť při dosažení žádané teploty ventily částečně nebo zcela uzavírají průtok média. Diferenční tlak nesmí dosáhnout hodnot, které způsobují hluk ventilů (podle konstrukce otopných soustav se tyto hodnoty pohybují od 2 kPa do 15 kPa). K nastavení a stabilizaci diferenčního tlaku lze využít různých způsobů. Mezi nejpoužívanější patří: - Samoregulační oběhové čerpadlo. Na trhu je k dispozici řada elektronicky samočinně regulovatelných oběhových čerpadel, která udržují v otopné soustavě konstantní tlak nezávisle na proměnném hydraulickém odporu soustavy. Se snižujícím se výkonem čerpadla klesá také elektrický příkon. - Přepouštěcí (obtokový) ventil - regulátor diferenciálního tlaku. V případě, že není žádoucí výše uvedené řešení (např. proto, že je instalováno neregulované čerpadlo třeba i jako pevná součást kotle), je možné shuntové zapojení s regulátorem dif. tlaku (neboli přepouštěcím či obtokovým ventilem). - Automatický regulátor diferenčního tlaku. Regulátor diferenčního tlaku se montuje zpravidla do zpětného potrubí. Jde o ventil s ovládáním průtoku membránou, která registruje tlak v přívodním potrubí vnější impulzní trubicí (připojenou přímo či prostřednictvím měřicího ventilu) a tlak ve zpětném potrubí vnitřní impulzní trubicí. Výsledný diferenční tlak je pak udržován konstantní v širokém rozmezí změn zatížení ve větvi i diferenčního tlaku v napájecím rozvodu. Používá se například na patách patrových (panelových) domů nebo na vstupech větších objektů.

Proti „zatuhnutí“ kuželky ventilové armatury vlivem nečistot fyzikální i chemické povahy je souprava Etatherm vybavena automatickým denním proběhem ventilů. Kombinace elektronických hlavic s termostatickými je principiálně možná; teplotní režim v místnosti s termostatickými hlavicemi však nelze programovat a existuje reálné nebezpečí výše uvedeného zatuhnutí. Zdroj tepla (kotel, výměníková stanice ...) pracuje při aplikaci množstevní regulace autonomně - podle teploty a průtoku média; obecně je např. řízen kotlovým termostatem.

45

VUT BRNO, FSI-EÚ


Řídicí jednotka však může být doplněna o funkci umožňující odpínání kotle při programované venkovní teplotě či při dosažení požadovaných teplot ve všech místnostech. Souběžná aplikace ekvitermní a množstevní regulace je v zásadě možná; průběh ekvitermní regulace je však nutno změnit tak, aby byla vždy k dispozici dostatečná regulační rezerva potřebná pro individuální množstevní regulaci. Bez tohoto opatření by individuální regulátory pracovaly pouze jako limitery a v době útlumu by nemohly být plně vytápěny zvolené místnosti. Uvedená úprava představuje ekvitermní předregulaci, která může mít svůj význam především u větších zdrojů tepla a při dodávce tepla na větší vzdálenosti. Otopná tělesa musí být opatřena vhodnými armaturami (blíže viz "El. hlavice"). Armatury musí být namontovány tak, aby el. hlavice byly umístěny ve svislé poloze s ohledem na vhodnou cirkulaci vzduchu okolo teplotního čidla (pozor při aplikaci rohových ventilů!). Nelze-li podmínku dodržet, je nutno provést oddělenou montáž čidla. Souprava Etatherm má řadu modifikací, které umožňují optimalizovat řešení regulace otopné soustavy podle konkrétních podmínek a požadavků uživatele; příkladem mohou být následující aplikace: Vypínání kotle Řídicí jednotka průběžně vyhodnocuje skutečné teploty v jednotlivých řízených místnostech a porovnává je s požadavkem programu. Zjistí-li, že ve všech (či vybraných) řízených místnostech již bylo dosaženo programovaných teplot, vyšle v nejbližším cyklu na určenou (zpravidla poslední) adresu povel pro koncový modul KK 7 k vypnutí relé (kotle, čerpadla, ...). Jakmile dojde v kterékoliv vybrané řízené místnosti k poklesu teploty na hodnotu nižší než programovanou, je obdobným způsobem vyslán povel k zapnutí relé. Limit Na vstup PWM řídicí jednotky lze přivést proud cca 5 mA přes kontakt termostatu sledujícího teplotu náběhové vody na výstupu kotle (např. na tuhá paliva). Při dosažení teploty nastavené na tomto termostatu otevře řídicí jednotka všechny hlavice, aby se omezila možnost přetopení kotle. Čidlo venkovní teploty Na vybranou adresu je možno připojit modul KK2. s externím venkovním čidlem a vhodným rozsahem teplot (-28 ÷ +30 °C). Relé připojené k tomuto modulu může ovládat podle venkovní teploty a příslušného programu na této adrese např. režim kotle (snížení výkonu při teplejším počasí) či nabíjení akumulačních nádrží. Existují rovněž čidla (6 ÷ 93 °C) pro snímání teploty vyhřívaných zásobníků teplé užitkové vody (umožňující jejich zařazení do řetězce řízených topidel), čidla ke snímání náběhové vody na výstupu z kotle (38 ÷ 96 °C) a další komponenty. Hydraulika otopné soustavy Aby teplovodní otopná soustava správně plnila svůj účel, je nutné její správné hydraulické vyvážení zabezpečující: - rovnoměrné předávání tepla do jednotlivých vytápěných prostorů - optimální tlakové poměry, které nezpůsobí zvýšenou hlučnost provozu regulačních ventilů - dosažení požadovaných výkonových parametrů. Vyvážení musí být samozřejmě podmíněno kvalifikovaným projektem s následným nastavením příslušných prvků soustavy.

46

VUT BRNO, FSI-EÚ


Tyto jednoduché zásady bývá často obtížné splnit v praxi. Situace je složitá zejména při rekonstrukcích, kdy se např. ve stávající otopné soustavě mění radiátorové kohouty za ventily opatřené termostatickými hlavicemi. Kvalifikovaná nabídka zahrnující kromě dodávky termostatických ventilů také vyvážení soustavy připadá zákazníkovi cenově nezajímavá a dá přednost levné nabídce bez potřebného vyvážení. Výsledek bývá dosti problematický, často přímo žalostný. Principiálně je úkolem vyvážení zabezpečit projektované průtoky jednotlivými větvemi ve všech provozních situacích a nepřekročit určitou hladinu diferenčního tlaku, při které se objevuje hluk způsobený zvýšeným průtokem zejména radiátorovými ventily. Velikost diferenčního tlaku, při kterém popisovaný jev nastává, je různá podle typu ventilu i míry jeho uzavření. Obecně se za mezní považuje hodnota 20 kPa. Z hlediska dalších souvislostí lze však doporučit provozní diferenční tlak na radiátorovém ventilu cca 8 kPa. Problematika správného vyvážení je široká. Zahrnuje správnou dimenzi oběhových čerpadel, termostatických ventilů, vhodnou konstrukci rozvodů a optimální rozmístění speciálních vyvažovacích prvků i stabilizátorů diferenčního tlaku. Řešení otopné soustavy při aplikaci regulace nesoučasného vytápění Etatherm je obdobné jako u jiných soustav s množstevní regulací (např. běžnými termostatickými ventily). Přesnost a vysoká dynamika elektronických hlavic Etatherm se servopohonem a plynulým ovládáním průtoku média radiátorovými ventily však částečně kompenzuje některé - jinak mnohem obtížněji řešitelné - nedostatky vlastní otopné soustavy (předimenzované radiátory, určité hydraulické nevyvážení ... atd.). Nároky na přesné vyvážení za těchto okolností nejsou tak přísné a zejména u menších objektů nečiní při kvalifikovaném přístupu větších potíží. Stejně jako při aplikaci termostatických ventilů je však nutné v soustavě kontrolovat maximální diferenční tlak, který nesmí dosáhnout velikosti způsobující hluk, případně nedostatečné uzavírání ventilů. Při uzavření ventilů (vlivem zvýšení venkovní teploty, vlivem programu, ...) klesá hydraulický odpor celého vedení k nule; není-li použito vhodných opatření či stabilizačních prvků, přenáší se plný diferenční tlak vyvozovaný čerpadlem na radiátorové armatury!!! Dochází ke zvýšení hluku ventilů a potížím s jejich řádným uzavíráním. Metod omezení maximálního diferenčního tlaku v soustavě je celá řada. Jejich aplikace bývá zpravidla výrazně odlišná pro malé objekty s jednoduchou otopnou soustavou oproti velkým vícepodlažním bytovým domům či administrativním budovám. Základní metody omezení maximálního diferenčního tlaku Oběhové čerpadlo s elektronickým řízením otáček Na trhu je k dispozici řada elektronicky samočinně regulovatelných oběhových čerpadel s vestavěnými frekvenčními měniči, která udržují v otopné soustavě konstantní tlak nezávisle na proměnném hydraulickém odporu soustavy. Již řadu let existují také oběhová čerpadla s automatickou změnou výkonu v závislosti na charakteristice potrubní sítě, která při snižování průtoku snižují svůj výtlak pod nominální úroveň (Willo, Grundfos). Příjemným důsledkem aplikace těchto typů čerpadel je také snížení příkonu elektrické energie potřebné k jejich provozu. Obdobnou funkci mají též běžná čerpadla doplněná "vnějším" frekvenčním měničem. Tlaková čidla tohoto měniče lze podle potřeby umísťovat na vhodná místa potrubní soustavy. Přepouštěcí ventil Pokud není z jiných důvodů třeba zabezpečit určitý minimální průtok kotlem, navrhuje se přepouštěcí ventil tak, aby byl ve jmenovitém režimu (při projektovaných jmenovitých průtocích radiátory) uzavřen. Jakmile dojde k uzavírání radiátorových ventilů, snižuje se celkový průtok a zvyšuje se diferenční tlak Dp. Při určité nastavené hodnotě přepouštěcí

47

VUT BRNO, FSI-EÚ


ventil otvírá a stabilizuje tento tlak v úzkém rozmezí daném jeho charakteristikou. U menších soustav, kde dopravní výška čerpadla přímo odpovídá potřebám navrhované otopné soustavy, není nutný sériový ventil SV. Zdvih kuželky ventilu Maximální zdvih kuželky ventilu s elektronickou hlavicí Etatherm je cca 0,8 mm. Zásadní důvody pro omezení maximálního zdvihu kuželky radiátorového ventilu jsou dva: - nelinearita charakteristik prvků v regulační smyčce, - omezení nežádoucích přechodných dějů v otopné soustavě. V regulační smyčce běžné množstevně regulované otopné soustavy jsou patrné tři vlivy, které způsobují nelineární průběh výsledné charakteristiky: - nelinearita průtokové konstrukční charakteristiky radiátorového ventilu, - deformace této charakteristiky v provozním zapojení vlivem provozní autority ventilu - nelineární závislost výkonového toku otopného tělesa na průtoku. Uvedené nelinearity či deformace mají v zásadě podobný průběh, ve výsledné křivce se sčítají a zvyšují deformaci výsledné křivky. Omezením zdvihu do oblasti pod 1 mm se vliv největších nelinearit eliminuje. Druhým (neméně závažným) důvodem k omezení maximálního zdvihu je vyloučení závažných problémů při přechodných dějích v otopné soustavě, kdy nadměrně otevřené ventily mohou způsobit příliš velké výkyvy diferenčního tlaku v některých místech soustavy, případně hydraulicky zkratovat jiné větve. Typickým případem může být ranní zátop ve větším panelovém domě s ekvitermně regulovanou otopnou soustavou doplněnou o regulaci radiátorovými ventily s termostatickými hlavicemi. Termostatické hlavice zůstanou ve většině případů nastavené na nějaké "komfortní" teplotě. Přes noc však došlo k teplotnímu útlumu ekvitermní regulací a termostatické hlavice postupně otevřely ventily. Teplotní odchylka činí několik °C a pokud by nebyl průtok ventilu rozumně limitován (omezeným zdvihem, přednastavením), dojde k jeho nadměrnému zvýšení. Hydraulický odpor příslušné větve se výrazně sníží a ovlivní (sníží) průtok jinými větvemi - může způsobit až tzv. "hydraulický zkrat". Výsledkem může být, že radiátory blízké zdroji budou přetápět a radiátory vzdálené začnou topit až se značným zpožděním (i několik hodin). Může také dojít k hydraulické nestabilitě provázené tepelněhydraulickými oscilacemi. Omezením zdvihu na cca 0,8 mm u elektronických hlavic Etatherm jsou všechny výše uvedené nežádoucí vlivy výrazně eliminovány.

3.4. Kotel I když můžeme spotřebu energie pro vytápění stále více snižovat lepší tepelnou izolací, vzduchotěsným obvodovým pláštěm a moderní tepelnou technikou, stále je potřeba spolehlivý zdroj tepla s dostatečným výkonem, který musí být plně regulovatelný podle aktuální potřeby. Pro obě varianty byl zvolen plynový kotel od firmy Junkers, obě varianty s maximálním výkonem 18 kW.

3.4.1. Varianta A V této variantě je kotel umístěn v kuchyni a zaústěn do původního komína, který je nově vyvložkován. Kotel ZW 18-1 KE Novastar patří díky svým jedinečným rozměrům (700 × 400 × 295 mm, váha 28 kg) k nejmenším plynovým závěsným kotlům na světě ve své výkonové třídě. Přes tyto rozměry disponuje topným výkonem 18 kW s plynulou regulací v rozsahu 30-100 % pro maximálně úsporný provoz a účinností až 92,2 %. 48

VUT BRNO, FSI-EÚ


Snadnou obsluhu kotle zajišťuje kombinace vizuálních a dotykových prvků, všechny symboly jsou přizpůsobeny mezinárodním standardům. Kotel je vybaven též jednoduchou autodiagnostikou pomocí LED-diod na ovládacím panelu. Speciální konstrukcí kotle bylo dosaženo bezproblémové přístupnosti ke všem komponentům, což umožňuje rychlý a hlavně finančně nenáročný servis. Díky plynulé regulaci výkonu, zvětšené ploše sekundárního deskového výměníku a vestavěnému snímači průtoku vody, tzv. aquasenzoru, je kombinované provedení kotle Novastar schopno udržet nezávisle na průtoku stále stejnou požadovanou teplotu vody (TV) bez odchylek a může tak nabídnout ve své třídě výjimečný 2-hvězdičkový komfort přípravy TV dle normy EN 13203. Kotel umožňuje univerzální varianty připojení pro snadnou a rychlou montáž. Vývody kotle jsou nově v horizontální poloze a jsou vzdáleny 100 mm od zadní hrany kotle. V případě požadavku na instalaci pod omítku je možné pokračovat z horizontálních vývodů rovnou do zdi. Pod krytem kotle nalezneme komplet prvků zčásti zaměnitelným s předešlou generací Novastar. Měděný šnekový výměník dominuje celkovému prvnímu pohledu na kotel. Ostatní části se ztrácejí za ovládací deskou, v níž je umístěna řídicí elektronika. Po jednoduchém vysunutí jednotky se objeví kompaktní hydroblok, jehož součástí je deskový výměník, čerpadlo s odvzdušněním, trojcestný ventil, snímač průtoku, dopouštěcí ventil, pojistný 3 bar ventil a čidlo NTC výstupu teplé vody. Tab. 3.9 Parametry kotle ZW 18-1 KE Novastar Výkon ZW 18-1 KE Novastar Vytápění Jmenovitý tepelný výkon Jmenovitý tepelný příkon Teplota Maximální tlak Jmenovité množství vody při ΔT=20K, 18 kW Zbytková dopravní výška čerpadla při jmenovitém průtoku Příprava teplé vody Jmenovitý výkon Jmenovitý příkon Teplota Maximální tlak vody Maximální průtok Minimální provozní přetlak

6,0 - 18 kW 7,1 - 20,5 kW 45-90 °C 3 bar (300 kPa) 800 l/h 0,2 bar (20 kPa) 6,0 - 20,0 kW 7,1 - 22,8 kW 40-60 °C 10 bar (1000 kPa) 10 l/min 0,35 bar (35 kPa)

Za povšimnutí jistě stojí sekundární deskový výměník TV se 14 nerezovými deskami, který svou velikostí přesahuje předchozí provedení. Komfort průtoku vody při 8 litrech za minutu získal dle normy EN 13203 dvě hvězdičky. K vylepšení rychlosti nátopu systému a snížení hlučnosti napomáhá čerpadlo Grundfoss se třemi volitelnými rychlostmi a automatickým odvzdušněním. K vyjmutí a vyčištění kulisy nebo motoru čerpadla postačí pouze šroubovák na povolení aretace a vyjmutí pojistky stabilizující polohu čerpadla. Kotel je plně elektronický, takže o zapálení a kontrolu plamene se starají elektrody. Veškeré informace jako je teplota výměníku, tlak vody, nastavení požadavků a provozní stavy je možné nalézt na čelní ploše ovládacího panelu. Výkonové nastavení plynové armatury a nastavení topného výkonu od 7 do 18 kW umožňuje vstup do servisní úrovně elektronické desky přes servisní a zároveň deblokační tlačítko. Ovladači určenými k nastavení teploty topení a ohřevu vody se 49

VUT BRNO, FSI-EÚ


pak nastaví konkrétní požadavek daného topného systému, použitého komína, tlaku plynu, tlaku vody atd.

3.4.2. Varianta B V této variantě je kotel umístěn v prádelně v přístavku hned vedle solárního zásobníku. Kotel ZSN 18-6 AE CERASTAR je v provedení turbo s odvodem spalin přes zeď. Provozní stav, tedy přepínání mezi topením a přípravou teplé vody, zajišťuje trojcestný ventil pomocí třípolohového motorku, který je ovládán 230 V z řídicí elektroniky. Plynulá regulace výkonu PCL pro maximalizaci úspor, elektronika Bosch Heatronic, vysoká účinnost až 93%, známka „Ekologicky šetrný výrobek“, patentovaný vodou chlazený hořák ThermoStar, nerezový výměník, ADS – automatický diagnostický systém řízení kotle, tichý provoz, jednoduchá obsluha pro každého, snadná a rychlá instalace, elegantní a moderní design Junkers, kvalita i pro další generace. Kotel Cerastar konstrukční řady 6 je přístroj pro vytápění a ohřev teplé užitkové vody. Kotel je vybaven elektronikou Bosch Heatronic - elektronickým mozkem pro optimální provoz. Bosch Heatronic zajišťuje vysoký komfort obsluhy přístroje v uživatelské úrovni a transparentní průběh servisních úkonů pro odborníky. Atmosférický lamelový Low-Nox hořák ThermoStar se vyznačuje extrémně nízkými emisemi škodlivin a mimořádně nízkou hladinou hluku 40 dB(A). Speciálním uspořádáním různě vysokých lamel na povrchu hořáku a vodním chlazením lze cíleně ovládat teplotu spalování v celém rozsahu výkonů. Velmi snadné je i čištění, kdy díky speciálnímu uchycení hořáku stačí pouze uvolnit rychlouzávěry a těleso hořáku vyjmout bez nutnosti vypouštění topné vody z kotle. Kotel má tepelný výměník z nerezové oceli s dlouhou životností, je vybaven systémy PCL (plynulou automatickou regulací pro optimální přizpůsobení výkonu kotle aktuální potřebě tepla a teplé vody) a ADS (autodiagnostický systém zjednodušující prostřednictvím displeje údržbu a servis). Závěsný kotel s malými rozměry zabírá málo místa a lze jej instalovat také v úzkých výklencích nebo v obytné zóně, např. na chodbách jak v bytech, rodinných domcích a dalších objektech občanské vybavenosti. Tab. 3.10 Parametry kotle ZSN 18-6 AE CERASTAR Výkon ZSN 18-6 AE CERASTAR Max. jmenovitý tepelný výkon Max. jmenovitý tepelný příkon Min. jmenovitý tepelný výkon Min. jmenovitý tepelný příkon Max. jmenovitý tepelný výkon TV Max. jmenovitý tepelný příkon TV

18,0 kW 19,8 kW 9,9 kW 10,9 kW 18,0 kW 19,8 kW

4. Počítačová simulace Pro ověření energetických zisků solárního kolektoru byl použit simulační program TRNSYS. Pomocí tohoto programu byla nasimulována solární soustava se solárními kolektory otočenými na jih, se sklonem 45° a o celkové ploše 5,29 m2. Technické parametry těchto kolektorů jsou určeny podle plochých solárních kolektorů Heliostar firmy Thermosolar. Solární zásobník o objemu 400 l je vybaven vnitřním solárním výměníkem o teplosměnné

50

VUT BRNO, FSI-EÚ


ploše 1,8 m2. Dohřívání je provedeno pomocí plynového kotle prostřednictvím topné vody přes druhý vnitřní výměník o teplosměnné ploše 1,0 m2. Rozměry tohoto zásobníku byly převzaty ze skutečného solárního zásobníku BE 400 ERMR firmy Thermosolar. Data o solárním záření celkovém a difuzním, teplotách, rychlosti a směru větru jsou průměrem z dlouhodobých měření na meteorologickém stanovišti Brno. Tato data načte z datového souboru typ 9 (data reader) a jsou přepočtena pomocí typu 16 (solar procesor) z horizontální plochy na plochu skloněnou pod úhlem 45°. Tato přepočtená data jsou poslána na typ 1 (solar colector), u kterého jsou zadány technické parametry kolektorů. Ty z těchto údajů zjistí zachycenou energii a tato je předána solárnímu zásobníku (typ 60). Do zásobníku je připojen také typ 6 (dohřívání) a typ 14 (simulace odběru vody). Typ 2 je regulátor, který ovládá čerpadlo (typ 3). Typ 65 je Online ploter, který vykreslí časové průběhy vypočtených dat. Typ 24 (integrátor) v nastavených časových intervalech sčítá data a tato odesílá na typ 25 (printer), který tato data tiskne do souboru.

Obr. 4.1 Schéma simulace Pro výše uvedené vstupní parametry ze simulace vychází: Celoročně: Energie dodaná do systému solárními kolektory: 2254 kWh Energie ze solárních kolektorů přenesená do zásobníku: 2047 kWh Energie přenesená do zásobníku z dohřívání : 1353 kWh Celkem energie využitá pro ohřev vody: 3400 kWh Z těchto údajů vychází stupeň solárního pokrytí: 60%. 51

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr. 4.2 Průběh teplot kolektoru a zásobníku během roku. Jaro: Energie dodaná do systému solárními kolektory: 669 kWh Energie ze solárních kolektorů přenesená do zásobníku: 588 kWh Energie přenesená do zásobníku z dohřívání : 262 kWh Celkem energie využitá pro ohřev vody: 850 kWh

Z těchto údajů vychází stupeň solárního pokrytí: 69%.

52

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr. 4.3 Teploty v zásobníku a spínání dohřívání na jaře Léto: Energie dodaná do systému solárními kolektory: 884 kWh Energie ze solárních kolektorů přenesená do zásobníku: 823 kWh Energie přenesená do zásobníku z dohřívání : 27 kWh Celkem energie využitá pro ohřev vody: 850 kWh

Z těchto údajů vychází stupeň solárního pokrytí: 97 %.

Obr. 4.4 Teploty v zásobníku a spínání dohřívání v létě Podzim: Energie dodaná do systému solárními kolektory: 475 kWh Energie ze solárních kolektorů přenesená do zásobníku: 443 kWh Energie přenesená do zásobníku z dohřívání : 407 kWh Celkem energie využitá pro ohřev vody: 850 kWh

Z těchto údajů vychází stupeň solárního pokrytí: 52 %.

53

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr. 4.5 Teploty v zásobníku a spínání dohřívání na podzim Simulací byl ověřen předpokládaný stupeň ročního využití. Zároveň byla zjištěna potřeba cizí energie pro dohřívání, které je potřeba celoročně, i když v létě je spotřeba cizí energie minimální. Při takto dimenzované soustavě nevznikají téměř žádné nevyužitelné přebytky. Více okomentovat obrázky tj. slovně říci co je která čára, poukázat na nějaké zajimavosti

5. Rentabilita pořízení a provozu Přestože je na snižování podílu fosilních paliv na krytí potřeby energie věnována velká pozornost, jsou systémy využívající alternativní zdroje energie stále ještě relativně velmi drahé. Proto byla zavedena podpora obnovitelných zdrojů energie. Podpora obnovitelných zdrojů energie ze SFŽP určená pro fyzické osoby V závěru uplynulého roku byl schválen program na podporu úspor energie a využití obnovitelných zdrojů energie pro rok 2005. Nově byla aktualizována Příloha II ke Směrnici MŽP, která určuje pravidla m.j. i pro podporu fyzických osob na vytápění nebo přípravu TUV v rodinných domech. Podpora fyzických osob je ze SFŽP úspěšně přidělována od roku 1999. Malé ohlédnutí zpět Jako se vyvíjí společnost, mající stále větší nároky na komfort, technický vývoj jde stále řízeně dopředu, tak se mění i pravidla pro přidělování podpor a příspěvků ze Státního fondu životního prostředí. Podpora obnovitelných zdrojů energie pro fyzické osoby začala v roce 1999, kdy byla vytvořena jakási pravidla, která vycházela z teorie, praxe je začala prověřovat

54

VUT BRNO, FSI-EÚ


až následně. Systém byl těžkopádný, doba od podání žádosti do připsání finančních prostředků na účet žadatele byla více než rok. Od počátku roku 2003 byly provedeny zásadní změny a podpora se začala přidělovat na základě dokončené, realizované akce, která byla uvedena do provozu. Žadatel ovšem musí nejprve vše zainvestovat sám a žádat o příspěvek může až následně. Zásadní novinky v roce 2005 Vzhledem k rostoucím cenám a menšímu počtu žádostí o podporu v loňském a předloňském roce byla navýšena podpora pro solární systémy na ohřev TUV a kotle na biomasu na 50 % a maximální limit byl posunut na 70 tis. Kč. Základní informace a požadavky pro získání podpory Předně musí být dané zařízení již nainstalováno a uvedeno do trvalého provozu. Podpora se vztahuje pouze na akce, jejichž realizace a financování byly zahájeny po 1. 1. 2003, tedy první vystavená faktura nesmí být staršího data, a které nebyly podpořeny ze SFŽP dříve. Jednotlivé typy podporovaných opatření:

Kotle na biomasu (dřevo, dřevní štěpka, peletky) - příspěvek až do výše 50 % (maximálně však 70 tis. Kč) - ekologicky šetrné způsoby vytápění a ohřevu vody pro byty a rodinné domy pomocí biomasy. Tepelná čerpadla - příspěvek až do výše 30 % (maximálně však 100 tis. Kč) - ekologicky šetrné způsoby vytápění a ohřevu vody tepelnými čerpadly v obytných budovách, včetně rodinných domů pro fyzické osoby. Jsou podporována pouze tepelná čerpadla systému země/voda, voda/voda, vzduch/voda. Ne čerpadla vzduch/vzduch! Solární systémy - ekologicky šetrné způsoby vytápění nebo ohřevu vody v obytných budovách, včetně rodinných domů pro fyzické osoby. Podporovány jsou následné typy opatření: – fototermické systémy pouze pro celoroční přípravu teplé vody - příspěvek až do výše 50 % (maximálně však 70 tis. Kč) – fototermické systémy pro přitápění a celoroční přípravu teplé vody - příspěvek až do výše 50 % (maximálně však 100 tis. Kč) – fotovoltaické systémy - příspěvek až do výše 40 % (neomezeno), zde platí odlišný systém než je výše uveden, žádosti je nutné podávat před zahájením realizace. Zde jsou podporovány pouze technologie s kolektory vhodnými pro celoroční provoz a použití certifikovaných komponentů systému splňujících platné normy a předpisy. Kdy žádost podat Nejdříve po uvedení zařízení do trvalého provozu a nejpozději 9 měsíců ode dne uvedení zařízení do trvalého provozu, který začíná dnem nabytí právní moci kolaudačního rozhodnutí. U zařízení, na které byl stavebním úřadem vydán písemný souhlas s provedením "Drobné stavby", pak dnem předání díla do trvalého provozu - protokolem od dodavatelské firmy. Po přijetí a registraci úplné žádosti, která splňuje jak formální tak technické požadavky, a po schválení podpory bude žadatel vyzván k podpisu smlouvy o podpoře. Následně mu budou převedeny finanční prostředky na účet, který uvedl ve formuláři žádosti. Smlouvou o podpoře je žadatel zavázán m.j. podpořené zařízení provozovat po dobu minimálně 5 let.

55

VUT BRNO, FSI-EÚ


Celý proces od podání žádosti do připsání finančních prostředků na účet nyní trvá v průměru 3 až 4 měsíce. I tady se ale připravují takové změny, aby bylo možné uzavřít smlouvu o podpoře a převést příspěvek téměř okamžitě po podání žádosti na Fond. Při pořizování jakéhokoliv zařízení vyžadující pro svůj provoz energii je nutná úvaha nad poměrem investičních a provozních nákladů.Většinou velmi nízké pořizovací náklady jsou vyváženy vysokými provozními náklady. Na druhou stranu nejdražší zařízení nemusí být nutně ještě ekonomické při provozu. Rovnováha mezi investičními a provozními náklady se stanovuje obtížně, protože nikdo nezná budoucí vývoj cen energií, je možné však odhadnout, že neustálý stoupající trend se v nejbližší době nezastaví. Pokud vyjdeme z tohoto předpokladu, zdá se rozumné vybrat si zařízení sice s vyššími pořizovacími náklady, ale zato s minimální potřebou draze placené energie z fosilních paliv. Pro toto řešení je téměř ideální tepelná energie získaná ze slunce. Tato neplacená energie pro jejíž získání stačí 1,5 m2 plochy absorbéru plochého kolektoru na osobu dokáže uspořit až 60 % energie potřebné pro ohřev teplé užitkové vody. Při orientačním přepočtu na koruny dostaneme zajímavé údaje: Pokud čtyřčlenná rodina s roční potřebou energie pro ohřev vody 3400 kWh přejde od elektrického bojleru pro ohřev TUV (cena 1 kWh = 3,30 Kč, tj. 11220 Kč/rok) na solární systém (pořizovací cena 45 000 Kč (bez montáže)), který jim ročně uspoří 60 % energie (tj. 6732 Kč) vrátí se jim tato investice během 6,7 let. Při minimální životnosti 20 let se vložená investice vrátí několikanásobně. Tyto orientační výpočty ukazují, že i přes několikanásobně větší vstupní náklady oproti např. obyčejnému elektrickému bojleru, může být vhodně nadimenzovaný solární systém výhodný.

6. Závěr Náklady na energii tvoří značnou část pravidelných výdajů každé rodiny, proto je jistě rozumné podniknout kroky vedoucí k úsporám a vybrat si takové zařízení, které toto umožní se stejným nebo i větším komfortem. Solární systém navrhnutý pro ohřev teplé užitkové vody pro tuto čtyřčlennou rodinu dokáže uspořit 60 % energie potřebné pro ohřev teplé vody. Ve variantě A je použit průtokový ohřívač s regulací teploty, takže je protékající voda dohřívána vždy jen na potřebnou teplotu a okamžitě před spotřebou. U varianty B je dohřívání vyřešeno pomocí druhého vnitřního výměníku umístěného v zásobníku. Zde je nutno zajistit, aby dohřívání bylo v provozu pouze při odběru vody, aby nebyl snižován stupeň pokrytí solárním systémem. Také je možno použít časové programování, kdy dohřívání bude zapnuto nějakou dobu před předpokládanou spotřebou. Např. o víkendu se dohřívání zapne (v případě potřeby) už po obědě (na mytí nádobí), kdežto během pracovního týdne stačí dohřev spustit až v době před návratem z práce. Co se týká vytápění je úspornější a jistě i pohodlnější centrální otopná soustava, která je také centrálně řízena a časově programována, než jednotlivá lokální topidla s ruční regulací. Časově programovaná regulace umožňuje nastavit vytápění jednotlivých místností na potřebnou teplotu a jen tehdy, je-li to potřeba. Přitom je velmi jednoduché toto nastavení pozměnit v případě potřeby (např. onemocnění člena rodiny, kdy je celý den vytápěna ložnice, nebo naopak při zimních prázdninách, kdy celá rodina odjede na hory a dům nemusí být vytápěn na běžné teploty). Tímto nesoučasným vytápěním je možno dosáhnout značných úspor. Ještě více by se mohlo uspořit v případě dobré izolace, která však zde není možná z prostorových důvodů. Při srovnání obou variant vychází jako lepší varianta A, ať již z důvodu dohřívání nebo z pohledu tlakových ztrát vytápění. Jako drobná nevýhoda se zdá umístění kotle v kuchyni, kde může působit rušivě. 56

VUT BRNO, FSI-EÚ


V současné době, kdy se u RD zřizují bazény je instalace solárního systému také zajímavá tím, že přebytky může ukladat do ohřevu vody v bazému

57

VUT BRNO, FSI-EÚ


7. Seznam použité literatury Knihy, skripta: [1] Cihelka a kol.: Vytápění, větrání a klimatizace, SNTL, Praha 1985 [2] Cihelka J.: Sluneční vytápěcí systémy, SNTL, Praha 1984 [3] Ladener H., Spate F.: Solární zařízení, Grada, Praha 2003 [4] Lázňovký M., Kubín M., Fišer P.: Vytápění rodinných domků, T.Malina, Praha 1996 [5] Nestle H. a kol.: Příručka zdravotně technických instalací, Europa-Sobotáles, Praha 2003 [6] Pavelek, Štětina: Experimentální metody v technice prostředí, VUT 1997 [7] kolektiv autorů: Obnovitelné zdroje energie, FCC Public, Praha 1994 Normy: [8] ČSN 060210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění, ČNI, Praha 1994 [9] ČSN 730540-3 tepelná ochrana budov, část 3: Výpočtové hodnoty veličin pro navrhování a ověřování, ČNI, Praha 1994 Internet: [10] TZB-info. [online]. c2001-2005, [1.4.2005]. . [11] Etatherm. [online]. [18.4.2005]. . [12] Thermosolar. [online]. [23.3.2005]. .

Seznam příloh

Tepelné ztráty místností Tlakové ztráty varianta A Tlakové ztráty varianta B Výkresová dokumentace Tabulka přehledu použitého materiálu (tj. Seznam těles a pod)

58

DIPLOMOVÁ PRÁCE REKONSTRUKCE VYTÁPĚNÍ RODINNÉHO DOMKU

Recommend Documents