výpočtovémetody energetickénáročnosti...
TRANSCRIPT
1
Výpočtové metody energetické náročnosti budov
Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.
Výpočtové metody energetické náročnosti budov
• Přehled platné legislativy
• Výpočetní postup podle vyhlášky 291/2001 Sb.
• Výpočet tepelného výkonu
• Výpočet potřeby tepla
2
Legislativa v roce 2007 v ČR• ČSN 060210 Výpočet tepelných ztrát budov při
ústředním vytápění (1994+z1999)• ČSN EN 12831 Otopné soustavy v budovách -
Výpočtová metoda pro tepelné ztráty (2003)• ČSN 730540-2 Tepelná ochrana budov - Část 2:
Požadavky (2005)• ČSN EN 832 Tepelné chování budov - Výpočet potřeby
energie na vytápění - Obytné budovy (2000)• ČSN EN ISO 13790 Tepelné chování budov - Výpočet
potřeby energie na vytápění• ČSN 383350 Zásobování teplem, všeobecné zásady
(1989+z1991)
http://www.cni.cz
Legislativa v roce 2007 v ČR• Zákon 406/2006 o hospodaření energií
• Vyhláška 291/2001 Sb. kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při spotřebě tepla v budovách
• Vyhláška 213/2001 Sb. kterou se vydávají podrobnosti náležitostí energetického auditu se změnami: 425/2004
• Vyhláška 150/2001 Sb. kterou se stanoví minimální účinnost užití energie při výrobě elektřiny a tepelné energie
• Vyhláška 151/2001 Sb. kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelnéenergie
• Vyhláška 152/2001 Sb. kterou se stanoví pravidla pro vytápěnía dodávku teplé užitkové vody, měrné ukazatele spotřeby tepla pro vytápění a pro přípravu teplé užitkové vody a požadavky na vybavení vnitřních tepelných zařízení budov přístroji regulujícími dodávku tepelné energie konečným spotřebitelům
3
Vyhláška 291/2001Sb.
• Slouží pro porovnání parametrů budov.• Posuzuje energetickou náročnost (tepelnou náročnost)
z pohledu stavebního řešení. • Zohledňuje vnitřní zisky budovy (snižují měrnou potřebu
tepla). (!!chlazení pasivních domů)• Druh OS a její regulace je obsažena ve stupni využití
tepelných zisků.• Druh zdroje tepla není brán v úvahu.• Požadavky vyhlášky nemusí být splněny, pokud auditor
prokáže, že to není technicky možné nebo ekonomicky vhodné.
Vyhláška 291/2001Sb.• Podmínky výpočtu:
Nepřetržité vytápění n=0,5h-1
Střední teplota 3,8°C, otopné období 242 dnů.Spotřeba tepla spočítána v hranicích vnějších konstrukcí.A…plocha ochlazovaných konstrukcí (m2)V…objem vytápěné části budovy (m3)
Budova vyhovuje pokud:
4
Vyhláška 291/2001Sb.• Měrná spotřeba tepelné energie (kWh/m3)
• Výsledná spotřeba tepelné energie pro vytápění (kWh)
• Spotřeba tepelné energie pro vytápění (kWh)
• Tepelné zisky z vnitřních zdrojů (kWh)• Tepelné zisky ze slunečního záření (kWh)
Vyhláška 291/2001Sb.
• Spotřeba tepla na krytí ztrát větráním (kWh)
• Spotřeba tepla na krytí ztrát prostupem (kWh)
5
Metody výpočtu tepelných ztrát (= tepelného výkonu)
ČSN 06 0210Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápěníVydána 1.5.1994Novelizace 1.2.1999Platnost do ???
ČSN 12831Tepelné soustavy v budovách – Výpočet tepelného výkonuVydána 1.3.2005.Novelizace 1.8.2005 (textová úprava).
ČSN 060210• Vazba na novelizovanou ČSN 730540-4Tepelná ochrana budov - Část 4: Výpočtové metodyVydána 1.6.2005• Tepelné mosty-vliv zohledněn zvýšením součinitele
prostupu tepla– Připočteno ΔU (0,02-0,15W/m2.K)– Zvýšena λ izolace– Zvýšení λ vrstev (pouze přibližně)
• Prostup tepla konstrukcí přilehlou k zemině– Výpočet dle ČSN EN ISO 13370
• Výpočet U konstrukce přilehlé k nevytápěnému prostoru– ČSN EN ISO 13790
6
ČSN 060210
• ČR rozdělena do klimatických oblastí s výpočtovými teplotami -12,-15,-18°C
• Tepelná ztráta = prostup + větrání• Není určena pro sálavé vytápění
pQ U A t= ⋅ ⋅ ∆
VQ c V tρ= ⋅ ⋅ ⋅ ∆
Prostup tepla
Větrání
ČSN EN 12831
• Norma popisuje výpočet návrhového tepelného výkonu pro: – vytápěný prostor pro dimenzování otopných
ploch– budovu nebo část budovy pro dimenzování
tepelného výkonuVýpočet pro standardní případy -výška
místností do 5 m, vytápění do ustáleného stavu.
+ zvláštní případy: budovy s vysokou výškou stropu nebo rozdílnou teplotou
7
ČSN EN 12831
• Nové značky veličin:θ.…teplota (°C) [théta]
Φ…tepelná ztráta, výkon (W) [velké fí]
• Nové veličiny:H…součinitel tepelné ztráty (W/K)ψ…lineární součinitel prostupu tepla
(W/m.K)Q…množství tepla (J)
Výpočet tepelných ztrát
• Celková návrhová tepelná ztráta (W)Φi = ΦT,i + ΦV,i
ΦT,i ….. návrhová tepelná ztráta prostupem tepla ΦV,i …..návrhová tepelná ztráta větráním
8
Prostup tepla - vytápěný prostor
, , , , , int,( ) ( )T i T ie T iue T ig T ij i eH H H H θ θΦ = + + + ⋅ −
H…součinitel tepelné ztráty prostupem (W/K)
Indexy:int…..vnitřní prostori……..vytápěný prostore…….vnější, venkovníu…….nevytápěný prostorg…….zemina, půdaj……...vytápěný prostor
(na výrazně jinou teplotu)
Ztráty do exteriéru
A…(m2)U…(W/m2.K)e…korekční činitel vystavenípovětrnosti pokud vlivy nebyly uvažovány při výpočtu U(W/m2.K) EN ISO 6946
,T ie K K K i i iK I
H A U e I e= ⋅ ⋅ + Ψ ⋅ ⋅∑ ∑
stavební část lineární tepelný most
9
Ztráty do exteriéru
ψ…součinitel lineárního tepelného mostu (W/m.K)→ČSN EN ISO 14683
zjednodušeně→ČSN EN ISO 10211-2
podrobný výpočetI…délka lineárního mostu
(m)
,T ie K K K i i iK I
H A U e I e= ⋅ ⋅ + Ψ ⋅ ⋅∑ ∑
lineární tepelný moststavební část
Tepelné mosty-lineární činitele
ČSN EN ISO 14683
10
Ztráty nevytápěným prostorem
bu…redukční činitel (-) při známé θ :
H A U b Ψ l bk k u l l uT,iuek l
= ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅∑ ∑
e,iint
u,iint
θθθθ
−−
=ub
ueiu
ueu HH
Hb+
=
jinak:
Ztráty do zeminy
Korekční činitele:fg1…vliv ročních změn
teplotyfg2…vliv průměrné a venkovní výpočtové teplotyGw…vliv spodní vody (při
vzdálenosti < 1m)
wk
equiv,kkggT,ig )( GUAffH 21 ⋅⋅⋅⋅= ∑
Uequiv,k…ekvivalentní součinitel prostupu tepla –stanovený dle typu podlahy.
11
Ztráty do zeminy
• Uequiv,k-určí se v závislosti na U stavebníčásti a charakteristickém parametru B´. (ČSN EN ISO 13370)
PAB
⋅=′
5,0g
Ag…plocha podlahové konstrukce (m2)
P….obvod podlahové konstrukce (m)
Ztráta do/z vytápěného prostoru
A…(m2)U…(W/m2.K)fij…redukční teplotní činitel
∑ ⋅⋅=k
kki,jT,ij UAfH
e,iint
uho prostor sousednívytápěného,iintif
θθθθ
−−
=j
12
Ztráta větráním
, , int,( )V i V i i eH θ θΦ = ⋅ −H…součinitel návrhové tepelné ztráty větráním (W/K)
Vi…výměna vzduchu (m3/s)
p ,V i iH V cρ⋅= ⋅&
Množství větracího vzduchu
Přirozené větrání
( )inf, min,max , i i iV V V=& & &
Nucené větrání
iinf,mech,vi isu,iinf,i . VfVVV &&&& ++=
inf…infiltrace , su…přiváděný vzduch, mech,inf…nuceně odváděný -přiváděný vzduch, fvi…teplotní redukční součinitel
i minimin, .VnV && =
2,0Zasedací místnost, školní třída1,0Kancelář1,5Kuchyně nebo koupelna s oknem0,5Obytná místnost (základní)
nmin (h-1)Druh místnosti
13
Infiltrace obvodovým pláštěm inf,i 502 . . . . i i iV V n e ε=&
n50…intenzita výměny vzduchu za hodinu při rozdílu tlaků 50 Pa
2…n50 je pro celou budovu tzn. nejhorší případ je vstup vzduchu pouze z jedné strany
ei…stínící činitel (stínění prostoru zástavbou)εi…výškový korekční činitel (vliv výškového
umístění středu prostoru)
Návrhový tepelný výkonPro vytápěný prostor:
ΦHL,i = ΦT,i + ΦV,i + ΦRH,i (W)
Pro budovu nebo část budovy:
ΦHL = Σ ΦT,i + Σ ΦV,i + Σ ΦRH,i (W)
ΦT,i …návrhová tepelná ztráta prostupem tepla ΦV,i …návrhová tepelná ztráta větráním
(* pro budovu redukováno maximum)ΦRH,i …zátopový tepelný výkon při přerušovaném
vytápění
14
Zjednodušený výpočet
Předpoklady:Obytné budovy n50 < 3 h-1
Použití vnějších rozměrů
Celková tepelná ztráta:
( ), , ,.i T i V i if θ∆Φ = Φ + Φ
fΔθ …teplotní korekční činitel zohledňující dodatečnévyšší ztráty (24°C)
Zjednodušený výpočet
• Ztráta prostupem tepla
• Ztráta větráním( )eint,ikkkkT,i θθ −⋅⋅⋅Σ= UAfΦ
( )V,i min,i int,i e0,34 V θ θΦ = ⋅ ⋅ −&
iminimin, VnV ⋅=&
Celkový tepelný výkonΦHL = Σ ΦT,i + Σ ΦV,i + Σ ΦRH,i (W)
15
Potřeba tepla na vytápění:
Qh potřeba tepla na vytápění budovy Qr teplo zpětně získané, včetně obnovitelných zdrojů,
pokud není přímo zohledněno v redukci tepelné ztrátyQth celková tepelná ztráta vytápěcího systému,včetně
zpětně získané tepelné ztráty soustavy. Také vliv nerovnoměrné teploty místností a nedokonaléregulace
( ) thrh QQQQ +−=
ČSN EN 13790
Energetická bilance budovy
16
Potřeba tepla
Tepelné ztráty QL a tepelné zisky Qg se vypočítávají pro každý časový úsek výpočtu.
gLh QQQ ⋅−= η
∑=n
QQ nhh
Potřeba tepla Qh je součtem potřeb tepla za kratší časovéobdobí (měsíce).
Celková tepelná ztráta QL jednozónové budovy s konstantní vnitřní teplotou θi během daného časového
úseku t při průměrné venkovní teplotě θe
( )L i eQ H tθ θ= ⋅ − ⋅
aa
.
V cVH ⋅⋅= ρ
H = HT + HV
Potřeba energie na vytápění
17
Tepelné zisky Qg
• Vnitřní tepelné zisky – využitelnéVytápěné a nevtápěné místnosti.
( )[ ] ttbQ ⋅=⋅⋅−+= iiuihi 1 ΦΦΦ• Solární zisky
( )∑ ∑ ∑∑
−+
=
j j nu snj,sj
nsnjsjs AIbAIQ 1
sig QQQ +=
ČSN EN 832
• Výpočet tepelných ztrát budovy vytápěné na konstantníteplotu včetně vlivu solárních zisků
• Roční potřeba tepla na vytápění pro udržení požadovanévnitřní teploty
• Roční potřeba energie, kterou má pokrývat otopnásoustava
, , int,( )V i V i i eH θ θΦ = ⋅ −
, , int,( )T i T i i eH θ θΦ = ⋅ −
18
ČSN 383350
• Výpočet potřeby energie podle obestavěného prostoru (tepelné charakteristiky budovy)
( )o o is eQ V q θ θ= ⋅ ⋅ −
V….objem budovyq0…tepelná charakteristika (W/m3.K)θis...střední vnitřní teplotaθe... nejnižší venkovní teplota (-12,-15-18)
Odhad tepelného
výkonu
A - 1960 - k = 1,45 W/m2KB - 1978 - k = 0,89 W/m2KC - 1992 - k = 0,46 W/m2KD - 1994 - k = 0,33 W/m2KE - 2000 - k = 0,33 W/m2K(okna ko = 1,50 W/m2K)
Měrná tepelnáztráta q (W/m3)
19
ČSN 730540-2• Nejnižší vnitřní povrchová teplota θsi - tato teplota musí být
větší, než je teplota kritická.• Součinitel prostupu tepla U, který musí být vždy nižší, než je
součinitel prostupu tepla U požadovaný normou. Přitom se do tohoto součinitele prostupu tepla U započítávají i systematické tepelné mosty.
• Pokles dotykové teploty podlahy Δθ10.• Zkondenzované množství vodní páry uvnitř konstrukce musí
být menší než množství vody, jež může během roku vyschnout, a zároveň musí být takové, aby nedošlo k poruše konstrukce.
• Průvzdušnost obvodového pláště musí být u konstrukčních spár téměř nulová a u funkčních spár taková, aby násobnost výměny vzduchu při přetlaku 50 Pa byla menší než hodnoty uvedené v normě (pro přirozené větrání n50,N = 4,5 1/hod).
ČSN 730540-2• Intenzita výměny vzduchu v místnosti n musí být v
rozpětí nN ≤ n ≤ 1,5nN, kde nN je požadovaná násobnost výměny vzduchu.
• Tepelná stabilita místnosti v zimním období musísplňovat požadavky normy na maximální pokles teploty v zimním období.
• Tepelná stabilita místnosti v letním období musí splňovat požadavky na maximální denní vzestup teploty v místnosti.
• Energetická náročnost budovy musí prokázat, že budova má nižší měrnou potřebu tepla eVN, než je požadavek normy. Tento požadavek se pak může vyjádřit i stupněm energetické náročnosti – SEN.
20
2,33,5Dveře, vrata a jiná výplň otvoru podle 4.6, z částečněvytápěného nebo nevytápěného prostoru vytápěné budovy (včetně rámu)
1,352,0upravená
1,201,80nováOkno a jiná výplň otvoru podle 4.6, z vytápěného prostoru (včetněrámu, který má nejvýše 2,0 W/(m2.K))
1,802,7Stěna vnitřní mezi prostory s rozdílem teplot do 5 °C včetně
1,452,2Strop vnitřní mezi prostory s rozdílem teplot do 5 °C včetně
0,901,30Stěna mezi prostory s rozdílem teplot do 10 °C včetně
0,701,05Stěna mezi sousedními budovamiStrop mezi prostory s rozdílem teplot do 10 °C včetně
0,500,75Strop a stěna vnitřní z vytápěného k částečně vytápěnému prostoru
0,400,60Podlaha a stěna přilehlá k zemině (s výjimkou podle poznámky 2) Strop a stěna vnitřní z vytápěného k nevytápěnému prostoru
0,250,38těžká
0,200,30lehkáStěna venkovníStřecha strmá se sklonem nad 45°
0,200,30těžká
0,160,24lehkáStřecha plochá a šikmá se sklonem do 45° včetněPodlaha nad venkovním prostorem Strop pod nevytápěnou půdou se střechou bez tepelné izolacePodlaha a stěna s vytápěním
[W/(m2·K)][W/(m2·K)]
Doporučenéhodnoty
UN
Požadovanéhodnoty
UNTyp konstrukcePopis konstrukce
• Součinitelé prostupu tepla
• Energetický štítek budovy
• SEN stupeň energetickénáročnosti
Roční potřeba tepla na vytápění
Přibližná metoda:
( ) 6, 0 , , 24 10r vyt t i pr e prQ V q nθ θ −= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅
V0…. obestavěný prostor (m3)
qt... tepelná charakteristika budovy (W.m-3.K-1)
θi,pr… průměrná teplota vnitřního vzduchu (18-20°C)
θe,pr…průměrná teplota venkovního vzduchu v otopném období (°C)
n…počet dní otopného období (-)
21
Roční potřeba tepla na vytápění
Přesnější výpočet: ( )( )
,, 24 is e pr
r vyt vytis e
Q Q dθ θ
εθ θ
−= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
−
Qvyt…tepelná ztráta budovy (W)
ε... opravný součinitel nesoučasnosti (-)
θis… střední vnitřní teplota (18-20°C)
θe,pr…průměrná venkovní teplota v otopném období (°C)
θe… výpočtová venkovní teplota (°C)
D…počet denostupňů
d… počet dnů topného období
( ),is e prD d θ θ= ⋅ −
Denostupňová metoda
Potřeba tepla na ohřev vody
Teplota vody standardně 55°C, v místech odběru 45-60°C (možnost kolísání v době odběrových špiček)
Teplota vody v zásobníku běžně 60°C
Potřeba tepla na přípravu TUV je dána součtem skutečnépotřeby a tepelných ztrát (zásobník, rozvody).
( )( ) ( ),
, , ,,
550,8 350
55cw s
TUV r TUV d TUV dcw w
Q Q d Q dθ
θ
−= ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ −
−
QTUV,d…denní potřeba tepla na ohřev TUV (Wh.den-1)
θ... teplota studené vody v zimě a létě (°C)
22
Potřeba tepla na ohřev vody
( )2 2t p hw cwE c V θ θ= ⋅ ⋅ −
Potřeba teplé vody V2p
Součet potřeby vody na mytí osob, mytí nádobí, úklid.
E2t…teoretické teplo potřebné na ohřev daného množstvívody V2p v určitém čase (kWh)
E2p…teplo potřebné na ohřev daného množství vody V2p v určitém čase (kWh)
2 2(1 )p tE z E= + ⋅
Operativní vs. bilanční hodnocení
Odráží skutečný provoz budovy, užitečné pro optimalizaci provozu.
Reálná spotřeba energie budovy: přesné změření závisí na druhu paliva a jeho případné využitelnosti i pro dalšízařízení.
Nepřesnosti výpočtu proti realitě jsou způsobeny:
- odlišnými teplotními podmínkami uvnitř a vně budovy (větrání až 150%)
- reálnými vlastnostmi použitých materiálů v průběhu životnosti (5-40%)
- chováním uživatelů (5-20%)