Energetická účinnost systémů rozvodu tepla

Ztráty pri předávání tepla tvoří důležitou složku energetické bilance budovy, jež je potřeba brát při výpočtu v úvahu. Vysoká efektivita vytápěcího systému je důležitou podmínkou pro dosažení vysoké míry energetické hospodárnosti budovy a zároveň zdravého a komfortního vnitřního prostředí. Vysoké účinnosti vytápěcího systému dosáhneme snížením ztrát energie z jeho jednotlivých podsystémů, jimiž jsou systémy výroby, akumulace (uskladnění), rozvodu a předávání energie.

Pod systémem předávání si lze představit tu část vytápěcího systému, která zabezpečuje předání tepla do místnosti pomocí předávacího prvku, jímž může být například vytápěcí těleso, podlahové vytápění, větrací vyústka apod. Právě tento systém hraje důležitou roli, protože na jedné straně může podstatně ovlivnit celkovou účinnost vytápěcího systému. Na straně druhé je právě návrh předávacích prvků klíčový pro zabezpečení tepelné pohody. Účinnost podsystému předávání je ovlivněna řadou faktorů, jako jsou poloha předávacího prvku, dokonalost regulace, teplotní spád či hydraulické regulování soustavy. Tato různorodost návrhu a provozu může vést k výrazným rozdílům v energetické účinnosti různých systémů předávání tepla.

Energetická účinnost vytápěcího systému

Energetická účinnost vytápěcího systému závisí na účinnosti jeho jednotlivých podsystémů. Při výpočtu celkové energetické efektivnosti vytápěcího systému je třeba stanovit ztráty energie, ke kterým dochází v jeho podsystémech. Ačkoliv proces vytápění začíná výrobou tepla a pokračuje postupně, dokud se teplo nepředá do místnosti, přičemž ztráty energie se od výroby směrem k předávání postupně navyšují, postupuje se při výpočtu ztrát energie přesně naopak: od potřeby tepla na vytápění přes ztráty při předávání tepla, ztráty při rozvodu tepla až po ztráty při akumulaci a výrobě tepla. Tento proces je zobrazen na obr. 1.

Obr. 1 Postup při výpočtu tepelných ztrát ze systému vytápění. Ztráty energie se navyšují směrem od výroby k předávání (zprava směrem doleva), výpočet však probíhá od předávání k výrobě tepla (zleva směrem doprava).

Potřeba energie se postupně navyšuje o ztráty energie, přičemž se tyto ztráty skládají z tepelných ztrát a z vlastní spotřeby energie (elektrické energie) potřebné pro pohon čerpadel či elektromotorů. Zároveň však lze v určitých případech část těchto ztrát využít na vytápění prostoru – celková tepelná ztráta se sníží o tuto zpětně získatelnou tepelnou ztrátu. Nakonec lze zohlednit i energetickou efektivitu energetického nosiče (zemní plyn, elektrická energie, uhlí apod.), z něhož energie pochází, a to pomocí faktoru primární energie.

Energetická účinnost systému předávání tepla

Celková účinnost vytápěcího systému je podílem potřeby tepla (teoretické množství tepla potřebné pro dosažení požadované teploty v místnosti, bez započítání tepelných ztrát) a celkové potřeby energie na vytápění (potřeba tepla plus tepelné ztráty), přičemž ve výpočtu lze přiradit teplu a elektrické energii různé váhové faktory. Analogicky se účinnost podsystému vypočítá jako podíl energie, která z podsystému vychází, a energie, která do systému vstupuje. Konkrétně se celková účinnost systému předávání tepla ηem, celková vypočítá takto:

η_em,celková = Q_em,out / Q_em,in (–)                  (1)

kde:
    Q_{em, out}    je    potřeba tepla na vytápění vypočítaná podle STN EN ISO 13790 (kWh) [1],
    Q_{em, in}    –    teplo, které je třeba dodat systému předávání tepla (kWh).

Tento zjednodušený vztah nebere v úvahu různé váhové faktory pro teplo a elektrickou energii.

Tepelné ztráty systému předávání tepla

Účinnost předávacího systému závisí na jeho tepelných ztrátách. Čím jsou tyto ztráty vyšší, tím víc tepla je třeba dodat systému vytápění pro zabezpečení tepelné pohody, a tím nižší je účinnost systému. Teplo, které je třeba dodat systému předávání tepla Qem,in, se vypočítá takto:

Q_em, in = Q_em, out – k . W_em, aux + Q_em, ls(kWh)              (2)

kde:
    Q_em, out    je    potřeba tepla na vytápění vypočítaná podle STN EN ISO 13790 (kWh) [1],
    k – obnovená část vlastní spotřeby energie (–),
    W_{em, aux} – vlastná potreba energie (kWh),
    Q_{em, ls} – tepelné ztráty systému (kWh).

Tepelné ztráty při předávání tepla do prostoru Qem, ls vznikají v důsledku tří faktorů: nerovnoměrného rozdělení teploty, ztrát způsobených polohou předávacího prvku a ztrát v důsledku nedokonalé regulace vnitřní teploty:

Q_em, ls = Q_em, str + Q_em, emb + Q_em, ctr  (kWh)                       (3)

kde:
    Qem, str    jsou    tepelné ztráty způsobené nerovnoměrným rozdělením teploty (kWh),
    Qem, emb – tepelné ztráty způsobené polohou předávacího prvku (kWh),
    Qem, ctr – tepelné ztráty způsobené ­regulací vnitřní teploty (kWh).

Tepelné ztráty v důsledku nerovnoměrného rozdělení teploty

Tepelné ztráty v důsledku nerovnoměrného rozdělení teploty vznikají:

• rozvrstvením teploty, které má za následek zvýšenou vnitřní teplotu pod stropem, pod střechou, resp. ve vyšších částech budovy (obr. 2 a 3);
• zvýšením vnitřní teploty a vyšším sou­činitelem prostupu tepla blízko oken (obr. 4);
• prouděním a sáláním ze systému předávání tepla a jiných vnějších ploch (obr. 4).

Obr. 2 Vertikální rozvrstvení teploty pro různé typy předávacích systémů [2]

Obr. 3 Termovize – rozvrstvení teploty vlivem vysokého teplotního spádu a polohy tělesa na vnitřní stěně. Teplo z vytápěcího tělesa stoupá nahoru a přispívá ke zvýšené teplotě pod stropem.

Obr. 4 Termovize – nerovnoměrné rozdělení teploty obvodového pláště. Vlevo: rodinný dům bez zateplení. Vpravo: administrativně-hotelový objekt bez zateplení

Tepelné ztráty způsobené polohou předávacího prvku

Je-li použito podlahové, stropní nebo stěnové vytápění, ztráta energie je způsobena i částečným únikem tepla prostupem do exteriéru, do zeminy nebo do nevytápěného prostoru přes stavební konstrukci, v níž je předávací prvek zabudován (obr. 5).

Obr. 5 Vlevo: Podlahové vytápění. Ačkoliv jsou trubky od prostoru pod nimi izolované, malá část tepla se přece předává i směrem dolů. Vpravo: Termovize – tepelná ztráta podlahového vytápění přes strop nevytápěného suterénu.

Tepelné ztráty způsobené regulací vnitřní teploty

Nedokonalá regulace může způsobit kolísání kolem žádané (nastavené) teploty způsobené fyzikálními vlastnostmi regulačního systému, umístěním snímače a vlastnostmi samotného vytápěcího systému. Toto může způsobit zvýšení tepelných ztrát přes plášť budovy v porovnání s vypočítanými tepelnými ztrátami. Schopnost využít vnitřní zisky teploty taktéž závisí na systému předávání tepla a způsobu regulace.

Výpočet tepelných ztrát metodou částečných účinností

STN EN 15316-2-1 [3] udává dva postupy na určování tepelných ztrát systému předávání tepla. Uvedený postup výpočtu tepelných ztrát předávání tepla vychází z DIN 18599-6. Tepelné ztráty systému předávání Qem, ls se vypočítají takto:

kde:
    Q_H    je    potřeba tepla na vytápění vypočítaná podle STN EN ISO 13790 (kWh) [1],
    f_hydr    –    koeficient pro hydraulické regulování (–),
    f_im    –    koeficient pro přerušované vytápění (–),
    f_rad    –    koeficient pro účinek sálání (platí jen pro sálavé systémy),
    hem    –    celkový stupeň účinnosti ­systému předávání tepla v místnosti.
Pozor, celkový stupeň účinnosti hem si nesmíme zaměňovat s celkovou účinností systému předávání hem,celk. Celkový stupeň účinnosti hem slouží k výpočtu tepelných ztrát ze systému předávání tepla.

Celkový stupeň účinnosti se vypočítá podle rovnice:

kde:
    h_str    je    částečný stupeň účinnosti pro vertikální teplotní profil (–),
    h_ctr    –    částečný stupeň účinnosti pro místnost s regulovanou teplotou (–),
    h_emb    –    částečný stupeň účinnosti pro ztráty předávacích prvků vytápěcího systému zabudovaných ve stavebních konstrukcích (–).

Příklady částečných účinností pro volné vytápěcí plochy (radiátory), sálavé vytápění a pro elektrické vytápění, pro různé způsoby regulace teploty v místnosti, teplotní spády, polohy předávacího prvku, resp. způsoby vyhotovení a úrovně tepelné izolace jsou uvedeny v tab. 1 až 3. Kromě polohy vytápěcího prvku, teplotního spádu, způsobu regulace či odizolování předávacího prvku od nevytápěných prostorů a exteriéru jsou podle rovnice 4 důležitá i hydraulická regulování systému, přerušované vytápění a v případě sálavých systémů i vzdálenost předávacích prvků od pobytové zóny. Hydraulické regulování vytápěcího systému se zohlední koeficientem pro hydraulické regulování fhydr podle tab. 4. Pro neregulovaný systém se použije koeficient s vyšší hodnotou, čímž se zvýší i tepelné ztráty systému předávání tepla. Přerušovaná činnost vytápěcího systému se zohlední snížením koeficientu pro přerušované vytápění fim, což má za následek menší tepelné ztráty systému předávání tepla. Snížený účinek sálání ve vysokých místnostech s vytápěcími panely v horní části místnosti lze zohlednit zvýšením koeficientu pro účinek sálání frad, což má naopak za následek zvýšené tepelné ztráty systému předávání tepla.

Obr. 7 Průběh teploty v prostoru při použití PI-regulátoru (vlevo – přesná regulace, pomalejší reakce na změnu) a při použití PID-regulátoru (vpravo – přesná regulace s rychlou reakcí).

Závěr

Ztráty při předávání tepla tvoří důležitou složku energetické bilance budovy, která se může výrazně podílet na celkové tepelné ztrátě, proto je třeba brát ji při výpočtu v úvahu.

Poděkování

Tento článek vznikl díky podpoře v rámci OP Výzkum a vývoj pro projekt: Kompetenční centrum inteligentních technologií pro elektronizaci a informatizaci systémů a služeb, ITMS: 26240220072 spolufinancovaný ze zdrojů Evropského fondu regionálního rozvoje.

Literatura
1.    STN EN ISO 13790 Energetická hospodárnost budov. Výpočet potřeby energie na vytápění a chlazení.
2.    CIBSE Guide A – Environmental design. The Chartered Institution of Building Services Engineers, London, 2006.
3.    STN EN 15316-2-1 Vytápěcí systémy v budovách. Metoda výpočtu energetických požadavků systému a účinnosti systému. Část 2-1: Systémy předávání tepla do vytápěného prostoru.
4.    Krajčík, M. – Petráš, D.: Energetické hodnotenie budov. Bratislava: Nakladatelství STU, 2015.
5.    Dahlsveen, T. – Petráš, D. – Chmúrny, I. – Smola, A. – Lulkovičová, O. – Füri, B. – Konkol, R.: Energetický audit a certifikácia budov. Bratislava: Jaga group, 2008.

Ing. Michal Krajčík, Ph.D.
Autor působí na Katedře technických zařízení budov Stavební fakulty STU v Bratislavě.
Recenzoval: prof. Ing. Dušan Petráš, Ph.D.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.