Výpočtové metody energetické náročnosti budov
Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.
Výpočtové metody energetické náročnosti budov
• Přehled platné legislativy • Výpočetní postup podle vyhlášky 291/2001 Sb. • Výpočet tepelného výkonu • Výpočet potřeby tepla
1
Legislativa v roce 2007 v ČR • ČSN 060210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění (1994+z1999) • ČSN EN 12831 Otopné soustavy v budovách Výpočtová metoda pro tepelné ztráty (2003) • ČSN 730540-2 Tepelná ochrana budov - Část 2: Požadavky (2005) • ČSN EN 832 Tepelné chování budov - Výpočet potřeby energie na vytápění - Obytné budovy (2000) • ČSN EN ISO 13790 Tepelné chování budov - Výpočet potřeby energie na vytápění • ČSN 383350 Zásobování teplem, všeobecné zásady (1989+z1991)
http://www.cni.cz
Legislativa v roce 2007 v ČR • Zákon 406/2006 o hospodaření energií • Vyhláška 291/2001 Sb. kterou se stanoví podrobnosti • • • •
účinnosti užití energie při spotřebě tepla v budovách Vyhláška 213/2001 Sb. kterou se vydávají podrobnosti náležitostí energetického auditu se změnami: 425/2004 Vyhláška 150/2001 Sb. kterou se stanoví minimální účinnost užití energie při výrobě elektřiny a tepelné energie Vyhláška 151/2001 Sb. kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie Vyhláška 152/2001 Sb. kterou se stanoví pravidla pro vytápění a dodávku teplé užitkové vody, měrné ukazatele spotřeby tepla pro vytápění a pro přípravu teplé užitkové vody a požadavky na vybavení vnitřních tepelných zařízení budov přístroji regulujícími dodávku tepelné energie konečným spotřebitelům
2
Vyhláška 291/2001Sb.
• • • • • •
Slouží pro porovnání parametrů budov. Posuzuje energetickou náročnost (tepelnou náročnost) z pohledu stavebního řešení. Zohledňuje vnitřní zisky budovy (snižují měrnou potřebu tepla). (!!chlazení pasivních domů) Druh OS a její regulace je obsažena ve stupni využití tepelných zisků. Druh zdroje tepla není brán v úvahu. Požadavky vyhlášky nemusí být splněny, pokud auditor prokáže, že to není technicky možné nebo ekonomicky vhodné.
Vyhláška 291/2001Sb. • Podmínky výpočtu: Nepřetržité vytápění n=0,5h-1 Střední teplota 3,8°C, otopné období 242 dnů. Spotřeba tepla spočítána v hranicích vnějších konstrukcí. A…plocha ochlazovaných konstrukcí (m2) V…objem vytápěné části budovy (m3) Budova vyhovuje pokud:
3
Vyhláška 291/2001Sb. • Měrná spotřeba tepelné energie (kWh/m3)
• Výsledná spotřeba tepelné energie pro vytápění (kWh)
• Spotřeba tepelné energie pro vytápění (kWh)
• Tepelné zisky z vnitřních zdrojů (kWh) • Tepelné zisky ze slunečního záření (kWh)
Vyhláška 291/2001Sb. • Spotřeba tepla na krytí ztrát větráním (kWh)
• Spotřeba tepla na krytí ztrát prostupem (kWh)
4
Metody výpočtu tepelných ztrát (= tepelného výkonu) ČSN 06 0210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění Vydána 1.5.1994 Novelizace 1.2.1999 Platnost do ??? ČSN 12831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu Vydána 1.3.2005. Novelizace 1.8.2005 (textová úprava).
ČSN 060210 • Vazba na novelizovanou ČSN 730540-4 Tepelná ochrana budov - Část 4: Výpočtové metody Vydána 1.6.2005 • Tepelné mosty-vliv zohledněn zvýšením součinitele prostupu tepla – Připočteno ΔU (0,02-0,15W/m2.K) – Zvýšena λ izolace – Zvýšení λ vrstev (pouze přibližně)
• Prostup tepla konstrukcí přilehlou k zemině – Výpočet dle ČSN EN ISO 13370
• Výpočet U konstrukce přilehlé k nevytápěnému prostoru – ČSN EN ISO 13790
5
ČSN 060210 • ČR rozdělena do klimatických oblastí s výpočtovými teplotami -12,-15,-18°C • Tepelná ztráta = prostup + větrání • Není určena pro sálavé vytápění
Q p = U ⋅ A ⋅ ∆t QV = ρ ⋅ c ⋅ V ⋅ ∆t
Prostup tepla
Větrání
ČSN EN 12831 • Norma popisuje výpočet návrhového tepelného výkonu pro: – vytápěný prostor pro dimenzování otopných ploch – budovu nebo část budovy pro dimenzování tepelného výkonu Výpočet pro standardní případy -výška místností do 5 m, vytápění do ustáleného stavu. + zvláštní případy: budovy s vysokou výškou stropu nebo rozdílnou teplotou
6
ČSN EN 12831 • Nové značky veličin: θ.…teplota (°C) [théta] Φ…tepelná ztráta, výkon (W) [velké fí] • Nové veličiny: H…součinitel tepelné ztráty (W/K) ψ…lineární součinitel prostupu tepla (W/m.K) Q…množství tepla (J)
Výpočet tepelných ztrát • Celková návrhová tepelná ztráta (W) Φi = ΦT,i + ΦV,i ΦT,i ….. návrhová tepelná ztráta prostupem tepla ΦV,i …..návrhová tepelná ztráta větráním
7
Prostup tepla - vytápěný prostor ΦT ,i = ( HT ,ie + H T ,iue + HT ,ig + HT ,ij ) ⋅ (θint,i − θ e )
H…součinitel tepelné ztráty prostupem (W/K) Indexy: int…..vnitřní prostor i……..vytápěný prostor e…….vnější, venkovní u…….nevytápěný prostor g…….zemina, půda j……...vytápěný prostor (na výrazně jinou teplotu)
Ztráty do exteriéru H T ,ie =
∑A
K
⋅ U K ⋅ eK +
K
∑Ψ
i
⋅ I i ⋅ ei
I
stavební část
lineární tepelný most
A…(m2) U…(W/m2.K) e…korekční činitel vystavení povětrnosti pokud vlivy nebyly uvažovány při výpočtu U(W/m2.K) EN ISO 6946
8
Ztráty do exteriéru H T ,ie = ∑ AK ⋅U K ⋅ eK + ∑ Ψ i ⋅ I i ⋅ ei K
I
stavební část
lineární tepelný most
ψ…součinitel lineárního tepelného mostu (W/m.K) →ČSN EN ISO 14683 zjednodušeně →ČSN EN ISO 10211-2 podrobný výpočet
I…délka lineárního mostu (m)
Tepelné mosty-lineární činitele
ČSN EN ISO 14683
9
Ztráty nevytápěným prostorem HT,iue = ∑ A k ⋅U k ⋅bu + ∑ Ψl ⋅ ll ⋅ bu k l bu…redukční činitel (-) při známé θ : bu =
θ int ,i − θ u θ int ,i − θ e
jinak: bu =
H ue H iu + H ue
Ztráty do zeminy H T,ig = fg1 ⋅ f g2 ⋅ (
∑A
k
⋅ U equiv,k ) ⋅ G w
k
Korekční činitele: fg1…vliv ročních změn teploty fg2…vliv průměrné a venkovní výpočtové teploty Gw…vliv spodní vody (při vzdálenosti < 1m) Uequiv,k…ekvivalentní součinitel prostupu tepla – stanovený dle typu podlahy.
10
Ztráty do zeminy • Uequiv,k-určí se v závislosti na U stavební části a charakteristickém parametru B´. (ČSN EN ISO 13370)
Ag…plocha podlahové konstrukce (m2) P….obvod podlahové konstrukce (m)
B′ =
Ag 0,5 ⋅ P
Ztráta do/z vytápěného prostoru HT,ij =
∑f
i,j ⋅ Ak ⋅ Uk
k
A…(m2) U…(W/m2.K) fij…redukční teplotní činitel
fij =
θ int ,i − θvytápěného sousední ho prostor u θ int ,i − θe
11
ΦV , i
Ztráta větráním H V , i = V&i ⋅ ρ ⋅ c = HV ,i ⋅ (θint,i − θ e )
p
H…součinitel návrhové tepelné ztráty větráním (W/K) Vi…výměna vzduchu (m3/s)
Množství větracího vzduchu
Nucené větrání
Přirozené větrání V&i = max (V&inf,i , V&min,i )
V&i = V&inf, i + V&su, i . fvi + V&mech, inf, i
inf…infiltrace , su…přiváděný vzduch, mech,inf…nuceně odváděný přiváděný vzduch, fvi…teplotní redukční součinitel
Druh místnosti
V&min, i = n min .V&i
nmin (h-1)
Obytná místnost (základní)
0,5
Kuchyně nebo koupelna s oknem
1,5
Kancelář
1,0
Zasedací místnost, školní třída
2,0
12
Infiltrace obvodovým pláštěm V&inf,i = 2 . Vi . n50 . ei . ε i n50…intenzita výměny vzduchu za hodinu při rozdílu tlaků 50 Pa 2…n50 je pro celou budovu tzn. nejhorší případ je vstup vzduchu pouze z jedné strany ei…stínící činitel (stínění prostoru zástavbou) εi…výškový korekční činitel (vliv výškového
umístění středu prostoru)
Návrhový tepelný výkon Pro vytápěný prostor: ΦHL,i = ΦT,i + ΦV,i + ΦRH,i (W) Pro budovu nebo část budovy: ΦHL = Σ ΦT,i + Σ ΦV,i + Σ ΦRH,i (W) ΦT,i …návrhová tepelná ztráta prostupem tepla ΦV,i …návrhová tepelná ztráta větráním (* pro budovu redukováno maximum) ΦRH,i …zátopový tepelný výkon při přerušovaném vytápění
13
Zjednodušený výpočet Předpoklady: Obytné budovy n50 < 3 h-1 Použití vnějších rozměrů Celková tepelná ztráta:
Φ i = ( ΦT , i + ΦV , i ) . f ∆θ , i fΔθ …teplotní korekční činitel zohledňující dodatečné vyšší ztráty (24°C)
Zjednodušený výpočet • Ztráta prostupem tepla
ΦT,i = Σ k f k ⋅ Ak ⋅ U k ⋅(θ int,i − θ e )
• Ztráta větráním
ΦV,i = 0,34 ⋅V&min,i ⋅ (θ int,i − θ e ) V&min, i = nmin ⋅ Vi
Celkový tepelný výkon ΦHL = Σ ΦT,i + Σ ΦV,i + Σ ΦRH,i (W)
14
ČSN EN 13790 Potřeba tepla na vytápění:
Q = (Qh − Qr ) + Qth Qh potřeba tepla na vytápění budovy Qr teplo zpětně získané, včetně obnovitelných zdrojů, pokud není přímo zohledněno v redukci tepelné ztráty Qth celková tepelná ztráta vytápěcího systému,včetně zpětně získané tepelné ztráty soustavy. Také vliv nerovnoměrné teploty místností a nedokonalé regulace
Energetická bilance budovy
15
Potřeba tepla
Qh = QL − η ⋅ Qg Tepelné ztráty QL a tepelné zisky Qg se vypočítávají pro každý časový úsek výpočtu.
Qh =
∑Q
nh
n
Potřeba tepla Qh je součtem potřeb tepla za kratší časové období (měsíce).
Potřeba energie na vytápění
QL = H ⋅ (θi − θ e ) ⋅ t H = HT + HV .
HV = V ⋅ ρ a ⋅ c a Celková tepelná ztráta QL jednozónové budovy s konstantní vnitřní teplotou θi během daného časového úseku t při průměrné venkovní teplotě θe
16
Tepelné zisky Qg
Qg = Qi + Qs • Vnitřní tepelné zisky – využitelné Vytápěné a nevtápěné místnosti.
Qi = [Φ ih + (1 − b ) ⋅ Φ iu ] ⋅ t = Φ i ⋅ t
• Solární zisky
Qs =
I sj
∑ ∑ j
n
Asnj + (1 − b )
I sj
∑ ∑ j
n
Asnj, u
ČSN EN 832 • Výpočet tepelných ztrát budovy vytápěné na konstantní teplotu včetně vlivu solárních zisků • Roční potřeba tepla na vytápění pro udržení požadované vnitřní teploty • Roční potřeba energie, kterou má pokrývat otopná soustava
ΦT ,i = H T ,i ⋅ (θint,i − θ e ) ΦV ,i = HV ,i ⋅ (θint,i − θ e )
17
ČSN 383350 • Výpočet potřeby energie podle obestavěného prostoru (tepelné charakteristiky budovy)
Qo = V ⋅ qo ⋅ (θis − θ e ) V….objem budovy q0…tepelná charakteristika (W/m3.K) θis...střední vnitřní teplota θe... nejnižší venkovní teplota (-12,-15-18)
Odhad tepelného výkonu Měrná tepelná ztráta q (W/m3) A - 1960 - k = 1,45 W/m2K B - 1978 - k = 0,89 W/m2K C - 1992 - k = 0,46 W/m2K D - 1994 - k = 0,33 W/m2K E - 2000 - k = 0,33 W/m2K (okna ko = 1,50 W/m2K)
18
ČSN 730540-2 • Nejnižší vnitřní povrchová teplota θsi - tato teplota musí být větší, než je teplota kritická. • Součinitel prostupu tepla U, který musí být vždy nižší, než je součinitel prostupu tepla U požadovaný normou. Přitom se do tohoto součinitele prostupu tepla U započítávají i systematické tepelné mosty. • Pokles dotykové teploty podlahy Δθ10. • Zkondenzované množství vodní páry uvnitř konstrukce musí být menší než množství vody, jež může během roku vyschnout, a zároveň musí být takové, aby nedošlo k poruše konstrukce. • Průvzdušnost obvodového pláště musí být u konstrukčních spár téměř nulová a u funkčních spár taková, aby násobnost výměny vzduchu při přetlaku 50 Pa byla menší než hodnoty uvedené v normě (pro přirozené větrání n50,N = 4,5 1/hod).
ČSN 730540-2 • Intenzita výměny vzduchu v místnosti n musí být v rozpětí nN ≤ n ≤ 1,5nN, kde nN je požadovaná násobnost výměny vzduchu. • Tepelná stabilita místnosti v zimním období musí splňovat požadavky normy na maximální pokles teploty v zimním období. • Tepelná stabilita místnosti v letním období musí splňovat požadavky na maximální denní vzestup teploty v místnosti. • Energetická náročnost budovy musí prokázat, že budova má nižší měrnou potřebu tepla eVN, než je požadavek normy. Tento požadavek se pak může vyjádřit i stupněm energetické náročnosti – SEN.
19
• Součinitelé prostupu tepla • Energetický štítek budovy
• SEN stupeň energetické náročnosti
Popis konstrukce
Střecha plochá a šikmá se sklonem do 45° včetně Podlaha nad venkovním prostorem Strop pod nevytápěnou půdou se střechou bez tepelné izolace Podlaha a stěna s vytápěním Stěna venkovní Střecha strmá se sklonem nad 45°
Požadované hodnoty UN
Doporučené hodnoty UN
[W/(m2·K)]
[W/(m2·K)]
lehká
0,24
0,16
těžká
0,30
0,20
Typ konstrukce
lehká
0,30
0,20
těžká
0,38
0,25
Podlaha a stěna přilehlá k zemině (s výjimkou podle poznámky 2) Strop a stěna vnitřní z vytápěného k nevytápěnému prostoru
0,60
0,40
Strop a stěna vnitřní z vytápěného k částečně vytápěnému prostoru
0,75
0,50
Stěna mezi sousedními budovami Strop mezi prostory s rozdílem teplot do 10 °C včetně
1,05
0,70
Stěna mezi prostory s rozdílem teplot do 10 °C včetně
1,30
0,90
2,2
1,45
Strop vnitřní mezi prostory s rozdílem teplot do 5 °C včetně Stěna vnitřní mezi prostory s rozdílem teplot do 5 °C včetně Okno a jiná výplň otvoru podle 4.6, z vytápěného prostoru (včetně rámu, který má nejvýše 2,0 W/(m2.K))
2,7
1,80
nová
1,80
1,20
upravená
2,0
1,35
3,5
2,3
Dveře, vrata a jiná výplň otvoru podle 4.6, z částečně vytápěného nebo nevytápěného prostoru vytápěné budovy (včetně rámu)
Roční potřeba tepla na vytápění Přibližná metoda:
Qr ,vyt = V0 ⋅ qt ⋅ (θi, pr −θe, pr ) ⋅ 24 ⋅ n ⋅10−6 V0…. obestavěný prostor (m3) qt... tepelná charakteristika budovy (W.m-3.K-1) θi,pr… průměrná teplota vnitřního vzduchu (18-20°C) θe,pr…průměrná teplota venkovního vzduchu v otopném období (°C) n…počet dní otopného období (-)
20
Roční potřeba tepla na vytápění Přesnější výpočet: Denostupňová metoda
Qr,vyt = 24 ⋅ ε ⋅ Qvyt ⋅ d ⋅
(θ
is
− θe, pr )
(θis −θe )
D = d ⋅ (θis −θe, pr )
Qvyt…tepelná ztráta budovy (W) ε... opravný součinitel nesoučasnosti (-) θis… střední vnitřní teplota (18-20°C)
θe,pr…průměrná venkovní teplota v otopném období (°C) θe… výpočtová venkovní teplota (°C) D…počet denostupňů d… počet dnů topného období
Potřeba tepla na ohřev vody Teplota vody standardně 55°C, v místech odběru 45-60°C (možnost kolísání v době odběrových špiček) Teplota vody v zásobníku běžně 60°C Potřeba tepla na přípravu TUV je dána součtem skutečné potřeby a tepelných ztrát (zásobník, rozvody).
QTUV ,r = QTUV ,d ⋅ d + 0,8 ⋅ QTUV ,d ⋅
(55 −θ ) ⋅ 350 − d ( ) (55 −θ ) cw,s
cw,w
QTUV,d…denní potřeba tepla na ohřev TUV (Wh.den-1) θ... teplota studené vody v zimě a létě (°C)
21
Potřeba tepla na ohřev vody Potřeba teplé vody V2p Součet potřeby vody na mytí osob, mytí nádobí, úklid.
E2t = c ⋅V2 p ⋅ (θhw −θcw ) E2t…teoretické teplo potřebné na ohřev daného množství vody V2p v určitém čase (kWh) E2p…teplo potřebné na ohřev daného množství vody V2p v určitém čase (kWh)
E2 p = (1+ z) ⋅ E2t
Operativní vs. bilanční hodnocení Odráží skutečný provoz budovy, užitečné pro optimalizaci provozu. Reálná spotřeba energie budovy: přesné změření závisí na druhu paliva a jeho případné využitelnosti i pro další zařízení. Nepřesnosti výpočtu proti realitě jsou způsobeny: - odlišnými teplotními podmínkami uvnitř a vně budovy (větrání až 150%) - reálnými vlastnostmi použitých materiálů v průběhu životnosti (5-40%) - chováním uživatelů (5-20%)
22
