Zapojení teplovodní krbové vložky v systému vytápění RD

Michal Synek

Zapojení teplovodní krbové vložky v systému vytápění RD OEI-EÚ-FSI-VUT

Abstrakt Tato diplomová práce se zabývá možnostmi vytápění rodinných domů teplovodními krbovými vložkami. V první části práce pojednává o teplovodních krbových vložkách, spalovacím vzduchu, akumulaci tepla a regulaci vytápění. Další část je věnována výpočtu tepelných ztrát modelového domu a spotřebě tepla. Poslední část řeší systém zapojení teplovodní krbové vložky a technicko-ekonomické hodnocení.

Klíčová slova Teplovodní krbová vložka, akumulace tepla, regulace vytápění, tepelné ztráty, spotřeba tepla.

Abstract This thesis addresses the possibilities of heating family houses with hot-water fireplace inserts. The first part of the thesis deals with hot water fireplace inserts, combustion air, accumulation of heat and heating regulation. The next section is devoted to calculating heat loss in model house and heat consumption. The last part deals with system involvement of hot water fireplace inserts and techno-economic evaluation.

Keywords Wood-burning fireplace insert, heat accumulation, regulation of heating, heat loss, heat consumption

5

Michal Synek


Bibliografická citace SYNEK, M. Zapojení teplovodní krbové vložky v systému vytápění RD. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2014. 57 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Martin Lisý, Ph.D.. 6

Michal Synek


Čestné prohlášení Prohlašuji, že tuto diplomovou práci jsem vypracoval samostatně pod vedením Ing. Martina Lisého, Ph.D. a s použitím podkladů, které jsou uvedeny v seznamu použité literatury na konci práce. V Brně dne 30. května 2014

…………………………………… Bc. Michal Synek 7

Michal Synek


Poděkování Rád bych poděkoval vedoucímu mé diplomové práce Ing. Martinovi Lisému Ph.D. za trpělivost a vedení mé diplomové práce. Rád bych také poděkoval rodičům, blízké rodině a přítelkyni za jejich podporu během celého mého studia. 8

Michal Synek


1. Úvod ..................................................................................................................................... 11 2. Cíle práce.............................................................................................................................. 12 3. Teplovodní krbová vložka.................................................................................................... 13 3.1 Spalovací vzduch ......................................................................................................................... 13 3.2 Teplovodní výměník krbových vložek.......................................................................................... 15

4. Akumulace tepla ................................................................................................................... 16 4.1 Akumulátor s využitím citelného tepla........................................................................................ 17 4.2 Akumulátor s využitím latentního tepla ...................................................................................... 18

5. Regulace teplovodní krbové vložky ..................................................................................... 20 5.1 Regulace na straně krbové vložky ............................................................................................... 20 5.2 Regulace na straně otopných těles ............................................................................................. 21 5.2.1 Manuální regulace ................................................................................................................ 22 5.2.2 Regulace s použitím termostatických hlavic ........................................................................ 23 5.2.3 Elektronická regulace termopohonem ................................................................................. 24 5.2.4 Elektronická regulace servopohonem .................................................................................. 24

6. Stechiometrie spalování ....................................................................................................... 25 6.1 Výpočet minimálního množství vzduchu..................................................................................... 25 6.2 Výpočet minimálního množství spalin......................................................................................... 26 6.3 Maximální množství

ve spalinách ....................................................................................... 28

6.4 Výpočet součinitele .................................................................................................................. 28

7. Výpočet tepelných ztrát modelového domu ......................................................................... 29 7.1 Výpočet tepelných ztrát prvního obytného patra ....................................................................... 31 7.1.1 Výpočet tepelných ztrát prostupem tepla ........................................................................... 31 7.1.2 Výpočet tepelných ztrát větráním ........................................................................................ 34 7.1.3 Celková tepelná ztráta prvního patra modelového domu ................................................... 37 7.2 Výpočet tepelných ztrát druhého (podkrovního) obytného patra.............................................. 38 7.2.1 Výpočet tepelných ztrát prostupem tepla ........................................................................... 38 7.2.2 Výpočet tepelných ztrát větráním ........................................................................................ 40 7.2.3 Celková tepelná ztráta druhého patra modelového domu .................................................. 41 7.3 Celková tepelná ztráta modelového domu ................................................................................. 41

8. Spotřeba tepla – denostupňová metoda ................................................................................ 42 8.1 Teoretická spotřeba tepla ........................................................................................................... 42 8.2 Skutečná spotřeba tepla.............................................................................................................. 43 8.3 Spotřeba paliva ............................................................................................................................ 43

9

Michal Synek


9. Možnosti zapojení teplovodní krbové vložky do systému vytápění rodinného domu ......... 45 9.1 Samotížné (gravitační) zapojení .................................................................................................. 45 9.2 Zapojení s akumulační nádrží ...................................................................................................... 46 9.3 Zapojení s akumulační nádrží, solárním systémem a TUV .......................................................... 47

10. Ekonomické porovnání navržených variant ....................................................................... 48 11. Závěr................................................................................................................................... 49 Seznam použitých zdrojů ......................................................................................................... 50 Seznam použitých zkratek a symbolů ...................................................................................... 51 Seznam příloh ........................................................................................................................... 53

10

Michal Synek


1. Úvod V dnešní době nárůstů cen veškerého zboží na světovém trhu, včetně energií, je snahou všech spotřebitelů vylepšit svou ekonomickou situaci tím, že zavedou taková opatření, aby dosáhli co nejnižších nákladů na vytápění. Toho lze dosáhnout zlepšením tepelně izolačních vlastností objektů nejrůznějšími zateplovacími materiály, jejichž kvalita se neustále zlepšuje, nebo přechodem na alternativní zdroj vytápění. Těmito zdroji mohou být například tepelná čerpadla, nejrůznější solární systémy či zařízení na spalování biomasy všech různých variant a rozměrů. V této práci bude nadále řeč o teplovodních krbových vložkách, které po napojení do otopného systému mají jak estetický charakter, tak ekologický dopad. Množství oxidu uhličitého vznikajícího při spalování biomasy je ekvivalentní s jeho spotřebou při růstu tohoto paliva, tudíž takovýmto topením člověk nezanechává žádnou uhlíkovou stopu. Úkolem této práce je seznámit čtenáře s principem fungování teplovodních krbových vložek, potřebách spalovacího vzduchu, funkci teplovodního výměníku a akumulace tepla. V dalších částech je popsán výpočet tepelných ztrát, výpočet potřeb tepla modelového domu a možnosti připojení teplovodní krbové vložky do systému vytápění.

11

Michal Synek


2. Cíle práce 1. Provést rešerži možnosti vytápění rodinných domů teplovodními krby 2. Navrhnout možnosti efektivního zapojení teplovodních krbových vložek do systému vytápění 3. Posoudit výhody a nevýhody akumulace tepla 4. Provést technicko-ekonomické porovnání navržených variant

12

Michal Synek


3. Teplovodní krbová vložka V dnešní době, se stále rostoucími cenami zemního plynu, je snahou většiny lidí, vzhledem k ekonomické situaci, hledat alternativní řešení vytápění. Takovýmto způsobem může být zapojení teplovodní krbové vložky do systému vytápění rodinného domu. Snahou je přejít z vytápění objektů zemním plynem na levnější variantu, a to vytápění biomasou (v tomto případě kusovým dřívím). Na našem trhu je velké množství firem, které tento způsob nabízí. V minulosti byly krbové vložky využívány spíše jako sekundární zdroj tepelné energie, se sálavým přenosem tepla, pro vytápění menšího počtu místností. S využitím teplovodního výměníku instalovaným v topeništi krbové vložky lze tuto vložku bez velkých problému připojit na již existující rozvody topení, ať už klasické, nebo podlahové.

3.1 Spalovací vzduch Nedílnou součástí spalování tuhých paliv v krbových vložkách je permanentní přísun spalovacího vzduchu. Kyslík obsažený v tomto vzduchu reaguje s uhlíkem, vázaným v palivu, exotermickou reakcí (uvolňuje se teplo).

Obr. 3.1 Schématické zobrazení procesu hoření uhlíku [1]

Většina dnešních krbových kamen a vložek má přísun vzduchu rozdělen na tři hlavní přívody:

- Primární - Sekundární - Terciální

13

Michal Synek


Přísun primárního vzduchu je u většiny dnešních kamen umístěn ve spodní části dvířek, nebo pod nimi a je přiváděn pod rošt. Tento vzduch ovlivňuje výrazně spalování (výkon) a je důležitý především pro roztápění a v průběhu hoření je postupně ubírán. Při primárním hoření vzniká velké množství plynných uhlovodíků, které mohou být ještě druhotně spalovány. Tady přichází na řadu sekundární přísun vzduchu. Vzduch je nasáván z okolí a předehříván v meziplášťových komorách a přiváděn do horní části kamen. Množství přísunu sekundárního vzduchu je dáno stechiometrickými vztahy. Při nedodržení tohoto přísunu dochází k nedokonalému spalování, velké komínové ztrátě, a tudíž snížení účinnosti. Terciální vzduch je přiváděn otvory v horní části dvířek a většinou není předehříván, protože se používá na „oplach skla“, což znamená, že v důsledku své nižší teploty (vyšší hustoty) klouže po skle na dno spalovací komory a napomáhá sekundárnímu spalování uhlovodíku usazených na dvířkách, čímž se sklo čistí. Následně tento vzduch může nahradit primární (trysky pro přísun primárního vzduchu mohou být zcela uzavřeny).

Obr. 3.2 Schéma přívodů vzduchu [5]

14

[2]

Michal Synek


Obr.3.3 Přívod sekundární vzduchu

Obr. 3.4 Přívod terciálního vzduchu

3.2 Teplovodní výměník krbových vložek V praxi se využívají dva typy teplovodních výměníků. Za prvé se jedná o výměník umístěný přímo ve vložce. Takovýmto výměníkem jsou boky, záda krbové vložky a případně i deflektor. Voda proudí opláštěním stěn ohniště a je ohřívána plameny. Nevýhodou tohoto typu je snižování teploty v topeništi a účinnosti spalování. Dalším typem je výměník umístěný nad nebo za krbovou vložkou na kouřovodu. Jedná se většinou o samostatný výrobek a mezi jeho nesporné výhody patří fakt, že neovlivňuje hoření a využívá teplo spalin, čímž snižuje komínovou ztrátu. Životnost výměníku se odhaduje v průměru na deset let, proto je lepší instalování druhého způsobu a po překročení životnosti nahradit pouze výměník nikoliv celou vložku. [3,4]

15

Michal Synek


Obr. 3.5 Krbová vložka s teplovodním výměníkem [3]

4. Akumulace tepla Vzhledem ke stále se zlepšujícím izolačním a zateplovacím materiálům se naskýtá otázka, co dělat s přebytečným teplem, které vzniká při vytápění objektů. Tento problém se dá vyřešit uložením přebytku tepelné energie v akumulátoru tepla. Díky akumulátoru lze přenést energii z období s relativním přebytkem do období relativního nedostatku (například den x noc). Ideální akumulátor by měl zaujímat co nejmenší objem, tepelné ztráty a co nejnižší pořizovací náklady. Z hlediska vytápění rodinných domů se využívají především dva typy :

- akumulátor s využitím citelného tepla - akumulátor s využitím latentního (skupenského) tepla

16

Michal Synek


4.1 Akumulátor s využitím citelného tepla

Tento typ se začal používat z historického hlediska nejdříve. Pro nabití tepelnou energii využívá ohřev pracovní látky. Pracovní médium tohoto akumulátoru by mělo mít vysokou tepelnou kapacitu a nízkou cenu. Vzhledem k dostupnosti vody a její vysoké tepelné kapacitě 4 180 J*kg-1*K-1 je voda ideálním akumulačním médiem. Nejznámějším případem je elektrický ohřívač teplé užitkové vody (bojler). Teplotní rozsah vodního akumulátoru je 4090°C. Obdobným způsobem fungují akumulátory, které využívají pevných látek (např. akumulační kamna, kachlová kamna, atd). Nevýhodou těchto zařízení je, že pevné látky mají menší tepelnou kapacitu než voda, na druhou stranu jim nehrozí poškození vlivem mrazu. Takto akumulovaná energie je přímo úměrná počáteční a konečné teplotě a objemu akumulační nádrže. =

∗

∗ ∗

− (4.1)

kde Q je množství akumulovaného tepla [J], V je objem akumulační nádrže [ akumulační látky [

∗

], c je měrná tepelná kapacita [ ∗

∗

],

je hustota

], t1,2 vstupní a

výstupní teplota [℃]. [7]

17

Michal Synek

Zapojení teplovodní krbové vložky v systému vytápění RD OEI-EÚ-FSI-VUT Obr. 4.1 a) vodní akumulační nádrž b) akumulační kamna [6]

Výhody: nízká cena akumulačního média, jednoduchost Nevýhody:

značné

rozměry,

teplota

v průběhu

vybíjení

klesá,

může

docházet

k nerovnoměrnému rozvrstvení teplotních ploch v zásobníku

4.2 Akumulátor s využitím latentního tepla Tento způsob umožňuje uložení většího množství energie v zásobníku kombinací citelného tepla a fázové (latentní) změny skupenství akumulační látky. Při fázové přeměně se totiž uvolňuje velké množství tepla, aniž by došlo ke změně teploty. Tyto látky se běžně označují jako PCM (Phase Change Material). Z hlediska fyzikálních pochodů existují tři druhy přeměn: tání/tuhnutí (přechod z kapaliny na pevnou látku a naopak) odpařování/kondenzace (přechod z kapaliny na plyn a naopak) sublimace/desublimace (přímý přechod z pevné látky na plyn a naopak)

U skladování velkého množství plynů nastává problém potřeby velkých nádrží, které jsou schopny odolávat velkým tlakům. Z tohoto důvodu se využívá pouze fázový přechod tání/tuhnutí. Množství uložené tepelné energie lze matematicky vyjádřit vztahem =

∗

∗

∗

−

+

∗

+

∗

∗

− (4.1)

kde Q je množství akumulovaného tepla [J], V je objem akumulační nádrže [ ∗

hustota akumulační látky v pevném/kapalném stavu [ kapacita látky v pevném/kapalném stavu [ ∗

∗

/

/

je

je měrná tepelná

], t1,2 vstupní a výstupní teplota [℃],

tt je teplota tání (tuhnutí) a lt je měrné skupenské teplo tání.

18

],

],

Michal Synek


Obr. 3.2 srovnání akumulovaného latentniho a citelného tepla [7]

Akumulační matriály by měly splňovat některé důležité podmínky jako například: vysoké měrné skupenské teplo tání, malé změny objemu při změně skupenství, teplota tání v rozmezí 35-70 °C. Těmto podmínkám odpovídají především parafínové vosky, některé anorganické soli a vyšší mastné kyseliny. Výhody: vysoké měrné skupenské teplo tání, levné Nevýhody: změna objemu při změně fáze (vosky asi 14%), způsobují korozi (převážně soli), kvůli malé tepelné vodivosti je zapotřebí použití kompozitních materiálů (kovové lamely, přidáním grafitu, atd.) [7]

19

Michal Synek


5. Regulace teplovodní krbové vložky U rodinných domů se velmi doporučuje udržovat teplotu krbových vložek na teplotě v rozmezí 70-80 °C. Při těchto teplotách se dosahuje nejlepší účinnosti, a na tyto teploty jsou i konstruovány pro dosažení co nejdelší životnosti.

5.1 Regulace na straně krbové vložky

Pro regulaci teplovodní krbové vložky není příliš mnoho variant, každá krbová vložka má totiž zabudovanou vlastní regulaci již od výrobce. Převážně se jedná o regulaci přísunu spalovacího vzduchu (viz kapitola 3.1), pro co nejefektivnější spalování paliva. V tomto případě výrobci provedli řadu zkoušek a měření, tudíž není doporučeno tento systém jakkoliv nahrazovat. Další možností je regulace vratné vody. Toto je velmi důležitý faktor pro regulaci. Pokud máme nízkou teplotu vratné vody, může docházet k ochlazení teploty spalin pod teplotu rosného bodu a tím se zkracuje životnost v důsledku nízkoteplotní koroze. !" + # " → # !" Reakcí molekul oxidů síry s molekulami vodní páry obsažených ve spalinách vznikají velmi agresivní korozitvorné kyseliny. Každý výrobce krbových vložek udává minimální požadovanou teplotu vratné vody. Tento interval se většinou pochybuje mezi 40-70 °C . -

První možností je umístění čerpadla mezi výstup topné vody a vstup vratné vody. Čerpadlo se spustí, jakmile vratná voda nedosahuje patřičné teploty. Tento systém se používá především u zdrojů tepla větších výkonů a není úplně vhodný pro plynulost regulace.

-

Další možností je použití čtyřcestného ventilu. Tento ventil je funkcí dvou trojcestných ventilů a slouží k regulaci nejen teploty vratné vody, ale také vody topné. Při tomto systému zapojení většinou nebývá nutnost zapojení oběhového čerpadla.

20

Michal Synek -


Regulace teploty vratné vody s použitím trojcestného ventilu v okruhu vratné vody je výhodné zejména pro udržení konstantní teploty vratné vody, nevýhodou ovšem je, že nemůžeme regulovat vodu topnou.

-

Na rozdíl od předchozí varianty, umístěním trojcestného ventilu do větve topné vody, můžeme regulovat teplotu jak vratné, tak i topné vody. Velkou nevýhodou tohoto druhu regulace je to, že může velmi snadno dojít k přetopení kotle. Hodí se spíše pro regulovatelné kotle.

Každá z těchto možných variant má své určité výhody a nevýhody, proto je v praxi snaha o kombinaci těchto principů a dosažení co nejlepší možné regulace.

[9]

5.2 Regulace na straně otopných těles Otopným tělesem se rozumí jakýkoliv prvek v místnosti, který určitým způsobem předává tepelnou energii do okolí (tepelný výměník) a je zároveň posledním prvkem otopné soustavy. Otopné těleso má za úkol dodávat do vytápěného prostoru proměnný tepelný tok v závislosti na časově proměnných potřebách. Z tohoto důvodu je zapotřebí zvolit patřičnou regulaci. Podle způsobu předávání tepelné energie dělíme otopné tělesa na: -

kondukční (přenos tepla vedením)

-

konvekční (přenos tepla prouděním)

-

radiační (přenos tepla sáláním)

Existují různé typy otopných těles, z nichž v praxi se nejčastěji objevují tělesa desková, článková nebo trubková, ve kterých se jako teplonosné médium používá voda.

Obr.5.1 příklady otopných těles a) deskové, b) trubkové, c) článkové [12] 21

Michal Synek


U otopného tělesa můžeme použít a) kvalitativní kvalitativní regulaci (změnou teploty otopné vody) b) kvantitativní regulaci (změnou průtoku otopné vody) Případem a) se nadále zabývat nebudeme, protože na tuto regulaci se pohlíží spíše jako na regulaci otopné soustavy jako celku, popřípadě na regulaci reg zdroje tepla. Pro případ b) existuje celá řada regulačních ventilů od různých výrobců. výrobců. Následující obrázek popisuje princip jejich funkce

Obr5.2 .2 princip práce ventilu a nejběžnější tvary kuželek [8]

5.2.1 .2.1 Manuální regulace Regulační ventil pro ruční ovládání je dnes již zastaralou, nicméně ve velkém množství ve vytápěných objektech stále aktuální variantou. Tato regulace je velmi prostá. Vlivem nepoužívání mimo otopnou sezónu však dochází k zanášení závitu a v mnoha případech jsou tyto ventily nepoužitelné. nepoužitelné. Lidská obsluha tohoto typu je pracná, drahá a nespolehlivá.

22

Michal Synek


5.2.2 Regulace s použitím termostatických hlavic Termostatické hlavice je proporcionální člen otopné soustavy s malým pásmem proporcionality (rozsah jedné proměnné v tomto případě změna vnitřní teploty, při kterém dojde k maximální změně závislé proměnné v tomto případě zdvihu ventilu a tím i průtoku). Tato hodnota je obvykle 2K. Například pokud bude hlavice při 19°C plně otevřena, při dosažení teploty 21°C bude průtok regulačním ventilem nulový. Princip funkce termostatické hlavice je založen na vysoké tepelné roztažnosti pracovní látky, která je umístěna ve speciální nádobce (vlnovci), ta tlačí na kuželku a tím ovlivňuje průtok. Tento princip dokáže ušetřit náklady na vytápění, jelikož zohledňuje tepelné zisky, například sluneční záření. V odborné literatuře se uvádí, při našich klimatických podmínkách, ušetření 8-10% nákladů na vytápění.

Nevýhod je několik. Požadovaná teplota se nastavuje ručně, relativně pomalá odezva na změny teploty, při zásahu termostatické hlavice dochází k výraznému ovlivnění hydraulického chování otopné soustavy. [11]

Obr. 5.3 příklad termostatické hlavice

23

Michal Synek


5.2.3 Elektronická regulace termopohonem Princip funkce termopohonu je podobný jako u termostatických hlavic s tím rozdílem, že rozhodující pro otevírání/zavírání ventilu není teplota okolního vzduchu, ale elektrický proud. V místnosti se nachází teplotní čidlo, které podle naprogramované hodnoty sepne mikrospínač umístěný v hlavici, tím se začne topným článkem procházet elektrický proud. Termočlánek zahřeje vlnovec, který následně uzavře ventil. Regulace probíhá nespojitě, existují pouze dva stavy: otevřeno/zavřeno (dvoustavová regulace). Nevýhody: Dlouhá reakční doba, v praxi se pohybuje v časovém rozmezí 3-15 minut v závislosti na typu a výrobci termopohonu. Dalším důležitým záporem je fakt neustálého připojení k elektrické síti (230V), nebo jinému zdroji energie (24V). Termopohon odebírá zhruba 2W elektrické energie. [9]

5.2.4 Elektronická regulace servopohonem Regulační hlavice se servopohonem je velmi vhodným řešením pro programově řízené vytápění. Servopohon je sestaven z malého elektromotoru, převodovky s ozubenými koly a výstupního šnekového šroubu. U menších objektů se lze setkat s programovatelnými elektronickými hlavicemi, u větších lze servopohony zařadit do centrální regulace celé otopné soustavy i s tepelným zdrojem. Akčním členem je zde mikroprocesor, který řídí pohyb ventilu na základě teplotního čidla. Tento typ regulačních hlavic obsahuje řídicí jednotku schopnou kombinovat množství přednastavených uživatelských režimů a tím vyhovět aktuálním požadavkům na teplotu. Tento důvod vede k nesporným úsporám na vytápění (obytné prostory jsou v době nepřítomnosti osob vytápěny pouze na nějakou minimální teplotu a určitou dobu před příchodem do objektu se prostory začnou vytápět). Napájení hlavic je možné nejen z elektrické sítě, ale také pomocí tužkových baterií. Tyto hlavice mohou mít i funkcí rozpoznaní větrání. Při prudkém poklesu teploty z důvodu otevření okna se ventil automaticky uzavře, v opačném případě by byl výkon otopného tělesa na maximu a teplo by odcházelo nekontrolovatelně do okolí. Jedinou nevýhodou pro tento typ regulace vidí výrobci a spotřebitelé v hlučnosti při chodu elektromotoru.

24


Michal Synek

6. Stechiometrie spalování

6.1 Výpočet minimálního množství vzduchu Minimální množství kyslíku pro spálení 1 kg paliva:

% &'(

=

% &'(

=

, *

∗,

-

+

, *

∗,

/ ,4

+

++

++

,+

,+

.

+

0

−

%

4,5

+

+,+

−

/ ,

/,+

/,+

,+

,+

12

(/

3

1 = 0,845

(6.1)

(/

Minimální množství suchého vzduchu: 0 :;&'(

=

++

∗

0 :;&'(

=

++

∗ 0,845 = 4,023

% &'(

2

(/

3

(6.2)

(/

Součinitel vlhkosti: > =1+@∗

´´ B

(6.3)

C∗ ´´

kde - relativní vlhkost @=0,7

- tlak syté vodní páry pro teplotu 20℃ D´´ = 2,34 kPa

- celkový absolutní tlak vlhkého vzduchu DE = 101,2 kPa > = 1 + 0,7 ∗

2,34 = 1,016 101,2 − 0,7 ∗ 2,34

25


Michal Synek

Minimální množství vlhkého vzduchu pro spálení 1 kg paliva: 0 :;&'( 2

(/

3

:;&'(

=>∗

:;&'(

= 1,016 ∗ 4,023 = 4,087

(6.4) (/

6.2 Výpočet minimálního množství spalin Minimální množství spalin vznikne při stechiometrickém spalování, to znamená, že přebytek vzduchu H = 1. Objem oxidu uhličitého I" ve spalinách:

-%

=

-%

=

, J

++

-

∗

,+

+ 0,0003 ∗

0 :;&'(

2

3

(/

22,26 43,5 ∗ + 0,0003 ∗ 4,023 = 0,807 100 12,01

(6.5)

(/

Objem dusíku L ve spalinách: M

=

M

=

,/

∗ ++

M

5,+ J

+ 0,7805 ∗

0 :;&'(

2

(/

3

22,4 0,09 ∗ + 0,7805 ∗ 4,023 = 3,141 100 28,016

26

(6.6)

(/


Michal Synek

Objem argonu Ar ve spalinách:

OP OP

0 :;&'( 2

= 0,0092 ∗

(/

= 0,0092 ∗ 4,023 = 0,037

3

(6.7) (/

Minimální objem suchých spalin: 0 0Q&'(

=

0 0Q&'(

= 0,807 + 3,141 + 0,037 = 3,985

-%

+

+

M

OP

2

3

(/

(6.8) (/

Minimální objem vodní páry vzniklé spálením 1 kg paliva: Q . %&'(

=

Q . %&'(

=

//,5

.

∗ ++ /,+

+

,/

∗ ++

R

5,+ J

2

(/

3

44,8 5,8 22,4 8,2 ∗ + ∗ = 0,746 2 100 4,032 100 18,016

(6.9)

(/

3

Minimální množství páry vzniklé z vlhkého vzduchu: :; . %&'(

= >−1 ∗

0 :;&'(

:; . %&'(

= 1,016 − 1 ∗ 4,023 = 0,064

2

3

(/

(6.10) (/

Minimální objem vodní páry: :; . %&'(

+

Q . %&'(

2

. %

=

(/

. %

= 0,064 + 0,746 = 0,810

3

(6.11)

(/

Minimální množství vlhkých spalin:

27

Michal Synek 0 0Q&'(

Zapojení teplovodní krbové vložky v systému vytápění RD OEI-EÚ-FSI-VUT +

Q . %

+

:; . %&'(

2

0Q&'(

=

0Q&'(

= 3,985 + 0,746 + 0,064 = 4,795

6.3 Maximální množství I"

&ST

=

I"

&ST

=

:UVW

X :XYZ[\

(/

3

(6.12)

(/

ve spalinách

∗ 1002%3

(6.13)

0,807 ∗ 100 = 20,251 % 3,985

6.4 Výpočet součinitele Součinitel H vyjadřuje míru přebytku vzduchu ve spalovací komoře při spalování. Vypočítá se z naměřených koncentrací spalin:

H =1+,

-%W Z^_ -%W

− 11 ∗

X :XYZ[\

(6.14)

X :`aZ[\

28

Michal Synek


7. Výpočet tepelných ztrát modelového domu Pro výpočet tepelných ztrát jsem zvolil modelový dům, viz obrázek 6.1, umístěný v lokalitě Kyjov, okres Hodonín. Plány jednotlivých pater domu jsou umístěny v přílohách. Nejedná se o místo s výskytem intenzivních větrů. Meteorologicky je místo stavby blíže popsáno v následující tabulce:

Místo

Podle ČSN 06 0210

Otopné období pro tent =12°C

(klimatická stanice)

Výška n.m. (m)

te (°C)

te (°C)

d (počet dnů)

Hodonín

162

-12

3,9

208

Tabulka 7.1 Výpočtová venkovní teplota, průměrná teplota a počet dnů otopného období. Podle ČSN 38 3350.

Obr. 7.1 Modelový dům pro výpočet tepelných ztrát

29

Michal Synek


Součinitel prostupu tepla se spočítá podle rovnice: 1 cd 1 1 + ∑( + H' ed Hf

=

=

1

1 1 +g+ Hf H' (7.1)

kde k je součinitel prostupu tepla [W/m2K], H'/f je součinitel přestupu tepla [W/m2K], s je délkový rozměr [m],ed je tepelná vodivost [W/mK]. Tepelný odpor stěny R [m2K/W]: (

g=h

cd ed (7.2)

Jednotkovou plochou stěny prostupuje ustálený tepelný tok tok q [Wm-2] i =1∗

∗

'

−

f

(7.3)

Obr 7.2 Schéma ustáleného prostupu tepla složenou stěnou s tepelnou izolací na vnější straně zdi [11]

30


Michal Synek

V následující tabulce jsou uvedeny tepelné ztráty prostupem oken a dveří navrhovaných a počítaných výrobcem pro modelový dům, rozložení jednotlivých oken v místnostech je znázorněno ve výkresech půdorysů jednotlivých podlaží v příloze. Kde Sj je celková plocha skla Uwj je součinitel přestupu tepla oknem.

Položka

Sj [m2]

Uwj[W/m2K]

Okno č.1

0,32

0,84

Okno č.2

1,29

0,76

Okno č.3

1,03

0,78

Okno č.4

2,15

0,73

Okno č.5

1,96

0,74

Okno č.6

4,47

0,79

Vchodové dveře

2,00

1,7

Tab. 7.2 jmenovité parametry oken a dveří

7.1 Výpočet tepelných ztrát prvního obytného patra 7.1.1 Výpočet tepelných ztrát prostupem tepla Pro všechny místnosti v prvním patře jsem volil vnitřní výpočtovou teplotu ti 20°C, zamezíme tepelným ztrátám prostupem vnitřními stěnami mezi jednotlivými místnostmi. Pro vypočet prostupu tepla, podle vzorce 6.1, obvodovou stěnou jsem volil cihlovou zeď, s polystyrenovým venkovním zateplením o následujících parametrech:

Si [m]

e' [W/m2K]

Vnitřní omítka

0,01

0,8

Cihlová zeď

0,45

1,44

Polystyrenové zateplení

0,1

0,13

Vnější omítka

0,15

0,8

Tab. 7.3 parametry obvodových zdí

31

Michal Synek


Dosazením těchto hodnot do rovnice 6.2 dostaneme hodnotu tepelného odporu:

g=

0,01 0,45 0,1 0,15 + + + = 1,1132 0,8 1,44 0,13 0,8

j

3

Z rovnice 6.1 určíme součinitel prostupu tepla:

=

1

1 1 + 1,113 + 8 23

= 0,782j/

3

kde podle normy ČSN 060210 se uvažuje jednotně H' = 8,0 2j/

3, Hf = 23,0 2j/

3

Z rovnice 6.3 určíme ustálený tepelný tok jednotkovou stěnou: i = 1 ∗ 0,78 ∗ 220 − −12 3 = 24,97j Příklad výpočtu tepelných ztrát pro obývací pokoj (místnost číslo 109), délka pokoje 3,85 metru, šířka 4,95 metru a výška 2,5 metru. V místnosti jsou umístěny okna číslo 2 a 6 blíže určené tabulkou 6.2. Celkový tepelný tok odcházející z místností je roven součtu tepelného toku procházejícího stěnou a jednotlivými okny: (

! = k ∗ l + š ∗ l − h !d 2

3 (7.5)

kde S je celková plocha stěny, d,h,š jsou délkové rozměry a Sj plocha jednotlivých oken, tedy ! = 3,85 ∗ 2,5 + 4,95 ∗ 2,5 − 1,29 + 4,47 = 16,24 Základní tepelná ztráta prostupem stěnami Q0: (

+

=h

d

∗ !d

'

−

f

2j3 (7.6)

+

= 0,78 ∗ 16,24 ∗ 32 + 0,76 ∗ 1,29 ∗ 32 + 0,79 ∗ 4,47 ∗ 32 = 549,91j 32

Michal Synek


Přirážky k základní tepelné ztrátě prostupem - Přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn p1, je závislá na průměrném součiniteli prostupu tepla všemi stěnami v místnosti, a stanový se, ze základní tepelné ztráty. E

=

∑( !d ∗

+ '

−

2j/

f

3 (7.7)

E

=

549,91 3,85 + 4,95 ∗ 2,5 ∗ 20 − −12 D = 0,15 ∗

= 0,7812j/

3

E 2−3

(7.8) D = 0,15 ∗ 0,781 = 0,117 - Přirážka na urychlení zátopu p2 se u budov s malými zdroji tepla a s dobou vytápění kratší než 16 hodin za den volí jednotně 0,2.

- Přirážka p3 na světovou stranu Světová strana

J

JZ

Z

SZ

S

SV

V

JV

Přirážka p3[-]

-0,05

0

0

0,05

0,1

0,05

0,05

0

Tab. 7.4 přirážky na světovou stranu

Obývací pokoj je orientován na jihovýchodní stranu, takže p3 je nulová =

+

∗ 1+D +D +D (7.9)

= 549,91 ∗ 1 + 0,117 + 0,2 + 0 = 724,3j

Tepelná ztráta prostupem tepla do nevytápěných částečně nad terénem umístěných, větraných sklepních prostor, ve kterých volíme teplotu 0°C. Vycházíme ze vzorce 6.1 a volíme betonovou podlahu o tloušťce 0,25 metru a tepelné vodivosti 1,5 W/mK, a tepelné izolaci a tloušťce 0,1 metru a tepelné vodivosti 0,13 W/mK.

33

Michal Synek

Zapojení teplovodní krbové vložky v systému vytápění RD OEI-EÚ-FSI-VUT =

1

1 0,25 0,1 1 8 + , 1,5 + 0,131 + 23

= 0,912j/

i = 1 ∗ 0,91 ∗ 20 − 0 = 18,12j/ n

3

3

= 3,85 ∗ 4,95 ∗ 18,1 = 345,12j

7.1.2 Výpočet tepelných ztrát větráním Větrání obytných prostor je velmi důležité z hlediska hygienických důvodů, abychom nepřekročili povolené množství přípustných škodlivin. Nejnižší přípustná výměna je 0,3 krát za hodinu, ovšem pro většinu místností se počítá s hodnotou 0,5 krát. Například pro kuchyně a koupelny, místností s větším výskytem nežádoucích látek v okolním vzduchu (spaliny ze sporáku, nadměrná tvorba vodní páry), se počítá s vyšší požadovanou výměnou vzduchu. U našeho modelového domu není zabudována žádná rekuperační jednotka, ve které by byl vzduch jakkoliv předehřívaný a počítáme tedy s chladným vzduchem odebíraným z okolí budovy, který vstupuje do místností skrz okna, popřípadě skrz veškeré možné netěsnosti. Obecná rovnice pro tepelnou ztrátu větráním

o

=

3600

∗

∗ ∗

'

−

f

2j3 (7.10)

kde V je objemový tok vzduch vstupující do místnosti, měrná tepelná kapacita vzduchu [

], a

'/f

je hustota vzduchu [

∗

], c je

je vnitřní/venkovní teplota vzduchu [°I].

Rovnice pro určení objemového toku V: = "o ∗ q2

ℎ 3 (7.11)

34

Michal Synek


kde n je intenzita výměny vzduchu ve větrané místnosti a "o objem vzduchu ve větraném prostoru a lze jej spočítat: "o = k ∗ š ∗ l2

3 (7.12)

Pro obývací pokoj (místnost 109) můžeme spočítat tepelnou ztrátu větráním pomocí vztahů 7.12, 7.11 a 7.10 kdy budeme uvažovat hustotu vzduchu v místnosti při 20°C 1,2 2

3 o tepelné kapacitě

= 1010 2

=

3.

"o = 3,85 ∗ 4,95 ∗ 2,5 = 47,64 = 47,64 ∗ 0,5 = 23,82

o

=

23,82 ∗ 1,2 ∗ 1010 ∗ s20 − −20 t = 256,641j 3600

Celková tepelná ztráta Qc obývacího pokoje pak bude součtem tepelných ztrát prostupem Qp a tepelných ztrát větráním Qv. Při výpočtu pak postupujeme místnost po místnosti a jednotlivé hodnoty zapisujeme a tepelná ztráta celého objektu je pak dána součtem tepelných ztrát jednotlivých místností.

35

Přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn

Přirážka na urychlení zátopu

Přirážka na světovou stranu

Tepelná ztráta místnosti prostupem tepla

Průměrný součinitel prostupu tepla dané místnosti

Q

S

Qs

Ss

kc

p1

p2

p3

Qp

[°°C]

[°°C]

[W]

[x ]

[W]

[x ]

[yzx ]

[-]

[-]

[-]

[W]

101

20

-12

150,94

3,68

69,45

3,83

1,27

0,19

0,2

0,1

294,6

102

20

-12

286,42

8,88

132,42

2,93

1,01

0,15

0,2

0,05

533,8

103

20

-12

68,66

2,75

51,79

2,86

0,78

0,12

0,2

0,1

149,1

104

20

-12

467,03 18,85 234,13

12,93

0,77

0,11

0,2

0.05

872,1

105

20

-12

0

0

80,32

4,44

0,91

0,14

0,2

0

80,3

106

20

-12

124,84

5

94,17

5,2

0,78

0,11

0,2

0

258,6

107

20

-12

100,49

4

73,16

4,04

0.79

0,12

0,2

0

205,6

108

20

-12

63,04

2,5

28,97

1,6

0,78

0,11

0,2

0

112,1

109

20

-12

549,91

22

345,12

19,06

0,78

0,12

0,2

0

1069,5

110

20

-12

444,62 17,75 226,59

12,51

0,78

0,12

0,2

0,05

834,6

Plocha podlahy

Tepelná ztráta prostupem stěn

uw

Tepelná ztráta prostupem podlahou

Výpočtová venkovní teplota

uv

Plocha stěn

Výpočtová vnitřní teplota

Michal Synek


Tab. 7.5 tepelné ztráty prostupem tepla

Celkové tepelné ztráty prostupem tepla všemi plochami prvního patra činí 4,41 kW.

36

V

Qv

[°°C]

[°°C]

[m3]

[h-1]

[m3]

[W]

101

20

-12

9,58

0,5

4,79

51,64

102

20

-12

7,31

0,5

3,66

39,39

103

20

-12

7,15

0,5

3,58

38,51

104

20

-12

32,32

1

32,32

348,2

105

20

-12

11,10

0,5

5,55

59,72

106

20

-12

13,00

0,5

6,50

70,02

107

20

-12

10,1

1

10,1

108,81

108

20

-12

4

0,5

2

21,55

109

20

-12

47,64

0,5

23,82

256,64

110

20

-12

31,28

0,5

15,64

168,50

Objemový tok

vzduchu

místnosti

větráním

n

Tepelná ztráta

Ov

větraného vzduchu

uw

Intenzita výměny


uv

Celkový objem


Michal Synek


Tab. 7.6 tepelné ztráty větráním (první patro)

Celkové tepelné ztráty větráním činí 1,16 kW

7.1.3 Celková tepelná ztráta prvního patra modelového domu -

=

Q

+

o 2j3

(7.13) -

= 4,41 + 1,16 = 5,57 j

37

Michal Synek


7.2 Výpočet tepelných ztrát druhého (podkrovního) obytného patra Pro místnosti v podkroví jsem volil výpočtovou vnitřní teplotu ti 20°C, na rozdíl od prvního patra, musíme počítat s prostupem tepla stěnami dvojím způsobem. Stěny místnosti jsou tvořeny z části obvodovou zdí, blíže popsanou v tabulce 6.3 a z druhé části stropy ze sádrokartonu se zateplením minerální vatou (orsilem). Nad těmito prostory se nachází půdní vestavby s těsnou krytinou a s tepelnou izolací, z tohoto důvodu jsem volil výpočtovou teplotu te 0°C. Vzhledem ke shodné vnitřní teplotě v prvním a druhém podlaží není nutné uvažovat tepelnou ztrátu prostupem podlahou. si [m]

e' [W/m2K]

Sádrokarton

0,02

0,22

Orsil

0,2

0,041

Tab. 7.7parametry stropu podkrovních místností

7.2.1 Výpočet tepelných ztrát prostupem tepla S využitím vztahů 7.1, 7.2 a 7.3 si nejprve určíme součinitel prostupu tepla k, tepelný odpor a ustálený tepelný tok jednotkovou stěnou. g´ = ´=

0,02 0,1 + = 2,532 0,2 0,041

j

3

1 = 0,3722j/ 1 1 + 2,53 + 8 23

3

i´ = 1 ∗ 0,372 ∗ 20 − 0 = 7,45j

R 2

j

K 3

2j/

q 3

2j

Obvodová stěna

1,113

0,78

24,97

Sádrokartonový strop

2,53

0,372

7,45

Tab. 7.8 R,k,q druhého patra 38

3

Michal Synek


Příklad výpočtu tepelných ztrát pro místnost 203, jehož délka je 1,3 metru, výška 2,5 metru šířka 6,625 metru. V místnosti je umístěno okno číslo 2, jehož parametry jsou v tabulce 7.2. S použitím rovnice 6.5 určíme plochy prostupu tepla do podkroví a do okolí domu ! = 1,3 ∗ 2,5 − 1,29 = 1,96 !´ = 1,3 ∗ 6,625 = 8,613 Následným dosazení do rovnice 6.6 určíme základní ztrátu prostupem +

= 0,78 ∗ 1,96 ∗ 32 + 0,372 ∗ 8,613 ∗ 20 + 0,76 ∗ 1,29 ∗ 32 = 144,44j

Dále určíme přirážky k základní tepelné ztrátě: Z rovnice 6.7 získáme průměrný součinitel prostupu tepla a následně určíme přirážku p1 -

=

144,44 = 0,5232j 1,96 ∗ 32 + 8,613 ∗ 20

3

D = 0,15 ∗ 0,523 = 0,078 Přirážka na urychlení zátopu p2 se stejně jako u výpočtu prvního patra volí 0,2 a přirážka na světovou stranu p3 je podle tab. 6.4 (místnost orientovaná na sever) 0,1. Následným výpočtem s použitím rovnice 6.9, získáme celkovou tepelnou ztrátu prostupem. = 144,44 ∗ 1 + 0,078 + 0,2 + 0,1 = 199,1j

39

Michal Synek


7.2.2 Výpočet tepelných ztrát větráním Pro výpočet tepelných ztrát větráním druhého patra postupujeme naprosto stejným způsobem jako u prvního podlaží, využijeme při tom rovnice 6.10, 6.11 a 6.12. "o = 1,3 ∗ 2,5 ∗ 6,625 = 21,53 = 21,53 ∗ 0,5 = 10,77

Ss

Q0

kc

p1

p2

p3

Qp

[x ]

[x ]

[W]

[yzx ]

[-]

[-]

[-]

[W]

Tepelná ztráta místnosti prostupem tepla

Přirážka na urychlení zátopu

S

Přirážka na světovou stranu

Přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn

[°°C]

Průměrný součinitel prostupu tepla dané místnosti

uw ´

Základní tepelná ztráta

Výpočtová teplota půdy

uw

10,77 ∗ 1,2 ∗ 1010 ∗ 20 − 0 = 256,641j 3600

Plocha stropu


uv

=

Plocha stěn


o

201

20

-12

0

6,29

4,43

189,95

0,655

0,100

0,2

0,05

256,111

202

20

-12

0

13,74

22,67

351,81

0,394

0,059

0,2

0,05

460,547

203

20

-12

0

3,25

8,61

144,44

0.523

0,078

0,2

0,1

199,102

204

20

-12

0

2

6,01

94,69

0,514

0,077

0,2

0

120,930

205

20

-12

0

2,9

6,78

122,93

0,423

0,063

0,2

0

155,327

206

20

-12

0

15,01

23,91

554,27

0,578

0,087

0,2

0

713,204

207

20

-12

0

11,62

14,40

514,72

0,604

0,091

0,2

0

514,722

Tab. 7.9 tepelné ztráty prostupem tepla

Celkové ztráty prostupem tepla všemi plochami druhého patra jsou 2,420 kW. 40

Qv

[°°C]

[°°C]

[m3]

[h-1]

[m3]

[W]

101

20

-12

7,47

0,5

3,74

25,14

102

20

-12

44,63

0,5

22.32

150,26

103

20

-12

21,53

0,5

10,77

72,49

104

20

-12

10,13

0,5

5,06

34,09

105

20

-12

14,68

1

14,68

98,85

106

20

-12

44,86

0,5

22,43

151,03

107

20

-12

28,03

0,5

14,15

94,37

vzduchu

místnosti

větráním

V

Tepelná ztráta

n

větraného vzduchu

Ov

Objemový tok

uw

Intenzita výměny


uv

Celkový objem


Michal Synek


Tab. 7.10 tepelné ztráty větráním (druhé patro) Celkové tepelné ztráty větráním činí 0,626 kW

7.2.3 Celková tepelná ztráta druhého patra modelového domu -

=

Q

+

o 2j3

(7.13) -

= 2,420 + 0,626 = 3,043 j

7.3 Celková tepelná ztráta modelového domu Celkovou ztrátu určíme součtem všech tepelných ztrát celého objektu, v tomto případě se jedná o tepelné ztráty prvního a druhého patra. Tepelné ztráty sklepních a půdních prostor neuvažujeme, jelikož nejsou vytápěny, a tudíž tepelný tok vstupující do nich ze sousedních místností je roven tepelnému toku odcházejícímu do okolí. (

-

=h

-d

= 5,573 + 3,043 = 8,616 j

41

Michal Synek


8. Spotřeba tepla – denostupňová metoda Teplo, které je zapotřebí dodávat do vytápěných objektů, aby bylo dosaženo žádané vnitřní teploty ti, tj. tepelné pohody prostředí, za určité časové období (hodina, den, rok), při určitých tepelně izolačních vlastnostech objektu a vnějších povětrnostních podmínkách, se nazývá spotřeba tepla. Z technicko-ekonomického hlediska je nejdůležitější roční spotřeba tepla daného objektu. Při vytápění domu teplovodní krbovou vložkou jsou s tím úzce spjaty i další faktory jako například: cena palivového dřeva, prostory pro sušení a skladování palivového dřeva, ...

8.1 Teoretická spotřeba tepla Teoretická spotřeba tepla Qd se počítá z celkové tepelné ztráty objektu, popsané a vypočtené v kapitole 6, podle vztahu: {

= 24 ∗ 3600 ∗ | ∗

∗

k∗

'

'

−

−

fn

fo

= 8,64 ∗ 10/ ∗ | ∗

∗

k∗

'

'

−

−

fn

fo

2 3 (8.1)

kde Q je maximální tepelná ztráta [W], d je délka otopného období [-], ti je vnitřní výpočtová teplota [°C], tev je venkovní výpočtová teplota [°C], tes je střední venkovní teplota v otopném období [°C], | opravný součinitel (za normálních podmínek se pohybuje v rozmezí 0,6 až 0,85) [-], hodnoty d,ti/ev/es jsou uvedeny v tabulce 6.1 |=

+

2−3 (8.2)

kde Q0 je tepelná ztráta prostupem stěnami popsána v kapitole 6. |=

{

6,83 = 0,79 8,62

= 8,64 ∗ 10/ ∗ 0,79 ∗ 8,62 ∗ 10 ∗

42

208 ∗ 20 − 3,9 = 61,57 ∗ 10* 20 − −12

Michal Synek


8.2 Skutečná spotřeba tepla Skutečná spotřeba tepla se od teoretické poněkud liší a to o ztráty vzniklé při výrobě tepelné energie a jejím rozvodu a následné dodávce do vytápěných místností. Nejpřesněji lze určit ztrátu při výrobě tepla, ta je určena z převážné části účinností kotle. Na druhou stranu ztráty při rozvodu tepla a dodávce tepla se určují jen velmi těžko, proto jsou většinou voleny podle odborné literatury. {n } .

=

{

•€ •• •%

2 3 (8.3)

kde •€ je účinnost kotle, •• účinnost rozvodu otopného média, •% je účinnost regulace

{n }

=

61,57 ∗ 10* = 87,18 ∗ 10* 2 3 0,8 ∗ 0,97 ∗ 0,91

hodnoty koeficientů •€ , •• , •% byli voleny podle [12]

8.3 Spotřeba paliva Spotřebu paliva Ud [kg] ([m3]) určuje jeho výhřevnost Hu [Jkg-1] ([Jm-3]), která je závislá na vlhkosti a objemové hmotnosti. Tabulkově (dřevo obecně) lze počítat s výhřevností 14,23 2‚

3 při vlhkosti dřeva 20%. ƒ{ =

{

#} • (8.4)

• = •€ •• •% (8.5)

43

Michal Synek

Zapojení teplovodní krbové vložky v systému vytápění RD OEI-EÚ-FSI-VUT • = 0,8 ∗ 0,97 ∗ 0,91 = 0,71

61,57 ∗ 10* ƒ{ = = 6094 14,23 ∗ 10J ∗ 0,71

Pro vytápění modelového domu po dobu celé otopné je zapotřebí 6094 kilogramů palivového dříví, což při průměrné hustotě 700 kg*m-3 znamená, že bude zapotřebí skladování 8,7 m3 dřeva.

44

Michal Synek


9. Možnosti zapojení teplovodní krbové vložky do systému vytápění rodinného domu Pravidlem pro připojení teplovodní vložky do systému vytápění je nutnost osazení třícestného směšovacího ventilu na větvi přívodu vody do vložky a čerpadla s termostatem na topné větvi, více v kapitole 5.1. Důležitým kritériem také je, jestli budeme vložku používat jako hlavní zdroj tepla, nebo jen na zpříjemnění tepelné pohody prostředí mimo topnou sezónu při větším poklesu venkovní teploty. Níže jsou uvedeny některé z nejběžnějších typů zapojení.

9.1 Samotížné (gravitační) zapojení Cirkulace vody v otopné soustavě je dána pouze rozdílem tlaků v otopné a vratné větvi v závislosti na rozdílných hustotách (teplá voda stoupá a chladnější klesá). Regulace se provádí použitím termostatických hlavic na otopných tělesech. Toto provedení je vhodné především pro objekty s malou půdorysnou plochou a velkými výškovými rozdíly.

Obr. 9.1 Schéma samotížného zapojení [12] 1 Krbová vložka, 2 expanzní nádoba, 3 vypouštěcí ventil, 4 odvzdušňovací ventil, 5 pojistný ventil, 6 otopné tělesa Výhody: nezávislost na elektrické energii, tichost soustavy, jednoduchost, nenáročnost Nevýhody: malá rychlost vody v potrubí, pomalá reakce na klimatické změny okolí, velké průměry potrubí, velký objem vody v otopném systému 45

Michal Synek


9.2 Zapojení s akumulační nádrží Do toho systému je vhodné zapojit oběhové čerpadlo se zabudovaným termostatem, díky kterému otopná soustava rychleji reaguje na změnu vnitřní teploty (zvýšení/snížení průtoku topného média). Díky oběhovému čerpadlu se nemusí brát v úvahu velký teplotní spád jako u gravitačního zapojení. Problém ale nastává při výpadku elektrické energie, kdy by mohlo dojít k přetopení tepelného zdroje. Díky akumulační nádrži viz kapitola 4, můžeme považovat tento typ zapojení za dva samostatné okruhy: topná a vytápěcí. Topný okruh nahřívá akumulační jednotku a vytápěcí pouští energii do otopné soustavy. Při vyšších venkovních teplotách lze topit jen pár hodin denně na jmenovitý výkon krbové vložky, tím nesnižujeme účinnost spalování, a odebírat požadovanou tepelnou energii kontinuálně podle potřeb na vnitřní teplotu, v závislosti na kapacitě akumulační nádrže.

Obr. 4.2 Schéma zapojení s akumulační nádrží [12] 1 krbová vložka, 2 akumulační nádrž, 3 čerpadlo 4 expanzní nádoba, 5 třícestný směšovací ventil, 6 termostatická směšovací ventil, 7 vypouštěcí ventil, 8 odvzdušňovací ventil, 9 pojistný ventil, 10 zpětná klapka, 11 otopné těleso Výhody: nezáleží na tlakové diferenci, topení jen nutnou dobu, dobrá teplotní regulace Nevýhody: díky čerpadlu závislost na elektrické energii a hlučnost, prostorová náročnost vzhledem k umístění akumulační nádrže. 46

Michal Synek


9.3 Zapojení s akumulační nádrží, solárním systémem a TUV U tohoto systému zapojení je stejně jako v předešlém případě primárním zdrojem tepla krbová vložka a o podpůrné ohřívání média v akumulační nádrži se stará solární systém. V důsledku většího odběru tepelné energie z důvodu ohřevu teplé užitkové vody muže být ohřev podporován vestavěným odporovým topidlem. V létním období se solární systém stará převázně o ohřev TUV (není nutné vyuřití boileru), z čehož plyne vysoká úspora na elekrické energii.

Obr.9.3 Schéma zapojení a akumulační nádržím solárním ohřevem a ohřevem TUV [12] 1 krbová vložka, 2 akumulační nádrž, 3 solární kolektory, 4 výměník tepla (solární větev), 5 výměník tepla (TUV větev), 6 čerpadlo, 7 termostatický směšovací ventil, 8 vstup a výstup TUV, 9 odvzdušňovací ventil, 10 pojistný ventil, 11 vypouštěcí ventil, 12 zpětná klapka, 13 expanzní nádoba, 14 třícestný směšovcí ventil Výhody: Nezáleží na tlakové diferenci (použití čerpadla), vytápění i bez použití krbové vložky, využívání obnovitelného zdroje energie, velká úspora paliva

47

Michal Synek


10. Ekonomické porovnání navržených variant Cílem této práce je rozebrat vytápění objektu teplovodní krbovou vložkou, z tohoto důvodu rozebereme ekonomickou situaci u provedení popsaných v kapitolách 9.1 a 9.2. Při spalování kusového dřeva lze vložky efektivně provozovat ve výkonnostním rozsahu 50 – 100%. Pokud podkročíme tuto hodnotu, zapříčiníme tím nedokonalé spalování. Krbová vložka má menší účinnost, tím se výrazně zvýší spotřeba paliva, dochází při tom k zanášení spalinovodu a zkracování životnosti. Proto je nespornou výhodou zapojení akumulační nádrže, díky které můžeme topit plným výkonem a přebytečné teplo akumulovat a následně ho opětovně podle potřeby použít. Výsledkem je snížení nákladů na vytápění díky nižší potřebě paliva, prodloužení životnosti krbové vložky, a menší údržba.

48

Michal Synek


11. Závěr Cílem této práce bylo seznámení s možnostmi zapojení teplovodní krbové vložky do systému vytápění rodinného domu. V úvodní části je popis funkčnosti krbové vložky spolu s uvedením různých druhů přísunu vzduchu potřebného ke spalování a popis teplovodních výměníků. Dále je přehled některých typů akumulace tepla s vysvětlením principu absorbování tepelné energie a možnosti regulace otopné soustavy jak krbové vložky, tak i koncových otopných těles. Výpočtová část se zabývá stechiometrií spalování a především určením tepelných ztrát podsklepeného dvoupodlažního modelového domu, spotřebou tepla a paliva denostupňovou metodou. Z dosažených výsledků vyplývá, že ztráty prostupem tepla a větráním se na celkové ztrátě podílí 75%, respektive 25%. V poslední části je přehled nejběžněji používaných zapojení teplovodních krbových vložek do systému vytápění spolu se schematickým znázorněním.

49

Michal Synek


Seznam použitých zdrojů [1] Ing. Horák J.Ph.D,Ing Kubesa P.TZB-info [online]. 28.5.2012 [cit. 2013-04-20]. Http://www.tzb-info.cz. Dostupné z WWW: < http://energetika.tzb-info.cz/8644-o-spalovanituhych-paliv-v-lokalnich-topenistich-2>. [2] SYNEK, M. Možnosti vytápění biomasou. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2011. 54 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Otakar Štelcl. [3] centrumkrbu [online]. [cit. 2013-04-20]. Http://www.centrumkrbu.cz. Dostupné z WWW: < http://www.centrumkrbu.cz/krbove-vlozky/teplovodni-vlozky>. [4] krby-kama [online]. [cit. 2013-04-20]. http://www.krby-kama.cz. Dostupné z WWW: < http://www.krby-kama.cz/8146/teplovodni-krbove-vlozky-a-vymeniky-napojene-na-ut/>. [5] krby-kamna-eshop. [online]. [cit. 2013-04-20]. http://www.krby-kamna-eshop.cz. Dostupné z WWW: . [6] Banador [online]. [cit. 2013-04-20]. http:// www.banador.cz. Dostupné z WWW: . [7] BECHNÍK, B. TZB-info [online]. 2003 [cit. 2011-05-25]. Akumulace tepelné energie – fyzikální principy. Dostupné z WWW: < http://www.tzb-info.cz/1482-akumulacetepelneenergie-fyzikalni-principy > [8] BAŠTA, Jiří. Regulace vytápění. 1. vyd. V Praze: Nakladatelství ČVUT, 2007, 99 s. ISBN 978-80-01-02582-6 [9] VALTER, Jaroslav. Regulace v praxi, aneb, Jak to dělám já. 1. české vyd. Praha: BEN technická literatura, 2010, 169 s. ISBN 978-80-7300-256-5. [10] POČINKOVÁ, Marcela a Lea TREUOVÁ. Vytápění. 3., aktualiz. vyd. Brno: ERA, 2005, x, 145 s. ISBN 80-7366-016-4. [11] BROŽ, Karel. Vytápění. Vyd. 2. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2002, 205 s. ISBN 80-0102536-5. [12] KÁRL, J. Teplovodní krbová vložka. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 87s. Vedoucí diplomové práce Ing. Martin Lisý, Ph.D. [13] Kotle-Verner [online]. [cit. 2014-05-28]. verner.cz/vyrobky/doplnky/akumulacni-nadrz

50

Dostupné

z:

http://www.kotle-

Michal Synek


Seznam použitých zkratek a symbolů Značka Název veličiny (CO2)max Maximální množství ve spalinách a Součinitel přebytku vzduchu a Součinitel přestupu tepla c d h Hu k l lt p1 p2

Jednotka % -

Měrná tepelná kapacita Délkový rozměr

W*m-2K-1 J*kg-1*K-1 m

Účinnost Výhřevnost Součinitel prostupu tepla

J*kg (J*m-3) W*m-2K-1 -1

W*m-1K-1

Tepelná vodivost Měrné skupenské teplo tání (tuhnutí) Přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn

J*kg-1 -

p3 Q q Q R s S š

Přirážka na urychlení zátopu Přirážka na světovou stranu Teplo Tepelný tok Tepelná ztráta Tepelný odpor Délkový rozměr Plocha Délkový rozměr

J W*m-2 W 2 m K*W-1 m m2 m

t Ud V v V V

Teplota Spotřeba paliva Objem Délkový rozměr Objem Objemový průtok

°C (K) kg (m3) m3 m m3 3 m *hod-1

VAR

Objem argonu Ar ve spalinách

m3n*kg-1

VCO2

Objem oxidu uhličitého ve spalinách

m3n*kg-1

VH2O

Minimální objem vodní páry

m3n*kg-1

VN2

Objem dusíku ve spalinách

m3n*kg-1

Minimální množství kyslíku pro spálení 1 kg paliva

m3n*kg-1

VO2mn

VPH2OMIN Minimální objem vodní páry vzniklé spálením 1 kg paliva

m3n*kg-1

VSPmin

Minimální množství vlhkých spalin

m3n*kg-1

VSSPmin

Minimální objem suchých spalin

m3n*kg-1

Vsvzmin

Minimální množství suchého vzduchu

m3n*kg-1

VVZH2Omin Minimální množství páry vzniklé z vlhkého vzduchu 51

m3n*kg-1

Michal Synek VVZmin ρ


Minimální množství vlhkého vzduchu pro spálení 1 kg paliva

m3n*kg-1 kg*m-3

Hustota

52

Michal Synek


Seznam příloh P1 – půdorys suterénu P2 – půdorys přízemí P3 – půdorys podkroví P4 – řez budovou

53

Zapojení teplovodní krbové vložky v systému vytápění RD

Recommend Documents