Systemy ogrzewania. 1 Wprowadzenie. 2 Zarys higienicznych podstaw ogrzewania. 2.1 Wymiana ciepła z otoczeniem. dr inŝ.

Transkrypt

1 dr inŝ. Paweł Kędzierski 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, moŝliwie 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, moŝliwe jest tylko przy zastosowaniu klimatyzacji pomieszczeń. W przypadku instalacji ogrzewczych te parametry są zmienne i ściśle zaleŝą 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 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 niezaleŝne od warunków panujących w otoczeniu. Dlatego moŝna je pominąć w bilansie ciepła człowieka. Bardzo istotne jest, Ŝeby pamiętać, Ŝe aby wymieniać ciepło z przegrodami budowlanymi, nie jest potrzebny bezpośredni kontakt z nimi. Człowiek odczuwa wpływ zimnej ściany i gorącego grzejnika mimo, Ŝe ich nie dotyka. Wymienia z nimi ciepło na drodze promieniowania. Oddawanie ciepła na drodze przewodzenia, konwekcji i promieniowania jest moŝliwe tylko jeśli temperatura otoczenia jest niŝsza od temperatury powierzchni ciała (patrz rys. 1). Natomiast w miarę, jak temperatura otoczenia rośnie i zbliŝa się do temperatury ciała, oddawanie ciepła w ten sposób jest coraz mniejsze, rośnie natomiast rola odparowywania potu. 1

2 160 Strumień oddawanego ciepła, W odparowywanie konwekcja 60 przewodzenie 40 promieniowanie i in Temperatura powietrza, ºC Rys 1. Przeciętne oddawanie ciepła przez normalnie ubranego człowieka, nie wykonującego aktywnych czynności ruchowych. Intensywność konwekcyjnej wymiany ciepła zaleŝy od róŝnicy temperatury między powierzchnią ciała a otaczającym powietrzem oraz od prędkości przepływu powietrza. Dlatego w pewnym zakresie rosnącą temperaturę powietrza moŝna kompensować wzmoŝonym ruchem powietrza stąd właśnie działanie wentylatora sprawia wraŝenie chłodu. Powietrze, które omywa ciało człowieka z większą prędkością, moŝe odebrać podobną ilość ciepła nawet przy mniejszej róŝnicy temperatury. Jeśli temperatura powietrza osiągnie temperaturę powierzchni ciała, to działanie wentylatora nie przynosi juŝ 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 juŝ 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 (odzieŝ normalna, stan spoczynku, temperatura powietrza +20ºC, wilgotność względna ok. 50%). Sposób oddawania ciepła Strumień cieplny W udział Konwekcja i przewodzenie 45 38% Promieniowanie 45 38% Parowanie 17 14% Oddychanie 6 5% Inne 6 5% 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 NatęŜenie strumienia ciepła, W/m 2 Wielkość powierzchni wymiany ciepła, m 2 Strumień oddany do otoczenia, W Korpus 49 1,84 90 Ręce z przedramionami 73 0,16 12 Głowa 121 0,055 7 Nogi (stopy) 143 0, Razem 2, Uwagi Przewodzenie ciepła od stóp do podłogi 2

3 Jak juŝ wspomniano, ilość ciepła wydzielanego przez człowieka silnie zaleŝy od aktywności fizycznej. W tablicy 3 przytoczono ilość wydzielanego ciepła w zaleŝności od aktywności fizycznej. Tablica 3. Przeciętna ilość ciepła wydzielanego przez ciało człowieka przy róŝnych poziomach aktywności fizycznej. Aktywność fizyczna Moc cieplna, W Pozycja leŝąca 83 Pozycja siedząca zrelaksowana 104 Pozycja stojąca zrelaksowana 126 Praca siedząca (np. w biurze, w domu, w szkole) 146 Lekki wysiłek w pozycji stojącej (np. zakupy, lekka praca) 167 Średni wysiłek (np. sprzedawca, prace domowe, praca 209 przy maszynie) CięŜki wysiłek 313 Odczuwanie przez człowieka wraŝeń cieplnych pod wpływem zmian temperatury otoczenia, powodowane jest róŝnym natęŝeniem 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, poniewaŝ niezaleŝnie od parametrów fizycznych otoczenia, na odczucie komfortu cieplnego przez człowieka mogą mieć wpływ takie czynniki, jak: ubranie, płeć, wiek, stan zdrowia, nawyki czy teŝ predyspozycje psychiczne. Subiektywne odbieranie wraŝeń cieplnych przez ludzi uwzględniane jest we współczesnych metodach pomiarów stopnia komfortu cieplnego. Oprócz odzie- Ŝy i stopnia aktywności fizycznej, na wraŝenia 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 (t o ) określa proporcje ciepła traconego przez człowieka na drodze konwekcji oraz promieniowania i jest w uproszczeniu przyjmowana jako średnia arytmetyczna z temperatury powietrza (t i ) oraz temperatury promieniowania przegród (τ r ). t o = 0,5 ( t i + τ r ) [ o C] Wielkość temperatury odczuwalnej w naszej strefie klimatycznej przyjmuje się w granicach od 19 º C do 20 C. Występujące w większości pomieszczeń przegrody zewnętrzne posiadają w okresie zimowym niŝszą temperaturę powierzchni. Dlatego temperatura powietrza powinna być wyŝsza niŝ wymagana temperatura odczuwalna, aby skompensować chłodzący wpływ przegród zewnętrznych. Zgodnie z powyŝszym równaniem istnieje w pewnym zakresie współzaleŝność temperatury powietrza i temperatury promieniowania. Im niŝsza będzie temperatura promieniowania, tym wyŝsza powinna być temperatura powietrza i odwrotnie. Przy czym temperatura powietrza i średnia temperatura powierzchni nie powinny róŝnić się o więcej niŝ 3 K, a temperatura powierzchni zimnych (np. ścian zewnętrznych) nie powinna być niŝsza o więcej niŝ 5 K od temperatury powierzchni ciepłych (np. ścian wewnętrznych). 3

4 Temperatura promieniowania zaleŝy przede wszystkim od ilości przegród zewnętrznych i ich stopnia zaizolowania cieplnego. Im więcej jest przegród zewnętrznych i im gorzej są zaizolowane, tym niŝsza będzie temperatura promieniowania i tym wyŝsza powinna być temperatura powietrza, co jest uwzględnione w wymaganiach Polskich Norm przy: obliczaniu zapotrzebowania na ciepło dla ogrzewanych pomieszczeń, stosowanie dodatku d 1 zwiększającego moc cieplną grzejnika odpowiednio od liczby tzw. przegród chłodzących (im większa liczba przegród chłodzących, tym niŝsza temperatura promieniowania), określeniu wielkości obowiązującej temperatury w pomieszczeniu przy odbiorze instalacji centralnego ogrzewania. Na przykład, normatywna temperatura powietrza w pokoju podczas odbioru instalacji powinna wynosić przy stosowaniu grzejników konwekcyjnych: dla jednej przegrody chłodzącej ti = 20 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, naleŝy utrzymać w nim wymaganą temperaturę niezaleŝnie od zmieniającej się temperatury zewnętrznej, oraz doprowadzić odpowiednią ilość powietrza świeŝego do oddychania. Dostarczanie i usuwanie powietrza jest równieŝ konieczne z uwagi na usuwanie zapachów i nadmiernych ilości pary wodnej z pomieszczeń kuchennych i sanitarnych. Powietrze zewnętrzne napływa przez nieszczelności drzwi i okien, zaś usuwane jest kanałami wentylacji wyciągowej (grawitacyjnej lub mechanicznej). W związku z tym w bilansie cieplnym pomieszczenia naleŝy przewidzieć odpowiednią ilość ciepła do podgrzania powietrza wentylacyjnego, jak równieŝ na pokrycie strat ciepła przenikającego przez przegrody zewnętrzne. Organizm człowieka osiąga stan równowagi między wytwarzaniem, oddawaniem i akumulacją ciepła. WaŜne przy tym jest, aby ciało ludzkie mogło oddawać ciepło moŝliwie równomiernie we wszystkich kierunkach. Jeśli ilość ciepła oddawanego w jednym kierunku jest zbyt duŝa lub zbyt mała, to człowiek odczuwa dyskomfort. Gdy temperatura powierzchni otaczających wykazują duŝe róŝnice (zimne szyby, źle zaizolowane ściany zewnętrzne lub zbyt gorące płaszczyzny grzejne), to ciepło oddawane jest do otoczenia z róŝną intensywnością, człowiek czuje się źle i ma odczucie strefowego niedogrzewania lub przegrzewania. TakŜe intensywny ruch powietrza (nawet o temperaturze wyŝszej niŝ temperatura w pomieszczeniu) jest zwykle odczuwany jako nieprzyjemny strumień chłodzący (przeciąg). Jak juŝ wspomniano, na wraŝenia cieplne osób znajdujących się w pomieszczeniu wpływa temperatura odczuwalna, która w okresie zimowym w naszej strefie klimatycznej powinna wynosić C. NiŜsza temperatura powierzchni otaczających człowieka musi być skompensowana wyŝszą temperaturą powietrza, a przy podwyŝszonych wartościach temperatury powierzchni moŝna obniŝyć temperaturę powietrza w pomieszczeniu. W warunkach przyjemnego klimatu pokojowego temperatura powietrza (ok. 18 C) nie powinna odbiegać znacznie od średniej (ok. 24 C), moŝliwie 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 wyŝszej niŝ 60 C rozpoczyna się proces suchej destylacji pyłów organicznych zawartych w powietrzu i przypiekanie ich na powierzchniach grzejnych, co powoduje podraŝnienie śluzowych błon oddechowych i nieprzyjemne wraŝenie 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), umoŝliwiać regulację temperatury odczuwalnej w zaleŝności od indywidualnych upodobań uŝytkowników (z moŝliwie małą bezwładnością regulacji), zapewniać odpowiedni mikroklimat wnętrz (m.in. nie wydzielać szkodliwych pyłów, gazów i par, nie powodować powstawania hałasu i przeciągów), być wyposaŝone w grzejniki estetyczne i łatwe do czyszczenia, być trwałe i charakteryzować się niskim kosztem eksploatacji oraz zapewniać moŝliwość indywidualnego rozliczania kosztów ciepła zuŝytego do ogrzewania, być moŝliwie najmniej uciąŝliwe dla środowiska naturalnego. 4

5 3 Klasyfikacja instalacji ogrzewczych W skład kaŝdej 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 moŝna sklasyfikować systemy ogrzewania pomieszczeń. 3.1 Ilość ogrzewanych pomieszczeń Ze względu na ilość pomieszczeń, ogrzewanych przez jeden system, wyróŝnia 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. MoŜna wydzielić źródło ciepła oraz szereg odbiorników, połączonych siecią przewodów lub kanałów. Obecnie zdecydowanie przewaŝają 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 kaŝdym przypadku występuje zarówno konwekcja, jak i promieniowanie, ale róŝna 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 Ŝeliwnych, 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 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 zaleŝności od temperatury czynnika. Rodzaj systemu Temperatura Temperatura Klasyfikacja ogólna Klasyfikacja szczegółowa zasilania powrotu Tradycyjny Wysokotemperaturowy C 70 C Niskotemperaturowy Średniotemperaturowy 55 C C Niskotemperaturowy 45 C C Bardzo niskotemperaturowy 35 C 25 C 3.4 Nośnik ciepła Nośnikiem ciepła w instalacjach centralnego ogrzewania moŝe być: woda, roztwór glikolu (zabezpiecza przed zamarznięciem), olej, powietrze, para wodna. 5

6 W Polsce zdecydowanie przewaŝają ogrzewania wodne. Natomiast para wodna obecnie praktycznie nie jest stosowana w instalacjach grzewczych. 3.5 Sposób wywołania krąŝenia czynnika Ze względu na sposób wywołania krąŝenia czynnika instalacje dzieli się na: grawitacyjne, pompowe. W ogrzewaniach grawitacyjnych jedyną przyczyną krąŝenia czynnika jest róŝnica gęstości czynnika dla róŝnej wartości temperatury zasilania i powrotu. Natomiast w instalacjach pompowych przepływ wywołany jest przede wszystkim przez pompę obiegową, chociaŝ ciśnienie grawitacyjne równieŝ 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 róŝnych materiałów (najczęściej z tworzywa sztucznego i metalu). 3.7 Sposób rozdziału czynnika Ze względu na sposób rozdziału czynnika wyróŝnia 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 WyróŜnia 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 wyróŝnia się: instalacje otwarte, instalacje zamknięte. Dawniej występowały głównie instalacje otwarte. Obecnie nowo wykonywane lub modernizowane instalacje przewaŝnie są zamknięte. Natomiast instalacje otwarte stosuje się w połączeniu z kotłami opalanymi paliwem stałym (węgiel, drewno) Wytwarzanie ciepła Wytwarzanie ciepła moŝe zachodzić we własnym źródle ciepła (kocioł gazowy, olejowy, pompa ciepła itp.), ale instalacja moŝe być równieŝ 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

7 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 wyposaŝone w dodatkowy wymiennik ciepła głębokiego schłodzenia spalin odbierający ciepło skraplania pary wodnej zawartej w spalinach. Jako źródło ciepła na cele ogrzewcze stosuje się równieŝ kotły elektryczne, wykorzystujące tańszą taryfę nocną i niezastąpione przy braku innych nośników energii. Kotły sytuuje się w kotłowniach wbudowanych lub wolno stojących. Jeśli istnieje moŝliwość 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 (moŝe być indywidualny w budynku lub grupowy zasilający kilka budynków). Obecnie projektowane są prawie wyłącznie węzły wymiennikowe pośrednie, w których woda sieciowa i instalacyjna krąŝy w oddzielnych obiegach. Mimo to wciąŝ 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 duŝo mniejszych wymiarach, umieszczone w gotowych, kompaktowych centralach lub węzłach ciepłowniczych. Do klasycznych źródeł ciepła naleŝy zaliczyć takŝe pompy ciepła pozyskujące ciepło z otoczenia i umoŝliwiające jego wykorzystanie na wyŝszym poziomie temperatury do celów ogrzewczych. Urządzenia te wymagają zasilania elektrycznego i pozwalają uzyskać ok. 3 4 razy większą moc cieplną niŝ pobrana moc elektryczna. W zaleŝności od budowy pompy, pierwotnym źródłem energii moŝe być woda, powietrze lub grunt. 4.2 Niekonwencjonalne źródła ciepła MoŜna 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 ŜuŜli 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 uŝytkowej. W przypadku bezpośredniego wykorzystania do celów ogrzewczych najbardziej odpowiednią temperaturą źródła jest C, lecz wadą wód geotermalnych jest duŝa zawartość związków soli. Źródła geotermalne o niŝszej temperaturze (10 50 C) mogą być wykorzystywane przy zastosowaniu pomp ciepła, dla których stanowią one tzw. dolne źródło ciepła. Energia geotermalna odgrywa obecnie waŝną rolę jedynie na obszarach, na których głębokość występowania wód geotermalnych jest mniejsza niŝ 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 wykonuje się najczęściej z rur stalowych ze szwem, gwintowanych, lekkich, wg PN- 74/H i PN-84/H Połączenia przewodów z armaturą są zazwyczaj rozłączne (gwintowane i kołnierzowe), a połączenia odcinków rur nierozłączne (spawane). W małych instalacjach stosuje się teŝ droŝsze przewody miedziane, łączone przez lutowanie lub na zacisk. Przewody miedziane są bardziej odporne na korozję i mają mniejszy współczynnik chropowatości niŝ przewody stalowe. Przy stosowaniu przewodów miedzianych naleŝy 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

8 Przewody instalacji ogrzewczych wydłuŝają się na skutek wzrostu temperatury nośnika ciepła. Powstawaniu napręŝeń i sił ściskających w przewodach zapobiega się układając je w sposób zapewniający moŝliwość ich wydłuŝenia (samokompensacja) lub montując odpowiednie urządzenia przejmujące te wydłuŝenia (kompensacja sztuczna). Kompensacja wydłuŝeń 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 umoŝliwiają 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 Ŝeliwne, grzejniki z rur gładkich i oŝebrowanych, 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 wyposaŝonych jest w grzejniki członowe Ŝeliwne, które cechuje duŝa odporność na korozję (ponad 50-letni okres eksploatacji) oraz moŝliwość zmiany wielkości powierzchni ogrzewalnej. Ostatnio unowocześnianie instalacji centralnego ogrzewania (likwidacja węzłów bezpośredniego działania, hermetyzacja instalacji wewnętrznych) stworzyło równieŝ warunki do eksploatacji grzejników stalowych płytowych. a) b) c) d) Rys 2. RóŜne typy grzejników: a) grzejnik członowy Ŝeliwny, b) grzejniki płytowe stalowe, c) grzejnik ze zintegrowanym zaworem termostatycznym i podłączeniem od dołu, d) grzejnik drabinkowy. Biorąc pod uwagę fakt, Ŝe o właściwościach uŝytkowych zastosowanego systemu ogrzewania decydują przede wszystkim proporcje ciepła emitowanego do pomieszczenia na drodze konwekcji i promieniowania, róŝnorodne konstrukcje grzejników sklasyfikować moŝna 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 Ŝeliwnych, 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 oŝebrowaniem 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 moŝna do ogrzewań typowo powietrznych, w których udział promieniowania jest zbliŝony 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, gdyŝ utrudnia to przekazywanie ciepła do otoczenia. Z punktu widzenia komfortu cieplnego najkorzystniejsze są grzejniki jednopłytowe, poniewaŝ 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 utrzyma- 8

9 nie ich w czystości. Projektowane dawniej, głównie w łazienkach, piony grzejne są obecnie zastępowane tzw. grzejnikami łazienkowymi wykonanymi z rurek stalowych lub innych profili. Coraz częściej projektuje się równieŝ rozmaite grzejniki dekoracyjne zgodnie z sugestiami architekta wnętrz. W ogrzewaniach z grzejnikami konwekcyjnymi miejsce ustawienia grzejnika, i wyposaŝenie 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, słuŝy do zapewnienia prawidłowej i bezpiecznej pracy instalacji ogrzewczych. WyróŜniamy armaturę odcinającą i sterująco-regulującą, zabezpieczającą, uzbrojenie pomocnicze oraz inne urządzenia zabezpieczające (np. naczynia wzbiorcze). Pompy obiegowe w instalacjach ogrzewczych słuŝą do wymuszenia obiegu nośnika ciepła. Armatura odcinająca i sterująco-regulująca (zawory i zasuwy: proste, skośne, gwintowane, z kielichami) słuŝy 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 słuŝą termostatyczne zawory grzejnikowe, których stosowanie w instalacjach nowoprojektowanych bądź modernizowanych jest obowiązkowe od 1995 r. UmoŜliwiają one utrzymywanie stałej temperatury w pokoju, łazience czy sypialni niezaleŝnie od zmiennych w czasie wewnętrznych zysków ciepła. Zawory te mają moŝliwość zadania tzw. nastawy wstępnej w odróŝnieniu 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, zaleŝy od miejsca podłączenia grzejnika do instalacji i jego mocy cieplnej, a takŝe rodzaju pompy obiegowej. Dlatego nie zaleca się montaŝu 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 róŝnicy ciśnień, regulatory nadmiarowoupustowe, ograniczniki temperatury i róŝnicy 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 naleŝą 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 najwyŝszych 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 takŝe odmulacze pojemnościowe siatkowe lub magnetoodmulacze, oraz urządzenia pomiarowe ciepłomierze (przepływomierz zintegrowany z czujnikami 9

10 temperatury). Do rozliczania kosztów zuŝywanego ciepła przez indywidualnych odbiorców stosuje się takŝe tzw. nagrzejnikowe podzielniki kosztów ogrzewania. W celu kompensacji zmian objętości wody, wynikającej ze zmian temperatury i do utrzymania załoŝonego 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, moŝliwość samodzielnego jej wykonania; duŝe bezpieczeństwo eksploatacji; łatwość centralnej regulacji temperatury wody wypływającej ze źródła ciepła, oraz regulacji miejscowej, np. zaworami termostatycznymi; długa Ŝywotność instalacji przy jej prawidłowej eksploatacji; jak równieŝ nieliczne wady, np. niebezpieczeństwo zamarznięcia i uszkodzenia elementów instalacji. RozróŜnia się dwa podstawowe rodzaje centralnych ogrzewań wodnych: ogrzewania grawitacyjne i pompowe. W ogrzewaniu grawitacyjnym obieg wody spowodowany jest wyłącznie róŝnicą gęstości wody ogrzanej (zasilającej) i schłodzonej w grzejnikach (powrotnej). RóŜnica gęstości wywołuje róŝnicę ciśnień, zwaną ciśnieniem czynnym, które słuŝy do pokonania oporów hydraulicznych instalacji. Przyrost objętości związany z ogrzewaniem wody, przejmowany jest przez otwarte naczynie wzbiorcze. Ogrzewania grawitacyjne mają następujące istotne wady: duŝe przekroje przewodów (większa bezwładność i koszt inwestycyjny), ograniczona moŝliwość prowadzenia przewodów i zasięg ogrzewania, wymaganie minimalnych oporów hydraulicznych dla armatury i źródła ciepła. Obecnie ogrzewania grawitacyjne są rzadko stosowane, jedynie w nieduŝych 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 etaŝowe), w którym w kaŝdym mieszkaniu znajduje się oddzielne źródło ciepła. System ogrzewania tego typu obecnie najczęściej wyposaŝa się jednak w pompę obiegową. Rys 4. Schemat instalacji ogrzewania grawitacyjnego z rozdziałem dolnym. W ogrzewaniu pompowym obieg wody wymusza pompa, która wytwarza róŝnicę ciśnienia potrzebną do pokonania oporów hydraulicznych instalacji. Obecnie wodne ogrzewania pompowe są najbardziej rozpowszechnionym systemem ogrzewania zarówno w budownictwie mieszkaniowym, przemysłowym, jak i uŝyteczności publicznej. Ogrzewanie pompowe ma w stosunku do ogrzewania grawitacyjnego następujące zalety: 10

11 duŝo większy zakres zastosowania, uniezaleŝniony od wysokości i długości ogrzewanego obiektu, moŝliwość podziału zładu na strefy, moŝliwość 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), duŝo mniejsza bezwładność instalacji, skuteczniejsza regulacja centralna i miejscowa, moŝliwość umieszczania grzejników poniŝej 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 brak ubytków wody (hermetyczność instalacji), efektywne wykorzystanie ciepła (odpowiedni rozdział nośnika ciepła, właściwy sposób prowadzenia regulacji, moŝliwość rozliczania kosztów zuŝytego ciepła w stosunku do indywidualnych odbiorców, podwyŝszona stateczność hydrauliczna instalacji, obniŝona temperatura nośnika ciepła (podwyŝszony komfort cieplny, mniejsze straty transportowe, moŝliwość wykorzystania niekonwencjonalnych, niskotemperaturowych źródeł ciepła), dostosowanie systemu ogrzewczego do charakteru obiektu. Wady systemowe tradycyjnego układu ogrzewczego pionowe rozregulowanie hydrauliczne i cieplne spowodowane centralną regulacją jakościową i niewielką statecznością hydrauliczną instalacji, nadmierne zyski ciepła od przewodów i ochłodzenie wody zasilającej grzejniki, spowodowane zaleceniem podwyŝszania minimalnych średnic przewodów, krąŝenie 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

12 napowietrzanie wody w naczyniu wzbiorczym duŝe ubytki przez odparowanie wody intensywne krąŝenie wody tzw. "martwy obieg" pionowe rozregulowanie ubytki wody przy odpowietrzaniu zbiornika (zbiornik wadliwie zabudowany) krąŝenie wody przez sieć odpowietrzającą między pionami zróŝnicowane schłodzenie wody zasilającej (rozregulowanie cieplne instalacji) zapowietrzanie się grzejników na najwyŝszych kondygnacjach 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, gdyŝ jak wykazują pomiary i analizy bez odpowiedniego przeregulowania instalacji sezonowe zuŝycie ciepła nie maleje, a wręcz wzrasta. 12

13 zmniejszone średnice pionów i gałązek, stosować φ10 mm samoczynne zawory odpowietrzające zawory bezdławicowe dwustawne z głowicami termostatycznymi hermetyczne (bezdławicowe) pompy obiegowe (poŝądana 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, umoŝliwia częściowe wykorzystanie elementów istniejącej instalacji i jest korzystniejszy niŝ system tradycyjny ze względu na: duŝą stateczność hydrauliczną (zwiększone opory instalacji mieszkaniowych), moŝliwość indywidualnego rozliczania odbiorców na podstawie wskazań ciepłomierza, zmniejszenie liczby pionów kosztem zwiększenia ich obciąŝenia (mniejsze ochłodzenie wody zasilającej), moŝliwość odcinania instalacji domowych bez konieczności wyłączania z ruchu całej instalacji, większą estetykę wnętrz (likwidacja pionów, moŝliwość ukrycia przewodów). Najbardziej przydatne do celów modernizacji są ogrzewania poziome jednorurowe (rys. 7) i ogrzewania dwururowe współprądowe (rys. 8). 13

14 zawory dwudrogowe zrównowaŝone 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 (poniŝej 10 mm) zabetonowane w podłodze w tzw. peszlu ochronnym, doprowadzają wodę grzejną do kaŝdego grzejnika. Prowadzenie przewodów w podłodze warunkuje projektowanie duŝych strumieni wody o niskiej temperaturze zasilania. licznik ciepła przewody prowadzone w podłodze 5.2 Ogrzewanie parowe Rys 9. Schemat instalacji ogrzewania wieloobwodowego. 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

15 powraca do kotła. W zaleŝności od ciśnienia wytwarzanej pary wyróŝnia się ogrzewania niskopręŝne (nadciśnienie pary do 70 kpa, któremu odpowiada temperatura 115 C), wysokopręŝne (temperatura C) i podciśnieniowe (podciśnienie w stosunku do ciśnienia atmosferycznego utrzymywane przez pompę próŝniową). Para wodna znalazła zastosowanie w instalacjach ogrzewczych, poniewaŝ jest dobrym i wydajnym nośnikiem ciepła. Jednak instalacje te wymagają stosowania specjalnego osprzętu i rygorystycznych wymagań montaŝowych. 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 moŝe być wykorzystywane, np. w halach targowych, wystawowych, gdzie w przerwach eksploatacyjnych istniałoby niebezpieczeństwo zamarznięcia instalacji wodnych. MoŜe być takŝe 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 duŝo mniejsza bezwładność cieplna, brak niebezpieczeństwa zamarznięcia, mniejsze koszty inwestycyjne (mniejsze średnice przewodów i wielkości grzejników), Wady brak moŝliwości regulacji wydajności kotła, wysoka i praktycznie stała temperatura grzejników, brak akumulacji ciepła w grzejnikach, szybka korozja przewodów (szczególnie kondensacyjnych) oraz grzejników. 5.3 Ogrzewanie powietrzne Nośnikiem ciepła dostarczającym ciepło do pomieszczenia jest powietrze nagrzane, nawet do temperatury C. W zaleŝności od siły napędowej powodującej obieg powietrza rozróŝnia się ogrzewania grawitacyjne i wentylatorowe, zaś w zaleŝności od udziału powietrza zewnętrznego ogrzewania: powietrzem obiegowym, zewnętrznym i mieszanym. Powietrze moŝe być podgrzewane w podgrzewaczach ogniowych (spalanie paliwa), przy wykorzystaniu energii elektrycznej lub pompy ciepła oraz przy uŝyciu nagrzewnic wodnych czy parowych. Ogrzewanie powietrzne grawitacyjne znano juŝ w staroŝytności. Powietrze przepływając przez piec ogrzewa się od jego powierzchni, zmniejsza swoją gęstość i jest tłoczone do przewodów rozprowadzających przez chłodniejsze (cięŝsze) powietrze dopływające innymi kanałami z ogrzewanych pomieszczeń do dolnej części pieca połoŝonego moŝliwie centralnie. Ten rodzaj ogrzewania stosowany był wcześniej w domach jednorodzinnych, podpiwniczonych halach, kościołach itp. i wymagał przystosowania budynku juŝ 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, niŝsza temperatura nawiewu, większa moc źródła ciepła przy tej samej powierzchni grzejnej, mniejsza bezwładność cieplna i większa moŝliwość regulacji temperatury oraz strumienia objętości powietrza, moŝliwość zastosowania urządzeń do obróbki powietrza (filtry, chłodnice, nawil- Ŝacze). 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 (węŝownice zabetonowane w przegrodach budowlanych) przekazują moc cieplną głównie na drodze promieniowania. Wymiana ciepła przez promieniowanie zachodzi zawsze pomiędzy ciałami o róŝnej temperaturze; cieplejsza płaszczyzna ciepło, a chłodniejsza pochłania je, co powoduje podwyŝszenie jej temperatury. W pomieszczeniu ogrzewanym przez promieniowanie temperatura powietrza jest niŝsza, a średnia temperatura powierzchni wyŝsza, dzięki czemu osoba znajdująca się w pomieszczeniu czuje się lepiej. Wśród systemów ogrzewań przez promieniowanie rozróŝnia się: ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe, sufitowe, ścienne) i ogrzewanie taśmami (płytami) promieniującymi. Grzejnik sufitowy ma węŝownicę ułoŝoną 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 26 C (w łazienkach i pasach przyokiennych do 30 C), 15

16 w ogrzewaniu sufitowym C (zaleŝnie od wysokości pomieszczenia), w ogrzewaniu ściennym C. Nośnikiem ciepła w ogrzewaniu ściennym moŝe być tylko woda (rozprowadzana przewodami z tworzyw sztucznych), w ogrzewaniach podłogowych i sufitowych moŝna wykorzystywać równieŝ energię elektryczną. Tablica 7. Zalety i wady ogrzewania płaszczyznowego w porównaniu z ogrzewaniem konwekcyjnym. Zalety lepsze warunki higieniczne i podwyŝszony komfort cieplny: niŝsza temperatura powietrza, równomierny rozkład temperatury w całym pomieszczeniu, mniejsze konwekcyjne ruchy powietrza unoszące kurz i brudzące ściany, brak grzejników, większa estetyka wnętrz, łatwość utrzymania czystości, obniŝenie sezonowego zuŝycia ciepła dzięki niŝszej temperaturze nośnika ciepła, moŝliwość efektywnego zastosowania niekonwencjonalnych, ekologicznych źródeł ciepła jak kondensacyjny kocioł gazowy czy pompa ciepła, właściwości samoregulacji (samoczynna zmiana mocy cieplnej grzejnika w wyniku zmiany temperatury wewnętrznej w pomieszczeniu). Wady duŝą bezwładność cieplną oraz podwyŝszone wymagania w odniesieniu do regulacji eksploatacyjnej, konieczność bardzo precyzyjnego wymiarowania (obliczeń), ograniczanie mocy cieplnej grzejnika (dywan, meble), brak moŝliwości późniejszych zmian wielkości grzejnika, wyŝsze koszty inwestycyjne. 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 przewaŝnie w wysokich halach przemysłowych, kościołach, gdzie odległość płaszczyzny grzejnej od strefy przebywania ludzi wynosi kilka metrów. Dzięki temu moŝliwe jest znaczne zwiększenie temperatury powierzchni grzejnej i zastosowanie nośnika o wysokich parametrach (wody o temperaturze powyŝej 115 C, pary wysokopręŝnej). Taśmy promieniujące składają się z ekranu z blachy stalowej, do którego przymocowana jest węŝownica (wodna lub elektryczna). Zadaniem ekranu jest zwiększenie powierzchni wypromieniowującej moc cieplną oraz przeciwdziałanie niepoŝądanym w tym typie ogrzewania prądom konwekcyjnym. Dostępne są teŝ promienniki podczerwieni panelowe (z otwartą komorą spalania) i rurowe (spalanie wewnątrz przewodów) o bardzo wysokiej temperaturze powierzchni (powyŝej 900 C). Ogrzewanie hal przemysłowych taśmami promieniującymi lub promiennikami ma wiele zalet w porównaniu z ogrzewaniem powietrznym: mniejsze koszty eksploatacyjne (zuŝycie 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 duŝe koszty inwestycyjne i znaczny cięŝar taśm. 5.5 Ogrzewanie miejscowe W ogrzewaniu miejscowym, w odróŝnieniu 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 róŝnego rodzaju piece i kominki zasilane róŝnym 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 takŝe ze względów architektonicznych. Stosowane są równieŝ grzejniki elektryczne akumulacyjne bądź przenośne: grzejniki o wymuszonym przepływie powietrza wyposaŝone w spirale oporowe i wentylatory, grzejniki o niewymuszonym przepływie w kształcie listwy lub zwierciadła wklęsłego wewnątrz którego znajdują się spirale oporowe oraz konwekcyjne grzejniki olejowe z grzałką elektryczną i regulatorem temperatury. 16

17 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 róŝnych 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 zbliŝony 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 wyróŝnia się ogrzewania: sufitowe, podłogowe lub ścienne C Pionowe rozkłady temperatury wewnętrznej dla tradycyjnych systemów centralnego ogrzewania 20 C profil idealny grzejniki konwekcyjne usytuowane przy ścianach zewnętrznych j.w. lecz przy ścianach wewnętrznych profil idealny grzejniki sufitowe 20 C profil idealny ogrzewanie powietrzne 20 C profil idealny ogrzewanie podłogowe Pionowy rozkład temperatury wewnętrznej dla ogrzewania podłogowego C Rys 10. Pionowy rozkład temperatur w pomieszczeniach dla róŝnych typów centralnego ogrzewania. Z uwagi na podwyŝszoną temperaturę powierzchni w pomieszczeniu (temperaturę promieniowania), obniŝona moŝe być odpowiednio temperatura powietrza, co jest podstawową zaletą tych ogrzewań zarówno ze względów komfortu cieplnego, jak i z uwagi na pewne obniŝenie sezonowego zuŝycia energii na ogrzewanie. Ogrzewanie przez promieniowanie ma następujące zalety: 17

18 nie występują w pomieszczeniu grzejniki, a więc korzyści z tego tytułu są ewidentne; zwolnienie powierzchni przeznaczonej na zabudowę grzejników, zwiększona estetyka wnętrz itp., podwyŝszone warunki higieniczne, zarówno przez zmniejszenie ruchów konwekcyjnych w pomieszczeniu, jak i czystości powierzchni ogrzewalnych, podwyŝszenie komfortu cieplnego, niewystępowanie zjawiska przypiekania kurzu, moŝliwość obniŝenia sezonowego zuŝycia 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 moŝna: duŝą bezwładność cieplną oraz podwyŝszone wymagania odpowiedniej regulacji eksploatacyjnej, brak moŝliwości ewentualnych późniejszych zmian wielkości grzejnika, wyŝsze koszty inwestycyjne w porównaniu z innymi systemami ogrzewania. Problem wyŝszych kosztów inwestycyjnych w porównaniu z innymi systemami ogrzewania jest na pewno dyskusyjny. Wynika to między innymi z braku moŝliwości jednoznacznego rozdzielenia przy wykonywaniu grzejnika płaszczyznowego zakresu robót czysto budowlanych od prac czysto instalacyjnych. W uzupełnieniu naleŝy podkreślić fakt, Ŝe 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 moŝna zaliczyć do wad. Przykłady budownictwa w krajach rozwiniętych o podobnym klimacie, rosnące w Polsce koszty energii oraz postęp w zakresie rozliczenia zuŝycia energii, uzasadniają celowość obniŝenia strat cieplnych budynku i stwarzają moŝliwość stosunkowo szybkiego zdyskontowania nakładów inwestycyjnych na rozwiązania energooszczędne poprzez obniŝenie kosztów eksploatacyjnych. Podstawowym wymaganiem dla ogrzewania podłogowego jest ograniczenie średniej temperatury podłogi w strefie stałego przebywania ludzi do wartości t pmax = 26 C. Przekroczenie tej temperatury nie jest wskazane, poniewaŝ pogarszają się warunki komfortu cieplnego. Przy zbyt wysokiej temperaturze grzejnika mogą wystąpić nawet dolegliwości nóg. W łazienkach i pasach przyokiennych dopuszcza się nieco wyŝsze temperatury podłogi (rzędu C). Wymaganie to narzuca ograniczenie strat ciepła pomieszczenia do wielkości ok W/m 2, co nie zawsze jest moŝliwe do zrealizowania. Stosowane są wówczas ogrzewania kombinowane podłogowo-grzejnikowe. W tym przypadku zastosowane mogą być grzejniki elektryczne, traktowane jako szczytowe lub uzupełniające źródło ciepła. Szczegółowe omówienie tego systemu zamieszczono w dalszych rozdziałach poradnika. Ogrzewanie sufitowe, w stosunku do ogrzewań innych rodzajów, ogranicza ruchy konwekcyjne w ogrzewanym pomieszczeniu oraz nie jest w zasadzie naraŝone 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, sprawności przesyłu, sprawności emisji, sprawności regulacji. Świadomość występowania strat energetycznych, wynikających ze sposobu emisji ciepła przez elementy grzejne, nie jest powszechna wśród osób zajmujących się projektowaniem i eksploatacją systemów ogrzewczych. Straty emisji ciepła przy ogrzewaniu pomieszczenia związane są przede wszystkim z usytuowaniem grzejników przy ścianach zewnętrznych oraz występowaniem pionowego gradientu temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu. 18

19 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 zaleŝności 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 poniŝej dotyczą typowych instalacji nowo projektowanych. Instalacje ogrzewcze w budynkach specjalnych (np. w wieŝowcach, kompleksach szpitalnych, duŝych 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 zaleŝności od przeznaczenia obiektu. Rodzaj obiektu Budynki jednorodzinne (obszar wiejski) Budynki jednorodzinne (obszar miejski) Budynki jednorodzinne rekreacyjne Budynki wielorodzinne Biura Szkoły, przedszkola Hale sportowe, wystawowe, targowe Domy towarowe Szpitale Budynki przemysłowe System ogrzewczy centralne ogrzewanie wodne grawitacyjne z kotłem węglowym, przewody stalowe, grzejniki Ŝeliwne bez zaworów termostatycznych. 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. kominek, grawitacyjne ogrzewanie powietrzne, spręŝarkowe pompy ciepła systemu powietrze-powietrze, dodatkowo przenośne promienniki elektryczne (nie naleŝy stosować ogrzewań wodnych). centralne ogrzewanie wodne dwururowe zasilane z miejskiej sieci ciepłowniczej lub z niskotemperaturowego kotła gazowego. ogrzewanie wodne z moŝliwością obniŝenia temperatury wewnętrznej (ogrzewanie dyŝurne) zasilane w miarę potrzeby przez zespół kotłów gazowych z płynną regulacją wydajności, dogrzewanie i kurtyny powietrzne w holu wejściowym. 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. ogrzewanie powietrzne w hali + grzejnikowe w pomieszczeniach pomocniczych, gazowa lub olejowa nagrzewnica powietrza, ogrzewanie dyŝurne. ogrzewanie powietrzne + dyŝurne, kurtyny powietrzne przy wejściach, ogrzewania miejscowe, oddzielny układ ogrzewania dla pomieszczeń pomocniczych. centralne ogrzewanie wodne z grzejnikami jednopłytowymi, obustronnie gładkimi zasilane przez zespół kotłów olejowych z awaryjnym agregatem prądotwórczym. Nie zaleca się ogrzewania powietrznego ani płaszczyznowego. promienniki, taśmy promieniujące, ogrzewanie powietrzne. 19

20 7.2 Regulacja instalacji ogrzewczych Zapotrzebowanie na moc cieplną moŝna określić jako maksymalne straty ciepła pomieszczeń. Instalacje ogrzewcze projektuje się dla tzw. temperatury obliczeniowej 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 załoŝony 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 uŝytkowników 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 zaleŝności od jej zasięgu moŝe 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 zaleŝności 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 moŝe 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 teŝ jakościowo-ilościową, polegająca na zmianie zarówno temperatury, jak i przepływu nośnika ciepła. W czasie eksploatacji instalacji ogrzewczych często okazuje się, Ŝe pomimo zastosowania nowoczesnych regulatorów, niemoŝliwe 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 niŝ 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. 8 Ocena systemu ogrzewania budynku 8.1 Pojęcia podstawowe Budynek referencyjny budynek o takich samych wymiarach i współczynniku kształtu jak budynek oceniany, który spełnia przepisy techniczno-budowlane. Roczne zapotrzebowanie energii w budynku energia dostarczana do celów ogrzewania i chłodzenia oraz przygotowania ciepłej wody, wyraŝona w kwh/a. Wskaźnik EP roczne zapotrzebowanie na energię dostarczoną do budynku, wyraŝony w kwh/m 2 /a. Wskaźnik zintegrowanej oceny energetycznej WZE bezwymiarowy wskaźnik oceny zapotrzebowania na energię dostarczaną do budynku, na podstawie którego określa się tzw. klasę energetyczną budynku. 8.2 Świadectwa charakterystyki energetycznej Świadectwo charakterystyki energetycznej budynku wykonywane jest na podstawie Rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-uŝytkową 20