Porovnání různých způsobů vytápění z pohledu potřeby energie
Příspěvek popisuje způsob stanovení tepelných ztrát vznikajících při sdílení tepla do prostoru dle ČSN EN 15316-2-1. Na základě detailního vzájemného porovnání jednotlivých způsobů vytápění připadajících do úvahy u prostorů s výškou místnosti vyšší než 4 m se hodnotí jejich účinnosti sdílení tepla.
© Fotolia.com
Úvod
Vytápění velkoprostorových objektů je specifickou oblastí, kde se používají otopné plochy a lokální topidla, která se v menších prostorách neuplatňují. Tyto výrobky jsou vyvíjeny samostatně a obecně je na trh dodávají jiné firmy, než ty, které se zabývají vytápěním menších prostor. Projektují je však stejní projektanti, kteří mnohdy nemají o ostatních možnostech dostatečné informace a ani přehled. Stejně jako jinde i v této oblasti je kladen důraz na minimalizaci spotřeby energie a optimalizaci otopných ploch. Jedním z nástrojů této optimalizace může být i norma ČSN EN 15316-2-1, která slouží k určení účinnosti sdílení tepla do prostoru.
Teorie
Celý výpočet je převzatý z normy ČSN EN 15316-2-1, která definuje metodu pro stanovení potřeby energie a účinnosti soustavy při sdílení tepla pro vytápění. Dále bude ukázána metodika stanovení tepelných ztrát části soustavy pro sdílení tepla s uplatněním účinností (dle odst. 7.2. [1]).
Tepelná energie požadovaná pro část soustavy pro sdílení tepla Qem,in
Tepelná energie požadovaná pro část sdílení tepla je dána rovnicí:
,
(1)
kde je
- Qem,out
- potřebné teplo části otopné soustavy určené ke sdílení tepla, (tato energie se rovná potřebě energie pro vytápění budovy QH (získá se standardní metodou dle ČSN EN ISO 13790)), [J]
- Qem,aux,rvd
- využitá pomocná energie (například pro zajištění funkce ventilátorů u teplovzdušného vytápění), [J]
- Qem,ls
- tepelné ztráty části otopné soustavy určené pro sdílení tepla, [J]
Ztráty tepla Qem,ls
Ztráty tepla vznikající při sdílení tepla se dělí na ztrátu nestejnoměrným rozložením teploty, ztrátu způsobenou polohou otopné plochy (např. zabudované) a tepelnou ztrátu způsobenou regulací vnitřní teploty. Jednotlivé tepelné ztráty je možné určovat samostatně, v normě jsou však definované dva možné, ekvivalentní postupy, jak Qem,ls stanovit. První vychází z dílčích účinnosti, druhý definuje tzv. ekvivalentní zvýšení vnitřní teploty. Pro účely tohoto příspěvku se dále bude rozebírat pouze postup první.
Metoda s uplatněním účinností
Výpočet se provádí pro měsíční období a s hodnotami závisejícími na tomto období (nebo pro jiné časové intervaly) takto:
,
(3)
kde jsou
- Qem,ls
- ztráty tepla části otopné soustavy určené pro sdílení tepla (v daném časovém úseku), [kWh]
- QH
- potřeba energie pro vytápění (v daném časovém úseku) (EN ISO 13790), [kWh]
- fhydr
- činitel pro hydraulickou rovnováhu (u vyváženého systému se uvažuje fhydr = 1), [–]
- fim
- činitel pro přerušovaný provoz (jako hydraulický provoz se rozumí časově závislá volba omezení teploty pro každý jednotlivý prostor). Pro plynulý provoz je fim = 1, [–]
- frad
- činitel pro účinek sálání (relevantní pouze pro sálavé vytápění, kde frad = 0,85), [–]
- ηem
- celková účinnost sdílení tepla v prostoru, [–]
Celková účinnost se stanoví:
,
(4)
kde je
- ηstr
- dílčí účinnost pro svislý teplotní profil vzduchu, [–]
- ηctr
- dílčí účinnost pro regulaci teploty v místnosti, [–]
- ηemb
- dílčí účinnost pro specifické ztráty venkovních dílů (zabudované zařízení), [–]
Použité metody
Cílem tohoto příspěvku bylo porovnat specifické potřeby energie na krytí tepelných ztrát vznikajících při sdílení tepla do prostoru. K tomuto účelu byla vybrána metoda dílčích účinností, která je popisována v předchozí kapitole. Současně se v zájmu unifikace přistoupilo k omezení analyzovaných prostor pouze na prostory s výškou rovnou nebo vyšší než čtyři metry. Způsob vyhodnocení nižších místností se totiž značně liší. Pro tyto prostory je možné pracovat se vstupními daty z tabulek 1 a 2. Nejedná se přitom o porovnání absolutních hodnot potřeb energie, ale o srovnání násobku potřeby energie na vytápění QH. Tento násobek je definován v rovnici (3) částí v závorce. Jinými slovy, získáme vždy číslo, které vyjadřuje o kolik procent vyšší nebo nižší budou tepelné ztráty vznikající při sdílení tepla do prostoru jednoho způsobu vytápění oproti způsobu druhému vztažené k potřebě energie daného prostoru na vytápění QH. Toto porovnání neřeší časový průběh, pouze momentální rozdíl.
| Vlivové veličiny | Dílčí účinnosti | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ηstr | ηctr | ηemb | ||||||
| 4 m | 6 m | 8 m | 10 m | |||||
| Regulace teploty prostoru | neregulovaná | 0,80 | ||||||
| dvoupolohový regulátor | 0,93 | |||||||
| P - regulátor (2K) | 0,93 | |||||||
| P - regulátor (1K) | 0,95 | |||||||
| PI - regulátor | 0,97 | |||||||
| PI - regulátor s optimalizací | 0,99 | |||||||
| Otopná soustava | otopné těleso | 0,98 | 0,94 | 0,88 | 0,83 | 1,00 | ||
| teplý vzduch bez dodatečné svislé recirkulace | vodorovná vyústka | 0,98 | 0,94 | 0,88 | 0,83 | 1,00 | ||
| svislá vyústka | 0,99 | 0,96 | 0,91 | 0,87 | 1,00 | |||
| teplý vzduch s dodatečnou svislou recirkulací | vodorovná vyústka | 0,99 | 0,97 | 0,94 | 0,91 | 1,00 | ||
| svislá vyústka | 0,99 | 0,98 | 0,96 | 0,93 | 1,00 | |||
| sálavé panely | 1,00 | 0,99 | 0,97 | 0,96 | 1,00 | |||
| tmavé zářiče | 1,00 | 0,99 | 0,97 | 0,96 | 1,00 | |||
| světlé zářiče | 1,00 | 0,99 | 0,97 | 0,96 | 1,00 | |||
| podlahové vytápění (vyšší tepelná ochrana) | 1,00 | 0,99 | 0,97 | 0,96 | ||||
| podlahové vytápění s integrovanými prvky | 0,95 | |||||||
| podlahové vytápění tepelně oddělené | 1,00 | |||||||
| Vlivové veličiny | Dílčí účinnosti | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ηstr | ηctr | ηemb | |||||
| 12 m | 15 m | 20 m | |||||
| Regulace teploty prostoru | neregulovaná | 0,80 | |||||
| dvoupolohový regulátor | 0,93 | ||||||
| P - regulátor (2K) | 0,93 | ||||||
| P - regulátor (1K) | 0,95 | ||||||
| PI - regulátor | 0,97 | ||||||
| PI - regulátor s optimalizací | 0,99 | ||||||
| Otopná soustava | otopné těleso | 0,78 | 0,72 | 0,63 | 1,00 | ||
| teplý vzduch bez dodatečné svislé recirkulace | vodorovná vyústka | 0,84 | 0,78 | 0,71 | 1,00 | ||
| svislá vyústka | 0,88 | 0,84 | 0,77 | 1,00 | |||
| teplý vzduch s dodatečnou svislou recirkulací | vodorovná vyústka | 0,91 | 0,88 | 0,83 | 1,00 | ||
| svislá vyústka | 0,94 | 0,92 | 0,89 | 1,00 | |||
| sálavé panely | 0,94 | 0,92 | 0,89 | 1,00 | |||
| tmavé zářiče | 0,94 | 0,92 | 0,89 | 1,00 | |||
| světlé zářiče | 0,94 | 0,92 | 0,89 | 1,00 | |||
| podlahové vytápění (vyšší tepelná ochrana) | 0,94 | 0,92 | 0,89 | ||||
| podlahové vytápění s integrovanými prvky | 0,95 | ||||||
| podlahové vytápění tepelně oddělené | 1,00 | ||||||
Výsledky
Obr. 1 Výsledné hodnoty procentuálních poměrů tepelných ztrát sdílením tepla do prostorů vztažené k podlahovému vytápění pro h = 4 m
Obr. 2 Výsledné hodnoty procentuálních poměrů tepelných ztrát sdílením tepla do prostorů vztažené k podlahovému vytápění pro h = 8 m
Obr. 3 Výsledné hodnoty procentuálních poměrů tepelných ztrát sdílením tepla do prostorů vztažené k podlahovému vytápění pro h = 12 m
Obr. 4 Výsledné hodnoty procentuálních poměrů tepelných ztrát sdílením tepla do prostorů vztažené k podlahovému vytápění pro h = 16 m
Obr. 5 Výsledné hodnoty procentuálních poměrů tepelných ztrát sdílením tepla do prostorů vztažené k podlahovému vytápění pro h = 20 m
Na obrázcích jsou uvedeny výsledné poměry mezi jednotlivými způsoby vytápění v procentech. Za referenční hodnotu (100 %) byla zvolena hodnota tepelných ztrát sdílením tepla podlahového vytápění. Určitým výškám místnosti / prostoru přísluší jeden obrázek. Nižší ztráty jsou označené zeleně, vyšší pak červeně. Pro příklad, pokud porovnáváme vytápění sálavými panely dvanáctimetrové haly, uvedené na obr. 3, s nástěnnou teplovzdušnou jednotkou bez recirkulace vzduchu, získáváme hodnotu
132,1 % − 95,7 % = 36,4 %. To lze interpretovat tak, že sálavé panely mají o 36,4 % nižší tepelné ztráty sdílením tepla do prostoru, než nástěnné teplovzdušné jednotky bez recirkulace.
Z hodnot na obrázcích je možné vyvodit následující:
- Nejvýhodnější z pohledu účinnosti sdílení tepla jsou sálavé panely, dále plynové zářiče a podlahové vytápění
- Čím vyšší objekt, tím více se vyplatí sálavé vytápění oproti teplovzdušnému
- Teplovzdušné vytápění s přívodem vzduchu shora je účinnější, než s přívodem vzduchu ze strany
- Otopná tělesa se z pohledu sdílení tepla do prostoru u vyšších objektů (nad 4 m výšky) chovají obdobně jako teplovzdušné vytápění s přívodem vzduchu shora. Jejich postavení oproti ostatním teplovzdušným způsobům vylepšuje možnost plynulé regulace termostatickými hlavicemi
Závěr
Příspěvek nabízí velmi detailní vyhodnocení vzájemného poměru tepelných ztrát sdílením tepla do prostoru vždy mezi konkrétními způsoby vytápění. Porovnání bylo zpracováno pro prostory se světlou výškou vyšší, než čtyři metry, tedy pro prostory, které lze považovat již za velkoprostorové. Podle očekávání vyšlo v těchto prostorách výrazně pozitivně sálavé vytápění a souhlasí i zvyšující se hodnoty rozdílů se zvyšující se výškou místnosti. Na základě výsledků se dá jednoznačně konstatovat, že čím vyšší místnost, tím méně se vyplatí instalovat teplovzdušné vytápění a tím lépe vychází vytápění sálavé. Je třeba ale zdůraznit, že se jedná pouze o indikaci a pro konkrétní porovnání dvou způsobů vytápění u konkrétního projektu by bylo třeba provést vyhodnocení kompletní, včetně výpočtu potřeby energie na vytápění.
Literatura
- ČSN EN 15316-2-1. Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeby energie a účinností soustavy – Část 2-1: Sdílení tepla pro vytápění. 2010
This paper describes the method of determining the heat losses resulting from the heat transfer to the space according to ČSN EN 15316-2-1. Based on a detailed comparison of the different heating methods considered for rooms with a room height higher than 4 m, their heat-sharing efficiency is evaluated.
