Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství. VYTÁPĚNÍ A KLIMATIZACE studijní opora

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

VYTÁPĚNÍ A KLIMATIZACE studijní opora

Marek Velička

Ostrava 2013

Recenzent: prof. Ing. Miroslav Příhoda, CSc.

Název: Autor: Vydání: Počet stran:

Vytápění a klimatizace Ing. Marek Velička, Ph.D. první, 2013 57

Studijní materiály pro studijní program Metalurgické inženýrství na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství. Jazyková korektura: nebyla provedena. Studijní opora vznikla v rámci projektu OP VK: Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU Ostrava Číslo: CZ.1.07/2.2.00/28.0304 © Marek Velička © VŠB – Technická univerzita Ostrava ISBN 978-80-248-3369-9

Pokyny ke studiu

POKYNY KE STUDIU Vytápění a klimatizace Pro předmět Vytápění a klimatizace 4. semestru studijního oboru Tepelná technika a průmyslová keramika jste obdrželi studijní balík obsahující integrované skriptum pro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu. 1.

Prerekvizity

Tento předmět nemá prerekvizity. 2.

Cílem předmětu a výstupy z učení

Cílem předmětu je seznámení se základními pojmy z oblasti vytápění a klimatizace Studenti se naučí základní principy výpočtu tepelných ztrát budov a dozví se o možnostech snížení nákladů na vytápění. Seznámí se základními typy zdrojů tepla, tepelných sítí, otopných systémů a principem klimatizačních zařízení Po prostudování modulu by měl student být schopen své poznatky využít v praxi i v příbuzných (interdisciplinárních) oborech. Po prostudování předmětu by měl student být schopen: výstupy znalostí: – student bude umět charakterizovat hlavní zásady vytápění budov, – student bude umět popsat základní druhy vytápění a klimatizace, otopné soustavy a tepelné sítě, výstupy dovedností: – student bude umět využít svých znalostí při rozhodování o možnostech snižování nákladů na vytápění, – student bude umět aplikovat své teoretické poznatky u staveb z hlediska tepelně technických vlastností. Pro koho je předmět určen Předmět je zařazen do magisterského studia oborů Tepelná technika a průmyslová keramika studijního programu Metalurgické inženýrství, ale může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru. Studijní opora se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované látky, ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se může výrazně lišit, proto jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níže popsaná struktura. Při studiu každé kapitoly doporučujeme následující postup:

Čas ke studiu: x hodin Na úvod kapitoly je uveden čas potřebný k prostudování látky. Čas je orientační a může vám sloužit jako hrubé vodítko pro rozvržení studia celého předmětu či kapitoly. Někomu se čas 1

Pokyny ke studiu

může zdát příliš dlouhý, někomu naopak. Jsou studenti, kteří se s touto problematikou ještě nikdy nesetkali a naopak takoví, kteří již v tomto oboru mají bohaté zkušenosti.

Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět  definovat ......  popsat ...  vyřešit .... Ihned potom jsou uvedeny cíle, kterých máte dosáhnout po prostudování této kapitoly – konkrétní dovednosti, znalosti.

Výklad Následuje vlastní výklad studované látky, zavedení nových pojmů, jejich vysvětlení.

Shrnutí pojmů kapitoly (podkapitoly) Na závěr kapitoly jsou zopakovány hlavní pojmy, které si v ní máte osvojit. Pokud některému z nich ještě nerozumíte, vraťte se k nim ještě jednou.

Otázky k probranému učivu Pro ověření, že jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik teoretických otázek. Na všechny otázky naleznete odpovědi v textu. Otázky nemají vypracovány odpovědi.

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu Na konci každé kapitoly může být zařazen seznam literatury, který byl použit pro přípravu učebního textu. V uvedeném seznamu publikací může být zařazena literatura pro další samostatné studium. Způsob komunikace s vyučujícími: Student kombinované formy studia bude komunikovat s vyučujícím přímo na přednáškách daného předmětu nebo prostřednictvím konzultací jak během výukového semestru, tak zkouškového období. Semestrální práce a projekty potřebné k získání zápočtu budou zadávány přímo na přednáškách nebo elektronickou poštou. Kontrola zadaných úkolů bude probíhat na pracovišti přednášejícího. Kontakt: [email protected], tel. 59 732 1538.

2

Obsah

Obsah 1

Meteorologické a klimatické základy ................................................................................. 4 1.1 1.2 1.3 1.4

2

Tepelné ztráty budov........................................................................................................... 8 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

3

Využití solárních systémů pro výrobu elektrické energie ..................................................... 37 Využití solárních systémů pro výrobu tepla .......................................................................... 38 Konstrukční řešení a typy solárních panelů........................................................................... 39 Rozdělení solárních systémů ................................................................................................. 40

Další způsoby vytápění ..................................................................................................... 44 7.1 7.2 7.3

8

Princip tepelných čerpadel .................................................................................................... 30 Rozdělení tepelných čerpadel ................................................................................................ 31 Provoz tepelných čerpadel..................................................................................................... 34

Solární vytápění ................................................................................................................ 37 6.1 6.2 6.3 6.4

7

Rozdělení sítí ......................................................................................................................... 23 Parovodního potrubí .............................................................................................................. 24 Horkovodní potrubí ............................................................................................................... 25 Horkovodní předizolované potrubí........................................................................................ 26 Porovnání potrubí .................................................................................................................. 27 Předávací stanice ................................................................................................................... 28

Tepelná čerpadla ............................................................................................................... 30 5.1 5.2 5.3

6

Zdroje tepla............................................................................................................................ 14 Kotelny .................................................................................................................................. 16 Otopné soustavy .................................................................................................................... 16 Druhy fosilních paliv ............................................................................................................. 19 Energetická bilance budov .................................................................................................... 20

Centrální zásobování teplem ............................................................................................. 23 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

5

Celková tepelná ztráta místnosti.............................................................................................. 8 Tepelná ztráta prostupem ........................................................................................................ 8 Tepelná ztráta větráním ........................................................................................................... 9 Lokalizace úniků tepla z objektu ............................................................................................. 9 Tepelné mosty ....................................................................................................................... 10 Možnosti snižování tepelných ztrát ....................................................................................... 11

Vytápění budov ................................................................................................................. 14 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

4

Teplota vzduchu ...................................................................................................................... 4 Vlhkost vzduchu ...................................................................................................................... 5 Sluneční záření ........................................................................................................................ 6 Vítr .......................................................................................................................................... 6

Podlahové vytápění ............................................................................................................... 44 Infračervené vytápění ............................................................................................................ 49 Teplovzdušné vytápění .......................................................................................................... 50

Klimatizace a větrání ........................................................................................................ 52 8.1 8.2

Větrání ................................................................................................................................... 52 Klimatizace a chlazení budov ................................................................................................ 54

3

Meteorologické a klimatické základy

1

Meteorologické a klimatické základy Čas ke studiu: 2 hodiny

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět  definovat meteorologické základy mající vliv na vytápění  popsat klimatické faktory  definovat termíny – teplota vzduchu, vlhkost vzduchu, sluneční záření a vítr

Výklad Pro navrhování vytápění a klimatizačních zařízení je velmi důležitá znalost místních povětrnostních a klimatických poměrů. Povětrnostními poměry (počasím) se rozumí okamžitý stav ovzduší daný souhrným působením povětrnostních (meteorologických) prvků, kterými jsou tlak, teplota a vlhkost vzduchu, vítr, oblačnost a vodní srážky. O počasí se tedy mluví ve vztahu k určitému časovému období například ke dni, týdnů, měsíci apod. Klimatickými poměry (klimatem) se naopak rozumí průměrný stav ovzduší charakteristický pro určité místo (území). Klima (podnebí) určitého místa nebo území je pak určeno klimatickými prvky, což jsou dlouhodobé průměrné hodnoty stejných veličin jako v předešlém případě u počasí. Klima závisí na geografické poloze místa. Klimatické poměry České republiky vyplývají z jeho vnitrozemské polohy ve střední Evropě. Je to typické mírné podnebí s výrazným střídáním čtyř ročních období. Teplota se snižuje s rostoucí nadmořskou výškou o 0,6 °C na 100 m.

1.1

Teplota vzduchu

Teplota vzduchu závisí především na slunečním záření, a proto průběh této teploty přibližně odpovídá průběhu intenzity slunečního záření, jen s tím rozdílem, že teplota vzduchu se vlivem jisté tepelné setrvačnosti země zpožďuje za intenzitou záření. V našich klimatických poměrech činí toto zpoždění v denním průběhu teploty vzduchu přibližně 2 až 3 hodiny. V klimatologii a také ve vytápěcí a větrací technice se definují následující teploty vzduchu:  průměrná denní teplota,  nejvyšší a nejnižší denní teplota,  průměrná měsíční teplota,  průměrná roční teplota,  nejvyšší a nejnižší roční teplota.

4

Meteorologické a klimatické základy Denní a roční průběh teploty vzduchu je zaznamenáván na našem území v pražském Klementinu od roku 1775. Z těchto dat lze odvodit, že kolísání teploty rok od roku může být značné a že výskyt extrémní hodnoty v jednom roce nemusí vždy vypovídat o celkovém teplotním charakteru delšího období. Roční průběh teploty vzduchu se obvykle stanovuje z průměrných hodnot v jednotlivých měsících. Také roční průběh souhlasí s průběhem intenzity slunečního záření a i v tomto případě dochází k jistému zpoždění teploty za zářením. V našich klimatických poměrech dosahuje teplota vzduchu minima v lednu a maxima v červenci. Z ročního průběhu teploty vzduchu lze také zjistit délku období s průměrnou denní teplotou a nižší; to je tzv. četnost výskytu dané teploty. Nejdelší část roku (takřka 300 dnů) je teplota v mezích od 0 do 20 °C. V diagramech četnosti výskytu teplot lze s výhodou znázornit spotřebu tepla pro vytápění nebo spotřebu chladu pro klimatizaci budov. Nejvyšší a nejnižší teploty vzduchu jsou podkladem pro stanovení tzv. výpočtových teplot pro navrhování vytápěcích a větracích zařízení. Vzhledem ke schopnosti stavební konstrukce utlumit vlastní tepelnou setrvačností vliv krátkodobých výkyvů venkovní teploty, není nutno za výpočtovou nejnižší teplotu pro navrhování vytápěcích zařízení volit absolutní nejnižší teplotu, ale průměrnou teplotu určitého delšího nejchladnějšího období, jehož průměrná teplota se volí za výpočtovou teplotu. V našich klimatických podmínkách je volen dlouhodobý průměr pěti nejchladnějších dnů. Při letním chlazení budov se výměna tepla mezi vnitřkem budovy a vnějším prostředím děje především přímou výměnou vzduchu, a proto se tlumící vliv stěn již neprojeví v takové míře jako v zimě. Významnou roli zde také hraje sluneční záření, které proniká okny přímo bez jakéhokoli útlumu. Výpočtová nejvyšší teplota se volí jako dlouhodobý průměr absolutní nejvyšší teploty. Z ročního průběhu teploty vzduchu lze zjistit délku otopného období vyjádřenou počtem dnů. Lze také zjistit rozdíl mezi zvolenou střední vnitřní teplotou ti a střední venkovní teplotou te. Součin rozdílu středních teplot a počtu dnů otopného období D  d  (t i  t e )

(den . K)

(1)

je tzv. počet denostupňů, který charakterizuje průměrné povětrnostní (teplotní) poměry v daném časovém úseku a v zásadě je možno jej vyjádřit pro libovolnou dobu.

1.2

Vlhkost vzduchu

Vlhkost vzduchu je dalším činitelem ve vytápěcí a klimatizační. Mohou nastat dva případy porušení pohody člověka vinou příliš malé nebo naopak příliš velké vlhkosti venkovního vzduchu. V chladných zimních dnech může při velmi nízkém parciálním tlaku vodní páry ve venkovním vzduchu poklesnout ve vytápěných místnostech relativní vlhkost vnitřního vzduchu pod 30 %. Druhý extrém může nastat v teplých letních dnech, kdy relativní vlhkost může dosáhnout hodnoty nad 80 % při poměrně vysoké teplotě vzduchu kolem 25 °C. Za normálních okolností je parciální tlak vodní páry ve vzduchu přímo úměrný teplotě vzduchu. Roční průběh tlaku je tedy podobný ročnímu průběhu teploty, tj. čím vyšší teplota, tím vyšší je parciální tlak. Relativní vlhkost má v podstatě opačný průběh než parciální tlak. To je způsobeno tím, že při stoupající teplotě t se zvyšuje tlak nasycené páry rychleji než parciální tlak vodní páry ve vzduchu. Pro výpočet klimatizačních zařízení je důležitá vlhkost vzduchu při výpočtových nejvyšších teplotách. Tyto teploty se vyskytují především v letních dnech v odpoledních hodinách za suchého a

5

Meteorologické a klimatické základy slunečného počasí. Za těchto podmínek je při teplotě 30 až 35 °C relativní vlhkost pouze 25 až 35 %. Větší nasycení může nastat po dešti až na 70 až 95 %.

1.3

Sluneční záření

Intenzita slunečního záření je zásadní složkou tepelné energie dopadající na vytápěné objekty a má rovněž podstatný vliv na výkon vzduchotechnického zařízení. Do budovy se sluneční záření sdílí radiací a konvekcí průsvitnými konstrukcemi (okny) a konstrukcemi neprůsvitnými (stěnami). Hodnoty tepelných toků slunečního záření jsou funkcí geografické polohy budovy, její orientace, polohy Slunce a stavu oblohy. Sluneční záření dopadající na rozhraní zemské atmosféry se zemským ovzduším šíří jako složka přímá Ip a vlivem příměsí vzduchu (vodní páry, prach, atp.) jako složka difúzní ID. Obě formy záření působí na obvodový plášť budov. Intenzita záření působící na hranici atmosféry tzv. solární konstanta dosahuje hodnotu Isol = 1367 W.m-2. Jedním ze zásadních faktorů ovlivňujících intenzitu záření je stav oblohy. Ten lze postihnout součinitelem znečištění Z, který může zvláště v průmyslových oblastech značně snižovat intenzitu slunečního záření. Výpočet intenzity slunečního záření, tj. tepelného toku dopadající na jednotku plochy budovy a projevující se jako tepelná zátěž budovy, představuje posloupnost dílčích úloh sledující vyčíslení: 

slunečního času a deklinace, výšky a azimutu slunce, prostorového úhlu dopadu paprsku,



přímé, difúzní a celkové intenzity sluneční radiace působící na rovinu stěn budovy,



celkové intenzity sluneční radiace procházející standardním jednoduchým zasklením.

U nízkoenergetických domů jsou solární pasivní zisky velmi důležité, běžně kryjí okolo 30 % potřeby, je tedy žádoucí je maximalizovat. Cest, které k tomu vedou je více. Lze zanedbat vliv zastínění a také vliv rámů v oknech (pro výpočet použít hrubou plochu okenního otvoru), a hlavně předpokládat, že v domě nebudou žádné žaluzie a záclony, natož závěsy. Dále pomáhá předpoklad, že vždy budou využity veškeré zisky, tedy že topení bude reagovat dostatečně pružně a že v domě je dost hmoty pro akumulaci přebytků.

1.4

Vítr

Vítr, tj. horizontální proudění vzduchu v přízemních vrstvách atmosféry, přímo souvisí s rozdělením tlaku vzduchu nad povrchem Země. Rychlost větru je přímo úměrná rozdílu tlaku a také směr větru obvykle souhlasí se směrem největšího spádu. U směru větru však tato závislost na rozdílu tlaku není zcela jednoznačná, neboť různé terénní překážky mohou směr větru odchýlit. Průměrná rychlost větru se na území České republiky pohybuje v nižších polohách kolem 3 m.s-1. Denní průběh rychlosti větru závisí do značné míry na svislých vzestupných proudech vzduchu nad povrchem Země zahřátým slunečním zářením. Vlivem větru se především zvětšuje přirozená výměna vzduchu infiltrací a tím se také zvětšuje tepelná ztráta větráním. Jiná situace nastupuje při dostatečné izolaci domu. Možné je při výstavbě nových domů instalovat systém větrání, který dům větrá automaticky bez potřeby otvírání oken. Infiltrace je u dobře izolovaných domů omezena. Běžný výpočetní postup, kdy se u domů předpokládá určitá intenzita větrání, zrcadlí realitu dřívějších let. Starší dřevěná okna byla natolik netěsná, že přirozená infiltrace odpovídala právě této určité výměně vzduchu. Je nutno zdůraznit, že výpočet sloužil projektantovi k tomu, aby navrhl dostatečně velké topné těleso, ale už ne k tomu, aby měli lidé v domě dost vzduchu. Dnes jsou okna mnohem těsnější, takže na infiltraci spoléhat nelze.

6

Meteorologické a klimatické základy

Shrnutí pojmů kapitoly 1 V této kapitole byly stručně popsány klimatické faktory, které je nutno brát v úvahu při návrhu, dimenzování a provozu vytápění. Klimatické veličiny (teplota vzduchu, vlhkost, sluneční záření, vítr) dosahují v průběhu dne, měsíce i roku extrémních hodnot, které jsou rozhodující pro dimenzování vytápěcích zařízení. Mají také určitou četnost výskytu a dobu trvání, které rozhodují o spotřebě energie. Velikost těchto hodnot je nutno využít k hospodárnému dimenzování vytápěcí soustavy.

Otázky ke kapitole 1 1. Definujte pojmy meteorologické a klimatické poměry. 2. Jaké teploty vzduchu se používají při návrhu vytápění budov? 3. Co jsou to denostupně? 4. Co je to relativní vlhkost vzduchu? 5. Jaký vliv má sluneční záření na vytápění budov? 6. Má velikost větru vliv na tepelné ztráty budov?

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu [1]

CIHELKA, J. Vytápění, větrání a klimatizace. 3. Vydání Praha: SNTL Brno, 1985. ISBN: 80214-1142-2.

[2]

BERANOVSKÝ, J., TRUXA, J. Alternativní energie pro váš dům. 1.vyd. Brno: ERA, 2003. 123s. ISBN 80-86517-59-4.

[3]

BRANIŠ, M., HŮNOVÁ, I. Atmosféra a klima. 1. vyd. Praha: Karolinum, 2009, 351 s. ISBN 978-80-246-1598-1.

[4]

Český hydrologický ústav. [online]. [cit. 2013-07-16]. Dostupné z: http://www.chmi.cz/portal/dt?portal_lang=cs&menu=JSPTabContainer/P1_0_Home.

7

Tepelné ztráty budov

2

Tepelné ztráty budov Čas ke studiu: 5 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět     

definovat základní tepelné ztráty prostupem místnosti lokalizovat největší zdroje tepelných ztrát budov popsat možnosti eliminace tepelných ztrát definovat pojem tepelný most charakterizovat základní vlastnosti izolačních materiálů

Výklad Tepelná ztráta budov není jen prostým součtem tepelných ztrát jednotlivých místností, ale je nutné zde posoudit současnost infiltrace a doby provozu jednotlivých místností a zohlednit místní tepelné zisky.

2.1

Celková tepelná ztráta místnosti

Celková tepelná ztráta PC (W) je rovna součtu tepelné ztráty prostupem tepla konstrukcemi a tepelné ztráty větráním, sníženém o trvalé tepelné zisky podle vztahu:

Pc  Pp  Pv  Pzr kde

2.2

Pc Pp Pv Pz

je -

(W)

(2)

celková tepelná ztráta (W), ztáta prostupem tepla (W), ztráta větráním (W), trvalý tepelný zisk (W).

Tepelná ztráta prostupem

Tepelná ztráta prostupem Pp (W) je dána základní tepelnou ztrátou prostupem a přirážkami podle rovnice uvedené níže:

Pp  Po 1  p1  p2  p3  kde

Pp Po p1 p2 p3

je -

(W)

(3)

tepelná ztráta prostupem (W), základní ztráta prostupem tepla (W), přirážka na vyrovnání vlivu chladných konstrukcí (1), přirážka na urychlení zátopu (1), přirážka na světovou stranu (1).

8

Tepelné ztráty budov Pro danou místnost je základní tepelná ztráta prostupem tepla Po (W) dána součtem tepelných toků prostupem tepla jednotlivými konstrukcemi, které místnost obklopují. Stanový se následujícím výpočtem:

Po 

n

k

j



 S j ti  t ej



(W)

(4)

j1

kde

Po kj Sj ti tej

2.3

je -

základní tepelná ztráta prostupem tepla (W), součinitel prostupu tepla (W.m-2.K-1), ochlazovaná vnitřní teplota místnosti (m2), výpočtová vnitřní teplota místnosti (°C), výpočtová teplota prostředí na vnější straně konstrukce (°C).

Tepelná ztráta větráním

Další ztráty budovy mohou nastat vlivem nuceného větrání místnosti. Tu je potřeba větrat kvůli výměně vzduchu, nebezpečí vzniku hub a plísní.

Pv  1300 Vv ti  te  kde

2.4

Pv Vv ti te

je -

(W)

(5)

tepelná ztráta místnosti větráním (W) objemový průtok větracího vzduchu (m3.s-1), výpočtová vnitřní teplota místnosti (°C), výpočtová venkovní teplota (°C).

Lokalizace úniků tepla z objektu

Abychom zjistili tepelné úniky při vytápění nízkoenergetického domu, musíme využít několika osvědčených metod. Nejvíce informací nám dává termovizní měření, které využívá fyzikální jev, při němž povrch jakéhokoliv tělesa vyzařuje do prostoru elektromagnetické záření. U tohoto principu se změří intenzita záření a následně z ní se vyvodí teplota tělesa. Zde platí přímá úměra, že čím vyšší míra vyzařování, tím vyšší teplota. Nejintenzivnější vyzařování při pokojových teplotách, což nás zajímá nejvíce, je v oblasti infračerveného záření, jež měříme infračervenými teploměry. Na stejném principu pracují i termovizní kamery. Nesporná výhoda při měření termovizní kamerou je snímání teploty ve více bodech naráz, kdežto u infračervených teploměrů můžeme měřit jen v jednom bodě. Termovizním měřením přesně určíme tepelné úniky. Přiřazením teplot k získanému barevnému spektru z měření dostaneme obraz určující rozložení povrchových teplot v tělese. Podle nízkoenergetického standardu, by měla mít kvalitní budova tepelně izolační schránku kolem dokola uzavřenou. Hledaná problémová místa budou tam, kde se na termovizním snímku objeví tepelné mosty. Samotné měření je poměrně jednoduché. Jde o podobný postup jako při fotografování digitálním fotoaparátem. Na rozdíl od obyčejné barevné fotky se nám obraz ukládá jako teplotní mapa, takže později lze odečíst teplotu kteréhokoliv bodu na obraze a tak získat optimální zobrazení míst uniku tepla. Pro snazší identifikaci měřených míst, mají mnohé typy termokamer funkci vyfocení termosnímku také jako standardní obraz. Pro důvěryhodné výsledky je nejlepší, aby rozdíl teplot v interiéru byl alespoň o 10 °C vyšší. Nevhodné je také provádět měření v době kdy na budovu dopadají sluneční paprsky, jelikož se zvyšuje teplota povrchu a rozdíly způsobené teplotními ztrátami jsou překryty. Musíme ale brát i v potaz tepelnou setrvačnost, která naopak může nastat v případě velkého rozdílu teplot mezi interiérem a exteriérem objektu. 9

Tepelné ztráty budov

2.5

Tepelné mosty

Tepelný most patří ke skrytým vadám, které mohou znamenat nejen ztráty tepelné energie, ale i poškození stavby. Nejčastější výskyt tepelných mostů: 

u rámů oken a vnějších dveří s napojením na venkovní izolaci,



u prostupů instalací,



u různých netěsností v konstrukcích, kde může proudit vzduch,



u překladů, průvlaků, uložení stropu na obvodovou zeď,



u izolací přechodu svislé zdi na betonové základy,



u napojení svislé izolace stěn na izolaci střechy,



styk obvodového pláště v nároží,



styk obvodového pláště a vnitřní zdi,



styk obvodového pláště a atiky ploché střechy, respektive šikmé střechy,



styk obvodového pláště a stopní konstrukce,



styk obvodového pláště a vystupující konstrukce, například balkonu,



styk tvorové konstrukce a obvodového pláště u ostění, nadpraží a parapetu,



okna, okenní rámy.

Nejvíce pozornosti je třeba věnovat styku obvodové zdi, základů a podlahy s terénem, respektive suterénní zdi s terénem, místům osazení oken, dveří a okenních rámů a místům vyložení konzol (balkony, lodžie, pergoly).

Obr. 1 Termovizní snímek budovy [8] Tepelné mosty dokumentuje např. uvedený termogram na obrázku 1. Zde jsou patrné tepelné mosty mezi jednotlivými tvárnicemi a mírně také nad okny. Podle svého vzniku se dělí na: 

geometrické (kouty vytvořené stykem jednoho nebo více druhů stavebních konstrukcí,



konstrukční (sloupy v obvodovém plášti, konzoly balkonů, překlady),



materiálové (změny v materiálové skladbě konstrukce včetně vzduchových dutin, změny tloušťek jednotlivých vrstev stavební konstrukce),



systematické (nosný rošt, spojovací prvky ve stavební konstrukci), 10

Tepelné ztráty budov 

2.6

kombinované (ostění a nadpraží otvorů).

Možnosti snižování tepelných ztrát

Úspory energie znamenají důležitou možnost, jak snížit náklady na provoz našich domácností. Častokrát si ani neuvědomujeme, že to, co ve skutečnosti potřebujeme, je služba, kterou nám má energie poskytnout. Ne energii samotnou. Ve vytápění objektů nás nejvíce zajímá prostup tepla přes stěny, okna a dveře. V posledních letech se při realizaci staveb začíná uplatňovat zcela odlišný přístup i požadavky. Tepelná a energetická úspornost s efektivností se staly velmi důležitým pojmem. Optimální tepelná izolace snižuje úniky tepla obvodovými konstrukcemi a zároveň utěsňuje budovu před pronikáním chladnějšího vnějšího vzduchu do interiéru. Dalším přínosem je také odstranění tepelných mostů čímž se snižuje kondenzace vodních par v konstrukci. Celkově pak dochází ke zvýšení teploty v objektu. K výhodám zateplení patří snížení spotřeby energie na vytápění, avšak úspora podstatně závisí na původním stavu budovy. U budov, kde má obvodový plášť nízký tepelný odpor, může být dosaženo snížení až o 30 %. Zateplením také omezíme tvorbu plísní, které nám vznikají převážně v chladnějších koutech. Ustálíme také tepelnou stabilitu budovy přes nestálost vnějších teplot. Pro novostavbu je nejčastější forma zateplení formou tepelně izolační omítka. Například polystyren tloušťky 6 cm má stejné parametry jako termoomítka tloušťky přibližně 18 cm. V současnost se zateplují budovy polystyrénem běžně do tloušťky až 15 cm. Způsoby dodatečného zateplení můžeme rozdělit na dva typy, a to na suchý a mokrý proces. Pod pojmem mokrým rozumíme použití tepelněizolační omítky, kterou můžeme umístit z vnitřní nebo vnější strany obvodového pláště. Její tloušťka závisí na původní stěně a na potřebě docílit dostatečné hodnoty tepelného odporu. Při větších tloušťkách se omítka nanáší na předem přichycené pletivo, které přenáší napětí vznikající ve spoji tepelněizolační hmoty a původní stěny. Suchý proces zahrnuje obklady s úplným vyloučením mokrého procesu. Jde o různé obklady deskami, většinou s vytvořením provětrávaných vzduchových dutin. U zateplení jsou jen dvě možnosti umístění a to bud z exteriéru nebo interiéru. Vnitřní zateplení má některé nevýhody. Interiér se zmenší a také vnitřní instalace jako elektrické instalace nebo jiné rozvody se budou muset tomuto zateplení více přizpůsobit. U vnějšího zateplení se nám zvýší tepelný odpor stěn, zabrání se kondenzaci vodní páry na stěnách a zlepší se akumulační vlastnosti zdiva. Kromě toho, že se zvýší odolnost objektu proti povětrnostním vlivům, dokáže vhodně navržený zateplovací systém vylepšit i vzhled objektu. Ve stavební praxi jsou rozlišovány čtyři základní způsoby vnějšího zateplování: 

kontaktní zateplovací systém,



odvětrávaný zateplovací systém,



vrstvené (sendvičové) zdivo,



zateplení pomocí tepelněizolační omítky (termoomítka).

Kontaktní zateplovací systémy představují elegantní způsob vnější tepelné ochrany budov. Jejich výhodou je celistvé zateplení plochy obvodového pláště bez jakýchkoliv tepelných mostů. Odvětrávané zateplovací systémy využívají tepelněizolační desky, které se vkládají mezi nosné kotvy nebo profily zabezpečují nosné konstrukce s obkladem. Obklad může být z keramiky, kovu, dřeva, kamene a skla. Sendvičová stěna má vysoce účinnou tepelnou izolaci umístěnou uvnitř skladby konstrukce, například ve formě nosní stěna, tepelně izolační vrstva a vnější vyzdívka. Výhodou je tepelně trvanlivý vnější povrch, lepší akustické vlastnosti a požární odolnost. Nevýhoda je větší tloušťka stěny 11

Tepelné ztráty budov a složité konstrukční detaily. Jedním ze způsobů vnějšího zateplení je zateplování pomocí tepelněizolační omítky. Tvoří ji odlehčená omítka, která musí mít dostatečné tepelněizolační vlastnosti. Někdy plní funkci difúzního odporu, takže umožňuje přirozené odpařování vlhkosti. Termoomítka se používá hlavně tehdy, když není možné aplikovat zateplovací systém. Kvalitní izolační materiál by měl obsahovat co nejvíce pórů a co nejméně vlhkosti. Čím je jeho tepelný odpor větší, tím je materiál na izolaci vhodnější. Důležité jsou i další vlastnosti, jako objemová hmotnost, odolnost proti ohni, stálost tvaru, schopnost odpuzovat vodu a izolovat zvuk. Nejznámějším izolačním materiálem je pěnový polystyren. Jeho nevýhodou ale je, že má velké objemové změny a také vysokou nasákavost. Extrudovaný polystyren má uzavřenou buněčnou strukturu, díky níž disponuje vynikajícími vlastnostmi, a jeho součinitel tepelné vodivosti je okolo 0,03 W.m-1.K-1. Stejně jako pěnový polystyren není odolní proti vysokým teplotám. Používá se hlavně na izolaci základům stěn a podlah. Za nejúčinnější tepelněizolační hmotu se v současnosti považuje pěnový polyuretan. Jeho součinitel tepelné vodivosti je 0,02 až 0,035 W.m-1.K-1. Rozlišujeme měkký polyuretan, který se ve stavebnictví téměř vůbec nepoužívá a tvrdou polyuretanovou pěnu. Ta nachází uplatnění při zateplování střech, stěn suterénů a všude tam, kde nemusí být izolace chráněna proti vlhkosti. Dále pro zateplení se používají vlny a to skelná kamenná. Kamenná je daleko tvrdší, až deseti násobně hustější. Prodává se ve formě desky, její součinitel tepelné vodivosti je 0,035 až 0,076 W.m-1.K-1. Nejčastěji se používá v izolaci šikmých střeh, stěn, potrubí, podlah a plochých střech. Kamennou vlnu je možno díky její odolnosti proti tlaku použít i jako zatěžovanou izolaci. K dobrým tepelně izolačním materiálům patří také pěnový polyetylen. Ve srovnání s jinými materiály jsou jeho přednosti ohebnost, pružnost a nenasákavost. Součinitel tepelné vodivosti je 0,04 W.m-1.K-1. Používá se k izolaci potrubí. Zatepluje se i pomocí pěnového skla, které je odolné proti extrémním teplotám a má vysokou pevnost v tlaku. Používá se zejména tam, kde je izolace zatěžována (ploché střechy a terasy), a na izolaci stěn vystavených působení vody (suterén). Můžeme se setkat i s perlitem, který se používá ve formě zásypů nebo se přidává do betonu, malty a omítky, a s haraklitem, který se v kombinaci s minerální vlnou využívá k izolaci v interiéru.

Shrnutí pojmů kapitoly 2 Při vytápění se musíme zajímat o množství tepla, které unikne z vytápěného objektu. Abychom tyto úniky omezili, musíme docílit co nejlepší těsnosti mezi spoji konstrukce, mít kvalitní okna, dveře a materiály, které mají nízký součinitel prostupu tepla. Pokud tomu tak není, je třeba lokalizovat tepelné mosty v budově a následně provést dodatečné opatření, nejčastěji zateplením a výměnou oken. Zde jsou obvykle největší úniky tepla. Pokud je budova dobře tepelně izolována, výrazně klesají náklady na vytápění, a návratnost vynaložených investic je v horizontu několika let.

Otázky ke kapitole 2 1. Definujte jednotlivé typy ztrát budov 2. Jak lze lokalizovat tepelné ztráty v budovách? 3. Kde se nejčastěji vyskytují tepelné mosty? 4. Jak byste rozdělili tepelné mosty podle svého vzniku? 5. Jaké znáte možnosti snižování tepelných ztrát? 6. Jaké vlastnosti by měly mít vhodné izolační materiály?

12

Tepelné ztráty budov

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu [1]

BYSTŘICKÝ, V., POKORNÝ, A. Technická zařízení budov. Praha: ČVÚT, 2006. 203 s. ISBN 80-01-03450-X.

[2]

CHROMÍK, R., KLEIN, Š. Stavební tabulky: Vytápění budov. 6. vyd. Brno: ART-PROJECT, 2004. 506 s. ISBN 80-239-3447-3.

[3]

Vše o úsporách energií: Edice renovujeme, stavíme, zařizujeme. JAGA GROUP, s. r. o. 2007- , roč. 8. Bratislava: Dostupný z WWW: <www.jaga.sk>. ISSN 1335-9177.

[4]

BAŠTA, J. aj. Topenářská příručka: 120 let topenářství v Čechách a na Moravě. 1. vyd. Praha: GAS s.r.o, 2001. 1122 s. ISBN 80-861-176-81-9.

[5]

ŠÁLA, J. Zateplování budov. 1. vyd. Praha 7: Grada Publishing, spol. s. r. o., 2000. 176 s. ISBN 80-7169-833-4.

[6]

ČSN 06 0210. Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění. Praha: Český normalizační institut, 1994.

[7]

CIHELKA, J. Vytápění, větrání a klimatizace. 3. Vydání Praha: SNTL Brno, 1985. ISBN: 80214-1142-2.

[8]

Termobraz.cz. [online]. [cit. 2013-07-16]. Dostupné z: http://www.termoobraz.cz/tepelnymost.html

13

Vytápění budov

3

Vytápění budov Čas ke studiu: 5 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět     

definovat zdroje tepla pro vytápění rodinných domů popsat kotle na tuhá paliva charakterizovat základní druhy otopných soustav popsat druhy fosilních paliv definovat tepelné zisky a ztráty budov

Výklad Integrovaný přístup k řešení energetických systémů budov a stavebních konstrukcí je nejlepší způsob, jak snížit spotřebu energie stavby a provozních nákladů. Vedle vlastních technických zařízení zajišťujících vytápění a větrání budov je to dáno především prudkým vývojem v oblasti konstrukcí budov z hlediska tepelně-technických vlastností a rozvojem systémů pro inteligentní řízení budov, které umožňují zajistit vazbu mezi jednotlivými subsystémy a harmonizovat chod celé budovy.

3.1

Zdroje tepla

Vytápění představuje v našich klimatických podmínkách asi 55 % veškeré energetické spotřeby domácnosti. V průběhu topného období zabírá tento poměr dokonce asi 65 %. Systém vytápění v „běžném“ domě je většinou shodný s vytápěním v nízkoenergetických, nicméně jsou zde významné odlišnosti. Patří mezi ně volba energetického média a zdroje tepla závislá nejen na ekonomice provozu, ale také ochrana životního prostředí jdoucí nad rámec požadavků stanovených příslušnou legislativou, případně závaznými technickými normami. Čím dál častěji se do povědomí potenciálních stavebníků totiž dostává také problematika dopadu stavby na ráz krajiny a snaha o minimalizaci jejího znečišťování způsobeného nejen samotnou výstavbou, ale rovněž jejím následným provozem. Na trhu je možný výběr z mnoha typů kotlů, jako hlavního zdroje tepla u lokálního vytápění. Většina kotlů se vyrábí převážně pro výkony požadované pro standartní domy, zpravidla jsou to ale výkony vyšší než je vyžadováno pro krytí tepelných ztrát nízkoenergetických domů. Rodinné domy nebo jim velikostně podobné budovy v tomto standardu potřebují u naprosté většiny případů zdroj tepla s výkonem do 10 kW, přičemž vytápění s použitím zdroje s vyšším výkonem je zcela neekonomické. Tento problém lze řešit využitím akumulační nádrže. Různé energetické zdroje (obvyklý kotel, solární systém, elektrické topné tyče) ohřívají vodu v nádrži plným (jmenovitým) výkonem, kdy je účinnost zdroje nejvyšší a skladba emisí nejpříznivější. Po nahřátí nádrže se kotel vypne nebo přejde do režimu útlumu. Systém vytápění si pak teplo odebírá z nádrže podle potřeby. Velikost nádrže se volí podle spotřeby tepla v domě a velikosti kotle. Nevýhodou je určení vhodného místa jejího umístění. Pro efektivní využití tepla by měl být instalován rozměrově nezanedbatelný zásobník v „teplé“, obytné zóně domu.

14

Vytápění budov

Kotle na tuhá paliva Při volbě optimálního typu kotle je důležité, aby zdroj tepla výkonově kopíroval okamžitou potřebu tepla. Nejběžnější kotle na tuhá paliva, ať jsou v jakémkoli provedení, pracují povětšinou s výkonem okolo 20 – 25 kW, proto se používají ve spojení s akumulací tepla. Zjednodušeně lze kotle na tuhá paliva rozdělit na: 

klasické atmosférické pro spalování koksu, uhlí, dřeva. Jejich výkon je závislý na výhřevnosti paliva. Tyto typy vyžadují obsluhu uživatele. Účinnost se pohybuje mezi 72 % a 80 %,



kotle s automatickým doplňováním paliva a vzduchovým ventilátorem. Podle typu kotle může být palivem uhlí nebo dřevní pelety. Výkon těchto typů je regulovatelný, regulace s mikroprocesorem řídí mimo jiné provoz podavače paliva i ventilátoru. Účinnost při spalování pelet se pohybuje okolo 85 %. Tyto kotle mohou být vybaveny bezobslužným elektrickým zapalováním,



polozplyňovací kotle na dřevo a brikety,



zplyňovací kotle na dřevo, kombinace dřevo a uhlí. Zplyňováním paliva dosáhnou kotle vysoké účinnosti a nízkých emisních hodnot. Jsou založeny na principu dvoustupňového spalování. Účinnost regulovatelných zplyňovacích kotlů může dosáhnout až 90 %,



kombinované kotle na zplyňování dřevo + pelety, dřevo + plyn, dřevo + lehký topný olej s možností záměny hořáků.

Krby, krbová a kachlová kamna Krby nebo krbová kamna se opětovně začínají uplatňovat a to především jako druhý zdroj tepla. Druhým nebo taky doplňkovým se stávají vzhledem k tomu, že jejich provoz je vázán na uživatele a slouží k doplnění základního vytápění. Z hlediska provedení jsou dnes využívána především uzavřená topeniště s litinovými krbovými vložkami, jejichž účinnost se pohybuje okolo 70 %. Dříve využívaná otevřená krbová ohniště měla účinnost velice nízkou, pohybující se podle různých zdrojů v rozmezí přibližně mezi 5 % až 20 %. Základní dělení krbů a kamen: 

teplovzdušná kamna a krby. Vzduch proudí okolo zahřáté zabudované vložky, ohřívá se a současně se sáláním z teploodolného křemičitého skla vytápí okolní prostor,



kombinovaná sálavá a akumulační kamna. Pracují na podobném principu jako teplovzdušná kamna, ale jsou navíc opláštěna akumulačním materiálem, takže předávají teplo po vyhasnutí delší dobu,



kachlová kamna. Přebytečná energie nabíjí akumulační stěnu vystavěnou vedle krbu, která po vyhasnutí vydává nahromaděné teplo i 36 hodin,



dvouplášťové krbové vložky,



krbové vložky a kamna s teplovodním výměníkem,



peletová kamna.

Plynové kotle Pro novostavby v plynofikovaných lokalitách se nejčastěji používají nízkoemisní kondenzační plynové kotle. Výhodou těchto kotlů je využití kondenzačního tepla vodní páry vznikajícího při spalování vodíku v zemním plynu (nebo propanu), ochlazením spalin pod hodnotu rosného bodu. Tímto způsobem může dojít ke zvýšení účinnosti až o 15 %. Další výhodou a to i u ostatních typů 15

Vytápění budov plynových kotlů, je možnost uplatnění velmi kvalitní teplotní regulace. Jedná se o regulaci podle venkovní teploty a teploty topné vody před kotlem. Výhodou této regulace zvyšující účinnost ve srovnání s regulací podle vnitřní teploty o 10 až 20 % je malé dopravní zpoždění a rychlá reakce na měnící se venkovní teplotu. Tato úspora spočívá v tom, že do potřebného tepelného příkonu lze započítat i tepelné zisky z vnitřních zařízení a ze sálání slunce. Při použití kotlů s výkonem převyšujícím tepelné potřeby objektu je žádoucí jeho provozování ve spojení s akumulační nádrží. Rozeznáváme dva typy plynových kotlů. První typ odebírá vzduch pro spalování v místnosti, ve které jsou umístěny a spaliny se odvádějí komínem nebo kouřovodem mimo budovu. Spotřebiče druhého typu jsou uzavřeny a vzduch pro spalování si přisávají z venkovního prostoru a spaliny opět odvádějí mimo vytápěný objekt.

3.2

Kotelny

Jako kotelnu si můžeme představit například samostatnou budovu, stavební objekt, skříň, zvláštní přístavek či místnost nebo vyhrazený prostor, ve kterém je umístěn jeden nebo více kotlů pro ústřední vytápění, pro přípravu teplé vody nebo pro výrobu technologického a užitkového tepla. Z hlediska nízkoenergetického domu může být kotelna umístěna například v koupelně či kuchyni, většinou je ale snaha volit umístění mimo obytnou zónu a budovat ji zcela odděleně. Provedení kotelny je dáno druhem a způsobem spalování paliva, typem kotlů a podle pracovního media a jeho parametrů. Pro každý případ platí jiné zřizovací a provozní předpisy a normy. Kotelny se dělí podle mnoha kritérií. Především z hlediska spalovaného paliva či typu použitých kotlů. Podle paliva jej dělíme na: 

plynové,



olejové,



uhelné (nebo obecně kotelny na tuhá paliva).

Podle pracovního média se dělí na: 

teplovodní (s teplotou vody do 115°C),



horkovodní (s teplotou vody nad 115°C),



parní (nízkotlaké, středotlaké apod.).

V poslední době se pro účely vytápění volí především plynové kotelny teplovodní nebo horkovodní. U vytápění plynem nám nevzniká tolik škodlivých látek jako při spalování tuhými palivy, jako je uhlí. U spalování tuhého paliva vniká CO2 a nespalitelný zbytek ve formě popílku, který má neblahý vliv jak na zdravý tak na životní prostředí. To platí z velké části jen u domácích kotlů, které nejsou stavěny na tak velké teploty, při kterých by se vše spálilo.

3.3

Otopné soustavy

Otopná soustava v budově je dalším podstatným článkem na cestě energie od zdroje do místa spotřeby, který podstatnou měrou může ovlivnit celkovou účinnost dodávky tepla. Otopná soustava musí zohlednit jak charakteristické vlastnosti zdroje, tak požadavky na vytápění místností dané tepelně-technickými a provozními vlastnostmi. Podle teplonosné látky lze otopné soustavy rozdělit na teplovodní a teplovzdušné.

16

Vytápění budov

Teplovodní vytápění Odlišnost aplikace tradičního teplovodního vytápění v nízkoenergetických domech od běžných systémů spočívá v podstatně nižších instalovaných výkonech otopných ploch. Požadavkem na tyto soustavy je pružnější změna výkonu při nahodilých vnitřních ziscích a možnost samostatné regulace každé z místností. Voda je v současné době nejpoužívanější teplonosnou látkou s řadou předností: 

snadno regulovatelná,



vysoká měrná tepelná kapacita (cp ≈ 4,2 kJ.kg-1.K-1),



snadno dostupná,



zdravotně nezávadná,



v soustavách ústředního vytápění umožňuje nízké povrchové teploty otopných ploch.

Pro nízkoenergetické domy se používá teplovodní nízkoteplotní soustava. Horkovodní a teplovodní soustavy jsou pro svou vysokou pracovní teplotu nevhodné. Pro teplovodní vytápění lze použít: 

konvektory – klasická soustava s předáváním tepla převážně konvekcí a jen částečně radiací,



podlahové – nízkoteplotní vytápění, vhodné ve vazbě na tepelná čerpadla,



stěnové – použitelné především pro stavby s vyšší akumulací, pro lehké dřevostavby je lze použít jen k instalaci do samostatných masivnějších zděných příček.

Teplovzdušné vytápění Základem tohoto systému je teplovzdušný agregát, na který je napojen rozvod vytápěcího vzduchu. Hlavní nevýhodou vzduchu je: 

jeho malá měrná tepelná kapacita (cp = 1 kJ.kg-1.K-1),



velký měrný objem,



nevhodnost pro dopravu tepla na větší vzdálenosti.

Krby osazené krbovou vložkou mohou být stavebně upraveny tak, aby pomocí teplovzdušných rozvodů vytápěly několik místností najednou, případně celý dům. Z hlediska tepelné pohody se absence sálavé složky řeší vždy umístěním krbu v hlavní místnosti bytu nebo domu. Teplovzdušné rozvody využívají buď: 

samotížný oběh, tj. bez použití ventilátoru – systém se využívá v případě, že výdechy teplého vzduchu se dají rozvést do dalších pokojů bez potřeby využití ventilátoru. Rozvody jsou pro investory finančně dostupnější a mnohdy účinnější,



nucený oběh, tj. s použitím ventilátoru – výhodou systému je možnost regulace pomocí termostatu zabudovaného ve ventilátoru a možnost vytopení i vzdálenějších místností. Podmínkou je však správný výběr ventilátoru dle jeho výkonu.

Otopná tělesa K vytápění jednotlivých místností se používají otopná tělesa. Jsou buď součástí ústředního vytápění, nebo lokální. Otopné těleso předává teplo do vytápěného prostoru sáláním, vedením a konvekcí. Sdílení tepla se děje všemi uvedenými způsoby, ale v různých poměrech jednotlivých složek. Tyto poměry závisí na konstrukci otopného tělesa. Otopná tělesa dělíme takto:

17

Vytápění budov 

konvekční 

článková,



desková,



trubková,



konvektory,



sálavé otopné plochy – podle umístění – podlahové, stěnové, stropní,



teplovzdušné jednotky,



lokální topidla – topidla na pevná, kapalná nebo plynná paliva,



přímotopná, akumulační hybridní elektrická topidla.

Etážové vytápění je otopný systém založený na jednom topidle, které vyrábí teplo rozváděné trubkovými rozvody tepla do otopných těles nacházejících se zhruba ve stejné rovině jako vlastní topidlo (bez přestupu rozvodů tepla do dalších podlaží). Obvykle slouží jeden okruh etážového topení k vytápění jedné bytové jednotky, jednoho patra domu, kanceláří firmy apod. (Obr. 2).

Obr. 2 Schéma etážového vytápění [7] Při vhodném návrhu, dobře zpracovaném projektu a správně dimenzovaných topidlech je etážové vytápění velmi efektivním otopným systémem a dokáže přinést významné úspory v topné sezóně. Nedochází při něm ke zbytečným ztrátám tepla vedením trubek mimo vytápěné místnosti, na nákladech se nepodílí více plátců a provozovatel je tak motivován k hledání a realizaci úsporných opatření proti zbytečnému plýtvání, což bývá bolest otopných systémů sdílených více platícími uživateli. Oproti lokálnímu vytápění je výhodou jediné topidlo, které bývá obvykle umístěné mimo obývané místnosti a je tak možné udržovat prostory určené k bydlení snadněji v čistotě. Článková otopná tělesa Jsou to tělesa složená z jednotlivých článků bez ohledu na jejich tvar. Vyrábějí se z různých materiálů a různým technologickým postupem. Nejčastěji používaným materiálem je ocel, litina a slitiny hliníku. Základní částí článku jsou horní a dolní komora s náboji opatřenými závitem ve stejné ose. Obě komory spojuje různě tvarovaná teplosměnná plocha. Články mají vnější teplosměnnou plochu rozloženou převážně do své hloubky, což vede ke zvyšování tepelného modulu. K dalšímu zvyšování dochází žebry, která rozšiřují vnější přestupní plochu. Tvar a velikost žeber závisí na použité technologii výroby.

18

Vytápění budov Desková otopná tělesa Patří k nejčastěji používaným. Za desková otopná tělesa považujeme souvislé hladké desky, případně desky s povrchem zvětšeným zvlněním. Mají malý vodní obsah, což umožňuje rychlou reakci na regulační zásah a mají i nižší hmotnost. Základními částmi jsou horní rozvodná a dolní sběrná komora situované ve směru délky tělesa, se stejným průřezem. Obě komory spojují prolisy tvořící kanálky. Celé těleso tvoří dvě prolisované desky z ocelového plechu, které jsou po obvodě svařeny. Trubková otopná tělesa Podstatou řešení trubkových otopných těles jsou rozvodné a sběrné komory, které jsou navzájem spojené řadou trubek menších průřezů. Trubky mají kruhový, čtvercový, obdélníkový či kombinovaný průřez. Nejčastější tvary: meandr, registr s vodorovnými trubkami, registr se svislými trubkami. Trubky, nejčastěji ocelové či měděné, mohou být hladké, profilované do nejrůznějších tvarů, případně mohou mít na vnější straně rozšířenou přestupní plochu. Konvektory Konvektor je topné těleso, které sdílí teplo do vytápěného prostoru převážně konvekcí. Skládá se obvykle z výměníku tepla a skříně, která má v horní části mřížku pro proudění vzduchu. Úlohou výměníku je převést teplo dodané teplonosnou látkou do vytápěného prostoru přes okolo proudící vzduch. Pohyb vzduchu je zabezpečen buď přirozeným vztlakem, nebo ventilátorem. Dělí se na:

3.4



skříňové – dodávány jsou jako celek, případně část jejich skříně může tvořit stěna stavební konstrukce nebo zařízení interiéru,



soklové – jsou ve vytápěném prostoru situovány do nízké skříně u podlahy. Často se nazývají podparapetní, jelikož jsou osazovány pod nízký parapet po celé jeho délce,



zapuštěné – skříně jsou součástí stavby, většinou podlahy. Žebrovka je uložena v kanálu v podlaze pod oknem a je zakrytá nášlapnou krycí rohoží.

Druhy fosilních paliv

Mezi fosilní paliva se řadí uhlí, ropa a zemní plyn, z kterých se získává energii v podobě elektřiny, tepla, světla, ale i produkty důležité pro rozvoj průmyslu nebo zdravotnictví. Tyto paliva jsou již stovky let nedílnou součástí klasického způsobu vytápění. Mezi nejvýznamnější paliva, která se využívají při vytápění, patří níže uvedené.

Zemní plyn Je to bezbarvý plyn bez chuti, barvy a zápachu. Má zanedbatelné toxické vlastnosti. Zemní plyn je směs plynných uhlovodíku s proměnou směsí neuhlovodíkových plynů. Jeho hlavní složkou je metan. Výhody zemního plynu spatřujeme především v nenáročnosti jeho skladování. Není nutná ani pravidelná obsluha kotle, snadná a účinná regulace topného systému, vysoká účinnost plynových kotlů, neomezená dodávka po celý rok 24 hodin denně a minimální ekologický dopad. U tohoto paliva se využívá účinných spotřebičů a také jedním spotřebičem lze vyřešit vytápění a přípravu teplé vody. To že plynofikace není zavedena do všech obcí a cena se odvíjí od cen ropy a kurzu dolaru vidíme jako nevýhodu.

19

Vytápění budov

Propan-butan U tohoto paliva se využívají vysoce účinné spotřebiče, kde není nutná pravidelná obsluha kotle, a které jsou charakteristické snadnou regulací topného systému, minimálním ekologickým dopadem a lze jím taktéž vyřešit vytápění a přípravu teplé vody. Je třeba však vybudovat zásobník a zajistit dovoz paliva nebo skladovat toto palivo v mobilních lahvích. Cena tohoto plynu se také odvíjí od cen ropy a kurzu dolaru. Výhřevnost paliva zde bude rozdílná podle skupenské fáze, kde je v plynném stavu více jak dvakrát výhřevnější.

Kapalná paliva (topné oleje) Opět tyto paliva využívají vysoce účinné spotřebiče se snadnou a účinnou regulací topného systému kde není nutná pravidelná obsluha kotle a kde je minimální dopad na životní prostředí. Velmi používaným je extralehký olej složený z kapalných ropných uhlovodíků. Za normálních podmínek čirá kapalina, která neobsahuje chlorované uhlovodíky.

Uhlí U uhlí je asi nejvýhodnějším ukazatelem ke koupi jeho nízká cena. Musí však být vybudován prostor k uskladnění a také pravidelný dovoz paliva dle požadavků palivového hospodářství. Musí být pravidelně udržován a obsluhován kotel přikládáním paliva, vynášení popela atd. Nastávají zde problémy s regulací topného systému a také s emisemi pevných a plynných látek do ovzduší. Obsahem aktivních prvků v hořlavině je určeno množství tepla, které se uvolní jejich dokonalým spálením. Teoreticky si lze představit spalování čisté hořlaviny. Pak teplo, které se uvolní dokonalým spálením jednoho kilogramu hořlaviny při ochlazení spalin na počáteční teplotu, přičemž zkondenzuje vodní pára, bude spalné teplo hořlaviny Qs Podobně teplo, uvolněné dokonalým spalováním jednoho kilogramu hořlaviny při ochlazení spalin na počáteční teplotu, ale za předpokladu, kdy vodní pára nezkondenzovala a tedy neodevzdala své výparné teplo, bude výhřevnost hořlaviny Qi. Spalné teplo a výhřevnost se tedy odlišují výparným teplem vzniklé vodní páry a hodnota spalného tepla je vždy větší, než hodnota výhřevnosti.

Kusové dřevo V poslední době velmi rozšířený druh paliva, který je v porovnání s uhlím daleko ekologičtější. Pro dřevo musíme mít také prostor ke skladování, dobře odizolovaný, aby dřevo nezačalo hnít vlivem vlhkosti. Zde nás zajímá výhřevnost dřeva, která se liší podle obsahu vody a typu dřeva.

3.5

Energetická bilance budov

Z energetického hlediska je každý objekt charakterizován jednak svými energetickými nároky (potřebami energie) a jednak svou energetickou náročností (spotřebami energie). Energetické nároky představují množství energie, které objekt pro svou funkci objektivně vyžaduje. Zpravidla největší potřebu energie představuje potřeba tepla na vytápění, která je dána rozdílem mezi tepelnými ztrátami prostupem a větráním a tepelnými zisky ze solárních a vnitřních zdrojů. Energetická náročnost je faktické množství energie, které vyžadují systémy, kryjící výše uvedené energetické nároky. V rámci energetické náročnosti budovy se přitom nehodnotí pouze potřebu energie na vytápění, ale započítává další energetické spotřeby např. na větrání, chlazení, klimatizaci, osvětlení, atd. Nejpřesněji lze energetickou náročnost budovy stanovit bilančním hodnocením. Metodika posuzování v sobě zahrnuje jak tepelnou ztrátu (prostupem tepla a v důsledku výměny vzduchu), tak tepelné zisky (od slunečního záření pronikajícího prosklenými plochami, metabolického tepla osob, domácích spotřebičů a kancelářské techniky a prvků umělého osvětlení). Výpočty se provádějí v časových intervalech, nejčastěji však po měsíci. Bilance musí zhodnocovat všechny faktory, které 20

Vytápění budov v průběhu roku v dané budově ovlivňují spotřeby energií. Jejím výsledkem je výpočet množství tepla, které musí dodat otopná soustava, aby bylo dosaženo předepsané vnitřní teploty.

Tepelné zisky Tepelné zisky lze rozdělit na zisky metabolického tepla od osob, zisky získané uvolňováním tepla do vytápěného prostoru provozem domácích spotřebičů a umělým osvětlením. V některých případech lze přičíst i zisky v důsledku přítomných výrobních technologií a dále na tzv. pasivní solární zisky (solární energie pronikající do interiéru prosklenými plochami). Za část vnitřních tepelných zisků lze považovat i tepelné ztráty ze systému vytápění a přípravy teplé vody, které se zpětně využije v budově. Určitou výjimku vyžadující zohlednění pak představuje např. provoz pračky nebo myčky nádobí, u kterých část tepla, stejně jak při používání teplé vody, odchází s odpadní vodou do kanalizace. Tato výjimka platí ve většině případů i pro používání sporáků a trub, jejichž provoz vyžaduje z hygienických důvodů intenzivnější větrání (vodní pára, odéry, případně zplodiny zemního plynu). Problémem pro stanovení tepelné bilance je proměnlivost všech těchto zdrojů. Metabolické teplo a energie od elektrických spotřebičů a umělého osvětlení působící ve prospěch interiéru budovy bývají pro bilanční výpočty sdružovány a vyjadřovány ve formě množství tepla vztaženého na jednotku podlahové plochy. Výpočty lze provést dle technické normy ČSN EN 13790, Energetická náročnost budov – Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení, která od října 2009 nahradila normu ČSN EN 832, tepelné chování budov.

Tepelné ztráty Tepelné ztráty představují součet ztrát prostupem tepla a ztrát v důsledku nutnosti výměny vzduchu, tj. ztrát větráním. Prostup tepla může probíhat konstrukcemi přímo, pokud jsou v kontaktu s venkovním vzduchem nebo nepřímo, pokud je mezi vytápěným prostorem a exteriérem další – nevytápěný nebo částečně vytápěný prostor. Dalším, složitějším případem je prostup tepla přes zeminu přiléhající k budově. Zde se započítávají situace, kdy je pod vytápěnou budovou jen základová deska na zemině, otevřený průlezný prostor, nevytápěné podzemní podlaží či podzemní podlaží v části nebo zcela vytápěné. Při výpočtu je nutné zohlednit i tepelné vazby (tepelné mosty) vzhledem k venkovnímu prostředí. Ztráty větráním se dříve stanovily převážně s využitím výpočtu spárové průvzdušnosti. Nyní se při využívání těsných obálek budov stanoví podle hygienických požadavků. Obvykle činí 0,3 až 0,6 vnitřního objemu místnosti za hodinu nebo se stanoví množstvím čerstvého vzduchu na jednu osobu za hodinu (např. v učebnách 20 m3.h-1 na žáka). Množství tepla se pak stanoví násobením potřebného množství vzduchu, jeho hustotou a měrnou tepelnou kapacitou. Tepelné ztráty lze vypočítat pomocí harmonizované normy ČSN EN 12831 Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonu, která nahradila dlouhodobě používanou, oblíbenou normu ČSN 06 0210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění. Výpočet podle nyní platné normy s odlišnou metodikou výpočtu je přesnější u nízkoenergetických a zejména pasivních domů, a to díky započítání ztrát tepelných vazeb mezi konstrukcemi (tepelných mostů), které nejsou při velkých tepelných odporech konstrukcí již nezanedbatelné.

Shrnutí pojmů kapitoly 3 Vzhledem ke stále se zvyšujícímu celosvětovému a zejména evropskému tlaku na snižování spotřeby energií v souvislosti s nutností omezování produkce skleníkových plynů, ale také z důvodů ekonomických a bezpečnostních, se stále více do popředí zájmu dostává oblast úspor provozu budov, které v rozvinutých zemích představují okolo 40 % celkové spotřeby energie. Zájem o snižování energetické náročnosti nově stavěných, ale i rekonstruovaných budov je také ovlivněn zvyšujícím se 21

Vytápění budov zájmem investorů a vlastníků. Důvodem je existence různých pobídek v oblasti dotací úsporných staveb, ale také z důvodu potřeby omezování negativního vlivu vysokých cen energií, do značné míry ovlivňujících celkové náklady na bydlení. Specifikem budov je nejen jejich velký podíl na celkové spotřebě energií, ale také poměrně dlouhá životnost a tím i větší záruka návratnosti vložených investičních prostředků. V kapitole jsou popsány základní zdroje vytápění budov a jejich rozdělení. Dále jsou zde shrnuty základní typy otopných soustav a druhy fosilních paliv, které lze při vytápění využít. Poslední část popisuje tepelné zisky a ztráty budov.

Otázky ke kapitole 3 1. Popište základní typy kotlů na tuhá paliva. 2. Podle jakých kritérií dělíme kotelny? 3. Jak lze rozdělit otopné soustavy podle teplonosné látky? 4. Jaká znáte otopná tělesa? 5. Popište základní druhy fosilních paliv. 6. Charakterizujte energetickou náročnost budovy. 7. Jaké jsou tepelné zisky budov? 8. Jaké jsou tepelné ztráty budov?

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu [1]

CHROMÍK, R., KLEIN, Š. Stavební tabulky: Vytápění budov. 6. vyd. Brno: ART-PROJECT, 2004. 506 s. ISBN 80-239-3447-3.

[2]

BAŠTA, J. aj. Topenářská příručka: 120 let topenářství v Čechách a na Moravě. 1. vyd. Praha: GAS s.r.o, 2001. 1122 s. ISBN 80-861-176-81-9.

[3]

SRDEĆNÝ, K. Jak postavit nízkoenergetický dům. Praha: EkoWATT, centrum pro obnovitelné zdroje a úspory energie, 2008. 47 s.

[4]

MORÁVEK, P. Teplovzdušné vytápění a větrání rodinných a bytových domů. In Sborník příspěvků Konference Vytápění: 26. – 28. 4. 2005, Třeboň: STP, 2005.

[5]

POČÍNKOVÁ, M., ČUPROVÁ, D. Úsporný dům. 2. vyd. Brno: ERA group spol. s.r.o., 2008. 210 s. ISBN 978-80-7366-131-1.

[6]

ŘEHÁNEK, J. a kol. Tepelně-technické a energetické vlastnosti budov. Grada Publishing a.s, Praha, 2002. ISBN:80-7169-582.

[7]

Instalatéři EKOMPLEX. [online]. [cit. 2013-07-16]. Dostupné z: http://www.topenitopenari.eu/topeni/systemy-vytapeni/etazove.phpst.html.

22

Centrální zásobování teplem

4

Centrální zásobování teplem Čas ke studiu: 5 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět  definovat centrální tepelné sítě  popsat a porovnat druhy tepelných sítí  charakterizovat výhody předizolovaného potrubí

Výklad Centrální tepelné sítě se začaly budovat už ve třicátých letech minulého století ve velkých metropolích Evropy a Ameriky. Z počátku měly tyto sítě pouze lokální význam a sloužily pouze jako blokové kotelny s tepelným výkonem pokrývající několik desítek domů či menší technologické procesy v průmyslu. Teprve po 2. světové válce byly soustavy centrálního zásobování teplem (SCZT) propojovány, napojeny na větší zdroje, ve kterých probíhala kogenerační výroba tepla a elektrické energie. Centralizovaná síť napájená z jednoho, nebo více zdrojů tepla je výhodná jak pro průmysl, kterému dodává do provozu technologické teplo a technologickou páru, tak i pro město a jeho obyvatele, kteří získávají energii na vytápění a přípravu teplé užitkové vody. SCZT působí pozitivně na životní prostředí tím, že snižuje počet lokálních kotelen na pevná paliva a zvyšuje komfort obyvatel. Zároveň lze zařízení tepláren optimalizovat zvyšováním efektivity spalování, účinností jednotlivých zařízení k přípravě dodávek tepla (výměníky tepla, čerpadla, kvalita přenosového média páry či vody). Současně minimalizuje náklady na provoz výrobou elektřiny, kterou dodává do elektrické sítě. Společná výroba tepla a elektrické energie se nazývá kogenerací a dokáže ušetřit až 35 % paliva. Navíc moderní teplárny jsou vybaveny odlučovačem popílku, energosádrovce a strusky čímž se sníží ekologická zátěž a tyto suroviny se následně využívají ve stavebnictví. V teplárenských a elektrárenských kotlích je možné, kromě hnědého či černého uhlí spalovat i různá jiná paliva, například v poslední době často zmiňovanou biomasu. Jako pomocné zdroje v dobách špiček nebo při nejmrazivějších dnech je možné do sítě zapojit mobilní či špičkové zdroje tepla takzvané výtopny, které produkují pouze teplo.

4.1

Rozdělení sítí Centralizované sítě zásobování teplem lze dělit dle dopravovaného topného média na: 

parovodní,



horkovodní.

Dle parametrů sítě na:

23

Centrální zásobování teplem 

primární,



sekundární.

V době budování většiny centralizovaných tepelných sítí byly zcela jiné výhledy a potřeby, než jsou v současné době a sítě byly budovány podle toho, jaký zdroj se nacházel v blízkosti zásobované lokality. Tento trend probíhal do počátku osmdesátých let, kdy se ukázalo, že takovéto budování není příliš ekonomicky vhodné a začaly se posuzovat výhody a nevýhody jednotlivých druhů centralizovaných tepelných sítí. Oproti parovodním sítím mají horkovody následující výhody: 

příprava horké vody teplárenským způsobem umožňuje větší výrobu elektrické energie,



vodní tepelná síť má nižší teplené ztráty,



umožňuje připojení odběratelů tlakově závislým způsobem (nižší náklady, vysoká účinnost),



umožňuje kvalitnější regulaci dodávky tepla,



nižší provozní náklady,



delší životnost potrubí (zejména kondenzátního),



umožňuje akumulaci tepla,

Horkovodní systém má oproti parovodním tyto nevýhody:

4.2



investičně náročnější výměníková a oběhová stanice ve zdroji tepla,



nutné čerpací práce na cirkulaci teplonosného média,



nutnost vypouštění obsahu potrubí (problematické ve městech při opravách).

Parovodního potrubí

Variant řešení uspořádání parovodů (viz. obrázky 3 a 4) je mnoho, v minulosti bylo oblíbené řešení zalití parního kanálu pěnobetonem. Při provozování potrubí na vysoké teploty (okolo 220 °C) je pěnobeton optimální tepelná izolace, historicky je však už překonán. Parní potrubí má životnost kolem 40 let. Jsou však známy případy, kdy parní trubka byla v provozu i 60 let a stále se neprojevovala koroze. Problematické je kondenzátní potrubí. Parní kondenzát je velmi agresivní médium a životnost kondenzátního potrubí je proto pouze cca 10 let. V současnosti některé provozy používají kondenzátní potrubí z materiálu PP-H 100 (polypropylen). Tento způsob však není dlouhodobě prověřen. Zcela novým způsobem řešení kondenzátního potrubí je systém, kdy se do výkopu vedle parního kanálu volně položí do pískového lože plastová trubka z materiálu PEX. Tato trubka se dodává ve svitcích o délce dle dimenze 50 – 120 m. Při použití tohoto systému odpadají problémy se spojkováním plastového potrubí. Odbočky se řeší lisovaným přechodem na nerezový „T“ kus, který se následně potáhne smršťovací plastovou páskou. Z hlediska tepelných ztrát je výhodnější uspořádání parní trubky v kanále společně s kondenzátním potrubím. Kondenzátní potrubí se obvykle neizoluje a vyhřívá kanál na přibližně 60 °C, což snižuje tepelné ztráty parního potrubí. V případě uspořádání parního kanálu odděleně od kondenzátního je výhoda v otevření kondenzátního kanálu bez porušení vnějších hydroizolací na parním kanále a tím úspora nákladů při případné opravě kondenzátu. Toto je však nutné posuzovat individuálně dle dané lokality, například v případě občasného zaplavení kanálu je tepelná izolace na parním potrubí silně narušená, nasáklou vodou ztěžkne, prověsí se a nadále už nemá požadované tepelně-izolační vlastnosti. Tepelná izolace v kanále, se časem sama na rozdíl od předizolovaných systémů vysuší, ale narušení struktury izolace je nevratné a stává se, že při opakování stavu celá 24

Centrální zásobování teplem izolace z potrubí odpadne. Při výměně kondenzátního potrubí ve společném kanále se na špatnou kvalitu izolací případně povrchovou korozi parního potrubí snáze přijde. Potom je jednodušší ji odstranit, provést nátěry potrubí a namontovat novou izolaci s vyztužením.

Obr. 3 Parovod s parním i kondenzátním potrubím v odděleném kanále [5]

4.3

Obr. 4 Parovod s parním i kondenzátním potrubím ve společném kanále [5]

Horkovodní potrubí

Tento způsob vedení horkovodu je léty provozu ověřený a spolehlivý. Zvláště v poslední době se provozování horkovodní tepelné sítě stává levnější a výhodnější než provozování parní sítě. Horkovodní sítě (viz. obr. 5) však nejsou vhodné pro všechny typy průmyslových provozů, některé vyžadují pro svou technologii výroby médium o vyšších parametrech, především teploty. Horkovodní tepelná síť nabízí oproti parnímu vedení výhodu v možnosti připojení odběratelů tlakově závislým způsobem v tzv. „směšovací stanici“. Ve směšovací stanici dochází k propojení přívodního a vratného potrubí pomocí třícestného ventilu, který je řízen elektronicky a připravuje pracovní médium o požadovaných parametrech. Zatím co z páry je možné připravovat horkou vodu poměrně snadno tlakově nezávislou výměníkovou stanicí, pro přeměnu horké vody o teplotě cca 160 °C (provozní teplota klasických SCZT) v páru je nutné instalovat pro příslušný podnik nepoměrně větší a nákladnější zařízení.

Obr. 5 Parovod s parním i kondenzátním potrubím v odděleném kanále [5] 25

Centrální zásobování teplem Nepsané pravidlo u horkovodů říká, že přívodní potrubí musí být vpravo ve směru dodávky tepla. Životnost horkovodního potrubí je s ohledem na způsob provozování cca 40 let.

4.4

Horkovodní předizolované potrubí

Předizolované potrubní rozvody jsou moderní technologií v bezkanálovém vedení (Obr. 6). Ocelová mediová trubka je nasunuta do plášťové trubky z materiálu HDPE (tvrzený polyetylen) a vzniklé mezikruží vyplněno izolační polyuretanovou pěnou jako tepelná izolace. Tento celek dodává výrobce jako hotové komponenty. Mediová trubka se spojí svarem a izolace se dokončí vypěněnou přesuvnou spojkou, tím vznikne jednolitý hermetický spoj. Technologie minimalizuje čas potřebný pro realizaci přípojky na nutné minimum díky ukládání smontovaného potrubí přímo do pískového lože a současně minimalizuje množství tepelných ztrát na trase přípojky. Tepelná izolace potrubí je citlivá na průnik vlhkosti do izolace potrubí, proto jsou do izolace umístěny kontrolní vodiče „alarmsystému“ pro sledování výskytu vlhkosti v izolaci potrubí. Horkovodní spojitý systém je možné provozovat pouze do teploty 145 °C, krátkodobě až do teploty 160 °C. Dlouhodobé provozování za teploty 160 °C má však na potrubí horkovodu až zničující účinky. Vyšší teplota se dostane od vnitřní ocelové trubky, až na povrch izolace a může nahřát spojky potrubí. Tím se poškodí hermetický spoj a do potrubí začne proudit vlhkost. Vlhká pěna ztrácí tepelně izolační vlastnosti a teplota na plášti potrubí dále stoupá. Předizolované potrubí je na rozdíl od klasických izolací uzavřené, takže teplem odpařená vlhkost se neodvádí mimo plášť potrubí. Spojky se doslova nafouknou a podélně roztrhnou. Předizolované potrubí se ukládá jako celek do pískového lože, kde plášťová trubka a pěna tepelně dilatuje spolu s ocelovou trubkou. Kompenzace využívá přirozených kompenzačních útvarů (kompenzátory tvaru „L“, „U“ a „Z“). Tyto kompenzační útvary je nutné navrhovat v maximálních vzdálenostech od sebe, které se označují obecně jak třecí délky. Jestliže není možné provést kompenzaci přirozenou, lze potrubí tepelně předepnout pomocí nahřátí ve výkopu, nebo použít v trase jednočinné kompenzátory.

Obr. 6 Uspořádání bezkanálového spojitého horkovodního potrubí [5]

26

Centrální zásobování teplem

4.5

Porovnání potrubí

V praxi se rozhoduje o možnostech rozšiřování parovodních tepelných sítí či přestavbě na horkovodní tepelné sítě zejména z hlediska ekonomických. Náklady na přestavbu se musí v době, životnosti potrubí vrátit. Zařízení umístěné v terénu pod zemí či nad zemí je vystavováno vnějším vlivům, poruchám, korozi, občasnému zaplavování kanálů a nepředvídatelným vlivům, krádežím na zařízení, živelním pohromám. Proto snižování provozních nákladů je velmi výhodné jak pro provozovatele (může použít více prostředků na opravy a rozšiřování) tak pro odběratele, kteří tím získávají nižší ceny za dodanou energii. Informace pro stanovení kritérií porovnání jednotlivých druhů SCZT vycházejí z literatury. Při porovnávání typu potrubí se srovnávají tři základní parametry pro posouzení ekonomické výhodnosti horkovodní sítě před parní sítí: 

posouzení z hlediska přenosových kapacit,



posouzení z hlediska tepelných ztrát,



posouzení z hlediska investičních nákladů na vybudování sítě.

Posouzení z hlediska přenosových kapacit Jako limitní prvek pro přenosovou kapacitu byla konvencí zvolena rychlost proudění páry cca 20 m.s-1, což sice poskytuje určitou přenosovou rezervu, ale při vyšších rychlostech stoupají tlakové ztráty potrubí, potom záleží na délce potrubí (viz. Tabulka č. 1 a 2). Tabulka č. 1 Přenosová kapacita parního potrubí u vybraných dimenzí [2]

Tabulka č. 2 Přenosová kapacita horkovodního potrubí u vybraných dimenzí [2]

Z porovnání dat je zřejmé, že horkovodní potrubí má několikanásobně vyšší přenosovou schopnost než potrubí parovodní, což snižuje dimenze potrubí na trase. Tato skutečnost přináší úsporu v nákladech na realizaci. Proto na kratší vzdálenosti je možné dopravovat množství média až o 30 % větší než je uvedeno v tabulce č. 2. Při větší rychlosti proudění v potrubí stoupají tlakové ztráty. V takovém případě musí být zajištěn minimální tlakový spád ve všech odběrných bodech. Optimální tlaková ztráta běžně uváděná v technických normách je do 60-80 Pa.m-1.

27

Centrální zásobování teplem

Posouzení z hlediska tepelných ztrát Tepelné ztráty jsou u parního potrubí logicky větší než u horkovodního vedení. Tento jev je způsoben vyššími provozními teplotami páry. Na parní potrubí je nutné montovat tepelnou izolaci o větší tloušťce. Větší tloušťka izolace má vliv na rozměr kanálu (vyšší světlá výška). Naopak díky podstatně menšímu a neizolovanému kondenzátnímu potrubí se snižuje světlá šířka kanálu. Neizolovaný parní kondenzát má při podzemním způsobu vedení pozitivní vliv na tepelné ztráty hned z několika důvodů. Parní kondenzát má při špičkách teplotu cca 60 °C, ovšem v době útlumu teplota stoupá až na 100 °C. Kondenzátní potrubí vyhřívá vnitřní prostor kanálu, to je okolí parního potrubí a snižuje teplotní rozdíl mezi teplotou na povrchu parního potrubí a tepelné izolace. Tento jev omezuje tepelné ztráty a současně ochlazuje vracený kondenzát. Technologicky není vhodné, aby se do zdroje tepla vracelo médium o takto vysoké teplotě (cca 100 °C). Horkovodní potrubí má výrazně nižší tepelné ztráty než u parních tepelných sítí, proto se dá říct, že provozování horkovodní sítě je výhodnější z ekonomického hlediska a zatím co vracený kondenzát je záměrně ochlazován, tepelné ztráty horkovodní tepelné sítě jsou dány pouze izolací přívodního a vratného potrubí. V současnosti nejvýhodnějším systémem pro centralizované vytápění je předizolované vedení. Toto vedení zaručuje minimální tepelné ztráty. Výrobci předizolovaných systémů uvádějí tepelné ztráty okolo cca 4 %. Tvrdá polyuretanová pěna zaručuje při dodržení technologických zásad vysokou tepelnou úsporu. Tepelná izolace je však velmi citlivá na průnik vlhkosti do izolace potrubí.

4.6

Předávací stanice

Úkolem stanice je propustit z tepelné sítě do připojené soustavy požadované množství tepla, současně ho změřit, a při tom upravit parametry teplonosné látky na hodnoty technicky vhodné, bezpečnostně a hygienicky přípustné pro použití v odběratelské soustavě. Dodávku požadovaného množství tepla lze obecně zajistit i bez zvláštní předávací stanice, jsou-li parametry teplonosné látky pro soustavu odběratele technicky a bezpečnostně přijatelné. To lze uskutečnit při tzv. přímém připojení odběratelských soustav na tepelnou síť prostřednictvím předávacího místa na potrubí, vybaveného pojistným zařízením a přístrojem pro měření spotřeby tepla. Nutnou a zároveň postačující podmínkou pro zřízení odběratelské předávací stanice jsou tedy vysoké parametry teplonosné látky, nepřípustné v odběratelově systému. Tyto vysoké parametry však musí být ekonomicky zdůvodněny. Z hlediska národohospodářského je pak zřizování odběratelských předávacích stanic výhodné jen tehdy, jsou-li úspory získané na tepelné síti vyšší (tím, že zvýšením parametrů teplonosné látky se zmenšily rozměry rozvodných potrubí), než náklady na stavbu odběratelských předávacích stanic. Při tom se předpokládá stejná cena zdroje tepla, který dodává do sítě nižší nebo vyšší stavové parametry. Při centrální přípravě teplé užitkové vody (TUV) je součástí předávací stanice ještě zařízení pro ohřev TUV. Předávací stanice tepla lze rozdělit podle primárního topného média a toho, je-li primární strana oddělena teplosměnnou plochou výměníku od sekundární strany. Podle výrobního pojetí je pak dále rozlišujeme dle způsobu jejich kompletace – na kompaktní a stavebnicové. Podle tlakové závislosti se předávací stanice dělí na tlakově nezávislé (s teplosměnnou plochou) a tlakově závislé (bez teplosměnné plochy). Dělení podle tlakové závislosti platí pouze pro přípravu topné vody. Příprava teplé vody je vždy tlakově nezávislá (s teplosměnnou plochou).

28

Centrální zásobování teplem

Shrnutí pojmů kapitoly 4 Jak už bylo řečeno, systém centrálního vytápění teplem se využívá již desítky let. Jako médium se u bytových staveb stále používá horká voda, která má vyšší přenosovou kapacitu, zatímco pro průmyslové podniky se více hodí pára, která se využívá jednak k otopu výrobních hal a skladů a jednak jako technologická. Výhoda páry spočívá rovněž v možnosti lehce přeměnit páru na vodu. Nové studie předpokládají, že současný systém centralizovaného vytápění, je již překonaný a nové sítě se již budou budovat na jiném principu. Jednou z možností může být využití, jako vedlejšího produktu z blízkých průmyslových podniků. V době, kdy nové technologie pracují s téměř sto procentní účinností (kondenzační kotle, kogenerační jednotky, infračervené panely), je tento systém vytápění velice nákladný. Technologie stárne a notné finanční prostředky vynakládané na opravy a modernizace se nemusí investorovi vrátit. Proto má v současnosti uplatnění především v hustě osídlených oblastech.

Otázky ke kapitole 4 1. Charakterizujte termín centrální tepelné sítě. 2. Jaké druhy tepelných sítí znáte? 3. Popište princip parovodního potrubí. 4. Popište princip horkovodního potrubí. 5. Porovnejte potrubí z hlediska a přenosových kapacit a tepelných ztrát. 6. Jaké jsou výhody předizolovaného potrubí? 7. K čemu slouží předávací stanice?

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu [1]

BYSTŘICKÝ, V., POKORNÝ, A. Technická zařízení budov. Praha: ČVÚT, 2006. 203 s. ISBN 80-01-03450-X.

[2]

BAŠTA, J. aj. Topenářská příručka: 120 let topenářství v Čechách a na Moravě. 1. vyd. Praha: GAS s.r.o, 2001. 1122 s. ISBN 80-861-176-81-9.

[3]

CIHELKA, J. Vytápění, větrání a klimatizace. 3. Vydání Praha: SNTL Brno, 1985. ISBN: 80214-1142-2.

[4]

VOŠTA, BIČ, STUCHLÍK a kolektiv. Energetická náročnost - determinanta změn toků fosilních paliv a implikace pro EU a ČR – 1. Vydání. Proffesional Publishing 2008. 173 s. ISBN 978-80-86946-83-2.

[5]

SZKANDERA, R. Centrální zásobování teplem, teplárny, potrubí a tepelné sítě centrálního vytápění, předávací stanice, regulace soustav. Seminární práce. VŠB-TU Ostrava, 2012.

29

Tepelná čerpadla

5

Tepelná čerpadla Čas ke studiu: 4 hodiny

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět    

definovat pojem tepelné čerpadlo umět definovat pojem topný faktor rozdělit tepelná čerpadlo podle teplosměnného média popsat základní typy provozů tepelných čerpadel

Výklad Tepelná čerpadla se stávají vyhledávaným zdrojem tepla. Zájem o něj je výsledkem růstu cen energií, které se odvíjejí od politického dění a ekonomické situace, jak v našem statě tak na mezinárodní scéně. Trend zvětšeného zájmu o vytápění tepelným čerpadlem bude pokračovat, neboť provozovatel tepelného čerpadla nemusí část energie z celkového množství potřebné pro vytápění nakupovat, ale získá ji z okolí vytápěného objektu za téměř zanedbatelnou cenu. Z ekonomického hlediska je tepelné čerpadlo velmi výhodným zdrojem tepla. Ve srovnání s jinými systémy a palivy má téměř vždy nižší náklady na vytápění, takže je tepelné čerpadlo někdy prezentováno jako investice, která se za několik let vrátí. Proto kolem tepelných čerpadel bývá vytvořeno mnoho mýtů a někdy jim jsou připisovány nedosažitelné technické parametry. Jde však o poměrně drahá zařízení, proto je třeba počítat s vysokými pořizovacími náklady. Zda tedy bude návratnost investice pouze několik let, určí vývoj cen paliv v budoucnu. Z hlediska ekologického, tepelné čerpadlo oproti kotlům na tuhá paliva nezatěžuje životní prostředí emisemi škodlivých látek do ovzduší, tudíž nemá na životní prostředí negativní vliv. Využití tepelných čerpadel má tedy svá specifika, proto je dobré vždy zvážit všechna pro a proti.

5.1

Princip tepelných čerpadel

Tepelná čerpadla využívají z okolního prostředí „nízkopotenciální energii“, které je kolem nás obrovské množství a dokáže ji převést do využitelné podoby. Ke svému provozu potřebuje dodat energii, nejčastěji elektrickou pro pohon kompresoru zajišťujícího oběh chladiva. Pohon tepelného čerpadla spalovacím motorem nebo motorem plynovým, v porovnání s pohonem elektrickým je méně efektivní, proto je dnes málo používaný. Elektromotor ve srovnání se spalovacím a plynovým motorem má vysokou životnost a spolehlivost, je konstrukčně jednodušší, mimo jeho kryt nejsou žádné pohyblivé díly, proto je i zcela bezpečný. Existují i tepelná čerpadla kde oběh chladiva nezajišťuje kompresor. Jsou to různé typy sorpčních čerpadel. Mají naprosto tichý chod, ale pro vytápění se nepoužívají. Tepelné čerpadlo využívá vlastnosti látek, jejichž teplota varu a kondenzace závisí na tlaku. Na vstupní straně tepelného čerpadla je výměník tepla, nazývaný výparník. Do něj se pomocí teplonosného média (dle typu tepelného čerpadla) přivádí nízkopotencionální teplo z okolí a do jeho druhé poloviny se vstřikuje pod velkým tlakem tryskou termostatického expansního ventilu kapalné

30

Tepelná čerpadla chladivo. Tlak ve výparníku je menší, proto se kapalné chladivo rychle odpařuje, tím dochází k ochlazení na teplotu nížší než je teplota okolního prostředí, ze které je odebráno teplo. Tím je dosaženo, že teplo z okolního prostředí ohřívá podchlazený plyn, který je nasáván kompresorem. Nasávaný plyn sebou nese získanou energii. Po stlačení kompresorem se plyn silně zahřeje, v kompresoru se k energii získané z okolí přidá energie potřebná pro stlačení plynu. Na výtlaku z kompresoru je dosažena vyšší teplota, než je voda v topném systému. Plyn je veden na výstupní straně opět do výměníku tepla nazývaného kondenzátor, kde dojde ke zkapalnění plynu a předání tepla chladnější topné vodě. Odebraná energie z okolí je obvykle 1,5 až 4 krát vyšší, než spotřeba energie pro pohon tepelného čerpadla. Jedním z nejdůležitějších parametrů tepelného čerpadla pro vyjádření energetické výhodnosti je topný faktor, porovnávající spotřebu elektřiny a celkový výkon. et 

kde

et P Pe P0 Tc Tz

Tc P P0  Pe   Pe Pe Tc  Tz

je -

(1)

(6)

teoretický topný faktor (1), celkové výkon (W), elektrický příkon pro pohon tepelného čerpadla (W), výkon získaný z okolního prostředí při teplotě Tz (W), teplota na výstupu (K), teplota zdroje tepla (K).

Topný faktor je bezrozměrné číslo, jehož velikost se pohybuje v mezích 2,5 až 5. Mění se podle okolních podmínek, neboť tepelné čerpadlo spotřebovává více energie při větším rozdílu teplot na výstupu tepelného čerpadla Tc a zdroje tepla Tz. Topný faktor je vždy větší než 1 a jeho hodnota roste s klesajícím rozdílem teplot Tc a Tz. Pro praktické využití je tedy nevýhodnější mít zdroj tepla s co nejvyšší teplotou a teplo dodávat do systému pracujících s nižšími teplotami. V praxi není důležitý teoretický topný faktor, ale skutečný topný faktor esk. Ten se stanoví na základě dlouhodobých měření a do příkonu je zahrnuta veškerá energie pro provoz tepelného čerpadla.

5.2

Rozdělení tepelných čerpadel

Volba primárního zdroje tepla má zásadní vliv na konstrukci a vlastnosti tepelného čerpadla. V názvech tepelných čerpadel je jako první uveden zdroj tepla a následuje medium, do kterého se teplo předává. Primárními zdroje tepla pro využití energie z okolního prostředí lze rozdělit do několika skupin, zemské teplo hornin, odebírané z povrchové vrstvy zemského povrchu nebo jeho hloubky, teplo z povrchové nebo podzemní vody a teplo z okolního nebo odpadního vzduchu.

Tepelné čerpadlo země-voda Zde dochází k odběru tepla ze zemského povrchu. Teplo z podloží se čerpá pomocí vertikálních zemních kolektorů nebo horizontálních zemních (plošných) kolektorů. V obou případech jde o použití uzavřených výměníků tepla na primární straně tepelného čerpadla, které jsou naplněny nemrznoucí směsí. Vertikální zemní kolektor, je plastový výměník vložený do hlubokého vrtu o hloubce 50 až 150 m. Pokud je potřeba větší výkon, zhotoví se více vrtů. Vzdálenost mezi jednotlivými vrty je minimálně 5 až 10 m, aby se navzájem neovlivňovaly. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 10 až 18 m hloubky vrtu podle geologických podmínek. Tepelné čerpadlo o výkonu 10 kW potřebuje ke svému provozu tedy přibližně vrt o hloubce 130 m, nebo dva vrty hluboké 65 m. Lépe je zvolit jeden hlubší vrt než dva kratší, neboť teplota v zemi od hloubky 10 m je během roku téměř stabilní

31

Tepelná čerpadla v rozmezí teplot 10 až 12 °C. S rostoucí hloubkou roste i teplota s teplotním gradientem 1 až 2 °C na 100 m. Tím, že se čerpá teplo o stálé a poměrně vysoké teplotě mají tepelná čerpadla s hlubinnými vrty topný faktor, který se během roku téměř nemění. Dalším možným způsobem odběru tepla zemského povrchu je využití horizontálního zemního neboli plošného kolektoru. Teplo je odebíráno z půdy výměníkem z polyetylenového potrubí uloženého do výkopu. Tento způsob odběru tepla má oproti hlubinným vrtům, nižší pořizovací náklady, horší průměrný roční topný faktor v důsledku kolísaní teploty v zemině v závislosti na venkovní teplotě. Topný faktor má nejmenší hodnotu koncem topné sezony, kdy už je půda vychlazená. Dosažitelný výkon zemního kolektoru je udáván v mezích 20 až 25 W.m-2 plochy země. Teplo se musí přes léto v zemi akumulovat, proto je jeho množství limitováno a plocha, ze které je odebíráno by měla být tři až čtyřikrát větší, než velikost vytápěné plochy. Délky jednotlivých sekcí zemního kolektoru na 1 kW výkonu tepelného čerpadla se pohybují od 40 do 160 m podle vlhkosti půdy. Pro zhotovení zemního kolektoru je zapotřebí dostatečně velká plocha pozemku, kterou nemáme vždy k dispozici. Řešením tohoto problému je jiná varianta instalace, kolektor typu „slinky“. Ten je tvořen smyčkami potrubí, které vzniknou roztažením svinutého kola polyetylenového potrubí. Délka smyček jedné sekce je 200 m. „Slinky“ lze ukládat vodorovně, „slinky V“, nebo svisle, „slinky H“. U vodorovné varianty je předpokládaný výkon jedné sekce při plošné hustotě výkonu ze země 20 W.m-2 cca 1,5 kW. U slinek varianty svislé je předpokládaný výkon při stejné hustotě tepelného toku cca 1,8 – 2 kW na jednu sekci.

Tepelné čerpadlo voda-voda U tepelných čerpadel využívajících energie vody je nízkopotencionálním zdrojem tepla nejčastěji spodní voda odebíraná ze zdrojové studny a vypouštěná do vsakovací studny. Teplota spodní vody je v průběhu roku stálá a v hloubkách v rozmezí 8 až 10 m má teplotu asi 10 °C. Dobrý zdroj podzemní vody může být tedy nejlepším zdrojem tepla pro tepelná čerpadla. Průtok primární vody musí být vhodným způsobem hlídán, aby nebyl přerušen nebo nedošlo k jeho snížení pod požadované množství. Tím by došlo k možnému zamrznutí vody ve výparníku a poškození tepelného čerpadla. Potřebný průtok se stanoví na základě požadovaného výkonu tepelného čerpadla ze vztahu: P0  T  Qv    cp

kde

P0 ΔT Qv ρ cp

je -

(W)

(7)

požadovaný výkon zdroje tepla (W), ochlazení primární vody (K), průtok primární vody (m3.s-1), hustota kapaliny (vody) (m3.kg-1), měrná tepelná kapacita vody (J.kg-1.K-1).

Na studny jako zdroje tepla jsou kladeny požadavky nejen ohledně množství čerpané vody, ale i o její čistotu a chemické složení. Znečištěná nebo silně mineralizovaná voda může způsobit poruchu oběhu primární vody zanesením výparníku. Vyčerpaná voda se vrací do země pomocí vsakovací studny, která by měla být vzdálena od zdrojové studny 8 až 10 m. Jinou možností využití energie vody jako zdroje tepla pro tepelné čerpadlo je povrchová voda tekoucí nebo stojatá. V praxi se využívá povrchová voda výjimečně. Teplota povrchové vody je poměrně nízká, zamrzá a obvykle bývá znečištěná. Přímý a nepřímý odběr tepla z tekoucí vody z potoků, řek a rybníků musí být povolen majitelem či správcem povodí. Teplota vody v průběhu roku kolísá a v zimě klesá až k bodu mrazu, což může způsobit při menším průtoku zamrzaní výparníků. Nepřímý odběr tepla z tekoucí vody pomocí kolektorů může být vhodnější, neboť uzavřený primární okruh s nemrznoucí směsí není závislý na čistotě vody a odpadají problémy s možným zamrzáním výparníků. Kolektory jsou provedeny jedním z typů plošných kolektorů, uloženy jsou na dně toku, nemrznoucí směs musí být 32

Tepelná čerpadla ekologicky nezávadná. Povolení k uložení kolektorů je také podmíněno svolením majitele nebo správce povodí. Nepřímý odběr tepla ze stojaté vody, v případě položení kolektorů na dno rybníka se udává využitelný výkon asi 1,5 až 8 W.m-2 vodní plochy. Pokud je hloubka vody malá a odběr tepla vysoký, může dojít k namrzání ledu na kolektoru a tím ke snížení účinnosti. Protože ochlazení stojaté vody nesmí překročit určitou mez, aby nedošlo k ohrožení živočichů, není tento způsob odběru tepla příliš rozšířený. Z tohoto důvodu je prakticky nemožné získat povolení k uložení kolektoru od majitele nebo správce povodí.

Tepelné čerpadlo vzduch-voda Nízkopotencionálním zdrojem tepla může být okolní vzduch nebo vnitřní (odpadní) vzduch. Tepelná čerpadla typu vzduch - voda nepotřebují vrty ani zemní kolektory, proto jsou pořizovací náklady nižší a instalace jednodušší. Jednoduchost instalace a dostupnost vzduchu jako zdroje tepla je vykoupena poklesem výkonu i topného faktoru v chladnějších měsících, kdy s klesající venkovní teplotou klesá i výkon tepelného čerpadla. Obsah energie ve vzduchu silně závisí na vlhkosti a je-li vzduch chladný, je v něm i málo vody a dochází k poklesu množství energie ve vzduchu. Z tohoto důvodu v době kdy jsou venkovní teploty nejnižší a potřeba tepla v objektech nejvyšší, pracuje tepelné čerpadlo s nejnižším topným faktorem a výkonem. Dobrých výsledků proto dosahují tepelná čerpadla využívajících okolního vzduchu jako zdroje energie v klimaticky mírnějším pásmu s menším počtem mrazových dnů (Obr. 7). V případě vybavení objektu nuceným větráním, lze teplý odváděný vzduch využít jako zdroje tepla, neboť má relativně vysokou teplotu v rozsahu cca 18 až 24 °C a tepelné čerpadlo může pracovat efektivněji i za nižších venkovních teplot. Nevýhodou je, že větracího vzduchu je vždy pouze omezené množství. Další možnou variantou využití odpadního vzduchu by bylo využití tepla spalin, pokud by tepelné čerpadlo sloužilo k předehřevu vratné vody z otopného systému, která vstupuje do hlavního zdroje, kterým může být buď plynový kotel, nebo kotel na tuhá paliva.

Obr. 7 Tepelné čerpadlo vzduch - voda Tepelná čerpadla využívající energie vzduchu mají obvykle dvoudílnou konstrukci, venkovní a vnitřní část, pak se hovoří o děleném tepelném čerpadle. Venkovní vzduch je ve venkovní části tepelného čerpadla nasáván pomaloběžným ventilátorem a ochlazován. Průtok vzduchu činí řádově tisíce m3.h-1.V některých konstrukcích, je ve venkovní části výparník, expanzní ventil a ventilátor, zbývající díly včetně kompresoru jsou ve vnitřní části. Venkovní a vnitřní části jsou propojeny tepelně izolovaným měděným potrubím, ve kterém proudí chladivo. Jiné provedení tepelného čerpadla, které 33

Tepelná čerpadla nemají venkovní nebo vnitřní část se nazývají kompaktní. Tepelné čerpadlo je pak umístěno celé mimo objekt a topná voda proudí potrubím od tepelného čerpadla do objektu. Zde je zapotřebí zajistit ochranu potrubí s otopnou vodou proti zamrznutí v případě poruchy, nebo je tepelné čerpadlo umístěno v objektu a vzduch je nasáván a vypouštěn přes otvory ve zdi. Zde je nutno zabránit nasávání ochlazeného vzduchu.

5.3

Provoz tepelných čerpadel

Výkon tepelné soustavy a zdroje tepla se dimenzují tak, aby v objektu vnitřní teplota dosahovala potřebné hodnoty dle účelu objektu i tehdy, je-li venkovní teplota rovna výpočtové, to je 15°C, v klimaticky mírnějších oblastech -12°C, v oblastech klimaticky drsnějších -18°C. Dnů kdy teplota klesá pod -15°C, je v roce poměrně málo, ještě méně je dnů, kdy pod tuto hranici klesá i průměrná denní teplota. Stoupne-li denní teplota nad 20°C, topení se již vypíná. Tepelné čerpadlo se dimenzuje na výkon podle druhu provozu, který může být monovalentní nebo bivalentní. Dále podle připojení k topné soustavě, s teplotním spádem 90/70°C, nebo topné soustavě s teplotním spádem menším, např. pro podlahové topení. Jeho výkon nebývá předimenzován a nedá se jednoduše regulovat. Obvykle výkon tepelného čerpadla neodpovídá potřebě odběru tepla topnou soustavou. V sekundárním okruhu, ale tepelné čerpadlo potřebuje stálý průtok vody. Pokud jsou v systému použity termostatické ventily regulující teplotu topných těles omezením průtoku ze zdroje, nebo jiná regulace snižující průtok topné vody, může se voda v sekundárním okruhu tepelného čerpadla rychleji přehřívat a pak dochází k častému zapínání a vypínání tepelného čerpadla. Z tohoto důvodu se mezi tepelné čerpadlo a topný systém zařazuje akumulační nádrž, tepelné čerpadlo pak vyhřívá nádrž a průtok topné vody v sekundárním okruhu je stálý, nezávislý na změnách nastavení termostatických ventilů. Četnost zapínání a vypínání se sníží, nádrž akumuluje tepelnou energii a po dobu vypnutí tepelného čerpadla v době vysokého tarifu elektrické energie ji dodává do topného systému.

Bivalentní provoz tepelného čerpadla Potřeba výkonu pro vytápění se během roku mění. Tam kde tepelná ztráta objektu je větší než je maximální výkon tepelného čerpadla, který můžeme získat v důsledku nedostatečného zdroje nízkopotencionálního tepla, doplňuje se systém dalším, tzv. špičkovým zdrojem tepla. Obvykle elektrokotlem, který je v chodu v době kdy tepelné čerpadlo nepokryje tepelnou ztrátu objektu. Výkon tepelného čerpadla se v tomto případě dimenzuje na 50 až 80 % tepelných ztrát. U správně navrženého systému dodá špičkový zdroj tepla pouze 5 až 10 % z celkové tepelné ztráty objektu. Další možností, kdy tepelné čerpadlo pracuje v bivalentním provozu je při jeho připojení na teplotní systém s teplotním spádem 90/70 °C. Tepelné čerpadlo dosahuje nejlepších výsledků při výstupní teplotě topné vody do cca 50 °C. Dodáme-li do topného systému s teplotním spádem 90/70 °C topnou vodu s nižší teplotou, klesne výkon topné soustavy. Při bivalentním provozu tepelné čerpadlo předehřívá vratnou vodu hlavnímu zdroji tepla, kterým může byt libovolný kotel (na plyn, elektrokotel, na dřevo). Připojení tepelného čerpadla k topnému systému s vyšším teplotním spádem. Pokud se jedná o starší topnou soustavu s větším objemem topné vody v systému, může být připojení tepelného čerpadla a hlavního zdroje provedeno bez akumulační nádrže. Výkon tepelné soustavy závisí na venkovní teplotě, z tohoto důvodu není nutné, aby tepelná soustava se spádem 90/70 °C měla tento teplotní spád celoročně. Během většiny roku může být tento spád nižší. Kolik dní v roce bude tepelné čerpadlo krýt tepelnou ztrátu objektu samo a kolik dní v roce bude v provozu se špičkovým zdrojem tepla v průběhu roku. Tato závislost je také znázorněna pro srovnání tepelných soustav s vyšším a nižším teplotním spádem. U soustavy s nižším teplotním spádem je špičkový zdroj tepla v provozu 30 až 40 dnů v roce,

34

Tepelná čerpadla tj. ve dnech kdy průměrná denní teplota klesá pod mínus 5 °C, oproti soustavě s vyšším teplotním spádem, kde špičkový zdroj je v provozu 130 až 140 dnů v roce, ve dnech kdy průměrná denní teplota se začíná blížit k 0 °C. Omezení doby provozu špičkového zdroje tepla u soustavy s vyšším teplotním spádem je možné, při použití tepelného čerpadla dodávajícího topnou vodu o teplotě 65 až 75 °C do topné soustavy. Zvýšení teploty topné vody se, ale děje obvykle za cenu zhoršení topného faktoru. Z těchto důvodů je tedy zřejmé, že lepších výsledků je dosaženo při provozu tepelného čerpadla připojeného k nízkoteplotní topné soustavě.

Monovalentní provoz tepelného čerpadla U dobře izolovaných objektů kde se tepelná ztráta pohybuje do 10 kW, může tepelné čerpadlo pracovat v monovalentním provozu, tedy bez doplnění špičkovým zdrojem tepla a tepelnou ztrátu objektu pokrývá celoročně samo. Výhodné u tohoto typu provozu je, že tepelné čerpadlo nespolupracuje s dalším zdrojem tepla a mírné předimenzování zvýší jeho spolehlivost. U tepelného čerpadla typu vzduch – voda není monovalentní provoz téměř možný, neboť na teplotě vzduchu je závislý výkon i topný faktor. Z důvodu poklesu výkonu tepelného čerpadla s venkovní teplotou bychom pro monovalentní provoz potřebovali výrazně větší tepelné čerpadlo než pro provoz bivalentní. Proto pro monovalentní provoz je výhodnější využít tepelná čerpadla typu voda – voda nebo země – voda, u kterých je teplota nízkopotencionálního zdroje tepla v průběhu roku téměř stabilní. Obdobně jako u bivalentního provozu tepelného čerpadla, při provozu monovalentním je dosaženo lepších výsledků při připojení tepelného čerpadla k soustavě s nízkoteplotním spádem, kde je dosaženo lepšího topného faktoru.

Shrnutí pojmů kapitoly 5 Tepelná čerpadla se řadí mezi alternativní zdroje energie, protože umožňují odnímat teplo z okolního prostředí (vody, vzduchu nebo země), převádět ho na vyšší teplotní hladinu a následně účelně využít pro vytápění nebo přípravu teplé vody. Prakticky dochází k tomu, že látku (zemi, vodu nebo vzduch) ochladíme o několik málo stupňů, čímž odebereme teplo, a tuto energii využijeme při ohřevu jiné látky jako je voda v bazénu, teplá voda, či voda v topné soustavě, kterou ohřejeme také o několik málo °C, ale na úrovni pro nás přijatelné. Pro přečerpání tepla na vyšší teplotní hladinu, tedy i pro provoz tepelného čerpadla, je třeba dodat určité množství energie. Prakticky to znamená, že tepelné čerpadlo spotřebovává pro pohon kompresoru elektrickou energii. Protože její množství není zanedbatelné, lze tepelné čerpadlo považovat za alternativní zdroj tepla pouze částečně. Zjednodušeně lze říci, že tepelné čerpadlo spotřebovává přibližně jednu třetinu svého výkonu ve formě elektrické energie. Zbývající dvě třetiny tvoří teplo, které je odnímáno z ochlazované látky. Tepelné čerpadlo obsahuje čtyři základní části chladícího okruhu: výparník, kompresor, kondenzátor a expanzní ventil. Teplo odebrané venkovnímu prostředí se ve výparníku předává pracovní látce (kapalnému chladivu) při relativně nízké teplotě. Zahřátím chladiva dojde k jeho odpaření a páry jsou následně stlačeny v kompresoru na vysoký tlak. Stlačené chladivo je přiváděno do kondenzátoru, kde při kondenzaci předává teplo do topné vody za vyšší teploty, než bylo teplo ve výparníku odebráno. V expanzním ventilu se cyklus uzavírá a dochází ke snížení tlaku chladiva na původní hodnotu ve výparníku.

35

Tepelná čerpadla

Otázky ke kapitole 5 1. Popište princip tepelného čerpadla. 2. Co je to topný faktor? 3. Popište princip čerpadla země – voda. 4. Popište princip čerpadla voda – voda. 5. Popište princip čerpadla vzduch – voda. 6. Na jaké podmínky se dimenzují tepelná čerpadla? 7. Popište systém bivalentního provozu tepelných čerpadel. 8. Popište systém monovalentního provozu tepelných čerpadel.

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu [1]

ŽERAVÍK, A. Stavíme tepelné čerpadlo. 1.vyd. Přerov: vlastním nákladem, 2003. 312 s. ISBN 80-239-0275-X

[2]

SRDEČNÝ, K., TRUXA, J. Tepelná čerpadla. 2.vyd. Brno: ERA, 2007. 68 s. ISBN 978-80-7366-089-5.

[3]

RÉDR, M. Tepelné hospodářství hutí. 1.vyd. Ostrava: VŠB Ostrava, 1980. 440 s.

[4]

TZB. [online]. [cit. 2013-07-16]. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/953-tepelna-cerpadla-prokazdeho-i

36

Solární vytápění

6

Solární vytápění Čas ke studiu: 5 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět    

popsat sluneční záření jako zdroj energie popsat princip výroby el. energie ze slunce charakterizovat výrobu tepla ze sluneční energie popsat základní typy slunečních kolektorů

Výklad Sluneční záření, jako téměř nevyčerpatelný energetický zdroj lze využívat mnoha způsoby. Formy využití solární energie v praxi rozdělujeme do dvou základních skupin. Pasivní využití solární energie je založeno na využití tzv. solární architektury a je dáno především architektonickým a stavebním řešením budov. Jeho principy jsou známy již od antických dob a umožňují maximální využití sluneční energie v zimních obdobích a naopak v obdobích zvýšeného slunečního svitu zabraňují přehřívání objektů. Aktivní využití sluneční energie spočívá v přeměně slunečního záření na teplo nebo elektrickou energii a je realizováno pomocí přídavných technických zařízení. Výroba tepla je realizována pomocí slunečních kolektorů a získané teplo je využíváno k přípravě teplé vody, ohřevu bazénů a přitápění budov pomocí teplovodního nebo teplovzdušného vytápění. Pro výrobu elektrické energie je možno využít jednak fotovoltaické články a termočlánky, jednak články palivové.

6.1

Využití solárních systémů pro výrobu elektrické energie

Jedním ze způsobu využití slunečního záření, které dopadá ne zemský povrch, je přeměna tohoto záření na elektrickou energii. Elektřinu ze slunce lze vyrábět dvěma způsoby, a to buď přímo, nebo nepřímo. Přímo jí lze získávat pomocí fotovoltaických panelu, nepřímo pak pomocí termočlánků. Základním stavebním kamenem fotovoltaických systémů je fotovoltaický článek. Fotovoltaické sluneční články jsou jedním z výsledků výzkumu polovodičů a v poslední době i rychle rostoucím průmyslovým oborem. Výroba elektrické energie v nich je založena na fotoelektrickém jevu, objeveném v roce 1938. Při tomto jevu dochází k emitování elektronů z dané látky (nejčastěji kov, také např. zinek, křemík a jiné) díky působení světla. Vyzařované elektrony jsou nazývány fotoelektrony. Články se vyrábí z křemíku (monokrystalického a polykrystalického). Základem je tenká křemíková destička, (polovodič typu P) na kterou se při výrobě tohoto článku nanese vrstvička polovodiče typu N. Tyto dvě vrstvy jsou odděleny P-N přechodem. Při dopadu fotonů na křemíkovou destičku se emitují elektrony a tím vzniká elektrické napětí (0,5 až 3 V), jehož velikost je úměrná počtu vrstev a intenzitě slunečního záření. Celý fotovoltaický panel se skládá z řady fotovoltaických článků zapojených sériově nebo paralelně v závislosti na celkovém požadovaném napětí.

37

Solární vytápění První sluneční článek založený na monokrystalickém křemíku byl připraven v roce 1953 v Bellových laboratořích. Sluneční články prošly intenzivním výzkumem a vývojem a jejich účinnost se zvyšovala. V dnešní době maximální účinnost průmyslově vyráběných článků dosahuje přibližně 20 %. První generace fotovoltaických článků je představována v současnosti nejrozšířenější technologií krystalických křemíkových článků. Nevýhodou krystalických článků ve srovnání s novějšími technologiemi jsou vyšší nároky na spotřebu polovodičových materiálů. V případě křemíku, jednoho z nejrozšířenějších prvků v zemské kůře, tato skutečnost představuje problém pouze z hlediska spotřeby energie na výrobu. Ostatní prvky (gaillium, germanium) by se však při masovém rozšíření fotovoltaiky mohly stát nedostatkovými. Druhá generace fotovoltaických článků je reakcí na nevýhody první generace. Do této kategorie lze zařadit většinu typů tenkovrstvých článků, jako komerčně dostupné typy - kadmiumtelur, měď-indium-selen, měď-indium-galium-selen, amorfní křemík. Nejnovější poznatky v této oblasti vyústily do přípravy třetí generace fotovoltaických článků. Vyšší účinnosti lze dosáhnout použitím více vrstev, z nichž každá využívá pouze část slunečního spektra - fotony, jejichž energie je vyšší než šířka zakázaného pásu dané vrstvy ostatní záření propouští do nižších vrstev. Dvouvrstvé články mohou dosáhnout teoreticky účinnosti 42 %, třívrstvé 49 %, šestivrstvé kolem 65 %. V současnosti nejvyspělejší typy jsou představovány tzv. koncentrátorovými články, které využívají pro svou činnost pouze část dopadající sluneční energie přímé sluneční záření - které je do článku koncentrováno pomocí zrcadel nebo Fresnelových čoček. Výkon článků závisí na okamžitém slunečním záření. Z toho důvodu se jejich výkon udává jako tzv. špičkový, tedy při dopadajícím záření s intenzitou 1 000 W.m-2. Životnost těchto panelů se odhaduje minimálně na 20 let. Sériovým nebo i paralelním elektrickým propojením solárních článků vzniká po jejich zapouzdření fotovoltaický panel. Panel musí zajistit hermetické zapouzdření solárních článků, musí zajišťovat dostatečnou mechanickou a klimatickou odolnost (např. vůči silnému větru, krupobití, mrazu apod.). Konstrukce solárních panelů jsou značně rozmanité podle druhu použití. Obvykle jsou po obvodu panely opatřeny duralovými rámy pro zpevnění celé konstrukce fotovoltaického panelu a zároveň k usnadnění realizace uchycení panelů ke konstrukci systému. Přední krycí materiál je speciální kalené sklo, které odolává i silnému krupobití. Proto, aby solární panely správě fungovaly a byly využívány na 100 %, je třeba k nim připojit kromě elektrických spotřebičů i další technické prvky. Těmito prvky se rozumí: akumulátorová baterie, regulátor nabíjení, napěťový střídač, indikační, zobrazovací, kontrolní a měřicí přístroje, případně automatické sledovače Slunce. Solární systémy, sloužící pro výrobu elektrické energie mohou existovat buď ve spojení s centrální rozvodnou sítí, nebo samostatně.

6.2

Využití solárních systémů pro výrobu tepla

Energii Slunce, lze využívat nejen pro výrobu elektrické energie, ale také pro výrobu energie tepelné. Aplikace solárních systémů pro výrobu tepla představuje v současné době nejrozšířenější způsob využívání energie slunečního záření. Většina takto instalovaných systémů je určena pro ohřev teplé vody, menší část pro vytápění a popřípadě ohřev vody v bazénech. Základní části solárního systému představuje absorbér (absorpční deska). Těleso absorbéru je obvykle vyrobeno z hliníku, mědi, nebo oceli a jeho povrch je opatřen absorpční vrstvou, která má za úkol pohltit co největší podíl dopadajícího slunečního záření. U jednodušších a levnějších systémů jsou používány tmavé, matné nátěry; kolektory vyšší kvality jsou opatřeny speciální vrstvou galvanicky nanášených nebo vakuově napařovaných kovů (černý chrom, černý nikl). Tyto vrstvy mají velmi vysokou pohltivost (až 96 %) a nízkou schopnost odrazu světelného záření (jen 4 až 15 %). Kryt absorbéru tvoří solární kalené sklo, které má tloušťku až 5 mm. Jeho pevnostní charakteristiky jej dělají odolné proti zatížení sněhem, krupobití apod. Solární sklo je charakteristické tím, že má

38

Solární vytápění vysokou propustnost pro viditelné záření a blízké IR záření. Je naopak minimálně propustné pro dlouhovlnné záření tepelné. Získaná tepelná energie je z kolektoru odebírána pomocí teplonosného média (nemrznoucí kapalina, voda nebo vzduch), které je umístěno v trubkovém systému různé orientace a tvaru, uchyceném na kolektoru (Obr. 8).

Obr. 8 Schéma zapojení solárního okruhu [7] Další nezbytnou částí solárního systému je solární zásobník - nádoba, která slouží k vlastnímu ohřevu a skladování teplé užitkové vody (TUV). Doplňkově může být TUV ohřívána tepelnou energií z ústředního topení nebo elektřinou. Velikost zásobníku pro solární systém musí odpovídat ploše slunečních kolektorů. Další součástí solární sestavy je solární výměník tepla, který zajišťuje předání tepla z teplonosného media do ohřívané vody a je součástí zásobníku. Přívodní potrubí je navrženo na odpovídající tlak, průtok, teplotu teplonosné kapaliny v potrubí. V případě, že dojde ke zvýšení tlaku vlivem kolísání teploty, je nutné ho vyrovnat. To se děje v expanzní nádobě, která musí být zkonstruována na předpokládanou maximální hodnotu, kterou může teplonosná kapalina vyvinout (letní ohřev – voda, celoroční provoz – nemrznoucí kapalina). Ve většině systémů zajišťuje dopravu teplonosné kapaliny oběhové čerpadlo. Celý systém musí být samozřejmě spojen potrubím s odvzdušňovacím ventilem.

6.3

Konstrukční řešení a typy solárních panelů

V současné době je možno v praxi rozlišit několik konstrukčních typů solárních panelů, od nejjednodušších typů, určených pouze pro sezónní provoz až po vysoce účinná zařízení, která je možno provozovat celoročně. Kolektory se rozdělují na dva základní typy a to na ploché kapalinové a trubicové vakuové kolektory.

Ploché kapalinové kolektory Ploché kapalinové sluneční kolektory jsou v dnešní době nejrozšířenějším slunečním kolektorem. Mají vysoce selektivní vrstvu absorbéru, dosahují výborných výkonnostních vlastností při celoročním provozu a vykazují výhodný poměr dosaženého výkonu vůči vynaloženým investičním nákladům. Nejsvrchnější vrstvou je ochranné speciální sklo. To má za úkol chránit kolektor před povětrnostními vlivy. Tyto kolektory jsou přizpůsobeny pro celoroční provoz. Veškeré technologické

39

Solární vytápění součásti, u kterých není nutnost, aby byly na střeše, se umisťují do kotelny. Kolektory lze umístit nejen na střechu, nebo na volný terén, ale také třeba i na fasádu domu. Existují také ploché zasklené sluneční kolektory vakuové, které mají menší tepelné ztráty vyzařovanými do okolního prostoru, což je dáno přítomností vakua. Tyto kolektory se využívají, když je potřeba připravovat vodu zásobníku na teplotu vyšší, než je teplota 80 °C. Kolektory se po instalaci na místo tzv. vyvakuovávají, což se kontroluje zkouškami těsnosti. Přítomnost vakua se těchto kolektorů hlídá ukazateli vakua – klesne-li vakuum pod určitou mez, je pak nutné obnovit vakuum pomocí opětovného vyvakuování. Pro své výkonnostní parametry se tyto kolektory hodí pro vytápěcí systémy a průmyslové aplikace, jsou však oproti klasickým kolektorům dražší.

Trubicové vakuové kolektory Trubicové vakuové kolektory vykazují větší účinnost v jarním a podzimním období oproti klasickým kolektorům. Lze je také využít pro přípravu teplé užitkové vody, nebo dohřevu vody v bazénu. Jejich cena se začíná v současné době snižovat a vzhledem k jejich vyšší účinnosti jsou žádaným zbožím na trhu. Tyto typy kolektorů je vhodné instalovat na fasádu domů, jsou ale náchylnější v zimním období (sníh a led). Jejich výhodou je také to, že při poškození jedné trubice, není potřeba odstavovat celý kolektor, ale trubici lze samostatně dokoupit a jednoduše vyměnit. Životnost trubic udává výrobce až 20 let i díky tomu, že trubice jsou zatavené a celoskleněné.

Koncentrační kolektory Dalším speciálním typem kolektoru je koncentrační kolektor. Koncentrační kolektory jsou zařízení, ve kterých nedokonale kombinují prvky aktivního i pasivního solárního systému. U těchto systémů je základním konstrukčním prvkem koncentrátor slunečního záření lineární Fresnelova čočka, která je vyráběná ze skla metodou kontinuálního lití. Dvojsklo s Fresnelovou čočkou jsou umístěna do zasklívacích rámů vyrobených z hliníku nebo dřeva. Tyto rámy se pak umisťují jako střešní plášť a nahrazují střešní krtinu. Tyto kolektory mají dvě funkce – slouží jako prosvětlovací prvek a zároveň zachycují tepelnou energii pro výrobu teplé užitkové vody. Fresnelova čočka soustřeďuje slunečního záření do lineárního ohniska, kde je umístěn absorbér s měděnou trubkou. Zde se mění sluneční záření na tepelnou energii. Z měnící se polohu Slunce se mění i poloha ohniska Fresnelových čoček – proto je hliníkový rám s absorbéry pohyblivý a jeho polohu řídí elektronika. Účinnost koncentračního kolektoru je zhruba 1/3 vhledem k plochým kolektorům – proto se využívají spíše tam, kde není jiná možnost, např. u historických budov z estetického hlediska.

6.4

Rozdělení solárních systémů

Dělení podle systému Aktivní systémy jsou častou označovány jako solární systémy s nuceným oběhem. Teplonosná kapalina je rozváděna do systému pomocí oběhového čerpadla. Průtok teplonosné kapaliny v systému je možno regulovat a mít ho stále pod kontrolou, a tím zajistit vyšší účinnost přenosu tepla, to je spolu s účinností jedna z výhod systému s nuceným oběhem. Nevýhodou aktivního systému jsou vyšší pořizovací náklady, složitost celého systému a nižší spolehlivost co se týče možného výpadku čerpadla. Pasivní systémy nejsou závislé na čerpadlech ani na vnějším zdroji energie, neboť k cirkulaci teplonosného média v systému využívají gravitaci mezi kolektorem a zásobníkem. Kapalina proudí díky rozdílným hustotám mezi ohřátou a ochlazenou teplonosnou kapalinou. Z toho důvodu je nutné solární zásobník umístit výše než kolektory. Jednou z nevýhod pasivních systému je horší regulace

40

Solární vytápění průtoku a nižší účinnost zařízení. Naopak výhodou solárních systému se samočinným oběhem jsou nižší pořizovací náklady, jednoduchost a jak už bylo řečeno na začátku nezávislost na vnějším zdroji energie.

Dělení podle počtu okruhů Podle počtu okruhů dělíme solární systémy na otevřené a uzavřené. Otevřené solární systémy čerpají teplou užitkovou vodu přímo ze solárních kolektorů, tzn., že pracují na jeden okruh. Uzavřené solární systémy čerpají teplou užitkovou vodu z výměníku a ten jí čerpá ze solárních kolektorů, tzn., že pracují na dva okruhy. Jednookruhové systémy ohřívají teplou užitkovou vodu přímo z kolektorů a pracují tedy bez výměníku tepla. Výhodou těchto systémů je velmi vysoká účinnost přenosu tepla, nižší pořizovací náklady a jednoduchá instalace. Naproti tomu lze tento systém využívat jen pro sezónní provoz, neboť zde hrozí nebezpečí tvorby různých bakterií a řas. Navíc zde hrozí zamrznutí vody při nízkých venkovních teplotách. Vlivem používání neupravené vodovodní vody dochází k zanášení a korozi kolektoru i celého systému. Proto se používá výhradně v nejjednodušších zařízeních pro sezónní ohřev vody. Dvouokruhové systémy již pracují s výměníkem tepla a dvěma na sobě nezávislými okruhy. První ze dvou okruhů rozvádí teplonosnou kapalinu do kolektorů a do výměníku tepla, druhý pak přebírá teplo z výměníku a rozvádí jej do místa spotřeby. Primární okruh je opatřen proti nízkým teplotám nemrznoucí směsí. Jednou z velkých předností dvoukruhových systémů je možnost jej využívat celoročně. Nevýhodné jsou u těchto systémů ztráty na teple ve výměníku tepla a vyšší pořizovací náklady.

Dělení podle doby provozu Podle doby provozu se solární systémy rozdělují na systémy s celoročním využitím a na systémy pouze pro sezónní použití. Liší se od sebe použitým materiálem a obsaženou kapalinou jak je uvedeno v následujícím textu. Solární kolektory pro celoroční provoz dodávají energii po celý rok, tedy i v chladném období roku. Hydraulická část primárního solárního okruhu je plněna nemrznoucí kapalinou, celý systém je pevně zabudovaný a pracuje ve většině případů na principu nucené cirkulace. Výhodou je vysoká účinnost, dlouhodobá životnost a odolnost systému vůči vysokým teplotám v letním období. Automatický provoz celého systému má na starosti diferenční regulátor teploty, díky tomu se nevyžaduje stálá provozní údržba. Solární systémy pro sezónní provoz nejsou obvykle opatřeny tepelnou izolací a zasklením, proto mohou plnit svou funkci pouze v letním období. Absorbéry jsou zkonstruovány z plastu a mají nižší absorpční účinnost a odolávají ne příliš vysokým teplotám. Tento systém přímo ohřívá vodu, která se spotřebovává, např. teplou užitkovou vodu, nebo vodu v bazénu. V zimním období se celý systém vypouští a doporučuje se úplně demontovat z místa použití. Funguje na samotížném principu, pokud to dovolí výškové poměry, nebo se instaluje diferenční regulátor teploty.

Dělení podle rychlosti průtoku média High-Flow systém (HF) je opatřen zásobníkem, který se vyhřívá pomalu, takže dosažení požadované teploty trvá déle. Je to způsobeno tím, že teplonosná kapalina v kolektorech se při jednom průtoku zahřeje jen o 8 až 12 ºC při plném slunečním záření. Průtok je závislý na nastavení regulace a stejném tlaku čerpadla. Tím, že dochází k malým nárůstům teploty kapaliny v kolektorech, se dá říci, že jejich účinnost je maximálně využita. Menší solární systémy jsou v dnešní době provozovány převážnou většinou touto technikou.

41

Solární vytápění Low-Flow systémy (LF) pracují se značně sníženým průtokem v solárním okruhu. To vede k tomu, že je teplonosná kapalina ohřátá ve velmi krátkém časovém horizontu až o 50 ºC. Rychlé ohřátí kapaliny je výhodou, která aby byla plně využita, musí být LF systém doplněn o zásobník s nabíjením ve vrstvách. U této soustavy jsou trubky zhotoveny s menším průřezem, což vede k menším tepelným ztrátám a tedy k cenovým úsporám. Díky pomalé cirkulaci teplonosné kapaliny v systému není zapotřebí čerpadla s velkým výkonem. Teplotu kapaliny na vstupu do kolektorů je výhodné udržet na co nejnižší teplotě, aby nedocházelo k horší účinnosti v důsledku toho, že kolektor pracuje při vysokých teplotách. Velké soustavy jsou dnes bez výjimky konstruovány pro provoz v LF systému. Matched-Flow systém (MF) se snaží spojit výhody obou již zmíněných solárních soustav. LF technika dokáže zabezpečit dostatečnou teplotu, HF pak optimální výnos. Průtok teplonosné kapaliny leží u dosud realizovaných systému v mezi 10 – 40 l.m-² hod-1. Drain-Back systém (DB) je z pohledu konstrukce řešen atypicky. V době, kdy není dostatečné sluneční záření a teplonosná kapalina by tedy nebyla zahřátá na požadovanou teplotu, se veškerá kapalina ze soustavy sama vyčerpá do záchytné nádrže do té doby, než čerpadla naběhnou a rozvedou kapalinu opět do systému. Teplonosnou kapalinou v tomto případě může být i obyčejná voda. K varu kapaliny nemůže nikdy dojít, neboť čerpadla snímají její teplotu a v ohrožení jsou schopna se sama vypnout. Z tohoto důvodů se považují za jedny z nejbezpečnějších typů solárních systému.

Shrnutí pojmů kapitoly 6 Solární energetika je jedno z odvětví, které v posledních letech zaznamenává rychlý nárůst produkce. Nejedná se však o žádný nový obor, jak by se mohlo jevit, ale má za sebou již více než půl století vývoje. Po nízkém využití solární energie v osmdesátých letech začala solární příprava teplé vody nabývat zvýšenou měrou na významu. V letních i zimních měsících je teplá voda potřebná pro celou domácnost, navíc v létě je sluneční energie velké množství, a proto je velmi výhodné využívat teplo ze Slunce pro přípravu teplé vody. V posledních letech byl zaznamenán rychlý rozmach solárních technologií v ČR také neuváženými legislativními opatřenímy. Solární ohřev na nízké úrovni zaznamenal uplatnění jak v oblasti domácností, tak v průmyslu. Velký podíl solárních soustav je instalován v domech pro jednu či dvě rodiny, kde se zhruba 80 % energie spotřebuje na vytápění a přípravu teplé užitkové vody. V našich podmínkách je možno aktivní sluneční systémy doporučit zejména pro již zmíněný ohřev teplé užitkové vody či ohřívání bazénů, avšak energie ze Slunce má i jiné uplatnění. Jedna se například o vytápění budov v zimním období, i když tento způsob není možno uplatnit pro klimatické pásmo, ve kterém se nachází Česká republika, neboť v zimě je u nás nedostatek slunečního záření. Výjimkou jsou pouze investičně náročné systémy s dlouhodobou akumulací tepla získaného v letních měsících. Široké pole působností má sluneční energie i v tzv. pasivním slunečním vytápění, při kterém budova sama záření zachycuje, nebo hybridní systémy s energetickou fasádou.

Otázky ke kapitole 6 1. Definujte sluneční záření jako zdroj energie. 2. Na jakém principu pracuje fotovoltaický článek? 3. Jakou funkci plní absorbér u slunečního kolektoru? 42

Solární vytápění 4. Popište plochý kapalinový kolektor. 5. Popište trubicový vakuový kolektor. 6. Podle jakých hledisek lze rozdělit sluneční kolektory?

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu [1]

CIHELKA J. Solární tepelná technika. 1. vydání. Praha: Nakladatelství T. Malina, 1994. 208 s. ISBN 80-900759-5-9.

[2]

MURTINGER K., BERANOVSKÝ J., TOMEŠ M. Fotovoltaika: elektřina ze slunce. 2. vydání. Brno: nakladatelství ERA, 2008. 81 s. ISBN 978-80-7366-133-5.

[3]

OGOUN M. Základy solární techniky: čtyřjazyčný výkladový slovníček. 1. vydání. Praha: Technické vydavatelství Praha, spol. s.r.o., 2003. 60 s. ISBN 80-903261-0-2.

[4]

REMMERS K. H. Velká solární zařízení. 1. vydání. Brno: Vydavatelství ERA, 2007. 312 s. ISBN 978-80-7366-110-6.

[5]

LADENER H., SPATE F. Solární zařízení. Praha: Grada publishing, 2003. 268 s. ISBN 80247-0362-9.

[6]

BROŽ K., ŠOUREK B. Alternativní zdroje energie. 1. vydání. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2003. 213 s. ISBN 80-01-02802-X.

[7]

BAŠTA, J. aj. Topenářská příručka: 120 let topenářství v Čechách a na Moravě. 1. vyd. Praha: GAS s.r.o, 2001. 1122 s. ISBN 80-861-176-81-9.

43

Další způsoby vytápění

7

Další způsoby vytápění Čas ke studiu: 4 hodiny

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět    

definovat možné další způsoby vytápění budov popsat princip podlahového vytápění popsat princip infračervených zářičů popsat teplovzdušné vytápění

Výklad Trend nárůstu spotřeby energií na provoz vytápěcích zařízení vede k stále většímu využívání i dalších způsobů vytápění. Tyto možnosti vytápění jsou dnes již běžnou alternativou klasických způsobů vytápění a se stálým rozvojem těchto zařízení, mnohdy i finančně zajímavější. Každý provozovatel vytápěného objektu musí vždy zvážit, pro jaký způsob vytápění se rozhodne a který je pro dané podmínky nejvýhodnější.

7.1

Podlahové vytápění

Při sálavém vytápění interiérů se využívá hlavně sálavý tepelný tok vytápěné plochy (tělesa), kterým se přímo, to jest bez interiérového vzduchu jako prostředníka, zahřívají okolní plochy a stěny stavebních konstrukcí. Na přenos tepla konvekcí připadá jen velmi malá část tepleného toku. Proto i vnitřní povrchové teploty stavebních konstrukcí vytvářejících interiér jsou u sálavého vytápění teplejší než vzduch v těchto místnostech (na rozdíl od konvekčního vytápění). Sáláním se přenáší 60-80 % tepelného toku a zbytek konvekcí. Z toho vyplývají požadavky na zabezpečení: 

tepelné rovnováhy osálaných stěn,



teplené rovnováhy větracího vzduchu,



tepelné rovnováhy člověka v interiéru.

Cílem vytápění interiérů je zabezpečit teplenou pohodu člověka. Musí být tedy dosaženo takových poměrů, při kterých člověk necítí ani chlad ani nadměrné teplo. Termoregulační systém člověka není nadměrně zatížen, to znamená, že kritérium výskytu průměrné povrchové teploty a množství potu vylučovaného pokožkou je ve správných mezích. V souvislosti s podlahovým vytápěním dostává velkou váhu zejména dodržení faktoru účinné teploty okolních ploch. Je definována jako teplota ploch interiéru, při které by byl celkový tepelný tok sáláním mezi okolními plochami a povrchem lidského těla rovný. Lidské tělo by mělo sáláním vydat asi 40 % celkového produkovaného tepla. Dolní hranice teplot stěn by neměla klesnout o 2 až 4 °C pod teplotu vnitřního vzduchu a horní hranice teplot by neměla přesáhnout teplotu lidského těla o 6 až 8 °C. Nízkoteplotní vytápěním, kterým podlahové 44

Další způsoby vytápění vytápění je, splňuje oba dva požadavky. Má nižší povrchovou teplotu vytápěné plochy a zároveň zahřívá vnitřní povrch okolních stěn o 2 až 3 °C stupně nad teplotu vnitřního vzduchu. Podlahové otopné plochy se obvykle vytvoří stejně jako plochy stropní, tj. nejčastěji tak, že se trubkové hady vloží do vrstvy betonu. Takto vytvořený otopný systém se od toho stropního liší pouze masivností konstrukce, protože podlaha musí nést značné zatížení. Povrchová teplota je také rozdílná, kde u podlahového vytápění dosahuje obvykle 25 až 30 °C. Teplota otopné vody je 45/35 °C nebo 40/30 °C. Pod betonovou desku s trubkami se vkládá vrstva tepelné izolace. Tato izolace však může odpadnout v případech, kdy se tepla sdíleného dolů využije k vytápění spodní místnosti. Podlahové otopné soustavy se zabetonovanými trubkami mají velkou tepelnou setrvačnost, a proto je lze používat pouze při nepřerušovaném dlouhodobém vytápění. Při přerušované dodávce tepla plní masivní podlahová otopná plocha funkci tepelného akumulátoru. Vyšší teploty otopné vody až 100 °C lze použít u podlahových otopných ploch s trubkami v dutině. Trubky jsou vloženy do dutin vytvořených buď mezi žebry nosného stropu, nebo ve vrstvě betonu, nebo do zvláštních dutých tvárnic. Tepelná setrvačnost takto zhotoveného topení je menší než u ploch se zabetonovanými trubkami ale lze je opět používat jen pro nepřerušované vytápění. Volba podlahového vytápění je podmíněná především charakterem samotného objektu. Ten musí splňovat tepelně-technické vlastnosti, aby zejména průměrná tepelná ztráta byla menší než 20 až 25 W.m-3, resp. průměrná roční spotřeba tepla by měla být nižší než 70 až 80 kWh.m-2 . Z uvedeného vyplývá, že minimální energetická náročnost je způsobena především vlastním objektem, dále provozním režimem s možností akumulace tepla v podlaze s tepelnou setrvačností přibližně 4 až 8 hodin a s vysokým stupněm samoregulace.

Rozdělení podlahového vytápění Současný trh nabízí několik konstrukčně odlišných řešení. V podstatě se můžeme rozhodovat mezi vytápěním teplovodním a elektrickým, u teplovodního si navíc vybrat mezi mokrým či suchým způsobem instalace, u elektrického zase mezi vytápěním akumulačním nebo přímým. Do jisté míry ale naši volbu ovlivní skutečnost, zda stavíme nový dům nebo pouze rekonstruujeme otopnou soustavu ve starším objektu. Teplovodní rozvody dnes ponejvíce využívají plastových trubek s protikyslíkovou bariérou. Ta brání pronikání vzdušného kyslíku a následné tvorbě rzi a usazenin na jejich vnitřních stěnách, což prodlužuje životnost celé topné soustavy. Trubkové rozvody se kladou ve spirále nebo meandru do vrstvy betonu nad tepelně odizolovaný základ. Voda, která v nich proudí, má ovšem nižší teplotu, než na jakou jsme zvyklí u klasických radiátorů. Rozvody lze napojit na stávající systém s jakýmkoli kotlem a vytápět tak celý dům. Jelikož se ale jedná o nízkoteplotní soustavu, je pro ni nejvhodnější spojení s tepelným čerpadlem, případně slunečními kolektory. Dům lze samozřejmě vytápět i kombinovaným způsobem, část pomocí radiátorů a část podlahovými rozvody. Dnešní technika se už obejde bez výměníku, dokáže oba rozdílné teplotní režimy napojit na jeden rozdělovač a pomocí speciální regulace pracovat s jedinou teplotou topné vody - většinou jsou tyto systémy navrhovány na teplotní spád 70/55°, zatímco u podlahového vytápění je to obvykle 40/30°. Konstrukce podlahového vytápění lze také vytvořit jako “plovoucí podlaha neboli plovoucí mazanina“, to znamená, že žádná část konstrukce podlahy není pevně spojena s konstrukcí objektu. Základní hrubá skladba konstrukce podlahového vytápění se skládá z těchto vrstev: 

hrubá podlaha,



hydroizolace,



tepelná izolace,



hydroizolace, 45

Další způsoby vytápění 

topný had,



betonová mazanina,



podlahová krytina.

Obr. 9 Schéma podlahového vytápění [6] Skladba konstrukce se může mírně lišit podle druhu použitých systémů. Liší se konstrukční výšky podlah podle jejich umístění. Hrubá podlaha je řešena v rámci konstrukce stavební části budovy. Při jejím návrhu je třeba počítat se zatížením 60 až 100 kg.m-2 od vrstvy betonu pro zalití otopného hada. Hydroizolace na hrubou podlahu je nutná pouze u konstrukcí přilehlých k zemině (Obr. 9). Teplená izolace musí vyhovovat požadavkům kladeným na tepelný odpor konstrukce pod topným hadem. Požadovaný tepelný odpor se liší podle umístění podlahového vytápění. Druh a rozsah opatření na ochranu proti vlhkosti musí být stanoveny vedením stavby.

Dělení podle média a) teplovodní podlahové vytápění Teplovodní podlahové topení tvoří soustava dnes již převážně plastových trubek, položená na tepelné izolaci a zalitá betonovou směsí (anhydritovým potěrem). Systém doplňuje zařízení na ohřev vody (kotel) a oběhové čerpadlo. Plastové trubky se ukládají buď do speciální profilované desky, nebo se „vplétají“ do vodicích lišt. Pokládka je rychlá a jednoduchá a životnost takřka neomezená. Pod plastovými trubkami je vždy umístěna izolace – tepelná a příp. i zvuková. Ohřev potěru, ve kterém je podlahové topení uloženo může začít až po jeho přirozeném vyschnutí (obvykle 28 dnů) a teplota se zvyšuje postupně cca o 5 stupňů denně. b) elektrické podlahové vytápění Tam, kde je rozhodující nízká stavební výška podlahy, například při rekonstrukcích, lze použít elektrické podlahové topení. Používá se v různých provedeních:

46

Další způsoby vytápění Topné fólie Tenké folie (tloušťka 0,4 mm), které se pokládají suchým způsobem přímo pod plovoucí dřevěnou (laminátovou podlahu). Skladba takové podlahy je následující. Na podklad (vyzrálý potěr, beton) se položí polyethylénová folie, jako izolace proti vlhkosti. Na tuto folii se položí izolace proti kročejovému hluku (např. pěnový polyethylen), na kterou se již pokládá topná folie, která se opět překrývá polyethylenovou folií. Následně se již pokládá plovoucí dřevěná, nebo laminátová podlaha. Topné rohože Tyto rohože (tloušťka cca 3 až 6 mm) jsou vyráběny z topných kabelů jako šité, nebo lepené. Na podlahu se ukládají do samonivelační hmoty o tloušťce 10 až 15 mm. Nivelační hmota je u plovoucích podlah překrývána opět folií z pěnového polyethylenu. Tento způsob uložení může, zejména bezprostředně po zapnutí, zpomalit ohřev podlahy. Výhodou je opět rovnoměrné rozdělení tepla a nízká výška podlahy. Topné kabely Obvykle se instalují do vrstvy betonové podlahy o tloušťce 10 až 15 cm, kde následně fungují obdobně, jako plastové trubky s teplou vodou u teplovodního podlahového topení. Zatímco topné folie a rohože představují tzv. „přímotopnou variantu“ podlahového topení, jsou topné kabely používány pro tzv. „akumulační vytápění“. Po zahřátí celé podlahové desky (naakumulování tepla na levnější proud v nočních hodinách do vrstvy betonu) je během dne teplo vyzařováno do obytných místností. Tento způsob podlahového vytápění má velkou setrvačnost a je obtížněji regulovatelný a při náhlém venkovním oteplení mohou místnosti přetápěny.

Dělení podle montáže a) mokrý způsob Mokrý způsob provedení podlahového vytápění je nejrozšířenější. Jedná se uložení topné trubky přímo do betonové mazaniny, která slouží zároveň jako rozvodná deska pro zrovnoměrnění tepelného toku po celé ploše podlahy. Takto provedené podlahové vytápění pracuje s teplotou vody 35 až 55 °C a dosahuje výkonu od 50 do 120 W.m-2. b) suchý způsob Suchý způsob provedení podlahového vytápění spočívá v uložení trubek do tepelné izolace a přikrytím teplo rozvádějícími deskami. Pro lepší vedení tepla jsou trubky pokládány do speciálních profilu lisovaných nejčastěji z pozinkovaného plechu. Pro zlepšení rozložení tepla při použití větších pokládacích roztečí se pod krycí desky podkládají ještě tabule pozinkovaného plechu tloušťky 0,55 mm. Pro zakrytí se nejčastěji používají dvě vrstvy dřevocementových desek, například CETRIS desky 2 x 12 mm. Takto provedené podlahové vytápění pracuje s vyšší teplotou topné vody 40 až 70 °C a dosahuje nižších výkonu do 90 W.m-2. Hlavní výhody tohoto systému je možnost okamžitého zátopu. Použití je především u dřevostaveb, rekonstrukcí (z důvodu malé stavební výšky), půdních vestaveb a v systémech rychlé výstavby.

47

Další způsoby vytápění

Dělení podle materiálu potrubí Pro výrobu potrubí pro podlahové vytápění se používají: 

plasty (zesítěný polyetylen (PE-X), polybuten (PB), polybuten (PB), chlorovaný polyvinylchlorid (C-PVC),



měď,



kombinace plastu a kovu,



nerezová ocel (zřídka).

Plast je nejběžnějším materiálem pro výrobu potrubí pro topné hady podlahového vytápění. Používá se různých druhu plastu s rozdílnými chemickými a fyzikálními vlastnostmi.

Dělení podle uložení topných hadů Uložením topných hadů (potrubí) se rozumí osazení do betonové mazaniny z hlediska tepelně technických vlastností, přenosu a předání tepla. Topné hady se ukládají do spodní vrstvy betonové mazaniny ve vzájemné vzdálenosti od sebe, dané výpočtem. Uchycení topných hadů k podkladu, nejčastěji z tepelné izolace, se provádí např.: 

drátěnými kotvami, vpichovanými do tepelné izolace s podpěrkou potrubí tak, aby se potrubí nedotýkalo tepelné izolace,



zaklapovacími terči, vytaženými z tepelné izolace, mezi které se potrubí upíná,



kovovými U-lištami, které jsou uloženy na tepelnou izolaci v předepsané,



vzdálenosti. Topné hady se zaklapávají shora do zářezů lišt.

Podle požadavků na vzájemné vzdálenosti potrubí, podle způsobu uchycení topných hadů, použitých upínacích prvků a zejména podle dispozičních požadavků každé místnosti, se principiálně kladení topných hadů dělí na: 

spirálové,



meandrové.

Podlahovým vytápění se dosahuje téměř ideálního rozložení teplot ve vytápěné místnosti. Zatímco při vytápění kamny a u obvyklého ústředního vytápění článkovými radiátory dosahuje rozdíl teplot vzduchu mezi podlahou a stropem až 8 °C, je u podlahového vytápění teplota vzduchu v pobytové oblasti téměř stálá. Teplá podlaha vyzařuje teplo na člověka a spodní část stěn, vzduch v místnosti se ohřívá konvekcí a při pomalém proudění vytváří příjemné prostředí. Sáláním se sdílí až 60 % celkového výkonu a tepelná pohoda se dosahuje i při nižší teplotě vzduchu ve vytápěné místnosti. Tím klesají tepelné ztráty prostupem tepla stavebními konstrukcemi, infiltrací a větráním. Z principu podlahového vytápění plynou však i některé nevýhody, které musí projekt respektovat. Například zalití otopných trubek do betonové vrstvy velice zhoršuje případné opravy. Rekonstrukce nebo dodatečné změny ve velikosti otopných ploch jsou vždy spojeny s náročnými stavebními pracemi. Je proto třeba věnovat projektové přípravě, volbě materiálů, montáži a uvádění do provozu zvýšenou pozornost, protože chyba, které se při realizaci podlahového vytápění stavebník dopustí je mnohdy neodstranitelná. I ty zdánlivě drobné mohou způsobit značné potíže. Neoznačí-li se například na rozdělovači před zalitím napojení jednotlivých okruhů, nelze provést hydraulické vyregulování a osadit automatickou regulaci. Určité omezení je i v tom, že už při návrhu velikosti

48

Další způsoby vytápění otopných ploch musí být známo zakrytí podlahy např. kuchyňskou linkou nebo rozměrnějším soklovým nábytkem, protože výrazně omezuje předávání tepla.

7.2

Infračervené vytápění

Infračervené zářiče dodávají do oblasti pobytu člověka tepelnou energii sáláním. Po dopadu na podlahu se nejprve ohřívá tato plocha a od ní teprve vzduch. Teplota vzduchu po výšce stoupá velice pomalu, což má vliv na tepelnou ztrátu objektu. U stropu je teplota poměrně nízká, tepelná ztráta je proto nižší než u soustav, kde se vytváří teplý polštář vzduchu o vyšší teplotě. Infrazářiče se dělí podle způsobu spalování plynu a jejich vnějšího vzhledu při provozu na tmavé a světlé.

Tmavé zářiče Tmavé zářiče docilují potřebného výkonu spalováním plynu v hořácích, odkud jsou spaliny vedeny do trubic opatřenými reflexními zákryty. Povrchová teplota trubic na vstupu spalin je cca 500 °C, při výstupu pak 180 °C. Při těchto rozdílech teplot se dosahuje nejvyšší účinnosti využití plynu. Některé typy zářičů dosahují vysoké výkony, avšak s malou účinností, teplota spalin při výstupu ze zářiče může dosahovat až 250 °C. Oblast použití tmavých zářičů je obvykle v rozmezí výšky hal 5 až 8 m. Účinnost lze zvyšovat vířivými ventilátory. Převážná většina tmavých zářičů je vyráběna velice jednoduše s konstrukčně nenáročným reflexním zákrytem, přičemž jeho postranní křidélka jsou velice nízká. Toto řešení ovlivňuje jeho sálavou účinnost, která se pohybuje kolem 50 %. Při šikmém zavěšení se sálavá účinnost klesá na hodnoty 45 % při úhlu sklonu od vodorovné roviny 30°. Zářiče ztrácí charakter sálavého tělesa, přechází do kategorie konvekčních těles. Dalším technickým nedostatkem je absence čelních krytů, které zabraňují zvyšování konvekční složky.

Světlé zářiče Infrazářiče světlé s činnou otopnou plochou z keramických destiček mají povrchovou teplotu 850 až 950 °C a při provozu svítí (odtud světlé). Destička má speciální povrchovou úpravu, díky které je dosažen vysoký emisní součinitel jejího povrchu. Předmísení paliva se spalovacím vzduchem probíhá v injektoru – plyn si přisává potřebné množství vzduchu bez použití nuceného přívodu vzduchu. Dokonalé promísení paliva se vzduchem probíhá ve směšovací komoře, která zároveň rozvádí hořlavou směs ke keramickým deskám. V deskách jsou vylisovány válcové otvory, kterými prochází plynová směs na vnější povrch desky, na němž probíhá spalování. Jejich použití lze stanovit pro výšky 5 a více metrů. Pro vysoké haly jsou nezastupitelné, lze je zavěšovat pod stropy až do výšky 20 m.

Infračervené elektrické zářiče Odporový topný prvek v topidle se vlivem průchodu elektrického proudu zahřívá a zároveň nahřívá i přední desku. Přes tento povrch se tvoří požadovaná vlnová délka infračervené energie. Tato energie se po dopadu na jakákoliv pevná tělesa mění v teplo – ohřívá všechny předměty, které jsou této energii vystavené. V obytných místnostech to jsou materiály, které mají schopnost akumulace (stěny, podlahy, stropy apod.). Tyto stavební konstrukce si dokáží teplo nahromadit a sekundárně jej vracet do vytápěného prostoru a určovat svou teplotou tepelnou pohodu ve vytápěném prostoru. Právě ve schopnosti stavebních materiálů akumulovat „infrateplo“, spočívá princip nízkoteplotního infračerveného vytápění.

49

Další způsoby vytápění Do této kategorie zářičů patří i teplomety, které jako palivo využívají propan-butan a jsou dobrým řešením pro aplikace, které vyžadují mobilitu, nebo by z důvodu krátkodobého používání byla montáž jiného nemobilního zdroje příliš nákladná.

7.3

Teplovzdušné vytápění

Je to zařízení pro výrobu a dodávku tepla bez přenosu teplonosnou kapalinou. Spaliny jsou odváděny do venkovního prostředí pomocí odtahového ventilátoru. Spalovací vzduch je odebírán z vytápěného prostoru, kde je zařízení umístěno nebo z venkovního prostředí. Teplovzdušnou plynovou jednotkou je generátor teplého vzduchu, který spaluje zemní plyn nebo propan. Výkon a teplota vypouštěného vzduchu jsou konstantní. Tím je během celé otopné sezóny přibližně stejný obraz proudění a je možno osadit jednotky tak, aby docházelo k jednak rovnoměrnému vytápění a jednak k nízkým teplotám vzduchu pod střechou. Nejdůležitější částí tohoto vytápění je teplovzdušný kotel, který se skládá z ventilační a filtrační jednotky, ohřívacího dílu a regulace. Osazen je většinou radiálním ventilátorem, který zajišťuje nízkou hlučnost při potřebném dopravním tlaku a dopravním množství vzduchu. Ohřívací část kotle se skládá z hořáku a výměníku tepla mezi spalinami a ohřívaným vzduchem. Používají se jednotky s atmosférickým hořákem s nuceným odtahem spalin. Hospodárné teplovzdušné vytápění lze navrhovat maximálně do výšky haly 8 až 10 m. Podstatou hospodárného provozu je řešení cirkulace vzduchu ve vytápěné hale. Ovlivňuje ji jednak rozmístění jednotek a jednak druh použitých vyústek. Dalším doplňujícím prvkem pro naplnění požadavku násobnosti cirkulace jsou podstropní vířivé ventilátory. Různá konstrukce vyústky umožňuje zajistit odpovídající rozvrstvení vzduchu ve vytápěném prostoru.

Shrnutí pojmů kapitoly 7 V kapitole jsou stručně popsány tři možné způsoby vytápění, která jsou dnes již běžným způsobem vytápění. Jedná se především o podlahové vytápění, které lze rozdělit na dva základní typy – teplovodní a elektrické. Každý z těchto typů má své výhody a nevýhody. V poslední době se objevují nové trendy i v této oblasti, především v podobě topných folií. Tento způsob vytápění zaznamenává prudký rozvoj, z důvodu vysoké efektivity vytápění a rozměrů celé soustavy. V dalších kapitolách je popsáno vytápění pomocí infračerveného záření a rovněž teplovzdušné vytápění, které se využívá často jako doplňkové vytápění.

Otázky ke kapitole 7 1. Popište základní princip podlahového vytápění? 2. Jaké jsou hlavní části podlahového vytápění? 3. Podle jakých kritérií lze dělit podlahové vytápění? 4. Popište princip infračerveného vytápění. 5. Jaké znáte typy infrazářičů? 6. Popište hlavní části teplovzdušného vytápění.

50

Další způsoby vytápění

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu [1]

KLUSÁK, J. Porovnání různých způsobů podlahového vytápění. Diplomová práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2004. 61 s.

[2]

BAŠTA, J. Otopné plochy. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2001. - 328 s. ISBN 80-01-02365-6.

[3]

CIHELKA, J. a kol. Vytápění větrání a klimatizace. 3. vyd. Praha: SNTL, 1985. 648 s.

[4]

BERANOVSKÝ, J., TRUXA, J., a kolektiv. Alternativní energie pro váš dům. 1.vyd. Brno: ERA, 2003. 123s. ISBN 80-86517-59-4.

[5]

MUSIL, P. Globální energetický problém a hospodářská politika. Se zaměřením na obnovitelné zdroje. 1.vyd. Praha: C. H. Beck, 2009. 201s. ISBN 978-80-7400-112-3.

[6]

Perlit s.r.o. [online]. [cit. 2013-07-16]. Dostupné z: http://www.perlit.cz/?re=1&sk=1&me=4&ka=3&pk=4

51

Použitá literatura

8

Klimatizace a větrání Čas ke studiu: 5 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět  definovat termín větrání budov  popsat klimatické faktory  charakterizovat druhy klimatizací

Výklad Větráním a klimatizací se upravuje čistota ovzduší a tepelný stav prostředí v obytných, společenských a průmyslových budovách, dopravních prostředcích, technologických prostorech i zemědělských objektech. Prostory jsou zatěžovány produkcí látkových škodlivin (plynů, par, pevných a kapalných částic) a tepelné energie z různých zdrojů (osoby, technologická zařízení, ustájená zvířata, biologické procesy v zemědělství, zdroje znečištění ve venkovním ovzduší, venkovní klima aj.).

8.1

Větrání

Větrání v domech s nízkou energetickou náročností je nezbytné nejen z hlediska potřeb dýchání člověka, ale i proto, aby byla z objektu odvedena vlhkost vzniklá pobytem osob (dýchání, pocení) a jejich činností (vaření, praní a sušení, koupání), a zároveň aby byly ze vzduchu interiéru odstraněny další škodlivé látky. Producentem škodlivin zde mohou být nejen osoby samotné, ale i ve značné míře nábytek, podlahoviny, čisticí prostředky, barvy, atd. K nejvýznamnějším škodlivinám patří oxid uhličitý, vodní pára, odéry, jedovaté plyny a páry (dusík, uhlovodík, aldehydy). Dále to jsou mikroorganizmy – bakterie, viry, spory hub, roztoči. Významnou oblast tvoří radioaktivní látky (z podloží staveb) a karcinogenní vláknité látky (například azbest). Obecně vyjádření strategie zajištění kvalitního vnitřního vzduchu spočívá ve třech oblastech: 

omezení nebo vyloučení přítomnosti zdrojů škodlivin v interiérech budov, případně zabránění jejich dalšímu uvolňování do interiéru,



odvod lokalizovatelných emisí škodlivin pomocí řízeného odvádění vzduchu,



dostatečné zředění rozptýlených škodlivin ve vzduchu pomocí výměny vzduchu (větrání), někdy i v kombinaci s filtrací přiváděného vzduchu.

Přirozené větrání V klasické zástavbě se výměna vzduchu vždy zajišťovala přirozeným způsobem infiltrací a exfiltrací. Infiltrace je samovolné vnikání čerstvého vzduchu dovnitř budovy a exfiltrace je samovolné pronikáním znehodnoceného vzduchu ven mimo budovu. Pro správné fungování přirozeného větrání musí být kromě netěsností oken, dveří atd. i tlakový rozdíl mezi vnitřním a vnějším prostředím. 52

Další způsoby vytápění Vzduchotěsnost obvodových konstrukcí a nízká spárová průvzdušnost těsných oken mají za následek nedokonalé „samovolné dýchání“ nových a rekonstruovaných budov. Tím se nezajistí potřebná výměna vzduchu. Výsledkem nedostatečného odvodu vlhkosti je její kondenzace a tvorba plísní na kritických místech, navíc není dodržena ani kvalita vzduchu i v dalších ukazatelích. Pro dodržení hygienických podmínek otevírají uživatelé objektů okna, čímž dochází k neřízenému větrání s velkou potřebou tepla. Přivedený čerstvý vzduch se ohřívá topným tělesem. Časté větrání tak způsobuje zvýšení spotřeby tepelné energie. Používání čtvrté polohy kliky, tzv. mikroventilace u okenního křídla, je taktéž nepříliš vhodné a to z důvodů zvýšení hlučnosti z vnějšího prostředí a soustavného, nadměrného ochlazování v období s venkovními teplotami pod bodem mrazu. Kompromis mezi úsporami energie a požadavky na výměnu vzduchu je v použití větracích prvků, kterými jsou doplněny rámy oken nebo které jsou umístěny v boxech vnějších rolet. Tyto prvky musí být snadno uzavíratelné a také musí být vybaveny účinnými tlumiči hluku, ale zároveň musí být dodržena podmínka existence rozdílu tlaku vnitřního a vnějšího vzduchu.

Nucené větrání Prioritou nuceného větrání je zajištění kvalitního vnitřního prostředí v nízkoenergetických domech. Tyto systémy mohou zajišťovat výměnu vzduchu pro jednu či několik místností nebo objekt jako celek. K úsporám vzduchu energie v systému nuceného větrání dochází z těchto důvodů: 

množství vzduchu je relativně přesně dávkováno, uživatel nemá důvod větrat trvale pootevřeným oknem apod.,



u systémů s řízeným přívodem vzduchu bude pravděpodobně použito energeticky účinného zpětného získávání tepla z odváděného vzduchu,



systém je možné kombinovat s dalšími prvky, jako jsou například zemní výměníky tepla.

a) větrání s nuceným odvodem vzduchu Přívod vzduchu z venkovního prostoru je řešen prvky v obvodovém plášti (konstrukcí rámu oken, v roletových boxech nebo jsou zabudovány v obvodových stěnách), které se doplňují o vzduchotechnické zařízení. To slouží k odvodu odpadního vzduchu z interiéru. Celý systém má však dvě nevýhody: 

vzduch přiváděný do interiéru má teplotu venkovního vzduchu a jen při velmi pečlivém návrhu je možné dosáhnout stavu, kdy bude rozložení teplot vzduchu v místnosti zcela vyhovující,



množství vzduchu je sice regulovatelné, ale není možné využít zpětného získávání tepla z odpadního vzduchu.

b) nucené větrání s centrálním přívodem i odvodem vzduchu Centrální soustavy s nuceným přívodem i odvodem vzduchu umožňují řadu výhod, jejichž využití vede jak k úsporám energetickým, tak ovlivní žádoucím způsobem mikroklima objektu. Vyústky ohřátého čerstvého vzduchu se umísťují do jednotlivých místností a v nich do vhodných míst podle jejich velikosti a účelu. Mezi přednosti tohoto systému patří: 

regulace množství vzduchu z hlediska okamžité potřeby uživatele (na základě sledování čidel vlhkosti, odérů, CO2 nebo senzorů pohybu osob), výměny vzduchu za jeho nepřítomnosti, za nepříznivých tlakových podmínek (při inverzích) odvod nejvíce znehodnoceného vzduchu,

53

Další způsoby vytápění 

filtrace – bezprašnost a pylová ochrana čerstvého vzduchu, při které jsou na tkaninových či elektrostatických filtrech zachycovány částice 1 – 3 mikrony s účinností 95 – 99 %,



zpětné získávání tepla ze znehodnoceného vzduchu s účinností 60 – 80 %, využití tepelných zisků (z oslunění, osob, osvětlení, zařízení, atd.),



řízení maximální vlhkosti interiéru, minimalizace kolísání teplot v interiéru.

Čerstvý vzduch se většinou nasává přes protidešťovou žaluzii nebo na neosluněné fasádě domu, v husté městské zástavbě nad střechou budovy nebo z jiného výhodného místa.

Decentralizované jednotky s přívodem i odvodem vzduchu Jedná se o systém, kde každá místnost v budově je vybavena vlastní malou větrací jednotkou. Je zde možnost individuální regulace množství vyměňovaného vzduchu na základě požadavků uživatele nebo v rámci automatického provozu při sledování vlhkosti, případně teploty. Objekt musí být vybaven systémem pro vytápění, který v zimním období pokrývá tepelnou ztrátu prostupem a část tepelné ztráty větráním. Využití rekuperace k předehřevu venkovního přiváděného vzduchu pro větrání přináší úsporu energie. Nevýhodou systému je zvýšená hladina hluku v pobytových místnostech.

Větrání s rekuperací tepla Spotřeba energie na ohřev větracího vzduchu tvoří u běžných domů zhruba 30 % celkové spotřeby. Čím je dům lépe izolován, tím je tento podíl vyšší. Hlavním důvodem pro strojní větrání je možnost využití tepla z odváděného vzduchu. V rekuperačním výměníku se teplo ze znečištěného vzduchu odváděného mimo budovu předává čerstvému vzduchu, který se přivádí z venkovního prostředí. V zimě je čerstvý vzduch ohříván, v létě naopak ochlazován. Vzduch v budově může být zároveň filtrován, případně i zvlhčován, což sníží prašnost a zvýší komfort v domě. Efektivnější distribuci tepla mezi místnostmi řeší cirkulační systém. V období nízkých venkovních teplot se čerstvý vzduch a část ohřátého vzduchu z interiéru přivede do větrací jednotky a odtud se odvádí do jednotlivých místností. Vzduch z míst s vývinem škodlivin (WC, koupelna) po průchodu výměníkem tepla budovu ihned opouští (zde je cirkulace zakázána), přesný objem čerstvého vzduchu a cirkulační vzduch z ostatních místností je pravidelně čištěn průchodem přes výměnné filtry vzduchotechnické jednotky. Systém tohoto druhu větrání je znázorněn v obrázku.

8.2

Klimatizace a chlazení budov

Klimatizace je zařízení, ve kterém je vzduch upravován – filtrován, chlazen/ohříván, zbavován vlhkosti, nebo zvlhčován. Klimatizační jednotka pracuje na stejném principu jako chladící zařízení, tj. na principu výměny a přesunu energií. Jedná se o systém zajišťující chlazení vnitřního prostředí v období zvýšené tepelné zátěže. Principiálně se jedná o totožný systém jako u chladničky. Pro svou funkci potřebuje zdroj chladu - chladonosnou látku (vzduch, voda nebo samotné chladivo). Jedná se o kompresorové chlazení založené na změně skupenství chladiva. Ve výparníku proudí cirkulující vzduch z místnosti, kde dochází k odpařování chladiva. Jedná se o změnu skupenství chladiva z kapalného na plynné, čímž se ochlazuje žebrování výparníku. Při odpařování se odebírá teplo z klimatizovaného prostoru cirkulující vzduch je ochlazen, ale i filtrován. V kompresoru se nasaje plynné chladivo, které se stlačí, čímž se zvýší jeho teplota a tlak. Ve venkovní jednotce (v kondenzátoru) dochází opět ke změně skupenství chladiva (zkapalnění chladiva), při kterém teplo odebrané z klimatizovaného prostoru je odváděno kondenzátorem do okolního, venkovního prostoru.

54

Další způsoby vytápění

Obr. 10 Schéma klimatizační jednotky [6]

Mobilní klimatizační zařízení Mobilní klimatizace, stejně jako klasická pevná klimatizace, ve své podstatě neochlazuje vzduch, ale pouze přijímá teplo z prostoru, kde je nežádoucí a odvádí ho ven, mimo klimatizovaný prostor. Chladivo v klimatizaci přijme teplo z nasávaného vzduchu, které zase odevzdá v kondenzátoru a teplo je vyfoukáno ven, mimo klimatizovaný prostor. Kolem kondenzátoru a kompresoru, který stlačuje a tím ještě více zahřívá chladivo, fouká vzduch pomocí výkonného ventilátoru. Tento systém ke své činnosti však nevyhnutně potřebuje odvod tepla do venkovního prostředí. K tomu slouží teleskopická umělohmotná hadice, pro kterou je nutné zhotovit výstup přes stěnu nebo okno. Kondenzát se zachycuje do kondenzační nádoby, kterou lze vyjmout a vyprázdnit. Chladící výkon se pohybuje do 5 kW.

Okenní klimatizační zařízení Okenní klimatizace je zařízení, které se umísťuje do obvodové konstrukce (do stěny nebo do okna) tak, že jedna strana je obrácena do venkovního prostředí a druhá do interiéru. Vnitřní i venkovní ventilátor pohání jeden motor. Ochlazují vzduch vnitřní a ohřívají venkovní. Předností okenní klimatizace je nenáročná instalace.

Split systémy Klimatizace typu Split jsou dělené klimatizace, které mají kondenzační jednotku umístěnou ve venkovním prostředí a výparníkovou jednotku v klimatizovaném prostoru. Zpravidla pracuje jen s cirkulačním vnitřním vzduchem a nezajišťuje větrání. Vnitřní jednotky systému Split jsou v nástěnném, parapetním, podstropním, kazetovém, kanálovém a sloupovém provedení. Venkovní díl s kompresorem, kondenzátorem, expanzním ventilem a ventilátorem se z důvodu eliminace hlučnosti umístí na střechu, terasu atd. MultiSplit je systém, kdy na jednu venkovní jednotku je napojeno více jednotek vnitřních.

55

Další způsoby vytápění

Chladící stropy (stěny, podlahy) Jedná se o systém potrubních rozvodů nebo kapilárních rohoží, jimiž protéká laminárním způsobem chladící voda. Tyto rohože jsou uloženy přímo v konstrukci budovy (pod omítkou, pod kovovou konstrukcí). Chladící stropy můžeme rozdělit na otevřené nebo uzavřené. Otevřené jsou charakteristické svými otvory či mezerami, které umožňují proudění vzduchu a mají vyšší podíl konvekce. Chlazení u uzavřených stropů je na principu zabudování trubního rozvodu v podlahách či stěnách. Mají vyšší podíl sálavého přenosu chladu a nižší výkon, omezující proudění vzduchu. V obou systémech musí být teplota chladícího média nastavena tak, aby nedocházelo k orosování.

Shrnutí pojmů kapitoly 8 Klimatizace (označované zkratkou AC z anglického air conditioning) je zařízení pro úpravu vzduchu v celých budovách či jednotlivých místnostech a v dopravních prostředcích. Nasává venkovní vzduch (minimálně musí přivádět 15 % čerstvého vzduchu), který filtruje, upravuje teplotu a vlhkost na požadované hodnoty a pomocí ventilátorů je dopravuje na příslušná místa, případně velká klimatizační zařízení používají k odjímání tepla cirkulující vodu. Klimatizace automaticky udržuje stálé podmínky (především teplotu) bez ohledu na venkovní prostředí. Klimatizační zařízení pro vytvoření tepelné pohody v místnosti využívá několika fyzikálních principů, konkrétně pak - komprese (stlačování plynů), kondenzace (zkapalnění plynů) a vypařování. V první fázi jsou páry chladící látky přivedeny do kompresoru, kde jsou stlačovány (a důsledkem stlačování i zahřívány). Teplý vzduch je ventilátorem hnán do venkovního prostoru. Následně je chladící médium o vysoké teplotě a tlaku přivedeno do výměníku - kondenzátoru, kde je ochlazováno (médium kondenzuje). Uvolněné odpadní teplo je ventilátorem odváděno do venkovního prostoru. Dále je kapalina transportována pod tlakem přes kapiláru nebo expanzní ventil do výměníku - výparníku (místa s nižším tlakem a vyšší teplotou), kde se rozpíná (expanduje) a tím i prudce ochlazuje. Kapalina se začne odpařovat, ohřívá se a tím odebírá teplo z prostoru výparníku. Výparník je ochlazován. Pro distribuci studeného vzduchu do místnosti slouží ventilátor, který je umístěn kolem výparníku. Poté je chladivo v plynném skupenství přiváděno do kompresoru a cyklus se opakuje.

Otázky ke kapitole 8 1. Proč je důležité pravidelné větrání budov? 2. Jaké znáte druhy větrání? 3. Jaký je princip větrání s rekuperací tepla? 4. Popište princip klimatizace. 5. Jaké znáte typy klimatizačních zařízení?

Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu [1]

CHYSKÝ, J., HEMZAL, K. a kol. Větrání a klimatizace. Technický průvodce. BOLIT B press. Brno, 1993. ISBN 8090157408. 56

Další způsoby vytápění [2]

MORÁVEK, P. Větrání a vytápění nízkoenergetických a pasivních obytných staveb. In Sborník příspěvků Seminář Větrání a vytápění nízkoenergetických domů: 25. 3. 2008, Praha. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2008, s. 30.

[3]

TŮMA, J. Domácí klimatizace a čističky vzduchu. ERA Brno, 2008, 82 s. ISBN 978-80-7366126-7.

[4]

SZÉKYOVÁ, M. aj. Větrání a klimatizace. Jaga Bratislava, 2006, 359 s. ISBN 80-8076-037-3.

[5]

RUBINOVÁ, O. Klimatizace a větrání. ERA Brno, 2004, 117 s. ISBN 80-86517-30-6

[6]

SCHIESSL. [online]. [cit. 2013-07-16]. Dostupné z: http://www.schiessl.cz/mapa-chladiciokruh-princip-funkce-118.

57