Partner sekcie:
  • SCHELL

Tepelné bilancie s využitím tepelných čerpadiel s hodinovým krokom

Obr. 1 Modelový dom

Metodika výpočtu tepelnej bilancie môže byť rôzna. Využívajú sa dynamické (podrobné) simulácie, kvázi stacionárne metódy – mesačná metóda, korelačná (statická) dennostupňová metóda s pevne určenou dĺžkou vykurovacieho obdobia – a tiež dynamické metódy s určeným časovým krokom ako jednoduchá hodinová metóda.

Hlavným cieľom práce, z ktorej vychádza článok, je využiť a preukázať význam novej hodinovej metódy (norma EN ISO 52016-1) v porovnaní s bežne používanou mesačnou metódou.

S pomocou softvéru Simulace 2018 s hodinovým krokom sa vypočítali energetické potreby na vykurovanie, chladenie a na prípravu teplej vody. S využitím tepelného čerpadla s hodinovým krokom sa vypočítala energetická náročnosť modelového domu.

V súčasnosti sa čoraz viac diskutuje o výstavbe nových domov a znižovaní ich energetickej náročnosti. Od roku 2020 bude platiť nová smernica EÚ, ktorá nariaďuje stavbu ekologicky šetrných stavieb a obsahuje prísnejšie požiadavky na energetickú hospodárnosť budov. Naprojektovať takýto dom bude povinnosť.

Kľúčovým cieľom diplomovej práce je poukázať na význam hodinovej metódy podľa normy EN ISO 52016-1, ktorá svojím hodinovým časovým krokom vypočíta presnejšie hodnoty – tie pri využití tepelných čerpadiel posúvajú budovu do vyššej energetickej kategórie.

Metodika práce

Modelový dom

Je umiestnený v dvoch klimatických oblastiach (v jednej teplejšej a jednej chladnejšej) a navrhnutý podľa zásad a princípov návrhu nízkoenergetického domu.

Patria sem najmä jednoduchý a kompaktný tvar, orientácia stavby tak, aby boli najväčšie okná orientované na južnú stranu z dôvodu solárnych ziskov, a tiež realizácia stavby z kvalitných materiálov.

Na energetickú analýzu modelového domu je využitý softvér Simulace 2018 (Stavební fyzika), ktorý pracuje s novým hodinovým výpočtovým modelom podľa článku 6.5.6 až 6.5.13 EN ISO 52016-1.

Model je založený na opakovanom zostavovaní a riešení sústavy bilančných rovníc v jednotlivých časových krokoch, pričom sa zohľadňuje energetická bilancia jednak na úrovni zóny (miestnosti) a jednak na úrovni čiastkových konštrukcií.

Pre každú „nepriesvitnú“ konštrukciu sa zostavuje v závislosti od jej skladby minimálne päť bilančných rovníc, zodpovedajúcich počtu uzlov v modeli konštrukcie (od 5 do 30). Pri „priesvitných“ konštrukciách sa používa model s dvomi uzlami.

Obr. 1 Modelový dom.
Obr. 1 Modelový dom. |

Návrh výkonu zdroja tepla

Výkon zdroja je naprojektovaný na základe vonkajšej výpočtovej teploty a k nej prislúchajúcej tepelnej strate, zloženej zo straty prechodom tepla a zo straty vetraním. Klimatické údaje do tejto práce poskytol SHMÚ.

Na preukázanie rozdielu výkonnostného režimu počas vybraných štyroch dní v každom ročnom období je využitá hodinová aj mesačná metóda. Teoretický potrebný tepelný výkon je určený ako rozdiel tepelných strát a tepelných ziskov.

Hodnota tepelnej straty je vyčíslená pre každú hodinu počas dňa, tepelné zisky (vnútorné a solárne) vyhodnotí softvér Simulace 2018 na základe lokality, nadmorskej výšky, orientácie stavby, použitých materiálov, počtu obyvateľov v dome a ďalších faktorov.

Takto vypočítaný teoretický výkon však nezohľadňuje akumuláciu tepla! Tá je zohľadnená:

  • v stavebnej konštrukcii budovy – pri voľbe materiálu je zadaná merná tepelná kapacita materiálu, tepelná vodivosť a objemová hmotnosť každej vrstvy,
  • vo vybavení miestnosti – podľa normy EN ISO 52016-1 sa pri bežných miestnostiach počíta s hodnotou 10 000 J/(m2. K); ak by bola zadaná hodnota 0, počítal by sa stav pri úplne prázdnej miestnosti,
  • vo vzduchu.

Výpočet v softvéri Simulace prebieha štandardne v tzv. free float režime, t. j. bez vplyvu vykurovania či chladenia (teplota vnútorného vzduchu teda závisí len od okrajových podmienok).

Výstupom výpočtu je protokol obsahujúci graf výslednej teploty v miestnosti – reakcia miestnosti na okrajové podmienky, ktorými sú spomínané tepelné zisky a vetranie.

Počíta sa s otváraním okien len na jednej strane fasády – nejde o priečne vetranie –, s otvorením okien na 50 % cez deň, na 10 % v noci (ČSN 730540-3) a s intenzitou vetrania v hodnote 0,5 1/h.

Je dôležité podotknúť, že takto sa udrží teplota v miestnosti počas dňa bez toho, aby sme dodávali teplo alebo chlad zo zdroja.Teplo potrebné na ohriatie masy vzduchu v miestnosti je určené z kalorimetrickej rovnice:

Q = mvz . cp .(tv – tn) (kJ)

Berie sa do úvahy množstvo vzduchu v miestnosti (mvz), ktoré bude potrebné ohrievať (chladiť), tepelná kapacita vzduchu (cp) pri daných podmienkach a tlaku 101,3 kPa a, samozrejme, teplotný rozdiel (výsledná teplota v miestnosti tv – navrhnutá teplota tn).

Tento výpočet sa realizuje pre každú teplotu počas celého dňa. Do softvéru možno zadať tepelný výkon zdroja tepla/chladu vypočítaný z kalorimetrickej rovnice.

Po jeho dosadení dostávame opäť graf výslednej teploty v miestnosti, na základe ktorej možno zistiť, či je zdroj tepla predimenzovaný, postačujúci alebo ho treba navýšiť. Hodnoty tepelného výkonu sú optimalizované tak, aby výsledný graf v miestnosti preukazoval návrhovú teplotu.

Výpočet energetických nárokov budovy

Na výpočet potreby energie na vykurovanie, chladenie a ohrev vody počas celého roka je opäť využitá hodinová aj mesačná metóda.

Čo sa týka hodinovej metódy, aplikuje sa rovnaký postup ako pri návrhu zdroja tepla (na určenie potrebného výkonu zdroja tepla sa vybrali štyri dni), no tentoraz je hodinovo rozanalyzovaný každý deň a tiež každá miestnosť počas roka v rámci oboch vybraných teplotných oblastí.

Na určenie ročnej potreby energie na ohrev vody slúži norma STN EN 15316-3-1.

Výpočet energetickej náročnosti

Globálnym ukazovateľom energetickej nároč­nosti je primárna energia vstupujúca na začiat­ku do procesu transformácie (kWh/(m²/rok)), ktorá závisí vo veľkej miere od zvoleného zdroja tepla.

Porovnávanými technológiami sú tepelné čerpadlá (Trstená: zem – voda; Hurbanovo: vzduch – voda) a elektrický kotol s chladiacim okruhom. Určenie spotreby primárnej energie sa realizuje:

  • pomocou SPF podľa vyhlášky č. 324/2016 Z. z.,
  • použitím sezónneho vykurovacieho súčiniteľa SCOP,
  • hodinovým krokom so zodpovedajúcim vykurovacím súčiniteľom.

Hodinový výpočet pre Hurbanovo
Zvolené tepelné čerpadlo vzduch – voda (Genia Air Split od výrobcu Protherm) má výkon 5 kW. Na výpočet hodinovej spotreby energie treba poznať hodnotu COP/EER v každej hodine počas roka pri danej hodinovej teplote. Následná hodinová spotreba tepla/chladu sa určí pomocou vzťahu:

hodinová spotreba energie (kWh) = (hodinová potreba energie (kWh))/(COP/EER)

V informačnom technickom liste je uvedená závislosť vykurovacieho súčiniteľa COP od vonkajšej teploty – COP je uvedené pri teplotách -20, -15, -10, -7, -3, 0, 2, 7, 10, 12 a 20 °C.

Pri prevádzke čerpadla vo vykurovacom režime počítame s teplotou systému na výstupe 35 °C, keďže v modelovom dome je nízkoteplotné podlahové vykurovanie. Pri ohreve vody sa počíta s výstupnou teplotou 55 °C.

Pri chladení sú použité hodnoty chladiaceho súčiniteľa EER pri teplotách 15, 20, 25, 35 a 46 °C. Ostatné hodnoty COP/EER sú odvodené pomocou lineárnych závislostí medzi nimi (obr. 5) podľa normy STN EN 14825.

Vypočíta sa celková spotreba dodanej energie do domu, ktorá sa prenásobí faktorom primárnej energie. Podľa vyhlášky č. 324/2016 Z. z. je hodnota PEF pre elektrinu 2,2. Výsledkom je globálny ukazovateľ – dodaná primárna energia v kWh/m2 za rok, ktorá určuje zaradenie budovy do energetickej triedy.

Obr. 5 Závislosť COP od vonkajšej teploty pri nízkoteplotnom vykurovaní
Obr. 5 Závislosť COP od vonkajšej teploty pri nízkoteplotnom vykurovaní |

Výsledky

Výkon zdroja tepla

Na obr. 7 vidieť výsledné výkonové krivky tepelného výkonu celého domu aj s ohrevom vody vo vybranom jesennom dni v Hurbanove vypočítané s hodinovým krokom v porovnaní s výkonom vypočítaným mesačnou metódou.

Mesačná metóda udáva na základe priemernej teploty len potrebu vykurovať, no podrobná hodinová metóda preukazuje okrem vykurovania a prípravy TV počas obedňajších hodín aj potrebu chladenia.

Energetické nároky a energetická náročnosť

Rozdiel medzi potrebami energie na vykurovanie a chladenie modelového domu vypočítaných hodinovou a mesačnou metódou dosahuje až okolo 20 %. Postup s hodinovým krokom výpočtu je presnejší, flexibilnejší, pričom nepotrebuje oveľa viac vstupných údajov.

Hodinová metóda podrobne analyzuje slnečné a vnútorné zisky, vetranie a najmä akumuláciu tepla, ktorá je zohľadnená v stavebnej konštrukcii budovy, nábytku, v zariadení miestnosti a aj vo vzduchu.

Mesačná metóda s adaptačným faktorom podľa STN EN ISO 13790 poskytuje hrubý odhad založený na konvenčných predpokladoch, ktoré môžu v niektorých prípadoch vyhovovať, ale neumožňujú detailnejšie optimalizovať riešenia s tepelným čerpadlom.

Hodinová metóda (hodinový krok) umožňuje detailnejší prístup k budove, ktorá si vyžaduje vykurovanie aj chladenie. Pri mesačnom výpočte je zároveň problematické skontrolovať potrebu chladenia v mesiacoch, keď sa ešte vykuruje. Najnižšiu hodnotu spotreby primárnej energie preukazuje hodinový spôsob výpočtu.

Tento princíp je vhodný pre tepelné čerpadlá, pretože presnejšie zohľadňuje výpočet s odpovedajúcim COP vo vzťahu k vonkajším teplotám pre každú hodinu v roku. COP sa vypočíta pre každú hodinu a závisí od miery zaťaženia a teploty nízkopotenciálneho zdroja tepla.

Obr. 7 Výsledné krivky tepelných výkonov vo vybranom dni na jeseň
Obr. 7 Výsledné krivky tepelných výkonov vo vybranom dni na jeseň |

Diskusia

Práca dokazuje, že pri určení energetických nárokov budovy (teda potrieb energie) predstavuje hodinová metóda na rozdiel od mesačnej metódy presnejší spôsob. Rozdiel medzi potrebami na vykurovanie je až okolo 20 %. Mesačná metóda zároveň nie je schopná presne opísať potreby budovy na chladenie.

Hodinová metóda podrobne analyzuje prevádzku v budove, t. j. slnečné a vnútorné zisky, vetranie a najmä akumuláciu tepla. Veľký rozdiel medzi použitými metódami je aj vo výkonovom režime zdroja tepla.

Rozdiel spotreby primárnej energie ako globálneho ukazovateľa medzi hodinovým spôsobom výpočtu a mesačnou metódou podľa vyhlášky č. 324/2019 Z. z. dosahuje v obidvoch prípadoch (aj Trstená, aj Hurbanovo) nižšiu hodnotu, a to okolo 15 %.

Rozdiel v spotrebe primárnej energie medzi hodinovým výpočtom a výpočtom pomocou sezónneho vykurovacieho súčiniteľa SCOP je nižší približne o 13 %.

Hodinová metóda je pri tepelných čerpadlách dôležitá, pretože výpočet hodinovým krokom presnejšie zohľadňuje COP zodpovedajúce daným teplotným podmienkam, tzn. miere zaťaženia a teplote zdroja.

Výpočet sezónnym vykurovacím alebo chladiacim súčiniteľom podobne ako mesačnou metódou podľa vyhlášky je menej presný.

Pri výpočte mesačnou metódou je ťažké skontrolovať napríklad potrebu chladenia v mesiacoch, ako sú apríl, máj či september, keď sú ešte zároveň požiadavky na vykurovanie.

Budova bez chladenia sa môže javiť ako lepšia. Pri hodinovom kroku sa dá vypočítať aj potreba chladenia a možno tak dodržať parametre vnútorného prostredia pri výpočte energetickej náročnosti budovy.

Záver

Uvedené výsledky a spôsob určovania energetických nárokov aj energetickej náročnosti s hodinovým krokom sú prínosom pri spresňovaní požiadaviek na vykurovanie, chladenie aj ohrev vody a  výrazne pomáhajú pri správnom projektovaní technických zariadení budov, predovšetkým tepelných čerpadiel s prípadným využitím fotovoltickej elektriny.

Hodinová metóda (hodinový krok) umožňuje špecifickejší prístup k budove, ktorá si vyžaduje vykurovanie aj chladenie. Úlohou do budúcnosti bude zdokonaľovať metodiku výpočtu, spresňovať a automatizovať výpočet a postupne ho zavádzať do praxe.

Bc. Ivana Stančíková
Autorka vypracovala prácu ako študentka na Strojníckej fakulte STU v Bratislave v odbore Energetické stroje a zariadenia. Štúdium ukončila tento rok v júni.Vedúcim diplomovej práce bol doc. Ing. Peter Tomlein, CSc.
Obrázky: autorka

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2019.

Komentáre