Przypomnienie Dostępne metody

Obliczanie
zapotrzebowania ciepła
na cele c.w.u.
Wykład 8
1
Przypomnienie
Systemy rozdzielne
mzam = mmax = msco + ms cw max
Systemy dwu funkcyjne
mśr = msco + ms cwśr
Z priorytetem
mśr ≥ ms cwmax
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/m3]
Qcw - strumień podgrzewany [dm3/s]
tc - temperatura wody na wyjściu z
podgrzewacza [°C]
tw - temperatura wody zimnej [°C]
6
Qcw - strumień podgrzewany [dm3/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; m3/d, dm3/d, kg/h
qhśr - średnie godzinowe zapotrzebowanie na
ciepłą wodę; m3/h, dm3/h, kg/h
qhmax - maksymalne godzinowe zapotrzebowanie
na ciepłą wodę; m3/h, dm3/h, kg/h
Dopuszczalne uproszczenie: 1dm3 = 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, dm3/(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 dm3/(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
Kh
Zależy od:
‣ przeznaczenia
‣ wielkości obiektu
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
Współczynnik Kh
50
100
150
200
300
500
1000
3000
6000
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
% Qdt
8
6
3
0:00
23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
11:00
12:00
9:00
10:00
8:00
7:00
6:00
5:00
4:00
3:00
2:00
1:00
0
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/m3
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 Vc =
4m3 każdy. Pojemność użytkowa:
Vu = 0,85·Vc = 0,85·16,0 = 13,6 m3
• Dobór wężownic:
m2
– Qh – średnie godzinowe zapotrzebowanie ciepła:
GODZINA 24:00
WARSTWA I
C’24 = 16,8%·Qdt = 774 312 kJ
t’24 = t19 = 60°C
Pozostała objętość bojlerów będzie wypełniona wodą
o temperaturze niższej (WARSTWA II):
V’’24 = Vu – V’24 = 13,6 – 3,7 = 9,9 m3
Zasób ciepła zmagazynowany w tej ilości wody:
C’’24 = 20,8%·Qdt = 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)
b) Rozbiór wody jest mniejszy od ilości
wody dostarczanej przez pompę
G=0
G=10
G=3
G=10
B
G=10
B
G=7
G=10
G=7
G=0
G=10
A
A
G=10
G=3
Praca układu Chłudowa przy różnych
warunkach rozbioru wody
c) Rozbiór wody równa się ilości wody d) Maksymalny rozbiór wody (rozładowanie
podawanej przez pompę
zasobnika)
G=10
G=10
B
G=30
G=10
B
G=20
G=0
G=0
A
G=20
G=10
G=10
A
G=10
Układy z zasobnikiem ciepłej
wody - z niepełną akumulacją
47
Układy z niepełną akumulacją
Obliczeniową objętość zbiornika można
wyznaczyć z:
Vzobl = 90 · φobl · n · log Kh, dm3
G=30
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 = ( Vzrz / Vzobl ) · 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 m3/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:
Ghśr = 20000 / 24 = 833 l/h = 0,23 l/s
Średnie zapotrzebowanie na moc wynosi:
Qhśrcwu = qhśr · 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:
VZrz = 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):
Ghmax = 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:
Qhmaxcwu = qh,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 = Ghmax / Ghśr = 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:
Qzrcwu = Qcwuhmax · 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
DIN 4708
Liczba znamionowa:
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.
Procedura
82
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.
liczba jednostek odniesienia
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
ciepło właściwe wody, przyjmowane jako 4,19 kJ/(kgK),
gęstość wody, przyjmowana jako 1000 kg/m3
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/cm2
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), mm2
p3 - ciśnienie czynnika grzejnego na zasilaniu
podgrzewacza, kG/cm2
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