Stavební tepelná technika 1

Stavební tepelná technika 1 - část A

Jan Tywoniak 2011

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební

Stavební tepelná technika 1 Část A Prof.Ing.Jan Tywoniak,CSc. Praha 2011

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 04/11/2011

součásti stavební fyziky

stavební akustika, osvětlení, (požární bezpečnost) stavební tepelná technika tepelná technika tepelná ochrana budov thermal performance of buildings and building components (CEN) thermal protection of buildings building physics

STT1 Tywoniak 2011 2

1


Jan Tywoniak 2011

Cíle stavební tepelné techniky

Příspěvek ke kvalitě vnitřního prostředí v budovách Příspěvek k úsporám energie v souvislosti s provozem budov (vytápění, chlazení) Příspěvek k zajištění odpovídající životnosti stavebních konstrukcí a jejich styků

Hodnocení (podle měřítka):

stavební konstrukce a jejich detaily místnosti a další prostory Budovy a jejich části STT1 Tywoniak 2011 3

Budovy jsou součástí problému změny klimatu, ale mohou být také součástí jeho řešení, pokud budou splňovat vyšší standard z hlediska environmentální udržitelnosti. Eliot Spitzer, Governor NY


2


Jan Tywoniak 2011

Přirozená řešení (přírodní, tradiční) – velká inspirace


Směrnice EU • EPBD (recast) 2010 • Příliš obecné – o to větší úloha národní implementace • Výpočty v hodnotách primární energie • Směrnicezero-energy o podpoře energiebuilding" z OZE "nearly • Směrnice o ekodesignu means a building that has a very • 2021 (2019) všechny nové budovy jako high energy performance energeticky nulové nebo blízké nulovým (near-tozero) • 2013 kontrola požadavků na budovy: • cost- optimum (?) STT1 Tywoniak 2011 6

3


Jan Tywoniak 2011

kWh/(m2a) STT1 Tywoniak 2011 7

energetické služby STT1 Tywoniak 2011 8

4


Jan Tywoniak 2011

Proporce „energet.služeb“ - bydlení Úroveň RD pasivního domu počet osob 4 celková plocha 150 m2 potřeba tepla na 150 x 20 x vytápění 1/0,9 = 3,3 MWh potřeba tepla na 550 x 4 x TV 1/0,9 = 2,4 MWh pomocná 0,4 MWh el.energie uživatelská 3,2 MWh el.energie celkem 9,3 MWh

Byt (menší bytový dům) 4 100 m2 22 % 35 % 100 x 15 x 1/0,9 = 1,7 MWh 26 % 550 x 4 x 31 % 1/0,9 = 2,4 MWh 4 % 0,4 MWh 5% 34 % 3,2 MWh 100 % 7,7 MWh

42 % 100 %


vytápění (+chlazení + …) teplá voda pomocná elektrická energie uživatelská elektrická energie

primární energie

Zero-Energy Building

FV produkce, další produkce OZE


5


Jan Tywoniak 2011

Změna proporcí energetických potřeb elektro

teplá voda vytápění

teplá voda pasivní důmSTT1 Tywoniak 2011 11

obvyklé řešení

Primární energie

elektro

solár

dřevo

Faktor energetické přeměny elektrická energie dřevo solární termický systém peletky

3,0 0,05 0,05 0,15

fotovoltaika

0,20


6


Jan Tywoniak 2011

Základní technická norma

ČSN 73 0540 Tepelná ochrana budov Část 1 Názvosloví Část 2 Požadavky 2002, 2007, nové znění (listopad 2011) ! Požadované a doporučené hodnoty Informativní hodnoty – do budoucna Příloha A Pokyny pro navrhování Část 3 Veličiny a hodnoty Část 4 Výpočtové metody Dále: soubor asi 60 ČSN (EN ISO)….. STT1 Tywoniak 2011 13

Fyzikální realita

Model děje (naše vnímání a znalosti)

Matematické vyjádření – zjednodušení Provedení výpočtu s korektními daty Získání výsledku a jeho interpretace Zatřídění: podle normy a jiných předpisů (problém: boj o dotační peníze)

04/11/2011


7


Jan Tywoniak 2011

šíření tepla

1

2 STT1 Tywoniak 2011 15

šíření tepla

vedením (kondukce, conduction) prouděním (konvekce, convection) sáláním (radiace, radiation) Klíčová otázka: druh prostředí ?


8


Jan Tywoniak 2011

proudění

v kapalinách a plynech ve vnějším prostředí v interiérech budov při površích konstrukcí proudění přirozené a nucené přestup tepla mezní vrstva (hraniční) … boundary layer, Grenzschicht


Rovnice vedení tepla (Fourierovy rovnice)

q = - λ . grad θ

 ∂ 2θ ∂ 2θ ∂ 2θ  ∂θ = a. 2 + 2 + 2  ∂t ∂y ∂z   ∂x

λ a= cρ


9


Jan Tywoniak 2011

sálání

přenos eletromagnetických vln 760 - 3000 nm (infračervená oblast)

přestup tepla

povrch - obklopující prostředí vliv sálání: lze jen obtížně vyjádřit pro libovol.místo -> analogie s prouděním Q1,2 = hr . S1(θ θ1 – θ2) .... θs , θa h = hc + hr STT1 Tywoniak 2011 19

1 RS = hc + hr hr = ε. hr0

emisivita povrchu

hr0 = 4. σ.Tm3 sálání černého tělesa σ = 5,67 . 10-8 Stefanova-Boltzmannova k. hc = hci hc = hce

→ 2,5

↑ 5,0

hce = 4 + 4.v

↓ 0,7 W/(m2K) STT1 Tywoniak 2011 20

10


Jan Tywoniak 2011

odpor při přestupu tepla normové hodnoty podle směru tepelného toku podle účelu výpočtu (tepelné toky,povrchové teploty) podle polohy v místnosti, podmínek proudění atd. ..... -------------------------------------------------------- Rsi, Rse [m2K/W] pro směr tepelného toku

nahoru

vodorovně

dolů

0,13 0,04

0,17 0,04

int. ext.

! vzduch.vrstvy (dvoupl.konstrukce) odlišně! STT1 Tywoniak 2011 21

0,10 0,04

prostup tepla

θi qsi = q = q se qse = hse (θse - θe) qsi = hsi (θi - θsi)

θsi θse θ e

q =

θ

si

− θ d

se

λ STT1 Tywoniak 2011 22

11


θi

q =

Jan Tywoniak 2011

θ

si

R

si

− θx θ = + Rx

θsi θx Rx

i

− θe RT θ x =

θse θe

Rsi R1

R2

Rse RT


Thermal resistance – „surface to surface“ – tepelný odpor – „air to air“ odpor při prostupu tepla

R RT,

RTOT


12


Jan Tywoniak 2011

RT = Rsi + R1 + R2 + R3 +… + Rse

přestup

prostup

proudění, sálání

přestup proudění, sálání

vedení

R = Σ Ri

U = 1/RT

Q = A . U . ∆θ


základní vlastnosti materiálů

tepelná vodivost (součinitel tepelné vodivosti)

λ W/(mK) ρ kg/m3 c J/(kg.K)


13

101

100

Jan Tywoniak 2011

tepelná vodivost


10-1

10-2

hustota STT1 Tywoniak 2011 27


14


Jan Tywoniak 2011

tepelná vodivost [W/(m.K)]

schopnost homogenního izotropického materiálu vést teplo izotropie? (dřevo, vláknité materiály) vliv vlhkosti (výrazný nárůst) vliv teploty (nárůst) vliv zabudování (stlačení, sedání) !!!


orientační hodnoty tepelné vodivosti

hliník ocel antikor.ocel žel.beton plná cihla EPS, XPS min.vlákna vakuové izol.

200 W/(m.K) 50 15 1,7 0,8 0,040 ….. 0,03 …?. 0,040 .... 0,00x ??? STT1 Tywoniak 2011 30

15


Jan Tywoniak 2011

druh publikovaných hodnot

hodnoty deklarované hodnoty návrhové (výpočtové) katalogy, výrobci (tendenční chování!) normy (skupiny výrobků) ! rezerva ve vlastnostech při praktickém návrhu


nestejnorodé vrstvy


16


Jan Tywoniak 2011

kotevní prvky

a Nejen problém kotev, ale i okolí…. STT1 Tywoniak 2011 33

Výpočet U a korekce

všechny nehomogenity (tep.mosty v konstrukcích) mají být zahrnuty ve výsledku ! vzduchové mezery v izol.vrstvách mechanické kotvy skrz izolaci srážková voda v obrácených střechách

Uc =

U +∆U1 +∆U2 +∆U3 + ...

! čím méně toho zpracovatel ví, tím má „lepší“ výsledky ???! STT1 Tywoniak 2011 34

17


Jan Tywoniak 2011

Úroveň 0 Narušení celistvosti podle ČSN EN ISO 6946


úroveň 1

Narušení celistvosti podle ČSN EN ISO 6946

úroveň 2 STT1 Tywoniak 2011 36

18


Jan Tywoniak 2011

vliv mechanického kotvení a) podrobně z trojrozměrného vedení tepla

ks/m2 x W/K/ks b) zjednodušení (ne pro kovové kotvy!)

∆U f = α .λ f n f A f

α= 6 mezi plášti vrstveného zdiva pokud tep.vodivost kotvy < 1,0 W/(mK), žádná korekce ! STT1 Tywoniak 2011 37

úprava

α= 0,8 (kotvení v celé výšce vrstvy) STT1 Tywoniak 2011 38

19


Jan Tywoniak 2011

vliv vody v obrácené střeše (voda na rozhraní hydroizolace a XPS)

R1 tepelný odpor vrstvy nad hydroizolací p střední množství srážek v mm/den (f.x) pro jednoduché případy = 0,04, podrobněji v EN ISO 6946


vystupující části

Pokud λ < 2,5 W/(m.K) žádná úprava Jinak: jednotná tlouštka vrstvy, s upravenou hodnotou Rsp: λ

Platí pro vnitřní i vnější povrchy λ


20


Jan Tywoniak 2011

Historie požadavků U stěna

střecha

okno

1949

1,45

1,16

1962

1,45

0,9

2,9

1979

0,9

0,51

2,9

1992

0,46

0,32

2,9

2002

0,38 (0,46) 0,30*

0,30 0,24*

1,8

2005

1,7 STT1 Tywoniak 2011 41

U [W /(m2K)]

vlastnosti neprůsv.konstrukcí 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 1949 0 0

stěna střecha

2002

20

40

60 STT1 Tywoniak 2011 42

21


Jan Tywoniak 2011

UN,20 [W/(m2·K)]

Aktuálně

Požadované

Obvodová stěna 0,30 (0,38)

Doporučené masivní: 0,25 lehké: 0,20

Cílové 0,18 … 0,12

Šikmá střecha > 45° 0,30

0,20

0,18 … 0,12

0,24

0,16

0,15 … 0,10

0,24

0,16

0,15 … 0,10

0,30

0,20

0,15 … 0,10

1,5 (1,7)

1,2

0,8 … 0,6

0,45

0,30

střecha < 45°

strop nad exteriérem strop pod nevytápěným půdním prostorem Okno a dveře z vytápěného prostoru do exterieru Podlaha na zemině

0,22 až 0,15 STT1 Tywoniak 2011 43


22


Jan Tywoniak 2011

započítání vrstev do tepelného odporu •v chráněné expozici: •pouze vnitřní plášť dvoupl.konstrukce •po hydroizolaci • výjimka: obvodové izolace pod suterénních stěn a tep.izolace pod základ.deskou (izol.materiál trvale odvolávající účinkům vlhkosti). • výjimka: obrácené střechy ! XPS •možno vynechat tenké vrstvy (folie, parozábrany apod. •! Pozor mohou být podstatné pro vlhkostní výpočty! •Konstrukce v kontaktu se zeminou: Rse = 0 STT1 Tywoniak 2011 45

vzduchové vrstvy

konstrukce jednoplášťové a dvouplášťové nevětraná vrstva R podle tabulky, nebo podrobněji výpočtem podle směru tep.toku nahoru, vodor. dolů do 300 mm jednotlivé malé otvory možné slabě větraná 0,5 . R ! (max. 0,15) ! silně větraná R -> 0, Rse = Rsi


23


Jan Tywoniak 2011

ε min. 0,8 (běžné stavební materiály, ne skla) max. 1/10 jednoho z obou dalších rozměrů STT1 Tywoniak 2011 47


24


Jan Tywoniak 2011



25


Jan Tywoniak 2011

izolační vrstvy s proměnlivou výškou Ro celkový odpor spodní části R2 nejvyšší tepelný odpor proměnlivé části


pro větší sklony než 5°! STT1 Tywoniak 2011 52

26


Jan Tywoniak 2011


Průměrná hodnota součinitele prostupu tepla - Uem

střední (průměrná) hodnota Uem – nejjednodušší vyjádření vlastností budovy jako celku (charakterizuje obálku budovy) Dosud: požadavek Uem < 0,30 + 0,15/(A/V) – dosud Nově: viz dále! ! Výpočet s vlivem tepelných vazeb mezi konstrukcemi doporučení: 2/3 požadavku nezávislé na druhu budovy 04/11/2011 STT1 Tywoniak 2011 54

27


Jan Tywoniak 2011

Průměrná hodnota součinitele prostupu tepla - Uem

Metoda referenční budovy pro nastavení požadavku Každá budova – vlastní požadavek! Podíl prosklení do 50 %: všechny konstrukce UN (požadované) – z toho Uem,N Prosklení > 50 %: odpovídající plocha nad 50 %: dosadí se zde hodnota pro neprůsvitný plášť - z toho Uem,N Vliv tepelných vazeb: paušálně konstantou 04/11/2011

Referenční budova je virtuální budova stejných rozměrů a stejného prostorového uspořádání jako budova hodnocená, shodného účelu a shodného umístění, na jejíchž všech plochách obálky budovy jsou použity konstrukce se součiniteli prostupu tepla právě odpovídajícími příslušné normové požadované hodnotě. Pokud součet průsvitných ploch tvoří více než 50 % plochy teplosměnné části obvodových stěn budovy (neprůsvitných i průsvitných, přilehlých k venkovnímu prostředí), započte se na 50% plochy teplosměnné části obvodových stěn budovy odpovídající požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla výplní otvorů a ve zbytku se uvažuje požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla neprůsvitného obvodového pláště. STT1 Tywoniak 2011 56

28


Uem,N,20

Jan Tywoniak 2011

= Σ (UN,j·Ai·bj)/ Σ Aj + 0,02

UN,j je odpovídající normová požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla j-té teplosměnné konstrukce Aj plocha j-té teplosměnné konstrukce stanovená z vnějších rozměrů; bj teplotní redukční činitel odpovídající j-té konstrukci


Požadované hodnoty průměrného součinitele prostupu tepla Uem,N,20 [W/(m2·K)]

Nové obytné budovy

Výsledek výpočtu podle ←, nejvýše však 0,50

Ostatní budovy Výsledek výpočtu podle 5.3.4, nejvýše však hodnota: Pro objemový faktor tvaru: A/V < 0,2 Uem, N,20 =1,05 A/V > 1,0 Uem, N,20 =0,45 Pro ostatní hodnoty A/V Uem, N,20 = 0,30+0,15/(A/V). 04/11/2011 STT1 Tywoniak 2011 58

29


Jan Tywoniak 2011

Energetická bilance budovy

HD Hs

Základní schéma – energetické toky STT1 Tywoniak 2011 59

? HD Hs

? STT1 Tywoniak 2011 60

30


Jan Tywoniak 2011

rozměry: vnější, celkové vnitřní, vnitřní obvodové konstrukce: vnější rozměry Podlahové plochy: celkové vnitřní rozměry STT1 Tywoniak 2011 61

• QL = H . (θi – θe) . t • QL celková tepelná ztráta během časového úseku [J] • H měrná tepelná ztráta budovy [W/K] • H = HT + HV (transmission, ventilation) • HT = HD + Hg + HU ……..+ HA • Tepelná propustnost obvodovým pláštěm • Ustálená tep.propustnost přes zeminu • Měrná ztráta prostupem tepla přes nevytápěné prostory STT1 Tywoniak 2011 62

• Měrná ztráta prostupem tepla přes sousední bud.

31


Jan Tywoniak 2011

• HD = Σ U . A + Σ ψ . l + Σ χ • HV = V . ρ . ca • tepelná propustnost zeminou ČSN EN ISO 13370 (nebo zjednodušeně) • nevytápěnými ČSN EN ISO 13789 (nebo zjednodušeně)



32


Jan Tywoniak 2011

(1-η)Qg

Qs Qm 1

ηrQV

2 Qg

primární

Q

η Qg

Qi

Qoa

energie na vstupu

vytápění Q

h

ztrátyQ

l

QT

3

TV Qr

QV

Qhs

Qww

4


B L+

RE-H

RE-E

Sys

SHS IHS (incl. HR sys->B)

THT Electr

NH VHT HR-Sys-L Sys-HL

heating

Gas or oil or coal or...


33


Jan Tywoniak 2011

HRV_B

THT

RE-H RE-E

SHS

B Sys

VHT LNC

IHS Gas or oil or coal or...

Sys-CL CR-Sys-L

Electr

Sys-HL

cooling

EXP-RE-E


Bilanci lze sestavit pro krátký nebo dlouhý časový úsek – odlišná využitelnost (proměňujících se) tep.zisků Smluvní předpoklady výpočtu: – Klimatická data – Obsazenost budovy, chování uživatelů !

04/11/2011 STT1 Tywoniak 2011 68

34


Jan Tywoniak 2011

Systém výpočtového hodnocení • Model podle ČSN ISO 13790 • časový úsek výpočtu: • sezonní výpočet (pevná délka, celý rok), měsíční (12) • klimatická data – podle lokality – referenční • jednozónový model, vícezónový model • (propojený, nepropojený)


10 000

Měsíční potřeba tepla

[MJ]

9 000 8 000

Využitelné tepelné zisky

7 000

Potřeba tepla na vytápění

6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0 01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12


35


Jan Tywoniak 2011

složitější budovy – komplexnější výpočet v budoucnu propojení energetických toků, odlišné účinnosti a odlišná media jemný krok výpočtu (hodinový), měsíční, roční ruční výpočet prakticky vyloučen profesní problém: kdo počítá tepelné ztráty? (předání dat a jejich interpretace) přerušované vytápění, tlumené (noc, víkend, prázdniny) Energetické aktivní prvky v budově (kolektory ve fasádě, fotovoltaická produkce – včetně prodeje,... ? validovaný software – podmínka úspěchu STT1 Tywoniak 2011 71

Základní hodnocení

• Q + Qr = Qh + Qw + Qt + … + • Q potřeba energie na vytápění budovy • Qr teplo zpětně získané z přídavných zařízení, z vytápěcího systému a z okolního prostředí • Qh potřeba tepla na vytápění budovy • Qw potřeba tepla na TV • Qt celková tepelná ztráta otopné soustavy


36


Jan Tywoniak 2011

metoda rovnováhy tepelných toků Pro sousední nevytápěné prostory

Hue

Hie Hiu

HU = Hiu . b

b = Hue/(Hiu – Hue) STT1 Tywoniak 2011 73

metoda rovnováhy tepelných toků Teplota v sousedním nevytápěném prostoru (s vlivem jiných zdrojů – např.solárních)

Φ Hue

Hiu

?


37


Jan Tywoniak 2011

metoda rovnováhy tepelných toků Pro sousední budovu (nevytápěnou, vytápěnou na nižší teplotu) – pomocí redukčního faktoru b

HA


Činitel teplotní redukce


38


Jan Tywoniak 2011

Problém „podzemní“ části budovy •Podlaha na terénu •Zvýšená podlaha (průlezný prostor) •Nevytápěný suterén •Částečně/zcela vytápěný suterén •Samostatná ČSN EN ISO 13370 •Řeší celkový prostup tepla s vlivem okrajů půdorysu •Mj. i dynamické efekty zeminy

Problém „podzemní“ části budovy


39


Jan Tywoniak 2011

Problém „podzemní“ části budovy

okrajové tepelné izolace – horizontální, vertikální STT1 Tywoniak 2011 79

Model budovy – rozdělení na zóny Jednozónový model Vícezónový model s ovlivněním zón mezi sebou (propojený) Vícezónový model bez ovlivnění zón mezi sebou (nepropojený) Rozdělení: podle pravidel EN ISO 13790 a/nebo národních podmínek (energetická legislativa) Problém: s nevytápěnými suterény, schodišti,… Typický příklad vícezónové budovy: výrobní budova s navazující administrativní částí (odlišné provozní profily, odlišné prosklení,…) STT1 Tywoniak 2011 80

40


Jan Tywoniak 2011



41

Stavební tepelná technika 1

Recommend Documents