energia potrzebna do przygotowania CWU

AKADEMIA ROLNICZA
IM. A.CIESZKOWSKIEGO
W POZNANIU
KATEDRA BUDOWNICTWA WODNEGO
INSTALACJE SANITARNE
Przygotowanie ciepłej wody użytkowej
- Teoria i obliczenia -
mgr inż. Jakub Mazurkiewicz
www.au.poznan.pl/kbw/
3 grudnia 2006
Spis zagadnień
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Definicja ciepłej wody użytkowej (CWU).
Energia do przygotowania ciepłej wody
użytkowej.
Rodzaje urządzeń do podgrzewu wody.
Definicje ciepła.
Obliczenie zapotrzebowania energii i mocy do
przygotowania CWU.
Arkusz usprawniający w/w obliczenia.
Skale doborowe: „gwiazdkowa” i „uśmiechu”.
3 grudnia 2006
Definicja CWU

wg rozp. MI z 12 kwietnia 2002 w sprawie
war. tech., jakim powinny odp. budynki,
CWU to woda o temp. 55 – 60’C
z możliwością przegrzewu
powyżej 70’C.
3 grudnia 2006
Rodzaje źródeł energii do
przygotowania CWU.
Typy ogrzewania
bezpośredni
pośredni
Paliwa płynne
Paliwa stałe
Ciepło przesyłane
na odległość
Energia geotermalna
(np. pompy ciepła)
Paliwa gazowe
Energia elektryczna
Ciepło odpadowe
Energia słoneczna
3 grudnia 2006
Rodzaje urządzeń do podgrzewu CWU
Gł. indywidualne
(miejscowy)
Podgrzewacze
przepływowe
Gł. centralne
Podgrzewacze
pojemnościowe
Kotły grzewcze
Kominki
współpracujące
z wężownicą
Dwufunkcyjne
Jednofunkcyjne z
zasobnikiem wody ew.
podgrzewaczem
pojemnościowym
3 grudnia 2006
Dwufunkcyjne ze
zintegrowanym
zasobnikiem wody
(warstwowy zasobnik)
Ciepło

Ciepło to jedna z postaci energii zawartej w materiale.

jest to ilość energii wewnętrznej, która przechodzi między
układem, a otoczeniem,

ilość tej energii wyrażona jest w kaloriach (cal) lub w dżulach (J)



1 cal = 4,186 J
1 MJ = 1000 kJ = 1 000 000 J
 1 kWh = 3,6 MJ
 1 KM = 0,74 kW
Ciepłem właściwym nazywamy ilość ciepła pobraną lub oddaną przez 1 gram
substancji podczas zmiany temperatury o jeden stopień

Jednostką ciepła właściwego jest cal/g* st.C
3 grudnia 2006
Ciepło spalania a wartość opałowa

Ciepło spalania


to ilość energii (ciepła), która ulega wyzwoleniu podczas
spalenia danej substancji. Jeżeli produktem spalania jest para
wodna, to ciepło spalania powiększa się również o ciepło
kondensacji pary wodnej. Zakładając, że spali się całe paliwo
(spalanie całkowite) i że spalanie jest zupełne (tzn. w spalinach
nie ma palnych substancji).
Wartość opałowa

to ta samą ilością energii (ciepła), jednak w tym przypadku
skraplania pary wodnej nie uwzględniamy. Pozostałe warunki są
bez zmian.
3 grudnia 2006
Ciepło spalania a wartość opałowa

Ponieważ są to wielkości podobne pod względem definicji, ale
dość różne liczbowo, ważne jest zwracanie uwagi przy
wszelkich tabelkach czy zestawieniach na to, która wielkość
jest podawana.

Jeżeli przy obliczeniach nie wiadomo, z której należy
skorzystać, to można przyjąć, że jeżeli spaliny po
opuszczeniu urządzenia będą mieć poniżej 100°C, wtedy
można zakładać, że w urządzeniu para wodna ze spalin się
skropli (tj. w kotłach kondensacyjnych) i obowiązującą
wielkością będzie ciepło spalania. Jeżeli ta temperatura jest
wyższa (np. w silnikach spalinowych), należy skorzystać z
wartości opałowej.
3 grudnia 2006
Ciepło spalania a wartość opałowa

Wartość opałowa < ciepła spalania o ilość ciepła
potrzebną do odparowania wody zawartej w
produktach spalania w postaci pary wodnej.

Sprawności urządzeń i procesów najczęściej odnoszone
są do wartości opałowej paliwa. Stąd w przypadku
urządzeń wykorzystujących ciepło kondensacji pary
wodnej ze spalin, można spotkać się ze sprawnością
przekraczającą 100%, co jest efektem przyjętej niegdyś
konwencji.
3 grudnia 2006
Wartość opałowa

jest to efekt cieplny spalania bez uwzględnienia ciepła
skraplania spalin (zakłada się że para wodna zawarta w
spalinach nie ulega skropleniu):
Wop = Qsp - r *(K+w)
Qsp - ciepło spalania
r - ciepło parowania wody w temp. 0 st.C
K - ilość wody powstającej w czasie spalania
w - zawartość wilgoci w paliwie
w-zawartość wilgoci w paliwie - wyrażone w ułamku dziesiętnym (%/100)
3 grudnia 2006
Obliczenie zapotrzebowania na
CWU wg normy PN-92/B-01706
qdśr = U * qc
 qhśr = qdśr / ĩ
 qhmax = qhśr * Nh

Uwaga: obliczone zgodnie z normą PN-92/B-01706
wskaźniki zużycia CWU oraz nierównomierności jej
poboru dają zawyżone wyniki zapotrzebowania na
moc cieplną.
3 grudnia 2006
Obliczenie zapotrzebowania na CWU
wg normy PN-92/B-01706, przykład
il. użytkowników (5 mieszkańców)
U=
5 j.n
jednostkowe dobowe zapotrzebowanie na CWU
użytkownika
qc=
120 l/d
liczba godzin użytkowania instalacji w ciągu doby
ĩ=
18 g/d
współczynnik godzinowej nierównomierności rozbioru
9,32*U^-0,244
Nh=
6 -
średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę
qdśr=
600 l/d
średnie godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę
qhśr=
33,3 l/h
maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę
qhmax=
3 grudnia 2006
209,8 l/h
Ecw  ccw * q * Qcw * (tc  t z )
Energia potrzebna do podgrzania
wody



Temp. na wypływie z wylewki ok. 45°C.
Przyjmujemy, że zimna woda wodociągowa ma temp. 10°C, a więc musimy
podgrzać wodę wodociągową o min. 35°C.
Ilość energii potrzebna do podgrzania 1 m3 wody wyniesie wg wzoru:
Ecw  ccw * q * Qcw * (tc  t z )







Ecw  ccw * q * Qcw * (tc  t z )
Ecw – energia potrzebna do przygotowania CWU [kJ/d]
Ccw – ciepło właściwe wody [kJ/kg*C]
q – gęstość wody [kg/m3]
Qcw – ilość wody do podgrzania [m3/d]
tc – temp. wody na wyjściu z „podgrzewacza” [C]
tz – temp. wody na wejściu do „podgrzewacza” [C]
Z powyższego wzoru wynika, że na podgrzanie wody do kąpieli np. w 100
litrowej wannie potrzebować będziemy: ?
3 grudnia 2006
Energia potrzebna do podgrzania
wody, przykład
średnie godzinowe zapotrzebowanie na CWU l/h
(qhmax/1000)
qhmax=
0,2 m3/h
ciepło właściwe wody
Cw=
4,2
gęstość wody
g=
1000 kg/m3
temperatura wody ciepłej
tc=
60 st.C
temperatura wody zimnej
tz=
10 st.C
obliczeniowa moc cieplna urządzenia podgrzewającego
CWU
P=
1W = 1J/s dla 1 godz.= 3600s to P/3600 więc-
P=
3 grudnia 2006
kJ/(kg*st.C)
34112 kJ
9,5 kW
Dobranie zasobnika, do w/w przykładu
(współpracującego z kotłem do 25 kW)
• Należy zamontować zasobnik pojemnościowy model SO160-1 firmy
Junkers, pojemność zasobnika- 153 l, o wydajności ciepłej wody w czasie
62 min. o temp. ok. 60 st.C, temp zasilania 85 st.C co daje 237 l/godz. Przy
mocy grzewczej 11,0 kW.
• Czy należy uznać ten dobór za właściwy?
• Jaki kocioł można by zaproponować, by spełnić wymagania komfortu
CWU?
• Porównaj swój wybór ze skalą „gwiazdkową” i ze skalą „uśmiechu”
3 grudnia 2006
Arkusz usprawniający obliczenia
Obliczenie zapotrzebowania na ciepło i moc cieplną dla domu jednorodzinnego na potrzeby
przygotowania ciepłej wody użytkowej (w stanie istniejącym)
1
Liczba użytkowników
2
Współczynnik godzinowy nierównomierności
rozbioru CWU
3
Jednostkowe dobowe zapotrzebowanie na CWU
dla 1 użytkownika domu jednorodzinnego (na
podstawie analizy zużycia w 2000 roku)
4
N=
Nh= 9,32 N^-0,244
osób
-
VN≈0,035
m3/d
Średnie dobowe zapotrzebowanie cwu w
budynku
Vdsred=N*VN=
m3/d
5
Średnie godzinowe zapotrzebowanie cwu
Vhsred=Vdsred/18=
m3/h
6
Zapotrzebowanie na ciepło na
ogrzanie 1 m3 wody
7
Max. moc cieplna
8
Qcwj=cw*p*(tc-tzw)hwhp=4,186*1*(60-10)hwhp/103
GJ/m3
qcw=Vhsred*Qcwj*278=
kW
Roczne zużycie cwu (temp. w podgrzewaczu:
60'C)
Vcw=Vdsred*365=
m3
9
Zapotrzebowanie na cieplo dla przygotowania
cwu
Qcw =
GJ
10
Koszt przygotowanie cwu
(Qcw/ Wop) * Oz + qcw*Om*12 + Ks=
zł
11
Koszt wody zimnej
Vcw*3,2 =
zł
12
Sumaryczny koszt roczny CWU
zł
13
grudnia
2006
Średni koszt3 1
m3 CWU
zł/m3
Objaśnienia do arkusza
hw = sprawność źródła
ciepła (tab. 1)
hp = sprawność
przesyłu (tab. 2)
Nn = współczynnik nierównomierności rozbioru
Wop = wartość opałowa energii/paliwa GJ/m3 (tab. 3)
Oz = opłata zmienna (tu cena za jedn. paliwa)
Om = opłata miesięczna (abonament + opłaty przesyłowe)
Ks = koszty stałe (obsługi,
remontów itp.)
3 grudnia 2006
Tab. 1. SPRAWNOŚĆ WYTWARZANIA CIEPŁA ŋw
rodzaj źródła (kocioł/piec)
rodzaj paliwa
sprawność
wytwarzania
ciepła ŋw
kotły z palnikami atmosferycznymi
gazowe/płynne
0,68-0,86
kotły z palnikami wentylatorowymi
gazowe/płynne
0,75-0,88
gazowe
0,95-1,00
kotły elektryczne przepływowe
prąd elektryczny
0,94
kotły elektryczne
prąd elektryczny
0,97
stałe
0,55-0,65
stałe, tj.: drewno,
brykiet, pelet,
zrębki
drewniane
0,65-0,72
kotły kondensacyjne
piece tzw. metalowe
kotły wrzutowe (do 100 kW; obsługa ręczna)
3 grudnia 2006
Tab. 2. SPRAWNOŚĆ PRZESYŁU CIEPŁEJ WODY ŋp
rodzaj instalacji CWU
sprawność przesyłu CWU
ŋp
miejscowe przygotowanie CWU bezpośrednio przy punktach
poboru
1,0
miejscowe przygotowanie CWU dla grupy punktów poboru w
jednym pomieszczeniu
0,8
centralne przygotowanie CWU (bez cyrkulacji)
0,6
centralne przygotowanie CWU (z cyrkulacją; instalacja
zaizolowana)
0,7
3 grudnia 2006
Tab. 3. WARTOŚCI OPAŁOWE I ORIENTACYJNE CENY ENERGII/PALIW
(na sezon grzewczy 9-12 2006 r.)
wartość opałowa
Wop
jednostka
cena jedn.
brutto
kJ/a
a
zł/a
gaz ziemny wysokometanowy "E"
35622
m3
1,473
gaz ziemny zaazotowany "Ls"
26746
m3
0,939
propan techniczny **
25020
dm3
2,250
olej opałowy
36636
dm3
2,560
węgiel kostka II gat. **
28000
kg
0,500
pelet
17640
kg
0,400
drewno kominkowe
15000
kg
0,285
-
kWh
0,382
rodzaj energii/paliwa
prąd elektryczny trójfazowy
** bez kosztów transportu, dzierżawy zbiornika,
rozładunku itp.
Przykładowo dla gazu:
Om = opłata miesięczna (abonament + opłaty przesyłowe)
ok. 25 zł/m-c
Ks = koszty stałe (obsługi, remontów itp.)
ok. 100 zł/rok
3 grudnia 2006
„Skala gwiazdkowa” (rys. poniżej)
3 grudnia 2006
„Skala uśmiechu” (rys. 5)
3 grudnia 2006
DZIĘKUJĘ
ZAPRASZAM DO OWOCNEJ PRACY...
W opracowaniu oparto się na materiałach pochodzących z Biblioteki Fundacji Poszanowania Energii z Warszawy
Rynek Instalacyjny nr 6/2006; Polski Instalator 9/2006, 7-8/2006, 7-8/2005
oraz materiały firm: Hoval, Junkers, Vaillant, Viessmann
3 grudnia 2006