Ing. Jozef Bugáň

Stavebná fakulta STU, Katedra technických zariadení budov

Radlinského 11, 813 68  Bratislava

e-mail: jozefbugan@gmail.com

 

Úvod

V súčasnej dobe sa kladie veľmi veľký dôraz na úspory energie a s ním spojené využívanie obnoviteľných zdrojov energie. Nízkoteplotné vykurovacie a vysokoteplotné chladiace systémy  z hľadiska odovzdávania tepla do interiéru budovy sa môžu realizovať veľkoplošnými sálavými vykurovacími sústavami, teoreticky aj konvekčnými sústavami. Práve veľkoplošné sálavé vykurovanie a chladenie predstavuje súčasne viacero progresívnych prvkov. Jednak využíva nízkopotenciálne zdroje energie ako je energia slnečného žiarenia, geotermálnych vôd a okolitého prostredia (voda, pôda, vzduch), zároveň sa prenos tepla z vykurovacej/chladiacej sústavy do interiéru realizuje prostredníctvom veľkoplošných vykurovacích/chladiacich plôch (podlaha, stena, strop) s dominantným podielom sálavej zložky toku tepla/chladu. V tomto príspevku budú naznačené spôsoby posúdenia  energetickej náročnosti NTV / VTCH systému v budove s obnoviteľným zdrojom energie.

 

        1. Experimentálne posúdene zdroja tepla / chladu na báze OZE

Ak je zdrojom energie pre vykurovanie / chladenie objektu tepelné čerpadlo, pracuje toto zariadenie na princípe termodynamického chladiaceho obehu, ktorý je v súčasnosti používaný najmä v realizácii parného kompresorového a absorpčného chladiaceho obehu. V obidvoch aplikáciách je tepelná energia transformovaná do nízkotlakovej časti obehu z okolitého prostredia a získavaná z vysokotlakovej časti ako úžitkový tepelný tok pre vykurovacie / chladiace a iné procesy. Cieľom experimentálneho posúdenie je analýza vplyvu faktorov ako: teplota vonkajšieho vzduchu, teplota podzemnej vody, spotreba elektrickej energie tepelného čerpadla ako aj zariadení podsystému výroby tepla / chladu, dĺžka prevádzkových časov jednotlivých zariadení, teplota vykurovacej / chladiacej vody [1]. Na Obr. 1 je fotografia tepelného čerpadla typ voda / voda.

  Obr. 1 Tepelné čerpadlo typ voda / voda

 

        1.1 Teoretické hodnotenie prevádzky tepelného čerpadla  

        1.1.1 Hodnotenie energetickej efektívnosti pomocou COP  

Zásadný rozdiel medzi kompresorovým a absorpčným spôsobom získavania tepelného toku z energie prostredia je znázornené na Obr. 2.

Obr. 2 Porovnanie princípu práce kompresorového a absorpčného chladenia [2]

        Na základe vyššie uvedeného vzťahu je energetická efektívnosť systému pracujúcich na báze termodynamického chladiaceho obehu (chladiace a klimatizačné zariadenia a tepelné čerpadlá) hodnotená tzv. výkonovým číslom (COP – z anglického Coefficient of Performance), ktoré je možné pre kompresorové tepelné čerpadlo vyjadriť vzťahom: [2]

                                        (1)

                                       (2)

kde PK je mechanický príkon na pohon kompresora a  ФK   je tepelný výkon kondenzátora.

        1.1.2 Hodnotenie energetickej efektívnosti pomocou PER

Rozhodujúcou hodnotou pre porovnávanie energetickej efektívnosti systémov s rôznymi druhmi pohonnej a produkovanej energie je tzv. stupeň využitia primárnej energie (PER – z anglického Primary Energy Rate). Ten udáva množstvo primárnej energie použitej na výrobu dodávaných energetických tokov, je to teda pomer požadovanej primárnej energie k vyrobenej užitočnej energii, a teda systém s najmenšou hodnotou PER je najlepším z hľadiska spotreby energie. [2]

Všeobecná definície PER teda je:

                                      (3)

kde:

ΣEP je suma dodaných energetických tokov do systému vo forme primárnej energie,

ΣEG je suma generovaných užitočných energetických tokov

 

        1.2 Experimentálne hodnotenie prevádzky tepelného čerpadla   

Podľa normy STN EN 15316-4-2 (Vykurovacie systémy v budovách), metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému, sú vytýčené hranice podsystému výroby tepla tepelným čerpadlom a zahrňujú tepelné čerpadlo, systém zdroja tepla / chladu, pripojené vnútorné a vonkajšie zásobníky a záložné elektrické ohrievače. Hranica systému je znázornená na obr 3.

Obr. 3 Hranica podsystému výroby tepla podľa STN EN 15316-4-2 [3]

Legenda k obrázku: 1- Systém zdroja tepla 2 – obehové čerpadlo zdroja tepla, 3 –

tepelné čerpadlo, 4 – čerpadlo pre zásobník ohrevu teplej vody (ZTV), 5 – zásobník pre TV,

6 – záložný zdroj pre TV, 7 – čerpadlo akumulačného zásobníka vykurovania / chladenia, 8 – výstup

zásobníka TV, 9 – akumulačný zásobník vykurovania / chladenia, 10 – záložný zdroj pre vykurovanie,

11 – cirkulačné čerpadlo vykurovacieho distribučného systému, 12 – systém odovzdávania

tepla, 13 – vstup studenej vody do zásobníka TV

        1.2.1 Metodika merania z hľadiska meraných veličín

Metodika merania z hľadiska meraných veličín sa zaoberá určením veličín, ktoré by mali byť merané na strane výroby tepla / chladu pre budovu. Predmetom tohto merania je určiť vplyv vonkajšej teploty na výkonové číslo COP tepelného čerpadla nasledovnými meranými veličinami:

  • teplota vonkajšieho exteriérového vzduchu θe v (°C),
  • teplota studenej vody čerpanej zo studne po výmenník tepla θČV v (°C),
  • teplota studenej vody ktorá je vypúšťaná do vsakovacej studne θVV v (°C),
  • objemový prietok čerpanej vody zo studne pre chladenie budovy MV v (m3/h),
  • teplota vody za výmenníkom tepla v prívodnom potrubí do TČ θ1 v  (°C),
  • teplota vody za výmenníkom tepla vo vratnom potrubí z TČ v θ2 v (°C),
  • teplota vratnej vody, ktorá vstupuje do tepelného čerpadla z akumulačnej nádrže θ3 vyjadrená v (°C),
  • teplota výstupnej vody z tepelného čerpadla do akumulačnej nádrže – nabíjanie nádrže θ4 vyjadrená v (°C),
  • teplota prívodnej vody, ktorá vystupuje z akumulačnej nádrže do budovy θ5 vyjadrená v (°C),
  • teplota vratnej vody, ktorá vstupuje do akumulačnej nádrže z budovy θ6 vyjadrená v (°C),
  • objemový prietok vody z tepelného čerpadla do akumulačnej nádrže M v (m3/h),

Na obr. 4  je znázornený príklad osadenia záznamníka teploty na potrubie studenej vody čerpanej zo studne.

Obr. 4 Osadenie záznamníka teploty studenej vody z čerpanej studne v strojovni

 

Metodika merania pre určenie podielov spotreby elektrickej energie zariadení podsystému výroby tepla pri prevádzke tepelného čerpadla. Pre tento účel je potrebné merať tieto fyzikálne parametre:

  • množstvo spotrebovanej elektrickej energie tepelným čerpadlom – P (kWh) a množstvo spotrebovanej elektrickej energie ponorným čerpadlom studničnej vody – PČ1 (kWh), množstvo spotrebovanej elektrickej energie ostatných obehových čerpadiel PČ2 v systéme,

 

Metodika merania pre určenie prevádzkových časov jednotlivých prevádzkových režimov tepelného čerpadla a ich vplyv na prevádzku sústavy. Pre tento účel je potrebné zistiť:

Prevádzkový čas tepelného čerpadla v rôznych prevádzkových režimoch (vykurovanie / chladenie) a podobne τvyk, τchlad. (s).

 

        1.2.2 Metodika merania z hľadiska meracích prístrojov 

Pre účely experimentálneho merania je potrebné merať už bližšie popísané veličiny uvedené vyššie. Merané teploty: θe , θČV, θVV, θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6 je možné dlhodobo merať napríklad pomocou jednokanálového teplomera COMET S0111 pre záznam teploty z jednej externej sondy alebo monitorovacou centrálou COMET MS5D, na ktorý je možné pripojiť niekoľko meracích bodov súčasne.

Obr. 5 Na obrázku vľavo je jednokanálový teplomer COMET S0111, vpravo monitorovacia centrála COMET MS5D

        Hmotnostý prietok MV a M je rovnako potrebné merať prístrojmi, ktoré majú možnosť záznamu údajov do pamäti v intervale ukladania 5 – 15 minút. Na obrázku X je znázornený prietokomer, ktorý meria hmotnostný prietok a rýchlosť prúdenia kvapaliny pre daný typ a priemer potrubia.

Obr. 6: Ultrazvukový príložný prietokomer Portasonic 9000

             1.2.3 Metodika merania z hľadiska miesta  

Umiestnenie meracích prístrojov v rámci výroby tepla / chladu  je dané umiestnením samotného zdroja tepla v rámci budovy, čerpacej studne a samotnej strojovne. Bližšie je táto schéma zrejmá z obr. 3 Hranica podsystému výroby tepla, ako aj z predchádzajúcich častí.

 

            1.2.4 Metodika merania z hľadiska času  

Merania v rámci systému vykurovania / chladenia by mali prebiehať pokiaľ je to možné celoročne, pokiaľ to situácia nedovoľuje aspoň sezónne počas niekoľko po sebe idúcich dní. Najvhodnejšie je preto vhodné merať v zimnom období počas najnižších teplôt v januári a počas letného obdobia v júli, alebo v auguste. Dôležité sú rovnako prechodné obdobia jar a jeseň. Celoročnými nepretržitými meraniami dokážeme zistiť oveľa presnejšie hodnoty výkonových čísel tepelných čerpadiel.

 

  1. Experimentálne posúdenie distribúcie tepla / chladu

Distribúcia tepla a chladu zohráva pomerne veľkú možnosť úspor najmä ak ide o veľké administratívne budovy, bytové domy. Kvalitnou izoláciou potrubí je možné zvýšiť konečnú účinnosť tepelného čerpadla v rámci celého systému. Aby sme zistili aké veľké tepelnú straty daná sústava tvorí, je potrebné zistiť nielen hrúbku a materiál tepelnej izolácie potrubí ale aj materiál a priemer potrubí a teplotu v okolí potrubí. Výpočet hustoty tepelného toku izolovaného a neizolovaného potrubia:

 

        2.1 Teoretické hodnotenie distribúcie tepla / chladu    

        2.1.1 Hustota tepelného toku izolovaného potrubia   

Hustotu tepelné toku izolovaného potrubia je možné vypočítať podľa nasledovného vzťahu:

                                           (4)

 

kde:

Di = DN                           – vnútorný priemer potrubia (m),

De                                   – vonkajší priemer izolovaného potrubia (m),

Dr                                   – vonkajší priemer potrubia (m),

hse = 10 W.m-2.K-1         – súčiniteľ prestupu tepla na povrchu izololácie (W/m2.K),

λizol                                 – súčiniteľ tepelnej vodivosti tepelnej izolácie (W/m.K),

λr                                    – súčiniteľ tepelnej vodivosti materiálu rúrky (W/m.K),

Δ θ                                 – rozdiel teplôt teplonosného média v rúrke a teploty okolia rúrky (°C). [4]

 

            2.1.2 Hustota tepelného toku neizolovaného potrubia  

Hustotu tepelné toku neizolovaného potrubia je možné vypočítať podľa nasledovného vzťahu:

                      (5)

          

             2.2 Experimentálne hodnotenie distribúcie tepla / chladu   

Pre určenie experimentálneho hodnotenia distribúcie tepla / chladu je potrebné poznať najmä merané veličiny, ktoré sú uvedené na obr. 7.

Obr. 7: Detail potrubia s tepelnou izoláciou

            2.2.1 Metodika merania z hľadiska meraných veličín

Metodika merania z hľadiska meraných veličín sa zaoberá určením veličín, ktoré by mali byť merané pre určenie tepelných strát distribúciou.

Merané veličiny určujúce tepelné straty distribúciou tepla / chladu:

  • teplota média v potrubí θm v (°C),
  • teplota okolia potrubia θo v (°C),
  • hrúbka tepelnej izolácie potrubia Diz v (m),
  • vonkajší priemer potrubia Dr v (m),
  • súčiniteľ tepelnej vodivosti tepelnej izolácie potrubia λizol  vo (W/m.K),
  • súčiniteľ tepelnej vodivosti potrubia λr  vo (W/m.K).

 

            2.2.2 Metodika merania z hľadiska prístrojov

Pre účely experimentálneho merania je potrebné merať už bližšie popísané veličiny uvedené vyššie. Merané teploty: θm , θo je možné merať napríklad pomocou príložných teplomerov, na ktoré je možné napojiť externé sondy pre rôzne typy a varianty meraní.

 

            2.2.3 Metodika merania z hľadiska miesta 

Umiestnenie meracích prístrojov v rámci distribúcie je potrebné najmä pre tie časti potrubí, ktoré sa nachádzajú mimo vykurovaný / chladený interiér. Ide hlavne o strojovne, šachty, technické miestnosti, resp. potrubia vedené v zemi, kde sa výrazne zvyšuje opodstatnenie použitia tepelných izolácii.

 

            2.2.4 Metodika merania z hľadiska času  

Merania z hľadiska času majú prebiehať najmä počas výrazne teplých dní v lete (pre chladenie) a naopak chladných dní (pre vykurovanie). Pokiaľ by bol záujem vyčísliť oveľa presnejšie tepelné straty energie na potrubiach, je možné nainštalovať prístroje na obdobie celého roka a zistiť tak celkovú účinnosť distribučného systému tak pre vykurovania ako aj chladenie objektu.

 

            3. Experimentálne posúdenie odovzdávania tepla / chladu

Tvorba umelého životného prostredia predstavuje v architektúre a stavebníctve cieľavedomú snahu zabezpečiť optimálnu mikroklímu v interiéroch budovy. Definovať tento stav je pomerne komplikované, pretože v každom interiéri sa môže súčasne nachádzať a pôsobiť viacero zložiek mikroklímy. V interiéri je najdôležitejšia tepelnovlhkostná mikroklimatická zložka. Jej narušenie ohrozuje homoiotermiu ako základnú podmienku existencie ľudského organizmu [5]. Priaznivú tepelnú pohodu vytvára práve odovzdávací systém, ktorým sa dá nemenej vhodne ovplyvniť jej kvalita.

 

            3.1 Teoretické hodnotenie odovzdávania tepla / chladu    

                3.1.1 Straty energie z tepelného odovzdávacieho systému podľa DIN 18599   

                Celková účinnosť odovzdávacieho systému

ηl,em =  1/(4 – ( ηL + ηC + ηB ))

 

kde:              ηL         – je stupeň čiastkovej účinnosti pre vertikálne rozloženie

ηc         – stupeň čiastkovej účinnosti pre nastavenú regulovanú izbovú teplotu,

ηB        – stupeň čiastkovej účinnosti pre špecifické straty vonkajších komponentov (vložené systémy), [7]

 

                Straty tepla odovzdávacieho systému

Ql,em =  ((fradiant . finf . fhydr)/ ηl,em )-1) . Qh

 

kde:               QI,em    – sú straty odovzdávacieho systému v (kWh),

Qh        – čistá potreba tepla (kWh),

fhydr      – faktor hydraulického vyregulovania,

finf       – faktor pre prerušovanú prevádzku (časovo závislé nastavenie zníženia teploty pre individuálnu miestnosť),

fradiant  – faktor sálavého efektu (podstatné len pre vykurované veľké miestnosti  s výškou miestnosti h > 4 m) ,

η1,em    – celková účinnosť časti tepelného odovzdávacieho telesa v miestnosti. [7]

 

                3.1.2 Hodnoty účinností zabudovaných vykurovacích / chladiacich plôch

V nasledujúcej tabuľke sú uvedené účinnosti rôznych systémom odovzdávania tepla, resp. chladu do priestoru.

 

Tab. 1  účinnosti zabudovaných vykurovacích plôch v miestnosti so svetlou výškou h < 4 m [7]

Ovplyvnené parametre

Čiastková účinnosť

ηL

ηc

ηB

 

 

 

 

Regulácia teploty miestnosti

Tepelný nosič voda  

 
  • neregulovaná

0,75

  • neregulovaná s centrálnou reguláciou teploty

0,78

  • neregulovaná s priemernou hodnotou (υv – υR)

0,83

  • izbová regulácia

0,88

  • dvojstupňová regulácia/P regulácia

0,93

  • PI regulácia

0,95

Elektrické vykurovanie

  • dvojstupňová regulácia

0,91

  • PI regulácia

0,93

 

 

 

Systém

Podlahové vykurovanie  

ηB1

ηB2

  • mokrý systém

1

0,93

  • suchý systém

1

0,93

  • suchý systém s malým krytím

1

0,98

Stenové vykurovanie

0,96

0,93

Stropné vykurovanie

0,93

0,93

Špecifické tepelné straty cez stavové povrchy Sálavé vykurovanie bez minimálnej izolácie súvisiacej s DIN EN 1264

0,86

Sálavé vykurovanie s minimálnou izolácie súvisiacej s DIN EN 1264

0,95

Sálavé vykurovanie so 100 % izoláciou súvisiacou s DIN EN 1264

0,99

 

            3.2 Experimentálne hodnotenie odovzdávania tepla / chladu   

            3.2.1 Metodika merania z hľadiska meraných veličín    

Metodika merania z hľadiska meraných veličín sa zaoberá určením veličín, ktoré by mali byť merané na strane odovzdávania tepla, resp. chladu do priestoru.

Pre tento účel boli v strojovni merané nasledovné veličiny:

  • teplota vonkajšieho exteriérového vzduchu θe v (°C),
  • operatívna teplota miestnosti θo v (°C),
  • teplota vzduchu θV v (°C),
  • povrchová teplota odovzdávacích prvkov, najčastejšie sálavých konštrukcií θs v (°C),
  • relatívna vlhkosť vzduchu Rh v (%),
  • rýchlosť prúdenia vzduchu vair v (m/s),
  • intenzita sálania odovzdávacích prvkov Is (W/m2)

 

Na obr. 8 je znázornený príklad merania parametrov vnútornej klímy.

Obr. 8 Meranie vnútornej klímy v interiéry pomocou prístroja B&K

 

            3.2.2 Metodika merania z hľadiska prístrojov    

Pri zisťovaní stavu tepelnej pohody subjektu pri práci za počítačom a tepelného odporu oblečenia, reprezentujúcich subjektívne faktory, treba merať štyri faktory charakterizujúce tepelný stav vnútorného prostredia: relatívna vlhkosť vzduchu, rýchlosť prúdenia vzduchu, operatívna teplota vzduchu, teplota vnútorného vzduchu. [6]

Merania tepelného stavu sa môžu realizovať napríklad prístrojom B&K 1213 (indoor climate analyzer) s adekvátnymi senzormi. Analyzátor vnútorného prostredia od firmy Brüel&Kjaer typ 1213 je pripojený na batérie a meria parametre vnútorného vzduchu pomocou meraniam zodpovedajúcimi senzormi. Požadované parametre sú po ustálení prístroja odčítané na displeji a zapísané do záznamového hárku.

Podľa typu a prevádzky budovy sa zvolí výška v ktorej sa merajú uvedené parametre. Na obr. 9 je zobrazené zariadenie na meranie parametrov vnútorného vzduchu.

Obr. 9: Analyzátor vnútorného prostredia Brüel&Kjaer typ 1213

 

Pre overenie správnosti meraných teplôt odovzdávacích prvkov θs je vhodné použiť infračervený bezkontaktný teplomer.

Obr. 10 Infračervený teplomer TESTO 845

            Termovízne posúdenie odovzdávacích prvkov je zobrazenie teplotného poľa skúmaného predmetu, ktorý vyžaruje teplo v rôznych farebných škálach. Posúdenie sa vykonáva termovíznou kamerou, ktorá je znázornená na obrázku č. 11.

Obr. 11: Termovízna kamera MobIR M4

           Nemenej dôležité je posúdenie intenzity sálavého toku Is (W/m2) odovzdávacích prvkov, ktoré nám vie preukázať aký je aktuálny výkon z danej odovzdávacej plochy. Na obr. 12 je fotografia prístroja, ktorý umožňuje toto meranie.

Obr. 12: Gogas Comfortmeter

 

            3.2.3 Metodika merania z hľadiska miesta    

Umiestnenie meracích prístrojov v rámci odovzdávania tepla/chladu do priestoru sa uskutočňuje priamo v mieste pobytu osôb. Zvolené sú najmä typické opakujúce sa miestnosti, ale aj tzv. exponované, ktoré sú napríklad v styku zo strechou, suterénom a pod.

 

            3.2.4 Metodika merania z hľadiska času    

Merania v rámci systému odovzdávania tepla, resp. chladu NTV / VTCH by mali prebiehať súčasne s experimentálnymi merania na zdroji tepla a chladu, ktoré sú bližšie popísané v kapitole 1.1.4. Pre tento typ meraní je vhodné zachytiť nábeh systému pred príchodom osôb, počas ich prítomnosti a opätovného odchodu, rovnako je potrebné vedieť ako je systém regulovaný a či sú uplatnené nočné, prípadne víkendové teplotné útlmy.

 

Záver

Vhodne zvolenou metodikou experimentálneho posúdenia energetickej náročnosti NTV/VTCH s použitím obnoviteľného zdroja energie je možné dosiahnuť veľmi presné nielen energetické a ekonomické výstupy, ale tiež je možné zistiť aj priamy dopad na vnútorné prostredie.

 

Tento príspevok bol vypracovaný v rámci projektu VEGA 1/1052/11.

 

Literatúra

[1]   DVOŘÁK, Z. Základy chladíci techniky. Praha : SNTL, 1986. 247 s. ISBN -.

[2]   PETRÁŠ, D., LULKOVIČOVÁ, O.,TAKÁCS, J., FÜRI, B. Nízkoteplotné vykurovanie a obnoviteľné zdroje energie. Bratislava: Jaga, 2001. 271 s.         ISBN 80-88905-12-5.6.

[3]   STN EN 15316-4-2. Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému. Časť 4-2:

Priestorové systémy výroby tepla, systémy tepelného čerpadla. 2008.

[4]   STN EN ISO 12241 (73 0556) Tepelná izolácia technických zariadení budov a priemyselných inštalácií. Výpočtové pravidlá. Bratislava : ÚNMS SR  2009

[5]   FANGER, P. O. The phylosophy behind a comfort standard. In Indoor Air 84. 1984, p. 8.

[6]  STN EN ISO 7730. Ergonómia tepelného prostredia. Analytické určovanie a interpretácia tepelnej pohody pomocou výpočtu ukazovateľov PMV a PPD a kritérií miestneho tepelného pohodlia (ISO 7730: 2005). 2006.

[7] DAHLSVEEN, T., PETRÁŠ, D. a kol.: Energetický audit a certifikácia budov. Bratislava: Jaga group 2008.

[8] PETRÁŠ, D. a kol.: Teplovodné a elektrické podlahové vykurovanie. Bratislava: Jaga group 2004.

0 komentárov

Zanechajte komentár

Chcete sa pripojiť k diskusii?
Neváhajte prispieť!

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *