Příklad výpočetu tepelných zisků

ZADÁNÍ VÝPOČTU A PODMÍNKY VYUŽITÍ

Tento výpočet může být použit pro návrh klimatizace a výkonu klimatizačních jednotek (chlazení) jednoduchých prostor tj. malých obytných místností, kanceláří a podobně. Základní princip výpočtu je založen na ČSN 73 0548 - Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostor, ale vlastní postup výpočtu využívá řadu zjednodušení, konstatních průměrných hodnot a zjednodušujících postupů.

Z tohoto důvodu je vždy nutné uvážit vhodnost a přesnost takovéhoto výpočtu. Při aplikaci na odlišné prostory například prostory atypicky konstrukčně řešené, velké klimatizované haly, místnosti s výrazným prosklením, nebo s velkou plochou a podobně je vhodnější provét přesný výpočet dle normy, případně použít specializované výpočtové programy, nebo využít služeb příslušného specialisty. Jednou z možností je také použití doplňku aplikace Excel, který je umístěn v jiné části webových stránek věnovaných software.

Výsledek online výpočtu může být dostatečně přesný při aplikaci na běžné obytné místnosti s potřebným chladícím výkonem do cca 10 až 15 kW, a to protože standardně používané výrobky (například chladící a klimatizační jednotky typu split) v tomto segmentu trhu jsou vyráběny v určitých výkonových řadách a s regulací umožňující přizpůsobení zařízení skutečným potřebám.

Pro výpočet je nutné ve formuláři vybrat charakteristiku stavby a charakteristiku použitých oken. Dle tohoto výběru se pro výpočet použijí typické výpočtové hodnoty odpovídající vlastnostem stavby. Akumulační vlastnosti stavby jsou charakterizovány ve třech stupních - lehká stavba (například sendvičové konstrukce, nebo některé typy porobetonů), středně těžká stavba (například porobetony, odlehčené zdivo apod.) a těžká stavba (betonové konstrukce, plné cihly apod.). Dále jsou podobně charakterizovány tepelně izolační vlastnosti. Špatné vlastnosti mají obvykle starší objekty například z plných cihel bez dodatečné izolace, běžné vlastnosti mají například objekty z moderních zdících materiálů a špičkové vlastnosti mají konstrukce s další tepelněizolační vrstvou, nebo složené konstrukce.

Také okna (a další prosklené konstrukce) jsou charakterizována dvěma parametry ve třech stupních. Kvalitou oken jsou myšleny jejich tepelně-izolační vlastnosti a těsnost. Pod pojmem špatná kvalita je možné uvažovat starší okna, která nebyla příliš těsná a hodnota součinitele tepelného prostupu je vyšší než 2,5 W/m2K. Běžnou kvalitou jsou myšlena novější standardní okna a pod pojmem špičková okna jsou myšlena nová okna nejlepších parametrů. Druhým parametrem charakterizujícím okna jsou jejich stínící vlastnosti. Do tohoto parametru nejsou zahrnuty pouze vlastnosti samotného okna (pokovená skla, nebo folie), ale i externí stínící prvky (žaluzie, záclony apod.). Stínění je rozděleno do třech úrovní - malé stínění představuje pouze obyčejné zasklení, nebo použití prvků s nízkým stínícím efektem jako například záclon a závěsů. Střední stínění zahrnuje vnitřní žaluzie, stínící folie, různé typy zasklení se zvýšeným stínícím faktorem apod. a vysoké stínění je možné zadat při použití venkovních žaluzií, špičkových ochranných folií, nebo kombinaci několika stínících prvků.

Při výpočtu tepelných zisků jsou obvykle nejpodstatnější složkou zisky sluneční radiací. Z tohoto důvodu je nutné část týkající se oken zadat velmi přesně. V tomto výpočtu je tato část provedena značně zjednodušeně a proto výsledky mohou být nepřesné, ale při standardních podmínkách (pro které je tento výpočet určen) tato odchylka není příliš velká a podstatná pro návrh celkového výkonu chladícího zařízení. Při atypické situaci, vysokém prosklení, nebo použití atypických stínících prvků je pro výpočet vhodnější použít specializované programy. U oken (nebo dalších prosklených částí) je nutné zadat celkovou plochu na stejně orientované konstrukci, to znamená že do jedné položky je možné zahrnout více dílčích částí (například oken). Dále je nutné vybrat směr (azimut) umístění oken. Je možné zadat také horizontální umístění, nebo šikmé (například střešní okna - HS, HV, HJ, HZ).

Vnitřními zisky jsou myšleny zejména tepelné zisky od elektrických spotřebičů, jako například od osvětlení, výpočetní techniky, kuchyňských spotřebičů atd. U tohoto typu spotřebičů je možné tepelné zisky uvažovat ve výši elektrického příkonu, ale obvykle je vhodné také uvážit reálnou současnost spotřebičů. Například u obytných prostor není nutné obvykle uvažovat se zisky od osvětlení. Do této položky je ovšem možné zahrnout i další vlivy, které tento jednoduchý propočet neumožňuje.

Výsledkem výpočtu jsou jednak citelné tepelné zisky a dále návrhová hodnota celkového chladícího výkonu chladícího zařízení (například typu split). Do této návrhové hodnoty je zahrnuta kondenzace na výparníku a dále je údaj zaokrouhlen směrem nahoru na 200 W. Některá moderní chladící zařízení jsou vybavena kvalitní regulací, takže jejich citlivost na špatné dimenzování je nízká. Jiné typy ovšem tak dobrou regulací nedisponují a proto jejich špatný návrh může vést k nedobrým výsledkům.

Při chlazení bytových prostor se obvykle pohybuje měrný celkový instalovaný výkon v rozsahu cca 80-110 W/m2. V prostorech s menším prosklením a vyšší akumulací může být tato hodnota ještě nižší, naopak ve výrazně prosklených prostorech, nebo v prostorech s vysokými vnitřními tepelnými zisky (např. prosklené kanceláře s vysokou obsazeností a zisky od výpočetní techniky) může tato hodnota být i výrazně vyšší.

PŘÍKLAD VÝPOČTU NÁVRHU KLIMATIZAČNÍ JEDNOTKY

Na této stránce je uveden příklad použití výpočtu tepelných zisků a návrhu klimatizace pro jednu obytnou místnost. Dále je uvedeno porovnání výsledků získaných na webovém formuláři on-line a použitím podrobného výpočtu. Ukázkový postup je proveden pro jednoduchou malou obytnou místnost dle následujícího obrázku.

Základní výpočet je proveden pro teplotu ve vnitřním prostoru 26°C a teplotu venkovního vzduchu 32°C. Místnost je součástí většího obytného objektu. Tento objekt je staršího typu a je postaven klasickými postupy z cihel a podobných materiálů.

Pokoj má dvě okna, která jsou orientována na jihozápadní stranu (210°). Okna jsou již starší a relativně netěsná a mají běžné zasklení (2 skla). Okenní otvory nejsou vybaveny žádnými stínícími prvky, pouze je osazena lehká záclona (celkový součinitel stínění s=0,8). U oken lze předpokládat součinitel prostupu tepla cca 2,8-3,0 W/m2K.

Vnější stěna je nosná a je zhotovena z cihel (předpokládaný součinitel prostupu tepla je 0,6 W/m2K), vnitřní nosná stěna je také vyzdívaná (1,2 W/m2K) a příčky jsou zhotoveny z děrovaných cihel (2,2 W/m2K). Okolní prostory budou nechlazené a lze v nich předpokládat teplotu cca 28-30°C. Pod touto místností jsou umístěny obytné nechlazené prostory a podlaha je zhotovena z keramických tvárnic (0,4 W/m2K). Strop je lehké sendvičové konstrukce s tepelně-izolační vrstvou (0,25 W/m2K) a nad ním je půdní prostor s předpokládanou výpočtovou teplotou cca 34°C.

Na základě těchto informací byl proveden výpočet ve webovém formuláři s těmito údaji:

Po stisknutí tlačítka "Výpočet" se na konci tabulky doplní hodnota tepelných citelných zisků, která činí 2960 W a hodnota pro dimenzování chladící jednotky (například v tomto případě vnitřní nástěnné klimatizační jednotky typu split) ve výši 4300 W. Tato hodnota je dost vysoká na tak malý pokoj, ale to je způsobeno nepoužitím stínící techniky a orientací relativně velké zasklené plochy.

Pro kontrolu byl proveden výpočet zisků přesnější metodou pomocí výpočetního programu po jednotlivých hodninách. Maximum pro dimenzování (včetně redukce vlivem akumulace) bylo dosaženo v září a tato hodnota činí 2612 W. Oproti zjednodušenému postupu je tato hodnota nižší o cca 12%. Průběh zisků je znázorněn na následujícím obrázku a je z něho patrné zejména to, kdy se na ziscích podílí sluneční radiace (přímé ozáření pokoje):

Protože tepelné zisky a dimenzování zařízení při tomto stavu jsou velmi vysoké, tak je vhodné použít lepší stínící prvky. Z tohoto důvodu byl proveden kontrolní výpočet, kdy je předpokládáno snížení vnitřní teploty na 24°C a současně jsou osazeny kvalitní vnitřní žaluzie v kombinaci se záclonou (s=0,38)

Při těchto předpokladech byla v zadání formuláře upravena vnitřní teplota a charakteristika oken na "špatná kvalita / vysoké" (stínění). S tímto poopraveným zadáním je výsledek výpočtu již podstatně nižší a to tepelné zisky - 1870 W a celkový chladící výkon 2700 W. Snížení dimenzování potřebného chladícího výkonu je tedy o cca 40%.

Také v tomto případě byla provedena kontrola přesnějším postupem a výsledkem výpočtu celkových tepelných zisků (maximum) je hodnota 1885 W. V tomto případě nastává maximum již v srpnu (z důvodů vlivu vyšších teplot venkovního vzduchu a relativního snížení zisků sluneční radiací) a výsledky přesného výpočtu se téměř dokonale shodují s on-line výpočtem. Pro doplnění je také v tomto případě na obrázku vidět průběh tepelných zisků a zde již není tak patrný vliv přímé sluneční radiace.

Na tomto příkladu je demonstrován postup výpočtu, ale také možné nepřesnosti použití a jejich důvody. Pro návrh jednotek typu split, jejichž výkonové řady jsou obvykle vystupňovány po cca 1 kW (v tomto segmentu trhu) je určitá nepřesnost výpočtu tepelných zisků ještě přijatelná, ale samozřejmě je nutné možná rizika vždy zvážit. Dalším demonstrovaným faktorem je ukázka nutnosti použití a návrhu vhodného stínění společně s návrhem klimatizace.