Fakulta Elektrotechnická

ˇ Cesk´ e Vysok´ e Uˇ cen´ı Technick´ e v Praze Fakulta Elektrotechnick´ a ˇ ıdic´ı Techniky Katedra R´

´ PRACE ´ DIPLOMOVA

Kombinovan´ y vyt´ apˇ ec´ı syst´ em

Martin Kalensk´ y

ˇ cerven 2003

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pˇriloˇzeném seznamu.

Nemám závaˇzn´ y d˚ uvod proti uˇzit´ı tohoto ˇskoln´ıho d´ıla ve smyslu § 60 Zákona ˇc.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisej´ıc´ıch s právem autorsk´ ym a o zmˇenˇe nˇekter´ ych zákon˚ u (autorsk´ y zákon).

Martin Kalensk´ y

Podˇ ekov´ an´ı Na tomto m´ıstˇe bych rád podˇekoval vedouc´ımu diplomové práce doc. Ing. Bohuslavu Kirchmannovi, CSc. za podnˇety, pˇripom´ınky a cenné rady, které mi poskytl. V neposledn´ı ˇradˇe bych také podˇekoval celé moj´ı rodinˇe a mé pˇr´ıtelkyni za ˇ finanˇcn´ı a moráln´ı podporu po celou dobu studia na CVUT.

3

Abstrakt Tato diplomová práce je vˇenována návrhu kombinovaného vytápˇec´ıho systému a vytvoˇren´ı poˇc´ıtaˇcového simulaˇcn´ıho modelu konkrétn´ıho objektu. Cel´ y návrh a vˇsechny v´ ypoˇcty jsou provedeny pro rodinn´ y domek s tepeln´ ymi ztrátami 16,3 kW, kter´ y se ˇ e republice v okol´ı Prahy. Pˇri v´ bude nacházet v Cesk´ ybˇeru otopného systému jsem vycházel z pˇredpoklad˚ u ekologické ˇcistoty a ekonomické v´ yhodnosti, a to z d˚ uvodu stále se zhorˇsuj´ıc´ıho ˇzivotn´ıho prostˇred´ı a nutné u ´spory energie. Tyto pˇredpoklady splˇ nuje kombinovan´ y vytápˇec´ı systém, kter´ y zahrnuje pouˇzit´ı plynového kotle s radiátorovou otopnou soustavou a pro ohˇrev TUV bude vyuˇz´ıvat solárn´ıho zaˇr´ızen´ı. Simulaˇcn´ı model je vytvoˇren v programu SIMULINK, kter´ y je souˇcást´ı programového bal´ıku MATLAB. Pomoc´ı simulaˇcn´ıho poˇc´ıtaˇcového modelu se daj´ı posoudit dynamické vlastnosti pouˇzité otopné soustavy, kvalita regulace teploty a zároveˇ n m˚ uˇzeme model pouˇz´ıt pro správné nastaven´ı ekvitermn´ıho regulátoru teploty. Ekonomick´ y rozbor v závˇeru práce obsahuje porovnán´ı náklad˚ u na vytápˇen´ı r˚ uzn´ ymi druhy energie, dále obsahuje ekonomick´ y rozbor navrˇzeného systému a návratnost investic do solarn´ıho zaˇr´ızen´ı na ohˇrev TUV.

Abstract This dissertation is dedicated to a design of multi-heating system and a creation of computerized simulation figure of the exact object. Whole design and all calculations are made for family house with 16.3 kW heat loss. The house will be situated in Czech Republic near Prague. I tried to prefer environmental claims and economic aspects (not to harm environment and to save energy) during the selection of the heating system. Multi-heating system which includes gas domestic boiler with radiator heating system fulfils all the requirements. It will also uses the solar device for water heating. The simulation model is made in SIMULINK program which is a part of package MATLAB. The dynamic features and quality of control of used heating system can be reviewed by means of computerized simulation figure. The model can be also used for right setting of the thermostat. The economic balance of designed system, return of investments into the solar device and comparison of expenses for heating of different sort of energy can be found at the end of the dissertation.

Obsah ´ 1 Uvod

8

2 Zdroje tepla 2.1 Spalován´ı paliv . . . . . . . . . . 2.1.1 Spalován´ı tuh´ ych paliv . . 2.1.2 Spalován´ı kapaln´ ych paliv 2.1.3 Spalován´ı plynn´ ych paliv . 2.2 Elektrické vytápˇen´ı . . . . . . . . 2.3 Alternativn´ı zdroje energie . . . . 2.3.1 Tepelná ˇcerpadla . . . . . 2.3.2 Sluneˇcn´ı energie . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

3 Zp˚ usoby vyt´ apˇ en´ı 3.1 Rozdˇelen´ı a druhy otopn´ ych soustav . 3.1.1 Teplovodn´ı otopné soustavy . 3.1.2 Parn´ı otopné soustavy . . . . 3.1.3 Teplovzduˇsné otopné soustavy 4 Moˇ znosti regulace vyt´ apˇ ec´ıch soustav 4.1 Blokové schéma regulaˇcn´ıho obvodu . 4.2 Zp˚ usoby regulace teploty . . . . . . . 4.2.1 Nespojitá regulace . . . . . . 4.2.2 Spojitá regulace . . . . . . . . 4.2.3 Vleˇcná regulace . . . . . . . . 5 Sd´ılen´ı tepla 5.1 Sd´ılen´ı tepla veden´ım . . . . . . 5.2 Sd´ılen´ı tepla proudˇen´ım . . . . 5.3 Prostup tepla stˇenou . . . . . . 5.3.1 Prostup tepla pˇri stál´ ych 5.4 Sd´ılen´ı tepla sálán´ım . . . . . . 5.5 V´ ypoˇcet otopn´ ych tˇeles . . . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

10 10 10 11 11 12 13 13 21

. . . .

28 28 28 30 30

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

32 32 33 34 35 36

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . teplotách prostˇred´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

38 38 39 40 40 41 41

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

6 V´ ypoˇ cet tepeln´ ych ztr´ at budov 42 6.1 Obecn´ y postup v´ ypoˇctu tepeln´ ych ztrát . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4

OBSAH

5

7 Volba a n´ avrh otopn´ eho syst´ emu 7.1 V´ ybˇer zp˚ usobu vytápˇen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Návrh otopného systému . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 V´ ypoˇcet tepeln´ ych ztrát objektu . . . . . . . . 7.2.2 V´ ypoˇcet celkového otopného v´ ykonu soustavy 7.2.3 Solárn´ı systém pro celoroˇcn´ı ohˇrev TUV . . . 8 N´ avrh modelu otopn´ eho syst´ emu 8.1 Náhradn´ı elektrické schéma vytápˇeného objektu 8.2 Simulaˇcn´ı poˇc´ıtaˇcov´ y model vytápˇeného objektu 8.2.1 V´ ypoˇcet tepeln´ ych vodivost´ı . . . . . . . 8.2.2 V´ ypoˇcet tepeln´ ych kapacit . . . . . . . . 8.2.3 Simulaˇcn´ı poˇc´ıtaˇcov´ y model . . . . . . . 8.3 V´ ysledky z´ıskané na modelu . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

45 45 46 46 46 47

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

56 56 59 59 65 66 69

9 Ekonomick´ y rozbor 9.1 Porovnán´ı náklad˚ u na vytápˇen´ı r˚ uzn´ ymi druhy energie . . . . . 9.2 Náklady na navrˇzen´ y vytápˇec´ı systém . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1 Návratnost náklad˚ u do solárn´ıho zaˇr´ızen´ı na ohˇrev TUV 9.3 Náklady na nˇekteré dalˇs´ı alternativn´ı zp˚ usoby vytápˇen´ı . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

73 73 77 78 79

10 Z´ avˇ er

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

81

11 Pˇ r´ıloha 84 11.1 Podklady pro v´ ypoˇcet hodnot do matematického modelu . . . . . . . 84 11.1.1 Rodinn´ y domek STYL TL - 42 . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 11.2 Pˇr´ıloha: CD-ROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Seznam obr´ azk˚ u 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Z´ıskáván´ı tepla z odpadn´ıho vzduchu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z´ıskáván´ı tepla z povrchové vody. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z´ıskáván´ı tepla z p˚ udy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z´ıskáván´ı tepla z hlubinného vrtu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z´ıskáván´ı tepla ze dvou studn´ı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typy tepeln´ ych ˇcerpadel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura solárn´ıho ˇclánku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pr˚ umˇerné hodnoty elektrické energie [Wh/den] jednoho dne ze solárn´ıho panelu s v´ ykonem 110 Wh dle mˇes´ıc˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . .

15 16 17 18 19 20 25 27

4.1 Základn´ı blokové schéma jednoduchého regulaˇcn´ıho obvodu . . . . . . 33 4.2 Statická charakteristika dvoupolohového regulátoru s hysterez´ı. . . . . 34 4.3 Otopná kˇrivka ekvitermn´ıho regulátoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 7.1 Schéma solárn´ıho systému na ohˇrev TUV. . . . . ´ cinnost kolektor˚ 7.2 Uˇ u a energie zachycená kolektory. 7.3 Tepelná bilance zaˇr´ızen´ı. . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Tepelná bilance pˇri celoroˇcn´ım ohˇrevu TUV. . . . 7.5 Solárn´ı komplet pro ohˇrev TUV. . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

48 51 52 53 54

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

Náhradn´ı elektrické schéma vytápˇeného objektu. . . . . . . . . . . . Simulaˇcn´ı model objektu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pr˚ ubˇehy teplot otopného systému pˇri venkovn´ı teplotˇe T5 = -12◦ C. Pr˚ ubˇehy teplot otopného systému pˇri venkovn´ı teplotˇe T5 = 0◦ C. . Porovnán´ı prostorové teploty interiéru pro r˚ uzné venkovn´ı teploty .

. . . . .

57 67 69 70 71

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

V´ ypoˇcet ceny tepla v palivu. . . . . . . . . . . . . . . . . V´ ypoˇcet náklad˚ u na vytápˇen´ı. . . . . . . . . . . . . . . . Porovnán´ı celkov´ ych náklad˚ u na vytápˇen´ı. . . . . . . . . Návratnost náklad˚ u do solárn´ıho zaˇr´ızen´ı na ohˇrev TUV. Orientaˇcn´ı investiˇcn´ı náklady na tepelné ˇcerpadlo. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

74 75 76 79 80

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6

Suterén rodinného domku. . . . . . . . . . . Pˇr´ızem´ı rodinného domku. . . . . . . . . . . Podkrov´ı rodinného domku. . . . . . . . . . Podéln´ y a pˇr´ıˇcn´ y ˇrez rodinného domku. . . . Pˇredn´ı a zadn´ı pr˚ uˇcel´ı rodinného domku. . . Pravé a levé boˇcn´ı pr˚ uˇcel´ı rodinného domku.

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

85 86 86 87 88 89

6

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . .

. . . . . .

. . . . .

. . . . . .

. . . . .

. . . . . .

. . . . .

. . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

´ U ˚ SEZNAM OBRAZK 11.7 Suterén rodinného domku pro v´ ypoˇcet tepeln´ ych ztrát. . . . . . 11.8 P˚ udorys pˇr´ızem´ı rodinného domku pro v´ ypoˇcet tepeln´ ych ztrát. 11.9 P˚ udorys patra rodinného domku pro v´ ypoˇcet tepeln´ ych ztrát. . 11.10Celkové sestaven´ı tepeln´ ych ztrát podle m´ıstnost´ı. . . . . . . . . 11.11Pod´ıl jednotliv´ ych tepeln´ ych ztrát rodinného domku. . . . . . .

7 . . . . .

. . . . .

. . . . .

90 91 92 93 94

Kapitola 1 ´ Uvod ˇ Zijeme v obdob´ı, kdy svˇetové spoleˇcenstv´ı ˇreˇs´ı globáln´ı problémy, jako jsou zhorˇsován´ı ˇzivotn´ıho prostˇred´ı, zabezpeˇcen´ı dostateˇcného mnoˇzstv´ı pitné vody, potravin, energie a surovin. Celosvˇetové zásoby energie (uhl´ı, ropy a plynu) se silnˇe zmenˇsuj´ı. Hledán´ı vhodn´ ych ˇreˇsen´ı, pˇrijateln´ ych pro ˇzivotn´ı prostˇred´ı, je závaˇzn´ ym u ´kolem pro nás i dalˇs´ı generace. Dosaˇzen´ı pˇrijatelné spotˇreby energie patˇr´ı mezi hlavn´ı dneˇsn´ı priority. Tato práce se v kapitole 2 zab´ yvá r˚ uzn´ ymi zdroji energie. C´ılem tohoto pˇrehledu je ukázat, které zdroje energie jsou v dneˇsn´ı dobˇe ekologické a ekonomicky v´ yhodné. Jsou zde popsány klasické zp˚ usoby vytápˇen´ı jako je spalován´ı paliv (pevn´ ych, kapaln´ ych a plynn´ ych), vytápˇen´ı elektˇrinou (pˇr´ımotopné, akumulaˇcn´ı a sm´ıˇsené). V pr˚ ubˇehu posledn´ıch desetilet´ı se zaˇcalo pro vytápˇen´ı pouˇz´ıvat alternativn´ıch zdroj˚ u energie, které se staly pˇredmˇetem v´ yzkumu a v´ yvoje mnoha svˇetov´ ych laboratoˇr´ı. Mezi alternativn´ı zdroje energie m˚ uˇzeme zaˇradit tepelná ˇcerpadla, spalován´ı biomasy, vyuˇz´ıvá se energie slunce, vody a vˇetru. Nejv´ıce prostoru jsem vˇenoval solárn´ım systém˚ um pro vytápˇen´ı a tepeln´ ym ˇcerpadl˚ um, protoˇze maj´ı ze vˇsech alternativn´ıch zp˚ usob˚ u vytápˇen´ı v naˇsich zemˇepisn´ ych podm´ınkách nejvˇetˇs´ı uplatnˇen´ı. ˇ Ctenáˇr se dozv´ı princip funkce solárn´ıch zaˇr´ızen´ı pro ohˇrev vody i pro v´ yrobu elektrické energie a v neposledn´ı ˇradˇe také princip funkce tepeln´ ych ˇcerpadel. Kapitola 3 se zab´ yvá rozdˇelen´ım a druhy jednotliv´ ych otopn´ ych soustav. Jsou ´ redn´ı otopné soustavy zde vysvˇetleny pojmy jako lokáln´ı a u ´stˇredn´ı vytápˇen´ı. Ustˇ jsou dále rozdˇeleny podle teplonosné látky na teplovodn´ı, parn´ı a teplovzduˇsné, jsou zde uvedeny jejich v´ yhody a nev´ yhody. V kapitole 4 se zab´ yvám r˚ uzn´ ymi moˇznostmi regulace vytápˇec´ıch soustav. K vysvˇetlen´ı základn´ıch pojm˚ u pro jednotlivé druhy regulace je zde uvedeno jednoduché blokové schéma regulaˇcn´ıho obvodu. Jsou zde popsány pˇr´ımé a nepˇr´ımé regulátory. Regulace je zde rozdˇelena na spojitou (regulátory typu P, PI a PID), nespojitou (je zde popsán princip hodnˇe pouˇz´ıvaného dvoupolohového regulátoru), dále pak regulace na konstantn´ı hodnotu, programová regulace a vleˇcná regulace (vysvˇetlen princip ekvitermn´ıho regulátoru). Kapitola 5 pojednává o termomechanick´ ych základech, které je potˇreba znát pro návrh otopného systému. Je zde popsáno sd´ılen´ı tepla veden´ım, proudˇen´ım a tepeln´ ym sálán´ım. V této kapitole se také zab´ yvám prostupem tepla rovinnou stˇenou a závˇer kapitoly je struˇcnˇe vˇenován návrhu otopn´ ych tˇeles. 8

´ KAPITOLA 1. UVOD

9

V kapitole 6 je popsán obecn´ y postup v´ ypoˇctu tepeln´ ych ztrát budov. V závˇeru této kapitoly jsou vysvˇetleny pojmy tepelná ztráta vˇetrán´ım, tepelná ztráta infiltrac´ı a tepelná ztráta pˇri nuceném podtlakovém vˇetrán´ı. Kapitola 7 se zab´ yvá volbou kombinovaného otopného systému a konkrétn´ım návrhem jednotliv´ ych jeho souˇcást´ı pro konkrétn´ı objekt (popis objektu spolu se stavebn´ımi plánky a s tabulkou tepeln´ ych ztrát je uveden v kapitole 11). Mnou vybran´ y otopn´ y systém zahrnuje pouˇzit´ı plynového kotle spolu s radiátorovou otopnou soustavou a dále zahrnuje pouˇzit´ı solárn´ıho systému pro celoroˇcn´ı ohˇrev TUV, je pouˇzita ekvitermn´ı regulace teploty. Návrh otopného systému zde zahrnuje v´ ypoˇcet tepeln´ ych ztrát objektu, v´ ypoˇcet celkového otopného v´ ykonu soustavy (volbu plynového kotle) a kompletn´ı návrh solárn´ıho systému pro celoroˇcn´ı ohˇrev TUV (pricip, v´ ypoˇcet plochy kolektor˚ u, sestaven´ı tepelné bilance a volbu jednotliv´ ych komponent solárn´ıho systému). V kapitole 8 jsem vytvoˇril model otopného systému. Z náhradn´ıho elektrického schématu vytápˇeného objektu jsem metodou uzlov´ ych napˇet´ı sestavil soustavu diferenciáln´ıch rovnic, tzv. matematick´ y model vytápˇeného objektu, ze kterého jsem poté udˇelal v programu SIMULINK, kter´ y je souˇcást´ı programového bal´ıku Matlab, simulaˇcn´ı blokové schéma vytápˇeného objektu. Dále je v této kapitole provedena série velice pracn´ ych v´ ypoˇct˚ u jednotliv´ ych promˇenn´ ych (tepeln´ ych vodivost´ı a tepeln´ ych kapacit) pro mnou zvolen´ y objekt (viz. kapitola 11). V závˇeru této kapitoly jsou uvedeny v´ ysledky z´ıskané na modelu vytápˇeného objektu. Na závˇer je v kapitole 9 provedeno porovnán´ı náklad˚ u na vytápˇen´ı r˚ uzn´ ymi druhy energie. Dále je v této kapitole proveden celkov´ y ekonomick´ y rozbor mnou navrˇzeného otopného systému. Je zde spoˇc´ıtána návratnost investic, do nˇekter´ ych modern´ıch zp˚ usob˚ u vytápˇen´ı, pomoc´ı alternativn´ıch zdroj˚ u energie.

Kapitola 2 Zdroje tepla Materiály pouˇzité v této kapitole jsou ˇcerpány z [1] a [2]. Zdroje tepla m˚ uˇzeme rozdˇelit na klasické a alternativn´ı. Mezi klasické zdroje tepla patˇr´ı hlavnˇe spalován´ı paliv. Spalovat m˚ uˇzeme tuhá paliva (ˇcerné uhl´ı, hnˇedé uhl´ı, brikety, koks, dˇrevo, atd.), kapalná paliva (lehk´ y topn´ y olej, nafta) a plynná paliva (zemn´ı plyn, bioplyn, LPG). Dalˇs´ım zdrojem je elektrická energie (akumulaˇcn´ı nebo pˇr´ımotopné vytápˇen´ı), v´ yhodou je vysoká ekologická ˇcistota a snadná regulovatelnost. V souˇcasnosti se zaˇc´ınaj´ı ˇc´ım dál v´ıce prosazovat i alternativn´ı zdroje energie (tepelná ˇcerpadla, spalován´ı biomasy, vyuˇz´ıvá se energie vody, vˇetru a slunce). Alternativn´ı zdroje energie se vyznaˇcuj´ı vysokou ekologickou ˇcistotou, levn´ ym provozem a jediné, co brán´ı vˇetˇs´ımu rozˇs´ıˇren´ı, je vysoká poˇcáteˇcn´ı investice do zaˇr´ızen´ı.

2.1

Spalov´ an´ı paliv

Spalován´ı paliv je chemická reakce, pˇri které sluˇcován´ım hoˇrlav´ ych sloˇzek paliva s kysl´ıkem dojde k vytvoˇren´ı reakˇcn´ıho tepla. Pˇri spalován´ı v kotl´ıch spalujeme palivo pˇrivádˇen´ım vzduchu. Vzduchem se oznaˇcuje smˇes 21% kysl´ıku a 79% dus´ıku (vˇcetnˇe vodn´ı páry a vzácn´ ych plyn˚ u). U spalován´ı pˇredpokládáme, ˇze vzduch má teplotu 25 ◦ C a pˇretlak 101 325 Pa.

2.1.1

Spalov´ an´ı tuh´ ych paliv

Spalov´ an´ı dˇ reva Kotle pro spalován´ı dˇreva jsou vˇetˇsinou navrhovány pro spalován´ı dˇrevn´ı hmoty r˚ uzné kvality. Kromˇe dˇrevn´ıch odpad˚ u pˇri zpracován´ı dˇreva to m˚ uˇze b´ yt k˚ ura, piliny, hobliny, k˚ urov´ y odpad, polena a upraven´ y dˇrevn´ı odpad do briket. Obsah vody ve ˇ ım vˇetˇs´ı je vlhkost dˇreva t´ım dˇrevn´ı hmotˇe je v ˇsirokém rozmez´ı od 10 do 60%. C´ menˇs´ı je jeho v´ yhˇrevnost. Pˇri volbˇe koncepce kotl˚ u je tˇreba brát v u ´vahu to, ˇze dˇrevn´ı odpad má vysok´ y pod´ıl prchavé hoˇrlaviny. Obsah popela je minimáln´ı a m˚ uˇze dosahovat 1,5%. Dˇrevo témˇeˇr neobsahuje s´ıru a z tohoto hlediska lze povaˇzovat spalován´ı dˇrevn´ı hmoty za ekologické. 10

KAPITOLA 2. ZDROJE TEPLA

11

Spalov´ an´ı uhl´ı Pˇri spalován´ı uhl´ı se pouˇzije kotel s pevn´ ym nebo pohybliv´ ym roˇstem. Spalován´ı uhl´ı s velk´ ym obsahem prchavé hoˇrlaviny nejˇcastˇeji prob´ıhá spodn´ım odhoˇr´ıván´ım. Na roˇstu se spaluje malá vrstva paliva, aby doˇslo k dobrému vyhoˇren´ı paliva a zároveˇ n, pˇri malém obsahu spalovaného paliva, je v´ ykon kotle snáze regulovateln´ y. Pˇr´ıvod spalovac´ıho vzduchu je nejˇcastˇeji pˇrirozen´ y a podobnˇe jako u spalován´ı dˇreva se pod roˇst pˇrivád´ı vzduch primárn´ı a do zóny spalován´ı vzduch sekundárn´ı. Zásobn´ıky paliva se proti dˇr´ıvˇejˇs´ım kotl˚ um zvˇetˇsily a obsah vody v kotli se sn´ıˇzil. Celkovˇe pˇrevládá tendence zajistit poloautomatick´ y provoz kotl˚ u s promˇenliv´ ym v´ ykonem. Pˇri spalován´ı uhl´ı a koksu z˚ ustává vˇetˇs´ı obsah popelovin neˇz pˇri spalován´ı dˇreva. Je nutné zajistit ˇciˇstˇen´ı v´ ymˇen´ıku, prostoru pod v´ ymˇen´ıkem a vyb´ırán´ı popeln´ıku.

2.1.2

Spalov´ an´ı kapaln´ ych paliv

V souˇcasném obdob´ı, vzhledem k vysok´ ym cenám nafty, se toto vytápˇen´ı navrhuje zcela vyj´ımeˇcnˇe.

2.1.3

Spalov´ an´ı plynn´ ych paliv

Pod´ıl plynn´ ych paliv na vytápˇeni rodinn´ ych domk˚ u v posledn´ıch letech stále v´ıce vzr˚ ustá. Vzhledem k tomu ˇze se jedná o ekologicky nejkvalitnˇejˇs´ı palivo a provoz zdroje je plnˇe automatizovan´ y a regulovateln´ y, bude se i v budoucnu stále v´ıce pouˇz´ıvat plynov´ ych topn´ ych zdroj˚ u. Zemn´ı plyn Zemn´ı plyn je dodáván do témˇeˇr vˇsech s´ıt´ı venkovn´ıch plynovod˚ u pod n´ızk´ ym tlakem do 5 kPa nebo stˇredn´ım tlakem do 0.3 Mpa. Je-li v m´ıstˇe odbˇeru dostateˇcnˇe dimenzovaná plynovodn´ı s´ıt’ je moˇzné, se souhlasem plynárenského podniku, pˇripojit se n´ızkotlakou nebo stˇredotlakou pˇr´ıpojkou. Pˇr´ıpojka konˇc´ı hlavn´ım uzávˇerem, kter´ y se nejˇcastˇeji um´ıst’uje spolu s plynomˇerem nebo také s regulátorem tlaku do skˇr´ınˇe v pˇrilehlé obvodové stˇenˇe, do skˇr´ınˇe v instalaˇcn´ım pˇr´ıstavku nebo v oplocen´ı domku. Vnitˇrn´ı rozvod plynu je z ocelov´ ych trubek a je ukonˇcen pˇred kotlov´ ym uzávˇerem. Bioplyn Bioplyn lze pro spalován´ı v kotl´ıch navrhnout v pˇr´ıpadech, ˇze je v bl´ızkosti zdroj, jako napˇr. skládka, ustájen´ y dobytek apod. Pro pˇrepravu v ocelovém potrub´ı je nevhodn´ y vzhledem k moˇznosti zv´ yˇsené koroze potrub´ı. D˚ uleˇzitou podm´ınkou pro pouˇzit´ı bioplynu je také plocha na likvidaci ˇcpavku. Zkapalnˇ en´ y topn´ y plyn (LPG) Zkapalnˇen´ y topn´ y plyn se pouˇz´ıvá vˇsude tam, kde nen´ı m´ıstn´ı plynovodn´ı s´ıt’ se zemn´ım plynem. Pro vytápˇen´ı rodinn´ ych domk˚ u a pro pˇr´ıpravu TUV se pouˇz´ıvaj´ı


12

zásobn´ı nádrˇze se zkapalnˇen´ ym propanem. Provoz takovéhoto zaˇr´ızen´ı patˇr´ı mezi nejdraˇzˇs´ı v˚ ubec.

2.2

Elektrick´ e vyt´ apˇ en´ı

Elektrická energie má pro vytápˇen´ı m´ıstnost´ı velké provozn´ı a instalaˇcn´ı moˇznosti. Pˇr´ıvod elektrické energie do objekt˚ u, a jej´ı rozvod do jednotliv´ ych m´ıstnost´ı, je ve srovnán´ı s jin´ ymi druhy energie relativnˇe jednoduch´ y a v´ yhodn´ y. Vynikaj´ıc´ı vlastnost´ı je v´ yborná regulovatelnost a u ´ˇcinnost aˇz 99 %. Provoz je naprosto ˇcist´ y a automatick´ y. Nev´ yhodou je malá u ´ˇcinnost v´ yroby elektrické energie v uheln´ ych elektrárnách. Elektrické vytápˇen´ı m˚ uˇzeme rozdˇelit na pˇr´ımotopné, akumulaˇcn´ı a sm´ıˇsené (kombinace obou). Dále je moˇzné pouˇz´ıt v kombinaci s elektrick´ ym vytápˇen´ım i netradiˇcn´ı zp˚ usoby vytápˇen´ı (napˇr. tepelná ˇcerpadla, solárn´ı vytápˇen´ı, atd.). Pˇ r´ımotopn´ e vyt´ apˇ en´ı Pˇr´ımotopné soustavy vyuˇz´ıvaj´ı odporové teplo, vznikaj´ıc´ı pr˚ uchodem elektrického proudu topn´ ym tˇelesem. Odbˇer elektˇriny a uvolˇ nován´ı tepla prob´ıhá tedy souˇcasnˇe. Pro provoz tˇechto soustav jsou navrˇzeny sazby, u kter´ ych je moˇzn´ y odbˇer elektˇriny v levném tarifu po 20 hodin dennˇe. Jako topidla pro tento zp˚ usob vytápˇen´ı jsou vyuˇz´ıvány konvektory, sálavé systémy (panely, stropy, stˇeny), topné folie, infrazáˇriˇce, elektrické kotle, topné kabely, teplovzduˇsné systémy apod. Akumulaˇ cn´ı vyt´ apˇ en´ı Akumulaˇcn´ı zp˚ usob vytápˇen´ı stˇrádá v dobˇe platnosti n´ızkého tarifu (obvykle v noci) teplo v akumulaˇcn´ım médiu (voda, magnesium, beton, ...) odkud je ve dne k dispozici pro vytápˇeni m´ıstnost´ı. Nab´ıjec´ı doba (doba odbˇeru elektrické energie a jej´ı pˇremˇeny v teplo) je obvykle aˇz 16 hodin za den. Jako topidla jsou nejv´ıce pouˇz´ıvána akumulaˇcn´ı kamna (statická ˇci dynamická), akumulaˇcn´ı bloky, akumulaˇcn´ı teplovodn´ı kotle a topné kabely pro podlahové vytápˇeni. Sm´ıˇ sen´ e vyt´ apˇ en´ı Sm´ıˇsené soustavy jsou kombinac´ı akumulaˇcn´ıch a pˇr´ımotopn´ ych systém˚ u. Pro tyto systémy jsou vyvinuta speciáln´ı topidla (hybridn´ı elektrická kamna ˇci kotle), nebo se pouˇz´ıvá kombinace akumulaˇcn´ıch a pˇr´ımotopn´ ych topidel ˇci systém˚ u (napˇr. topné kabely a konvektory). Elektrick´ eu ´ stˇ redn´ı pˇ r´ımotopn´ e vyt´ apˇ en´ı Za u ´stˇredn´ı vytápˇen´ı budeme uvaˇzovat nepˇretrˇzité (kaˇzdodenn´ı) vytápˇen´ı sou´ redn´ı pˇr´ımotopné vytápˇen´ı se realiˇcasnˇe vˇetˇs´ıho poˇctu m´ıstnost´ı v budovˇe. Ustˇ zuje jako normáln´ı teplovodn´ı soustava s elektrick´ ym kotlem pro ohˇrev vody v otopném systému. Na trhu se vyskytuje celá ˇskála elektrick´ ych odporov´ ych kotl˚ u od nejmenˇs´ıch v´ ykon˚ u (napˇr. 6 kW) aˇz po v´ ykony ˇrádovˇe tis´ıc˚ u kW. Celá vytápˇec´ı


13

soustava se dimenzuje podobnˇe jako bˇeˇzné teplovodn´ı vytápˇeni. V pˇr´ıpadech, kdy se jedná o velkou stavbu s velkou tepelnou kapacitou a velk´ ym objemem otopné vody, je moˇzno zaˇr´ızen´ı dimenzovat na ponˇekud menˇs´ı tepeln´ y v´ ykon, neˇz je urˇceno normou. Pˇredpokládáme pˇritom, ˇze akumulaˇcn´ı schopnost stavby umoˇzn´ı pˇreklenout ˇ adovˇe je tak moˇzno poˇc´ıtat s tepeln´ krátkodobé ˇspiˇcky ve spotˇrebˇe tepla. R´ ym v´ ykonem o 10 aˇz 20 % niˇzˇs´ım. V´ yhodou je potom sn´ıˇzen´ı náklad˚ u na poˇr´ızen´ı otopné soustavy a lepˇs´ı vyuˇzit´ı instalovaného tepelného v´ ykonu.

2.3

Alternativn´ı zdroje energie

Z d˚ uvodu zmenˇsuj´ıc´ıch se zásob klasick´ ych zdroj˚ u energie (ropa, zemn´ı plyn, ˇcerné uhl´ı, atd.) se v dneˇsn´ı dobˇe zaˇc´ınaj´ı ˇc´ım dál v´ıce uplatˇ novat i zdroje alternativn´ı. Jedná se o zdroje vysoce ekologické a obnovitelné. Zp˚ usob˚ u jak z´ıskat energii ekologicky je nˇekolik: • tepelná ˇcerpadla, • sluneˇcn´ı energie, • vodn´ı energie, • s´ıla vˇetru. Problém alternativn´ıch zdroj˚ u je, ˇze nˇekteré tyto zp˚ usoby nelze poˇz´ıvat tam, kde bychom je potˇrebovali. Pro vˇetˇsinu m´ıst v ˇceské republice pˇripadá v u ´vahu pouze vyuˇzit´ı sluneˇcn´ı energie a nebo tepeln´ ych ˇcerpadel. Dále se budu podrobnˇeji vˇenovat problematice tepeln´ ych ˇcerpadel a vyuˇzit´ı sluneˇcn´ı energie, protoˇze maj´ı v naˇsich podm´ınkách nejvˇetˇs´ı uplatnˇen´ı.

2.3.1

Tepeln´ aˇ cerpadla

Princip tepelného ˇcerpadla byl popsán jiˇz v minulém stolet´ı anglick´ ym fyzikem lordem Kelvinem. Jde o chladic´ı zaˇr´ızen´ı, které je primárnˇe urˇceno k produkci tepla. Tepelné ˇcerpadlo dokáˇze zuˇzitkovat teplo okoln´ıho prostˇred´ı nebo teplo odpadn´ı. Na rozd´ıl od jin´ ych zdroj˚ u potˇrebuje ke svému provozu pomˇernˇe velké mnoˇzstv´ı uˇslechtilého paliva, nejˇcastˇeji elektˇriny. Dá se tedy pokládat za zvláˇstn´ı druh elektrického vytápˇen´ı. Princip zaˇ r´ızen´ı Podobnˇe jako vodn´ı ˇcerpadlo, pˇreˇcerpává vodu z niˇzˇs´ı hladiny na vyˇsˇs´ı, tepelné ˇcerpadlo dˇelá totéˇz s teplem. Princip je stejn´ y jako u obyˇcejné domác´ı chladniˇcky. V´ ymˇen´ıkem tepla na své zadn´ı stranˇe chladniˇcka hˇreje, vytáp´ı naˇsi kuchyni. Zbavuje se tak tepla, které pˇrevedla z niˇzˇs´ı hladiny (+ 5 aˇz +10◦ C uvnitˇr chladniˇcky) na hladinu vyˇsˇs´ı (asi + 30◦ C na povrchu tepelného v´ ymˇen´ıku). Tepelné ˇcerpadlo nen´ı nic jiného, neˇz veliká chladniˇcka, která m´ısto potravin ochlazuje jin´ y zdroj tepla. T´ım m˚ uˇze b´ yt napˇr´ıklad: vzduch v okol´ı domu, na p˚ udˇe nebo ve sklepˇe, podzemn´ı


14

voda (v hlubinn´ ych vrtech), povrchová voda (v ˇrece, rybn´ıku), pramen geotermáln´ı vody, p˚ uda na zahradˇe nebo v okol´ı domu. Je také moˇzné kombinovat tepelné ˇcerpadlo s obrovsk´ ym zásobn´ıkem tepla, do nˇehoˇz se bˇehem léta akumuluje sluneˇcn´ı energie. Teoreticky je moˇzné tepelné ˇcerpadlo pohánˇet i plynem, benz´ınem atd. V praxi se vˇsak pˇreváˇznˇe pouˇz´ıvá k pohonu elektˇrina. Bˇeˇzná tepelná ˇcerpadla dodaj´ı tˇrikrát aˇz ˇctyˇrikrát v´ıce tepla, neˇz spotˇrebuj´ı ˇ ım menˇs´ı rozd´ıl hladin teplot mus´ı tepelné ˇcerpadlo pˇrekonávat, t´ım elektˇriny. C´ ménˇe energie spotˇrebuje. Proto je v´ yhodné tepelné ˇcerpadlo pouˇz´ıvat v kombinaci s podlahov´ ym vytápˇen´ım nebo jin´ ym n´ızkoteplotn´ım vytápˇec´ım systémem. Klasické, u nás bˇeˇzné otopné soustavy s radiátory ohˇr´ıvaj´ı vodu v topen´ı aˇz na 90 ◦ C. Naproti tomu v podlahovém vytápˇen´ı je maximáln´ı teplota vody 40 aˇz 50 ◦ C. Rozd´ıl je tedy podstatn´ y. Rovnˇeˇz tak tepelná hladina zdroje tepla je v´ yznamná pro celkovou spotˇrebu energie. Tepelné ˇcerpadlo ochlazuj´ıc´ı venkovn´ı vzduch b´ yvá schopno poradit si i s teplotami -10 aˇz -20 ◦ C, avˇsak jeho efektivita je pˇri tˇechto teplotách niˇzˇs´ı. Jiné systémy, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı hluboké podzemn´ı vrty, ochlazuj´ı vodu v nich aˇz na 0 ◦ C. Máme-li vˇsak k dispozici napˇr´ıklad odpadn´ı teplo (vzduch z klimatizace, odpadn´ı voda z v´ yrobn´ıch proces˚ u), bude naˇse tepelné ˇcerpadlo energeticky velmi v´ yhodné. Pouˇ zitelnost a vyuˇ zitelnost zaˇ r´ızen´ı Tepelné ˇcerpadlo slouˇz´ı v´ yhradnˇe jako zdroj tepla, coˇz urˇcuje i zp˚ usob jeho pouˇzit´ı. Pomineme-li nˇekteré speciáln´ı pˇr´ıpady, pouˇz´ıvá se pro vytápˇen´ı a pro ohˇrev teplé uˇzitkové vody. Protoˇze jde o technicky nároˇcné zaˇr´ızen´ı, nelze uvaˇzovat o amatérské v´ yrobˇe. Trh poskytuje ˇsirokou nab´ıdku zaˇr´ızen´ı pro vytápˇen´ı rodinn´ ych domk˚ u i pro pr˚ umyslové aplikace. Strojn´ı ˇcást tvoˇr´ı obvykle typové soustroj´ı. Druh a velikost v´ ymˇen´ık˚ u tepla se vˇzdy pˇrizp˚ usobuje individuáln´ım podm´ınkám investora. Nˇekter´ ymi tepeln´ ymi ˇcerpadly lze pˇr´ımo nahradit kotel u ´stˇredn´ıho vytápˇen´ı. Pokud jde o novostavbu, mus´ı b´ yt projekt vytápˇen´ı navrˇzen na provoz v niˇzˇs´ım teplotn´ım spádu (40/55 ◦ C). V pˇr´ıpadˇe rekonstrukce je nutno stávaj´ıc´ı vytápˇec´ı soustavu upravit, nebo navrhnout nov´ y reˇzim provozu (napˇr. ˇspiˇckov´ y zdroj). U teplovzduˇsn´ ych tepeln´ ych ˇcerpadel, která vhánˇej´ı do m´ıstnosti tepl´ y vzduch, se ˇcasto vyuˇz´ıvá moˇznost reverzn´ıho chodu. To, ˇze jde v podstatˇe o chladic´ı zaˇr´ızen´ı, je v´ yhodnˇe vyuˇzito v létˇe, kdy tepelné ˇcerpadlo ochlazuje vzduch v obytn´ ych m´ıstnostech, zat´ımco v zimˇe top´ı. Tyto systémy se rozˇsiˇruj´ı zejména v kanceláˇrsk´ ych prostorách. V zemˇedˇelstv´ı jsou rozˇs´ıˇrená tepelná ˇcerpadla, která odpadn´ım teplem z chlazen´ı mléka ohˇr´ıvaj´ı teplou uˇzitkovou vodu. Obdobné aplikace, zaloˇzené na kombinaci chlazen´ı a ohˇrevu uˇzitkové vody se pouˇz´ıvaj´ı i v pr˚ umyslov´ ych odvˇetv´ıch. Pro vˇetˇs´ı objekty (hotel, farma, továrna) vyˇzaduj´ıc´ı vˇetˇs´ı v´ ykon lze zakoupit vhodné soustroj´ı podle individuáln´ıch podm´ınek, mnohdy lze také v´ yhodnˇe upravit starˇs´ı soustroj´ı. Moˇ znosti z´ısk´ av´ an´ı tepla Vzduch se ochlazuje ve v´ ymˇen´ıku tepla um´ıstˇeném vnˇe budovy. Protoˇze vˇsak teplota vzduchu je nejniˇzˇs´ı právˇe v dobˇe, kdy je spotˇreba tepla maximáln´ı, mus´ı


15

tepelné ˇcerpadlo pˇrekonávat velk´ y rozd´ıl teplotn´ıch hladin a zároveˇ n dodávat velké mnoˇzstv´ı tepla. Jeho topn´ y faktor klesá, a t´ım i stoupá spotˇreba energie pro pohon. Pokud by takové ˇcerpadlo bylo jedin´ ym zdrojem tepla, bylo by velmi nákladné. Proto se pouˇz´ıvá v kombinaci s jin´ ym zdrojem tepla (elektˇrina, plyn, uhl´ı), tedy v bivalentn´ım provozu. To znamená, ˇze tepelné ˇcerpadlo dodává jen ˇcást potˇrebného tepla a zbytek se z´ıskává ze ˇspiˇckového zdroje. Je také moˇzné odeb´ırat vzduch ze sklepa nebo z p˚ udn´ıch prostor˚ u, kde je ponˇekud tepleji neˇz venku. Z odpadn´ıho vzduchu (obrázek 2.1) Zde se ochlazuje vzduch odvádˇen´ y vˇetrac´ım systémem objektu. V´ yhodné je, ˇze tento vzduch má vˇzdy relativnˇe vysokou teplotu a tepelné ˇcerpadlo m˚ uˇze pracovat efektivnˇe. V souˇcasné dobˇe se vˇsak m´ısto tepelného ˇcerpadla pouˇz´ıvaj´ı systémy zpˇetného z´ıskáván´ı tepla. Pracuj´ı na jiném principu a jsou investiˇcnˇe a obvykle i provoznˇe lacinˇejˇs´ı.

Obrázek 2.1: Z´ıskáván´ı tepla z odpadn´ıho vzduchu.

Z povrchov´ ych vod (obrázek 2.2) Voda v toku nebo rybn´ıku se m˚ uˇze ochlazovat tepeln´ ym v´ ymˇen´ıkem um´ıstˇen´ ym bud’ pˇr´ımo ve vodˇe, nebo zapuˇstˇen´ ym do bˇrehu, vˇzdy tak, aby nehrozilo zamrznut´ı. Je také moˇzné vodu pˇrivádˇet potrub´ım pˇr´ımo k tepelnému ˇcerpadlu a ochlazenou vypouˇstˇet zpˇet. V tom pˇr´ıpadˇe se vˇsak plat´ı poplatky správci toku za odbˇer vody. Zde ovˇsem hraje roli zneˇciˇstˇen´ı pouˇzité vody, jeˇz m˚ uˇze zp˚ usobovat zanáˇsen´ı v´ ymˇen´ık˚ u a potrub´ı. Pˇri vˇetˇs´ı vzdálenosti objektu od potenciáln´ıho zdroje je ˇcasto stavba potrub´ı ne´ unosnˇe drahá.


16

Obrázek 2.2: Z´ıskáván´ı tepla z povrchové vody.

Z p˚ udy (obrázek 2.3) P˚ uda se ochlazuje tepeln´ ym v´ ymˇen´ıkem nejˇcastˇeji z plastov´ ych trubek, nebo trubek mˇedˇen´ ych obalen´ ych plastem. V´ ymˇen´ık se umist’uje vedle objektu 1,2 aˇz 1,6 m pod povrchem zemˇe; v nezámrzné hloubce. I zde se nˇekdy pouˇz´ıvá akumulace letn´ıho sluneˇcn´ıho tepla. Celé zaˇr´ızen´ı je pak ponˇekud draˇzˇs´ı. Trubky p˚ udn´ıho kolektoru se mohou ukládat na souvisle odkrytou plochu, nejménˇe 0,6 m od sebe. Velikost takovéto plochy je asi trojnásobkem plochy vytápˇené. Je také moˇzné ukládat trubku zemn´ıho kolektoru do r´ yhy ve tvaru uzavˇrené smyˇcky. Na 1 kW v´ ykonu tepelného ˇcerpadla je pak potˇreba 5 aˇz 8 metr˚ u délky v´ ykopu.


17

Obrázek 2.3: Z´ıskáván´ı tepla z p˚ udy.

Z hlubinn´ ych vrt˚ u (obrázek 2.4) Tento systém je v souˇcasnosti velmi rozˇs´ıˇren. Vyuˇz´ıvá vrt˚ u hlubok´ ych aˇz 150 m, zaplaven´ ych vodou, která se ochlazuje ponoˇren´ ym v´ ymˇen´ıkem z plastov´ ych trubek. Vrty se umist


18

Obrázek 2.4: Z´ıskáván´ı tepla z hlubinného vrtu.

Ze dvou studn´ı (obrázek 2.5) Jin´ y zp˚ usob vyuˇz´ıván´ı tepla pracuje se dvˇema hlubok´ ymi studnˇemi. Z jedné se odeb´ırá voda, která se ochlad´ı a vypust´ı do druhé, takzvané vsakovac´ı studny. Podm´ınkou je geologicky vhodné podloˇz´ı. Teplota v zemi, v hloubkách vˇetˇs´ıch neˇz 10 metr˚ u, je stálá bˇehem celého roku, ˇc´ım bl´ıˇze povrchu, t´ım v´ıce kol´ısá podle roˇcn´ıho obdob´ı. Proto tepelné ˇcerpadlo v posledn´ıch dvou zmiˇ novan´ ych systémech pracuje velmi vyrovnanˇe a u ´ˇcinnˇe.


19

Obrázek 2.5: Z´ıskáván´ı tepla ze dvou studn´ı.

Z geoterm´ aln´ı energie Vyuˇz´ıván´ı pramen˚ u teplé podzemn´ı vody je velice v´ yhodné. Voda v nich má obvykle stálou teplotu, zpravidla nen´ı zneˇciˇstˇená a mnohdy dokonce vyvˇerá na povrch samovolnˇe. Geotermáln´ı prameny maj´ı i relativnˇe velk´ y tepeln´ y v´ ykon (MW), avˇsak jejich hromadnému vyuˇzit´ı brán´ı jen sporadick´ y v´ yskyt ˇ se daj´ı nalézt zejména na Karlovarsku a v oblasti Podtˇechto pramen˚ u. V CR kruˇsnohoˇr´ı. Z odpadn´ıho tepla z technologick´ eho procesu Tento pˇr´ıpad je specifick´ y, vhodn´ y zejména pro v´ yrobn´ı podniky a pr˚ umyslové provozy. Zejména v chlad´ırensk´ ych provozech se v´ yhodnˇe pouˇz´ıvá odpadn´ı teplo na ohˇrev teplé uˇzitkové vody. ˇ Casto se zde vˇsak nam´ısto tepelného ˇcerpadla pouˇz´ıvaj´ı levnˇejˇs´ı systémy zpˇetného z´ıskáván´ı tepla. Pˇ rehled syst´ em˚ u Tepelná ˇcerpadla lze rozdˇelit podle pouˇzitého obˇehu: • kompresorová (nejbˇeˇznˇejˇs´ı druh), • absorpˇcn´ı (zˇr´ıdka se vyskytuj´ıc´ı), • hybridn´ı (obvykle zakázková v´ yroba). Typ tepelného ˇcerpadla se urˇcuje podle druhu ochlazovaného a ohˇr´ıvaného média. Nejobvyklejˇs´ı kombinace jsou v tabulce na obrázku 2.6:


20

Obrázek 2.6: Typy tepeln´ ych ˇcerpadel.

Bivalentn´ı provoz Protoˇze spotˇreba tepla se bˇehem roku mˇen´ı, nen´ı tepelné ˇcerpadlo plnˇe vyuˇzito. Protoˇze by bylo neekonomické pokr´ yvat tepeln´ ym ˇcerpadlem veˇskeré tepelné ztráty objektu, doplˇ nuje se tepelné ˇcerpadlo dalˇs´ım ˇspiˇckov´ ym zdrojem tepla (elektrokotel, ˇ V praxi kotel na dˇrevo). Tento zdroj slouˇz´ı i jako záloha pro pˇr´ıpad v´ ypadku TC. ˇ funguje v tzv. bivalentn´ım provozu, kdy po urˇcitou dobu pracuje kromˇe tedy TC tepelného ˇcerpadla i jin´ y zdroj tepla. Instalovan´ y tepeln´ y v´ ykon ˇcerpadla je v tomto provozu niˇzˇs´ı neˇz je maximáln´ı potˇrebn´ y, napˇr´ıklad 60%. Pˇred instalac´ı tepelného ˇcerpadla je obvykle v´ yhodné provést zateplen´ı objektu. Pro ohˇrev vody nebo pro vytápˇen´ı rodinn´ ych domk˚ u jsou na naˇsem trhu dostupná kompaktn´ı tepelná ˇcerpadla obvykle dováˇzená, nebo i ˇceské v´ yroby. Jsou nenároˇcná na kvalitu zdroje tepla, maj´ı velmi ˇsirok´ y rozsah pouˇzit´ı a jejich obsluha je komfortn´ı. B´ yvá zaruˇcen i velmi kvalitn´ı servis. Tepelná ˇcerpadla vyˇsˇs´ıch v´ ykon˚ u, zejména pro vyuˇzit´ı technologického odpadn´ıho tepla, lze zakoupit i u naˇsich v´ yrobc˚ u. Obecnˇe plat´ı, ˇze zvyˇsuje-li se v´ ykon zaˇr´ızen´ı, klesaj´ı náklady na jednotku instalovaného v´ ykonu. Topn´ y faktor Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ım parametrem tepelného ˇcerpadla je topn´ y faktor T. Vyjadˇruje, kolik tepla z´ıskáme na jednotku pˇr´ıkonu. Pˇr´ıkonem se zde obvykle rozum´ı elektrick´ y pˇr´ıkon hnac´ıho motoru. T = tepeln´ y v´ ykon/elektrick´ y pˇr´ıkon. ˇ C´ım je tento faktor vyˇsˇs´ı, t´ım je zaˇr´ızen´ı efektivnˇejˇs´ı. U bˇeˇzn´ ych zaˇr´ızen´ı T = 2,8 aˇz 4,0. To znamená, ˇze napˇr´ıklad tepelné ˇcerpadlo s topn´ ym faktorem 3,0 spotˇrebuje 1 kWh elektˇriny a dodá 3 kWh tepla. Ve srovnán´ı s elektrick´ ym pˇr´ımotopn´ ym vytápˇen´ım je tedy tˇrikrát efektivnˇejˇs´ı. Topn´ y faktor bˇehem roku kol´ısá. Pro hodnocen´ı provozu se proto pouˇz´ıvá tzv. provozn´ı topn´ y faktor, coˇz je pomˇer celoroˇcn´ı spotˇreby energie a celoroˇcn´ı produkce tepla.


21

Ekologie provozu Tepelná ˇcerpadla jsou nejˇcastˇeji plnˇena tzv. mˇekk´ ymi freony (HCFC, FCKW), nejˇcastˇeji typem R22, kter´ y poˇskozuje ozónovou vrstvu dvacetkrát ménˇe, neˇz dˇr´ıve pouˇz´ıvané tvrdé freony (CFC, CKW) R11, R12. Pˇri likvidaci nebo opravˇe zaˇr´ızen´ı je nutno freonovou náplˇ n odsát, aby neunikla do atmosféry. Na trhu jsou i bezfreonová zaˇr´ızen´ı plnˇená propanem. U pr˚ umyslov´ ych aplikac´ı se bˇeˇznˇe pouˇz´ıvá ˇcpavek, kter´ y je vˇsak jedovat´ y, a je proto tˇreba dbát bezpeˇcnostn´ıch opatˇren´ı pro pˇr´ıpad havárie. Ztráty pˇri v´ yrobˇe a pˇrenosu elektˇriny ˇcin´ı 70%. Teplo pro vytápˇen´ı budov, vyrobené z elektrické energie, je tedy zat´ıˇzeno 70% ztrátou, zat´ımco pr˚ umˇerné ztráty pˇri jin´ ych zp˚ usobech z´ıskáván´ı tepla ˇcin´ı 30%. Z hlediska spotˇreby primárn´ıch zdroj˚ u je tedy ˇzádouc´ı, aby tepelné ˇcerpadlo mˇelo provozn´ı topn´ y faktor alespoˇ n 3,5.

2.3.2

Sluneˇ cn´ı energie

2.3.2.1

Ohˇ rev vody a vzduchu

ˇ e republiky lze energii sluneˇcn´ıho záˇren´ı velmi dobˇre vyuˇz´ıt. Na u ´zem´ı Cesk´ Celková doba sluneˇcn´ıho svitu (bez oblaˇcnosti) je od 1400 do 1700 hod/rok. Energie dopadaj´ıc´ı kolmo na 1m2 plochy je 800 aˇz 1000 Wh. Z tˇechto ˇc´ısel je vidˇet, ˇze pˇri dobré u ´ˇcinnosti solárn´ıho systému lze z´ıskat z pomˇernˇe malé plochy (podstatnˇe menˇs´ı neˇz je stˇrecha rodinného domku) pomˇernˇe velk´ y v´ ykon. Je nˇekolik moˇznost´ı, jak pˇremˇenit energii sluneˇcn´ıho záˇren´ı na jinou pro nás pouˇzitelnou formu: • aktivn´ı pˇremˇena solárn´ıho záˇren´ı na teplo pomoc´ı vzduchov´ ych nebo kapalinov´ ych kolektor˚ u, • aktivn´ı pˇremˇena solárn´ıho záˇren´ı na elektrickou energii fotovoltaick´ ymi ˇclánky, • pasivn´ı pˇremˇena solárn´ıho záˇren´ı na teplo vhodn´ ym architektonick´ ym návrhem budovy (podobnˇe jako funguje sklen´ık). Nejlepˇs´ıch v´ ysledk˚ u se obvykle dosáhne kombinac´ı jednotliv´ ych systém˚ u. D˚ uvodem jsou r˚ uzné v´ yhody a nev´ yhody kaˇzdého z nich vˇcetnˇe ekonomie. Pˇr´ıkladem jsou fotovoltaické ˇclánky, které se pro jejich vysokou cenu a pomˇernˇe n´ızkou u ´ˇcinnost vyplat´ı pouˇz´ıvat sp´ıˇse pro speciáln´ı u ´ˇcely (napájen´ı radiomaják˚ u, nab´ıjeˇcky akumulátor˚ u), neˇz pro topen´ı v rodinném domku. ˇ Kriteria pouˇ zitelnosti a vyuˇ zitelnosti sol´ arn´ıch zaˇ r´ızen´ı v Cesk´ e republice V naˇsich podm´ınkách lze vyuˇz´ıvat solárn´ı energii aktivn´ımi a pasivn´ımi systémy. Pasivn´ı systémy lze dobˇre vyuˇz´ıt zejména u novˇe budovan´ ych staveb, kdy se jim mus´ı pˇrizp˚ usobit celé architektonické ˇreˇsen´ı, ale i u staveb starˇs´ıho data vybudován´ım sklenˇen´ ych pˇr´ıstavk˚ u (pˇr´ıkladem mohou b´ yt sklenˇené verandy). Solárn´ı systémy se u nás buduj´ı vˇetˇsinou dodateˇcnˇe k jiˇz existuj´ıc´ım objekt˚ um. Proto maj´ı nejvˇetˇs´ı v´ yznam aktivn´ı systémy, jeˇz z´ıskávaj´ı tepelnou energii pomoc´ı kapalinov´ ych kolektor˚ u. Ty lze témˇeˇr vˇzdy dodateˇcnˇe instalovat a vyuˇz´ıvat zejména


22

ˇ pro ohˇrev uˇzitkové vody a pˇritápˇen´ı. Casto se jimi pˇrihˇr´ıvá voda v bazénu. Technická omezen´ı pro nainstalován´ı menˇs´ıch solárn´ıch systém˚ u, napˇr´ıklad pro rodinné domky, jsou malá a záleˇz´ı jen na finanˇcn´ıch moˇznostech (plat´ı pro pˇr´ıpad odborné instalace specializovanou firmou). U systému dodávaného na kl´ıˇc pak mohou b´ yt poˇrizovac´ı náklady stejné nebo dokonce niˇzˇs´ı, neˇz pˇri instalaci svépomoc´ı. Firma totiˇz nakupuje veˇskeré d´ıly s 5% DPH, kdeˇzto soukromá osoba plat´ı (kromˇe kolektor˚ u) 22% DPH. Investovat do tˇechto zaˇr´ızen´ı se rozhodnˇe vyplat´ı - zejména z dlouhodobého pohledu. Ceny energi´ı se neustále zvyˇsuj´ı a oˇcekává se jejich pˇrechod na evropsk´ y standart. Dalˇs´ı v´ yhodou je urˇcitá nezávislost na dodávkách tepelné energie a omezen´ı niˇcen´ı ˇzivotn´ıho prostˇred´ı. Solárn´ı energi´ı lze v´ yhodnˇe pˇritápˇet a v nˇekter´ ych pˇr´ıpadech ˇ i vytápˇet. V Ceské republice p˚ usob´ı firmy jeˇz solárn´ı systém napoj´ı na u ´stˇredn´ı vytápˇen´ı. Solárn´ı zaˇr´ızen´ı je vˇsak vˇzdy nutné zapojit paralelnˇe s jin´ ym tepeln´ ym zdrojem (plynov´ y kotel, elektrokotel) pro pˇr´ıpady, kdy Slunce nesv´ıt´ı, nebo sv´ıt´ı málo (oblaˇcnost, noc). Vhodnost lokality a kriteria v´ ybˇ eru Plocha pro um´ıstˇen´ı solárn´ıch kolektor˚ u by mˇela splˇ novat tato kriteria: • orientace na jih - správná orientace je velmi d˚ uleˇzitá, nejvyˇsˇs´ı v´ ykon je pˇri nasmˇerován´ı s odchylkou m´ırnˇe na západ (asi o 8 aˇz 15 stupˇ n˚ u ), kdy lze lépe vyuˇz´ıt i energii zapadaj´ıc´ıho Slunce. Nˇekteré systémy maj´ı kolektory se natáˇcec´ım zaˇr´ızen´ım, ale modern´ı ploché kolektory maj´ı dobr´ y v´ ykon i bez natáˇcen´ı, • celodenn´ı osvit sluncem - krátkodobé zast´ınˇen´ı kolektor˚ u je pˇr´ıpustné sp´ıˇse dopoledne, protoˇze maximum v´ ykonu je kolem 14 h, • moˇ znost um´ıstˇ en´ı kolektor˚ u s poˇ zadovan´ ym sklonem - optimáln´ı sklon pro celoroˇcn´ı provoz je kolem 32 stupˇ n˚ u , pro zimn´ı a pˇrechodné obdob´ı 45 stupˇ n˚ u, • co nejkratˇ s´ı rozvody s kvalitn´ı tepelnou izolac´ı - sniˇzuj´ı se tepelné ztráty. Lokalita by mˇela dále splˇ novat jeˇstˇe dalˇs´ı kritéria, která jiˇz nejsou tak závaˇzná. Kolektory by mˇely b´ yt chránˇeny pˇred vˇetrem, aby se nadmˇernˇe neochlazovaly (zbyteˇcné tepelné ztráty) a aby nebyla nadmˇernˇe namáhána konstrukce. Rovnˇeˇz mus´ı b´ yt pˇr´ıstupné pro pravidelnou u ´drˇzbu a kontrolu. Sestava klasick´ eho syst´ emu pro sol´ arn´ı ohˇ rev TUV Poˇzadavky: celoroˇcn´ı provoz, nucen´ y obˇeh, dvou okruhov´ y Kapalinov´ e sol´ arn´ı kolektory pˇremˇen ˇuj´ı sluneˇcn´ı záˇren´ı zachycené absorbérem kolektoru na tepelnou energii. Ta se koncentruje v teplonosné kapalinˇe, jeˇz ji odvád´ı do m´ısta spotˇreby napˇr´ıklad solárn´ıho zásobn´ıku. Solárn´ı kolektory m˚ uˇzeme dˇelit na:


23

• ploch´ e sol´ arn´ı kolektory - maj´ı ˇceln´ı plochu stejnˇe velkou jako absorpˇcn´ı. Pouˇz´ıvaj´ı se vˇetˇsinou pro n´ızkoteplotn´ı systémy (do 100◦ C). Jsou nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı pˇredevˇs´ım d´ıky sv´ ym dobr´ ym parametr˚ um, n´ızké cenˇe a snadnosti pouˇzit´ı. ´ Uˇcinnost maj´ı obvykle kolem 70%. Dnes jsou na trhu kolektory se selektivn´ı absorpˇcn´ı vrstvou, která podstatnˇe zlepˇsuje pohltivost sluneˇcn´ıho záˇren´ı. Jejich provozn´ı teplota m˚ uˇze pˇrekroˇcit i 100◦ C, (zvláˇst’ u vakuov´ ych ploch´ ych kolektor˚ u se selektivn´ı absorbˇcn´ı vrstvou), • Koncentraˇ cn´ı sol´ arn´ı kolektory - ˇceln´ı nebo odrazová plocha koncentruje záˇren´ı na menˇs´ı absorpˇcn´ı plochu. Toho se obvykle vyuˇz´ıvá u vakuov´ ych kolektor˚ u. Absorbérem je pak potrub´ı um´ıstˇené ve vakuové trubici. Záˇren´ı se soustˇred’uje na tuto trubku a okoln´ı vakuum znaˇcnˇe omez´ı u ńik tepla konvekc´ı. Dosáhne se tak vyˇsˇs´ıch teplot. Tyto kolektory maj´ı vˇetˇsinou u ´ˇcinnost aˇz 90% a dosahuj´ı vyˇsˇs´ı teplotn´ı hladiny. Jsou mnohem draˇzˇs´ı neˇz ploché kapalinové kolektory. Sol´ arn´ı z´ asobn´ık pro ohˇ rev uˇ zitkov´ e vody. V solárn´ım zásobn´ıku m˚ uˇzeme teplou vodu ohˇr´ıvat solárn´ı energi´ı a nˇekdy také elektricky nebo tepelnou energi´ı z u ´stˇredn´ıho vytápˇen´ı. Potom mus´ı b´ yt vybaven dvˇema v´ ymˇen´ıky tepla - jeden je napojen na okruh u ´stˇredn´ıho vytápˇen´ı, druh´ y na solárn´ı okruh. Pro klasick´ y ohˇrev elektˇrinou má bˇeˇzné elektrické topné tˇeleso. Plocha solárn´ıho v´ ymˇen´ıku mus´ı b´ yt dostateˇcnˇe velká pro co nejlepˇs´ı pˇrestup tepla z teplonosné kapaliny do vody v zásobn´ıku. Ten má m´ıt takov´ y objem, aby i v parném létˇe staˇcil akumulovat zachycenou energii a nedoˇslo k poˇskozen´ı systému. V´ ymˇ en´ık tepla se u solárn´ıho okruhu um´ıst’uje v zásobn´ıku co nejn´ıˇze. Nad n´ım je v´ ymˇen´ık okruhu u ´stˇredn´ıho vytápˇen´ı a nejv´ yˇse se um´ıst´ı elektrické topné tˇeleso. Plochy v´ ymˇen´ık˚ u je tˇreba navrhnout s ohledem na materiál, z nˇehoˇz jsou vyrobeny, na teplotu kapaliny v solárn´ım okruhu a dále na pr˚ utok a objem zásobn´ıku. Elektrick´ e topn´ e tˇ eleso slouˇz´ı pro ohˇrev uˇzitkové vody, kdyˇz nesv´ıt´ı Slunce a netop´ıme. Jeho v´ ykon mus´ı odpov´ıdat objemu vody v zásobn´ıku. ˇ Cerpadlo, potrub´ı a armatury. Potrub´ı je nutno navrhnout tak, aby odpov´ıdalo poˇzadovan´ ym pr˚ utok˚ um a teplotám teplonosné kapaliny v solárn´ım okruhu. Pr˚ uˇrezy potrub´ı se mus´ı volit s ohledem na poˇzadované pr˚ utoky a hydraulické ztráty. Vˇse je nutno dobˇre zaizolovat, aby tepelné ztráty byly minimáln´ı. V nejvyˇsˇs´ım bodˇe okruhu mus´ı b´ yt samo odvzduˇsn ˇovac´ı ventil. Správnou cirkulaci teplonosné kapaliny zajiˇst’uje obˇehové ˇcerpadlo. Dalˇs´ı armatury slouˇz´ı k plnˇen´ı teplonosnou kapalinou a zabezpeˇcuj´ı správnou funkci vˇcetnˇe kontroly (manometr, teplomˇer, zpˇetn´ y ventil). Zabezpeˇ covac´ı zaˇ r´ızen´ı. K vyrovnán´ı tlaku vlivem znaˇcného kol´ısán´ı teploty je nutné do okruhu pˇripojit expanzn´ı nádobu, jej´ıˇz konstrukce a um´ıstˇen´ı mus´ı odpov´ıdat pˇredpokládané maximáln´ı teplotˇe, objemu a tepelné roztaˇznosti teplonosné


24

kapaliny. Pro pˇr´ıpady extrémn´ıho zv´ yˇsen´ı tlaku a následného poˇskozen´ı systému mus´ıme instalovat pojistn´ y ventil. Regulaˇ cn´ı zaˇ r´ızen´ı zabezpeˇcuje optimáln´ı v´ ykon systému, chrán´ı ho pˇred poˇskozen´ım a umoˇzn ˇuje potˇrebnou regulaci tepla mezi spotˇrebiˇci. Teplonosn´ a kapalina. Pro sezónn´ı ohˇrev uˇzitkové vody se jako teplonosná kapalina pouˇz´ıvá voda. Pro celoroˇcn´ı provoz mus´ıme pouˇz´ıt nemrznouc´ı smˇes, která má m´ıt podobné fyzikáln´ı vlastnosti jako voda (kromˇe bodu tuhnut´ı). Tomu vyhovuj´ı kapaliny na bázi glykol˚ u, napˇr´ıklad Solaren. 2.3.2.2

V´ yroba elektˇ riny

D´ıky fotoelektrick´ emu jevu v polovodiˇ c´ıch m˚ uˇ zeme energii sluneˇ cn´ıho z´ aˇ ren´ı pˇ remˇ enit v sol´ arn´ıch ˇ cl´ anc´ıch na elektrickou energii. ˇ bˇehem cca 1500 hodin sluneˇcn´ıho svitu 80 000 Roˇcnˇe dopadne na u ´zem´ı CR ˇ ˇcin´ı pˇribliˇznˇe TWh energie v podobˇe sluneˇcn´ıho svˇetla. Roˇcn´ı spotˇreba energi´ı v CR 320 TWh (elektrická energie 50 TWh; tepelná energie 270 TWh), coˇz pˇredstavuje 0,4 % z mnoˇzstv´ı energie sluneˇcn´ıho záˇren´ı dopadaj´ıc´ıho na naˇse u ´zem´ı. Na jeden ˇ ˇctvereˇcn´ı metr plochy CR tak dopadne bˇehem roku pˇribliˇznˇe 1000 kWh energie. Je to energie, která je pˇr´ıtomná kdekoliv na povrchu a je zdarma. Nev´ yhodou je závislost na denn´ı dobˇe, roˇcn´ım obdob´ı a na oblaˇcnosti v dané lokalitˇe. Pˇresto jde o energetick´ y potenciál, kter´ y nelze pˇrehlédnout. Fotovoltaick´ eˇ cl´ anky Základn´ım prvkem zaˇr´ızen´ı pro pˇremˇenu sluneˇcn´ıho záˇren´ı na elektrickou energii je solárn´ı ˇclánek. Solárn´ı ˇclánek je polovodiˇcov´ y velkoploˇsn´ y prvek alespoˇ n s jedn´ım PN pˇrechodem. V ozáˇreném solárn´ım ˇclánku jsou vybuzeny elektricky nabité ˇcástice (pár elektron - d´ıra). Elektrony a d´ıry jsou poté separovány vnitˇrn´ım elektrick´ ym polem PN pˇrechodu. Rozdˇelen´ı náboje má za následek napˇet’ov´ y rozd´ıl mezi pˇredn´ım (-) a zadn´ım (+) kontaktem ˇclánku. Zátˇeˇz´ı (elektrospotˇrebiˇcem) pˇripojenou mezi oba kontakty potom protéká stejnosmˇern´ y elektrick´ y proud, jenˇz je pˇr´ımo u ´mˇern´ y ploˇse solárn´ıch ˇclánk˚ u a intenzitˇe dopadaj´ıc´ıho sluneˇcn´ıho záˇren´ı. Struktura solárn´ıho ˇclánku je zobrazena na obrázku 2.7. Energetická u ´ˇcinnost pˇremˇeny sluneˇcn´ıho záˇren´ı na elektrickou energii je u souˇcasn´ ych hromadnˇe vyrábˇen´ ych solárn´ıch ˇclánk˚ u 14 aˇz 17 % (v laboratorn´ıch podm´ınkách aˇz 28 %). Pro ilustraci - mono krystalick´ y solárn´ı ˇclánek s plochou 100 cm2 je schopen dodávat do zátˇeˇze proud okolo 3 A pˇri napˇet´ı 0,5 V. V souˇcasné dobˇe jsou nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı solárn´ı ˇclánky vyrobené z krystalického kˇrem´ıku ve formˇe monokrystalu nebo multikrystalu. Své praktické uplatnˇen´ı maj´ı i tenkovrstvé solárn´ı ˇclánky na bázi amorfn´ıho kˇrem´ıku. Do v´ yroby jsou zavádˇeny nové tenkovrstvé technologie CdTe, CIS a CIGS struktury. Ke komerˇcn´ımu uplatnˇen´ı se bl´ıˇz´ı technologie fotovoltaick´ ych sklenˇen´ ych tabul´ı.


25

Obrázek 2.7: Struktura solárn´ıho ˇclánku.

Fotovoltaick´ e panely Elektrick´ ym propojen´ım solárn´ıch ˇclánk˚ u vzniká po jejich zapouzdˇren´ı solárn´ı ˇ anky jsou sériovˇe elektricky spojeny tak, aby napˇet´ı panelu umoˇznilo pˇr´ımé panel. Cl´ vyuˇzit´ı generované elektrické energie. Panel mus´ı zajistit hermetické zapouzdˇren´ı solárn´ıch ˇclánk˚ u, mus´ı zajiˇst’ovat dostateˇcnou mechanickou a povˇetrnostn´ı odolnost (napˇr. v˚ uˇci silnému vˇetru ˇci krupobit´ı). Konstrukce solárn´ıch panel˚ u jsou znaˇcnˇe rozmanité podle druhu pouˇzit´ı. Panely jsou instalovány zpravidla na jiˇzn´ı (JV aˇz JZ) stˇrechy a fasády budov, pˇr´ıpadnˇe na volnou plochu nebo na technické stavby jako napˇr. protihlukové bariéry. Vyuˇ zit´ı elektˇ riny z fotovoltaick´ ych panel˚ u Se stejn´ ymi prvky (solárn´ı ˇclánky) je moˇzné realizovat aplikace s v´ ykonem ˇrádovˇe od mW aˇz po MW. Fotovoltaické systémy je moˇzné provozovat kdekoliv na Zemi bez negativn´ıho dopadu na ˇzivotn´ı prostˇred´ı. Pro vyuˇzit´ı elektrické energie ze solárn´ıch panel˚ u je potˇreba pˇripojit k panelu kromˇe elektrick´ ych spotˇrebiˇc˚ u dalˇs´ı technické prvky - napˇr. akumulátorovou baterii, regulátor, napˇet’ov´ y mˇeniˇc, sledovaˇc Slunce, indikaˇcn´ı a mˇeˇric´ı pˇr´ıstroje. Sestava fotovoltaického modulu, spotˇrebiˇce a pˇr´ıpadnˇe dalˇs´ıch prvk˚ u se naz´ yvá fotovoltaick´ ym systémem. Mnoˇzstv´ı a skladba prvk˚ u fotovoltaického systému závis´ı na druhu aplikace. Syst´ emy nez´ avisl´ e na rozvodn´ e s´ıti (grid-off ) Jsou instalovány na m´ıstech, kde nen´ı u ´ˇcelné budovat elektrickou pˇr´ıpojku (od vzdálenosti k rozvodné s´ıti v´ıce neˇz 500 aˇz 1000 m). V´ ykony autonomn´ıch systém˚ u se pohybuj´ı v intervalu 1 aˇz 10 000 watt˚ u. U autonomn´ıch systém˚ u je kladen d˚ uraz na minimáln´ı ztráty energie a na pouˇz´ıván´ı energeticky u ´sporn´ ych spotˇrebiˇc˚ u. Syst´ emy s pˇ r´ım´ ym nap´ ajen´ım jsou realizovány vˇsude tam, kde nevad´ı, ˇze pˇripojené elektrické zaˇr´ızen´ı je funkˇcn´ı jenom po dobu dostateˇcné intenzity sluneˇcn´ıho záˇren´ı. Jedná se pouze o propojen´ı solárn´ıho panelu a spotˇrebiˇce.


26

Aplikace: ˇcerpán´ı vody pro závlahu, napájen´ı obˇehového ˇcerpadla solárn´ıho systému pro pˇr´ıpravu teplé uˇzitkové vody, napájen´ı ventilátor˚ u k odvˇetrán´ı uzavˇren´ ych prostor nebo nab´ıjen´ı akumulátor˚ u mal´ ych pˇristroj˚ u - mobiln´ı telefon, sv´ıtilna. Syst´ emy s akumulac´ı elektrick´ e energie. Doba, po kterou je k dispozici energie ze solárn´ıch panel˚ u vˇetˇsinou nen´ı totoˇzná s dobou, kdy nastává jej´ı nejvˇetˇs´ı potˇreba. Z toho d˚ uvodu jsou nezbytnou souˇcást´ı autonomn´ıch systém˚ u akumulátorové baterie. Optimáln´ı nab´ıjen´ı a vyb´ıjen´ı akumulátorové baterie je zajiˇstˇeno solárn´ım regulátorem. K autonomn´ımu systému lze pˇripojit, jak spotˇrebiˇce napájené stejnosmˇern´ ym proudem (napˇet´ı systému b´ yvá zpravidla 12 nebo 24 V), tak bˇeˇzné ’ s´ıt ové spotˇrebiˇce 230 V/ 50 Hz napájené pˇres napˇet’ov´ y mˇeniˇc. Aplikace: zdroj elektrické energie pro chaty a rodinné domy, napájen´ı dopravn´ı signalizace, telekomunikaˇcn´ıch zaˇr´ızen´ı nebo monitorovac´ıch pˇr´ıstroj˚ u v terénu, zahradn´ı sv´ıtidla, svˇetelné reklamy, kemping a jachting. Hybridn´ı autonomn´ı syst´ emy. V zimn´ıch mˇes´ıc´ıch je moˇzné z´ıskat z fotovoltaického zdroje podstatnˇe ménˇe elektrické energie neˇz v letn´ıch mˇes´ıc´ıch. Proto je nutné systémy s celoroˇcn´ım provozem a s ˇcast´ ym uˇz´ıván´ım poˇc´ıtat na zimn´ı provoz. Instalovan´ y v´ ykon fotovoltaick´ ych panel˚ u vˇsak v takovém pˇr´ıpadˇe ne´ umˇernˇe naroste a s t´ım i poˇrizovac´ı náklady. Mnohem v´ yhodnˇejˇs´ı je potom z tohoto d˚ uvodu pˇripojit do energetickému systému doplˇ nkov´ y zdroj elektˇriny, kter´ y pokryje potˇrebu elektrické energie v obdob´ıch s nedostateˇcn´ ym sluneˇcn´ım svitem. Takov´ ym zdrojem m˚ uˇze b´ yt vˇetrn´ y generátor, spalovac´ı generátor (nejlépe s kogenerac´ı - spoleˇcná v´ yroba elektrické a tepelné energie) nebo malá vodn´ı elektrárna. Aplikace: vˇetˇs´ı systémy pro napájen´ı budov s celoroˇcn´ım provozem. Syst´ emy dod´ avaj´ıc´ı energii do rozvodn´ e s´ıtˇ e (grid-on) Tyto systémy jsou nejv´ıce uplatˇ novány v oblastech s hustou s´ıt´ı elektrick´ ych rozvod˚ u. V pˇr´ıpadˇe dostateˇcného sluneˇcn´ıho svitu jsou spotˇrebiˇce v budovˇe napájeny vlastn´ı ”solárn´ı” elektrickou energi´ı a pˇr´ıpadn´ y pˇrebytek je dodáván do veˇrejné rozvodné s´ıtˇe. Pˇri nedostatku vlastn´ı energie je elektrická energie z rozvodné s´ıtˇe odeb´ırána. Systém funguje zcela automaticky d´ıky mikroprocesorovému ˇr´ızen´ı s´ıt’ového mˇeniˇ ckov´ ˇce. Pˇripojen´ı k s´ıti podléhá schvalovac´ımu ˇr´ızen´ı u rozvodn´ ych závod˚ u. Spiˇ y v´ ykon fotovoltaick´ ych systém˚ u pˇripojen´ ych k rozvodné s´ıti je v rozmez´ı kW aˇz MW. Fotovoltaické panely jsou vˇetˇsinou integrovány do obvodového pláˇstˇe budov. Dnes pˇredstavuj´ı cca 20 % z instalovan´ ych systém˚ u. Nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı jsou v SRN (90 %) ˇ ycarsku (67 %). V Cesk´ ˇ e republice jsou realizovány dva v´ a Sv´ yznamnˇejˇs´ı systémy tohoto typu. Prvn´ım z nich je fotovoltaická elektrárna s v´ ykonem 10 kWh na hoˇre Mraveneˇcn´ık v Jesen´ıkách. Druh´ ym systémem je solárn´ı prodlouˇzen´ı fasády s barevn´ ymi solárn´ımi ˇclánky na hotelu Panorama v Praze-Pankráci o v´ ykonu 6 kWh. Aplikace: stˇrechy rodinn´ ych dom˚ u do 1 aˇz 10 kW, fasády a stˇrechy administrativn´ıch budov 10 kW - 1 MW, dálniˇcn´ı protihlukové bariéry, fotovoltaické elektrárny, posilovaˇce koncov´ ych vˇetv´ı rozvodné s´ıtˇe.


27

Moˇ znosti fotovoltaiky Jeden ˇctvereˇcn´ı metr solárn´ıho modulu s monokrystalick´ ymi ˇclánky má v´ ykon 2 110 Wh (ˇspiˇckov´ y v´ ykon) pˇri standardn´ım osvˇetlen´ı 1000 W/m a sluneˇcn´ım spektru AM 1,5. Ze solárn´ıho panelu s touto plochou je moˇzné bˇehem jednoho roku z´ıskat 70 - 100 kWh elektrické energie. Pr˚ umˇerné hodnoty elektrické energie [Wh/den], kterou lze z´ıskat ke spotˇrebˇe bˇehem jednoho dne ze solárn´ıho panelu s v´ ykonem 110 Wh dle mˇes´ıc˚ u jsou v tabulce na obrázku 2.8.

Obrázek 2.8: Pr˚ umˇerné hodnoty elektrické energie [Wh/den] jednoho dne ze solárn´ıho panelu s v´ ykonem 110 Wh dle mˇes´ıc˚ u.

ˇ jsou zat´ım vysoké Nejvˇetˇs´ı pˇrekáˇzkou rozˇs´ıˇren´ı fotovoltaick´ ych ˇclánk˚ u v CR poˇrizovac´ı náklady a u systém˚ u pˇripojen´ ych na s´ıt’ n´ızké v´ ykupn´ı ceny elektrické energie.

Kapitola 3 Zp˚ usoby vyt´ apˇ en´ı Materiály pouˇzité v této kapitole jsou ˇcerpány z [3] a [4].

3.1

Rozdˇ elen´ı a druhy otopn´ ych soustav

Otopné soustavy lze tˇr´ıdit z mnoha hledisek: • lok´ aln´ı vyt´ apˇ ec´ı zaˇ r´ızen´ı (soustavu tvoˇr´ı lokáln´ı topidla na tuhá, kapalná, plynná paliva nebo na elektˇrinu v kazdé m´ıstnosti). Tato topidla maj´ı v´ yhodu v tom, ˇze je vytápˇena vˇzdy jen uˇz´ıvaná m´ıstnost. Spotˇreba energie je aˇz 2,5krát niˇzˇs´ı neˇz pˇri trvalém u ´stˇredn´ım vytápˇen´ı objektu. Jednotlivé m´ıstnosti lze individualnˇe vytápˇet na r˚ uzné teploty, kaˇzdá m´ıstnost m˚ uˇze m´ıt zcela jin´ y ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh vytápˇen´ı, • u ´ stˇ redn´ı otopn´ e soustavy se vyznaˇcuj´ı t´ım, ˇze otopná tˇelˇesa jsou propojená potrub´ım s cirkuluj´ıc´ı teplonosnou látkou a opatˇrena regulaˇcn´ımi ventlily. ´ redn´ı otopné soustavy lze dále dˇelit podle teplonosné látky: Ustˇ • vodn´ı, • parn´ı.

3.1.1

Teplovodn´ı otopn´ e soustavy

Teplovodn´ ych otopn´ ych soustav je vˇetˇsina a mohou se dále dˇelit: Podle teploty teplonosné vody na: • n´ızkoteplotn´ı (do 60◦ C), • teplovodn´ı (do 95 ◦ C), • horkovodn´ı (do 110◦ C). Podle poˇctu pˇr´ıvodn´ıch a vratn´ ych potrub´ı na: 28

˚ ´ EN ˇ Í KAPITOLA 3. ZPUSOBY VYTAP

29

• jednotrubkové, • dvoutrubkové. Podle konfigurace propojovac´ıch potrub´ı na: • horizontáln´ı, • vertikáln´ı. Podle smyslu proudˇen´ı v paralelnˇe vedeném pˇr´ıvodn´ım a vratném potrub´ı (jen u dvoutrubkov´ ych rozvod˚ u) na: • souproudé, • protiproudé. Podle zdroje energie pro cirkulaci teplonosné vody na: • soustavy s pˇrirozen´ ym obˇehem, • soustavy s nucen´ ym obˇehem. V posledn´ıch letech se ˇcasto projektuj´ı horizontáln´ı soustavy jedno i dvoutrubkové (souproudé), jeˇz maj´ı uplatnˇen´ı hlavnˇe pˇri rekonstrukc´ıch otopn´ ych soustav. Dvoutrubkové vertikáln´ı soustavy lze navrhout bud’ s pˇrirozen´ ym obˇehem nebo nucen´ ym obˇehem. Horizontáln´ı soustavy jedno i dvoutrubkové mus´ı m´ıt nucen´ y obˇeh. V´ yhodou pˇ rirozen´ eho obˇ ehu je, ˇze nepotˇrebuje ke své funkci ˇzádnou pˇr´ıdavnou energii kromˇe tepelné. Nev´ yhodou pˇ rirozen´ eho obˇ ehu je, ˇze se spotˇrebuje v´ıce materiálu (velké pr˚ umˇery potrub´ı pro dosaˇzen´ı menˇs´ıch pr˚ utoˇcn´ ych odpor˚ u) a dosahuje se n´ızké hydraulické stability potrubn´ıho rozvodu, coˇz nakonec vede ke zv´ yˇsen´ı spotˇreby paliva. Nev´ yhodou je také ˇspatná dynamika. V´ yhodou otopn´ ych soustav s nucen´ ym obˇ ehem je naopak menˇs´ı spotˇreba materiálu na rozvodná potrub´ı, lze je navrhovat tak, aby byly hydraulicky stabiln´ı (a to jak horizontáln´ı, tak vertikáln´ı), u otopn´ ych tˇeles lze pouˇz´ıvat regulaˇcn´ı ventily s termostatick´ ymi hlavicemi, coˇz vede ke sn´ıˇzen´ı spotˇreby paliva a koneˇcnˇe lze snadnˇeji mˇeˇrit spotˇrebované teplo, zejména u horizontáln´ıch soustav. Nev´ yhodou nucen´ eho obˇ ehu je závislost obˇehového ˇcerpadla na zdroji elektˇriny a mnoˇzstv´ı spotˇrebované elektˇriny pro funkci soustavy, které je vˇsak s ohledem na dosaˇzené u ´spory paliva témˇeˇr zanedbatelné.


3.1.2

30

Parn´ı otopn´ e soustavy

Parn´ı otopné soustavy se pouˇz´ıvaj´ı v pr˚ umyslu, kde závod vyuˇz´ıvá technologickou páru jeˇstˇe k jin´ ym u ´ˇcel˚ um. V obytn´ ych domech, veˇrejn´ ych budovách a vˇsude tam, kde pára nen´ı nutná pro jiné u ´ˇcely neˇz pro vytápˇen´ı, se novˇe nevyuˇz´ıvaj´ı. Pokud bylo v tˇechto pˇr´ıpadech parn´ı vytápˇen´ı dˇr´ıve instalováno, nahrazuje se teplovodn´ım. Parn´ı otopné soustavy lze rozdˇelit podle tlaku páry na: • n´ızkotlaké (do tlaku páry aˇz 50 kPa a teploty do 110 ◦ C), • vysokotlaké (abs. tlak páry nad 0,15 MPa a teplota niˇzˇs´ı neˇz 100 ◦ C), • podtlakové (abs. tlak páry niˇzˇs´ı neˇz 100 KPa, teplota niˇzˇs´ı neˇz 100 ◦ C). Dále je lze dˇelit podle zp˚ usobu veden´ı a provozu kondenzátn´ıho potrub´ı na: • soustavy se such´ ym kondenzátn´ım potrub´ım, • soustavy s mokr´ ym kondenzátn´ım potrub´ım. V´ yhody oproti teplovodn´ımu vytápˇen´ı jsou: • malá tepelná setrvaˇcnost a tedy rychl´ y zátop, • menˇs´ı nebezpeˇc´ı zamrznut´ı vody pˇri pˇreruˇsen´ı provozu, • n´ızkotlaká parn´ı otopná soustava je levnˇejˇs´ı neˇz teplovodn´ı. Nev´ yhody oproti teplovodn´ımu vytápˇen´ı jsou: • velmi obt´ıˇzná centráln´ı regulace v´ ykonu (zp˚ usobuje pˇretápˇen´ı m´ıstnost´ı, zv´ yˇsen´ı spotˇreby paliva), • vysoká povrchová teplota tˇeles - nevhodná z hygienického hlediska (termáln´ı rozklad prachu), • poˇskozován´ı ocelového kondenzátn´ıho potrub´ı rychle postupuj´ıc´ı kysl´ıkovou koroz´ı.

3.1.3

Teplovzduˇ sn´ e otopn´ e soustavy

Teplovzduˇsné otopné soustavy jsou obl´ıbeny zejména ve Francii, ve Finsku a Kanadˇe. Zpravidla se uplatˇ nuje nucená cirkulace odvádˇeného i pˇrivádˇeného vzduchu, protoˇze tak se dosahuje malé teplené setrvaˇcnosti, krátké doby zátopu a kvalitn´ı regulace. Teplovzduˇsné vytápˇen´ı v porovnán´ı s teplovodn´ım vytápˇen´ım rodinného domku umoˇznuje sn´ıˇzit poˇrizovac´ı náklady, zvyˇsuje provozn´ı pohotovost, nehroz´ı zamrznut´ı, zlepˇsuje vˇetrán´ı m´ıstnosti. Má vˇsak i nedostatky, jako je vˇetˇs´ı vertikáln´ı rozloˇzen´ı teplot v prostoru, nˇekdy vyˇsˇs´ı praˇsnost zp˚ usobená intenzivnˇejˇs´ım proudˇen´ım vzduchu a hluˇcnost ventilátor˚ u. Tradiˇcn´ı teplovzduˇsné vytápˇec´ı zaˇr´ızen´ı s nucen´ ym obˇehem má tyto ˇcásti:


31

• zdroj tepla na plynná paliva a nebo na elektˇrinu, • ventilátory a filtr vzduchu (ˇcasto tvoˇr´ı jednotku se zdrojem tepla), • rozvod vzduchu vˇcetnˇe v´ ydechov´ ych mˇr´ıˇzek a ostatn´ıho pˇr´ısluˇsenstv´ı, • automatickou regulaci ovládaj´ıc´ı provoz zdroje tepla a chod ventilátoru. Pˇri teplovzduˇsném vytápˇen´ı se nejv´ıce liˇs´ı zp˚ usoby rozvodu pˇrivádˇeného ohˇrátého vzduchu a odvádˇeného zneˇciˇstˇeného vzduchu. Vyˇzaduje, aby byly vytvoˇreny podm´ınky pro hospodárn´ y rozvod a odvod vzduchu jiˇz pˇri projektován´ı stavebn´ı konstrukce a vnitˇrn´ı dispozice bytu. V zahraniˇcn´ıch projektech jsou ˇcasté rozvody vedené podkrov´ım nebo uloˇzené v podlaze domku.

ˇ ´ EC ˇ ÍCH SOUSTAV KAPITOLA 4. MOZNOSTI REGULACE VYTAP

33

Obrázek 4.1: Základn´ı blokové schéma jednoduchého regulaˇcn´ıho obvodu

4.2

Zp˚ usoby regulace teploty

Regulátory m˚ uˇzeme rozdˇelit: • pˇ r´ım´ e regul´ atory - nepotˇrebuj´ı pro svou funkci ˇzádnou vnˇejˇs´ı energii, ale odeb´ıraj´ı vˇsechnu potˇrebnou energii pro sv˚ uj provoz pˇr´ımo ze soustavy. Pˇr´ım´ y regulátor teploty je napˇr´ıklad termostatick´ y ventil, • nepˇ r´ım´ e regul´ atory - pracuj´ı vˇzdy s pomocnou energi´ı. Pouˇz´ıvaj´ı se hlavnˇe pˇri vyˇsˇs´ıch nároc´ıch na pˇresnost regulace. Podle druhu pomocné energie se regulátory dˇel´ı na elektrické, pneumatické, hydraulické a kombinované. Rozliˇsujeme tyto základn´ı druhy regulace: • spojit´ a regulace - je regulace, pˇri n´ıˇz vˇsechny ˇcleny regulaˇcn´ıho obvodu pracuj´ı spojitˇe, tj. v´ ystupn´ı signály jsou spojit´ ymi funkcemi vstupn´ıch signál˚ u, • nespojit´ a regulace - je regulace, pˇri n´ıˇz alespoˇ n jeden ˇclen regulaˇcn´ıho obvodu pracuje nespojitˇe (napˇr. pˇrenáˇs´ı signál jen v urˇcit´ ych ˇcasov´ ych okamˇzic´ıch nebo po dosaˇzen´ı urˇcité hodnoty), • regulace na konstantn´ı hodnotu - je druhem automatické regulace, pˇri n´ıˇz je ˇzádaná hodnota regulované veliˇciny konstantn´ı,


34

• programov´ a regulace - je druhem automatické regulace, pˇri nˇemˇz je ˇzádaná hodnota regulované veliˇciny funkc´ı ˇcasu podle pˇredem známého programu, • vleˇ cn´ a regulace - je druhem automatické regulace,pˇri nˇemˇz se ˇzádaná hodnota regulované veliˇciny mˇen´ı v závislosti na jiné d˚ uleˇzité veliˇcinˇe. Typick´ ym pˇr´ıkladem vleˇcné regulace je regulace teploty vody v otopné soustavˇe v závislosti na teplotˇe venkovn´ıho vzduchu.

4.2.1

Nespojit´ a regulace

Pro regulaci vytápˇec´ıch soustav jsou velmi rozˇs´ıˇrené nespojité regulátory, z nichˇz nejˇcastˇejˇs´ımi jsou dvoupolohové regulátory s hysterez´ı. Jejich charakteristika je uvedena na obrázku 4.2.

Obrázek 4.2: Statická charakteristika dvoupolohového regulátoru s hysterez´ı.

Tento dvoupolohov´ y regulátor s hysterez´ı se pouˇz´ıvá vˇetˇsinou tak, ˇze doln´ı mezn´ı hodnota akˇcn´ı veliˇciny nab´ yvá hodnoty 0 (rozepnuto - tepeln´ y zdroj je od otopné


35

soustavy odpojen) a horn´ı mezn´ı hodnota akˇcn´ı veliˇciny nab´ yvá hodnotu 1 (sepnuto - tepeln´ y zdroj dodává do otopné soustavy pln´ y v´ ykon). Typick´ ym pˇr´ıkladem tohoto dvoupolohového regulátoru je jednoduch´ y prostorov´ y pokojov´ y termostat (u nás vyrábˇen´ y pod názvem REGO). Jeho ˇcinnost je zaloˇzena na deformaci bimetalového pásku vlivem tepla. Tato deformace vyvolává ˇ adaná hodnota je nastavována pˇredepnut´ım sepnut´ı ˇci rozepnut´ı mikrosp´ınaˇce. Z´ pruˇziny na mikrosp´ınaˇci, jej´ıˇz s´ılu je tˇreba pˇrekonat, aby sp´ınaˇc sepnul. Hystereze je zajiˇstˇena mechanick´ ymi vlastnostmi bimetalového pásku a mikrosp´ınaˇce. Jelikoˇz vytápˇené objekty jsou soustavami kapacitn´ımi, nˇekdy nav´ıc s nezanedbateln´ ym dopravn´ım zpoˇzdˇen´ım, pˇrekraˇcuje regulovaná veliˇcina T mezn´ı hodnoty T1 a T2 a v soustavˇe docház´ı k oscilac´ım kolem ˇzádané hodnoty. Amplituda tˇechto oscilac´ı je t´ım vˇetˇs´ı, ˇc´ım vˇetˇs´ı je setrvaˇcnost a dopravn´ı zpoˇzdˇen´ı soustavy. Tento nepˇr´ızniv´ y jev je moˇzné omezit pomoc´ı zaveden´ı tepelné zpˇetné vazby. Jej´ı princip spoˇc´ıvá v zabudován´ı pomocného topného odporu, kter´ y je um´ıstˇen pobl´ıˇz bimetalového pásku a je napájen z v´ ystupu regulátoru (zahˇr´ıvá se, je-li regulátor sepnut). Topn´ y odpor zp˚ usobuje pˇr´ıdavné ohˇr´ıván´ı bimetalového pásku, teplota ˇcidla je t´ım o nˇeco vyˇsˇs´ı, neˇz teplota vytápˇené m´ıstnosti a regulátor vypne dˇr´ıve, neˇz soustava dosáhne ˇ adané teploty potom soustava dosáhne pomoc´ı své setrvaˇcnosti. ˇzádané teploty. Z´ Vhodn´ ym nastaven´ım velikosti vlivu této tepelné zpˇetné vazby m˚ uˇzeme dosáhnout podstatného omezen´ı tˇechto oscilac´ı. Pˇr´ıliˇsné zmenˇsován´ı hystereze vˇsak zp˚ usobuje ˇcastˇejˇs´ı sp´ınán´ı regulátoru, a t´ım docház´ı k nadmˇernému opotˇreben´ı sp´ınac´ıch kontakt˚ u (vhodná frekvence sp´ınán´ı je 5 - 10 sepnut´ı za hodinu). V dneˇsn´ı dobˇe jsou na trhu dostupné i elektronické programovatelné termostaty. U mal´ ych aplikac´ı (rodinné domky, bytové soustavy), kde by ekvitermn´ı regulace vycházela pˇr´ıliˇs drahá vzhledem k soustavˇe je programovateln´ y pokojov´ y termostat ideáln´ım doplˇ nkem m´ıstn´ı regulace. U dneˇsn´ıch elektronick´ ych pokojov´ ych termostat˚ u je moˇzno optimalizovat jejich práci v reálném ˇcase. Znamená to, ˇze m˚ uˇzeme na základˇe nastaven´ı pˇriˇradit urˇcit´ ym ˇcasov´ ym u ´sek˚ um pˇr´ısluˇsnou teplotn´ı u ´roveˇ n a volit tak napˇr. denn´ı ˇci v´ıkendov´ y reˇzim provozován´ı otopné soustavy. U nˇekter´ ych elektronick´ ych pokojov´ ych termostat˚ u se m˚ uˇzeme setkat i se zabudovanou adaptivn´ı regulac´ı. Adaptivn´ı zp˚ usob regulace je obecnˇe vyhrazen sp´ıˇse sloˇzitˇejˇs´ım a vˇetˇs´ım regulátor˚ um a znamená, ˇze regulátor si sám sleduje m´ırné stoupán´ı teploty ve vytápˇeném prostoru i poté, co jiˇz dal pokyn k vypnut´ı kotle. Stoupán´ı teploty je pˇrirozené d´ıky tepelné setrvaˇcnosti otopn´ ych ploch. Na základˇe této zkuˇsenosti regulátor napˇr´ıˇstˇe dává pokyn k vypnut´ı kotle v pˇredstihu a zpˇetnˇe kontroluje, jaká je reakce na regulaˇcn´ı zásah. Pr˚ ubˇeh sledované veliˇciny je neustále sledován v závislosti na regulaˇcn´ıch zásaz´ıch a regulátor se neustále adaptuje konkrétn´ım podm´ınkám ve vytápˇeném prostoru. Pokojové termostaty se umist’uj´ı v tzv. referenˇcn´ı m´ıstnosti, mˇela by to b´ yt taková m´ıstnost, kde se neprojevuj´ı vnitˇrn´ı ani venkovn´ı tepelné zisky, která má nejmenˇs´ı tepelnou kapacitu a nejniˇzˇs´ı poˇzadovanou teplotu.

4.2.2

Spojit´ a regulace

Ménˇe ˇcasté je pro regulaci otopn´ ych systém˚ u v rodinn´ ych domc´ıch pouˇzit´ı spojit´ ych regulátor˚ u. Je to dáno hlavnˇe vyˇsˇs´ımi poˇrizovac´ımi náklady. Ve vˇetˇsinˇe


36

pˇr´ıpad˚ u totiˇz dostaˇcuje pouˇzit´ı jednoduˇsˇs´ıch typ˚ u regulace (napˇr. nespojitá regulace). Proti diskrétn´ı regulaci se spojitá regulace liˇs´ı pouˇzit´ım spojit´ ych emulátor˚ u, u kter´ ych akˇcn´ı veliˇcina u je spojitou funkc´ı regulaˇcn´ı odchylky e. Spojité regulátory m˚ uˇzeme rozdˇelit na: • lineárn´ı, • nelineárn´ı. Lineárn´ı spojité regulátory m˚ uˇzeme dˇelit na: • P - proporcion´ aln´ı regul´ ator - je charakterizován konstantn´ım pomˇerem v´ ystupn´ı a vstupn´ı veliˇciny v kaˇzdém okamˇziku ˇcinnosti regulátoru. Nev´ yhodou regulátoru typu P je, ˇze regulaˇcn´ı odchylka v ustáleném stavu je nenulová, • PI - proporcion´ alnˇ e integraˇ cn´ı regul´ ator zajiˇst’uje, aby regulaˇcn´ı odchylka v ustáleném stavu byla nulová, • PID - proporcion´ aln´ı integraˇ cnˇ e derivaˇ cn´ı regul´ ator má nav´ıc oproti pˇredchoz´ımu typu regulátoru blok, kter´ y umoˇzn ˇuje reagovat na intenzitu zmˇeny regulaˇcn´ı odchylky. Regulátor PD je pro regulaci u ´stˇredn´ıho vytápˇen´ı nevhodn´ y, protoˇze otopné soustavy maj´ı pomˇernˇe velké ˇcasové konstanty. D´ıky tomu docház´ı v otopn´ ych soustavách k pomal´ ym zmˇenám.

4.2.3

Vleˇ cn´ a regulace

Ve vytápˇec´ı technice je velmi rozˇs´ıˇrena regulace podle urˇcité vztaˇzné teploty. Regulovanou veliˇcinou zde vˇsak nen´ı teplota prostˇred´ı, ale teplota otopné vody vstupuj´ıc´ı do otopné soustavy. Podle toho, jakou vztaˇznou teplotu uvaˇzujeme, m˚ uˇzeme rozdˇelit vleˇcnou regulaci na dva typy: • regulace podle teploty referenˇcn´ı m´ıstnosti - teplota nábˇehové vody je u ´mˇerná rozd´ılu mezi poˇzadovanou a skuteˇcnou teplotou referenˇcn´ı m´ıstnosti, • regulace podle teploty venkovn´ıho vzduchu (ekvitermn´ı regulace) - teplota nábˇehové vody je nastavována v závislosti na teplotˇe venkovn´ıho vzduchu. Ekvitermn´ı regulace Zde je potˇreba tepla regulována proporcionálnˇe k venkovn´ı teplotˇe, je moˇzné na tomto základˇe regulovat teplotu pˇr´ıvodn´ı vody pˇr´ımo v závislosti na teplotˇe venkovn´ı. Závislost obou veliˇcin je dána tzv. otopnou kˇrivkou (obrázek 4.3). Kˇrivka a jej´ı prohnut´ı odpov´ıdá pouˇzit´ ym otopn´ ym tˇelˇes˚ um, respektive pouˇzité otopné ploˇse. Kˇrivku lze pˇresnˇe upravit naklánˇen´ım ˇci posunem pro danou soustavu a jej´ı vlastnosti. Pro vyˇsˇs´ı venkovn´ı teploty se doporuˇcuje pˇrednostnˇe posun otopné kˇrivky


37

do jiné u ´rovnˇe a u niˇzˇs´ıch venkovn´ıch teplot je vhodné upˇrednostnit zmˇenu sklonu otopné kˇrivky. Regulace teploty je rychlá s mal´ ym dopravn´ım zpoˇzdˇen´ım. Tato regulace se dnes pouˇz´ıvá u vˇetˇsiny soustav s eventuleln´ımi pˇr´ıdavn´ ymi funkcemi. Teplota pˇr´ıvodn´ı vody se reguluje dvoupolohovˇe (ˇr´ızen´ı hoˇráku), nebo tˇr´ıpolohovˇe (spolu s ˇr´ızen´ım tˇr´ıcestné ˇci ˇctyˇrcestné armatury). Negativn´ı stránkou ekvitermn´ıho regulátoru je, ˇze pˇri rychlém poklesu venkovn´ı teploty Te ihned reaguje a zvyˇsuje teplotu pˇr´ıvodn´ı vody Tp , aˇckoliv se vliv poklesu venkovn´ı teploty uvnitˇr budovy projev´ı aˇz pozdˇeji.

Obrázek 4.3: Otopná kˇrivka ekvitermn´ıho regulátoru.

Kapitola 5 Sd´ılen´ı tepla Materiály pouˇzité v této kapitole jsou ˇcerpány z [8] a [9]. Sd´ılen´ı tepla je ve vytápˇen´ı a vˇetrán´ı budov velice d˚ uleˇzit´ y fyzikáln´ı jev. Sd´ılen´ım tepla z povrchu lidského tˇela do okol´ı je zajiˇst’ována tepelná rovnováha ˇclovˇeka. Stejné je to i u vytápˇen´ ych m´ıstnost´ı, kde z vytápˇen´ ych m´ıstnost´ı prostupuje teplo stˇenami do okoln´ıho prostˇred´ı a naopak v letn´ıch mˇes´ıc´ıch se chlazen´ım odvád´ı teplo pˇrivedené z venkovn´ıho prostˇred´ı do m´ıstnosti. V nˇekter´ ych pˇr´ıpadech je naˇs´ım c´ılem zvˇetˇsit co nejv´ıce intenzitu sd´ılen´ı tepla, a tak co nejlépe vyuˇz´ıt pˇr´ısluˇsné vytápˇec´ı zaˇr´ızen´ı. Jindy se naopak snaˇz´ıme sd´ılen´ı tepla co nejv´ıce zabránit, a t´ım sn´ıˇzit tepelné ztráty na minimum. Dle termodynamického zákona teplo pˇrecház´ı z m´ısta vyˇsˇs´ıho teplotn´ıho potenciálu k m´ıstu niˇzˇs´ıho teplotn´ıho potenciálu. Sd´ılen´ı tepla je nauka o zákonech ˇs´ıˇren´ı tepla. Teplo se ˇs´ıˇr´ı: • veden´ım (kondukc´ı), • proudˇen´ım (konvekc´ı), • tepeln´ ym sálán´ım (radiac´ı).

5.1

Sd´ılen´ı tepla veden´ım

Sd´ılen´ı tepla veden´ım je zp˚ usob ˇs´ıˇren´ı tepla v nestejnomˇernˇe ohˇrátém tˇelese pˇredáván´ım tepelné energie mezi pˇr´ımo se st´ ykaj´ıc´ımi ˇcástmi tˇelesa. Pro technickou praxi má nejvˇetˇs´ı v´ yznam veden´ı tepla v tuh´ ych tˇelesech. Teplo se ve hmotˇe ˇs´ıˇr´ı ve smˇeru teplotn´ıho gradientu a intenzita veden´ı tepla je tomuto gradientu pˇr´ımo u ´mˇerná. Schopnost látky vést teplo vyjadˇruje tepelná vodivost (λ), jej´ıˇz velikost se liˇs´ı podle druhu látky. λ=−

q q = − ∆t , grad (t) s

λ - mˇerná tepelná vodivost [W·m−1 ·K−1 ], q - mˇern´ y tepeln´ y tok [W·m−2 ], 38

(5.1)

KAPITOLA 5. SDÍLENÍ TEPLA

39

t - ˇcas [s], s - délka [m]. Veden´ı tepla rovinnou stˇ enou Tepeln´ y tok procházej´ıc´ı rovinnou homogenn´ı stˇenou tlouˇst’ky s pˇri stálém rozd´ılu povrchov´ ych teplot tp1 a tp2 je Q=

λ · S · (tp1 − tp2 ) , s

(5.2)

λ - mˇerná tepelná vodivost materiálu stˇeny [W·m−1 ·K−1 ], s - tlouˇst’ka stˇeny [m], S - plocha, kterou teplo procház´ı [m2 ], tp1 - povrchová teplota na jedné stranˇe stˇeny [◦ C], tp2 - povrchová teplota na druhé stranˇe stˇeny [◦ C].

5.2

Sd´ılen´ı tepla proudˇ en´ım

Sd´ılen´ı tepla proudˇen´ım je zp˚ usob pˇrenáˇsen´ı tepla proud´ıc´ı tekutinou (kapalinou nebo plynem) z m´ısta o vyˇsˇs´ı teplotˇe do m´ısta o teplotˇe niˇzˇs´ı, tj. téˇz z povrchu tuhého tˇelˇesa do tekutiny nebo naopak, vˇzdy proti smˇeru teplotn´ıho gradientu. Sd´ılen´ı tepla konvekc´ı mezi povrchem tuhého tˇelesa a tekutinou a naopak se naz´ yvá téˇz pˇrestup tepla. Rozliˇsujeme pˇrestup tepla: • pˇri nuceném proudˇen´ı kapaliny nebo plynu (nucená konvekce), • pˇri pˇrirozeném proudˇen´ı kapaliny nebo plynu (pˇrirozená konvekce). Nucené proudˇen´ı je takové, které je zp˚ usobováno vnˇejˇs´ımi silami (napˇr. silami vznikaj´ıc´ımi spuˇstˇen´ım ˇcerpadla nebo ventilátoru) a pˇrirozené, takové které je zp˚ usobováno nerovnomˇern´ ym rozdˇelˇen´ım hustoty tekutiny v poli zemské t´ıˇze. Pˇrestup tepla konvekc´ı je t´ım vˇetˇs´ı, ˇc´ım vˇetˇs´ı je rychlost proudˇen´ı tekutiny pˇri nucené konvekci, nebo ˇc´ım vˇetˇs´ı je rozd´ıl teplot pˇri pˇrirozené konvekci. Tepeln´ y tok konvekc´ı mezi plochou S o teplotˇe tp a tekutinou o teplotˇe tm je dán vztahem: Q = α · S · (tp − tm ) , α - souˇcintel pˇrestupu tepla konvekc´ı [W·m−2 ·K−1 ]. Hodnota souˇcinitele pˇrestupu tepla se vyˇsetˇruje pˇreváˇznˇe experimentálnˇe.

(5.3)


5.3

40

Prostup tepla stˇ enou

Prostupem tepla naz´ yváme v´ ymˇenu tepla mezi dvˇema tekutinami , plyny nebo kapalinami oddˇelen´ ymi tuhou stˇenou. Prostup tepla se tedy skládá z pˇrestupu tepla, veden´ı tepla a opˇet pˇrestupu tepla. Z hlediska lokáln´ıho rozloˇzen´ı teploty prostˇred´ı (tekutiny) podél stˇeny se rozliˇsuje: • prostup tepla stˇenou pˇri stál´ ych teplotách prostˇred´ı (napˇr. prostup tepla stˇenou z vytápˇené m´ıstnosti do venkovn´ıho prostˇred´ı), • prostup tepla stˇenou pˇri promˇenliv´ ych teplotách prostˇred´ı (napˇr. prostup u ohˇr´ıvák˚ u).

5.3.1

Prostup tepla pˇ ri st´ al´ ych teplot´ ach prostˇ red´ı

Prostup tepla rovinnou stˇ enou Za stál´ ych teplotn´ıch podm´ınek prostˇred´ı lze pro prostup tepla rovinnou stˇenou z prostˇred´ı o teplotˇe t1 do prostˇred´ı o teplotˇe t2 psát rovnici: Q=

1 1 α1

+

s λ

+

1 α2

· S · (t1 − t2 ) ,

(5.4)

S - plocha stˇeny [m2 ], s - tlouˇst’ka stˇeny [m], λ - mˇerná tepelná vodivost [W·m−1 ·K−1 ], α1 - ˇcinitel pˇrestupu na jedné stranˇe stˇeny [W·m−2 ·K−1 ], α2 - ˇcinitel pˇrestupu na druhé stranˇe stˇeny [W·m−2 ·K−1 ], t1 - teplota prostˇred´ı na jedné stranˇe stˇeny [◦ C], t1 - teplota prostˇred´ı na druhé stranˇe stˇeny [◦ C]. Dále m˚ uˇzeme psát rovnici: Q = k · S · (t1 − t2 ) ,

(5.5)

ve které k=

1 1 α1

+

s λ

+

1 α2

,

(5.6)

k - souˇcinitel prostupu tepla stˇenou [W·m−2 ·K−1 ]. Hodnoty souˇcinitele prostupu tepla najdeme pro obvyklé stavebn´ı materiály a obvyklé tlouˇst’ky zdiva v literatuˇre. Tyto hodnoty jsou zjiˇstˇeny experimentálnˇe. Pˇrevrácena hodnota 1/k se naz´ yvá tepeln´ y odpor materiálu. Pro v´ıcevrstvou stˇenu je tepeln´ y odpor pˇri prostupu: Xs 1 1 1 = + + , k α1 λ α2

(5.7)


41

tepeln´ y tok je: Q=

5.4

1 1 α1

+

P

s λ

+

1 α2

· S · (t1 − t2 ) .

(5.8)

Sd´ılen´ı tepla s´ al´ an´ım

Tepelné sálán´ı (tepelné záˇren´ı, termáln´ı radiace) je pˇremˇena tepelné energie tˇelesa v záˇrivou a pˇredáván´ı (emise) záˇrivé energie do prostoru, obklopuj´ıc´ıho tˇeleso. Opˇetnou pˇremˇenu záˇrivé energie, dopadaj´ıc´ı na tˇeleso, v energii tepelnou naz´ yváme pohlcován´ı (termáln´ı absorbce). Vzájemné vyzaˇrován´ı (emise) a pohlcován´ı (absorbce) záˇrivé energie mezi dvˇema nebo v´ıce tˇelesy s r˚ uzn´ ymi povrchov´ ymi teplotami naz´ yváme sd´ılen´ı tepla sálán´ım (radiac´ı).

5.5

V´ ypoˇ cet otopn´ ych tˇ eles

Pro v´ ypoˇcet tepelného v´ ykonu otopn´ ych tˇeles plat´ı vztah: Q = k · S · (tm − ti ) ,

(5.9)

k - souˇcinitel prostupu tepla stˇenou [W·m−2 ·K−1 ], S - povrch otopného tˇelesa [m2 ], tm - stˇredn´ı teplota otopného média [◦ C], ti - teplota v m´ıstnosti [◦ C]. Souˇcinitel prostupu tepla k u otopn´ ych tˇeles bez zákrytu závis´ı pˇredevˇs´ım na tvaru a charakteristick´ ych rozmˇerech (v´ yˇsce a hloubce) tˇelesa a na rozd´ılu teplot ∆t = tm - ti . V menˇs´ı m´ıˇre pak závis´ı souˇcinitel k také na délce tˇelesa a na um´ıstˇen´ı tˇelesa v m´ıstnosti. Souˇcinitel prostupu tepla k se u kovov´ ych otopn´ ych tˇeles pˇribliˇznˇe rovná souˇciniteli pˇrestupu tepla α = αs + αk na vnˇejˇs´ı stranˇe, nebot’ tepeln´ y odpor pˇri pˇrestupu tepla na vnitˇrn´ı stranˇe (na stranˇe otopného média) a tepeln´ y odpor pˇri veden´ı tepla stˇenou, jsou velmi malé, a lze je proto zanedbat.

Kapitola 6 V´ ypoˇ cet tepeln´ ych ztr´ at budov Materiály pouˇzité v této kapitole jsou ˇcerpány z [10]. Základn´ı funkc´ı vytápˇec´ıho zaˇr´ızen´ı je zajiˇstˇen´ı tepelné pohody v objektu v zimn´ım obdob´ı. Pro stanoven´ı poˇzadovan´ ych parametr˚ u navrhovaného zaˇr´ızen´ı se budova transformuje do zjednoduˇseného modelu, kde jednotlivé vlastnosti jsou vyjádˇreny fyzikáln´ımi veliˇcinami. Pro bˇeˇznou praxi se pouˇz´ıvá kvazistacionárn´ıho modelu, kter´ y naznaˇcuje v´ ysledn´ y tepeln´ y stav prostˇred´ı za v´ ypoˇctov´ ych podm´ınek bez uvaˇzován´ı ˇcasov´ ych zmˇen tˇechto podm´ınek. V´ ysledky tohoto zp˚ usobu v´ ypoˇctu, kter´ y je zakotven v normách, zajiˇst’uj´ı bezpeˇcn´ y návrh vytápˇec´ıho zaˇr´ızen´ı pro bˇeˇzné objekty. Z hlediska stanoven´ı potˇrebného pˇr´ıkonu zaˇr´ızen´ı je základn´ı charakteristikou budovy jej´ı tepeln´ a ztr´ ata, která dohodnut´ ym zp˚ usobem vyjadˇruje potˇrebu tepla zohledˇ nuj´ıc´ı tepelnˇe - technické ˇreˇsen´ı ohraniˇcuj´ıc´ıch konstrukc´ı objektu ve vazbˇe na um´ıstˇen´ı stavby a pˇredpokládan´ y provoz. Podle tepeln´ ych ztrát budov se navrhuje vlastn´ı otopná soustava. Je nutné, aby se tepelné ztráty poˇc´ıtaly pro nejnepˇr´ıznivˇejˇs´ı povˇetrnostn´ı pomˇery, které mohou za normáln´ıch okolnost´ı nastat v daném m´ıstˇe v zimn´ım obdob´ı. ˇ Postup v´ ypoˇctu tepeln´ ych ztrát je u nás pˇredepsán normou CSN 06 0210.

6.1

Obecn´ y postup v´ ypoˇ ctu tepeln´ ych ztr´ at

Tepelná ztráta budovy vyjadˇruje tepeln´ y tok mezi vnitˇrn´ım prostˇred´ım budovy (m´ıstnosti) a venkovn´ım prostˇred´ım pˇri stanoven´ ych v´ ypoˇctov´ ych podm´ınkách. Tepelné ztráty se stanovuj´ı pro jednotlivé m´ıstnosti a pro celou budovu. Celková tepelná ztráta Qc (W) se rovná souˇctu tepelné ztráty prostupem a tepelné ztráty vˇetrán´ım. V pˇr´ıpadech, kdy je v m´ıstnosti trval´ y zdroj tepla, je moˇzné o nˇej sn´ıˇzit celkovou tepelnou ztrátu. Qc = Qp + Qv (−Qz ) , Qp - tepelná ztráta prostupem [W], Qv - tepelná ztráta vˇetrán´ım [W], 42

(6.1)

´ ˇ ´ ´ BUDOV KAPITOLA 6. VYPO CET TEPELNYCH ZTRAT

43

Qz - trval´ y tepeln´ y zisk [W]. Tepeln´ a ztr´ ata prostupem vzniká v d˚ usledku rozd´ılu teplot v m´ıstnosti a vnˇe a vycház´ı z pˇrenosu tepla prostupem jednotliv´ ymi ohraniˇcuj´ıc´ımi konstrukcemi. Tepelná ztráta prostupem se stanov´ y podle vztahu: Qp = Q0 · (1 + p1 + p2 + p3 ) ,

(6.2)

Q0 - základn´ı tepelná ztráta [W], p1 - pˇriráˇzka na vyrovnán´ı vlivu chladn´ ych stˇen (-), p2 - pˇriráˇzka na urychlen´ı zátopu (-), p3 - pˇriráˇzka na svˇetovou stranu (-). Základn´ı tepelná ztráta je aritmetick´ y souˇcet tepeln´ ych tok˚ u prostupem jednotliv´ ymi ohraniˇcuj´ıc´ımi konstrukcemi vytápˇené m´ıstnosti. Q0 =

j=n X

kj · Sj · (ti − te,j ) ,

(6.3)

j=1

Sj - plocha stˇeny [m2 ], kj - souˇcinitel prostupu tepla [W·m−2 ·K−1 ], ti - v´ ypoˇctová vnitˇrn´ı teplota [◦ C], te,j - v´ ypoˇctová teplota na vnˇejˇs´ı stranˇe stˇeny [◦ C]. Pˇriráˇzka na vyrovnán´ı vlivu chladn´ ych stˇen p1 zohledˇ nuje nepˇr´ıznivé teplotn´ı pomˇery v m´ıstnostech s n´ızkou povrchovou teplotou stˇen. Tato pˇriráˇzka se urˇcuje podle pr˚ umˇerného souˇcinitele prostupu tepla vˇsech stˇen m´ıstnosti kc , kter´ y se stanov´ı ze vztahu: kc = P

Q0 , S · (ti − te )

p1 = 0, 15 · kc ,

(6.4) (6.5)

kc - pr˚ umˇern´ y souˇcinitel prostupu tepla vˇsech konstrukc´ı m´ıstnosti [W·m−2 ·K−1 ], P S - souˇcet ploch vˇsech stˇen ohraniˇcuj´ıc´ıch vytápˇenou m´ıstnost [m2 ], ti - v´ ypoˇctová vnitˇrn´ı teplota [◦ C], te - v´ ypoˇctová venkovn´ı teplota [◦ C], p1 - pˇriráˇzka na vyrovnán´ı vlivu chladn´ ych stˇen [-]. Pˇriráˇzka na urychlen´ı zátopu p2 se uvaˇzuje pouze v pˇr´ıpadech, kdy nelze ani pˇri nejniˇzˇs´ıch venkovn´ıch teplotách zajistit nepˇreruˇsované vytápˇen´ı objektu. Vyuˇz´ıvá se pˇredevˇs´ım u objekt˚ u se samostatnou kotelnou o jmenovitém v´ ykonu menˇs´ım neˇz 150 000 W, kde se pˇredpokládá, ˇze nelze nepˇreruˇsovan´ y provoz zajistit. Pˇriráˇzka na svˇetovou stranu p3 zohledˇ nuje orientaci m´ıstnosti ke svˇetov´ ym stranám. Pro jej´ı volbu je rozhoduj´ıc´ı poloha nejv´ıce ochlazované stavebn´ı konstrukce,

´ ˇ ´ ´ BUDOV KAPITOLA 6. VYPO CET TEPELNYCH ZTRAT

44

pˇri v´ıce konstrukc´ıch poloha jejich spoleˇcného rohu. Pokud jsou v m´ıstnosti tˇri a v´ıce ochlazovan´ ych stˇen, uvaˇzuje nejpˇr´ıznivˇeji poloˇzená stˇena. Tepeln´ a ztr´ ata vˇ etr´ an´ım Qv je tepeln´ y tok, potˇrebn´ y k ohˇrát´ı venkovn´ıho vzduchu vnikaj´ıc´ıho do m´ıstnosti bud’ neˇr´ızenˇe spárami oken a dveˇr´ı pˇri pˇrirozeném vˇetrán´ı infiltrac´ı nebo pˇri podtlakovém nuceném vˇetrán´ı bez samostatnˇe ohˇr´ıvaného ˇr´ızeného pˇr´ıvodu vzduchu. Obecn´ y vztah pro stanoven´ı jej´ı hodnoty je: Qv = V · c · ρ · (ti − te ) ,

(6.6)

V - objemov´ y pr˚ utok vˇetrac´ıho vzduchu [m3 ·s−1 ], c - mˇerné teplo vzduchu [J·kg−1 ·K−1 ], ρ - mˇerná hmotnost vzduchu [kg·m−3 ], ti ,te - vnitˇrn´ı a vnˇejˇs´ı v´ ypoˇctová teplota [◦ C]. Podle toho, ˇc´ım je dán objemov´ y pr˚ utok vˇetrac´ıho vzduchu V, rozliˇsujeme: • tepelnou ztr´ atu infiltrac´ı - p˚ usoben´ım vˇetru vzniká na návˇetrné stranˇe budovy pˇretlak. T´ım vniká chladn´ y venkovn´ı vzduch spárami ve dveˇr´ıch a oknech do budovy. Na protilehlé, závˇetrné stranˇe je podtlak, kter´ y spárami v oknech a dveˇr´ıch odsává tepl´ y vzduch. Pro udrˇzen´ı poˇzadované vnitˇrn´ı teploty je nutné chladn´ y venkovn´ı vzduch ohˇrát, coˇz vyˇzaduje mnoˇzstv´ı tepla oznaˇcované jako tepelná ztráta infiltrac´ı, • tepelnou ztr´ atu pˇ ri nucen´ em podtlakov´ em vˇ etr´ an´ı - je zˇrejmé, ˇze provozem vzduchotechnick´ ych zaˇr´ızen´ı jsou ovlivnˇeny tlakové pomˇery v budovˇe a t´ım i základn´ı pˇredpokládaná intenzita v´ ymˇeny vzduchu. Pˇri podtlakovém vˇetrán´ı s nepˇretrˇzit´ ym provozem bez ˇr´ızeného pˇr´ıvodu vzduchu se pˇredpokládá, ˇze odvádˇené mnoˇzstv´ı vzduchu ventilátorem bude nahrazeno vzduchem, kter´ y vniká do budovy netˇesnostmi, okny a dveˇrmi. Pokud je toto mnoˇzstv´ı vzduchu vˇetˇs´ı neˇz mnoˇzstv´ı vzduchu infiltrac´ı, je nutno ve v´ ypoˇctu uvaˇzovat objemov´ y tok vˇetrac´ıho vzduchu V stejn´ y s objemov´ ym tokem vzduchu ventilátorem.

Kapitola 7 Volba a n´ avrh otopn´ eho syst´ emu Materiály pouˇzité v této kapitole jsou ˇcerpány z [11] a [12].

7.1

V´ ybˇ er zp˚ usobu vyt´ apˇ en´ı

Z ekologického a ekonomického hlediska se jev´ı jako optimáln´ı otopn´ y systém solárn´ı systém. Nastává zde vˇsak jeden zásadn´ı problém. Solárn´ı systémy maj´ı v zimn´ım obdob´ı, tedy v obdob´ı, kdy je potˇreba vytápˇet objekty, mnohem menˇs´ı v´ ykon neˇzli v letn´ım obdob´ı. Nab´ız´ı se takovéto ˇreˇsen´ı: V letn´ım obdob´ı, kdy máme sluneˇcn´ı enegie dostatek, mus´ıme tuto energii akumulovat a v otopném obdob´ı touto akumulovanou energi´ı dotovat nedostateˇcnou solárn´ı energii pro vytápˇen´ı. Jedná se o tzv. nepˇr´ımé solárn´ı vytápˇen´ı. Setkáváme se zde ovˇsem s dalˇs´ım problémem, jak tuto energii akumulovat. ˇ sen´ım by bylo vybudovat v bl´ızkosti vytápˇeného objektu velk´ Reˇ y rezervoár na teplou vodu. Solárn´ı energie by se pouˇz´ıvala pro ohˇrev vody v rezervoáru, akumulovala by se do vody. Zde nastává nejvˇetˇs´ı problém, t´ım je potˇreba pˇr´ıliˇs velikého rezervoáru. Um´ıstit tento rezervoár vedle vytápˇeného objektu je kv˚ uli zabrán´ı velké ˇcásti pozemku a z estetického hlediska takˇrka nemoˇzné a um´ıstit rezervoár do zemˇe je zase pˇr´ıliˇs nákladné. Z tˇechto d˚ uvod˚ u je pro rodinn´ y domek toto ˇreˇsen´ı opravdu nevhodné. Z tohoto d˚ uvodu jsem se rozhodl pouˇz´ıt solárn´ı systém pouze pro celoroˇcn´ı ohˇrev TUV (teplé uˇzitkové vody). Pro celoroˇcn´ı ohˇrev TUV je nutno v naˇsich podm´ınkách doplnit sluneˇcn´ı systém jeˇstˇe dalˇs´ım zdrojem tepla, nejˇcastˇeji elektrick´ ym nebo plynov´ ym kotlem. Jde tedy o kombinované (bivalentn´ı) zaˇr´ızen´ı. Takˇze mnou vybran´ y otopn´ y systém zahrnuje pouˇzit´ı plynového kotle s radiátorovou otopnou soustavou a pouˇzit´ı solárn´ıho systému pro celoroˇcn´ı ohˇrev TUV. Zvolil jsem ekvitermn´ı regulaci teploty.

45

´ ´ ´ KAPITOLA 7. VOLBA A NAVRH OTOPNEHO SYSTEMU

7.2 7.2.1

46

N´ avrh otopn´ eho syst´ emu V´ ypoˇ cet tepeln´ ych ztr´ at objektu

Jako vytápˇen´ y objekt jsem si zvolil klasick´ y typ rodinného domku pod oznaˇcen´ım TL - 42, v´ yrobce a dodavatel firma Dˇrevostyl, Nové Straˇsec´ı, o zastavˇené ploˇse 110,5 m2 , obytná plocha je 128,6 m2 . Celková tepelná ztráta objektu je po zaokrouhlen´ı 16 ypoˇctovou 300 W (viz. kapitola 11.1.1.2). Tepelná ztráta je spoˇc´ıtána pro venkovn´ı v´ teplotu -12◦ C.

7.2.2

V´ ypoˇ cet celkov´ eho otopn´ eho v´ ykonu soustavy

V´ ykon plynového kotle mus´ı b´ yt takov´ y, aby pokryl i ohˇrev TUV v pˇr´ıpadˇe poruchy solárn´ıho systému, nebo pˇri jeho menˇs´ı u ´ˇcinnosti v zimn´ım obdob´ı. • potˇreba TUV, Denn´ı spotˇreba TUV pro 4 aˇz 5ti ˇclenou rodinu je 300 l. V2P = 0,3 m3 , • potˇreba tepla, E2T = V2P · c · (t2 - t1 ) = 13,96 kWh, c = 1,163 [kWh·m−3 ·K−1 ] - mˇerná tepelná kapacita vody, t1 = 10 [◦ C] - je teplota studené vody, t2 = 50 [◦ C] - je teplota ohˇráté vody, • tepelné ztráty pˇri ohˇrevu a dopravˇe TUV, E2Z = z · E2T = 0,5 · 13,96 = 6,98 kWh, • teplo dodané do ohˇr´ıvaˇce, E1P T = E2P = E2T + E2Z = 20,94 kWh, • tepeln´ y v´ ykon ohˇr´ıvaˇce, QT U V = 20,94 / 24 = 0,87 kW. • potˇrebn´ y v´ ykon plynového kotle, QKOT EL = QT U V + · QZT RAT A = 17,2 kW, Pouˇziji kotel s malou v´ ykonovou rezervou: QKOT EL = 18 kW.

´ ´ ´ KAPITOLA 7. VOLBA A NAVRH OTOPNEHO SYSTEMU 7.2.2.1

47

Volba plynov´ eho kotle

Pro vytápˇen´ı objektu jsem se rozhodl pouˇz´ıt kombinovan´ y závˇesn´ y plynov´ y kotel od firmy Junkers, konkrétnˇe typ Junkers ZS 23 KE NOVASTAR, kter´ y nab´ız´ı v´ yhodn´ y pomˇer ceny a uˇzitné hodnoty. Tento kotel se vyrab´ı ve v´ ykonovém rozmez´ı 8 aˇz 22,6 kW a je nab´ızen za cenu 28 050 Kˇc vˇcetnˇe DPH.

7.2.3

Sol´ arn´ı syst´ em pro celoroˇ cn´ı ohˇ rev TUV

T´ımto zaˇr´ızen´ım lze z´ıskat pˇribliˇznˇe dvˇe tˇretiny (67%) celkové spotˇreby z energie sluneˇcn´ıho záˇren´ı. Pˇritom se v letn´ım obdob´ı (od dubna do záˇr´ı) z´ıská kolektory pln´ ych 100% energie, kdeˇzto v zimn´ım obdob´ı (od ˇr´ıjna do bˇrezna) pouze jedna tˇretina (33%). V nejchladnˇejˇs´ıch mˇes´ıc´ıch, tj. v listopadu, prosinci, lednu a z ˇcásti i v u ńoru, je vˇsak pˇr´ıspˇevek sluneˇcn´ıch kolektor˚ u zanedbateln´ y, a proto veˇskerou energii mus´ı dodávat klasick´ y zdroj (v mém pˇr´ıpadˇe plynov´ y kotel).

´ ´ ´ KAPITOLA 7. VOLBA A NAVRH OTOPNEHO SYSTEMU 7.2.3.1

48

Sch´ ema sol´ arn´ıho syst´ emu na ohˇ rev TUV

Obrázek 7.1: Schéma solárn´ıho systému na ohˇrev TUV.

Popis sol´ arn´ıho syst´ emu zobrazen´ eho na obr´ azku (7.1): Kapalina ohˇrátá v kolektorech (1) je pˇri dostateˇcném rozd´ıu teplot mezi v´ ystupem kolektoru tk2 a teploty vody v solárn´ım zásobn´ıku (2) tz . Je-li rozd´ıl teplot (tk2 - tz ) > ∆tn uvede regulátor R1 do chodu obˇehové ˇcerpadlo (4), které zajist´ı


49

pr˚ utok teplonosné látky Mk solárn´ım okruhem. Pˇri poklesu rozd´ılu teplot regulátor R1 pr˚ utok kapaliny pˇreruˇs´ı. Teplotn´ı ˇcidlo tz mus´ı b´ yt um´ıstˇeno v zásobn´ıku (2) tak, ˇze sn´ımá teplotu tˇesnˇe nad v´ ymˇen´ıkem tepla (5). Solárn´ı okruh je opatˇren zabezpeˇcovac´ım zaˇr´ızen´ım vˇcetnˇe uzavˇrené tlakové expanzn´ı nádoby (6). Okruh teplé uˇzitkové vody tvoˇr´ı solárn´ı zásobn´ıkov´ y ohˇr´ıvák TUV (2), dodatkov´ y ohˇr´ıvák (3), kter´ y m˚ uˇze b´ yt realizován jako pr˚ utokov´ y nebo zásobn´ıkov´ y. Potrubn´ı rozvod je opatˇren trojcestn´ ym ventilem (7). Regulátor R2 zajist´ı prostˇrednictv´ım trojcestného ventilu (7) poˇzadovanou teplotu TUV na v´ ytoku u spotˇrebitele. Pˇri pouˇzit´ı zásobn´ıkového ohˇr´ıváku trojcestn´ y ventil (7) umoˇzn´ı pˇr´ım´ y pr˚ utok TUV pˇri dostateˇcné teplotˇe v solárn´ım ohˇr´ıváku tvo nebo sm´ıˇsen´ım s vodou z dodatkového v´ ymˇen´ıku (3) je v´ ysledná teplota tT U V v poˇzadovaném rozmez´ı. Podm´ınkou je, ˇze v dodatkovém zásobn´ıkovém v´ ymˇen´ıku je voda ohˇr´ıvána na vyˇsˇs´ı teplotu neˇz je poˇzadována u spotˇrebitele. Teploty tk1 a tk2 sn´ımaj´ı teplotová ˇcidla um´ıstˇená na vstupu a v´ ystupu kapaliny z kolektor˚ u. Mk oznaˇcuje um´ıstˇen´ı pr˚ utokomˇeru v solárn´ım okruhu. Teplota tvo teplé uˇzitkové vody je sn´ımána v potrub´ı za solárn´ım zásobn´ıkov´ ym ohˇr´ıvákem (2). Teplota tT U V na v´ ytoku u spotˇrebitele je sn´ımána v potrub´ı za sm´ıˇsen´ım pr˚ utoku vody od solárn´ıho ohˇr´ıváku a od dodatkového ohˇr´ıváku. Teplota pˇr´ıvodn´ı vody tvp je sn´ımána na pˇr´ıpojce k solárn´ımu ohˇr´ıváku. V tomtéˇz m´ıstˇe je instalován pr˚ utokomˇer oznaˇcen´ y Mvo . Mo je obtok solárn´ıho ohˇr´ıváku. 7.2.3.2

V´ ypoˇ cet plochy kolektor˚ u

Spotˇreba TUV rodinného domku pro 4 aˇz 5 osob je 300 litr˚ u za den. Voda se ohˇr´ıvá z teploty t1 = 10◦ C na teplotu t2 = 50◦ C. Vytápˇen´ y objekt se nacház´ı v bl´ızkosti Prahy (zemˇepisná ˇs´ıˇrka 50◦ s . ˇs). Vybral jsem kolektory se dvˇema kryc´ımi skly. Kolektory jsou orientovány na jih a sklonˇeny pod u ´hlem α = 45◦ (to odpov´ıdá ◦ právˇe zemˇepisné ˇs´ıˇrce 50 s . ˇs). Denn´ı spotˇreba tepla se urˇc´ı podle následuj´ıc´ıho vztahu: Qspotr = V · c · (t2 − t1 ) ,

(7.1)

c = 1,163 [kWh·m−3 ·K−1 ] - mˇerná tepelná kapacita vody, t1 = 10 [◦ C] - je teplota studené vody, t2 = 50 [◦ C] - je teplota ohˇráté vody. Denn´ı spotˇreba je tedy: Qspotr = 13,96 kWh. Celková plocha kolektor˚ u SK se urˇc´ı tak, aby v obdob´ı od dubna do záˇr´ı se pokud moˇzno vystaˇcilo s energi´ı zachycenou kolektory. Nejnepˇr´ıznivˇejˇs´ı sluneˇcn´ı podm´ınky mohou nastat v okrajov´ ych mˇes´ıc´ıch daného obdob´ı, tj. bud’ v dubnu (IV), nebo v záˇr´ı (IX). Proto se v dalˇs´ım v´ ypoˇctu postupuje paralelnˇe pro oba jmenované mˇes´ıce a bere se mˇes´ıc s menˇs´ı hodnotou QKden . Podle tab. 2.8 v [11] je pro plochu orientovanou na jih a sklonˇenou pod u ´hlem ◦ α = 45 teoreticky moˇzná dopadaj´ıc´ı energie:


50

• QSdenteor = 8,06 kW·h·m−2 - pro duben, • QSdenteor = 6,70 kW·h·m−2 - pro záˇr´ı. Pro Prahu je podle tab. 2.12 v [11] pomˇerná doba sluneˇcn´ıho svitu: • τ = 0,45 v dubnu, • τ = 0,53 v záˇr´ı. Skuteˇcná dopadaj´ıc´ı energie je tedy: • QSden = τ · QSdenteor = 3,63 kW·h·m−2 - pro duben, • QSden = τ · QSdenteor = 3,55 kW·h·m−2 - pro záˇr´ı. Podle tabulky 2.16 v [11] je pro Prahu stˇredn´ı teplota vzduchu v dobˇe sluneˇcn´ıho osvitu: • tV = 12,1◦ C v dubnu, • tV = 19,4◦ C v záˇr´ı. Podle tabulky 2.17 v [11] je stˇredn´ı intenzita záˇren´ı Istr (= qs ) na plochu orientovanou na jih a sklonˇenou pod u ´hlem α = 45◦ : • Istr = 580 W·m−2 pro duben, • Istr = 558 W·m−2 pro záˇr´ı. ´ cinnost kolektoru se dvˇema kryc´ımi skly urˇc´ıme podle následuj´ıc´ıho vztahu: Uˇ ηK = 0, 80 − 4

tk − tV . qs

(7.2)

Podle rovnice 7.2 je tedy u ´ˇcinnost kolektoru: • η K = 0,54 pro duben, • η K = 0,58 pro záˇr´ı. Energie zachycená plochou 1 m2 za den s pr˚ umˇernou oblaˇcnost´ı se spoˇc´ıtá podle následuj´ıc´ıho vztahu: QKden = ηK · QSden .

(7.3)

Podle rovnice 7.3 je tedy energie zachycená plochou 1 m2 za den s pr˚ umˇernou oblaˇcnost´ı: • QKden = 1,96 kW·h·m−2 - pro duben,


51

• QKden = 2,06 kW·h·m−2 - pro záˇr´ı. Celková plocha kolektor˚ u SK se poˇc´ıtá pro okrajov´ y mˇes´ıc s menˇs´ı hodnotou QKden , tj. pro duben. Celková plocha kolektor˚ u se urˇc´ı podle následuj´ıc´ıho vztahu: SK =

(1 + p) · Qspotr , QKden

(7.4)

p = 0,1 - pˇriráˇzka na tepelnou ztrátu zásobn´ıku a potrubn´ıho rozvodu. Podle vztahu 7.4 je celková plocha kolektor˚ u SK = 7,81 m2 . Pro zaˇr´ızen´ı se zvol´ı plocha kolektor˚ u SK = 7,8 m2 (na 1 m2 pˇripadá 38,6 litr˚ u ohˇr´ıvané vody) a pro tuto plochu sestav´ım tepelnou bilanci. 7.2.3.3

Dalˇ s´ı v´ ypoˇ cty a sestaven´ı tepeln´ e bilance

V tabulce na obrázku 7.2 je vypoˇc´ıtaná u ´ˇcinnost a energie kolektor˚ u v jednotliv´ ych mˇes´ıc´ıch.

´ cinnost kolektor˚ Obrázek 7.2: Uˇ u a energie zachycená kolektory.


52

Obrázek 7.3: Tepelná bilance zaˇr´ızen´ı.

V tabulce na obrázku 7.3 je sestavená tepelná bilance zaˇr´ızen´ı. Z této tabulky vypl´ yvá, ˇze z celoroˇcn´ı spotˇreby energie pro ohˇrev uˇzitkové vody 365 · 15,36 = 5585 kWh mus´ı b´ yt 1929 kWh (34,5%) hrazeno klasick´ ym zdrojem tepla (v mém pˇr´ıpadˇe plynov´ ym kotlem). Sluneˇcn´ı kolektory dodaj´ı 3656 kWh (65,5%). V kvˇetnu aˇz záˇr´ı jsou jisté pˇrebytky energie od kolektor˚ u (celkem 959 kWh), které vˇsak nelze pˇrevést


53

na mˇes´ıce, kdy je sluneˇcn´ı energie nedostatek. Pˇrebytky energie by mohly b´ yt vyuˇzity jedinˇe k ohˇr´ıván´ı uˇzitkové vody na teplotu ponˇekud vyˇsˇs´ı, neˇz je poˇzadovaná teplota 50◦ C. Tepelná bilance pˇr´ı celoroˇcn´ım ohˇrevu TUV je zobrazena graficky na obrázku 7.4.

Obrázek 7.4: Tepelná bilance pˇri celoroˇcn´ım ohˇrevu TUV.

7.2.3.4

Zvolen´ a sol´ arn´ı sestava pro celoroˇ cn´ı ohˇ rev TUV

Rozhodl jsem se pouˇz´ıt ploch´ y solárn´ı kolektor Heliostar202 od slovenské firmy ˇ Thermosolar Ziar spol. s.r.o . Absorpˇcn´ı plocha je 1,76 m2 meandrové konstrukce, vysoce selektivn´ı vrstva na bázy oxidu hlinitého pigmentovaná koloidn´ım niklem, v´ yrobce Thermosolar. Al-Mg lisovaná kompaktn´ı vana, Al absorbér-Cu meandr, mineráln´ı izolace. Rozmˇery jsou (2009x1038x75mm). Vhodn´ y pro celoroˇcn´ı pˇr´ıpravu TUV a ohˇrev bazén˚ u. Energetick´ y zisk 930kWh/rok. Záruka 10let , ˇzivotnost 30let , hmotnost 43kg. Komplet obsahuje komponenty vypsané v tabulce na obrázku 7.5.


54

Obrázek 7.5: Solárn´ı komplet pro ohˇrev TUV.

7.2.3.5

St´ atn´ı podpora

ˇ e republiky poskytuje pro fyzické osoby Státn´ı fond ˇzivotn´ıho prostˇred´ı Cesk´ podporu na ekologicky ˇsetrné zp˚ usoby vytápˇen´ı a ohˇrev vody pro byty a rodinné domy. Sol´ arn´ı syst´ emy Podporovány jsou dva typy opatˇren´ı: • pouˇzit´ı solárn´ıch systém˚ u pouze pro celoroˇcn´ı pˇr´ıpravu teplé vody, • pouˇzit´ı solárn´ıch systém˚ u pro celoroˇcn´ı pˇritápˇen´ı a pˇr´ıpravu teplé vody. V´ yˇ se pˇ r´ıspˇ evku U solárn´ıch systém˚ u na pˇritápˇen´ı a pˇr´ıpravu teplé vody tvoˇr´ı pˇr´ıspˇevek max. 50 % (maximálnˇe vˇsak 100 000 Kˇc). Postup a nezbytn´ e doklady k ˇ z´ adosti o podporu ˇ ˇ CR ˇ a pˇredloˇz´ı ji se Zadatel vypln´ı Formuláˇr ˇzádosti o podporu ze SFZP stanoven´ ymi doklady na m´ıstnˇe pˇr´ısluˇsném krajském pracoviˇsti Fondu. Doklady, které jsou poˇzadovány jako pˇr´ıloha k Formuláˇri ˇzádosti:


55

• doklad, kter´ ym je urˇcena osoba povˇeˇrená jednán´ım s Fondem, • dokumentace, • energetick´ y audit nebo odborn´ y posudek, vˇcetnˇe dokladu o jeho zaplacen´ı, • pˇredávac´ı protokol o provedené topné zkouˇsce a uveden´ı zaˇr´ızen´ı do trvalého provozu, popˇr´ıpadˇe kolaudaˇcn´ı rozhodnut´ı, • fakturaci (originály faktur)/´ uhradu náklad˚ u dle rozpoˇctu, • ˇcestné prohláˇsen´ı o vlastn´ıch zdroj´ıch financován´ı a o tom, ˇze objekt neslouˇz´ı a ani v budoucnu nebude slouˇzit ani z ˇcásti k podnikán´ı minimálnˇe po dobu 10 let po realizaci dané investice (potvrd´ı ˇzadatel podpisem ve Formuláˇri ˇzádosti), • tˇri barevné fotografie formátu 9x13 cm dokládaj´ıc´ı realizaci zaˇr´ızen´ı, • vyjádˇren´ı pˇr´ısluˇsného stavebn´ıho u ´ˇradu – stavebn´ı povolen´ı, popˇr. ohláˇsen´ı stavebn´ıch u ´prav, • kopie dodavatelsk´ ych smluv vˇcetnˇe rozpoˇctu, • certifikát instalovaného zaˇr´ızen´ı. U jednotliv´ ych program˚ u je Fond oprávnˇen stanovit dalˇs´ı poˇzadavky na doloˇzen´ı u ´daj˚ u uveden´ ych v ˇzádosti specifick´ ymi doklady. V´ıce inforamc´ı lze nalézt na internetové adrese .

Kapitola 8 N´ avrh modelu otopn´ eho syst´ emu 8.1

N´ ahradn´ı elektrick´ e sch´ ema vyt´ apˇ en´ eho objektu

Na základˇe analogie mezi elektrick´ ymi a tepeln´ ymi systémy lze sestavit následuj´ıc´ı ekvivalentn´ı náhradn´ı elektrické schéma tepelného systému (obrázek 8.1). Zdroje tepelného v´ ykonu (kotel, venkovn´ı prostˇred´ı) jsou zde reprezentovány zdroji napˇet´ı, tepelné kapacity soustavy kapacitami elektrick´ ymi a tepelné odpory (vodivosti) tepeln´ ymi odpory elektrick´ ymi. Tepelnou vodivost oznaˇc´ıme na základˇe elektrotepelné analogie podobnˇe jako u elektrick´ ych obvod˚ u p´ısmenem G. Z náhradn´ıho elektrického schématu vytápˇené budovy dostaneme metodou uzlov´ ych napˇet´ı soustavu diferenciáln´ıch rovnic, která popisuje chován´ı vytápˇeného objektu. Tato soustava nám reprezentuje matematick´ y model vytápˇeného objektu.

56

´ ´ ´ KAPITOLA 8. NAVRH MODELU OTOPNEHO SYSTEMU

57

Obrázek 8.1: Náhradn´ı elektrické schéma vytápˇeného objektu.

Pˇri zanedbán´ı dopravn´ıho zpoˇzdˇen´ı Td , m˚ uˇzeme náhradn´ı elektrické schéma popsat soustavou rovnic: (T2 − T1 ) · G1 + (T2 − T3 ) · G2 + C1 ·

dT2 = 0, dt

(T3 − T2 ) · G2 + (T3 − T4 ) · G3 + (T3 − T5 ) · G5 + (T3 − T6 ) · G6 + C2 ·

(8.1)

dT3 = 0, (8.2) dT


(T4 − T3 ) · G3 + (T4 − T5 ) · G4 + C3 · (T6 − T3 ) · G6 + C4 ·

58

dT4 = 0, dT

(8.3)

dT6 = 0. dt

(8.4)

Po u ´pravˇe rovnic dostaneme: − T1 · G1 + T2 · (G1 + G2 ) − T3 · G2 = −C1 ·

dT2 , dt

(8.5)

− T2 · G2 + T3 · (G2 + G3 + G5 + G6 ) − T4 · G3 − T5 · G5 − T6 · G6 = −C2 ·

− T3 · G3 + T4 · (G3 + G4 ) − T5 · G4 = −C3 ·

dT3 , (8.6) dt

dT4 , dt

(8.7)

dT6 . dt Soustavu rovnic vynásob´ıme jednotliv´ ymi kapacitami Ci a dostaneme: T6 · G6 − T3 · G6 = −C4 ·

T1 ·

T2 ·

G1 + G2 G2 dT2 G1 − T2 · + T3 · = , C1 C1 C1 dt

(8.9)

G2 G2 + G3 + G5 + G6 G3 G5 G6 dT3 − T3 · + T4 · + T5 · + T6 · = , C2 C2 C2 C2 C2 dt T3 ·

G3 G3 + G4 G4 dT4 − T4 · + T5 · = , C3 C3 C3 dt

G6 G6 dT6 − T6 · = . C4 C4 dt Integrac´ı soustavy rovnic dostaneme:

Z

T2 ·

T1 ·

(8.10)

(8.11)

T3 ·

Z

(8.8)

(8.12)

Z G1 G1 + G2 G2 dT2 − T2 · + T3 · dt = dt = T2 + T20 , C1 C1 C1 dt

(8.13)

Z G2 G2 + G3 + G5 + G6 G3 G5 G6 dT3 − T3 · + T4 · + T5 · + T6 · dt = dt = T3 + T30 , C2 C2 C2 C2 C2 dt (8.14)

Z G6 G6 dT6 − T6 · dt = dt = T6 + T60 , (8.15) C4 C4 dt kde T20 , T30 , T40 , T60 jsou poˇcáteˇcn´ı podm´ınky pro jednotlivé tepelné kondenzátory. Z

T3 ·


59

Pro pˇrehlednost zavedu následuj´ıc´ı substituce: G1 G1 + G2 G2 , a12 = − , a13 = , C1 C1 C1

(8.16)

G2 G2 + G3 + G5 + G6 G3 , a15 = − , a16 = , C2 C2 C2

(8.17)

G5 G6 G3 , a18 = , a19 = , C2 C2 C3

(8.18)

a11 = a14 =

a17 =

G3 + G4 G4 G6 G6 , a21 = − , a22 = , a23 = − . C3 C3 C4 C4 Po zaveden´ı substituc´ı dostaneme tuto soustavu rovnic: a20 = −

Z

Z

(T1 · a11 + T2 · a12 + T3 · a13 ) dt = T2 + T20 ,

(T2 · a14 + T3 · a15 + T4 · a16 + T5 · a17 + T6 · a18 ) dt = T3 + T30 , Z

(T3 · a19 + T4 · a20 + T5 · a21 )dt = T4 + T40 , Z

8.2

(T3 · a22 + T6 · a23 ) dt = T6 + T60 .

(8.19)

(8.20) (8.21) (8.22) (8.23)

Simulaˇ cn´ı poˇ c´ıtaˇ cov´ y model vyt´ apˇ en´ eho objektu

Ze z´ıskaného matematického modelu vytápˇené budovy vytvoˇr´ım blokové simulaˇcn´ı schéma v programu SIMULINK, kter´ y je souˇcást´ı programového bal´ıku MATLAB. Nejprve provedu v´ ypoˇcet konkrétn´ıch hodnot jednotliv´ ych promˇenn´ ych pro mnou zvolen´ y objekt (rodinn´ y domek TL-42, v´ yrobce a dodavatel firma Dˇrevostyl).

8.2.1

V´ ypoˇ cet tepeln´ ych vodivost´ı

Tepelnou vodivost urˇcitého rozhran´ı si m˚ uˇzeme pˇredstavit jako schopnost tohoto ˇ ım vˇetˇs´ı rozhran´ı vést nebo pˇrevádˇet teplo. Jej´ı hodnota se liˇs´ı podle druhu látky. C´ je tato vodivost, t´ım v´ıce tepla uniká z prostˇred´ı o vyˇsˇs´ı teplotˇe do prostˇred´ı o niˇzˇs´ı teplotˇe. Pro tepelnou vodivost G plat´ı následuj´ıci vztah: G = k · S,

(8.24)

G [W·K−1 ] - je tepelná vodivost, S [m2 ] - je pˇrestupn´ı plocha, k [W·m−2 ·K−1 ] - je souˇcinitel prostupu tepla. Abychom z´ıskali hodnoty tˇechto vodivost´ı, je nutno nejprve vypoˇc´ıtat jednotlivé souˇcinitele prostupu tepla ki a pˇrestupn´ı plochy Si .

´ ´ ´ KAPITOLA 8. NAVRH MODELU OTOPNEHO SYSTEMU 8.2.1.1

60

V´ ypoˇ cet pˇ restupn´ıch ploch

Radi´ atorov´ a otopn´ a soustava • S1 - je vnitˇrn´ı plocha radiátor˚ u, • S2 - je vnˇejˇs´ı plocha radiátor˚ u. Pro vytápˇen´ı jsem se rozhodl pouˇz´ıt hlin´ıková ˇclánková otopná tˇelesa Mondial 80. Z hygienického hlediska jsem zvolil teplotn´ı spád 80 / 60◦ C nam´ısto v prospektu uvádˇen´ ych a dˇr´ıve pouˇz´ıvan´ ych 90 / 70◦ C. D´ıky zmˇenˇe teplotn´ıho spádu jsem musel provést následuj´ıc´ı pˇrepoˇcet: te = 80◦ C - teplota vody na vstupu, tu = 60◦ C - teplota vody na v´ ystupu, ta = 20◦ C - pokojová teplota, tm = 70◦ C - pr˚ umˇerná teplota vody. ∆t = tm - ta = 50◦ C Koeficient zmˇeny K pro ∆t = 50◦ C jsem odeˇcetl z tabulky pˇriloˇzené k prospektu, nebo uvedené na <www.regulus.cz> . K = 0,78. V´ ykon jednoho ˇclánku Mondial 80 (M(c).700): Q60 = 222 W pro teplotn´ı spád 90/70◦ C, V´ ykon jednoho ˇclánku Mondial 80 (M(c).700): Q = Q60 · K = 173.16 W pro teplotn´ı spád 80/60◦ C. Vydˇelen´ım celkov´ ych tepeln´ ych ztrát objektu tepeln´ ym v´ ykonem jednoho ˇclánku z´ıskám celkov´ y poˇcet ˇclánk˚ u potˇrebn´ ych pro vytápˇen´ı objektu. Poté vynásob´ım celkov´ y poˇcet ˇclánk˚ u pˇrestupn´ı plochou jednoho ˇclánku a dostanu celkovou pˇrestupn´ı plochu radiátor˚ u. Celková tepelná ztráta objektu je 16 300 W, kdyˇz ji podˇel´ım v´ ykonem jednoho ˇclánku vyjde mi, ˇze potˇrebuji k vytopen´ı celého objektu 94 ˇclánk˚ u. Plocha jednoho ˇclánku je Sc = 0,702 m2 . S1 = S2 = 0.702 · 94 = 65,988 m2 . Obsahy ploch S3Z , S3P , S3S , S4Z ,S4P , S4S , S5O , S5D , S6 budou spoˇc´ıtány podle stavebn´ıch plánk˚ u vytápˇeného objektu (viz.kapitola 11). • S3Z - je vnitˇrn´ı plocha obvodového zdiva, S3Z = 135,21 m2 . • S3P - je vnitˇrn´ı plocha sklepn´ı podlahy, S3P = 91,72 m2 ,


61

• S3S - je vnitˇrn´ı plocha stˇrechy, S3S = 160,6 m2 , • S4Z - je vnˇejˇs´ı plocha obvodového zdiva, S4Z = 162,4 m2 , • S4P - je vnˇejˇs´ı plocha sklepn´ı podlahy, S4P = 106,87 m2 , • S4S - je vnˇejˇs´ı plocha stˇrechy, S4S = 171 m2 , • S5O - je plocha oken, S5O = 23,4 m2 , • S5D - je plocha venkovn´ıch dveˇr´ı, S5D = 3,45 m2 , • S6 - je plocha vnitˇrn´ıho zdiva, S6 = 299,78 m2 . 8.2.1.2

V´ ypoˇ cet souˇ cinitel˚ u pˇ restupu a prostupu tepla

Radi´ atorov´ a otopn´ a soustava - pro radiátorovou otopnou soustavu mus´ıme spoˇc´ıtat souˇcinitele pˇrestupu tepla α1 a α2 . souˇ cinitel pˇ restupu α1 vztahu:

- rozhran´ı otopné vody a radiátoru urˇc´ıme z následuj´ıc´ıho

α1 =

Q S · (tm − tp )

,

tp - je teplota plochy radátoru, tm - je stˇredn´ı teplota otopné vody, Q - je tepeln´ y v´ ykon radiátoru, S - je pˇrestupn´ı plocha radiátoru. Vypoˇctená hodnota je α1 = 123,5 W·m−2 ·K−1 .

(8.25)

´ ´ ´ KAPITOLA 8. NAVRH MODELU OTOPNEHO SYSTEMU souˇ cinitel pˇ restupu α2 vztahu:

62

- rozhran´ı radiátoru a interiéru urˇc´ıme z následuj´ıc´ıho

α2 =

Q , S · (tp − ti )

(8.26)

tp - je stˇredn´ı teplota plochy radátoru, ti - je teplota inteiéru (vytápˇené m´ıstnosti), Q - jsou celkové tepelné ztráty vytápˇeného objektu, S - je pˇrestupn´ı plocha radiátoru. Vypoˇctená hodnota je α2 = 4,94 W·m−2 ·K−1 . Souˇ cinitel prostupu tepla k3 podlahy, stˇrechy.

- rozhran´ı interiéru a obvodového zdiva, sklepn´ı

• k3Z1 - souˇcinitel prostupu tepla obvodov´ ych stˇen v suterénu, Obvodové stˇeny v suterénu jsou z nelehˇcen´ ych pálen´ ych cihel. −2 −1 k3Z1 = 1,2 W·m ·K , • k3Z2 - souˇcinitel prostupu tepla v pˇr´ızem´ı a v podkrov´ı, Obvodové stˇeny v pˇr´ızem´ı a v podkrov´ı jsou z montovan´ ych d´ılc˚ u. −2 −1 k3Z2 = 0,32 W·m ·K , • k3P - souˇcinitel prostupu tepla sklepn´ı podlahy, k3P = 0,8 W·m−2 ·K−1 , • k3S - souˇcinitel prostupu tepla stˇrechy, Stˇrecha je dvoupláˇst’ová strmá. Sloˇzen´ı: sádrokarton, Sarvanap 1000, ORSIL S, TYVEK, otevˇrená vzduchová vrstva, taˇsková krytina. k3S = 0,27 W·m−2 ·K−1 . Souˇ cinitel prostupu tepla k4 podlahy, stˇrechy.

- rozhran´ı interiéru a obvodového zdiva, sklepn´ı

• k4Z1 - souˇcinitel prostupu tepla obvodov´ ych stˇen v suterénu, Obvodové stˇeny v suterénu jsou z nelehˇcen´ ych pálen´ ych cihel. k4Z1 = 1,2 W·m−2 ·K−1 , • k4Z2 - souˇcinitel prostupu tepla v pˇr´ızem´ı a v podkrov´ı, Obvodové stˇeny v pˇr´ızem´ı a v podkrov´ı jsou z montovan´ ych d´ılc˚ u. k4Z2 = 0,32 W·m−2 ·K−1 ,


63

• k4P - souˇcinitel prostupu tepla sklepn´ı podlahy, k4P = 0,8 W·m−2 ·K−1 , • k4S - souˇcinitel prostupu tepla stˇrechy, Stˇrecha je dvoupláˇst’ová strmá. Sloˇzen´ı: sádrokarton, Sarvanap 1000, ORSIL S, TYVEK, otevˇrená vzduchová vrstva, taˇsková krytina. k4S = 0,27 W·m−2 ·K−1 . Souˇ cinitel prostupu tepla k5 dveˇr´ı a exteriéru.

- rozhran´ı oken, venkovn´ıch dveˇr´ı, balkónov´ ych

• k5O - souˇcinitel prostupu tepla rozhran´ı oken a exteriéru, Okna jsou dvojitá dˇrevˇená. k5O = 2,8 W·m−2 ·K−1 , • k5D1 - souˇcinitel prostupu tepla rozhran´ı venkovn´ıch dveˇr´ı a exteriéru, Venkovn´ı dveˇre jsou dˇrevˇené. k5D1 = 4,1 W·m−2 ·K−1 , • k5D2 - souˇcinitel prostupu tepla balkónov´ ych dveˇr´ı a exteriéru, Balkónové dveˇre jsou jednoduché s dvojitou sklenˇenou v´ ypln´ı. −2 −1 k5D2 = 3,7 W·m ·K . Souˇ cinitel prostupu tepla k6

- rozhran´ı interiéru a vnitˇrn´ıho zdiva.

• k6 - souˇcinitel prostupu tepla rozhran´ı interiéru a vnitˇrn´ıho zdiva v suterénu, k6 = 2 W·m−2 ·K−1 , • k6 - souˇcinitel prostupu tepla rozhran´ı interiéru a vnitˇrn´ıho zdiva v pˇr´ızem´ı a podkrov´ı, k6 = 0,56 W·m−2 ·K−1 .

´ ´ ´ KAPITOLA 8. NAVRH MODELU OTOPNEHO SYSTEMU 8.2.1.3

64

Vlastn´ı v´ ypoˇ cet tepeln´ ych vodivost´ı

Nyn´ı, kdyˇz máme spoˇc´ıtány jednotlivé pˇrestupn´ı plochy a souˇcinitele pˇrestupu tepla m˚ uˇzeme zaˇc´ıt poˇc´ıtat jednotlivé tepelné vodivosti, které pouˇzijeme v poˇc´ıtaˇcovém simulaˇcn´ım modelu. V´ ypoˇcet provedeme podle vztahu (8.24). V mém modelu potˇrebuji spoˇc´ıtat tepelné vodivosti G1 , G2 , G3 , G4 , G5 a G6 . Jejich hodnoty budou zaokrouhlené na celá ˇc´ısla. • G1 - je tepelná vodivost rozhran´ı otopné vody a radiátoru, G1 = α1 ·S1 = 8150 W·K−1 . • G2 - je tepelná vodivost rozhran´ı radiátoru a interiéru, G2 = α2 ·S2 = 326 W·K−1 . • G3 - je tepelná vodivost rozhran´ı interiéru a vnˇejˇs´ıho zdiva, podlahy a stˇrechy, G3 = G3Z + G3P + G3S = 190 W·K−1 , G3Z = 73,25 W·K−1 - je tepelná vodivost rozhran´ı interiéru a vnˇejˇs´ıho zdiva, G3P = 73.38 W·K−1 - je tepelná vodivost rozhran´ı interiéru a sklepn´ı podlahy, G3S = 43,36 W·K−1 - je tepelná vodivost rozhran´ı interiéru a stˇrechy. • G4 - je tepelná vodivost rozhran´ı vnˇejˇs´ıho zdiva, podlahy, stˇrechy a exteriéru, G4 = G4Z + G4P + G4S = 221 W·K−1 , G4Z = 89,38 W·K−1 - je tepelná vodivost rozhran´ı vnˇejˇs´ıho zdiva a exteriéru, G4P = 85,5 W·K−1 - je tepelná vodivost rozhran´ı sklepn´ı podlahy a exteriéru, G4S = 46,17 W·K−1 - je tepelná vodivost rozhran´ı stˇrechy a exteriéru. • G5 - je tepelná vodivost rozhran´ı oken, dveˇr´ı a exteriéru, G5 = G5O + G5D = 79 W·K−1 , G5O = 65,52 W·K−1 - je tepelná vodivost rozhran´ı oken a exteriéru, G5D = 13,55 W·K−1 - je tepelná vodivost rozhran´ı venkovn´ıch dveˇr´ı, balkónov´ ych dveˇr´ı a exteriéru. • G6 - je tepelná vodivost rozhran´ı interiéru a vnitˇrn´ıho zdiva, G6 = 236 W·K−1 .


8.2.2

65

V´ ypoˇ cet tepeln´ ych kapacit

ˇ ım vˇetˇs´ı je Tepelnou kapacitou rozum´ıme schopnost látky akumulovat teplo. C´ tepelná kapacita dané látky, t´ım v´ıce je nutno dodat (odebrat) tepla, aby se jej´ı teplota zv´ yˇsila (sn´ıˇzila). Tepelnou kapacitu poˇc´ıtáme podle následuj´ıc´ıho vztahu: C = m · c = ρ · V · c,

(8.27)

C - je tepelná kapacita látky [J·K−1 ], m - je hmotnost dané látky [kg], ρ - hustota dané látky [kg·m−3 ], V - je objem dané látky [m3 ], c - je mˇerná tepelná kapacita dané látky [J·kg−1 ·K−1 ]. Hodnoty mˇerné tepelné kapacity c a mˇerné hmotnosti ρ nalezneme v [9]. Pro m˚ uj poˇc´ıtaˇcov´ y model potˇrebuji vypoˇc´ıtat tyto tepelné kapacity: • C1 - je tepelná kapacita otopné vody, C1 = ρ1 ·V1 ·c1 = 873,6 kJ·K−1 , ρ1 = 1000 kg·m−3 , V1 = 0,208 m3 , c1 = 4,2 kJ·kg−1 ·K−1 . • C2 - je tepelná kapacita vzduchu interiéru, C2 = ρ2 ·V2 ·c2 = 637,57 kJ·K−1 , ρ2 = 1,166 kg·m−3 , V2 = 541,39 m3 , c2 = 1,01 kJ·kg−1 ·K−1 . • C3 - je tepelná kapacita vnˇejˇs´ıho zdiva, C3 = ρ3sut ·V3sut ·c3sut + ρ3priz ·V3priz ·c3priz + ρ3pod ·V3pod ·c3pod = 50456 kJ·K−1 , ρ3sut = 1450 kg·m−3 , V3sut = 12,78 m3 , c3sut = 0,960 kJ·kg−1 ·K−1 , ρ3priz = 2000 kg·m−3 , V3priz = 16,7 m3 , c3priz = 0,880 kJ·kg−1 ·K−1 , ρ3pod = 2000 kg·m−3 , V3pod = 1,86 m3 , c3pod = 0,880 kJ·kg−1 ·K−1 . • C4 - je tepelná kapacita vnitˇrn´ıho zdiva,


66

C4 = ρ4sut ·V4sut ·c4sut + ρ4priz ·V4priz ·c4priz + ρ4pod ·V4pod ·c4pod = 66623 kJ·K−1 , ρ4sut = 1800 kg·m−3 , V4sut = 14,21 m3 , csut = 0,880 kJ·kg−1 ·K−1 , ρ4priz = 1800 kg·m−3 , V4priz = 14,66 m3 , c4priz = 0,880 kJ·kg−1 ·K−1 , ρ4pod = 1800 kg·m−3 , V4pod = 13,19 m3 , c4pod = 0,880 kJ·kg−1 ·K−1 .

8.2.3

Simulaˇ cn´ı poˇ c´ıtaˇ cov´ y model

Simulaˇcn´ı poˇc´ıtaˇcov´ y model vytápˇeného objektu je na obrázku 8.2. Je navrˇzen pro radiátorovou otopnou soustavu. Model postihuje regulaci teploty pˇri konstantn´ı venkovn´ı a poˇzadované vnitˇrn´ı teplotˇe. Ekvitermn´ı regulátor tedy nastav´ı teplotu otopné vody podle venkovn´ı teploty a regulaci potom provád´ı dvoupolohov´ y pokojov´ y termostat.


Obrázek 8.2: Simulaˇcn´ı model objektu.

Radiátorová otopná soustava: • dopravn´ı zpoˇzdˇen´ı Td = 45s,

67

´ ´ ´ KAPITOLA 8. NAVRH MODELU OTOPNEHO SYSTEMU • poˇzadovaná teplota Tpozad = 20◦ C, • teplota exteriéru T5 = -12◦ C, • teplota otopné vody na v´ ystupu z plynového kotle T0 = 70◦ C, • poˇcáteˇcn´ı teplota radiátor˚ u T20 = 16◦ C, • poˇcáteˇcn´ı teplota interiéru T30 = 16◦ C, • poˇcáteˇcn´ı teplota venkovn´ıho zdiva T40 = 5◦ C, • poˇcáteˇcn´ı teplota vnitˇrn´ıho zdiva T60 = 16◦ C.

68


8.3

69

V´ ysledky z´ıskan´ e na modelu

T0

70

Prubehy teplot otopneho systemu pri T5 = -12 °C T3 - prostorova teplota interieru T0 - stredni teplota otopne vody T2 - povrchova teplota radiatoru T - teplota vnejsiho zdiva 4 T6 - teplota vnitrniho zdiva

65

T2

60 55 50

---> T [°C]

45 40 35 30 25 20

T3

15

T6

10

T4

5 0

0

1000

2000

3000

4000 (1 hod)

5000 ---> t [s]

6000

7000 8000 (2 hod)

9000

10000

Obrázek 8.3: Pr˚ ubˇehy teplot otopného systému pˇri venkovn´ı teplotˇe T5 = -12◦ C.


T0

70 65

Prubehy teplot otopneho systemu pri T5 = 0°C T3 - prostorova teplota interieru T0 - stredni teplota otopne vody T2 - povrchova teplota radiatoru T - teplota vnejsiho zdiva 4 T6 - teplota vnitrniho zdiva

T2

60

70

55 50

---> T [°C]

45 40 35 30 25 20

T3

15

T6

10

T4

5 0

0

1000

2000

3000

4000 (1 hod)

5000 ---> t [s]

6000

7000 8000 (2 hod)

9000

10000

Obrázek 8.4: Pr˚ ubˇehy teplot otopného systému pˇri venkovn´ı teplotˇe T5 = 0◦ C.


71

Porovnani prostorovych teplot interieru 22 21.5 21 20.5 20

---> T [°C]

19.5 19 18.5 18 17.5 17 16.5 T3 - prostorova teplota interieru pri T5 = -12°C T3 - prostorova teplota interieru pri T5 = 0°C

16 15.5 15

0

1000

2000

3000

4000 (1 hod)

5000 ---> t [s]

6000

7000 8000 (2 hod)

9000

10000

Obrázek 8.5: Porovnán´ı prostorové teploty interiéru pro r˚ uzné venkovn´ı teploty .

Na obrázku 8.3 jsou zobrazeny pr˚ ubˇehy teplot radiátorového otopného systému pˇri stálé venkovn´ı teplotˇe T5 = -12◦ C, tedy pˇri teplotˇe, pro kterou byl cel´ y otopn´ y systém navrhován. Tato v´ ypoˇctová venkovn´ı teplota odpov´ıdá um´ıstˇen´ı mnou zvo-


72

leného objektu v okol´ı Prahy. Pr˚ ubˇeh teploty T0 nás pouze informuje o spouˇstˇen´ı plynového kotle. Teplota T0 mˇen´ı sv˚ uj pr˚ ubˇeh skokovˇe (dvou´ urovˇ novˇe). Vyˇsˇs´ı u ´roveˇ n odpov´ıdá situaci, kdy je plynov´ y kotel v provozu, kdeˇzto niˇzˇs´ı u ´roveˇ n odpov´ıdá situ◦ aci, kdy je plynov´ y kotel v klidu. Teplotn´ı spád jsem zvolil 80/60 C a tud´ıˇz stˇredn´ı teplota otopné vody T0 = 70◦ C. Na obrázku 8.4 jsou zachyceny pr˚ ubˇehy teplot otopného systému pˇri stálé ven◦ kovn´ı teplotˇe T5 = 0 C. Stˇredn´ı teplota otopné vody je nezmˇenˇena a je taktéˇz 70◦ C. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı pr˚ ubˇehy jsou pr˚ ubˇehy prostorov´ ych teplot interiéru, proto jsem ˇ y pr˚ je vynesl samostatnˇe do jednoho grafu zobrazeného na obrázku 8.5. Cern´ ubˇeh ◦ je prostorová teplota interiéru pˇri stálé venkovn´ı teplotˇe -12 C a ˇcerven´ y pr˚ ubˇeh je prostorová teplota interiéru pˇri stálé venkovn´ı teplotˇe 0◦ C. Z tˇechto pr˚ ubˇeh˚ u se dá posoudit dynamika otopné soustavy a kvalita regulace teploty. Je vidˇet, ˇze pro vyˇsˇs´ı venkovn´ı teplotu (pro 0◦ C) je dynamika otopné soustavy vˇetˇs´ı. Prostorová teplota interiéru v ustáleném stavu se pohybuje pˇribliˇznˇe v rozmez´ı +/- 0.5◦ C od poˇzadované teploty interiéru 20◦ C, coˇz je pro potˇreby vytápˇen´ı rodinného domku plnˇe dostaˇcuj´ıc´ı. Matematick´ y model m˚ uˇze také slouˇzit k nastaven´ı ekvitermn´ıho regulátoru. Pro dvˇe r˚ uzné venkovn´ı teploty dostaneme dvˇe teploty otopné vody. Takto vzniklé body nám udávaj´ı sklon otopné kˇrivky ekvitermn´ıho regulátoru. Ukázka otopné kˇrivky ekvitermn´ıho regulátoru je na obrázku 4.3.

Kapitola 9 Ekonomick´ y rozbor 9.1

Porovn´ an´ı n´ aklad˚ u na vyt´ apˇ en´ı r˚ uzn´ ymi druhy energie

Hodnoty v tabulce na obrázku 9.1 a 9.2 jsou spoˇc´ıtány pro uvaˇzovan´ y vytápˇen´ y objekt. Uvaˇzovan´ y vytápˇen´ y objekt (viz. kapitola 11): • v´ ypoˇctová venkovn´ı teplota je -12◦ C, • pr˚ umˇerná venkovn´ı teplota v otopném obdob´ı je 4◦ C, • teplota interiéru je 20◦ C, • celkové tepelné ztráty objektu jsou 16,3 kW, • pr˚ umˇern´ y poˇcet vytápˇec´ıch dn˚ u za rok je 216, • roˇcn´ı spotˇreba tepla pro vytápˇen´ı ˇcin´ı 123 GJ, coˇz odpov´ıdá 34000 kWh. Ceny paliv v tabulkách na obrázc´ıch 9.1, 9.2 a 9.3 jsou uvedeny vˇcetnˇe DPH.

73

´ ROZBOR KAPITOLA 9. EKONOMICKY

Obrázek 9.1: V´ ypoˇcet ceny tepla v palivu.

74


Obrázek 9.2: V´ ypoˇcet náklad˚ u na vytápˇen´ı.

75


76

Obrázek 9.3: Porovnán´ı celkov´ ych náklad˚ u na vytápˇen´ı.

Poznámka: El. akumulace - tarif: D26 jistiˇc nad 3 x 50 A do 3 x 63 A vˇcetnˇe, El. pˇr´ımotop - tarif: D45 jistiˇc nad 3 x 25 A do 3 x 32 A vˇcetnˇe, Tepelné ˇcerpadlo - tarif: D55 jistiˇc nad 3 x 20 A do 3 x 25 A vˇcetnˇe. Z tabulky na obrázku 9.3 je vidˇet, ˇze ekonomicky v´ yhodné pro vytápˇen´ı rodinného domku je pouˇzit´ı pevn´ ych paliv (dˇrevo, hnˇedé a ˇcerné uhl´ı). Tuto v´ yhodu vˇsak sniˇzuj´ı dodateˇcné dalˇs´ı náklady na odvoz popela, udrˇzován´ı kouˇrovod˚ u a v neposledn´ı ˇradˇe také vyˇsˇs´ı pracnost oproti jin´ ym typ˚ um vytápˇen´ı. Nezanedbatelná je také vyˇsˇs´ı zátˇeˇz pro ˇzivotn´ı prostˇred´ı (zvláˇstˇe vysoce sirnaté hnˇedé uhl´ı pocházej´ıc´ı ze Severoˇceské hnˇedouhelné pánve). N´ızké náklady na vytápˇen´ı má také Tepelné ˇcerpadlo, zde ovˇsem mus´ıme brát vu ´vahu zat´ım stále vysoké poˇrizovac´ı náklady, které brán´ı vˇetˇs´ımu rozˇs´ıˇren´ı tohoto ekologického zp˚ usobu vytápˇen´ı, kter´ y má pˇred sebou velkou budoucnost. O nˇeco draˇzˇs´ı je vytápˇen´ı pomoc´ı zemn´ıho plynu. Zemn´ı plyn je vˇsak k dispozici pouze ve vˇetˇs´ıch mˇestech a pro zaveden´ı do dalˇs´ıch m´ıst je tˇreba znaˇcn´ ych finanˇcn´ıch prostˇredk˚ u. Zat´ıˇzen´ı ˇzivotn´ıho prostˇred´ı je vˇsak pˇri pouˇzit´ı plynového


77

vytápˇen´ı nejmenˇs´ı ze vˇsech bˇeˇznˇe pouˇz´ıvan´ ych typ˚ u. Vytápˇen´ı pomoc´ı zemn´ıho plynu patˇr´ı také k nejkomfortnˇejˇs´ım z hlediska snadné regulovatelnosti. Vytápˇen´ı koksem je opˇet problematické z hlediska zátˇeˇze ˇzivotn´ıho prostˇred´ı, avˇsak nesrovnatelnˇe ménˇe neˇz vytápˇen´ı pomoc´ı hnˇedého uhl´ı. Opˇet se zde vyskytuj´ı dalˇs´ı dodateˇcné náklady, podobnˇe jako pˇri vytápˇen´ı ostatn´ımi pevn´ ymi palivy. Na dalˇs´ım m´ıstˇe v ˇzebˇr´ıˇcku ekonomické v´ yhodnosti se nacház´ı vytápˇen´ı elektrickou energi´ı (akumulaˇcn´ı, pˇr´ımotopné a nebo sm´ıˇsené vytápˇen´ı). Vytápˇen´ı pomoc´ı elektrické energie je povaˇzováno za jeden z nejkomfortnˇejˇs´ım bˇeˇznˇe pouˇz´ıvan´ ych typ˚ u vytápˇen´ı, a to jak z hlediska dosaˇzené tepelné pohody, tak i z hlediska velmi dobré regulovatelnosti. Nab´ız´ı se celá ˇrada tarif˚ u z nichˇz si m˚ uˇze zákazn´ık vybrat. Ekonomicky nejnároˇcnˇejˇs´ım typem vytápˇen´ı je vytápˇen´ı pomoc´ı nejnovˇejˇs´ıch technologi´ı (Propan - Butan a Ekopetrol - lehk´ y topn´ y olej). U techto technologi´ı jsou také poˇrizovac´ı náklady nˇekolikanásobnˇe vyˇsˇs´ı neˇz u bˇeˇznˇe pouˇz´ıvan´ ych typ˚ u vytápˇen´ı.

9.2

N´ aklady na navrˇ zen´ y vyt´ apˇ ec´ı syst´ em

• otopn´ a tˇ elesa - vybral jsem hlin´ıková ˇclánková tˇelesa MONDIAL 80. Radiátory jsou vyrábˇené tlakov´ ym lit´ım ze slitiny hlin´ıku. Pouˇzit´ y materiál zaruˇcuje vysokou antikorozn´ı odolnost, v´ yborné tepelné vlastnosti, dobrou mechanickou pevnost a n´ızkou hmotnost. Povrchová u ´prava dvojit´ ym epoxidov´ ym nátˇerem má takˇrka neomezenou ˇzivotnost a vynikaj´ıc´ı vlastnosti, Cena jednoho ˇclánku M (C).700 je 473 Kˇc (vˇctnˇe DPH). Potˇrebuji 94 ˇclánk˚ u v celkové cenˇe 44 500 Kˇc (vˇcetnˇe DPH). • plynov´ y kotel - po vytápˇen´ı objektu jsem se rozhodl pouˇz´ıt kombinovan´ y závˇesn´ y plynov´ y kotel od firmy Junkers, konkrétnˇe typ Junkers ZS 23 KE NOVASTAR, kter´ y nab´ız´ı v´ yhodn´ y pomˇer ceny a uˇzitné hodnoty. Tento kotel se vyrab´ı ve v´ ykonovém rozmez´ı 8 aˇz 22,6 kW, Junkers ZS 23 KE NOVASTAR je nab´ızen za cenu 28 050 Kˇc (vˇcetnˇe DPH). • sol´ arn´ı komplet pro celoroˇ cn´ı ohˇ rev TUV - návrh a pouˇzité zaˇr´ızen´ı viz. kapitola 7.2.3.4, Cena solárn´ıho kompletu na ohˇrev TUV je 70 405 Kˇc (vˇcetnˇe DPH). ˇ e republiky poskytuje pro fyzické osoby Státn´ı fond ˇzivotn´ıho prostˇred´ı Cesk´ podporu na ekologicky ˇsetrné zp˚ usoby vytápˇen´ı a ohˇrev vody pro byty a rodinné domy. U solárn´ıch systém˚ u na pˇritápˇen´ı a pˇr´ıpravu teplé vody tvoˇr´ı pˇr´ıspˇevek max. 50 % (maximálnˇe vˇsak 100 000 Kˇc). Pˇri uplatnˇen´ı státn´ı podpory je cena solárn´ıho kompletu 35 202 Kˇc (vˇcetnˇe DPH).


78

• ekvitermn´ı regul´ ator - vybral jsem ekvitermn´ı regulátor ELESTA ˇrady DOMOTESTA 300, konkrétnˇe typ RDO131A106, kter´ y je obsluhován digitálnˇe, pˇriˇcemˇz se volba provozn´ıho reˇzimu a u ´prava poˇzadované teploty prostoru dˇeje otoˇcn´ ym pˇrep´ınaˇcem, Cena ekvitermn´ıho regulátoru ELESTA RDO131A106 je 8 397 Kˇc (vˇcetnˇe DPH). Celkové náklady na navrˇzen´ y vytápˇec´ı systém jsou tedy 151 352 Kˇ c (vˇcetnˇe DPH). Pokud uplatn´ıme státn´ı podporu na solárn´ı ohˇrev TUV budou celkové náklady na navrˇzen´ y vytápˇec´ı systém 116 149 Kˇc (vˇcetnˇe DPH).

9.2.1

N´ avratnost n´ aklad˚ u do sol´ arn´ıho zaˇ r´ızen´ı na ohˇ rev TUV

Z tabulky na obrazku 7.3 vypl´ yvá, ˇze z celoroˇcn´ı spotˇreby energie pro ohˇrev uˇzitkové vody 365 · 15,36 = 5585 kWh mus´ı b´ yt 1929 kWh (34,5%) hrazeno klasick´ ym zdrojem tepla (v mém pˇr´ıpadˇe plynov´ ym kotlem). Sluneˇcn´ı kolektory dodaj´ı 3656 kWh (65,5%). Návratnost náklad˚ u do solárn´ıho zaˇr´ızen´ı je vyˇc´ıslena v tabulce na obrázku 9.4.


79

Obrázek 9.4: Návratnost náklad˚ u do solárn´ıho zaˇr´ızen´ı na ohˇrev TUV.

9.3

N´ aklady na nˇ ekter´ e dalˇ s´ı alternativn´ı zp˚ usoby vyt´ apˇ en´ı

Sol´ arn´ı panely RADIX 72-100 - 100 W panel s plochou 0,87 m2 , lze z nˇeho z´ıskat roˇcnˇe 120 kWh tepla. Cena takovéhoto solárn´ıho panelu je 20 860 Kˇc. Kdybychom si poˇr´ıdily fotovoltaickou jednotku se jmenovit´ ym v´ ykonem 2 kW, vyrobili bychom roˇcnˇe 2400 kWh. Takováto jednotka by nás vˇcetnˇe mˇeniˇce, konstrukce a kabeláˇze vyˇsla na zhruba 500 000 Kˇc. V´ ykupn´ı cena elektˇriny z fotovoltaického systému je 6 Kˇc/kWh. Pokud by jsme se rozhodli dodávat veˇskerou z´ıskanou energii pˇr´ımo do s´ıtˇe tak by naˇse roˇcn´ı trˇzba byla 14 400 Kˇc. Návratnost takovéhoto ˇ zaˇr´ızen´ı je tedy necel´ ych 35 let. Zivotnost systému se uvád´ı 20 a v´ıce let. Z této kalkulace vid´ıme ˇze nejvˇetˇs´ı pˇrekáˇzkou rozˇs´ıˇren´ı fotovoltaick´ ych solárn´ıch ˇ jsou vysoké poˇrizovac´ı náklady a u systém˚ panel˚ u v CR u pˇripojen´ ych na s´ıt’ n´ızké v´ ykupn´ı ceny elektrické energie.


80

Tepeln´ aˇ cerpadla Náklady na vytápˇen´ı tepeln´ ym ˇcerpadlem uvedu na pˇr´ıkladˇe rodinného domku s tepelnou ztrátou 14 kW. Orientaˇcn´ı investiˇcn´ı náklady na tepelné ˇcerpadlo jsou vypsány v tabulce na obrázku 9.5. Technick´ e ˇ reˇ sen´ı: D˚ um je vytápˇen tepeln´ ym ˇcerpadlem IVT Greenline C 7 o v´ ykonu 7,6 kW. Tepelné ˇcerpadlo je doplnˇeno vestavˇen´ ym elektrokotlem o volitelném v´ ykonu 3, 6 nebo 9 kW. Elektrokotel pomáhá tepelnému ˇcerpadlu s vytápˇen´ım v obdob´ı s extrémnˇe n´ızk´ ymi venkovn´ımi teplotami a zároveˇ n funguje jako záloha pro pˇr´ıpad v´ ypadku tepelného ˇcerpadla. Tepelné ˇcerpadlo je ˇr´ızeno ekvitermn´ı regulac´ı REGO 600 a vytáp´ı objekt v závislosti na venkovn´ı teplotˇe. V pˇr´ıpadˇe potˇreby tepelné ˇcerpadlo prioritnˇe ohˇr´ıvá vodu ve vestavˇeném mˇedˇeném nebo nerezovém bojleru. Tepelné ˇcerpadlo IVT Greenline C7 je v kompaktn´ım proveden´ı vˇcetnˇe elektrokotle, bojleru, obˇehov´ ych ˇcerpadel a dalˇs´ıch armatur, takˇze zab´ırá v objektu minimum prostoru. Zdrojem tepla pro tepelné ˇcerpadlo je vrt nebo ploˇsn´ y kolektor, pˇr´ıpadnˇe spodn´ı voda.

Obrázek 9.5: Orientaˇcn´ı investiˇcn´ı náklady na tepelné ˇcerpadlo.

Kapitola 10 Z´ avˇ er ´ Ukolem této diplomové práce bylo navrhnout kombinovan´ y vytápˇec´ı systém, vytvoˇrit poˇc´ıtaˇcov´ y model otopného systému, provést ekonomick´ y rozbor pro navrˇzen´ y systém a porovnat náklady na vytápˇen´ı r˚ uzn´ ymi druhy energie. Veˇsker´ y návrh a v´ ypoˇcty jsem provádˇel pro klasick´ y typ rodinného domku pod oznaˇcen´ım Styl TL - 42, tento domek vyráb´ı a dodává firma Dˇrevostyl Nové Straˇsec´ı. Pˇredpokládané um´ıstˇen´ı domku je v nˇekteré z okrajov´ ych ˇcást´ı Prahy, proto i návrh solárn´ıho zaˇr´ızen´ı pro ohˇrev TUV je proveden pro Prahu. Pro volbu a návrh kombinovaného vytápˇec´ıho systému bylo nutné nejdˇr´ıve nastudovat moˇzné zdroje tepelné energie a r˚ uzné zp˚ usoby regulace teploty, proto i u ´vodn´ı kapitoly této práce jsou vˇenovány tomuto tématu. Pˇri v´ ybˇeru kombinovaného vytápˇec´ıho systému jsem vycházel z toho, ˇze má b´ yt ekologick´ y a pokud moˇzno ekonomicky pˇr´ıliˇs nenároˇcn´ y. Po promyˇslen´ı r˚ uzn´ ych variant jsem dospˇel k závˇeru, ˇze tato kriteria splˇ nuje otopn´ y systém, kter´ y zahrnuje pouˇzit´ı plynového kotle s radiátorovou otopnou soustavou a pro ohˇrev TUV bude vyuˇz´ıvat solárn´ıho zaˇr´ızen´ı. Solárn´ı zaˇr´ızen´ı se v naˇsich podm´ınkách dá s v´ yhodou vyuˇz´ıt právˇe k ohˇrevu TUV nebo pro ohˇrev vody v bazénu. Pro vytápˇen´ı se solárn´ı zaˇr´ızen´ı v souˇcasné dobˇe moc nepouˇz´ıvá, protoˇze zat´ım nen´ı znám dostateˇcnˇe efektivn´ı zp˚ usob akumulace solárn´ı energie. Dalˇs´ı ˇcást práce se zab´ yvá tvorbou poˇc´ıtaˇcového simulaˇcn´ıho modelu systému pro konkrétn´ı vytápˇen´ y objekt. S t´ım bylo spojeno velké mnoˇzstv´ı v´ ypoˇct˚ u (tepeln´ ych vodivost´ı, tepeln´ ych kapacit, ...). Tyto v´ ypoˇcty spadaj´ı do oboru stavebn´ıho inˇzen´ yrstv´ı a z toho d˚ uvodu bylo nutné nejprve nastudovat základn´ı termomechanické zákony, které jsou uvedeny v kapitolách 5 a 6. Pomoc´ı simulaˇcn´ıho poˇc´ıtaˇcového modelu vytápˇeného objektu se daj´ı posoudit dynamické vlastnosti pouˇzité otopné soustavy, kvalita regulace teploty a zároveˇ n m˚ uˇzeme model pouˇz´ıt pro správné nastaven´ı ekvitermn´ıho regulátoru teploty. Model otopného systému vytápˇeného objektu je univerzáln´ı, pro objekt m˚ uˇzeme navrhnout jin´ y otopn´ y systém, napˇr. n´ızkoteplotn´ı s tepeln´ ym ˇcerpadlem a podlahov´ ym vytápˇen´ım a potom by se daly jednotlivé otopné soustavy porovnat. Z ekonomického rozboru v závˇeru diplomové práce je moˇzné si udˇelat pˇredstavu o ekonomické v´ yhodnosti jednotliv´ ych druh˚ u vytápˇen´ı. Je vidˇet, ˇze pouˇzit´ım alternativn´ıch zp˚ usob˚ u vytápˇen´ı (solárn´ı energie, tepelné ˇcerpadlo) se dá z dlouhodobého ˇ e republiky poskytuje na tyto hlediska uˇsetˇrit. Státn´ı fond ˇzivotn´ıho prostˇred´ı Cesk´ 81

´ ER ˇ KAPITOLA 10. ZAV

82

zp˚ usoby vytápˇen´ı státn´ı dotace a t´ım podporuje jejich rozˇs´ıˇren´ı. Zájem o alternativn´ı zp˚ usoby vytápˇen´ı se v budoucnu jistˇe jeˇstˇe zv´ yˇs´ı, protoˇze se dá pˇredpokládat, ˇze se cena elektˇriny, zemn´ıho plynu a dalˇs´ıch klasick´ ych zdroj˚ u energie bude stále zvyˇsovat.

Literatura [1] M. Lázˇ novsk´ y, M. Kub´ın, P. Fischer .: Vyt´ apˇen´ı rodinných domk˚ u, nakladatelstv´ı T. Malina, Praha 1996. [2] EkoWATT 2003 .: Obnovitelné .

zdroje

energie,

[cit.

2003-2-20].

ˇ ˇ [3] K. Broˇz .: Vytápˇen´ı, skriptum CVUT, Vydavatelstv´ı CVUT, 1995. ˇ [4] K. Mrázek, K. Sustr, A. Janouˇs .: Modern´ı vyt´ apˇen´ı byt˚ u a rodinných domk˚ u, SNTL PRAHA, 1986. ˇ ˇ [5] J. John .: Systémy a ˇr´ızen´ı, skriptum FEL CVUT, Vydavatelstv´ı CVUT, 1998. [6] J. Cikhart .: Mˇeˇren´ı a regulace ve vyt´ apˇen´ı, SNTL PRAHA, 1984. ˇ ˇ [7] J. Baˇsta .: Regulace vytápˇen´ı, skriptum CVUT, Vydavatelstv´ı CVUT, 2002. [8] V. Jel´ınek a kolektiv .: Technické zaˇr´ızen´ı budov II - vyt´ apˇen´ı - pˇredn´ aˇsky, ˇ ˇ skriptum CVUT, Vydavatelstv´ı CVUT, 1993. [9] J. Cihelka a kolektiv .: Vyt´ apˇen´ı,vˇetr´ an´ı a klimatizace, SNTL PRAHA, 1985. [10] K. Papeˇz a kolektiv .: Technick´ a zaˇr´ızen´ı budov II - vyt´ apˇen´ı - cviˇcen´ı, skriptim ˇ ˇ CVUT, Vydavatelstv´ı CVUT, 1996. [11] J. Cihelka .: Sluneˇcn´ı vyt´ apˇec´ı systémy, SNTL PRAHA, 1984. ˇ ıd .: Vyuˇzit´ı sluneˇcn´ı energie, [12] K. Laboutka, L. Michaliˇcka, M. Ogoun, V. Sm´ Studijn´ı texty, PRAHA, 1983.

83

Kapitola 11 Pˇ r´ıloha 11.1

Podklady pro v´ ypoˇ cet hodnot do matematick´ eho modelu

11.1.1

Rodinn´ y domek STYL TL - 42

Jako podklad pro praktickou aplikaci veˇsker´ ych v´ ypoˇct˚ u a schémat jsem si zvolil klasick´ y typ rodinného domku pod oznaˇcen´ım TL - 42, v´ yrobce a dodavatel firma Dˇrevostyl, Nové straˇsec´ı, okres Rakovn´ık, o zastavˇené ploˇse 110,5 m2 , obytná plocha je 128.6 m2 . Rodinn´ y domek TL -42 je navrhován jako volnˇe stoj´ıc´ı stavba s podsklepen´ım a se samostatn´ ym podkrov´ım. Spodn´ı stavba se skládá s prefabrikované dˇrevˇené konstrukce, kde hlavn´ı nosnou konstrukci tvoˇr´ı ocelová konstrukce zakotvená do spodn´ı stavby. Zastˇreˇsen´ı je provedeno dˇrevˇen´ ymi sedlov´ ymi vazn´ıky hambálkové soustavy. Rodinn´ y domek je urˇcen pro venkovskou pˇr´ıpadnˇe pˇr´ımˇestskou zástavbu, pˇredevˇs´ım pro rovinné staveniˇstˇe. Domek pro ˇctyˇr aˇz pˇetiˇclenou rodinu, je uvaˇzován pro teplotn´ı pásmo do -15◦ C a do nadmoˇrské v´ yˇsky 600 m. Suterén (1. podzemn´ı podlaˇz´ı) je navrhován v tradiˇcn´ı stavebn´ı technologii, provádˇené pˇr´ımo na stavbˇe. Svislé nosné obvodové konstrukce a pˇr´ıˇcky vˇcetnˇe kom´ınového zdiva jsou navrˇzeny z cihel pálen´ ych, nelehˇcen´ ych. Konstrukce pˇr´ızem´ı a podkrov´ı se skládá z lehce montovateln´ ych d´ılc˚ u. Tyto jsou vyrobeny ze dˇreva a z materiálu na bázi dˇreva. Vrchn´ı stavba dˇrevokonstrukce se montuje na ukonˇcenou desku spodn´ı stavby, kde jsou pˇredem zabetonovány kotevn´ı ˇsrouby a jsou vytvoˇrena l˚ uˇzka pro osazen´ı a zakotven´ı sloupc˚ u oelové konstrukce. Vnˇejˇs´ı a pˇr´ıˇckové stˇeny vˇcetnˇe podkrov´ı jsou z nenosn´ ych panel˚ u. strop nad suterénem tvoˇr´ı ˇzelezobetonová deska, nebo keramické stropn´ı desky HURDIS, vkládané mezi ocelové nosn´ıky. Stropn´ı konstrukci nad pˇr´ızem´ım tvoˇr´ı spodn´ı pasy stˇreˇsn´ıch vazn´ık˚ u, na kter´ ych je pˇripevnˇen stropn´ı podhled a na nˇem je uloˇzena tepelná izolace. Na horn´ı stranˇe pas˚ u je pod’ laha podkrov´ı. Stˇreˇsn´ı pláˇst tvoˇr´ı bednˇen´ı a izolaˇcn´ı lepenka, vlastn´ı krytina je podle pˇrán´ı zákazn´ıka (v mém pˇr´ıpadˇe jsou to taˇsky). Okna jsou dˇrevˇená, zdvojená. Vnˇejˇs´ı povrch stˇen tvoˇr´ı obkladové dˇrevotˇr´ıskové desky, opatˇrené nátˇerem nebo stˇerkovou om´ıtkou. Spáry mezi deskami jsou kryty Al liˇstou. 84

ˇ ÍLOHA KAPITOLA 11. PR

85

Tepelnˇe technické vlastnosti stavebn´ıch konstrukc´ı rodinného domku odpov´ıdaj´ı ˇ souˇcasn´ ym normov´ ym poˇzadavk˚ um dle CSN 730540/1994 Tepelná ochrana budov, v´ yrobcem jsou uvádˇen´ y tyto hodnoty: Vnˇ ejˇ s´ı obvodov´ a stˇ ena (panel) tl. 187 mm. - tepeln´ y odpor R = 3,05 (m2 ·K/W), - souˇcinitel prostupu tepla k = 0,32 (W/(m2 ·K)), - teplotn´ı u ´tlum v = 25,8 (1). Stropn´ı konstrukce (pl´ aˇ st’) tl. 260 mm. - tepeln´ y odpor R = 2,92 (m2 ·K/W), - souˇcinitel prostupu tepla k = 0,32 (W/(m2 ·K)). Pˇ r´ıˇ ckov´ y panel tl. 140 mm. - tepeln´ y odpor R = 1,81 (m2 ·K/W), - souˇcinitel prostupu tepla k = 0,56 (W/(m2 ·K)). 11.1.1.1

Stavebn´ı pl´ anky pro rodinn´ y domek STYL TL - 42

Obrázek 11.1: Suterén rodinného domku.


Obrázek 11.2: Pˇr´ızem´ı rodinného domku.

Obrázek 11.3: Podkrov´ı rodinného domku.

86


Obrázek 11.4: Podéln´ y a pˇr´ıˇcn´ y ˇrez rodinného domku.

87


Obrázek 11.5: Pˇredn´ı a zadn´ı pr˚ uˇcel´ı rodinného domku.

88


Obrázek 11.6: Pravé a levé boˇcn´ı pr˚ uˇcel´ı rodinného domku.

89


Obrázek 11.7: Suterén rodinného domku pro v´ ypoˇcet tepeln´ ych ztrát.

90


Obrázek 11.8: P˚ udorys pˇr´ızem´ı rodinného domku pro v´ ypoˇcet tepeln´ ych ztrát.

91


Obrázek 11.9: P˚ udorys patra rodinného domku pro v´ ypoˇcet tepeln´ ych ztrát.

92

ˇ ÍLOHA KAPITOLA 11. PR 11.1.1.2

Tepeln´ e ztr´ aty objektu

Obrázek 11.10: Celkové sestaven´ı tepeln´ ych ztrát podle m´ıstnost´ı.

93


94

Obrázek 11.11: Pod´ıl jednotliv´ ych tepeln´ ych ztrát rodinného domku.

11.2

Pˇ r´ıloha: CD-ROM

Obsah CD-ROM CD-ROM obsahuje následuj´ıc´ı data v tˇechto adresáˇr´ıch: • Diplomka: V tomto adresáˇri se nacházej´ı zdrojové texty této diplomové práce, pouˇzité obrázky a v´ ysledn´ y soubor Diplomka.pdf, kter´ y vznikl pˇrekladem pomoc´ı typografického systému PDFLaTeX. • Simulacni model objektu: Tento adresáˇr obsahuje simulaˇcn´ı model objektu vytvoˇren´ y v programu SIMULINK. Dále obsahuje m-file pro v´ ypoˇcet hodnot do simulaˇcn´ıho modelu a m-fily pro vykreslen´ı jdnotliv´ ych pr˚ ubˇeh˚ u.

Fakulta Elektrotechnická

Recommend Documents