Obliczanie zapotrzebowania ciepła na cele c.w.u. Wykład 8 1 Przypomnienie Systemy rozdzielne m zam = m max = ms co + ms cw max Systemy dwu funkcyjne Z priorytetem m śr = ms co + ms cw śr m śr ms cw max 2 Dostępne metody bezpośrednie wyliczenie, obliczenia samodzielne norma PN-92/B-01706 norma DIN 4708 certyfikaty energetyczne 3
Sprawność instalacji c.w.u. 4 Obliczenie bezpośrednie Zastosowanie: podgrzewacze przepływowe składowa zapotrzebowania na c.w.u. w kotłach dwufunkcyjnych bez zasobnika 5 Ecw - energia potrzebna do przygotowania ciepłej wody [kj] Ecw = ccw ϱ Qcw (tc - tz) ccw - ciepło właściwe wody, 4,2 kj/(kg C) ϱ - gęstość wody [kg/m 3 ] Qcw - strumień podgrzewany [dm 3 /s] tc - temperatura wody na wyjściu z podgrzewacza [ C] tw - temperatura wody zimnej [ C] 6
Qcw - strumień podgrzewany [dm 3 /s] pojedynczy punkt czerpalny więcej punktów czerpalnych q - strumień rzeczywisty 7 tc - temperatura wody na wyjściu z podgrzewacza [ C] wymagana max 60 C wymagana min 55 C użytkowa max 44 C (mycie i kąpiel 38 C) 8 tw - temperatura wody zimnej [ C] Ujęcie wody: podziemne 7 12 C powierzchniowe 3 23 C Zmiana temperatury w czasie transportu: podziemne cały rok 1 2 C powierzchniowe, ogrzanie zimą, ochłodzenie latem o 1 2 C 9
Woda powierzchniowa ujmowana z Wisły 1988-1993 (średnie miesięczne) 10 Jednostkowa energia potrzebna do przygotowania 1 dm3 wody ciepłej 12
Udział wody ciepłej i zimnej podczas poboru wody z baterii czerpalnej 13 PN-92/B01716 Przepływ obliczeniowy do doboru centralnego urządzenia przygotowania wody ciepłej. 14 PN-92/B01716 qdśr = U qc qhśr = qdśr / τ qhmax = qhśr Nh 15
PN-92/B01716 qdśr = U qc qhśr = qdśr / τ qhmax = qhśr Nh qdśr - średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę; m 3 /d, dm 3 /d, kg/h qhśr - średnie godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę; m 3 /h, dm 3 /h, kg/h qhmax - maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę; m 3 /h, dm 3 /h, kg/h Dopuszczalne uproszczenie: 1dm 3 = 1 kg 16 PN-92/B01716 qdśr = U qc qhśr = qdśr / τ qhmax = qhśr Nh U - liczba użytkowników zaopatrywanych z węzła ciepłej wody qc - jednostkowe dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę dla użytkownika, dm 3 /(M d) τ - liczba godzin użytkowania instalacji w ciągu doby, h/d Nh - współczynnik nierównomierności godzinowej rozbioru wody 17 PN-92/B01716 Dla budynków mieszkalnych: 1 użytkownik = 1 mieszkaniec qc = 110 130 dm 3 /(M d) τ = 18 h/d 06h00-24h00 Nh = 9,32 U -0,244 Dla innych użytkowników powyższe wielkości należy ustalić analizując sposób korzystania z instalacji ciepłej wody. 18
PN-92/B01716 Obliczeniowa moc cieplna wymiennika ϕ [kw] ϕ = q cw ϱ (tc - tz) q - obliczeniowy przepływ ciepłej wody, odpowiednio do sposobu podgrzewania wody i akumulacyjności urządzeń do podgrzewania wody 19 PN-92/B01716 Obliczeniowa moc cieplna wymiennika ϕ [kw] ϕ = q cw ϱ (tc - tz) q = qdśr q = qhśr q = qhmax 20 PN-92/B01716 Obliczeniowa moc cieplna wymiennika ϕ [kw] ϕ = q cw ϱ (tc - tz) cw - ciepło właściwe wody ϱ - gęstość wody tc - obliczeniowa temperatura wody ciepłej 60 C tz - obliczeniowa temperatura wody zimnej 10 C 21
PN-92/B01716 Uzyskane w wyniku tej metody wskaźniki zużycia ciepłej wody oraz jej nierównomierności poboru dają zawyżone wyniki zapotrzebowania na moc cieplną, z uwagi na przyjęcie zawyżonych w chwili obecnej wskaźników zapotrzebowania i nierównomierności poborów ciepłej wody. 22 Układy z zasobnikiem ciepłej wody Współczynnik akumulacji: φ = 0 oznacza brak akumulacji w układzie φ = 1 oznacza pełną akumulację w układzie Współczynnik nierównomierności rozbioru wody Charakteryzuje wielkość zmian w rozbiorze cwu w danym obiekcie. Kh = Ghmax / Ghśr http://static.wix.com/media/a8f6db349d2d23ecd465776772ab08cd.wix_mp 23
Współczynnik nierównomierności rozbioru wody Zależy od: przeznaczenia wielkości obiektu Kh Budynki mieszkalne - zależy od liczby mieszkańców Inne obiekty - wartości poboru max i śr. należy opracować na podstawie analizy zużycia wody. Sposoby wyznaczania współczynnika nierównomierności Wg PN-92/B-01706 Kh = 9.32 n -0.244 n - liczba mieszkańców Sposoby wyznaczania współczynnika nierównomierności Inny sposób wg literatury Liczba mieszkańców 50 100 150 200 300 500 1000 3000 6000 Współczynnik Kh 4.5 3.5 3.0 2.9 2.7 2.5 2.3 2.1 2.0
Sposoby wyznaczania współczynnika nierównomierności Inny sposób wg literatury: Mańkowski Współczynnik redukcji określa wpływ zasobników na pracę układu przygotowania c.w.u. Pozwala określić zmniejszenie maksymalnej mocy potrzebnej do przygotowania c.w.u. ze względu na akumulację ciepła w układzie. Współczynnik redukcji Zależy od: wielkości współczynnika akumulacji φ nierównomierności rozbioru Kh
Zredukowana moc układu przygotowania c.w.u. Układy z pełną akumulacją Układ przygotowania ciepłej wody użytkowej, w którym zastosowano pełną akumulację, jest to układ pozwalający zachować stałą dostawę ciepła niezależnie od wielkości aktualnego poboru ciepłej wody użytkowej. Współczynnik akumulacji φ = 1 Zaleta: wyrównanie poboru ciepła przez układ Wada: duża objętość zasobników Obliczanie układu z pełną akumulacją Ze względu na stałą dostawę ciepła, konieczne jest dokładne obliczenie systemu, aby bez względu na wielkość poboru zachowana została temperatura wody. W tym celu należy przygotować całkowy wykres zużycia c.w.u.
Wykres 1 Schodkowy wykres rozbioru ciepłej wody użytkowej 11 8 % Qdt 6 3 0 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 Godzina Całkowy wykres dostaw i zużycia c.w.u. Cmax - maksymalna odległość między krzywą rozbioru a krzywą dostawy ciepła (lub prostą pomocniczą, gdy krzywa dostawy przecina się z krzywą rozbioru), [%] Objętość użytkowa zasobnika na podstawie wykresu Cmax - maksymalna odległość między krzywą rozbioru a krzywą dostawy ciepła (lub prostą pomocniczą, gdy krzywa dostawy przecina się z krzywą rozbioru), [%]
Objętość użytkowa zasobnika na podstawie wykresu Qd - dobowe zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania c.w.u., kj ρ - gęstość wody w temperaturze panującej w zasobniku, kg/m 3 cp - ciepło właściwe wody w temperaturze w zasobniku, kj/(kg K) tg - maksymalna temperatura w zasobniku, C td - minimalna temperatura w zasobniku, C Przykład z procedury obliczeniowej
Objętość całkowita podgrzewaczy przy założeniu, że wężownice zajmują około 15% objętości: Przyjęto 4 podgrzewacze pojemnościowe WP6 nr 9 o V c = 4m 3 każdy. Pojemność użytkowa: V u = 0,85 V c = 0,85 16,0 = 13,6 m 3 Dobór wężownic: m 2 Q h średnie godzinowe zapotrzebowanie ciepła: GODZINA 24:00 WARSTWA I C 24 = 16,8% Q dt = 774 312 kj t 24 = t 19 = 60 C Pozostała objętość bojlerów będzie wypełniona wodą o temperaturze niższej (WARSTWA II): V 24 = V u V 24 = 13,6 3,7 = 9,9 m 3 Zasób ciepła zmagazynowany w tej ilości wody: C 24 = 20,8% Q dt = 958 672 kj Ponieważ: Zatem:
Przykład obliczenia układu wymiennik - zasobnik (fragment) 43 Schemat układu Chłudowa 1. Połączenie szeregowe 2. Połączenie równoległe Praca układu Chłudowa przy różnych warunkach rozbioru wody a) Brak rozbioru wody (ładowanie zasobnika) G=0 b) Rozbiór wody jest mniejszy od ilości wody dostarczanej przez pompę G=3 G=10 B G=10 G=10 B G=7 G=10 G=7 G=10 A G=0 G=10 A G=3
Praca układu Chłudowa przy różnych warunkach rozbioru wody c) Rozbiór wody równa się ilości wody podawanej przez pompę G=10 d) Maksymalny rozbiór wody (rozładowanie zasobnika) G=30 G=10 B G=0 G=10 B G=20 G=0 G=20 G=10 A G=10 G=10 A G=30 Układy z zasobnikiem ciepłej wody - z niepełną akumulacją 47 Układy z niepełną akumulacją Obliczeniową objętość zbiornika można wyznaczyć z: Vz obl = 90 φobl n log Kh, dm 3
Układy z niepełną akumulacją φobl złożony współczynnik akumulacji pozwalający uzyskać zmniejszenie objętości zasobnika (w stosunku do pełnej akumulacji) i w wyraźnym stopniu wyrównać dostawę ciepła zaleca się przyjmować φ = 0,15 0,35 Układy z niepełną akumulacją Po wyznaczeniu obliczeniowej objętości zasobnika należy dokonać jego doboru, następnie, gdy znamy jego objętość rzeczywistą, wyznaczamy rzeczywisty współczynnik akumulacji: φrz = ( Vz rz / Vz obl ) φobl Układy z niepełną akumulacją Gdy znany jest współczynnik akumulacji, można wyznaczyć współczynnik redukcji, umożliwiający prawidłowe obliczenie układu przygotowania c.w.u. z uwzględnieniem wpływu zasobnika na jego pracę: Ψ = 1 / ((Kh - 1) φ +1)
Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania 52 Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Dla instalacji c.w.u. o rozbiorze dobowym, zgodnym z rysunkiem, dla dobowego zużycia ciepłej wody na poziomie 20 m 3 /d, obliczyć objętość zasobnika oraz moc układu przygotowania c.w.u. dla założonej pełnej akumulacji oraz dla akumulacji częściowej. Wymagana temperatura c.w.u. wynosi 60 C. Temperatura wody zimnej wynosi 10 C. Wykres dobowego rozbioru c.w.u. dla budynku mieszkalnego
Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Układ z pełną akumulacją Pojemność zasobnika dla pełnej akumulacji określa się w zależności od maksymalnej różnicy rzędnych między wykresem dostawy ciepła i rozbioru c.w.u.. Dla układu z pełną akumulacją dostawa ciepła jest stała, równa średniemu zapotrzebowaniu na moc do przygotowania c.w.u. Całkowy wykres dostaw i zużycia c.w.u. Cmax - maksymalna odległość między krzywą rozbioru a krzywą dostawy ciepła (lub prostą pomocniczą, gdy krzywa dostawy przecina się z krzywą rozbioru), [%] Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Układ z pełną akumulacją Dla rozbioru zgodnego z wykresem całkowym Cmax wynosi 34,3% Objętość zasobnika dla pełnej akumulacji: Vmax = Cmax Qd = 0,343 20000 = 6860 l
Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Średnie godzinowe zapotrzebowanie na c.w.u. wynosi: Gh śr = 20000 / 24 = 833 l/h = 0,23 l/s Średnie zapotrzebowanie na moc wynosi: Q hśr cwu = q hśr cp (tcwu - twz) = 0,23 4,19 50= = 48 kw Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Układ z pełną akumulacją wymaga mocy wymiennika wynoszącej 48 kw oraz zasobnika o pojemności 6860 litrów. Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Układ z częściową akumulacją (częściej projektowane) Założono współczynnik akumulacji: φ = 0,25 Objętość podgrzewacza powinna wynieść: VZ rz = 0,25 6860 = 1715 litrów
Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Układ z częściową akumulacją Do wyznaczenia zredukowanej mocy cieplnej konieczne jest obliczenie współczynnika nierównomierności rozbioru i współczynnika redukcji. Wykres dobowego rozbioru c.w.u. dla budynku mieszkalnego Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Układ z częściową akumulacją Maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na c.w.u., zgodnie z wykresem zużycia ciepłej wody, wynosi (maksymalny procent zużycia to 12% QD dla godziny między 19 a 20): Gh max = 0,12 20000 = 2400 l/h = 0,67 l/s
Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Układ z częściową akumulacją Maksymalne zapotrzebowanie na moc wynosi: Q hmax cwu = q h,max cp (tcwu - twz) = = 0,67 4,19 50 = 140 kw Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Układ z częściową akumulacją Współczynnik nierównomierności rozbioru: Kh = Gh max / Gh śr = 0,67/0,23 = 2,9 Współczynnik redukcji: Ψ = 1/((2,9-1) 0,25 + 1) = 0,68 Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Układ z częściową akumulacją Zredukowane zapotrzebowanie na moc cieplną: Q zr cwu = Qcwu hmax Ψ = 0,68 140 = 95 kw Układ z akumulacją częściową wymaga doboru podgrzewacza pojemnościowego o mocy 95 kw oraz pojemności 1715 litrów.
Przykład obliczenia objętości zasobnika oraz zapotrzebowania Porównanie wyników Akumulacja pełna: mocy wymiennika wynoszącej 48 kw oraz zasobnika o pojemności 6860 litrów. Akumulacją częściowa: podgrzewacza pojemnościowego o mocy 95 kw oraz pojemności 1715 litrów. DIN 4708 68 DIN 4708 Podstawą do obliczeń zapotrzebowania ciepła przy przygotowaniu ciepłej wody wg DIN 4708 jest liczba znamionowa zapotrzebowania N dla budynku mieszkalnego. 69
DIN 4708 Przy doborze podgrzewacza liczba NL w dokumentacji musi być: NL > N N - liczba z obliczeń dla instalacji 70 DIN 4708 Liczba NL - informuje o tym ile standardowych mieszkań może być zaopatrzonych przez konkretny podgrzewacz 71
DIN 4708 Standardowe mieszkanie: Liczba pokoji r = 4 Obliczeniowa liczba mieszkańców p=3,5 osoby Wyposażenie mieszkania w przybory sanitarne: 1 wanna, 1 umywalka, 1 zlewozmywak 74 DIN 4708 Standardowe mieszkanie: Pobór ciepła na jedną kąpiel w wannie: Wv = 5820 Wh Współczynnik zapotrzebowania N = 1 75
DIN 4708 W budynkach mieszkalnych do obliczeń zapotrzebowania na ciepło uwzględnia się tylko wannę. Mieszkania lepiej wyposażone przelicza wg wyposażenia na wielokrotność mieszkania standardowego. 76 Liczba znamionowa: DIN 4708 N = ( n p v wv) / (3,5 5820) = = ( n p v wv) / 20370 n - liczba mieszkań (takich samych pod względem liczby pokoji, wyposażenia i mieszkańców) p - liczba osób (rzeczywista liczba osób w mieszkaniu, lub na podstawie liczby pokoji i tabeli) 77 DIN 4708 v - ilość punktów poboru ciepłej wody w każdym mieszkaniu, uwzględniane w obliczeniach (mieszkanie standardowe lub komfortowe) wv - zapotrzebowanie na ciepło dla punktów poboru [Wh] 78
Liczba pomieszczeń 79 Zapotrzebowanie na ciepło 80 Świadectwa charakterystyki energertycznej budynku Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 6 listopada 2008 Dz.Ust. 2008 nr 201 poz.1240 w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość technicznoużytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej 81
Metoda: Świadectwa charakterystyki Zużycie energii potrzebnej do przygotowania c.w.u. tok obliczeniowy do określenia charakterystyki energetycznej budynków i mieszkań metoda ta nie służy do określania bezwzględnej wartości energii potrzebnej do przygotwania c.w.u. 82 Procedura Roczne zapotrzebowanie na energię użytkową wzór 1.29 s.38 Rozporządzenia Jednostkowe dobowe zużycie ciepłej wody użytkowej należy przyjmować na podstawie dokumentacji projektowej, pomiarów zużycia w obiekcie istniejącym lub w przypadku braku danych na podstawie Tabeli 15. ciepło właściwe wody, przyjmowane jako 4,19 kj/(kgk), liczba jednostek odniesienia gęstość wody, przyjmowana jako 1000 kg/m3 czas użytkowania (miesiąc, rok - przeważnie 365 dni), czas użytkowania należy zmniejszyć o przerwy urlopowe i wyjazdy i inne uzasadnione sytuacje, średnio w ciągu roku o 10% - dla budynków mieszkalnych mnożnik korekcyjny dla temperatury ciepłej wody innej niż 55 C, wg dokumentacji projektowej lub Tabeli 14 temperatura ciepłej wody w zaworze czerpalnym,55 C temperatura wody zimnej, przyjmowana jako 10 C 84 /138
Dobowe ilości wody Roczne zapotrzebowanie na energię końcową QK,W = QW,nd / ηw,tot QK,W - roczne zapotrzebowanie na en. końcową QW,nd - zapotrzebowanie ciepła na podgrzanie ciepłej wody kwh/a ηw,tot - sprawność całkowita układu przygotowania c.w.u. Sprawność instalacji c.w.u. średnia sezonowa sprawność całkowita systemu przygotowania cwu od wytworzenia do dostarczenia do punktu czerpalnego średnia sezonowa sprawność wytworzenia nośnika ciepła z energii dostarczanej do granicy bilansowej budynku (energii końcowej), średnia sezonowa sprawność transportu (dystrybucji) ciepłej wody w obrębie budynku (osłony bilansowej lub poza nią), średnia sezonowa sprawność akumulacji ciepłej wody w elementach pojemnościowych systemu ciepłej wody (w obrębie osłony bilansowej lub poza nią), średnia sezonowa sprawność wykorzystania (przyjmuje się 1,0) 87 /138
Sprawność wytwarzania Sprawność przesyłu wody Sprawność zasobnika
Urządzenia pomocnicze Nośnik energii końcowej Zawór bezpieczeństwa w układach przygotowania c.w.u. PN-76 / B-02440 Zabezpieczenie urządzeń ciepłej wody użytkowej. Wymagania; Norma wycofana bez zastąpienia Rozporządzenie nadal odwołuje się do tej normy. 93
Wzór #1 Dla urządzeń ciepłej wody zasilanych czynnikiem grzejnym o temperaturze do 165 C i ciśnieniu czynnika grzejnego niższym od ciśnienia dopuszczonego podgrzewacza, jak również dla podgrzewaczy elektrycznych. Średnica kanału dolotowego G - przepustowość zaworu bezpieczeństwa, kg/h G = 0.16 V V - pojemność wodna podgrzewacza lub podgrzewacza i zasobnika ciepłej wody, l
Wzór #2 Dla urządzeń ciepłej wody zasilanych wodą grzejną o temperaturze do 165 C i ciśnieniu wyższym od ciśnienia dopuszczonego podgrzewacza. Średnica kanału dolotowego p1 - ciśnienie dopuszczalne podgrzewacza p2 - ciśnienie na wylocie z zawory (przy wylocie do atmosfery p2 = 0), kg/cm 2 α - współczynnik wypływowy zaworu bezpieczeństwa wg danych katalogowych (podany dla gazu) ɣ1 - ciężar objętościowy wody grzejnej przy najniższej, występującej na zasilaniu podgrzewacza, temperaturze tej wody Średnica kanału dolotowego αc1 - współczynnik wypływowy wody dla pękniętej rury grzejnej αc1 = 1 niezależnie od średnicy rury (wężownicy) F - powierzchnia przekroju wewnętrznego rury grzejnej (wężownicy), mm 2 p3 - ciśnienie czynnika grzejnego na zasilaniu podgrzewacza, kg/cm 2
Średnica kanału dolotowego b - współczynnik zależny od różnicy ciśnienia czynnika grzejnego i ciśnienia dopuszczonego dla podgrzewacza (p3-p1) 5 kg/cm2 b = 1 (p3-p1) > 5 kg/cm2 b = 2 Literatura 102
Literatura 103