Vykurovacie systémy v budovách sú komplexné celky, ktorých správny návrh a dimenzovanie sú kľúčové pre zabezpečenie tepelnej pohody a energetickej efektívnosti. Jedným zo základných krokov pri návrhu vykurovacieho systému je výpočet projektovaného tepelného príkonu. Tento článok sa zameriava na princípy a metódy výpočtu tepelného príkonu, s ohľadom na platné normy a predpisy.
Úvod do problematiky vykurovacích systémov
Proces vykurovania budovy začína výrobou tepla a postupuje, až kým sa teplo odovzdá do miestnosti. Počas tohto procesu dochádza k stratám energie, ktoré sa postupne zvyšujú od výroby smerom k odovzdávaniu tepla. Pri výpočte strát energie sa postupuje opačne, a to od potreby tepla na vykurovanie cez straty pri odovzdávaní tepla, straty pri rozvode tepla až po straty pri akumulácii a výrobe tepla.
Systém rozvodu tepla, resp. teplej vody môže výrazne prispieť k zvýšeniu potreby energie, preto je dôležité navrhnúť rozvody hospodárne a primerane ich zaizolovať. Je veľmi dôležité navrhnúť rozvody hospodárne a primerane ich zaizolovať. Straty v systéme rozvodu tepla vznikajú vplyvom prechodu tepla cez potrubia do okolitého priestoru, tento podsystém však zahŕňa aj elektrickú energiu potrebnú na pohon obehových čerpadiel (vykurovanie), resp. cirkulačných čerpadiel (príprava teplej vody). V prípade, ak je úroveň izolácie rozvodov vysoká, resp. rozvody nie sú príliš dlhé, môže energia na pokrytie strát tvoriť len zanedbateľnú zložku energetickej bilancie. Ak sú však rozvody pomerne dlhé, resp. úroveň izolácie je nízka, môže mať tepelná strata z rozvodov významný negatívny vplyv na energetickú hospodárnosť budovy. Napríklad pri zle izolovanom systéme rozvodu teplej vody s cirkuláciou môžu tieto straty tvoriť v energetickej bilancii väčšiu položku, ako je samotná potreba tepla na ohrev teplej vody. Článok opisuje princíp výpočtu tepelných strát z rozvodov prechodom, ako aj výpočet energie potrebnej na pohon obehových (cirkulačných) čerpadiel.
Legislatívny rámec a technické normy
Výpočet tepelného príkonu a návrh vykurovacích systémov sa riadi platnou legislatívou a technickými normami. Medzi najdôležitejšie patria:
- Zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov.
- Vyhláška Ministerstva výstavby a regionálneho rozvoja Slovenskej republiky č. 625/2006 Z.z., ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z.z.
- Zákon č. 314/2004 Z. z. o tepelnej ochrane budov.
- STN 73 0540 - 1 až 4:2002 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana.
- STN EN 12831 Vykurovacie systémy v budovách.
- Vyhláška Ministerstva hospodárstva Slovenskej republiky č. 282/2012 Z. z. z 18. septembra 2012 o požiadavkách na energetickú efektívnosť pri obnove budov.
- Vyhláška Ministerstva dopravy, výstavby a regionálneho rozvoja Slovenskej republiky č. 364/2012 Z. z. z 12. novembra 2012, ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z. z.
Okrem týchto predpisov je potrebné zohľadňovať aj ďalšie normy, ktoré sa týkajú tepelnej izolácie, vetrania a energetickej hospodárnosti budov, napr. STN EN ISO 12241, STN EN 15316-1, STN EN ISO 13790 a ďalšie.
Prečítajte si tiež: Vykurovacie Vodiče FENIX: Produkty a Inštrukcie
Výpočet tepelných strát
Podkladom pre výpočet tepla - tepelných strát, je kvalifikovaný výpočet podľa STN EN 12831: Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu projektovaného tepelného príkonu, ktorá stanovuje postup výpočtu tepelných strát prechodom tepla cez stavebné konštrukcie a tepelné straty infiltráciou, ako korektný predpoklad na dimenzovanie všetkých súčastí navrhovania vykurovacej sústavy počnúc vykurovacími telesami, cez rozvody až po zdroj tepla. Výpočet návrhového tepelného príkonu pre časť budovy alebo celú budovu nebude uvažovať s teplom, ktoré sa šíri prechodom alebo vetraním vo vnútri obvodového plášťa časti budovy, napr.
Tepelné straty prechodom tepla
Tepelné straty prechodom tepla cez stavebné konštrukcie závisia od tepelnoizolačných vlastností konštrukcií (tepelný odpor, súčiniteľ prechodu tepla), ich plochy a teplotného rozdielu medzi interiérom a exteriérom. Výpočet sa vykonáva pre všetky obvodové konštrukcie budovy (steny, okná, strecha, podlaha).
Tepelné straty vetraním (infiltráciou)
Tepelné straty vetraním sú spôsobené výmenou vzduchu medzi interiérom a exteriérom. Výmena vzduchu môže byť prirodzená (infiltrácia cez netesnosti) alebo nútená (vetracie systémy). Výpočet zohľadňuje objem vymeneného vzduchu a jeho teplotný rozdiel.
Ďalšie faktory ovplyvňujúce tepelný príkon
Okrem tepelných strát prechodom a vetraním je potrebné zohľadniť aj ďalšie faktory, ktoré ovplyvňujú potrebu tepla na vykurovanie:
- Tepelné zisky: Zisky zo slnečného žiarenia, vnútorné tepelné zisky (osoby, spotrebiče, osvetlenie).
- Teplotný korekčný faktor: Zohľadňuje doplnkovú tepelnú stratu miestností vykurovaných na vyššiu teplotu ako susediace vykurované miestnosti.
- Objem vykurovaného priestoru: Vi objem vykurovaného priestoru (i) [m3], vypočítaný z vnútorných rozmerov. Na výpočet sa používajú vonkajšie rozmery miestnosti. Pre určenie vertikálnych rozmerov to je vzdialenosť úrovní podláh v jednotlivých podlažiach (t.j. hrúbka podlahy suterénu sa neberie do úvahy). Pri uvažovaní vnútorných stien sa pre horizontálne rozmery považuje vzdialenosť stredov rozmerov stien (t.j. 1. 1.1. fΔθ,i teplotný korekčný faktor, ktorý zohľadnuje doplnkovú tepelnú stratu miestností vykurovaných na vyššiu teplotu ako susediace vykurované miestnosti, napr. 1.2. 1.3. Vi objem vykurovaného priestoru (i) [m3], vypočítaný z vnútorných rozmerov. 2. 2.1. 2.2. 3.
Výpočet tepelných strát z rozvodov
Tepelné straty z rozvodu tepla sú na obr. 1 naznačené ako druhá položka zľava. Podrobnosti ohľadne výpočtu tepelných strát zo systému rozvodu tepla možno nájsť v STN EN 15316-2-3 [1].V určitých prípadoch možno časť tepelných strát využiť na vykurovanie priestoru, a to napríklad vtedy, keď rozvody prechádzajú cez vykurovaný priestor s teplotou vzduchu nižšou, ako je teplota látky v rúrkach. Takéto straty sa nazývajú obnoviteľné tepelné straty. Na to, aby vykurovacia látka, resp. teplá voda v rúrkach prúdila, je nevyhnutné použiť obehové, resp. cirkulačné čerpadlo. Aby toto čerpadlo pracovalo, treba mu dodať elektrickú energiu. Množstvo dodanej elektrickej energie na pohon čerpadla sa nazýva vlastná potreba energie. Obr. 1 Postup výpočtu tepelných strát zo systému vykurovania. Účinnosť podsystému rozvodu tepla sa vypočíta ako podiel energie, ktorá z podsystému vychádza, a energie, ktorá do systému vstupuje. Qdis,out je potreba tepla na vykurovanie, resp. Tento zjednodušený vzťah neberie do úvahy rôzne váhové faktory pre teplo potrebné na pokrytie tepelných strát a elektrickú energiu potrebnú na pohon čerpadiel, resp. Na obr. 2 vidieť tepelnú stratu prechodom tepla z rozvodov. Červené oblasti predstavujú neizolovanú časť potrubia, resp. neizolované priestupy potrubí stenou. Ψ je lineárny stratový súčiniteľ (W/(m . Obr. Okrem tepelnej straty z úseku potrubia môže dochádzať aj k zvýšenej tepelnej strate z armatúr (uzatvárací ventil, trojcestný ventil a pod.).
Prečítajte si tiež: Vykurovacie telesá pre ústredné vykurovanie
Tepelné straty z armatúr na vykurovacom potrubí možno vo výpočte zohľadniť pomocou ekvivalentnej dĺžky. To znamená, že za každú armatúru sa k dĺžke vykurovacieho potrubia pripočíta ekvivalentná dĺžka, ktorou sa zohľadní tepelná strata cez túto armatúru. Ekvivalentné dĺžky pre armatúry sú uvedené v tab. Minimálna hrúbka tepelnej izolácie rozvodov tepla a teplej vodyMinimálna hrúbka tepelnej izolácie rozvodov tepla a teplej vody v budovách pri izolačnom materiáli s tepelnou vodivosťou 0,035 W/(m . K) a teplote 0 °C podľa vyhlášky MH SR č. 282/2012 Z. z. je uvedená v tab. 2. Táto vyhláška bola koncom roka 2014 zrušená a v čase písania tohto článku za ňu neexistovala adekvátna náhrada. Pri rozdeľovačoch a zberačoch tepla, v miestach križovania či spájania potrubí a pri potrubiach a armatúrach inštalovaných v priestupoch stien a stropov sa môže minimálna hrúbka izolácie znížiť o 50 % hodnoty hrúbky izolácie uvedenej v príslušnom riadku tabuľky. Uvedené hodnoty sú navrhnuté pre rozvody tepla a teplej vody s oceľovými rúrkami. V prípade použitia iných materiálov rozvodov tepla a teplej vody sa minimálna hrúbka izolácie vypočíta podľa prílohy č. 2 k vyhláške MH SR č. 282/2012 Z. z. Ďalším predpisom určujúcim úroveň tepelnej izolácie rozvodov je vyhláška MDVRR č. 364/2012 Z. z. [3], podľa ktorej nesmie tepelná strata distribučnej sústavy novej alebo významne obnovovanej budovy presiahnuť 10 W/(m . K). Táto nízka hodnota sa musí dodržať pri výpočtovej teplote teplej vody 60 °C (s možnosťou termickej dezinfekcie), resp.
Výpočet lineárneho súčiniteľa prechodu tepla
Vo výpočte lineárneho súčiniteľa prechodu tepla možno materiál rúrky z dôvodu zjednodušenia zanedbať, a to najmä pri dobre izolovaných potrubiach. di je vnútorný priemer potrubia (bez tepelnej izolácie) (m),da - vonkajší priemer potrubia (s tepelnou izoláciou) (m),ha - celkový súčiniteľ prestupu tepla na vonkajšom povrchu (prúdením a sálaním) (W/(m2 . K)), pričom preddefinované hodnoty tohto súčiniteľa podľa STN EN 15316-2-3 [1] sú ha = 8 W/(m2 . K) pri izolovaných potrubiach a ha = 14 W/(m2 . K) pri neizolovaných potrubiach,λD - tepelná vodivosť tepelnej izolácie (W/(m . di je vnútorný priemer potrubia (bez tepelnej izolácie) (m),da − vonkajší priemer potrubia (s tepelnou izoláciou) (m),λE − tepelná vodivosť okolitého výplňového materiálu (W/(m . K)),λD − tepelná vodivosť tepelnej izolácie (W/(m .
Vlastná potreba energie
Vlastná potreba energie zahŕňa najmä elektrickú energiu potrebnú na pohon obehových čerpadiel. Nasledujúci výpočet predstavuje zjednodušenú výpočtovú metódu, pri ktorej sa zadefinovali niektoré predpoklady pre najdôležitejšie prípady. Výpočet platí pre neprerušovanú prevádzku, teda bez teplotného útlmu. Pri prerušovanej prevádzke treba spraviť určité modifikácie. Na výpočet potreby hydraulickej energie treba najskôr určiť výkon čerpadla v pracovnom bode. kde LL je dĺžka zóny (m),LW - šírka zóny (m),Nlev - počet vykurovaných podlaží v zóne (-),hlev - konštrukčná výška podlažia v zóne (m),lc - dĺžka pripájacích potrubí od stúpacích potrubí k vykurovacím telesám (10 m pri dvojrúrových vykurovacích systémoch, resp. Ak nie sú k dispozícii údaje o hodnotách ΔpFH a ΔpG, použijú sa preddefinované hodnoty- ΔpFH = 25 kPa vrátane uzatváracích armatúr a rozdeľovačov; ΔpG podľa tab. kde ΦH,em,out je projektovaný tepelný príkon podľa STN EN 12831 5,c - merná tepelná kapacita vykurovacej látky (kJ/(kg . Korekčný faktor pre hydraulické siete fNETfNET = 1 (pri dvojrúrových vykurovacích systémoch)fNET = 8,6 . kde CP1, CP2 sú konštanty podľa tab. kde Phydr,des sa uvedie vo W. Pri existujúcich inštaláciách možno použiť hodnotu menovitého príkonu čerpadla, ktorá sa uvádza na štítku ako Pel,pmp. Pri čerpadlách bez regulácie s viacerými stupňami otáčok sa Pel,pmp má určiť podľa stupňa otáčok, na ktorom je čerpadlo v prevádzke. Čerpadlá, ktoré sú v prevádzke sústav vykurovania, premieňajú časť vlastnej potreby energie na teplo. Jedna jej časť sa v podsystéme rozvodu tepla spätne získava ako teplo, ktoré sa dodáva do teplonosnej látky, ďalšia časť tepla ohrieva okolitý vzduch. Na obr. 3 sú krúžkami vyznačené obehové čerpadlá vo vykurovacom systéme. Obr.
Ak nie sú známe takmer žiadne údaje o systéme rozvodu tepla, možno použiť tabuľkovú metódu. Používať ju však treba opatrne, pretože hodnoty vlastnej potreby energie sa udávajú len pre vykurovanú plochu Ah,z ≤ 1 000 m2, a preto, že sa pri výpočte postupovalo podľa zjednodušenej výpočtovej metódy a zaviedlo sa niekoľko ďalších predpokladov:
- priemerné čiastočné zaťaženie rozvodu βdis = 0,4,
- počet vykurovacích hodín top,an = 5 000 hodín za rok; pri odlišnom počte vykurovacích hodín sa vlastná potreba energie WH,dis,aux,an určí vynásobením tabuľkovej hodnoty faktorom f = top,an/5 000, kde top,an je počet vykurovacích hodín za rok,
- projektovaný tepelný príkon na m2 ΦH,em,out = 40 W/m2 (nové budovy),
- Ah,z = m2 zóny - jedno čerpadlo na maximálne 1 000 m2 zóny,
- dĺžka zóny v závislosti od vykurovanej plochy zóny: LL = 11,4 + 0,0059 . Ah,z,
- šírka zóny v závislosti od vykurovanej plochy zóny: LW = 2,72 .
Vykurovacie systémy a ich súčasti
Voľba optimálnej vykurovacej sústavy závisí od dispozičného riešenia rodinného domu, tepelno-technických vlastností stavby, prevádzkových požiadaviek užívateľa, ale aj klimatických podmienok.
Prečítajte si tiež: Recenzie na lacné vykurovacie rohože
Kotly
Kúpa nového kotla nepatrí medzi každodenné investície. Životnosť kotlov sa pohybuje v rozmedzí niekoľko desiatok rokov, a preto je dôležité venovať jeho výberu zvýšenú pozornosť. Majiteľ domu tak stojí pred vážnym rozhodnutím, aký zdroj tepla zvoliť na vykurovanie alebo na ohrev vody. Bezpečnosť prevádzky je najdôležitejšou požiadavkou pre akéhokoľvek zariadenie. V prípade, že niektoré súčasti kotla a vykurovacej sústavy nie sú funkčné alebo sú poškodené, môže dôjsť k požiaru, výbuchu či obareniu užívateľa. Z tohto hľadiska treba dbať na to, aby bezpečnosť kotla po elektrickej stránke bola zaručená pri správnom uzemnení podľa platných noriem. Kontrolu musí vykonať odborne spôsobilá osoba a elektrické napojenia môžu byť vykonané len kvalifikovanou osobou v zmysle Zákona č. 124/2006 Z. z. o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci a o zmene a doplnení niektorých zákonov a Vyhlášky Ministerstva práce, sociálnych vecí a rodiny Slovenskej republiky č. 508/2009 Z. z.
Bezpečnosť kotla je prvoradá, no je dôležité, aby kotol pracoval správne a bol aj spoľahlivý po celú dobu používania. Počas svojej životnosti, čo je približne 20 až 25 rokov, by mal byť pri primeranej a pravidelnej údržbe funkčný a prevádzkyschopný. Po uplynutí základnej životnosti je zrejmé, že kotol, hoci je neustále funkčný a dobre udržiavaný, bude mať už po tomto období nižšiu účinnosť a horšiu ekonomiku prevádzky ako nové zdroje tepla. Na starom kotli sa takisto už môžu prejavovať známky opotrebovania a cena náhradných dielov býva zvyčajne pomerne vysoká. Pri výbere je dôležité zvážiť aj pomer medzi ponúkanou kvalitou a cenou kotla. Jeho účinnosť by sa mala porovnávať s technickými možnosťami a vlastnosťami aktuálnych moderných výrobkov na trhu, ako aj alternatívnych zdrojov tepla. Pre kotol je v prvom rade rozhodujúcou vlastnosťou účinnosť, resp. ročný stupeň využitia a možnosti regulácie. Regulácia predstavuje ekonomiku prevádzky, tzn. koľko užívateľ zaplatí za vykurovanie a prípravu teplej vody a zabezpečuje optimálne spaľovanie. Odborníci na vykurovanie sa zhodujú v tom, že pri výbere kotla je nevyhnutné venovať pozornosť aj súvisiacim problémom ako napríklad zateplenie domu, zníženie teploty vykurovaného objektu v noci alebo počas neprítomnosti obyvateľov, inštalácia termostatických ventilov na radiátory a pod. Pri výbere nového kotla hrá však okrem spomínaných základných požiadaviek podstatnú úlohu hneď niekoľko ďalších parametrov.
Výber paliva
Výber paliva súvisí s prísunom energie do kotla, ktorú treba mať vybudovanú ešte pred inštalovaním kotla. V súčasnosti slovenský trh ponúka niekoľko druhov paliva. Najrozšírenejším druhom u nás sú plynné palivá - zemný plyn, propán-bután a bioplyn. Zemný plyn predstavuje čistý, spoľahlivý a pružný zdroj energie. Využíva sa preto vo väčšine domácností. Na jeho prívod stačí mať vybudovanú prípojku z verejného plynovodu a príslušnú plynoinštaláciu. Propán-bután sa využíva predovšetkým v samostatne stojacich budovách, ku ktorým nie je možné vybudovať plynovú prípojku. Vykurovanie propán-butánom je relatívne drahé a jeho uskladnenie si vyžaduje dodržiavanie bezpečnostných zásad, nakoľko sa skladuje v blízkosti budovy v nadzemných alebo podzemných nádržiach. Pomerne veľa domácností však používa ešte stále tuhé palivá, ako sú koks, hnedé a čierne uhlie a palivové drevo. Relatívnou nevýhodou tuhých palív je potreba dostatočného miesta na ich skladovanie. Kotly na tuhé palivo sa používajú najmä v miestach, kde nie je zavedený plynovod a neexistuje dostatočne dimenzovaná elektrická sieť na vykurovanie. V súčasnosti sa ale zvyšuje aj využitie upravenej biomasy, najmä v podobe drevených brikiet, peliet či odpadových štiepok. Jej podstatnou výhodou oproti iným tuhým palivám a čiastočne aj v porovnaní s plynom je ekologickosť, nakoľko ide o obnoviteľný zdroj energie. Ďalšou možnosťou je využitie elektrickej energie. Prednosťou elektrických kotlov je možnosť jednoduchej a priamej premeny elektriny na teplo, vysoký komfort prevádzky a ochrana životného prostredia. Elektrokotly neprodukujú žiadne emisie, a preto sa neznižuje kvalita ovzdušia. Takýto spôsob vykurovania síce patrí k najčistejším, veľmi komfortným, jednoduchým a pružným, ale najdrahším.
Výkon kotla
Výkon kotla musí zodpovedať tepelným stratám objektu a potrebám prípravy teplej vody. Tento spôsob výpočtu je však iba orientačný. Presnú hodnotu vie určiť projektant kúrenia a riadi sa ňou ďalší postup pri výbere vhodného kotla. Správne naprojektovaný kotol potom dokáže zabezpečiť dostatok tepla aj v najväčších mrazoch a v prechodných obdobiach v roku umožňuje znížiť výkon na optimálnu hodnotu. V prípade, že hodnotu výkonu určíte iba približne, môže dôjsť k zhoršeniu regulačných možnosti vykurovacej sústavy. Správne navrhnuté vykurovacie teleso musí do vykurovaného priestoru dodať také množstvo tepla (sálaním alebo konvekciou), aby sa užívateľovi zabezpečil pocit tepelnej pohody.
Umiestnenie kotla
Na umiestnenie kotla v dome existuje množstvo obmedzení. Tie sú dané normami, technickými predpismi, odporúčaniami a pravidlami. Kotol môže byť umiestnený stacionárne na podlahe, alebo sa môžete rozhodnúť pre závesný (upevňuje sa na stenu), a to jedno- a viacokruhový. Stacionárne kotly sú článkové (z liatiny). Ich pozitívom je, že sa vyznačujú dlhou životnosťou, pretože liatina nehrdzavie. Nevýhodou je však ich hmotnosť, pretože sú veľmi ťažké a nemôžu sa pripevniť na stenu. Umiestňujú sa preto na podlahu s podložkou tlmiacou chvenie a znižujúcou možnosť šírenia hluku. Kotol musí stáť pevne na zemi a musí byť dobre vyvážený. Najčastejšie sa umiestňuje v kotolni. Závesné kotly sa umiestňujú buď do kotolne, alebo sa pri splnení bezpečnostných požiadaviek umiestnia aj v iných neobývaných miestnostiach. Vzhľadom na súčasné trendy je možné umiestniť kotol aj do kúpeľní.
Podstatným kritériom pri výbere správneho kotla a miesta jeho ďalšej inštalácie je možnosť prívodu vzduchu, ktorý je potrebný pre spaľovanie a odvod spalín. Aby bola prevádzka kotla bezpečná, je nevyhnutné zvoliť certifikovaný systém nasávania a odvodu spalín. Prívod spaľovaného vzduchu a odvod spalín musí byť spoľahlivý, bezpečný a bezporuchový. Komín predstavuje tradičné riešenie odvodu spalín. Tie sa odvádzajú do komína a spaľovací vzduch si kotol odoberá z miestnosti, kde je nainštalovaný. Turbo na rozdiel od komínových kotlov nemá špeciálne nároky na prívod vzduchu do miestnosti, kde je umiestnený. Je možné ho preto umiestniť do malého nevetraného priestoru. Poloturbo je alternatívnejšie riešenie, kde tento nadstavec pomocou ventilátora spoľahlivo zabezpečuje odvod spalín potrubím až do vzdialenosti 10 metrov.