dr inŝ. Paweł Kędzierski dr inŝ. Michał Strzeszewski Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Politechniki Warszawskiej Narodowa Agencja Poszanowania Energii S.A. Instalacje ogrzewania (cz. 2) 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 1
najbardziej rozpowszechnionym systemem ogrzewania zarówno w budownictwie mieszkaniowym, przemysłowym, jak i uŝyteczności publicznej. Ogrzewanie pompowe ma w stosunku do ogrzewania grawitacyjnego następujące zalety: 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. 5. 2
napowietrzanie wody w naczyniu wzbiorczym duŝe ubytki przez odparowanie wody 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 intensywne krąŝenie 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, gdyŝ jak wykazują pomiary i analizy bez odpowiedniego przeregulowania instalacji sezonowe zuŝycie ciepła nie maleje, a wręcz wzrasta. 3
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). 4
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) 5
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 140 150 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. 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 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 (najczęściej 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 emituje 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, 6
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 29 C (w łazienkach 33 C, a strefach brzegowych 35 C), w ogrzewaniu sufitowym 30 35 C (zaleŝnie od wysokości pomieszczenia), w ogrzewaniu ściennym 35 45 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 niewymuszo- 7
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 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. 16 18 20 22 24 26 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 16 18 20 22 24 26 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 8
ogrzewań zarówno ze względów komfortu cieplnego, jak i z uwagi na pewne obniŝenie sezonowego zuŝycia 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., 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 nośników 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 = 29 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 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/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. 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 akumulacji, sprawności przesyłu (transportu, dystrybucji), sprawności emisji (wykorzystania), sprawności regulacji dostawy ciepła. Świadomość występowania strat energetycznych, wynikających ze sposobu emisji ciepła przez elementy grzejne, nie jest powszechna wśród osób zajmujących się projektowaniem i eksploatacją systemów ogrzewczych. 9
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 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. 10
7.2 Regulacja instalacji ogrzewczych Zapotrzebowanie na moc cieplną moŝna 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 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. 11