Systemy ogrzewania - Wydział Instalacji Budowlanych
advertisement
dr inż. Paweł Kędzierski dr inż. Michał Strzeszewski Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Politechniki Warszawskiej Narodowa Agencja Poszanowania Energii S.A. Systemy ogrzewania 1 Wprowadzenie Zadaniem instalacji ogrzewczych jest stworzenie w chłodnych okresach roku warunków, możliwie dobrze odpowiadających potrzebom cieplnym ludzi lub procesów technologicznych. Ogrzewanie pomieszczeń wpływa na dwie wartości temperatury, istotne z punktu widzenia samopoczucia człowieka: temperaturę powietrza i tzw. temperaturę promieniowania, czyli średnią temperaturę otaczających powierzchni (tj. ścian, okien i grzejników). Te dwie temperatury stanowią podstawowe parametry komfortu cieplnego w ogrzewanym pomieszczeniu. Regulacja i utrzymanie pozostałych parametrów komfortu cieplnego (zdrowego klimatu w pomieszczeniu), takich jak: wilgotność, czystość i intensywność ruchu powietrza w ciągu całego roku oraz chłodzenie powietrza w okresie letnim, możliwe jest tylko przy zastosowaniu klimatyzacji pomieszczeń. W przypadku instalacji ogrzewczych te parametry są zmienne i ściśle zależą od zewnętrznych warunków klimatycznych. 2 Zarys higienicznych podstaw ogrzewania 2.1 Wymiana ciepła z otoczeniem Człowiek w stanie małej aktywności fizycznej (np. przebywając w pomieszczeniach mieszkalnych lub biurowych) wydziela do otoczenia 100÷125 W energii cieplnej. Zgodnie z zasadą zachowania energii ustala się określony stan równowagi między wytwarzaniem i oddawaniem lub akumulacją ciepła w organizmie człowieka przy średniej temperaturze ciała 36,5°C÷37°C. W tym procesie współdziała wiele czynników, których zadaniem jest dostosowywanie ilości ciepła oddawanego na zewnątrz – do temperatury ciała. 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. 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. 1 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. 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 wentylatora sprawia wrażenie chłodu. Powietrze, które omywa ciało człowieka z większą prędkością, może odebrać podobną ilość ciepła nawet przy mniejszej różnicy temperatury. Jeśli temperatura powietrza osiągnie temperaturę powierzchni ciała, to działanie wentylatora nie przynosi już skutków cieplnych. jednak samemu widokowi pracującego wentylatora przypisuje się oddziaływanie psychologiczne na człowieka (jest chłodno, bo wentylator pracuje). Natomiast przy temperaturze powietrza przekraczającej temperaturę powierzchni ciała, działanie wentylatora zwiększa konwekcyjne przekazywanie ciepła od powietrza do ludzkiego ciała – wówczas wentylator już nie chłodzi, lecz grzeje. 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%). Sposób oddawania ciepła Strumień cieplny Konwekcja i przewodzenie W 45 udział 38% Promieniowanie Parowanie 45 17 38% 14% Oddychanie Inne 6 6 5% 5% 119 100% Razem 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). Część ciała człowieka Korpus Ręce z przedramionami Głowa Nogi (stopy) Natężenie strumienia 2 ciepła, W/m 49 Wielkość powierzchni wymiany 2 ciepła, m 1,84 73 0,16 12 121 0,055 7 143 0,034 10 2,09 119 Razem 2 Strumień oddany do otoczenia, W 90 Uwagi 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. 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 Odczuwanie przez człowieka wrażeń cieplnych pod wpływem zmian temperatury otoczenia, powodowane jest różnym natężeniem strumienia ciepła oddawanego przez poszczególne części ciała człowieka. Decydujące znaczenie dla odczucia warunków komfortu czy dyskomfortu cieplnego mają: głowa, ręce i stopy. 2.2 Parametry kształtujące komfort cieplny i temperatura odczuwalna Organizm ludzki ma zdolność do przystosowania się (aklimatyzacji) do zmiennych warunków otoczenia. Istnieje jednak określony zestaw parametrów zdefiniowany jako zakres komfortu cieplnego, w którym człowiek nie odczuwa ani ciepła, ani chłodu. Ogólne określenie tych parametrów nie jest jednoznaczne, ponieważ niezależnie od parametrów fizycznych otoczenia, na odczucie komfortu cieplnego przez człowieka mogą mieć wpływ takie czynniki, jak: ubranie, płeć, wiek, stan zdrowia, nawyki czy też predyspozycje psychiczne. Subiektywne odbieranie wrażeń cieplnych przez ludzi uwzględniane jest we współczesnych metodach pomiarów stopnia komfortu cieplnego. Oprócz odzieży i stopnia aktywności fizycznej, na wrażenia cieplne człowieka mają wpływ cztery podstawowe parametry charakteryzujące środowisko pod względem cieplnym. Są to: Temperatura powietrza. Prędkość przepływu powietrza wokół człowieka. Temperatura i prędkość przepływu powietrza mają decydujący wpływ na intensywność przekazywania ciepła od człowieka do otoczenia na drodze konwekcji (unoszenia ciepła). Temperatura promieniowania (wynikowa) rozumiana jako średnia temperatura powierzchni przegród grzejników i przedmiotów w pomieszczeniach, będących w zasięgu tzw. „widzenia cieplnego” powierzchni ciała ludzkiego. Wartość temperatury przegród wpływa na ilość ciepła oddawanego na drodze promieniowania. Wilgotność powietrza. Wilgotność względna, w połączeniu z trzema poprzednimi parametrami, decyduje o intensywności odparowywania wilgoci z powierzchni skóry, a więc o wielkości strumienia ciepła utajonego. W ogrzewnictwie, na podstawie badań stref komfortu cieplnego, w odniesieniu do przeciętnych pomieszczeń mieszkalnych i biurowych, jako podstawowy miernik komfortu cieplnego przyjęto tzw. temperaturę odczuwalną. Temperatura odczuwalna (to) określa proporcje ciepła traconego przez człowieka na drodze konwekcji oraz promieniowania i jest w uproszczeniu przyjmowana jako średnia arytmetyczna z temperatury powietrza (ti) oraz temperatury promieniowania przegród (τr ). o to = 0,5⋅( ti + τr ) [ C] Wielkość temperatury odczuwalnej w naszej strefie klimatycznej przyjmuje się w granicach od º 19 C do 20°C. Występujące w większości pomieszczeń przegrody zewnętrzne posiadają w okresie zimowym niższą temperaturę powierzchni. Dlatego temperatura powietrza powinna być wyższa niż wymagana temperatura odczuwalna, aby skompensować chłodzący wpływ przegród zewnętrznych. Zgodnie z powyższym równaniem 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). 3 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, co jest uwzględnione w wymaganiach Polskiej Normy PN-B-03406:1994 przy obliczaniu zapotrzebowania na ciepło dla ogrzewanych pomieszczeń, stosowanie dodatku d1 zwiększającego moc cieplną grzejnika odpowiednio od liczby tzw. „przegród chłodzących” (im większa liczba przegród chłodzących, tym niższa temperatura promieniowania). Temperatura powietrza w pokoju podczas odbioru instalacji powinna wynosić przy stosowaniu grzejników konwekcyjnych: – dla jednej przegrody chłodzącej ti = 20°C, – dla dwóch przegród chłodzących ti = 21°C, – dla trzech przegród chłodzących ti = 22°C, – dla czterech przegród chłodzących ti = 23°C, – przy stosowaniu grzejników promieniujących (podłogowych, sufitowych) ti = 19°C. 2.3 Ogrzewanie i wentylacja mieszkań, wymagania higieniczne Aby zapewnić odpowiednie warunki mikroklimatu dla ludzi przebywających w danym pomieszczeniu, należy utrzymać w nim wymaganą temperaturę niezależnie od zmieniającej się temperatury zewnętrznej, oraz doprowadzić odpowiednią ilość powietrza świeżego do oddychania. Dostarczanie i usuwanie powietrza jest również konieczne z uwagi na usuwanie zapachów i nadmiernych ilości pary wodnej z pomieszczeń kuchennych i sanitarnych. Powietrze zewnętrzne napływa najczęściej przez nieszczelności drzwi i okien, zaś usuwane jest kanałami wentylacji wyciągowej (grawitacyjnej lub mechanicznej). W związku z tym w bilansie cieplnym pomieszczenia należy przewidzieć odpowiednią ilość ciepła do podgrzania powietrza wentylacyjnego, jak również na pokrycie strat ciepła przenikającego przez przegrody zewnętrzne. Organizm człowieka osiąga stan równowagi między wytwarzaniem, oddawaniem i akumulacją ciepła. Ważne przy tym jest, aby ciało ludzkie mogło oddawać ciepło możliwie równomiernie we wszystkich kierunkach. Jeśli ilość ciepła oddawanego w jednym kierunku jest zbyt duża lub zbyt mała, to człowiek odczuwa dyskomfort. Gdy temperatura powierzchni otaczających wykazują duże różnice (zimne szyby, źle zaizolowane ściany zewnętrzne lub zbyt gorące płaszczyzny grzejne), to ciepło oddawane jest do otoczenia z różną intensywnością, człowiek czuje się źle i ma odczucie strefowego niedogrzewania lub przegrzewania. Także intensywny ruch powietrza (nawet o temperaturze wyższej niż temperatura w pomieszczeniu) jest zwykle odczuwany jako nieprzyjemny strumień chłodzący (przeciąg). Jak już wspomniano, na wrażenia cieplne osób znajdujących się w pomieszczeniu wpływa temperatura odczuwalna, która w okresie zimowym w naszej strefie klimatycznej powinna wynosić 19÷20°C. Ni ższa temperatura powierzchni otaczających człowieka musi być skompensowana wyższą temperaturą powietrza, a przy podwyższonych wartościach temperatury powierzchni można obniżyć temperaturę powietrza w pomieszczeniu. W warunkach przyjemnego klimatu pokojowego temperatura powietrza (ok. 18°C) nie powinna odbiega ć znacznie od średniej (ok. 24°C), mo żliwie równomiernej w pionie i w poziomie, temperatury powierzchni otaczających płaszczyzn. Natomiast temperatura powierzchni grzejnych nie powinna zbytnio przekraczać temperatury skóry człowieka. W temperaturze powierzchni grzejników wyższej niż 60°C rozpoczyna si ę na powierzchniach grzejnych proces przypiekania pyłów organicznych zawartych w powietrzu, co powoduje podrażnienie śluzowych błon oddechowych i nieprzyjemne wrażenie suchości. 2.4 Wymagania stawiane instalacjom ogrzewczym Nowoczesne instalacje ogrzewcze powinny: zapewniać równomierny, przestrzenny rozkład temperatury odczuwalnej w pionie, poziomie i czasie (stan równowagi pomiędzy ciepłem wydzielanym przez człowieka i wewnętrznymi zyskami ciepła a stratami ciepła pomieszczenia), umożliwiać regulację temperatury odczuwalnej w zależności od indywidualnych upodobań użytkowników (z możliwie małą bezwładnością regulacji), zapewniać odpowiedni mikroklimat wnętrz (m.in. nie wydzielać szkodliwych pyłów, gazów i par, nie powodować powstawania hałasu i przeciągów), być wyposażone w grzejniki estetyczne i łatwe do czyszczenia, być trwałe i charakteryzować się niskim kosztem eksploatacji oraz zapewniać możliwość indywidualnego rozliczania kosztów ciepła zużytego do ogrzewania, być możliwie najmniej uciążliwe dla środowiska naturalnego. 4 3 Klasyfikacja instalacji ogrzewczych W skład każdej instalacji ogrzewczej wchodzi: źródło ciepła, sieć przewodów wraz z armaturą (urządzenia pomiarowo-regulacyjne i zabezpieczające) oraz odbiorniki ciepła (najczęściej grzejniki). Istnieje szereg kryteriów, według których można sklasyfikować systemy ogrzewania pomieszczeń. 3.1 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. 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. 3.2 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. 3.3 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 4 przytoczono szczegółową systematykę przyjętą przez Annex 37 Międzynarodowej Agencji Energii (IEA). Tablica 4. Podział systemów ogrzewania w zależności od temperatury czynnika. Klasyfikacja ogólna Tradycyjny Rodzaj systemu Klasyfikacja szczegółowa Wysokotemperaturowy Średniotemperaturowy Niskotemperaturowy 3.4 Temperatura zasilania Temperatura powrotu 90÷95°C 55°C 70°C Niskotemperaturowy 45°C Bardzo niskotemperaturowy 35°C Nośnik ciepła Nośnikiem ciepła w instalacjach centralnego ogrzewania może być: woda, roztwór glikolu (zabezpiecza przed zamarznięciem), olej, powietrze, para wodna. 5 35÷45°C 25÷35°C 25°C W Polsce zdecydowanie przeważają ogrzewania wodne. Natomiast para wodna obecnie praktycznie nie jest stosowana w instalacjach grzewczych. 3.5 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 dla różnej wartości temperatury zasilania i powrotu. Natomiast w instalacjach pompowych przepływ wywołany jest przede wszystkim przez pompę obiegową, chociaż ciśnienie grawitacyjne również ma swój określony udział. 3.6 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). 3.7 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. 3.8 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. 3.9 Połączenie z atmosferą Ze względu na rodzaj 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). 3.10 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). 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. 6 4 Części składowe instalacji ogrzewczych 4.1 Konwencjonalne źródła ciepła Najczęściej stosowanym konwencjonalnym sposobem produkcji ciepła jest podgrzewanie wody w wyniku spalania paliwa w kotle. Największą sprawność wytwarzania mają kotły kondensacyjne wyposażone w dodatkowy wymiennik ciepła głębokiego schłodzenia spalin odbierający ciepło skraplania pary wodnej zawartej w spalinach. Jako źródło ciepła na cele ogrzewcze stosuje się również kotły elektryczne, wykorzystujące tańszą taryfę nocną i niezastąpione przy braku innych nośników energii. Kotły sytuuje się w kotłowniach wbudowanych lub wolno stojących. Jeśli istnieje możliwość przyłączenia instalacji do sieci ciepłowniczej (teren uzbrojony), stosuje się wymienniki będące pośrednimi źródłami ciepła, odbierające ciepło dostarczane przez sieć zdalaczynną z ciepłowni bądź elektrociepłowni. Miejscem połączenia sieci z instalacją w budynku jest węzeł ciepłowniczy (może być indywidualny w budynku lub grupowy zasilający kilka budynków). Obecnie projektowane są prawie wyłącznie węzły wymiennikowe pośrednie, w których woda sieciowa i instalacyjna krąży w oddzielnych obiegach. Mimo to wciąż jeszcze działa wiele węzłów hydroelewatorowych i zmieszania pompowego, tzw. bezpośrednich. W Polsce najbardziej rozpowszechnione są wymienniki przeponowe typu JAD. W nowych budynkach zwykle stosuje się wymienniki płytowe o dużo mniejszych wymiarach, umieszczone w gotowych, kompaktowych centralach lub węzłach ciepłowniczych. Do klasycznych źródeł ciepła należy zaliczyć także pompy ciepła pozyskujące ciepło z otoczenia i umożliwiające jego wykorzystanie na wyższym poziomie temperatury do celów ogrzewczych. Urządzenia te wymagają zasilania elektrycznego i pozwalają uzyskać ok. 3÷4 razy większą moc cieplną niż pobrana moc elektryczna. W zależności od budowy pompy, pierwotnym źródłem energii może być woda, powietrze lub grunt. 4.2 Niekonwencjonalne źródła ciepła Można do nich zaliczyć: energię promieniowania słonecznego, energię wiatru, energię rzek i wód morskich, energię geotermalną, energię z biopaliw i energię jądrową. Energię odnawialną (nazywaną alternatywną lub czystą) uzyskuje się z tych źródeł dzięki następującym technologiom: a) bez procesu spalania (energetyka wodna, siłownie wiatrowe, technika solarna, geotermia), b) z procesem spalania lub zgazowania biomasy (odpadów leśnych, słomy, siana, rzepaku lub spalanie biogazu z gnojówki, śmieci lub ścieków miejskich), c) odzyskiwania ciepła z procesów technologicznych lub stałych odpadów przemysłowych (zrzucanie ciepłej wody, spalin wylotowych, gorących żużli i popiołów). Udział energii odnawialnej w bilansie energetycznym wynosi w Polsce ok. 3%, podczas gdy w innych krajach dochodzi do kilkunastu. Największe znaczenie i udział w produkcji energii niekonwencjonalnej ma energia geotermalna, którą wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej oraz do ogrzewania mieszkań i przygotowania ciepłej wody użytkowej. W przypadku bezpośredniego wykorzystania do celów ogrzewczych najbardziej odpowiednią temperaturą źródła jest 80÷90°C, lecz wad ą wód geotermalnych jest duża zawartość związków soli. Źródła geotermalne o niższej temperaturze (10÷50°C) mog ą być wykorzystywane przy zastosowaniu pomp ciepła, dla których stanowią one tzw. dolne źródło ciepła. Energia geotermalna odgrywa obecnie ważną rolę jedynie na obszarach, na których głębokość występowania wód geotermalnych jest mniejsza niż 2 km. W warunkach polskich najbardziej atrakcyjne jest wykorzystanie wód geotermalnych na obszarze niecki podhalańskiej, w okręgu grudziądzko-warszawskim, szczecińskim i łódzkim. 4.3 Sieć przewodów Przewody w instalacjach istniejących wykonane są najczęściej z rur stalowych ze szwem, gwintowanych, lekkich, wg PN-74/H-74200 i PN-84/H-74220. Połączenia przewodów z armaturą są zazwyczaj rozłączne (gwintowane i kołnierzowe), a połączenia odcinków rur – nierozłączne (spawane). W małych instalacjach stosuje się też droższe przewody miedziane, łączone przez lutowanie lub na zacisk. Przewody miedziane są bardziej odporne na korozję i mają mniejszy współczynnik chropowatości niż przewody stalowe. Przy stosowaniu przewodów miedzianych należy przestrzegać zachowania odpowiedniej jakości wody instalacyjnej (PN-93/C-04607) oraz nie stosować materiałów, które mogą pozostawać w konflikcie chemicznym z jonami miedzi (np. aluminium). Obecnie w ogrzewnictwie coraz powszechniej stosowane są przewody z tworzyw sztucznych, całkowicie odporne na korozję, łączone za pomocą zgrzewania. Są to najczęściej przewody z polipropylenu ze specjalną wkładką aluminiową, która zmniejsza ich rozszerzalność liniową i zapobiega dyfuzji tlenu. 7 Przewody instalacji ogrzewczych wydłużają się na skutek wzrostu temperatury nośnika ciepła. Powstawaniu naprężeń i sił ściskających w przewodach zapobiega się układając je w sposób zapewniający możliwość ich wydłużenia (samokompensacja) lub montując odpowiednie urządzenia przejmujące te wydłużenia (kompensacja sztuczna). Kompensacja wydłużeń cieplnych jest szczególnie istotna przy przewodach z tworzyw sztucznych. Rurociągi rozprowadzające nośnik ciepła w budynku umieszcza się na podporach stałych i ruchomych, które zapobiegają ich nadmiernym ugięciom oraz umożliwiają ruch spowodowany ich rozszerzalnością liniową. Aby zmniejszyć transportowe straty ciepła w przewodach instalacji ogrzewczych, rurociągi izoluje się. 4.4 Grzejniki Odbiorniki ciepła, jakimi w instalacjach ogrzewczych są grzejniki, przekazują moc cieplną dostarczaną im przez nośnik ciepła do pomieszczenia. Grzejniki konwekcyjne oddają większą część ciepła na drodze konwekcji (np. grzejniki członowe żeliwne, grzejniki z rur gładkich i ożebrowanych, grzejniki stalowe płytowe, konwektory), zaś grzejniki promieniujące oddają ciepło głównie na drodze promieniowania (grzejniki płaszczyznowe, taśmy promieniujące, promienniki gazowe i elektryczne). Obecnie w Polsce najwięcej instalacji ogrzewczych wyposażonych jest w grzejniki członowe żeliwne, które cechuje duża odporność na korozję (ponad 50-letni okres eksploatacji) oraz możliwość zmiany wielkości powierzchni ogrzewalnej. Ostatnio unowocześnianie instalacji centralnego ogrzewania (likwidacja węzłów bezpośredniego działania, hermetyzacja instalacji wewnętrznych) stworzyło również warunki do eksploatacji grzejników stalowych płytowych. a) b) c) d) Rys 2. Różne typy grzejników: a) grzejnik członowy żeliwny, b) grzejniki płytowe stalowe, c) grzejnik ze zintegrowanym zaworem termostatycznym i podłączeniem od dołu (tzw. grzejnik zaworowy), d) grzejnik drabinkowy. Biorąc pod uwagę fakt, że o właściwościach użytkowych zastosowanego systemu ogrzewania decydują przede wszystkim proporcje ciepła emitowanego do pomieszczenia na drodze konwekcji i promieniowania, różnorodne konstrukcje grzejników sklasyfikować można następująco: Grzejniki płytowe (płaskie pojedyncze) charakteryzują największą w tej grupie emisją ciepła na drodze promieniowania w udziale dochodzącym do 30÷35% całkowitej mocy cieplnej. Grzejniki te (nie osłonięte) charakteryzują się największym w tej grupie zasięgiem cieplnym. Grzejniki z ogniw żeliwnych, stalowych (albo podobne kształtem) wykazują zmniejszony udział ciepła przekazywanego na drodze promieniowania rzędu 10÷15% w wyniku częściowego zacienienia pod względem promieniowania cieplnego powierzchni ogrzewalnej W grzejnikach z wewnętrznymi kanałami powietrznymi (np. grzejniki aluminiowe z wewnętrznym ożebrowaniem pionowym), które są pod względem konstrukcyjnym formą przejściową między wymienionymi grzejnikami i konwektorami, udział promieniowania wynosi 4÷8%. Konwektory (konstrukcje, w których elementy grzejne są obudowane) zarówno z grawitacyjnym wymuszeniem ruchu powietrza omywającego element grzejny, jak i z wymuszeniem wentylatorowym zaliczyć można do ogrzewań typowo powietrznych, w których udział promieniowania jest zbliżony do zera. Grzejniki konwekcyjne umieszcza się na ścianach zewnętrznych pod oknami, co zapewnia najkorzystniejszy rozkład temperatury w pomieszczeniu. Grzejniki nie powinny być obudowane ani zasłaniane, gdyż utrudnia to przekazywanie ciepła do otoczenia. Z punktu widzenia komfortu cieplnego najkorzystniejsze są grzejniki jednopłytowe, ponieważ ok. 35% ciepła przekazują na drodze promieniowania. Natomiast konwektory, które przekazują całe ciepło na drodze konwekcji, stwarzają mniej korzystny rozkład temperatury w pomieszczeniu, a do tego są kłopotliwe, jeśli chodzi o utrzymanie ich w czystości. Projektowane dawniej, głównie w łazienkach, piony grzejne są obecnie zastępo- 8 wane tzw. grzejnikami łazienkowymi wykonanymi z rurek stalowych lub innych profili. Coraz częściej projektuje się również rozmaite grzejniki dekoracyjne zgodnie z sugestiami architekta wnętrz. W ogrzewaniach z grzejnikami konwekcyjnymi miejsce ustawienia grzejnika i wyposażenie go w ewentualne osłony, ma znaczący wpływ na równomierność rozkładu temperatury. Rzutuje to w sposób zasadniczy na sprawność emisji ciepła dostarczanego przez grzejnik do pomieszczeń, a tym samym na eksploatacyjne koszty ogrzewania. 4.5 Armatura, pompy i urządzenia zabezpieczające Armatura, czyli uzbrojenie przewodów, służy do zapewnienia prawidłowej i bezpiecznej pracy instalacji ogrzewczych. Wyróżniamy armaturę odcinającą i sterująco-regulującą, zabezpieczającą, uzbrojenie pomocnicze oraz inne urządzenia zabezpieczające (np. naczynia wzbiorcze). Pompy obiegowe w instalacjach ogrzewczych służą do wymuszenia obiegu nośnika ciepła. Armatura odcinająca i sterująco-regulująca (zawory i zasuwy: proste, skośne, gwintowane, z kielichami) służy do zamykania, otwierania i regulowania przepływu, temperatury i ciśnienia nośnika ciepła. Jako typowa armatura odcinająca stosowane są obecnie zawory kulowe, ze względu na znikomy opór hydrauliczny w stanie otwarcia. Do samoczynnej regulacji temperatury w pomieszczeniach służą termostatyczne zawory grzejnikowe (rys. 3), których stosowanie w instalacjach nowoprojektowanych bądź modernizowanych jest obowiązkowe od 1995 r. Umożliwiają one utrzymywanie stałej temperatury w pokoju, łazience czy sypialni niezależnie od zmiennych w czasie wewnętrznych zysków ciepła. Zawory te mają możliwość zadania tzw. nastawy wstępnej w odróżnieniu od stosowanych dawniej „cieknących”, dławnicowych zaworów grzejnikowych. Przy tych zaworach funkcję nastawy wstępnej pełniła kryza umieszczana w złączce grzejnikowej lub w śrubunku. Nastawa wstępna zaworu, określona za pomocą obliczeń całej instalacji, zależy od miejsca podłączenia grzejnika do instalacji i jego mocy cieplnej, a także rodzaju pompy obiegowej. Dlatego nie zaleca się montażu zaworów termostatycznych, szczególnie w wysokich budynkach wielorodzinnych, „na własną rękę”. Do armatury sterująco-regulującej zalicza się ponadto: zawory redukcyjne, zawory regulacyjne dwu-, trój- lub czterodrogowe, podpionowe regulatory przepływu, temperatury i różnicy ciśnień, regulatory nadmiarowoupustowe, ograniczniki temperatury i różnicy ciśnień. Są to zawory regulujące bezpośredniego działania, bądź sterowane za pomocą programowanych regulatorów za pośrednictwem czujników i napędów. Rys 3. Termostatyczny zawór grzejnikowy. Do armatury zabezpieczającej należą zawory bezpieczeństwa zabezpieczające instalację przed nadmiernym wzrostem ciśnienia oraz zawory zwrotne zabezpieczające instalację przed tzw. wstecznym przepływem nośnika ciepła. Do uzbrojenia pomocniczego zalicza się urządzenia do odpowietrzania i odwadniania instalacji oraz do oczyszczania nośnika ciepła. Obecnie w celu odpowietrzania wodnych instalacji ogrzewczych projektuje się automatyczne odpowietrzniki na szczytach pionów, grzejnikach lub w innych najwyższych punktach instalacji, zamiast centralnej sieci odpowietrzającej ze zbiornikami odpowietrzającymi. W instalacjach parowych stosuje się samoczynne odpowietrzniki i odwadniacze termiczne, pływakowe, termodynamiczne oraz odkraplacze. Przed urządzeniami wymagającymi czystego strumienia nośnika ciepła (czujniki, regulatory, kotły, wymienniki itp.) umieszcza się filtry zatrzymujące osady stałe. W węzłach ciepłowniczych stosuje się także odmulacze pojemnościowe siatkowe lub magnetoodmulacze, oraz urządzenia pomiarowe – ciepłomierze (przepływomierz zintegrowany z czujnikami 9 temperatury). Do rozliczania kosztów zużywanego ciepła przez indywidualnych odbiorców stosuje się także tzw. nagrzejnikowe podzielniki kosztów ogrzewania. W celu kompensacji zmian objętości wody, wynikającej ze zmian temperatury i do utrzymania założonego ciśnienia ruchu w instalacji projektuje się naczynia wzbiorcze. Obecnie są to ciśnieniowe, zamknięte przeponowe naczynia wzbiorcze zamiast dotychczas stosowanych naczyń wzbiorczych otwartych. 5 Systemy ogrzewania 5.1 Centralne ogrzewanie wodne W Polsce ponad 95% wszystkich ogrzewań centralnych stanowi centralne ogrzewanie wodne, w którym jedno źródło ciepła, umieszczone zazwyczaj w piwnicy, obsługuje wszystkie ogrzewane pomieszczenia w budynku, zaś nośnikiem ciepła jest gorąca woda. Ogrzewanie to ma następujące zalety: prosta obsługa, dostępność elementów instalacji, możliwość samodzielnego jej wykonania; duże bezpieczeństwo eksploatacji; łatwość centralnej regulacji temperatury wody wypływającej ze źródła ciepła, oraz regulacji miejscowej, np. zaworami termostatycznymi; długa żywotność instalacji przy jej prawidłowej eksploatacji; jak również nieliczne wady, np. niebezpieczeństwo zamarznięcia i uszkodzenia elementów instalacji. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje centralnych ogrzewań wodnych: ogrzewania grawitacyjne i pompowe. W ogrzewaniu grawitacyjnym obieg wody spowodowany jest wyłącznie różnicą gęstości wody ogrzanej (zasilającej) i schłodzonej w grzejnikach (powrotnej). Różnica gęstości wywołuje różnicę ciśnień, zwaną ciśnieniem czynnym, które służy do pokonania oporów hydraulicznych instalacji. Przyrost objętości związany z ogrzewaniem wody, przejmowany jest przez otwarte naczynie wzbiorcze. Ogrzewania grawitacyjne mają następujące istotne wady: duże przekroje przewodów (większa bezwładność i koszt inwestycyjny), ograniczona możliwość prowadzenia przewodów i zasięg ogrzewania, wymaganie minimalnych oporów hydraulicznych dla armatury i źródła ciepła. Obecnie ogrzewania grawitacyjne są rzadko stosowane, jedynie w niedużych budynkach lub w miejscach, gdzie nie występuje sieć elektryczna. Od momentu pojawienia się tanich, gazowych kotłów dwufunkcyjnych (ogrzewanie i ciepła woda), stosowane jest natomiast tzw. ogrzewanie mieszkaniowe (kiedyś etażowe), w którym w każdym mieszkaniu znajduje się oddzielne źródło ciepła. System ogrzewania tego typu obecnie najczęściej wyposaża się jednak w pompę obiegową. Rys 4. Schemat instalacji ogrzewania grawitacyjnego z rozdziałem dolnym. W ogrzewaniu pompowym obieg wody wymusza pompa, która wytwarza różnicę ciśnienia potrzebną do pokonania oporów hydraulicznych instalacji. Obecnie wodne ogrzewania pompowe są najbardziej rozpowszechnionym systemem ogrzewania zarówno w budownictwie mieszkaniowym, przemysłowym, jak i użyteczności publicznej. Ogrzewanie pompowe ma w stosunku do ogrzewania grawitacyjnego następujące zalety: 10 dużo większy zakres zastosowania, uniezależniony od wysokości i długości ogrzewanego obiektu, możliwość podziału zładu na strefy, możliwość stosowania mniejszych średnic przewodów (mniejsze transportowe straty ciepła) i większa swoboda w prowadzeniu przewodów (załamania, zasyfonowania w pionie), wysoka sprawność źródła ciepła i armatury (większe opory), dużo mniejsza bezwładność instalacji, skuteczniejsza regulacja centralna i miejscowa, możliwość umieszczania grzejników poniżej źródła ciepła. Natomiast wadami tego systemu jest mniejsza niezawodność (awaria pompy, okresowy zanik napięcia) i większe koszty eksploatacyjne (energia elektryczna do zasilania pompy). Podstawowe wymagania, jakie powinna spełniać nowoczesna i energooszczędna instalacja centralnego ogrzewania wodnego oraz wady systemowe tradycyjnego układu dwururowego pionowego z rozdziałem dolnym zestawiono w tabeli 5: Tablica 5. Wymagania stawiane nowoczesnym instalacjom ogrzewczym i wady instalacji tradycyjnej. Wymagania stawiane nowoczesnym instalacjom Wady systemowe tradycyjnego układu ogrzewczego • brak ubytków wody (hermetyczność instalacji), • pionowe rozregulowanie hydrauliczne i cieplne spowodowane centralną regulacją jakościową i niewielką statecznością hydrauliczną instalacji, • efektywne wykorzystanie ciepła (odpowiedni rozdział nośnika ciepła, właściwy sposób prowadzenia regulacji, • możliwość rozliczania kosztów zużytego ciepła w stosunku do indywidualnych odbiorców, • podwyższona stateczność hydrauliczna instalacji, • obniżona temperatura nośnika ciepła (podwyższony komfort cieplny, mniejsze straty transportowe, możliwość wykorzystania niekonwencjonalnych, niskotemperaturowych źródeł ciepła), • dostosowanie systemu ogrzewczego do charakteru obiektu. • nadmierne zyski ciepła od przewodów i ochłodzenie wody zasilającej grzejniki, spowodowane zaleceniem podwyższania minimalnych średnic przewodów, • krążenie wody przez sieć odpowietrzającą pracującą przy nadciśnieniu (mała skuteczność zamknięć syfonowych), • ubytki wody instalacyjnej powodujące konieczność uzupełniania instalacji wodą nieuzdatnioną, co skraca okres eksploatacji instalacji. Najczęściej występujące w Polsce systemy ogrzewań wodnych pompowych to: ogrzewanie dwururowe z rozdziałem dolnym (pionowe i poziome), jednorurowe poziome oraz dwururowe mikroprzewodowe z rozdzielaczami mieszkaniowymi. Schemat typowej instalacji centralnego ogrzewania z zaznaczeniem jej wad pokazano na rys. 5. 11 napowietrzanie wody w naczyniu wzbiorczym duże ubytki przez odparowanie wody ubytki wody przy odpowietrzaniu zbiornika (zbiornik wadliwie zabudowany) krążenie wody przez sieć odpowietrzającą między pionami zróżnicowane schłodzenie wody zasilającej (rozregulowanie cieplne instalacji) zapowietrzanie się grzejników na najwyższych kondygnacjach intensywne krążenie wody tzw. "martwy obieg" pionowe rozregulowanie hydrauliczne znaczące i nieefektywne zyski ciepła od przewodów prowadzonych po wierzchu ścian ubytki wody przez dławnice zaworów Źródło ciepła ubytki wody przez dławnice pomp obiegowych Rys 5. Schemat typowej instalacji centralnego ogrzewania systemu tradycyjnego. Racjonalna i uzasadniona ekonomicznie jest modernizacja instalacji tradycyjnych. Schemat unowocześnionej instalacji c.o. przedstawiono na rys. 6. Dostosowanie istniejącej instalacji do nowych warunków wynikających z docieplenia budynku jest konieczne, gdyż jak wykazują pomiary i analizy bez odpowiedniego „przeregulowania” instalacji sezonowe zużycie ciepła nie maleje, a wręcz wzrasta. 12 samoczynne zawory odpowietrzające zmniejszone średnice pionów i gałązek, stosować φ10 mm zawory bezdławicowe dwustawne z głowicami termostatycznymi hermetyczne (bezdławicowe) pompy obiegowe (pożądana regulacja obrotów pompy) źródło ciepła o właściwej charakterystyce regulacyjnej (hydraulicznej i cieplnej) przeponowe naczynie wzbiorcze Rys 6. Schemat unowocześnionej instalacji centralnego ogrzewania systemu tradycyjnego. Na krótkie omówienie zasługują w dalszej kolejności instalacje z poziomym rozprowadzeniem nośnika ciepła w ramach mieszkania. Ogrzewania te, tzw. mieszkaniowe, charakteryzuje jeden punkt dopływu i odpływu nośnika dla odbiorcy, zaś rozprowadzenie czynnika ze źródła do węzłów mieszkaniowych, usytuowanych zwykle na klatce schodowej. Są one wykonywane w układzie dwururowym. System ten ma cechy nowoczesnej instalacji, umożliwia częściowe wykorzystanie elementów istniejącej instalacji i jest korzystniejszy niż system tradycyjny ze względu na: dużą stateczność hydrauliczną (zwiększone opory instalacji mieszkaniowych), możliwość indywidualnego rozliczania odbiorców na podstawie wskazań ciepłomierza, zmniejszenie liczby pionów kosztem zwiększenia ich obciążenia (mniejsze ochłodzenie wody zasilającej), możliwość odcinania instalacji domowych bez konieczności wyłączania z ruchu całej instalacji, większą estetykę wnętrz (likwidacja pionów, możliwość ukrycia przewodów). 13 zawory dwudrogowe zrównoważone hydraulicznie licznik ciepła zawory odcinające z nastawą wstępną Rys 7. Schemat instalacji ogrzewania poziomego jednorurowego. zawory termostatyczne licznik ciepła zawory odcinające z nastawa wstępną Rys 8. Schemat instalacji poziomego ogrzewania dwururowego. W budynkach nowowznoszonych coraz częściej projektowane są ogrzewania dwururowe mieszkaniowe wieloobwodowe (mikroprzewodowe) (rys. 9). W węzłach mieszkaniowych montowane są rozdzielacze (zasilający i powrotny). Z rozdzielaczy tych przewody o małych średnicach (poniżej 10 mm) zabetonowane w podłodze w tzw. peszlu ochronnym, doprowadzają wodę grzejną do każdego grzejnika. Prowadzenie przewodów w podłodze warunkuje projektowanie dużych strumieni wody o niskiej temperaturze zasilania. licznik ciepła przewody prowadzone w podłodze Rys 9. Schemat instalacji ogrzewania wieloobwodowego. 5.2 Ogrzewanie parowe W ogrzewaniu parowym nośnikiem ciepła jest para wodna wytwarzana w kotle i doprowadzana przewodami do grzejników, w których skrapla się oddając ciepło i w postaci skroplin (kondensatu) 14 powraca do kotła. W zależności od ciśnienia wytwarzanej pary wyróżnia się ogrzewania niskoprężne (nadciśnienie pary do 70 kPa, któremu odpowiada temperatura 115°C), wysokopr ężne (temperatura 140÷150°C) i podci śnieniowe (podciśnienie w stosunku do ciśnienia atmosferycznego utrzymywane przez pompę próżniową). Para wodna znalazła zastosowanie w instalacjach ogrzewczych, ponieważ jest dobrym i wydajnym nośnikiem ciepła. Jednak instalacje te wymagają stosowania specjalnego osprzętu i rygorystycznych wymagań montażowych. Ogrzewanie parowe w domach mieszkalnych i budynkach biurowych jest dziś rzadko stosowane, m.in. z uwagi na zbyt wysoką temperaturę grzejników i trudności regulacyjne. Okresowo ogrzewanie to może być wykorzystywane, np. w halach targowych, wystawowych, gdzie w przerwach eksploatacyjnych istniałoby niebezpieczeństwo zamarznięcia instalacji wodnych. Może być także stosowane w kuchniach, pralniach, fabrykach, gdzie para technologiczna jest wytwarzana i wykorzystywana do innych potrzeb. Tablica 6. Zalety i wady ogrzewania parowego w porównaniu z ogrzewaniem wodnym. Zalety Wady • dużo mniejsza bezwładność cieplna, • brak możliwości regulacji wydajności kotła, • brak niebezpieczeństwa zamarznięcia, • wysoka i praktycznie stała temperatura grzejników, • mniejsze koszty inwestycyjne (mniejsze średnice przewodów i wielkości grzejników), • brak akumulacji ciepła w grzejnikach, • szybka korozja przewodów (szczególnie kondensacyjnych) oraz grzejników. 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. 5.3 Ogrzewanie powietrzne Nośnikiem ciepła dostarczającym ciepło do pomieszczenia jest powietrze nagrzane, nawet do temperatury 60÷80°C. W zale żności od siły napędowej powodującej obieg powietrza rozróżnia się ogrzewania grawitacyjne i wentylatorowe, zaś w zależności od udziału powietrza zewnętrznego ogrzewania: powietrzem obiegowym, zewnętrznym i mieszanym. Powietrze może być podgrzewane w podgrzewaczach ogniowych (spalanie paliwa), przy wykorzystaniu energii elektrycznej lub pompy ciepła oraz przy użyciu nagrzewnic wodnych czy parowych. Ogrzewanie powietrzne grawitacyjne znano już w starożytności. Powietrze przepływając przez piec ogrzewa się od jego powierzchni, zmniejsza swoją gęstość i jest tłoczone do przewodów rozprowadzających przez chłodniejsze (cięższe) powietrze dopływające innymi kanałami z ogrzewanych pomieszczeń do dolnej części pieca położonego możliwie centralnie. Ten rodzaj ogrzewania stosowany był wcześniej w domach jednorodzinnych, podpiwniczonych halach, kościołach itp. i wymagał przystosowania budynku już w fazie projektu architektonicznego. Obecnie stosuje się ogrzewanie z wymuszonym obiegiem powietrza, które w stosunku do ogrzewania grawitacyjnego ma następujące zalety: mniejsze wymiary i większa dowolność prowadzenia przewodów, niższa temperatura nawiewu, większa moc źródła ciepła przy tej samej powierzchni grzejnej, mniejsza bezwładność cieplna i większa możliwość regulacji temperatury oraz strumienia objętości powietrza, możliwość zastosowania urządzeń do obróbki powietrza (filtry, chłodnice, nawilżacze). Wadą tego typu ogrzewań jest hałas powstający w czasie pracy wentylatora i, w porównaniu do tradycyjnych ogrzewań grzejnikowych, gorszy pionowy rozkład temperatury oraz mniej korzystny, z punktu widzenia komfortu cieplnego, sposób przekazywania ciepła (wyłącznie przez konwekcję). 5.4 Ogrzewanie przez promieniowanie W ogrzewaniu tym grzejniki (najczęściej wężownice zabetonowane w przegrodach budowlanych) przekazują moc cieplną głównie na drodze promieniowania. Wymiana ciepła przez promieniowanie zachodzi zawsze pomiędzy ciałami o różnej temperaturze; cieplejsza płaszczyzna emituje ciepło, a chłodniejsza pochłania je, co powoduje podwyższenie jej temperatury. W pomieszczeniu ogrzewanym przez promieniowanie temperatura powietrza jest niższa, a średnia temperatura powierzchni wyższa, dzięki czemu osoba znajdująca się w pomieszczeniu czuje się lepiej. Wśród systemów ogrzewań przez promieniowanie rozróżnia się: ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe, sufitowe, 15 ścienne) i ogrzewanie taśmami (płytami) promieniującymi. Grzejnik sufitowy ma wężownicę ułożoną na samym spodzie stropu, a nad nią znajdują się warstwy izolacyjne, natomiast w grzejniku podłogowym układ tych warstw jest odwrotny. Ze względów fizjologicznych temperatura powierzchni grzejnych nie powinna przekraczać: • w ogrzewaniu podłogowym 29°C (w łazienkach 33°C, a strefach brzegowych 35°C), • w ogrzewaniu sufitowym 30÷35°C (zale żnie od wysokości pomieszczenia), • w ogrzewaniu ściennym 35÷45°C. Nośnikiem ciepła w ogrzewaniu ściennym może być tylko woda (rozprowadzana przewodami z tworzyw sztucznych), w ogrzewaniach podłogowych i sufitowych można wykorzystywać również energię elektryczną. Tablica 7. Zalety i wady ogrzewania płaszczyznowego w porównaniu z ogrzewaniem konwekcyjnym. Zalety Wady • lepsze warunki higieniczne i podwyższony komfort cieplny: niższa temperatura powietrza, równomierny rozkład temperatury w całym pomieszczeniu, mniejsze konwekcyjne ruchy powietrza unoszące kurz i brudzące ściany, • dużą bezwładność cieplną oraz podwyższone wymagania w odniesieniu do regulacji eksploatacyjnej, • brak grzejników, większa estetyka wnętrz, łatwość utrzymania czystości, • ograniczanie mocy cieplnej grzejnika (dywan, meble), • obniżenie sezonowego zużycia ciepła dzięki niższej temperaturze nośnika ciepła, • możliwość efektywnego zastosowania niekonwencjonalnych, ekologicznych źródeł ciepła jak kondensacyjny kocioł gazowy czy pompa ciepła, • konieczność bardzo precyzyjnego wymiarowania (obliczeń), • brak możliwości późniejszych zmian wielkości grzejnika, • wyższe koszty inwestycyjne. • właściwości samoregulacji (samoczynna zmiana mocy cieplnej grzejnika w wyniku zmiany temperatury wewnętrznej w pomieszczeniu). Jako ogrzewania niskotemperaturowe (dostarczające tzw. „łagodne ciepło”) ogrzewania płaszczyznowe na ogół wymagają zwiększenia stopnia termoizolacyjności przegród budowlanych ponad obowiązujące normy ochrony cieplnej budynków. Ogrzewanie taśmami promieniującymi stosuje się przeważnie w wysokich halach przemysłowych, kościołach, gdzie odległość płaszczyzny grzejnej od strefy przebywania ludzi wynosi kilka metrów. Dzięki temu możliwe jest znaczne zwiększenie temperatury powierzchni grzejnej i zastosowanie nośnika o wysokich parametrach (wody o temperaturze powyżej 115°C, pary wysokopr ężnej). Taśmy promieniujące składają się z ekranu z blachy stalowej, do którego przymocowana jest wężownica (wodna lub elektryczna). Zadaniem ekranu jest zwiększenie powierzchni wypromieniowującej moc cieplną oraz przeciwdziałanie niepożądanym w tym typie ogrzewania prądom konwekcyjnym. Dostępne są też promienniki podczerwieni panelowe (z otwartą komorą spalania) i rurowe (spalanie wewnątrz przewodów) o bardzo wysokiej temperaturze powierzchni (powyżej 900°C). Ogrzewanie hal przemysłowych taśmami promieniującymi lub promiennikami ma wiele zalet w porównaniu z ogrzewaniem powietrznym: mniejsze koszty eksploatacyjne (zużycie ciepła mniejsze o 25%); lepszy komfort cieplny, bardziej równomierny rozkład temperatury; nie ma roznoszenia pyłów, gazów i par; cicha praca instalacji; oszczędność energii elektrycznej. Podstawowe wady takiego ogrzewania to duże koszty inwestycyjne i znaczny ciężar taśm. 5.5 Ogrzewanie miejscowe W ogrzewaniu miejscowym, w odróżnieniu od ogrzewania centralnego, źródło ciepła znajduje się w ogrzewanym pomieszczeniu. Ogrzewania te stosowane są w krajach o łagodnym klimacie, w budownictwie wiejskim, rekreacyjnym oraz w okresach przejściowych. Zalicza się tu różnego rodzaju piece i kominki zasilane różnym paliwem o konstrukcji bardziej lub mniej nowoczesnej (z regulacją dopływu powietrza, specjalnym rusztem wbudowanym palnikiem, wykorzystujące ciepło spalin), dziś w większości wytwarzane fabrycznie. W starym budownictwie adaptuje się niekiedy istniejące piece kaflowe, montując w palenisku grzejniki z elementów oporowych lub palniki gazowe. Ozdobne akumulacyjne piece kaflowe stosowane są także ze względów architektonicznych. Stosowane są również grzejniki elektryczne akumulacyjne bądź przenośne: grzejniki o wymuszonym przepływie powietrza wyposażone w spirale oporowe i wentylatory, grzejniki o niewymuszo16 nym przepływie w kształcie listwy lub zwierciadła wklęsłego wewnątrz którego znajdują się spirale oporowe oraz konwekcyjne grzejniki olejowe z grzałką elektryczną i regulatorem temperatury. 6 Ocena wybranych systemów ogrzewania 6.1 Pionowy rozkład temperatury Na rysunku 10 przedstawiono charakterystyczne rozkłady temperatury w płaszczyźnie pionowej, przechodzącej przez środek pomieszczenia, dla różnych rodzajów ogrzewania przy średnich wartościach temperatury zewnętrznej. Warto zwrócić uwagę na postulowany rozkład temperatury, nazwany profilem idealnym (odpowiada podstawowej zasadzie prawidłowego ogrzewania: „nogi w cieple, głowa w chłodzie”). Na poszczególnych rysunkach naniesiono rozkłady temperatury, wynikające z zastosowania określonego systemu ogrzewania. Jest to jedno z istotnych kryteriów oceny systemu ogrzewania. Najbardziej zbliżony do profilu idealnego jest rozkład temperatury w pomieszczeniu w przypadku ogrzewania podłogowego, najmniej korzystny układ występuje dla ogrzewania powietrznego. Ogrzewanie płaszczyznowe oznacza system ogrzewania, w którym ciepło do pomieszczenia przekazywane jest przez otaczające przegrody, a więc: sufit, podłogę lub ścianę. W związku z tym wyróżnia się ogrzewania: sufitowe, podłogowe lub ścienne. 16 18 20 22 24 26°C profil idealny grzejniki konwekcyjne usytuowane przy ścianach zewnętrznych j.w. lecz przy ścianach wewnętrznych Pionowe rozkłady temperatury wewnętrznej dla tradycyjnych systemów centralnego ogrzewania 20°C profil idealny grzejniki sufitowe 20°C profil idealny ogrzewanie powietrzne 20°C profil idealny ogrzewanie podłogowe Pionowy rozkład temperatury wewnętrznej dla ogrzewania podłogowego 16 18 20 22 24 26°C Rys 10. Pionowy rozkład temperatur w pomieszczeniach dla różnych typów centralnego ogrzewania. Z uwagi na podwyższoną temperaturę powierzchni w pomieszczeniu (temperaturę promieniowania), obniżona może być odpowiednio temperatura powietrza, co jest podstawową zaletą tych 17 ogrzewań zarówno ze względów komfortu cieplnego, jak i z uwagi na pewne obniżenie sezonowego zużycia energii na ogrzewanie. Ogrzewanie przez promieniowanie ma następujące zalety: nie występują w pomieszczeniu grzejniki, a więc korzyści z tego tytułu są ewidentne; zwolnienie powierzchni przeznaczonej na zabudowę grzejników, zwiększona estetyka wnętrz itp., podwyższone warunki higieniczne, zarówno przez zmniejszenie ruchów konwekcyjnych w pomieszczeniu, jak i czystości powierzchni ogrzewalnych, podwyższenie komfortu cieplnego, niewystępowanie zjawiska „przypiekania kurzu”, możliwość obniżenia sezonowego zużycia energii w porównaniu z ogrzewaniem grzejnikowym, właściwości samoregulacji polegające na samoczynnej zmianie mocy cieplnej przewodów w wyniku zmiany temperatury wewnętrznej w pomieszczeniu. Do wad ogrzewania przez promieniowanie zaliczyć można: dużą bezwładność cieplną oraz podwyższone wymagania odpowiedniej regulacji eksploatacyjnej, brak możliwości ewentualnych późniejszych zmian wielkości grzejnika, wyższe koszty inwestycyjne w porównaniu z innymi systemami ogrzewania. Problem wyższych kosztów inwestycyjnych w porównaniu z innymi systemami ogrzewania jest na pewno dyskusyjny. Wynika to między innymi z braku możliwości jednoznacznego rozdzielenia przy wykonywaniu grzejnika płaszczyznowego zakresu robót czysto budowlanych od prac czysto instalacyjnych. W uzupełnieniu należy podkreślić fakt, że zastosowanie w budynku ogrzewania promieniującego na ogół wymaga zwiększenia (ponad obowiązujące normy ochrony cieplnej budynków) stopnia termoizolacyjności przegród budowlanych. Wymaganie to, aczkolwiek zmuszające inwestora do zwiększenia nakładów inwestycyjno-budowlanych, nie można zaliczyć do wad. Przykłady budownictwa w krajach rozwiniętych o podobnym klimacie, rosnące w Polsce koszty nośników energii oraz postęp w zakresie rozliczenia zużycia energii, uzasadniają celowość obniżenia strat cieplnych budynku i stwarzają możliwość stosunkowo szybkiego zdyskontowania nakładów inwestycyjnych na rozwiązania energooszczędne poprzez obniżenie kosztów eksploatacyjnych. Podstawowym wymaganiem dla ogrzewania podłogowego jest ograniczenie średniej temperatury podłogi w strefie stałego przebywania ludzi do wartości tpmax = 29°C. Przekroczenie tej temperatury nie jest wskazane, ponieważ pogarszają się warunki komfortu cieplnego. Przy zbyt wysokiej temperaturze grzejnika mogą wystąpić nawet dolegliwości nóg. W łazienkach dopuszcza się temperaturę do 33°C, a w strefie brzegowej (zagęszczenie przewodów grzejnych przy ścianach zewnętrznych) do 35° C. Wymagania te narzucają ograniczenie strat ciepła pomieszczenia do wielkości ok. 60÷80 W/m2, co nie zawsze jest możliwe do zrealizowania. Stosowane są wówczas ogrzewania kombinowane podłogowo-grzejnikowe. W tym przypadku zastosowane mogą być grzejniki elektryczne, traktowane jako szczytowe lub uzupełniające źródło ciepła. Ogrzewanie sufitowe, w stosunku do ogrzewań innych rodzajów, ogranicza ruchy konwekcyjne w ogrzewanym pomieszczeniu oraz nie jest w zasadzie narażone na osłonięcie lub zabudowę płaszczyzn grzejnych. 6.2 Efektywność energetyczna systemu ogrzewania Miarą efektywności energetycznej systemu ogrzewczego jest jego eksploatacyjna sprawność cieplna określona stosunkiem ilości energii jaka byłaby rozpraszana z pomieszczeń do otoczenia w okresie sezonu ogrzewczego (przy utrzymywaniu w pomieszczeniach wymaganej temperatury w granicach komfortu cieplnego), do ilości ciepła dostarczonego w tym okresie do systemu. W praktyce ogólną sprawność systemu ogrzewczego określa się na podstawie sprawności składowych, a więc: • sprawności wytwarzania, • sprawność akumulacji • sprawności przesyłu, • sprawności emisji (regulacji i wykorzystania). Świadomość występowania strat energetycznych, wynikających ze sposobu emisji ciepła przez elementy grzejne, nie jest powszechna wśród osób zajmujących się projektowaniem i eksploatacją systemów ogrzewczych. 18 Straty emisji ciepła przy ogrzewaniu pomieszczenia związane są przede wszystkim z usytuowaniem grzejników przy ścianach zewnętrznych oraz występowaniem pionowego gradientu temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu. Główne czynniki zmniejszające sprawność emisji ciepła są następujące: usytuowanie grzejnika w sąsiedztwie kratki wentylacyjnej wywiewnej, niska izolacyjność cieplna przegrody zewnętrznej za grzejnikiem, zasłonięcie grzejnika. 7 Dobór i eksploatacja instalacji ogrzewczych 7.1 Wybór systemu ogrzewczego w zależności od przeznaczenia obiektu Często obserwuje się przypadki wykonania instalacji ogrzewczych źle bądź przypadkowo dobranych do funkcji i rodzaju budynku oraz dostępnych źródeł energii. Uwagi zamieszczone w tablicy poniżej dotyczą typowych instalacji nowo projektowanych. Instalacje ogrzewcze w budynkach specjalnych (np. w wieżowcach, kompleksach szpitalnych, dużych osiedlach domów jednorodzinnych) powinny być dobierane przez projektantów na podstawie wyników szczegółowych analiz uwzględniających wykorzystanie energii geotermalnej, pomp ciepła, odzyskiwania ciepła z powietrza wentylacyjnego itp. Etapem wstępnym opracowania projektu, a następnie wykonania systemu ogrzewania, powinno być zadbanie o właściwą izolację cieplną budynku i odpowiednią szczelność powietrzną. Tablica 8. Wybór systemu ogrzewczego w zależności od przeznaczenia obiektu. Rodzaj obiektu System ogrzewczy Budynki jednorodzinne (obszar wiejski) centralne ogrzewanie wodne grawitacyjne z kotłem węglowym, przewody stalowe, grzejniki żeliwne bez zaworów termostatycznych. Budynki jednorodzinne (obszar miejski) centralne ogrzewanie wodne pompowe z kotłem gazowym, grzejniki stalowe jednopłytowe, instalacja hermetyczna, przewody tworzywowe, programowana, pełna regulacja automatyczna. Rozwiązanie alternatywne – ogrzewanie podłogowe wodne z gazowym kotłem kondensacyjnym. Budynki jednorodzinne rekreacyjne kominek, grawitacyjne ogrzewanie powietrzne, sprężarkowe pompy ciepła systemu powietrze-powietrze, dodatkowo przenośne promienniki elektryczne (nie należy stosować ogrzewań wodnych). Budynki wielorodzinne centralne ogrzewanie wodne dwururowe zasilane z miejskiej sieci ciepłowniczej lub z niskotemperaturowego kotła gazowego. Biura ogrzewanie wodne z możliwością obniżenia temperatury wewnętrznej (ogrzewanie dyżurne) zasilane w miarę potrzeby przez zespół kotłów gazowych z płynną regulacją wydajności, dogrzewanie i kurtyny powietrzne w holu wejściowym. Szkoły, przedszkola ogrzewanie wodne niskotemperaturowe z grzejnikami stalowymi jednopłytowymi lub układ kombinowany z ogrzewaniem podłogowym pokrywającym 2/3 zapotrzebowania na ciepło, zasilanie niskotemperaturowym kotłem gazowym. W sali gimnastycznej taśmy promieniujące, w szkołach wiejskich akumulacyjne ogrzewanie elektryczne. Hale sportowe, wystawowe, ogrzewanie powietrzne w hali + grzejnikowe w pomieszczeniach pomocnitargowe czych, gazowa lub olejowa nagrzewnica powietrza, ogrzewanie dyżurne. Domy towarowe ogrzewanie powietrzne + dyżurne, kurtyny powietrzne przy wejściach, ogrzewania miejscowe, oddzielny układ ogrzewania dla pomieszczeń pomocniczych. Szpitale centralne ogrzewanie wodne z grzejnikami jednopłytowymi, obustronnie gładkimi zasilane przez zespół kotłów olejowych z awaryjnym agregatem prądotwórczym. Nie zaleca się ogrzewania powietrznego ani płaszczyznowego. Budynki przemysłowe promienniki, taśmy promieniujące, ogrzewanie powietrzne. 19 7.2 Regulacja instalacji ogrzewczych Zapotrzebowanie na moc cieplną można określić jako maksymalne straty ciepła pomieszczeń. Instalacje ogrzewcze projektuje się dla tzw. obliczeniowej temperatury zewnętrznej czyli takiej, dla której zapewnione jest utrzymanie odpowiedniej temperatury w pomieszczeniach w najzimniejszym okresie roku. Regulacja instalacji ogrzewczych polega na dostosowaniu mocy cieplnej instalacji ogrzewczej do zmieniającego się w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego, zapotrzebowania na moc cieplną budynku. Regulacja podyktowana jest więc koniecznością utrzymania warunków komfortu cieplnego w pomieszczeniach oraz względami ekonomicznymi. Regulacja wstępna (odpowiednie nastawy wstępne zaworów grzejnikowych lub odcinających podpionowych czy strefowych) zapewnia założony w projekcie rozkład temperatury i strumieni nośnika ciepła, w warunkach obliczeniowych (występujących tylko kilka dni w roku), moce dobranych grzejników. Regulacja eksploatacyjna zapewnia temperaturę wewnętrzną stosownie do upodobań użytkowników mimo zmian temperatury zewnętrznej (dobowych, rocznych). Polega ona zatem na dostosowaniu mocy cieplnej całej instalacji oraz poszczególnych grzejników do chwilowego zapotrzebowania na ciepło pomieszczeń. Regulacja eksploatacyjna w zależności od jej zasięgu może być: centralna – w źródle ciepła (w elektrociepłowni, kotłowni osiedlowej, węźle ciepłowniczym lub w kotle), za pomocą odpowiednich zaworów sterowanych tzw. regulatorem pogodowym, realizującym zadaną funkcję temperatury zasilania w zależności od temperatury zewnętrznej, strefowa – obejmująca część instalacji bądź systemu ciepłowniczego (pion, gałąź instalacji, część miejskiej sieci ciepłowniczej), miejscowa – dotycząca poszczególnych grzejników, lub lokalna – dotycząca poszczególnych budynków w sieci osiedlowej. Ze względu na rodzaj korygowanej wielkości regulacja eksploatacyjna może być: jakościowa (najczęściej stosowana) – polegająca na zmianie temperatury nośnika ciepła przy jego stałym przepływie, ilościowa – polegająca na zmianie przepływu nośnika ciepła z zachowaniem jego stałej temperatury, mieszana – zwana też jakościowo-ilościową, polegająca na zmianie zarówno temperatury, jak i przepływu nośnika ciepła. W czasie eksploatacji instalacji ogrzewczych często okazuje się, że pomimo zastosowania nowoczesnych regulatorów, niemożliwe jest uzyskanie nominalnej mocy we wszystkich odbiornikach, bądź temperatura wewnętrzna ciągle znacznie oscyluje wokół wielkości zadanej. Wynika to z niezgodnego z projektem wykonania instalacji (zamontowanie przewodów o innych niż zakładane średnicach, zmiana armatury, niewykonanie izolacji cieplnej, itp.), z błędów popełnionych w czasie projektowania (niewłaściwy rozdział nośnika ciepła, błędny algorytm obliczeń, zaprojektowanie niewłaściwych urządzeń) lub z wad systemowych instalacji. Właściwe projektowanie regulacji wstępnej wewnętrznych instalacji ogrzewczych wymaga wspomagania komputerowego oraz znajomości zasad stosowania i doboru armatury regulacyjnej. 20
