Přednáška č. 1
Tepelné ztráty budov Vybrané veličiny charakterizujíc exteriér: Pro tepelně technické výpočty dle ČSN 73 0540 (Tepelná ochrana budov, díl 2požadavky,2007, 3-návrhové hodnoty veličin, 2005): Pro území ČR stanoveny čtyři teplotní oblasti s návrhovou teplotou venkovního vzduchu v zimním období. Základní návrhové teploty venkovního vzduchu θe jsou -12, -14, -16 a -18oC pro 100 m n.m. Základní návrhovou venkovní teplotu musíme korigovat teplotním gradientem pro větší nadmořskou výšku dle ČSN 73 0540 – 3 kapitola 7.1. V teplotní oblasti se dále rozlišuje zatížení větrem (normální, zvýšené). Například Brno s 227m nadmořské výšky patří do teplotní oblasti 2 s návrhovou teplotou venkovního vzduchu v zimním období -15 oC se zvýšeným zatížením větrem. Pro výpočet tepelného výkonu soustav (stanovení tepelné ztráty budovy) – ČSN EN 12 831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu, 2005 NA.1 (Národní příloha 1) Výpočtová venkovní teplota θe (te) Průměrná teplota v otop. obd. θm,e (te,s) Počet dnů otopného období d Na území ČR tři základní výpočtové venkovní teploty -12, -15, a -18 C. Pro místa s vyšší nadmořskou výškou se venkovní výpočtová teplota zvyšuje. Tab. 1 Vybrané hodnoty některých míst ČR dle ČSN EN 12831 Místo
Blansko Břeclav Brno Bruntál Česká Lípa České Budějovice Děčín Hodonín Hradec Králové Jihlava Kroměříž Nový Jičín Olomouc Opava Ostrava Pardubice Prostějov Plzeň Praha Svitavy Šumperk Tábor Uherské Hradiště
Nadmořská výška (m)
273 159 227 546 276 384 141 162 244 516 207 284 226 258 217 223 226 311 181 447 317 480 181
Výpočtová venkovní teplota θe ( te) (oC)
-15 -12 -12v -18v -15 -15 -12 -12 -12 -15 -12 -15v -15 -15 -15 -12v -15 -12 -12 -15 -15v -15 -12v
Průměrná (oC) Počet dnů teplota v otopného otop. obd. období d θm,e (te,s) Pro definovanou teplotu zahájení a ukončení 13 oC
3,7 4,4 4,0 3,3 3,8 3,8 4,2 4,2 3,9 3,5 3,9 3,8 3,8 3,9 4,0 4,1 3,8 3,6 4,3 2,4 3,5 3,5 3,6
241 224 232 271 245 244 236 215 242 256 227 242 231 239 229 234 230 242 225 248 242 250 233
Vsetín Vyškov Zlín Znojmo Žďár nad Sáz.
346 245 234 289 572
-15 -12 -12 -12 -15
3,6 3,7 4,0 3,9 3,1
236 229 226 226 270
Poznámka: Písmeno „v“ připsané k hodnotě výpočtové venkovní teploty te značí, že místo leží krajině s intenzivními větry (vyšší zatížení větrem). Pravidla pro vytápění dle vyhlášky č.194/2007 Sb. Otopné období začíná 1.září a končí 31.května následujícího roku. Dodávka tepelné energie se zahájí v otopném období, pokud průměrná denní teplota vzduchu v daném místě poklesne pod 13o C po dva po sobě následující dny při neměnném počasí (nedá se očekávat zvýšení pro následující dny). Průměrná venkovní teplota se stanoví z (t v7.00 + t v14.00 + 2x t v21.00):4. Průměrná venkovní teplota v topném období Se užívá k výpočtu roční potřeby tepla a paliva a uvádí ji stejně jako počet dnů otopného období tab. s výpočtovou venkovní teplotou pro vybraná města.
Vybrané veličiny charakterizujíc interiér: Tepelně vlhkostní vlastnosti mikroklimatu interiéru lze objektivně vyjádřit čtyřmi faktory: teplotou vnitřního vzduchu střední radiační (účinnou) teplotou okolních ploch vlhkostí vnitřního vzduchu danou parciálním tlakem vodní páry nebo relativní vlhkostí rychlostí proudění vnitřního vzduchu Výpočtová vnitřní teplota Vnitřní výpočtové teploty v zimním období uvádí ČSN EN 12 831 – Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu (národní přílohy) z r. 2005 a ČSN 73 0540-3 Tepelná ochrana budov – Návrhové hodnoty veličin z r. 2005. Tabulkově jsou dány pro druh budovy a typ prostoru. Tab.2 Vybrané výpočtové vnitřní teploty v některých místnostech obytných budov Druh vytápěné místnosti 1. Obytné budovy 1.1 trvale obývané obývací místnosti, tj. obývací pokoje, ložnice, jídelny, jídelny s kuchyňským koutem, pracovny, dětské pokoje kuchyně koupelny klozety vytápěné vedlejší místnosti (předsíň, chodby aj.) vytápěná schodiště 1.2 občasně užívané (rekreační) - v době provozu obývací místnosti, tj. obývací pokoje, ložnice, jídelny, jídelny s kuchyňským koutem, pracovny, dětské pokoje kuchyně koupelny klozety vytápěné vedlejší místnosti (předsíň, chodby aj.) vytápěná schodiště
Výpočtová vnitřní teplota θi (ti ) (°C)
20 20 24 20 15 10
20 20 24 20 15 10
- mimo provoz
5
Tab.3 Teplota v sousedních nevytápěných místnostech dle ČSN 060210 Druh nevytápěných místností
1.
2. 3.
4.
5. 6.
Podstřešní prostory (půdy)
netěsná krytina těsná krytina - bez tepelné izolace - s tepelnou izolací Vzduchová mezera u větraných dvouplášťových střech Místnosti sousedící převážně s vytápěnými místnostmi, např. vnitřní chodby apod. zčásti s vytápěnými místnostmi a zčásti s venkovním prostředím : - bez venkovních dveří - s venkovními dveřmi; také vnitřní schodiště 1) převážně s venkovním prostředím, s nímž jsou spojeny venkovními dveřmi Sklepy a jiné suterénní částečně nad terénem : nevytápěné místnosti - nevětrané - větrané zcela pod terénem ve stejné budově v sousední budově Kotelny, výměníkové stanice, strojovny Zřídka vytápěné místnosti
Teplota v sousedních nevytápěných místnostech tie (°C) při výpočtové venkovní teplotě te (°C) -12 -15 -18 -21 -6 -3 0 -9
-9 -12 -15 -6 -9 -12 0 -3 -6 -12 -15 -18 +15
+6 0
+6 0
+3 -3
+3 -3
-3
-6
-9
-12
+3 0
+3 0 0 0 -3 -3 +5 až +10 +15 +10 +15 až +20
1)
Pro vnitřní schodiště platí uvedené hodnoty tej pro přízemí, tj. pro 1.nadzemní podlaží. Pro 2. až 4. podlaží se hodnoty tej zvýší o 3 °C, pro 5. a další podlaží o 6 °C.
Výpočtová vnitřní teplota není teplotou vzduchu, zahrnuje vliv teploty vzduchu i okolních ploch ohraničujících prostor interiéru. Odpovídá člověkem vnímané teplotě. Člověkem vnímaná teplota je takzvaná operativní (výsledná) teplota – dříve též nazývána globeteplota. Je to výsledná teplota zahrnující vliv teploty vzduchu i střední radiační (účinné) teploty okolních ploch. Při prakticky klidném vzduchu (do 0,2m/s) a střední radiační teplotě θr<50oC je přibližně rovna jejich průměru: θo =θi = 0,5 . (θai + θr)
(oC)
kde θai
je teplota vnitřního vzduchu
θr
je střední radiační (účinná) teplota okolních ploch
Oproti projektovaným výpočtovým teplotám mají být průměrné teploty vnitřního vzduchu vyšší o 1až 2 oC a to podle ochlazovaných konstrukcí (počtu venkovních stěn a prosklení). V místnostech s nadměrným zasklením může být teplota vnitřního vzduchu vyšší až o 3 oC. Vlastní teplota vzduchu se měří teploměrem ostíněným proti sálání okolních ploch a vlivu oslunění ve výšce 1m nad nášlapnou vrstvou podlahy uprostřed místnosti. Pro hodnocení při vytápění se počítá s průměrnou teplotou vnitřního vzduchu z hodnot měřených v 8.00, 12.00, 16.00 a 21.00 hod.
Výměna vzduchu a odvod škodlivin Člověk v pobytové místnosti při klidové aktivitě, kdy je jeho produkce metabolického tepla do 80 W/m2 , požaduje zajistit výměnu vzduchu alespoň 15 m3/hod. Osoba při aktivitě s produkcí metabolického tepla nad 80 W/ m2 potřebuje 25 m3/hod čerstvého vzduchu. Zdrojem znečištění vzduchu však není jen látková výměna člověka (CO2, vodní pára, pachy), ale i látky produkované jeho činností (tabákový kouř, čistící prostředky, spreje,...). Zdrojem nežádoucích látek jsou i stavební hmoty a vybavení interiéru, pozornost je potřeba věnovat radonu a jeho dceřiným produktům. Omezení nárustu koncentrací škodlivin ve vnitřním prostředí tedy také vyžaduje výměnu vzduchu. V době kdy není místnost užívána je nejnižší doporučená výměna vzduchu 0,1. h-1. Toto číslo znamená takzvanou intenzitu výměny vzduchu a udává kolikrát za hodinu se má celkový objem vzduchu v místnosti vyměnit za vzduch venkovní. Intenzita výměny vzduchu v užívaných místnostech je vyšší a je stanovena pro zimní návrhové podmínky. Pro obytné budovy je stanovena intenzita výměny vzduchu v užívaných místnostech: 0,3 až 0,6. h-1 Tab. 4 Teploty vzduchu a množství odváděného vzduchu pro hygienická zařízení u pobytových místností podle vyhlášky 6/2003 Sb. s ohledem na zařizovací předměty Místnost Teplota vnitřního vzduchu Množství odváděného vzduchu Umývárna 22oC 30 m3/hod. na 1 umývadlo o Sprcha 25 C 35 až 110 m3/hod. na 1 sprchu WC 18 oC 50 m3/hod. na 1mísu 25 m3/hod. na 1 pisoár Pro hodnocení energetické náročnosti se uvažuje intenzita výměny vzduchu jednotně a to u obytných budov hodnotou 0,5 . h-1. Větrání přirozené nucené
infiltrací a otevíráním oken (uživatelem) vzduchotechnickým systémem
Pokud je celková intenzita výměny vzduchu v budově vyšší než n = 1.h-1 , doporučuje se při nuceném větrání či klimatizaci zařízení ke zpětnému získávání tepla z odpadního vzduchu. Jeli z hygienických či provozních důvodů celková intenzita výměny vzduchu vyšší než n = 2 h-1 a to nejméně 8 hodin denně, osazení ke zpětnému získávání tepla se požaduje.
Stanovení tepelných ztrát budov Prvním krokem před vlastním návrhem otopného systému je výpočet teplených ztrát objektu. Jde o vyčíslení tepelných toků, které se předávají (sdílí) z vytápěných místností do chladnějšího okolního vnitřního či vnějšího prostředí. K orientačnímu určení potřeby tepla pro vytápění celého objektu slouží předběžný výpočet tepelných ztrát. Pro návrh otopných těles je potřebný přesný výpočet tepelných ztrát, který stanoví tepelnou ztrátu (či tepelný zisk) každé jednotlivé místnosti v budově a jejich součtem pak celkovou tepelnou ztrátu objektu. Tepelná ztráta se stanoví pro nejnižší výpočtovou venkovní teplotu v zimním období a jde o množství tepla, které musí vytápěcí systém dodat do místností, aby v nich i za těchto podmínek byla zabezpečena navržená nebo výpočtová teplota.
Tepelná ztráta je množství tepla odvedeného za danou dobu z vytápěného prostoru do vnějšího prostředí prostupem tepla a větráním. Pro výpočet tepelných ztrát jsou potřebné tyto podklady: • • • • •
Místo stavby, nadmořská výška, orientace ke světovým stranám,poloha objektu v krajině Půdorysy jednotlivých podlaží se všemi hlavními skladebnými rozměry, včetně polohy osazení oken a dveří a jejich velikostí Řez (nebo řezy) s udáním světlých a konstrukčních výšek Tepelně technické vlastnosti stavebních konstrukcí a výplní otvorů (skladby konstrukcí nebo hodnoty tepelných odporů či součinitelů prostupu tepla, u výplní otvorů typy nebo hodnoty součinitele prostupu tepla a součinitele spárové průvzdušnosti) Údaje o účelu (druhu) jednotlivých místností, případně individuální požadavky na vnitřní teplotu
Tepelně technické vlastnosti stavebních konstrukcí a výplní otvorů Mezi základní veličiny popisující tepelně technické vlastnosti konstrukcí patří tepelný odpor, součinitel tepelné vodivosti a součinitel prostupu tepla. Tepelný odpor R vyjadřuje tepelně izolační schopnost materiálu. Jednotkou je m2.K/W. Stanoví se ze vztahu:
R=
d
λ
kde
d
je tloušťka vrstvy v konstrukci
λ
výpočtová tepelná vodivost materiálu
Tepelný odpor stěny R se vztahuje pouze ke stavební konstrukci a nezávisí na ochlazovacích podmínkách okolí. U složené stěny složené ze n-stejnorodých vrstev lze její tepelný odpor vypočítat ze vztahu: n
R=∑ 1
d
λ
Součinitel tepelné vodivosti λ vyjadřuje schopnost vrstvy materiálu vést teplo a jeho hodnota udává množství tepla proudícího vrstvou o tloušťce 1m při rozdílu povrchových teplot 1K. Jednotkou je W/m.K.
Tab.6 Výpočtové hodnoty součinitele tepelné vodivosti některých stavebních materiálů Materiál
Objemová hmotnost kg/m3
Tepelná vodivost W/m.K
Materiál
Beton hutný
2200
1,30
Tep.iz.omítka Porotherm
Železobeton
2400
1,58
Plynosilikát
Beton z keramzitu
1000
0,40
Strop.kce Hurdis
Objemová hmotnost kg/m3
Tepelná vodivost W/m.K 0,13
400-700
0,17-0,26
710
0,60
Beton z perlitu
500
0,14
Strop.kce Miako
710
0,83
Malta cement., potěr
2000
1,16
Sádrokarton
1060
0,22
Omítka vápenná
1600
0,88
Dřevotřískov é desky
800
0,11
Omítka vápenocem.
2000
0,99
Dřevo tvrdé
600
0,22-0,49
250-500
0,10-0,18
Dřevo měkké
400
0,18-0,41
Polystyren pěnový
30-60
0,04
Písek
1750
0,95
Cihly plné
1700
0,80
Štěrk
1650
0,27
Porotherm na maltu VC1)
800
0,174
Půda vlhká hlinitopís.
2000
2,3
Porotherm na m. tep.iz.1)
800
0,149
Půda s přiroz.vlhko stí
1800
1,4
Omítka perlitová
1) Cihlové bloky pro obvodové zdivo-pero+drážka bez omítek
Pro výpočet tepelných ztrát potřebujeme znát hodnotu součinitele prostupu tepla U (dle dříve značený k). Udává množství tepla, které projde plochou 1m2 stavební konstrukce při rozdílu teplot prostředí před a za konstrukcí 1 K. Jednotkou je W/m2K. Součinitel prostupu tepla složenou stěnou je dán vztahem:
U=
1
αi kde
n
1 dj
+∑ 1
λj
+
1
αe
=
n
1 dj
Rsi + ∑ 1
λj
= + Rse
1 , RT
αi
je součinitel přestupu tepla na vnitřní straně
αe
– součinitel přestupu tepla na vnější straně
Rsi
– odpor při přestupu tepla na vnitřní straně
Rse
– odpor při přestupu tepla na vnější straně
RT
– odpor konstrukce při prostupu tepla
Tab.5 Hodnoty odporu při přestupu tepla Rse,Rsi (m2K/W) Odpor při přestupu tepla
Směr tepelného toku nahoru
vodorovně
dolů
Rsi
0,10
0,13
0,17
Rse
0,04
0,04
0,04
Legislativní požadavky na stavební konstrukce zajišťující tepelnou ochranu stavby jsou dané vyhláškou č.137/1998 Sb a vyhláškou 148/2007 Sb. Ukazatelem úrovně tepelně izolační kvality je součinitel prostupu tepla. Normou, obsahující hodnoty tepelně technických
požadavků na stavební konstrukce a výplně otvorů je ČSN 73 0540 – Tepelná ochrana budov, díl 2 (z r.2007). Vybrané porovnávací ukazatele: Konstrukce vytápěných nebo klimatizovaných budov musí mít v prostorech s relativní vlhkostí vnitřního vzduchu ϕi ≤ 60% součinitel prostupu tepla U takový, aby splňoval podmínku: U ≤ UN Tab. Vybrané požadované a doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla UN pro budovy s převažující návrhovou vnitřní teplotou ti =20 oC podle ČSN 73 0540-2(2007). Popis konstrukce
Typ konstrukce
Požadované hodnoty UN [W/m2.K]
Doporučené hodnoty UN [W/m2.K]
Střecha – plochá a šikmá se sklonem do 45o včetně Podlaha nad venkovním prostorem 0,24 0,16 Strop pod nevytápěnou půdou se střechou bez tepelné izolace Podlaha a stěna s vytápěním 0,30 0,20 Stěna venkovní lehká1) 0,30 0,20 Střecha strmá se sklonem nad 45o těžká 0,38 0,25 Podlaha a stěna vytápěného prostoru přilehlá k zemině 2) 0,45 0,30 Strop a stěna vnitřní z vytápěného k nevytápěnému prostoru 0,60 0,40 Strop a stěna vnitřní z vytápěného k částečně vytápěnému prostoru, strop a stěna vnitřní z částečně vytápěného 0,75 0,50 prostoru k venkovnímu prostředí Podlaha a stěna částečně vytápěného prostoru přilehlá k 0,85 0,60 zemině2) Stěna mezi sousedními budovami Strop mezi prostory s rozdílem teplot do 10oC včetně 1,05 0,70 Stěna mezi prostory s rozdílem teplot do 10oC včetně 1,3 0,90 Strop vnitřní mezi prostory s rozdílem teplot do 5oC včetně 2,2 1,45 Stěna vnitřní mezi prostory s rozdílem teplot do 5oC včetně 2,7 1,8 Okno a jiná výplň otvorů z vytápěného prostoru do 1,7 1,20 exteriéru, ve vnější stěně nebo strmé střeše (včetně rámu, který, je- li kovový má nejvýše 2,0 W/m2.K. Pro ostatní rámy platí Uf max. 1,7. ) Okno, dveře, vrata a jiná výplň otvorů ve stěně a strmé střeše, z vytápěného do částečně vytápěného prostoru, 3,5 2,3 z částečně vytápěného do venkovního prostředí (včetně rámu) Šikmé střešní okno, světlík a jiná šikmá výplň se sklonem do 45o, z vytápěného prostoru do venkovního prostředí 1,5 1,1 střeše (včetně rámu, který, je- li kovový má nejvýše 2,0 W/m2.K. Pro ostatní rámy platí Uf max. 1,7. ) Šikmé střešní okno, světlík a jiná šikmá výplň se sklonem 2,6 1,7 do 45o, z vytápěného do částečně vytápěného prostoru, z částečně vytápěného do venkovního prostředí (včetně rámu) 1) Konstrukce s nízkou tepelnou setrvačností – s plošnou hmotností vrstev (od vnitřního líce k vrstvě tepelně izolační) nižší než 100 kg/m2 2) Pro konstrukce přilehlé k zemině platí do vzdálenosti 1m od rozhraní zeminy a vnějšího vzduchu hodnoty pro vnější stěny
Poznámka: Výše uvedená tabulka neobsahuje požadavky pro lehké obvodové pláště. Funkční spáry vnějších výplní otvorů (oken, balkónových a vstupních dveří) musí splnit normový požadavek součinitele průvzdušnosti. Ostatní konstrukce a spáry obvodového pláště musí být téměř vzduchotěsné.
Tab. 4 Požadované hodnoty součinitele spárové průvzdušnosti iLV funkčních spár výplní otvorů ČSN 73 0540-2(2007)
Výplně otvorů Vstupní dveře do zádveří budovy při celkové výšce nadzemní části do 8m včetně Ostatní vstupní dveře do budovy a dveře oddělující ucelenou část budovy Ostatní vnější výplně otvorů při celkové výšce nadzemní části budovy - do 8m včetně - 8 až 20m včetně - 20až 30 m včetně - nad 30m Lehký obvodový plášť včetně oken s dveří
Požadovaná hodnota součinitele spárové průvzdušnosti iLV,N [m3/(s.m.Pa0,67)] Budova s větráním Budova s větráním přirozeným nebo pouze nuceným nebo s kombinovaným klimatizací 1,60.10-4
0,87.10-4
0,87.10-4
0,30.10-4
0,87.10-4 0,60.10-4 0,30.10-4 0,10.10-4 0,05.10-4
0,10.10-4
0,05.10-4
Budova musí splnit hodnotu požadovaného průměrného součinitele prostupu tepla. Průměrný součinitel prostupu tepla Uem (W/m2.K) se stanoví dle vztahu: kde HT A
Uem = HT/A je měrná ztráta prostupem tepla (W/m) všech konstrukcí obálky budovy plocha obálky budovy (m2) Uem≤ Uem,N
Tab. 5 Hodnoty průměrného součinitele prostupu tepla v závislosti na faktoru tvaru budovy (pro obytné a nebytové budovy s převažující návrhovou teplotou 20oC a poměrnou plochou průsvitných konstrukcí v nadzemní části fw≤0,5) Faktor tvaru budovy A/V (m2/m3) ≤ 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ≥1
Průměrný součinitel prostupu tepla požadovaný Uem,N,rg (W/m2.K) 1,05 0,80 0,68 0,60 0,55 0,51 0,49 0,47 0,45
Průměrný součinitel prostupu tepla doporučený 0,79 0,60 0,51 0,45 0,41 0,39 0,37 0,35 0,34
Prostup tepla vyjadřuje základní vliv stavebního řešení na spotřebu tepla při vytápění budovy. Doporučenou formou pro doložení průměrného součinitele prostupu tepla je protokol a energetický štítek obálky budovy. Jeho formu uvádí příloha C ČSN 73 0540-2 (2007). Je to dílčí dokumentace, která dává představu o kvalitě a tepelných vlastnostech konstrukcí tvořících obálku budovy. Není dokumentací hodnotící energetickou náročnost budovy jako celku dle 148/2007 Sb.
Předběžný výpočet tepelných ztrát Předběžným výpočtem tepelných ztrát stanovíme potřebu tepla pro vytápění pro celý objekt. Existuje několik metod výpočtu. Jednou je takzvaná obálková metoda. Tepelná ztráta se stanoví pro konstrukce vymezující obálku budovy na hranici vnitřního prostředí (vytápěného prostoru) a exteriéru. Obálka budovy je tak tvořena především obvodovými stěnami, výplněmi otvorů, střechou a podlahou na zemině. Tepelná ztráta prostupem Základní tepelná ztráta prostupem jedné konstrukce o stejné hodnotě U je dána obecně vztahem:
(W), QTi = U . A . (ti – te,i) nebo v jiném značení v souladu s EN ΘTi = U . A . (θi – θe,i) = HT . (θi – θe,i) kde je: U součinitel prostupu tepla (W/m2K), A plocha konstrukce (m2), (oC), ti, θi výpočtová vnitřní teplota te,i, θe,i výpočtová teplota na vnější straně konstrukce (výpočtová venkovní teplota nebo teplota v sousedním prostoru) (oC) měrná ztráta konstrukce prostupem tepla (W/K). HT Obr.3.1 Vymezení obálky objektu a.Nepodsklepený objekt s plochou střechou b.Objekt s nevytápěným suterénem a půdním prostorem a.
b. Qs Qn1
te
t n1
te
Qo Qj
Qo Qj
t is
t is
Qd
Qd t n2
tz
Qz
Q n2
Celková tepelná ztráta prostupem je dána součtem jednotlivých tepelných ztrát prostupem konstrukcí se stejnou hodnotou U, které tvoří obálku objektu. Pro objekt a. z obrázku bude tepelná ztráta prostupem tvořena součtem tepelných ztrát prostupem vnějšími stěnami, okny, dveřmi, střechou a podlahou na zemině. U objektu b. je ztráta prostupem tvořena vnějšími stěnami, okny a konstrukcemi na hranici nevytápěného prostoru – podlahou nad nevytápěným suterénem a stropem pod půdou. Do obálky se nezahrnují prostory s exteriérovými podmínkami, např. lodžie.
Ztráta prostupem obálkou budovy: QTi = Qj + Qo + Qd + Qs + Qz + Qn (W) kde Qj = Σ (Uj . Aj . (tis – te)) Qo = Σ (Uo . Ao . (tis – te)) Qd = Σ (Ud . Ad . (tis – te)) Qs = Σ (Us . As . (tis – te)) Qz = Σ (Uz . Az . (tis – tz)) Qn = Σ (Un . An . (tis – tn))
(W)
střední teplota v interiéru budovy tis (18 oC pro obytné a občanské stavby, lehký průmysl, 20 oC pro zdravotnická zařízení, školky, jesle, 16 oC tělocvičny, středně těžký průmysl) teplota zeminy tz (pro -12 a -15 oC: u svislé stěny do hloubky 1m -3oC, 2-3m 0 oC, nad 3m 3 oC. Pod podlahou 5 oC, u rozlehlých hal 10 oC). teplota v nevytápěném prostoru tn Zahrnutí vlivu tepelných vazeb (do exteriéru):
HT = ∑ HTi = ∑ (Ai . Ui . bi) + (∑ ψk.lk+∑ χj)
(W/K)
kde je činitel teplotní redukce, dle ČSN 730540 -4 (2005). bi lineární činitel prostupu tepla (tepelné vazby mezi konstrukcemi) (W/m.K) ψk délka lineární teplené vazby mezi konstrukcemi (m) lk bodový činitel prostupu tepla (bodové tepelné vazby mezi konstrukcemi) (W/m2K) χj Hodnoty činitelů tepelných vazeb lze stanovit dle ČSN 73 0540-4 (2005). Zjednodušeným postupem lze měrnou ztrátu prostupem tepla stanovit dle vztahu : HT = ∑ (Ai . Ui . bi) + A. ∆Utbm HT vazby = A. ∆Utbm
(W/K)
(W/K)
kde ∆Utbm je celkový průměrný vliv tepelných vazeb mezi konstrukcemi, stanovený velmi přibližně expertním odhadem dle následujících obecných údajů: budovy s důsledně optimalizovanými tepelnými vazbami ∆Utbm=0,02 (W/m2K) budovy s mírnými tepelnými vazbami ∆Utbm=0,05 (W/m2K) budovy s běžnými tepelnými vazbami ∆Utbm=0,10 (W/m2K) budovy s výraznými tepelnými vazbami ∆Utbm=0,20 (W/m2K)
ΘTivazby = HTvazby . (θi – θe,i) Předběžná tepelná ztráta větráním Z hlediska větrání lze objekty rozdělit na domy bez větracího systému a objekty s větracím systémem (nucenou výměnou vzduchu). U domů bez větracího systému může být výměna vzduchu zajištěna spárovou průvzdušností oken a venkovních dveří a netěsnostmi obvodového pláště a větráním uživatelem (otevíráním oken). Domy mohou být vybaveny pouze podtlakovým větracím systémem (ventilátor na odvodu vzduchu). U těchto domů je nutné zajistit přívod vzduchu z exteriérů průzdušností spar výplní otvorů nebo prvky samočinného přívodu vzduchu. V obou případech je vyměňován vzduch vnitřní za venkovní a potřebu tepla pro jeho ohřev dodává topný systém. Domy s nuceným přívodem i odvodem vzduchu jsou v nejjednodušších případech vybaveny rekuperací (předehřevem přiváděného vzduchu teplem ze vzduchu odváděného). Větrací systém může být vybaven dohřevem přiváděného vzduchu, pro který může ale také nemusí být dodavatelem tepla zdroj v objektu. Řešení větrání objektu musí být uzpůsobena metodika pro stanovení tepelné ztráty větráním. U budov s větráním přirozeným (i nuceným podtlakovým) lze postupovat takto: Z požadavků na vnitřní prostředí dle typu budov lze vyčíst číslo intenzity výměny vzduchu. To udává, kolikrát za hodinu se má vnitřní vzduchový objem budovy vyměnit za venkovní. Pro obytné budovy je číslo výměny vzduchu n = 0,3 – 0,6 /h (výpočtová hodnota je obvykle 0,5). U starších budov s netěsnými okny i obálkou dokázala výměnu vzduchu zajistit infiltrace. S postupným utěsněním staveb (výměna oken, systémové zateplení) se infiltrace stala nedostatečnou. Novostavby odpovídající tepelně technickým požadavkům jsou budovami těsnými. Průzdušnost pláště a výplní otvorů výměnu vzduchu nezajistí. V těchto domech lze potřebu tepla pro větrání stanovit z čísla výměny vzduchu.
(W) Qvi = 1300 . Vi . (ti – te ) Objemový tok větracího vzduchu z hygienických požadavků Vih =( n/3600).Va
(m3/s)
Zjednodušený vzduchový objem budovy lze stanovit z vnějších rozměrů budovy se snížením na 80%. (Va = 0,8 . Vb). Je – li budova s nuceným větracím systémem s rekuperací tepla s potřebou dohřevu vzduchu otopným systémem, lze tepelnou ztrátu pro větrání stanovit jako ztrátu tepla větrání sníženou průměrnou účinností rekuperace. Qviz = Qvi . (1 – η ). Např. při účinnosti rekuperace 60% bude ztráta větráním činit 0,4.Qvi. Celková předběžná ztráta budovy Bude součtem tepelné ztráty prostupem (se zahrnutím vazeb) a větráním. (W, kW) Qi = Qvi + Qti
Přesný výpočet tepelných ztrát budov (výpočet tepelného výkonu) Tepelné ztráty se počítají pro každou jednotlivou místnost zvlášť a jejich souhrn (součet) tvoří celkovou přesnou tepelnou ztrátu objektu. Slouží pro návrh otopných ploch v jednotlivých místnostech i návrh zdroje tepla. Jsou stanoveny pro nejnepříznivější výpočtové (návrhové) parametry exteriéru a výpočtové (návrhové) teploty interiéru. Exteriér je charakterizován výpočtovou venkovní teplotou (teplotní oblastí) a zatížením větrem. Ve výpočtu je zohledněna poloha budovy v krajině, orientace ke světovým stranám a další faktory. Návrhové vnitřní teploty v jednotlivých místnostech dle typu objektu odpovídají takzvané výsledné teplotě (teplotě zahrnující teplotu vzduchu i vliv radiace okolních ploch). Teplota vzduchu se od této teploty liší a může být o 1 až 3oC vyšší. Metodiku výpočtu udávala ČSN 06 0210 – Výpočet tepelných ztrát při vytápění budov. Nově uvádí výpočtovou metodu ČSN EN 12 831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu. Tepelná ztráta se dnes stanovuje dle této nové normy, se souhlasem investora však může projektant použít i jinou metodu výpočtu. Přesný výpočet tepelných ztrát dle ČSN 06 0210
Viz. Studijní opory, modul 1.
Metodika výpočtu podle ČSN EN 12 831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu ( březen 2005).
Návrhová tepelná ztráta vytápěného prostoru v základních případech Celková tepelná ztráta z vytápěného prostoru je tvořena tepelnou ztrátou prostupem tepla a tepelnou ztrátou z větrání vytápěného prostoru. (W) Фi = ФT,i + ФV,i kde je tepelná ztráta prostupem tepla, ФT,i je tepelná ztráta z větrání vytápěného prostoru. ФV,i Tepelná ztráta prostupem ФT,i = (HT,ie + HT,iue + HT,ig + HT,ij).(θint,i - θe) (W) kde H jsou měrné tepelné ztráty (W.K-1) Poznámka : obecně Q = A.U.∆t (W) H = A.U (W.K-1) HT,ie je měrná tepelná ztráta z vytápěného prostoru do venkovního prostředí pro prvky (konstrukce) na hranici vytápěného prostoru a exteriéru (stěny, okna, dveře,..) a lineární tepelné mosty (W/K) HT,ie = Σ(AK .UK .eK) + Σ(ψi .li . ei) kde e je korekční činitel zahrnující exponování, klimatické podmínky, rychlost větru,…
(Tyto veličiny nejsou zahrnuty v součiniteli prostupu tepla konstrukceUK, lze jej určit dle přílohy D 4.1, jeho základní hodnotou je 1). Lineární tepelný most a. lze stanovit zjednodušeným způsobem korekcí součinitele prostupu tepla u konstrukce ve které se most nachází a to přílohových tabulek (D.3 a,b,c) výše uvedené normy. Tento způsob výpočtu je nevhodný pro nové domy s nízkou spotřebou energií, kde kontaktním zateplením tepelné mosty v konstrukcích minimalizujeme. (W/m2K) Ukc = Uk + ∆Utb kde je opravený součinitel prostupu tepla prvku zahrnující lineární tepelné mosty Ukc korekční součinitel, viz. příloha D.4.1 ∆Utb pro svislé prvky
pro vodorovné prvky
pro otvory
b. přesným způsobem kde ve vztahu pro HT,ie li ψi
ψi .li
je délka lineárního tepelného mostu (m) je lineární činitel prostupu tepla tepelného mostu výpočet dle EN ISO 10211-2
odhad tab. EN ISO 14683 (pro celou budovu a ne místnosti, rozdělení hodnot je na projektantovi)
HT,iue měrná tepelná ztráta do nevytápěného prostoru (ven přes nevytápěný prostor) (W/K) HT,iue = Σ(AK .UK .bu) + Σ(ψi .li . bu) kde je součinitel redukce teploty (-) bu známe – li teplotu θu v nevytápěném prostoru, lze pro stanovení bu použít vztah bu = (θint,i – θu)/ (θint,i – θe) (Jinak dle přílohy D.4.2 EN.) měrná tepelná ztráta do zeminy HT,ig podlahou nebo stěnou v kontaktu se zeminou. Hodnota může být stanovena přesně podle EN ISO 13370
Zjednodušeným způsobem
HT,ig = fg1 . fg2 . (Σ AK .Uequie,k ) . Gw (W/K) kde je opravný součinitel, uvažující vliv roční změny průběhu venkovní teploty fg1 (1,45) opravný teplotní součinitel, zahrnující rozdíl mezi roční průměrnou venkovní fg2 teplotou a výpočtovou venkovní teplotou ( θint,i - θm,e ) / ( θint,i - θe ) fg2 Gw Uequie,k
opravný součinitel na vliv spodní vody. Je-li předpokládaná hladina méně než 1m od úrovně podlahy suterénu, uvažuje se 1,15. Jinak je roven 1. Ekvivalentní součinitel prostupu tepla konstrukce v kontaktu se zeminou stanovíme z tabulky na základě
U (podlahy, stěny)
charakteristického čísla BI (u podlahy na zemině)
hloubky desky pod UT
na úrovni terénu
1,5 m pod úrovní terénu
3m pod úrovní terénu
hloubky části stěny pod úrovní terénu (0,1,2,3m)
(v tab. je uvažováno s tepelnou vodivostí přilehlé zeminy λ = 2 W/m.K) Charakteristické číslo BI BI = Ag / (0,5 . P) je plocha uvažované části konstrukce kde Ag P je obvod podlahy přilehlé k zemině. Příklad určení charakteristického čísla:
Tab.3.3: Ekvivalentní součinitel prostupu tepla pro podlahu
Tab3.4.: Ekvivalentní součinitel prostupu tepla pro část konstrukce stěny
HT,ij měrná tepelná ztráta do/z vytápěného prostoru s odlišnou teplotou (sousední vytápěný prostor) (W/K) HT,ig = Σ ( fij .AK .Uk )
kde je činitel teplotní redukce fij ( θint,i - θj ) / ( θint,i - θe ) fij = zahrnující rozdíl mezi teplotou přilehlého prostoru a venkovní výpočtovou teplotou. Tepelná ztráta větráním ФV,i = HV,i .(θint,i - θe) (W) kde je měrná tepelná ztráta větráním (W.K-1) HV,i HV,i = Vi . ρ. c = Vi . 0,34 Metodika výpočtu rozlišuje objekty s přirozeným větráním a objekty s větracím systémem. Pro objekty s přirozeným větráním se započítává přívodní vzduch s tepelně technickými parametry platnými pro venkovní vzduch. U objektů s větracím systémem nemá vzduch parametry venkovního vzduchu, je-li například: ohříván rekuperací
předehříván
přiváděn z přilehlého prostoru
U objektů bez větracího systému Se objemový tok vzduchu se stanoví jako vyšší z hodnot (m3/h) Vi = max z Vinf,i v důsledku proudění vzduchu štěrbinami a spárami pláště budovy
Vmin,i
min. toku
požadovaného z hygienických důvodů
Nejmenší požadované množství vzduchu z hygienických důvodů Vmin,i = nmin . V kde nmin je nejmenší intenzita výměny vzduchu (h-1) V objem vytápěného prostoru (z vnitřních rozměrů u jednotlivých místností, pro celou budovu 0,8. V z vnějších rozměrů) Poznámka. : U otevřených spotřebičů v místnosti s ohledem požadavků na spalovací vzduch může být požadavek na n vyšší. Tab.3.5 Hygienické minimum Typ místnosti
nmin
Obytné místnosti Kuchyně a koupelny bez oken Kanceláře Zasedací místnosti, třídy, apod.
0,5 1,5 1,0 2,0
Infiltrace pláštěm budovy Vinf,i = 2 . Vm . n50 . ei . εi kde n50 je intenzita výměny vzduchu jako výsledek rozdílu tlaku mezi vnitřním a venkovním prostředím 50 Pa. Požadavek dle ČSN 730540-2 pro přirozené větrání je 4,5 h-1. Tato hodnota je pro celou budovu, proto je ve vztahu pro jednotlivou místnost 2. Tab.3.6 Stupeň těsnosti obvodového pláště budovy
Objekt
n50 vysoký
n50 střední
n50 nízký
RD
<4
4-10
>10
Ostatní (bytové domy nebo jiné budovy)
<2
2-5
>5
1 okno
Více oken
Tab.3.7 Stínící součinitel e Poloha (třída Bez oken zastínění) Nechráněná (žádné)
0
0,03
0,05
Průměrně chráněná (mírné zastínění)
0
0,02
0,03
Velmi chráněná (velké stínění)
0
0,01
0,02
ε korekční součinitel na výšku od úrovně terénu (vliv větru ve vyšších podlažích) Jeho hodnota je dle středu výšky místnosti od úrovně terénu 0 až 10m 1 nad 10 do 30m 1,2 nad 30m 1,5. Pro objekty s větracím systémem je objemový tok vzduchu Vi = Vinf.i + Vsu,i.fv,i + Vmech,inf,i Vsu,i přívodní objemový tok vzduchu (dle projektantaVZT systému) fv,i = (θint,i – θsu)/ (θint,i – θe) kde je teplota přiváděného vzduchu. θsu Přebytek odsávaného vzduchu Vmech,inf,i = max (Vex – Vsu,o) Je rozdíl mezi objemovým tokem odváděným a přiváděným soustavou – pro celou budovu. Pro jednotlivé místnosti, není – li stanoven jinak, lze určit podílově (na základě podílu objemu místnosti k objemu celé budovy).
Návrhový tepelný výkon Návrhový tepelný výkon pro místnost se stanoví na základě součtu tepelné ztráty prostupem všech konstrukcí ohraničujících místnost a větráním. Je-li to nutné (u přerušovaně vytápěných prostor) je v tepelném výkonu zahrnut zátopový tepelný výkon. (W) ФHL,i = ФT,i + ФV,i + ФRH,i Návrhový tepelný výkon pro budovu (pro návrh zdroje) (W) ФHL = ΣФT,i +Σ ФV,i + ΣФRH,i kde ΣФT,i je suma tepelných ztrát prostupem vytápěných prostor Σ ФV,i je suma tepelných ztrát z větrání vytápěných prostor ΣФRH,i součet přídavných výkonů pro prostory s přerušovaným vytápěním.
Zvláštní případy výpočtu tepelných ztrát Metodika výpočtu se odlišuje pro
Budovy s vysokou výškou stropu nebo halové stavby (s výškou nad 5m)
Pro vysoké a rozlehlé prostory s tepelnou návrhovou ztrátou nižší než 60 W/m2 (podlahové plochy) lze tepelné ztráty korigovat výškovým korekčním činitelem fh,i, jehož hodnoty jsou závislé na výšce prostoru a způsobu vytápění. Jeho hodnoty uvádí přílohová tabulka ČSN EN 12831 B.1. Фi = (ФT,i + ФV,i).fh,i
Budovy s výrazně odlišnou teplotou vzduchu a střední teplotou sálání (střední radiační teplotou okolních ploch místnosti, včetně otopných ploch).
-změna ve stanovení tepelné ztráty větráním a to ve veličině teploty interiéru. Ta se počítá z vnitřní teploty vzduchu, stanovené z ohledem na radiační teplotu, případně radiační teplotu a rychlost proudění vzduchu. Jedná se především o průmyslové halové objekty se sálavým vytápěním. V určitých dalších případech se ve od běžných výpočtu tepelných ztrát vyskytují další odlišnosti. Jsou to tyto případy: Stavební konstrukce je přiléhající k zemině – odlišné stanovení U Velmi těžká (masivní) stavba s tloušťkou obvodového zdiva nad 60cm - redukce venkovní výpočtové teploty Velké zasklené stavební konstrukce místností se zdroji vlhkosti, u kterých dochází k povrchové kondenzaci - odlišné stanovení U (součinitele přestupu tepla na vnitřní straně)
