VŠB – TU Ostrava Fakulta strojní Katedra Energetiky
Kombinovaný systém vytápění a ohřevu teplé vody pro rodinný dům Obhajoba diplomové práce Bc. Jana Marie Navrátilová 8.6.2010
Popis objektu - Potštát 505 m. n m. - vnitřní část města - řadová zástavba
Rodinný dům 4+kk, bez podsklepení s technickou místností
Výpočet tepelných ztrát objektu - Dle ČSN 06 0210 – obálková metoda - Vnější výpočtová teplota -15°C bez korekce za nadmořskou výšku - Vnitřní výpočtová teplota 18,08°C – průměr dle teplot a objemu jednotlivých místností - Krajina normální, bez intenzivních větrů, poloha chráněná, objekt hodnocen jako osamělý - Vytápěný objem 281m3, plocha obálkových konstrukcí 393 m2.
Výpočet tepelných ztrát objektu P rost up t ep la vícevrst vo u konst rukcí a průběh t eplot v konst rukci
Obvodová stěna 600 mm - izolovaná, chlazená Vnitřní výpočtová teplota místnosti (podle ČSN 06 0210:1994) t i = Výpočtová teplota vnitřního vzduchu (dle ČSN 73 05 40 se pro o byt né budov y volí t ap = t i + 1) t ap = Odpor při přestupu tepla na vnitřní straně konstrukce
Interiér
0,25 m K/W
19,08 °C
t si,0 = 15,793 °C
d [m ] λ [W /m K]
Vrst va M at eriál
Exteriér
Rsi =
2
18,08 °C
1 Om ít ka vápennocem ent ová
0,025
2 Cihelná hm ot a
0,500
3 P ěnový polyst yren ext rudovaný - EXP 4 Om ít ka vápennocem ent ová
0,050 0,025
0,990 0,640 0,034
Σd =
t si,1 =
15,46 °C
R2 =
0,781
m 2K/W
t si,2 =
5,19 °C
1,471
m 2K/W
t si,3 =
-14,14 °C
0,025
m 2K/W
t si,4 =
-14,47 °C
0,000
m 2K/W
t si,5 =
-14,47 °C
0,000
m 2K/W
t si,6 =
-14,47 °C
te =
-15 °C
R4 = 1
0
0,025 m 2K/W
R3 =
0,990
0
R1 =
R5 =
1
0,6 m
R6 =
Rn =
Odpor při přestupu tepla na vnější straně konstrukce Tepelný odpor konstrukce
Rse = RT =
Součinitel prostupu tepla
U =
Prostup tepla konstrukcí Q = U . (t i - t e) Q =
Popis konstrukce
2
2,30 m K/W 0,04 m2K/W 2
2,59 m K/W 0,39 W/m2/K 12,76 W/m2
Součinitel Prostup tepla Tepelný odpor konstrukce prostupu tepla konstrukcí 2
2
2
[m .K/W]
[W/m /K]
[W/m ]
Okno s dvojsklem
0,63
1,60
62,40
Domovní dveře bez skleněné výplně
0,38
2,60
101,40
Výpočet tepelných ztrát objektu Označení konstrukce
Výpočet tepelné ztráty objektu dle ČSN 06 0210
Výpočet tepelné ztráty objektu dle ČSN 06 0210
Plocha Typ
te,j
U
[°C] [W/m2/K]
Lokalita a vlastnosti budovy
Infiltrace Q0
S
Sd
S-Sd
[m2]
[m2]
[m2]
[W]
[m 3/m/s/Pa0.67] [m] [m 3/s/Pa0.67]
3,4
20,0 1,4
270,30 80,64
0,00012 5,0 0,00060
Zvětšení char. čísla budoby
0,00016 6,0 0,00096
C harakteristické číslo místnosti
iL
L
iL . L
Lokalita: N admořská výška:
P otštát K rajina: 550 m. n m. Poloha budovy: Druh budovy:
C harakteristické číslo budovy
B=
4 P a0.67
∆B =
0.67
1 S SO -15 1 SO OKN -15 1 SD DVR -15
0,39 1,60
23,5 1,4
2,60
2,0
2,0
182,00
2S
SO
-15
0,39
20,6
20,6
277,59
Počet netěsných dveří
-
3S
SO
-15
0,45
15,1
14,1
223,35
Počet těsných dveří
-
1,1
0 Pa M 1
N ormální C hráněná O samělá
O rientace objektu
SZ
Venkovní výpočtová teplota: te =
-15 °C
Vnitřní výpočtová teplota ti = 18,08 °C Teplota větracího vzduchut vv =
-15 °C
Qz =
0 W
Tepelný zisk Rozměry
60,48 162,62 252,76
0,00012 4,2 0,00050
0,0 3,1
1,1 10,2 15,9
60,48 182,00 284,87
0,00012 4,2 0,00050 0,00016 6,0 0,00096
3,1
1,1 2,0 17,9
P řirážka za vliv chladných konstrukcí
U c = 0,41 W /m2 /K p 1 = 0,06
1,1
1,1
60,48
0,00012 6,0 0,00072
P řirážka na urychlení zátopu
p2 =
2,60 0,39
2,0 4,4
182,00 59,54
0,00016 6,0 0,00096
P řirážka za světovou stranu
p 3 = 0,05
0,0
2,0 4,4
Tepelná ztráta prostupem
Q p = 5909 W
15
1,37
57,4
0,0
57,4
392,75
PDL 5 PDL 5 SCH -15
0,65 0,64 0,35
55,3 38,9 77,3
2,9
55,3 38,9 74,4
536,70 373,88 913,49
11 KO OKN -15 12 K SCH -15
1,60 0,35
2,9 39,4
0,0
2,9 39,4
161,28 484,13
13 K
0,35
9,3
0,0
9,3
114,68
3 SO OKN -15 4 S SO -15 5 S SO -15
1,60 0,45 0,45
1,1 10,2 19,0
5 SO OKN -15 5 SD DVR -15 6 S SO -15
1,60 2,60 0,45
1,1 2,0 21,0
6 SO OKN -15
1,60
6 SD DVR -15 7 S SO -15 8S 9P 10 P 11 K
SN
SCH -15
SUMA
391,5 5316,01
V m = 408 m3 Vypočtená plocha obálkových konstrukcí
C elkový objem
Vytápěný objem V v = S=
281 m3 392 m2
Tepelná ztráta prostupem S oučet ztrát prostupem tepla přes stěny P růměrný součinitel prostupu tepla
ΣQ 0 = 5316 W
0
Tepelná ztráta větráním
0,00012 6,8 0,00082
Tepelná ztráta infiltrací
Q inf =
Vypočtená intenzita výměny vzduchu
nvy p = 0,16
Hygienická intenzita výměny vzduchu
nh yg =
Tepelná ztráta větráním - dle hygienického požadavku Tepelná ztráta větráním
784 W 0,5
Q v , h yg. = 2437 W Q v = 2437 W
Celková tepelná ztráta objektu Tepelná ztráta objektu Měrná tepelná ztráta objektu
8400
Qc = 8346 qc = 29,72
Celková tepelná ztráta objektu 8,5 kW.
W 3
W/m
Výpočet potřeby tepla • Potřeba tepla pro vytápění – dennostupňová metoda • Potřeba tepla pro TUV – dle požadované potřeby TUV Měsíc Qvyt QTUV QT;V
kWh/m. kWh/m. kWh/m.
1 2 3 4 3520 2890 2610 1618 481 440 482 453 4001 3330 3092 2071
[K .dny ]
D = d ⋅ (tis − tes ) QTOP =
24 ⋅ QC ⋅ D ε ⋅ ⋅ 3,6 ⋅10 −3 η0 ⋅ ηr (tis − te )
QTUV = (1 + z ) ⋅
5 446 449 895
6
7
0 415 415
0 413 413
ρ ⋅ c ⋅V2 p ⋅ (tTUV − t w ) 3600 8
MWh dny
[kWh]
9 10 11 12 0 812 1541 2373 3380 407 398 426 431 466 407 1210 1967 2804 3846
Celková potřeba tepla 24,5 MWh = 88,2 GJ pro vytápění 19,2 MWh; pro přípravu TUV 5,3 MWh
Návrh solárních kolektorů • Dimenzování na pokrytí potřeby tepla pro TUV (duben, září) • Úhel naklonění od vodorovné plochy 60°C – optimální pro zvýšení zisků v zimním období. • Hodnoty dopadající energie na nakloněnou plochu kolektoru za den dle meteorologických měření • Plochý deskový kolektor KPS11-ALP Ak =
QTUV η k ⋅ H den
[m ] 2
( te − tm te − tm ) η k = η 0 − k1 − k1 H den H den
2
• Potřebná plocha kolektoru duben 4,8m2, září 4,4m2. → 2ks kolektorů KPS11-ALP s celkovou plochou apertury 4,52m2.
Návrh tepelného čerpadla • Dimenzování na pokrytí zbývající potřeby tepla • Zvolené tepelné čerpadlo: Měsíc
IVT GREENLINE E6
Leden Únor Březen Duben Květen Červen Červenec Srpen Září Říjen Listopad Prosinec Rok
Parametry TČ: - Výkon 0/35°C 5,9 kW ε=4,5 - Výkon 0/50°C 5,4 kW ε=3,2 - Vestavný elektrický kotel kaskádně spínaný 3-6-9 kW - Maximální výstupní teplota 65°C - Bez vnitřního zásobníku - Sekundární okruh pro TUV a vytápění - Ekvitermní regulace REGO - Kompresor scroll Mitsubishi - Oběhová čerpadla WILO
Qvyt
QTUV
Qcelk.
QSK
QTČ
kWh/měsíc kWh/měsíc kWh/měsíc kWh/měsíc kWh/měsíc
3 520 2 890 2 610 1 618 446 0 0 0 812 1 541 2 373 2 280 19 345
481 440 482 453 449 415 413 407 398 426 431 466 5261
4 001 3 330 3 092 2 071 895 415 413 407 1 210 1 967 2 804 2 746 24 606
79 109 165 209 253 234 256 244 173 136 67 51 1 977
3 922 3 221 2 927 1 862 642 181 157 163 1 037 1 831 2 737 2 695 21 374
Bivalentní bod 9000 8000 7000 Bod bivalence
[kWh]
6000 5000 4000 Tepelná ztráta objektu 3000 Výkon tepelného čerpadla 2000 1000 0 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 Teplota okolí
2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Bivalentní bod 350
300 Počátek topné sezóny
Počet dnů
250
200
150
Počátek bivalence - oprava
100
Počátek bivalence 50
0 -20
-10
0
10 Teplota venkovního vzduchu
20
30
Topný faktor
T εt = k ⋅ T − Te
[−]
Průměrný topný faktor tepelného čerpadla: - dle diplomové práce ε=4,73 - opravený ε=2,68
Využití systému K=
Qvyt ;TUV Qmax
⋅100 = 56,9 %
vyr .
4500 Qvyt,TUV 4000
Qmax,vyr.
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Li sto pa d Pr os in ec
Ří jen
Zá ří
Sr pe n
Če rv en ec
Č er ve n
K vě ten
D ub en
Bř ez en
no r Ú
Le de n
0
Schéma zapojení 1 – Tepelné čerpadlo 2 – Oběhové čerpadlo primárního okruhu TČ 3 – Expanzní nádoba prim. Okruhu TČ 4 – Zemní vrty/rozvaděč/sběrač 5 – Zásobník TUV 6 – Expanzní nádrž sekundárního okruhu TČ – TUV 7 – Oběhové čerpadlo sek. okruhu TČ-TUV 8 – Stávající kotel 9 – Zásobník topné vody 10 – Expanzní nádrž sekundárního okruhu TČ – TO
11 – Oběhové čerpadlo sek. okruhu TČ-TUV 12 – Oběhové čerpadlo solárního okruhu 13 – Expanzní nádrž solárního okruhu 14 – Solární kolektory
Schéma zapojení
5 – zásobník TUV 9 – zásobník topné vody 15 – expanzní nádoba TUV 16 – cirkulační čerpadlo TUV 20 – oběhové čerpadlo TO 21 – expanzní nádrž TO
Ekonomické vyhodnocení Investiční náklady: - Navrhovaný systém: - Elektrický kotel s akumulací: - Přímotopy s průtočným ohřevem TUV:
515 000,220 000,45 000,-
Provozní náklady: - Navrhovaný systém: - Elektrický kotel s akumulací: - Přímotopy s průtočným ohřevem TUV:
21 200,46 700,57 480,-
Doba návratnosti navrhovaného systému vůči: - Elektrický kotel s akumulací: - Přímotopy s průtočným ohřevem TUV:
11,6 let 13 let
Při využití dotace z programu „ Zelená úsporám “ se doba návratnosti investice zkrátí o 2,5-3,5 roku.
Enviromentální vyhodnocení
Druh paliva (Výhřevnost) Hnědé uhlí 18 MJ/kg Černé úhlí 23,1 MJ/kg Dřevo 14,6 MJ/kg Zemní plyn 37,82 MJ/m3 Elektrická akumulace D26d Elektrický přímotop D45d Tepelné čerpadlo D56d
Spotřeba paliva
TZL 0,1008 8576 kg 4750% 0,0605 6682 kg 2850% 0,0679 11630 kg 3200% 0,0011 2802 m3 50% 0,0089 25358 kWh 421% 0,0085 24065 kWh 400% 0,0021 7861 kWh 100%
Emise (t/rok) SO2 NOX CO 0,1581 0,0255 0,3746 1064% 200% 11767% 0,2300 0,1582 0,0495 1548% 1242% 1556% 0,0064 0,0170 0,0064 43% 133% 200% 0,0011 0,0053 0,0011 7% 42% 33% 0,0526 0,0403 0,1006 354% 316% 3161% 0,0499 0,0382 0,0955 336% 300% 3000% 0,0149 0,0127 0,0032 100% 100% 100%
CO2 15,3881 201% 11,9134 156% 0,0000 0% 5,3063 69% 23,8192 312% 22,6046 296% 7,6410 100%
Závěr Výhody: - jednoduchá obsluha - nízké provozní náklady - dostatečná rezerva při zvyšování potřeby tepla objektu - výrazné snížení produkce emisních látek jak v globálním tak místním hledisku Nevýhody: - velmi vysoké investiční náklady - nutná renovace otopného systému - požadavky při provádění vrtu.
Děkuji za pozornost
