Wprowadzenie do ogrzewnictwa - Wydział Instalacji Budowlanych
advertisement
dr inż. Michał Strzeszewski Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechnika Warszawska Wprowadzenie do ogrzewnictwa Materiały do wykładów v. 1.0 – 2004 r. Spis treści: 1 Cel materiału ................................................................. 1 2 Wprowadzenie............................................................... 1 3 Rys historyczny............................................................. 2 4 Zarys podstaw higienicznych ogrzewania .................... 3 5 Parametry kształtujące komfort cieplny i temperatura odczuwalna ............................................. 5 6 Wymagania stawiane instalacjom ogrzewczym............ 9 7 Klasyfikacja ogrzewań .................................................. 9 8 Zalecana literatura ....................................................... 13 9 Oprogramowanie......................................................... 14 10 Wybrane akty normatywne ......................................... 15 Literatura ..................................................................... 16 1 Cel materiału Celem niniejszego materiału jest ogólne przedstawienie tematyki ogrzewnictwa i stosowanego systemu pojęć. Czytelnik powinien wyrobić sobie obraz całości dziedziny, co ułatwi mu później zrozumienie treści, omawianych na kolejnych zajęciach. 2 Wprowadzenie Zadaniem instalacji ogrzewczych jest stworzenie warunków, możliwie dobrze odpowiadających potrzebom cieplnym ludzi lub procesów technologicznych. Wymagane warunki (przede wszystkim temperatura) zależą od przeznaczenia danego pomieszczenia. Inne są w pomieszczeniach mieszkalnych, inne na klatkach schodowych, a inne np. w magazynach. Generalnie system grzewczy wytwarza w pomieszczeniu warunki cieplne, odmienne od panujących na zewnątrz. Cel ten jest realizowany poprzez dostarczenie odpowiedniej ilości ciepła, równoważącego straty ciepła przez przenikanie oraz dodatkowo umożliwiającego ogrzanie powietrza wentylacyjnego. 1 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa Na instalację centralnego ogrzewania składają się najczęściej następujące elementy: – źródło ciepła, – sieć przewodów, – armatura (uzbrojenie przewodów), – grzejniki, – pompa (w instalacjach pompowych), – urządzenia zabezpieczające. 3 Rys historyczny Rozprzestrzenianie się cywilizacji uwarunkowane było historycznie rozwojem technik grzewczych. Wykazano bowiem, że izoterma średnioroczna +21ºC przechodzi w pobliżu terenów, na których rozwinęły się wszystkie dawne cywilizacje: Egiptu, Palestyny, Asyrii, Persji, jak również w pobliżu Mohenjodary – kolebki kultury hinduskiej. Także w Meksyku i w Andach starożytne cywilizacje rozwijały się w okolicach izotermy +21ºC. Warunki tam panujące były korzystne dla ludzi. Dopiero rozwój technik ogrzewczych umożliwił rozprzestrzenienie się cywilizacji na północ do Aten (średnioroczna temperatura +17ºC) i Rzymu (+15,6ºC). Obecnie nowoczesne techniki ogrzewcze umożliwiają zapewnienie w pomieszczeniach warunków komfortu cieplnego nawet w klimacie arktycznym, przy temperaturze powietrza zewnętrznego schodzącej nawet poniżej –45ºC. Podstawową umiejętnością, istotną z punktu widzenia zamieszkiwania w chłodniejszych warunkach, było rozpalanie ogniska. Udoskonaleniem ogniska było obłożenie go kamieniami. W czasie, gdy ognisko się paliło, kamienie się nagrzewały, a następnie oddawały ciepło nawet po wygaśnięciu ognia. Paleniska, umieszczone centralnie w domu, były powszechne zarówno w starożytnej Grecji, jak i w Rzymie. Palono zazwyczaj węglem drzewnym, dodając do niego czasami zioła, w celu zamaskowania nieprzyjemnego zapachu. Następnym wynalazkiem było hypokaustum, opracowane przez Rzymianina Sergiusza Oratę około roku 80 przed naszą erą. Greckie słowo ηψποχαυστον (hypocauston) pochodzi od „hypo” czyli „pod” oraz „kaiein” czyli „palić” [2], a więc razem oznacza „ogrzewanie od dołu”. Istniały trzy typy hypokaustum: ogrzewanie podłogowe, ogrzewanie podłogowo-ścienne (w obu tych systemach gorące powietrze przepływało kanałami, ale nie dostawało się do ogrzewanych pomieszczeń) oraz system, w którym powietrze przedostawało się do pomieszczeń przez specjalne otwory. Hypokaustum było pierwszym systemem centralnego ogrzewania, który umożliwiał ogrzewanie kilku pomieszczeń. Po upadku Rzymu hypokaustum stosowano sporadycznie, np. występuje w zamku w Malborku. Natomiast powszechnie do celów grzewczych wykorzystywano paleniska. Początkowo paleniska były umieszczane w środku domu. Jednocześnie nie przewidywano żadnych wylotów dla dymu i musiał się on wydostawać na zewnątrz poprzez drzwi i okna. Dopiero w późniejszym okresie zaczęto wykonywać specjalne otwory w dachu. Palenisko przesunięte do ściany i wyposażone później w komin dało początek piecom i kominkom. Rozpowszechniły się one w XII i XIII wieku. Następnie na przestrzeni wieków wprowadzano w piecach szereg udoskonaleń. Przełomowym wydarzeniem było wynalezienie rusztu przez Louisa Savota w roku 1624. Wynalazek ten umożliwiał znacznie lepszy dopływ powietrza do ognia. 2 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa W XVIII wieku w Anglii i Francji zaczęto stosować ogrzewania parowe, najpierw wysokoprężne o ciśnieniu 0,1 do 0,2 MPa, a następnie instalacje niskoprężne o ciśnieniu poniżej 0,07 MPa. Pierwszy duży system ciepłowniczy wybudowano w Dreźnie w latach 1885-1901 według projektu Rietschela i Henneberga. Sieć ciepłownicza wykorzystywała parę wodną jako nośnik ciepła. Natomiast instalacje wewnętrzne były typu wodnego. W drugiej połowie XIX wieku zwłaszcza w Niemczech rozwinęło się ogrzewanie wodne. Skonstruowano m.in. pierwsze grzejniki żeliwne i kotły członowe. Kolumnowe grzejniki żeliwne były stosowane powszechnie, aż do wprowadzenia stalowych grzejników płytowych w latach pięćdziesiątych ubiegłego stulecia. W Polsce, z uwagi na niską jakość stali, stosowano bardziej odporne na korozję grzejniki żeliwne aż do upadku komunizmu. W XX wieku w wodnych instalacjach centralnego ogrzewania zaczęto stosować pompy. Za ojca obliczania zapotrzebowania na ciepło uważa się Thomasa Tredgolda (1788-1829). Wcześniej zakładano, że powierzchnia grzejnika powinna być proporcjonalna do kubatury ogrzewanego pomieszczenia. Natomiast Tredgold w roku 1824 wykazał, że nie ma uniwersalnej proporcji pomiędzy zapotrzebowaniem na ciepło (czy wymaganą powierzchnią grzejników) a kubaturą pomieszczenia. Tredgold opracował metodę określania zapotrzebowania na ciepło z uwzględnieniem powierzchni i konstrukcji przegród budowlanych, powierzchni okien i intensywności wentylacji. Ostatnie lata przyniosły rozwój technik automatycznej regulacji, racjonalizację zużycia ciepła oraz tendencję do stosowania ogrzewań niskotemperaturowych. 4 Zarys podstaw higienicznych ogrzewania Człowiek cały czas wydziela pewną ilość ciepła. Np. przy niskiej aktywności fizycznej człowiek, przebywający w pomieszczeniu mieszkalnym lub biurowym, wydziela 100÷125 W ciepła. W ogólnym przypadku ilość ta zależy od szeregu czynników takich jak: płeć, wiek, stan zdrowia, ubranie czy też predyspozycje indywidualne. Jednocześnie pewna ilość ciepła jest odbierana przez otoczenie. Jeśli otoczenie odbiera nadmierną ilość ciepła, to odczuwamy chłód. Z kolei jeśli ilość ciepła odbieranego przez otoczenie jest za mała, to odczuwamy, że jest nam „za ciepło”. Człowiek wymienia ciepło z otoczeniem poprzez następujące procesy: – konwekcyjna wymiana ciepła z otaczającym powietrzem, – wymiana ciepła przez przewodzenie (przede wszystkim z podłogą), – wymiana ciepła na drodze promieniowania pomiędzy powierzchnią ciała lub ubrania i otaczającymi powierzchniami, – odparowanie wody (potu) z powierzchni skóry, – oddychanie, – wraz z wydzielinami, – przyjmowanie pokarmów. Dwa ostatnie czynniki stanowią niewielki procent całkowitej ilości oddawanego ciepła i są niezależne od warunków panujących w otoczeniu. Dlatego można je pominąć w bilansie ciepła człowieka. 3 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa Bardzo istotne jest, żeby pamiętać, że aby wymieniać ciepło z przegrodami budowlanymi, nie jest potrzebny bezpośredni kontakt z nimi. Człowiek odczuwa wpływ zimnej ściany i gorącego grzejnika mimo, że ich nie dotyka. Wymienia z nimi ciepło na drodze promieniowania. Oddawanie ciepła na drodze przewodzenia, konwekcji i promieniowania jest możliwe tylko jeśli temperatura otoczenia jest niższa od temperatury powierzchni ciała (patrz rys. 1). Natomiast w miarę, jak temperatura otoczenia rośnie i zbliża się do temperatury ciała, oddawanie ciepła w ten sposób jest coraz mniejsze, rośnie natomiast rola odparowywania potu. Strumień oddawanego ciepła, W 160 140 120 odparowywanie 100 80 konwekcja 60 przewodzenie 40 promieniowanie i in. 20 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 Temperatura powietrza, ºC Rys 1. Przeciętne oddawanie ciepła przez normalnie ubranego człowieka, nie wykonującego aktywnych czynności ruchowych. Na podstawie [17] Intensywność konwekcyjnej wymiany ciepła zależy od różnicy temperatury między powierzchnią ciała a otaczającym powietrzem oraz od prędkości przepływu powietrza. Dlatego w pewnym zakresie rosnącą temperaturę powietrza można kompensować wzmożonym ruchem powietrza – stąd właśnie działanie wentylatorów sprawia wrażenie chłodu. Powietrze, które omywa ciało człowieka z większą prędkością, może odebrać podobną ilość ciepła nawet przy mniejszej różnicy temperatury. Jeśli jednak temperatura powietrza osiągnie temperaturę powierzchni ciała, to działanie wentylatorów nie przynosi już skutków cieplnych. W tej sytuacji wentylator „ani grzeje ani chłodzi”. Zaś samemu widokowi pracującego wentylatora przypisuje się oddziaływanie psychologiczne na człowieka na zasadzie „jest chłodno, bo wentylator chodzi”. Natomiast przy temperaturze powietrza przekraczającej temperaturę powierzchni ciała, działanie wentylatora zwiększa konwekcyjne przekazywanie ciepła od powietrza do ludzkiego ciała. A więc wentylator już nie chłodzi, lecz grzeje – tak jak opiekacz. Orientacyjną strukturę bilansu ciepła, oddawanego przez człowieka w stanie spoczynku, przedstawiono w tablicy 1. Tablica 1. Struktura bilansu ciepła oddawanego przez człowieka do otoczenia (odzież normalna, stan spoczynku, temperatura powietrza +20ºC, wilgotność względna ok. 50%). Na podstawie [16] Sposób oddawania ciepła Strumień cieplny W 45 45 17 6 6 119 Konwekcja i przewodzenie Promieniowanie Parowanie Oddychanie Inne Razem 4 Udział 38% 38% 14% 5% 5% 100% Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa Strumień ciepła, przekazywany z zewnętrznej powierzchni ciała ludzkiego, w rozbiciu na podstawowe części ciała, przedstawiono w tablicy 2. Tablica 2. Przykładowe strumienie ciepła przekazywane przez podstawowe części ciała człowieka (warunki jak w tablicy 1). Na podstawie [16] Część ciała człowieka Korpus Ręce z przedramionami Głowa Nogi (stopy) Natężenie strumienia ciepła, W/m2 49 73 Razem 121 143 Wielkość powierzchni wymiany ciepła, m2 1,84 0,16 Strumień oddany do otoczenia, W Uwagi 90 12 0,055 0,034 7 10 2,09 119 Przewodzenie ciepła od stóp do podłogi Jak już wspomniano, ilość ciepła wydzielanego przez człowieka silnie zależy od aktywności fizycznej. W tablicy 3 przytoczono ilość wydzielanego ciepła w zależności od aktywności fizycznej. Tablica 3. Przeciętna ilość ciepła wydzielanego przez ciało człowieka przy różnych poziomach aktywności fizycznej. Na podstawie [12] Aktywność fizyczna Pozycja leżąca Pozycja siedząca zrelaksowana Pozycja stojąca zrelaksowana Praca siedząca (np. w biurze, w domu, w szkole) Lekki wysiłek w pozycji stojącej (np. zakupy, lekka praca) Średni wysiłek (np. sprzedawca, prace domowe, praca przy maszynie) Ciężki wysiłek Moc cieplna W 83 104 126 146 167 209 313 5 Parametry kształtujące komfort cieplny i temperatura odczuwalna Istnieje określony zestaw parametrów, zdefiniowany jako zakres komfortu cieplnego, w którym człowiek nie odczuwa ani ciepła, ani chłodu. Jednak jednoznaczne określenie tych parametrów nie jest możliwe, ponieważ każdy człowiek ma nieco inne wymagania cieplne. Ogólnie można powiedzieć, że na odczuwanie komfortu cieplnego przez człowieka mogą mieć wpływ takie czynniki jak: ubranie, płeć, wiek, stan zdrowia czy też – co ma duże znaczenie – nabyte przyzwyczajenia. W tablicy 4 przedstawiono przykładowe wartości oporu cieplnego typowych zestawów ubrania. Clo jest jednostką oporu cieplnego ubrania (ang. cloth). 5 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa Tablica 4. Termoizolacyjność różnych rodzajów ubrania. Na podstawie [12] Rodzaj ubrania bez ubrania krótkie spodenki lekkie ubranie letnie (bielizna, długie lekkie spodnie, koszula z krótkim rękawkiem, lekkie skarpety, buty) lekkie ubranie robocze (bielizna, koszula bawełniana z długim rękawem, długie spodnie robocze, skarpety wełniane, buty) typowe ubranie do przebywania w pomieszczeniu zimą (bielizna, koszula z długim rękawem, długie spodnie, marynarka lub sweter, grube skarpety, buty) Opór cieplny 2 clo m K/W 0 0 0,015 0,1 0,08 0,5 0,11 0,7 0,16 1,0 Na wrażenia cieplne człowieka – przy danej termoizolacyjności odzieży i danym stopniu aktywności fizycznej – mają wpływ cztery podstawowe parametry, charakteryzujące środowisko pod względem cieplnym. Są to: 1. temperatura powietrza, 2. prędkość przepływu powietrza wokół człowieka, 3. średnia temperatura powierzchni przegród, grzejników i przedmiotów w pomieszczeniach, będących w zasięgu tak zwanego „widzenia cieplnego” powierzchni ludzkiego ciała, 4. wilgotność względna powietrza. Temperatura powietrza i jego prędkość mają decydujący wpływ na intensywność przekazywania ciepła pomiędzy człowiekiem i otoczeniem na drodze konwekcji. Z kolei wartość temperatury przegród wpływa na strumień ciepła oddawanego na drodze promieniowania. Natomiast wilgotność względna, w połączeniu z trzema pozostałymi parametrami, decyduje o intensywności odparowywania wilgoci z powierzchni skóry, a więc o wielkości strumienia ciepła utajonego. W ogrzewnictwie w odniesieniu do pomieszczeń mieszkalnych i biurowych, jako podstawowy miernik komfortu cieplnego przyjęto tzw. temperaturę odczuwalną, która uwzględnia ciepło wymieniane przez człowieka z otoczeniem zarówno na drodze konwekcji, jak i promieniowania. W przybliżeniu temperatura odczuwalna (to) przyjmowana jest jako średnia arytmetyczna temperatury powietrza (ti) oraz temperatury promieniowania przegród (τr): to = ti + τ r , °C 2 (1) gdzie: to – temperatura odczuwalna, ºC, ti – temperatura powietrza w pomieszczeniu (ang. internal temperature), ºC, τr – temperatura promieniowania, czyli średnia temperatura powierzchni, znajdujących się w zasięgu „widzenia cieplnego” powierzchni ludzkiego ciała (ang. radiation temperature), ºC. Poczucie komfortu cieplnego jest sprawą indywidualną i nie jest możliwe stworzenie takiego mikroklimatu wewnętrznego w pomieszczeniu, aby wszyscy przebywający w nim ludzie byli zadowoleni. Ponieważ przy odpowiednio dużej próbce statystycznej, zawsze część osób bę- 6 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa dzie zgłaszać zastrzeżenia, można jedynie tak starać się kształtować klimat wewnętrzny, żeby ograniczać ilość ludzi niezadowolonych. P. O. Fanger wprowadził siedmiostopniową skalę do oceny subiektywnych odczuć cieplnych osób przebywających w pomieszczeniu (tablica 5). Tablica 5. Skala oceny komfortu cieplnego Fangera. Na podstawie [3, 4] Wartość liczbowa –3 –2 –1 0 +1 +2 +3 Odczucie zimno chłodno lekko chłodno neutralnie lekko ciepło ciepło gorąco Przewidywaną średnią ocenę (ang. Predicted Mean Vote) oznacza się jako PMV. Innym wskaźnikiem komfortu cieplnego jest przewidywany odsetek niezadowolonych PPD (ang. Predicted Percentage of Dissatisfied). Jest on zdefiniowany jako wskaźnik, który przewiduje, jaka część dużej grupy ludzi będzie zgłaszała zdecydowane zastrzeżenia co do komfortu cieplnego, tzn. będzie im za ciepło lub za zimno. Znając PMV można określić PPD korzystając z tablicy 6 lub z rysunku 2. 80 Tablica 6. Zależność PPD od PMV. Na podstawie [3, 4] PPD 5,0 10,2 26,6 51,5 76,1 60 50 PPD, % PMV 0 ±0,5 ±1,0 ±1,5 ±2,0 70 40 30 20 10 0 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 PMV Rys 2. Zależność PPD od PMV. Na podstawie [3, 4] Jak wynika z tablicy 6 i z rysunku 2, nawet jeśli warunki panujące w pomieszczeniu będą oceniane średnio jako neutralne (PMV = 0), około 5% dużej grupy będzie zgłaszało zastrzeżenia (odczuwa, że jest im za ciepło lub za zimno). Wskaźnik PPD wraz ze wskaźnikiem PMV został przyjęty jako narzędzie oceny środowisk termicznych w Normie Europejskiej EN ISO 7730 oraz w Polskiej Normie PN-85/N-08013. Zgodnie z tym, co napisano powyżej, jednoznaczne podanie wymaganej temperatury odczuwalnej nie jest możliwe. Przyjmuje się jednak, że – w naszej strefie klimatycznej w pomieszczeniach mieszkalnych, przeznaczonych do przebywania ludzi w ubraniu, ale bez okryć zewnętrznych – temperatura odczuwalna powinna wynosić w granicach 19 do 24ºC. Występujące w większości pomieszczeń przegrody zewnętrzne posiadają w okresie zimowym niższą temperaturę powierzchni. Dlatego temperatura powietrza powinna być wyższa niż 7 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa wymagana temperatura odczuwalna, aby skompensować chłodzący wpływ przegród zewnętrznych. Zgodnie ze równaniem (1) istnieje w pewnym zakresie współzależność temperatury powietrza i temperatury promieniowania. Im niższa będzie temperatura promieniowania, tym wyższa powinna być temperatura powietrza i odwrotnie. Przy czym temperatura powietrza i średnia temperatura powierzchni nie powinny różnić się o więcej niż 3 K, a temperatura powierzchni zimnych (np. ścian zewnętrznych) nie powinna być niższa o więcej niż 5 K od temperatury powierzchni ciepłych (np. ścian wewnętrznych). Temperatura promieniowania zależy przede wszystkim od ilości przegród zewnętrznych i ich stopnia zaizolowania cieplnego. Im więcej jest przegród zewnętrznych i im gorzej są zaizolowane, tym niższa będzie temperatura promieniowania i tym wyższa powinna być temperatura powietrza. Przy określaniu zapotrzebowania na ciepło zgodnie z Polską Normą PN-B-03406:1994, przyjmuje się temperaturę powietrza niezależną od temperatury promieniowania, a wpływ przegród chłodzących uwzględnia się w dodatku do strat ciepła przez przenikanie d1. Dodatek ten zwiększa zapotrzebowanie na ciepło w danym pomieszczeniu w zależności od liczby przegród chłodzących, ponieważ im większa jest liczba przegród chłodzących, tym niższa jest temperatura promieniowania. Szczegółowe zestawienie obliczeniowych temperatur powietrza wewnętrznego zawarte było wcześniej w normie PN-82/B-02402. Obecnie obowiązują temperatury obliczeniowe wg Rozporządzenia ministra infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75/2002, poz. 690). W tablicy 7 zamieszczono skrócone zestawienie obliczeniowych temperatur powietrza w ogrzewanych pomieszczeniach na podstawie wspomnianego wyżej rozporządzenia. Tablica 7. Skrócone zestawienie obliczeniowych temperatur powietrza w ogrzewanych pomieszczeniach. Na podstawie Dz. U. Nr 75/2002, poz. 690 Temperatury obliczeniowe +5°C +8°C +12°C +16°C +20°C +24°C*) *) Przykłady pomieszczeń magazyny bez stałej obsługi, garaże indywidualne klatki schodowe w budynkach mieszkalnych magazyny i składy wymagające stałej obsługi, hole wejściowe, poczekalnie przy salach widowiskowych bez szatni, hale targowe, sklepy rybne i mięsne sale widowiskowe bez szatni, ustępy publiczne, sale gimnastyczne pokoje mieszkalne, przedpokoje, pomieszczenia biurowe łazienki, rozbieralnie, hale pływalni, gabinety lekarskie z rozbieraniem pacjentów Poprzednio zgodnie z normą PN-82/B-02402 obowiązywała temperatura +25ºC. Podane w tablicy temperatury powietrza są temperaturami obliczeniowymi i nie uwzględniają chłodzącego wpływu przegród. Natomiast w czasie pracy instalacji centralnego ogrzewania temperatura powietrza nie musi równać się wartości obliczeniowej (np. +20ºC dla pomieszczeń mieszkalnych). Przy stosowaniu grzejników konwekcyjnych temperatura powietrza powinna orientacyjnie wynosić [16]: +20ºC – dla jednej przegrody chłodzącej, +21ºC – dla dwóch przegród chłodzących, 8 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa +22ºC – dla trzech przegród chłodzących, +23ºC – dla czterech przegród chłodzących. Natomiast w przypadku zastosowaniu grzejników płaszczyznowych (np. podłogowych), z uwagi na wyższą temperaturę promieniowania, temperatura powietrza może być niższa i wynosić: +19ºC. Ogólnie można stwierdzić, że jeżeli w pomieszczeniu ogrzewanym mają panować dobre warunki komfortu cieplnego, to temperatura powietrza nie powinna znacznie odbiegać od średniej (możliwie równomiernej) temperatury powierzchni otaczających płaszczyzn, natomiast temperatura powierzchni grzejnych nie powinna zbytnio przekraczać temperatury skóry człowieka. Z tych powodów szczególnie korzystne są ogrzewania niskotemperaturowe. 6 Wymagania stawiane instalacjom ogrzewczym Nowoczesne instalacje ogrzewcze powinny: – zapewniać równomierny przestrzenny rozkład temperatury odczuwalnej w pionie i w poziomie, – umożliwiać regulację temperatury w zależności od indywidualnych preferencji użytkowników, – umożliwiać realizację zmiennego w czasie programu ogrzewania (np. osłabienia nocnego), – zapewniać odpowiedni mikroklimat wnętrz (m.in. nie wydzielać szkodliwych substancji, nie wytwarzać hałasu i zapobiegać powstawaniu przeciągów), – umożliwić utrzymanie w czystości elementów instalacji, zwłaszcza grzejników, – być trwałe, – charakteryzować się możliwie niskimi kosztami eksploatacji, – zapewniać możliwość indywidualnego rozliczania kosztów ciepła, – być możliwie mało uciążliwe dla środowiska zewnętrznego. Poza tym elementy instalacji, a zwłaszcza grzejniki, powinny być estetyczne i umożliwiać łatwą aranżację pomieszczeń. 7 Klasyfikacja ogrzewań Istnieje szereg kryteriów, według których można sklasyfikować systemy ogrzewania pomieszczeń. 7.1 Ilość ogrzewanych pomieszczeń Ze względu na ilość pomieszczeń, ogrzewanych przez jeden system, wyróżnia się: – ogrzewania miejscowe, – ogrzewania centralne: – obejmujące cały budynek (lub jego segment), – ogrzewania mieszkaniowe. 9 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa Ogrzewanie miejscowe ogrzewa jedno pomieszczenie lub kilka pomieszczeń przyległych do siebie. Przykładem ogrzewania miejscowego jest piec kaflowy. Natomiast jedna instalacja ogrzewania centralnego ogrzewa wiele pomieszczeń. Można wydzielić źródło ciepła oraz szereg odbiorników, połączonych siecią przewodów lub kanałów. Obecnie zdecydowanie przeważają ogrzewania centralne, obejmujące cały budynek. Ogrzewania mieszkaniowe z własnym źródłem ciepła stosowane są bardzo rzadko, chociaż ostatnio czasami są budowane w celu uniezależnienia się od innych mieszkańców. Pozornie znika wówczas zagadnienie rozliczeń za ciepło, ale pozostaje problem międzymieszkaniowych przepływów ciepła. 7.2 Sposób przekazywania ciepła Ze względu na sposób przekazywania ciepła przez grzejniki do ogrzewanych pomieszczeń, urządzenia ogrzewcze dzielą się na: – promieniujące, – konwekcyjne. W zasadzie w każdym przypadku występuje zarówno konwekcja, jak i promieniowanie, ale różna jest proporcja między nimi. Do grzejników promieniujących zalicza się między innymi: – promienniki elektryczne i gazowe, – taśmy promieniujące, – grzejniki płaszczyznowe (podłogowe, sufitowe i ścienne). Natomiast do grzejników konwekcyjnych zalicza się: – grzejniki z ogniw żeliwnych, stalowych i aluminiowych, – grzejniki płytowe, – konwektory, – ogrzewanie powietrzne. 7.3 Temperatura powierzchni grzejnych Tradycyjnie w ogrzewaniach grzejnikowych obliczeniowa temperatura zasilania wynosiła najczęściej 90ºC. Obecnie zazwyczaj projektanci przyjmują temperaturę zasilania w zakresie 70–80°C. W systemach niskotemperaturowych nie przekracza ona zazwyczaj 55ºC. Podział systemów ogrzewania ze względu na temperaturę czynnika grzejnego jest sprawą umowną i zmienia się w czasie. Przykładowo w tablicy 8 przytoczono szczegółową systematykę przyjętą przez Annex 37 Międzynarodowej Agencji Energii (IEA) wg [1]. Tablica 8. Podział systemów ogrzewania w zależności od temperatury czynnika Klasyfikacja ogólna Tradycyjny Niskotemperaturowy Rodzaj systemu Klasyfikacja szczegółowa* Wysokotemperaturowy Średniotemperaturowy Temperatura zasilania Temperatura powrotu 90÷95°C 55°C 70°C Niskotemperaturowy 45°C Bardzo niskotemperaturowy 35°C * wg [1]. 10 35÷45°C 25÷35°C 25°C Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa Przy czym obecnie Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. ogranicza temperaturę czynnika grzejnego do 90°C w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi. 7.4 Nośnik ciepła Nośnikiem ciepła w instalacjach centralnego ogrzewania może być: – woda, – roztwór glikolu (zabezpiecza przed zamarznięciem), – olej, – powietrze, – para wodna. W Polsce zdecydowanie przeważają ogrzewania wodne. Natomiast para wodna obecnie praktycznie nie jest stosowana w instalacjach grzewczych. Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. wręcz zabrania stosowania ogrzewania parowego w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi. Natomiast instalacje parowe często dostarczają pary wodnej dla potrzeb procesów technologicznych. 7.5 Sposób wywołania krążenia czynnika Ze względu na sposób wywołania krążenia czynnika instalacje dzieli się na: – grawitacyjne, – pompowe. W ogrzewaniach grawitacyjnych jedyną przyczyną krążenia czynnika jest różnica gęstości czynnika przy różnych temperaturach. Natomiast w instalacjach pompowych przepływ wywołany jest przede wszystkim przez pompę obiegową, chociaż ciśnienie grawitacyjne też ma swój udział. 7.6 Materiał przewodów Przewody instalacji centralnego ogrzewania mogą być wykonane z wielu materiałów. Są to: – stal (coraz rzadziej), – miedź, – tworzywa sztuczne, m.in.: – polietylen sieciowany (PEX), – polipropylen. Osobną grupę stanowią rury wielowarstwowe, w których poszczególne warstwy wykonane są z różnych materiałów (najczęściej z tworzywa sztucznego i metalu). 7.7 Sposób rozdziału czynnika Ze względu na sposób rozdziału czynnika wyróżnia się: – instalacje dwururowe, – instalacje jednorurowe. W Polsce w zasadzie stosuje się wyłącznie systemy dwururowe. Ale w krajach takich jak Rosja czy Finlandia występuje wiele instalacji jednorurowych. 11 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa 7.8 Schemat instalacji Wyróżnia się: – instalacje pionowe: – rozdział dolny, – rozdział górny, – instalacje poziome: – układ rozdzielaczowy, – układ trójnikowy, – układ rozdzielaczowo-trójnikowy, – układ pętli. Obecnie nowe instalacje wykonuje się głównie w układzie poziomym. Natomiast przy modernizacji instalacji najczęściej zachowuje się układ pionowy lub stosuje się układ pętli. 7.9 Połączenie z atmosferą Ze względu na sposób występowania połączenia z atmosferą wyróżnia się: – instalacje otwarte, – instalacje zamknięte. Dawniej występowały głównie instalacje otwarte. Obecnie nowo wykonywane lub modernizowane instalacje przeważnie są zamknięte. Natomiast instalacje otwarte stosuje się w połączeniu z kotłami opalanymi paliwem stałym (węgiel, drewno). 7.10 Wytwarzanie ciepła Wytwarzanie ciepła może zachodzić we własnym źródle ciepła (kocioł gazowy, olejowy, pompa ciepła itp.), ale instalacja może być również zaopatrywana w ciepło z miejskiego systemu ciepłowniczego, najczęściej poprzez wymiennik ciepła (ogrzewania zdalaczynne, ang. district heating). Osobną grupę stanowi ogrzewanie elektryczne, gdzie proces wytwarzania energii elektrycznej odbywa się w oddaleniu od instalacji, natomiast na miejscu zachodzi przemiana energii elektrycznej w ciepło. 12 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa 8 Zalecana literatura Koczyk H. et al.: Ogrzewnictwo dla praktyków, Systherm Serwis s.c., Poznań 2002 Książkę tę cechuje praktyczne podejście do tematu. Jest ona poza tym bardzo aktualna i dostosowana do warunków krajowych. Dlatego można ją z całym przekonaniem polecić zarówno studentom, jak i inżynierom zajmującym się ogrzewnictwem. Książka dostępna jest jako osobna publikacja oraz jako część „Kalendarza ogrzewnictwa”. Cena 35 zł. Krygier K., Klinke T., Sewerynik J.: Ogrzewnictwo, wentylacja, klimatyzacja, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1995 Książka jest podręcznikiem dla technikum i siłą rzeczy nie obejmuje zakresu przedmiotu „Ogrzewnictwo” na Wydziale Inżynierii Środowiska. Jednak mimo swoich ograniczeń bardzo rozlegle omawia ogrzewnictwo i ciepłownictwo oraz wentylację i klimatyzację. Dlatego zdecydowanie będzie przydatna dla studentów inżynierii środowiska. Cena 37 zł. Rabjasz R., Dzierzgowski M.: Ogrzewanie podłogowe - poradnik, Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa, Warszawa 1995 Mimo, że poradnik ten dotyczy tylko jednego systemu ogrzewczego, to zawiera obszerne wprowadzenie nt. wymiany ciepła, podstaw higienicznych ogrzewnictwa oraz określania zapotrzebowania na ciepło. Dlatego może być pomocny dla studentów inżynierii środowiska. Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E.: Poradnik. Ogrzewanie i klimatyzacja, EWFE, Gdańsk, 1994 Jest to bardzo obszerne kompendium wiedzy na temat ogrzewnictwa i klimatyzacji. Często w czasie dyskusji technicznych pada pytanie: „A co na ten temat jest napisane w Recknaglu?”. Poradnik ten jednak napisany jest dla warunków niemieckich, które są podobne, ale nie takie same, jak polskie. Dlatego pozycję tę można polecić jako „lekturę uzupełniającą”. Cena 130 zł. Ceny: luty 2004. 13 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa 9 Oprogramowanie Wereszczyński P.: Audytor OZC 3.0, 1994-2003 Program służy do określania obliczeniowego zapotrzebowania na moc cieplną pomieszczeń i budynku oraz do obliczania sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzania budynków mieszkalnych. Cena 360 zł. Bezpłatne wersje firmowe programu można pobrać ze strony: www.sankom.pl. Wereszczyński P.: Audytor CO 3.2, 1994-2003 Program Audytor C.O. wersja 3.2. jest przeznaczony do graficznego wspomagania projektowania nowych instalacji c.o. oraz regulacji instalacji istniejących (np. w budynkach ocieplonych). Cena 430 zł. Bezpłatne wersje firmowe programu można pobrać ze strony: www.sankom.pl. Skórczyński A., Wąsacz D.: OZC, 1991-1999 Program służy do obliczania strat ciepła budynków oraz sezonowego zapotrzebowania energii. Cena 354 zł. Rylik P., Wąsacz D.: Instal-c.o. z edytorem graficznym Gredic.o., 1996-2000 Program umożliwia projektowanie instalacji centralnego ogrzewania. Cena 964 zł. Narowski P.: Kalkulator Audytora Energetycznego 1.2, 1998 Program stanowi połączenie wydajnego, wielofunkcyjnego kalkulatora inżynierskiego z konwerterem jednostek miar, tablicami właściwości fizycznych wody, pary wodnej i wilgotnego powietrza oraz modułami analizy przepływu czynnika i analizy mocy cieplnej. Cena 120 zł. Wersję demonstracyjną programu można pobrać ze strony: www.sankom.pl. Ceny: luty 2004. Ceny oprogramowania zawierają podatek VAT. 14 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa 10 Wybrane akty normatywne – Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. (Dz. U. Nr 75/2002, poz. 690) – PN-B-03406:1994. Ogrzewnictwo. Obliczanie zapotrzebowania na ciepło pomieszczeń o kubaturze do 600 m3. – PN-EN ISO 6946:1999. Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania. (W miejsce PN-91/B-02020 Ochrona cieplna budynków. Wymagania i badania.) – Norma Europejska EN ISO 7730. Moderate Thermal Environment – Determination of the PMV and PPD Indices and Specification of the Conditions for Thermal Comfort. – Polska Norma PN-85/N-08013. Ergonomia. Środowiska termiczne umiarkowane. Określenie wskaźników PMV, PPD i wymagań dotyczących komfortu termicznego. (Tłumaczenie angielskiej wersji EN ISO 7730). – PN-84/B-01400. Centralne ogrzewanie. Oznaczenia na rysunkach. – PN-90/B-01430. Ogrzewnictwo. Instalacje centralnego ogrzewania. Terminologia. – PN-B-02025:2001. Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego. – PN-82/B-02402. Ogrzewnictwo. Temperatury ogrzewanych pomieszczeń w budynkach. – Obecnie obowiązują temperatury obliczeniowe wg rozporządzenie ministra infrastruktury (Dz. U. Nr 75/2002, poz. 690). – PN-82/B-02403. Ogrzewnictwo. Temperatury obliczeniowe zewnętrzne. – PN-87/B-02411. Ogrzewnictwo. Kotłownie wbudowane na paliwo stałe. Wymagania. – PN-91/B-02413. Ogrzewnictwo i ciepłownictwo. Zabezpieczenie instalacji ogrzewań wodnych systemu otwartego. Wymagania. – PN-B-02414:1999. Ogrzewnictwo i ciepłownictwo. Zabezpieczenie instalacji ogrzewań wodnych systemu zamkniętego z naczyniami wzbiorczymi przeponowymi. Wymagania. – PN-91/B-02420. Ogrzewnictwo. Odpowietrzanie instalacji ogrzewań wodnych. Wymagania. – PN-B-02421:2000. Ogrzewnictwo i ciepłownictwo. Izolacja cieplna przewodów, armatury i urządzeń. Wymagania i badania odbiorcze. – PN-B-02431-1:1999. Ogrzewnictwo. Kotłownie wbudowane na paliwa gazowe o gęstości względnej mniejszej niż 1. Wymagania. – PN-83/B-03430/Az3:2000. Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania (Zmiana Az3). – PN-64/B-10400. Urządzenia centralnego ogrzewania w budownictwie powszechnym. Wymagania i badania techniczne przy odbiorze. – PN-85/C-04601. Woda do celów energetycznych. Wymagania i badania jakości wody dla kotłów wodnych i zamkniętych obiegów ciepłowniczych. – PN-93/C-04607. Woda w instalacjach ogrzewania. Wymagania i badania dotyczące jakości wody. 15 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa – PN-H-74200:1998. Rury stalowe ze szwem, gwintowane. – PN-84/H-74220. Rury stalowe bez szwu ciągnione i walcowane na zimno ogólnego przeznaczenia. – PN-EN 442-1:1999. Grzejniki. Wymagania i warunki techniczne. – PN-EN 442-2:1999. Grzejniki. Moc cieplna i metody badań. – PN-EN 442-2:1999/A1:2002. Grzejniki. Moc cieplna i metody badań (Zmiana A1). – PN-EN 442-3:2001. Grzejniki. Ocena zgodności. – PN-EN 834:1999. Podzielniki kosztów ogrzewania do rejestrowania zużycia ciepła przez grzejniki. Przyrządy zasilane energią elektryczną. – PN-EN 835:1999. Podzielniki kosztów ogrzewania do rejestrowania zużycia ciepła przez grzejniki. Przyrządy bez zasilania energią elektryczną działające na zasadzie parowania dyfuzyjnego. – PN-74/B-01405. Centralne ogrzewanie. Grzejniki. Nazwy i określenia – PN-92/H-83131.08. Centralne ogrzewanie. Grzejniki członowe odlewane. Uszczelki. – PN-92/H-83131.09. Centralne ogrzewanie. Grzejniki członowe odlewane. Korki i złączki – PN-EN 215-1:2002. Termostatyczne zawory grzejnikowe. Część 1: Wymagania i badania – PN-92/M-75016. Armatura instalacji centralnego ogrzewania. Zawory grzejnikowe. Literatura 1. Eijdems H. H. E. W. et al.: Low Temperature Heating Systems, Impact on IAQ, Thermal Comfort and Energy Consumption, LowEx Newsletter no 1, Annex 37, Finland, 2000. (http://www.vtt.fi/rte/projects/annex37) 2. Bis W.: Ze studiów nad piecami typu hypocaustum z terenu ziem Polski, Architectus 12/2003. (http://www.arch.pwr.wroc.pl/files/phpvNS9aw.pdf) 3. Fanger P.O.: Komfort cieplny, Arkady, Warszawa 1974. 4. Fanger P.O.: Thermal Comfort Analyses and Application in Environmental Engineering, Danish Technical Press, Copenhagen 1970. 5. Hausladen G.: Skript Heiztechnik, Universität Gesamthochschule Kassel, 1998. (http://www.tga.uni-kassel.de/studium/heiztechnik.pdf) 6. Koczyk H. et al.: Ogrzewnictwo dla praktyków, Systherm Serwis s.c., Poznań 2002. 7. Kołodziejczyk W., Płuciennik M.: Wytyczne projektowania instalacji centralnego ogrzewania, COBRTI INSTAL, Warszawa 2001. 8. Krygier K., Klinke T., Sewerynik J.: Ogrzewnictwo, wentylacja, klimatyzacja, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1995. 9. Kwiatkowski J., Cholewa L.: Centralne ogrzewanie - pomoce projektanta, Arkady, Warszawa 1980. 10. Mayer U.: Skript über Wärmeversorgunsanlagen, Fachhochschule Oldenburg/Ostfriesland/Wilhelmshaven, Oldenburg 2003. (http://www.fh-oow.de/fba/manuskripte/u_mayer) 16 Michał Strzeszewski: Wprowadzenie do ogrzewnictwa 11. Mielnicki St. J.: Centralne ogrzewanie. Regulacja i eksploatacja, Arkady, Warszawa 1974. 12. Oswalt P, Rexroth S.: Wohltemperierte Architektur: Neue Techniken des energiesparenden Bauens, C. F. Müller, Heidelberg 1994. 13. Petitjean R.: Total Hydronic Balancing. A Handbook for Design and Troubleshooting of Hydronic HVAC Systems, Tour & Andersson Hydronics AB, Valve Division, Ljung, Sweden, 1994. 14. Rabjasz R., Dzierzgowski M.: Ogrzewanie podłogowe - poradnik, Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa, Warszawa 1995. 15. Rabjasz R., Dzierzgowski M.: Instalacje centralnego ogrzewania z rur wielowarstwowych, Wyd. KANON, Gdańsk, 1998. 16. Rabjasz R.: Podstawy higieniczne ogrzewania i wentylacji mieszkań i ogólna ocena sposobów ich ogrzewania, Materiały do wykładów, IOiW PW, Warszawa 1998. 17. Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E.: Poradnik. Ogrzewanie i klimatyzacja, EWFE, Gdańsk, 1994. 18. Rietschel H., Raiß W.: Ogrzewanie i klimatyzacja, Arkady, Warszawa 1972. 19. Roberts B. M.: A History of Heating in Europe, ASHRAE Transactions, Volume 101, Part 1, 1995. 20. Roos H.: Hydraulik der Wasserheizung, R. Oldenburg Verlag, München Wien 1994. 21. Wasilewski W.: Ogrzewnictwo i wentylacja – poradnik, ARKADY, Warszawa 1966. 22. Weber A. P.: Centralne ogrzewania wodne, ARKADY, Warszawa 1975. 17
