Systemy ogrzewania

Systemy ogrzewania
Dr inŜ. Paweł Kędzierski
Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa PW
Narodowa Agencja Poszanowania Energii S.A.
Audytor energetyczny KAPE 0142
Charakterystyka ogólna
Ogrzewanie pomieszczeń ma na celu
utrzymanie wymaganej temperatury
wewnętrznej w chłodnych okresach
roku, wpływa na:
temperaturę powietrza
i tzw.
temperaturę promieniowania (średnią
temperaturę otaczających powierzchni)
Higieniczne podstawy ogrzewania
Człowiek w stanie małej aktywności fizycznej
wydziela do otoczenia 100-125 W energii
cieplnej
Podstawowe procesy decydujące o przekazywaniu
ciepła od człowieka do otoczenia są
następujące:
• konwekcja oraz przewodzenie,
• promieniowanie,
• parowanie potu,
• oddychanie.
Przeciętne oddawanie ciepła przez normalnie
ubranego człowieka nie wykonującego
aktywnych czynności ruchowych
Strumień oddawanego ciepła, W
160
140
120
odpa rowywa nie
100
80
konwe kcja
60
prze wodze nie
40
promie niowa nie i in.
20
0
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
Temperatura powietrza, ºC
30
32
34
36
38
Struktura bilansu ciepła oddawanego przez
człowieka do otoczenia (odzieŜ normalna, stan
spoczynku, przeciętne wartości temperatury
i wilgotności względnej powietrza
w pomieszczeniu)
Sposób oddawania ciepła
Konwekcja i przewodzenie
Promieniowanie
Parowanie
Oddychanie
Inne
Razem
Strumień cieplny
W
45
45
17
6
6
119
udział %
38
38
14
5
5
100
Przeciętna ilość ciepła wydzielanego przez ciało
człowieka przy róŜnych poziomach aktywności
fizycznej
Aktywność
Aktywno 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 przy maszynie)
209
CięŜki wysiłek
313
Komfort cieplny
• Zestaw parametrów (zakres) komfortu
cieplnego to stan, w którym człowiek nie
odczuwa ani ciepła, ani chłodu
• Czynniki subiektywne: ubranie, płeć, wiek,
stan zdrowia, nawyki czy teŜ
predyspozycje psychiczne
Podstawowe parametry komfortu
• Temperatura powietrza.
• Prędkość przepływu powietrza wokół
człowieka.
• Temperatura promieniowania (wynikowa).
• Wilgotność powietrza
Temperatura odczuwalna
Temperatura odczuwalna (to) określa
proporcje ciepła traconego przez
człowieka na drodze konwekcji oraz
promieniowania:
to = 0,5⋅( ti + τr ) [oC]
Wielkość temperatury odczuwalnej w naszej
strefie klimatycznej przyjmuje się
w granicach od 19oC do 20oC
Właściwe warunki mikroklimatu wnętrz
zapewnia utrzymanie wymaganej
temperatury odczuwalnej i doprowadzenie
odpowiedniej ilości powietrza świeŜego do
oddychania i usuwania zanieczyszczeń.
W bilansie cieplnym pomieszczenia naleŜy
przewidzieć odpowiednią ilość ciepła na
pokrycie strat ciepła przenikającego przez
przegrody zewnętrzne, jak równieŜ do
podgrzania powietrza wentylacyjnego.
Wymagania stawiane instalacjom
ogrzewczym
Nowoczesne instalacje ogrzewcze powinny:
• zapewniać równomierny, przestrzenny rozkład
temp. odczuwalnej,
• umoŜliwiać regulację temperatury
odczuwalnej,
• zapewniać odpowiedni mikroklimat wnętrz,
• być wyposaŜone w grzejniki estetyczne i łatwe
do czyszczenia,
• być trwałe i charakteryzować się niskim
kosztem eksploatacji,
• być moŜliwie najmniej uciąŜliwe dla
środowiska naturalnego.
Klasyfikacja instalacji ogrzewczych
W skład kaŜdej instalacji ogrzewczej
wchodzi: źródło ciepła, sieć przewodów
wraz z armaturą oraz odbiorniki ciepła.
WyróŜnia się:
• ogrzewanie miejscowe i
• ogrzewanie centralne
Ogrzewanie centralne ze względu na
rodzaj nośnika ciepła dzieli się na:
•
•
•
•
ogrzewanie wodne nisko-, średnioi wysokotemperaturowe,
ogrzewanie parowe,
ogrzewanie powietrzne,
ogrzewanie cieczowe z czynnikiem
niezamarzającym.
Ogrzewanie centralne ze względu na
sposób rozdziału czynnika dzieli się na:
•
•
instalacje dwururowe,
instalacje jednorurowe.
Ogrzewanie centralne ze względu na rodzaj
połączenia z atmosferą dzieli się na:
•
•
instalacje otwarte,
instalacje zamknięte.
Ogrzewanie centralne ze względu na
schemat instalacji dzieli się na:
•
•
•
•
•
instalacje pionowe z rozdziałem
dolnym,
instalacje pionowe z rozdziałem
górnym,
instalacje poziome układ
rozdzielaczowy,
instalacje poziome układ trójnikowy,
instalacje poziome układ pętli.
Podział centralnego ogrzewania wodnego
Kryterium podziału
Charakterystyka
Rodzaj obiegu wody:
ogrzewanie pompowe
ogrzewanie grawitacyjne
Sposób połączenia z
atmosferą:
system zamknięty
system otwarty
PołoŜenie głównych
przewodów
rozprowadzających:
rozdział dolny
rozdział górny
Materiał sieci
przewodów:
instalacje z
instalacje stalowe
tworzyw
sztucznych
Sposób podłączenia
odbiorników ciepła:
ogrzewanie
pętlicowe
rozdzielaczowe
mieszka
mikroprze
dwururowe
niowe
wodowe
instalacje z miedzi
jednoruro
we
Części składowe instalacji ogrzewczych
Konwencjonalne źródła ciepła
• Kotły (na paliwo stałe, gazowe, olejowe,
elektryczne)
• Wymienniki ciepła (sieć ciepłownicza)
• Pompy ciepła (zasilane en. elektryczną,
pozyskują ciepło z otoczenia i
umoŜliwiają jego wykorzystanie na
wyŜszym poziomie temperatury do celów
grzewczych)
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.
Sieć przewodów
Stosuje się rury:
• stalowe ze szwem, gwintowane,
lekkie,
• miedziane,
• z tworzyw sztucznych.
Aby zmniejszyć transportowe straty ciepła
w przewodach instalacji ogrzewczych,
rurociągi izoluje się.
Grzejniki
• Grzejniki konwekcyjne oddają większą
część ciepła na drodze konwekcji (np.
grzejniki członowe Ŝeliwne, grzejniki z rur
gładkich i oŜebrowanych, grzejniki stalowe
płytowe, konwektory)
• Grzejniki promieniujące oddają ciepło
głównie na drodze promieniowania
(grzejniki płaszczyznowe)
Ze względu na proporcje ciepła emitowanego
do pomieszczenia na drodze konwekcji
i promieniowania, róŜnorodne konstrukcje
grzejników sklasyfikować moŜna
następująco:
• Grzejniki płytowe,
• Grzejniki z ogniw Ŝeliwnych,
• Grzejniki z wewnętrznymi kanałami
powietrznymi,
• Konwektory.
Armatura, pompy i urządzenia
zabezpieczające
WyróŜniamy armaturę odcinającą i
sterująco-regulującą, zabezpieczającą,
uzbrojenie pomocnicze oraz inne
urządzenia zabezpieczające.
Armatura odcinająca to zawory i zasuwy:
proste, skośne, gwintowane, słuŜy do
zamykania, otwierania i regulowania
przepływu, temperatury i ciśnienia nośnika
ciepła
Do armatury sterująco-regulującej zalicza
się: zawory redukcyjne, zawory
regulacyjne dwu-, trój- lub czterodrogowe,
podpionowe regulatory przepływu,
temperatury i róŜnicy ciśnień, regulatory
nadmiarowo-upustowe, ograniczniki
temperatury i róŜnicy ciśnień.
Do armatury zabezpieczającej naleŜą
zawory bezpieczeństwa oraz zawory
zwrotne.
Do uzbrojenia pomocniczego zalicza się
urządzenia do odpowietrzania i
odwadniania instalacji oraz do
oczyszczania nośnika ciepła
Centralne ogrzewanie wodne
• grawitacyjne
• pompowe
Ogrzewanie pompowe ma w stosunku do
ogrzewania grawitacyjnego następujące
zalety:
• duŜo większy zakres zastosowania,
• moŜliwość stosowania mniejszych
średnic przewodów,
• wysoka sprawność źródła ciepła i
armatury,
• duŜo mniejsza bezwładność instalacji,
• moŜliwość umieszczania grzejników
poniŜej źródła ciepła.
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
Wady systemowe tradycyjnego układu
ogrzewczego
• 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
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
samoczynne zawory
odpowietrzające
zmniejszone średnice pionów
i gałązek, stosować φ10 mm
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
Ogrzewania mieszkaniowe mają
cechy nowoczesnej instalacji:
•
•
•
•
•
duŜą stateczność hydrauliczną
moŜliwość indywidualnego rozliczania
odbiorców,
zmniejszenie liczby pionów,
moŜliwość odcinania instalacji
domowych,
zapewniają większą estetykę wnętrz.
Ogrzewania dwururowe mieszkaniowe wieloobwodowe
licznik
ciepła
przewody prowadzone w podłodze
Ogrzewanie parowe
Zalety
• duŜo mniejsza bezwładność cieplna,
• brak niebezpieczeństwa zamarznięcia,
• mniejsze koszty inwestycyjne (mniejsze
średnice przewodów i wielkości
grzejników)
Ogrzewanie parowe
Wady
• brak moŜliwości regulacji wydajności
kotła,
• wysoka i praktycznie stała temperatura
grzejników,
• brak akumulacji ciepła w grzejnikach,
• szybka korozja przewodów (szczególnie
kondensacyjnych) oraz grzejników
Ogrzewanie powietrzne
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.
Ogrzewanie powietrzne
Wady
• hałas
• gorszy pionowy rozkład temperatury
• mniej korzystny sposób przekazywania
ciepła
Ogrzewanie przez promieniowanie
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,
Zalety (cd)
• 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).
Ogrzewanie przez promieniowanie
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.
16
18 20
22 24 26°C
profil idealny
grzejniki konwekcyjne usytuowane
przy ścianach
zewnętrznych
j.w. lecz przy
ścianach
wewnętrznych
Pionowe rozkłady
temperatury wewnętrznej
dla tradycyjnych
systemów centralnego
ogrzewania
20°C
profil idealny
grzejniki sufitowe
20°C
profil idealny
ogrzewanie
powietrzne
20°C
profil idealny
ogrzewanie
podłogowe
Pionowy rozkład
temperatury wewnętrznej
dla ogrzewania
podłogowego
16
18 20
22 24 26°C
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.
WyróŜnia się ogrzewania: sufitowe,
podłogowe lub ścienne
Rozmieszczenie róŜnych typów płaszczyzn
grzejnych w przegrodach pomieszczenia:
1 – podłogowe, 2 – sufitowe, 3 – ścienne, 4 – cokołowe,
5 – podparapetowe, 6 – ryglowe, 7 – konturowe
Regulacja instalacji ogrzewczych
• Regulacja wstępna zapewnia załoŜony w
projekcie rozkład temperatury i strumieni
nośnika ciepła, w warunkach
obliczeniowych, moce dobranych
grzejników.
• Regulacja eksploatacyjna zapewnia
temperaturę wewnętrzną stosownie do
upodobań uŜytkowników mimo zmian
temperatury zewnętrznej.
Regulacja eksploatacyjna w zaleŜności od
jej zasięgu moŜe być:
• centralna,
• strefowa,
• miejscowa.
Ze względu na rodzaj korygowanej
wielkości regulacja eksploatacyjna moŜe
być:
• jakościowa,
• ilościowa,
• mieszana.
Sprawność systemu ogrzewania
Stosunek energii jaka byłaby rozpraszana
z pomieszczeń budynku w ciągu sezonu
ogrzewczego przy załoŜeniu utrzymania
w nich określonej temperatury
wewnętrznej
do energii dostarczonej do systemu w ciągu
całego sezonu ogrzewczego.
Iloczyn współczynników sprawności.
W praktyce ogólną sprawność systemu
ogrzewania określa się na podstawie
sprawności składowych, a więc:
• wytwarzania ciepła – przemiany energii
chemicznej paliwa w ciepło
• przesyłania ciepła ze źródła do odbiorników
ciepła (miejsca wykorzystania)
• wykorzystania ciepła – emisji od odbiornika
ciepła do powietrza wewnętrznego
• regulacji dostawy ciepła – dopasowania ilości
dostarczanego ciepła do chwilowych potrzeb
cieplnych budynku/pomieszczenia
Dyrektywa 2002/91/EC i Rozporządzenia
• nakładają obowiązek oceny systemu
ogrzewania budynku/lokalu mieszkalnego
• określają kompetencje osób uprawnionych
do dokonania oceny i sposób ich szkolenia
• będą precyzowały metodykę obliczeń
i formę/wzór świadectwa
• są wprowadzane równolegle ze zmianami
w prawie budowlanym
Ekspert sporządzający świadectwo
• zbiera informacje dotyczące
zastosowanego systemu ogrzewania
(identyfikacja)
• przypisuje współczynniki sprawności
• czasem dokonuje równieŜ oceny
subiektywnej
(np. określa stan techniczny urządzeń)
• określa punkt odniesienia oceny
(wskazuje budynek referencyjny)
• wykonuje obliczenia i nadaje klasę
Wartość współczynnika sprawności
• wytwarzania zaleŜy od konstrukcji
urządzenia produkującego ciepło, rodzaju
paliwa bądź źródła energii
• przesyłania zaleŜy od odległości na jaką
przesyłane jest ciepło i stopnia izolacji
cieplnej instalacji (głównie sieci
przewodów)
Wartość współczynnika sprawności
• wykorzystania zaleŜy od rodzaju
odbiorników ciepła
• regulacji zaleŜy od rodzaju instalacji
i zastosowanych urządzeń regulacyjnych
(regulacja centralna, strefowa, miejscowa)
Wartości współczynników sprawności
zostały w większości przypadków
jednoznacznie określone.
Subiektywna ocena eksperta
• 0,50 – 0,65 (sprawność wytwarzania kotłów
węglowych wyprodukowanych przed 1980 r.)
• 0,25 – 0,40 (wytwarzanie, piece kaflowe)
• 0,92 – 0,95 (przesył, izolowane przewody)
• 0,80 – 0,95 (przesył, sieć osiedlowa)
• 0,96 – 0,98 (miejscowa regulacja instalacji c.o.)
• 0,98 – 0,99 (regulacja centralna i miejscowa)
Charakterystyka energetyczna budynku
- pojęcia podstawowe • Budynek referencyjny (WT 2008)
• Roczne zapotrzebowanie energii w budynku
(do ogrzewania i wentylacji), QH,nd , kWh/rok
• Roczne zuŜycie energii w budynku
(uwzględnia sprawność systemu), QH, kWh/rok
• Wskaźnik EP, kWh/m2/rok
• Wskaźnik zintegrowanej oceny energetycznej
WZE
Budynek referencyjny
• spełnia aktualne przepisy techniczno-budowlane
• takie same wymiary i współczynnik kształtu jak
budynek/lokal mieszkalny oceniany
• poszczególne sprawności równe górnej granicy
przedziałów ich zmienności
• sprawność wytwarzania z osobnej tabeli
• minimalne wartości współczynników sprawności
przesyłu, wykorzystania i regulacji
Dotychczasowe kryteria oceny
•
•
•
•
•
•
•
poziom komfortu cieplnego
koszt inwestycyjny i eksploatacyjny
estetyka i łatwość obsługi
efektywność energetyczna
niezawodność działania
poziom zaawansowania rozwiązań
wpływ źródła ciepła na środowisko
Świadectwo charakterystyki
energetycznej (system ogrzewania)
• identyfikacja systemu ogrzewania obiektu
• określenie sprawności systemu ogrzewania
budynku ocenianego i referencyjnego
• określenie rocznego zapotrzebowania na
energię do ogrzewania i wentylacji budynku
ocenianego i referencyjnego
• określenie rocznego zuŜycia energii (brutto) do
ogrzewania i wentylacji przy normatywnych
warunkach uŜytkowania
Elementy systemu ogrzewania
• źródło ciepła: nośnik energii (sieć
miejska, paliwo gazowe/płynne, węgiel,
biomasa, energia elektryczna, energia
odnawialna); rodzaj/konstrukcja źródła
(kocioł, wymiennik, pompa ciepła)
• odbiorniki ciepła: grzejniki (ogniwowe,
płytowe, konwektory, płaszczyznowe);
rodzaj czynnika grzewczego (woda,
powietrze, energia elektryczna)
Elementy systemu ogrzewania
• sieć przewodów: stopień izolacji cieplnej,
lokalna sieć osiedlowa, ogrzewanie
mieszkaniowe, ogrzewanie miejscowe
• rodzaj instalacji: centralna (regulacja
pogodowa, strefowa, miejscowa);
miejscowa (np. elektryczne grzejniki
bezpośrednie); bezwładność regulacji
(piece akumulacyjne, odbiorniki
promieniujące, konwekcyjne lub
konwektorowe)
Obliczenie rocznego zapotrzebowania
na ciepło i zuŜycia energii
• metoda bilansów miesięcznych od
września do maja, jeśli dodatnia wartość
zapotrzebowania ciepła do ogrzewania i
wentylacji
• róŜnica w okresie miesięcznym strat i
zysków ciepła z uwzględnieniem
współczynnika wykorzystania zysków
ciepła
Zakończenie
• Dyrektywa = instrument realizacji celów Unii
(redukcja zuŜycia energii, redukcja emisji CO2,
wzrost bezpieczeństwa energetycznego)
• Systematyka w zakresie klasyfikacji
energetycznej budynków/lokali mieszkalnych
• Promocja systemów o wysokiej efektywności
energetycznej i źródeł odnawialnych
• Brak ostatecznej wersji Rozporządzenia,
nadal nie ustalono metodyki obliczeń
Dziękuję za uwagę.