Instalacje Ogrzewania cz. 1

dr inŜ. Paweł Kędzierski
dr inŜ. Michał Strzeszewski
Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Politechniki Warszawskiej
Narodowa Agencja Poszanowania Energii S.A.
Instalacje ogrzewania (cz. 1)
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 100÷125 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
Strumień oddawanego ciepła, W
160
140
120
odparowywanie
100
80
konwekcja
60
przewodzenie
40
promieniowanie i in.
20
0
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
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
Konwekcja i przewodzenie
W
45
udział
38%
Promieniowanie
Parowanie
45
17
38%
14%
Oddychanie
Inne
6
6
5%
5%
119
100%
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
Korpus
Ręce
z przedramionami
Głowa
Nogi (stopy)
NatęŜenie
strumienia
2
ciepła, W/m
49
Wielkość
powierzchni
wymiany
2
ciepła, m
1,84
73
0,16
12
121
0,055
7
143
0,034
10
2,09
119
Razem
2
Strumień
oddany do
otoczenia,
W
90
Uwagi
Przewodzenie ciepła
od stóp do podłogi
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
Pozycja leŜąca
Pozycja siedząca zrelaksowana
Pozycja stojąca zrelaksowana
Praca siedząca (np. w biurze, w domu, w szkole)
Lekki wysiłek w pozycji stojącej (np. zakupy, lekka praca)
Średni wysiłek (np. sprzedawca, prace domowe, praca
przy maszynie)
CięŜki wysiłek
Moc cieplna, W
83
104
126
146
167
209
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 odzieŜy 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 (to) określa proporcje ciepła traconego przez człowieka na drodze
konwekcji oraz promieniowania i jest w uproszczeniu przyjmowana jako średnia arytmetyczna
z temperatury powietrza (ti) oraz temperatury promieniowania przegród (τr ).
o
to = 0,5⋅( ti + τr ) [ C]
Wielkość temperatury odczuwalnej w naszej strefie klimatycznej przyjmuje się w granicach od
º
19 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
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 Polskiej Normy PN-B-03406:1994 przy obliczaniu zapotrzebowania na
ciepło dla ogrzewanych pomieszczeń, stosowanie dodatku d1 zwiększającego moc cieplną grzejnika
odpowiednio od liczby tzw. „przegród chłodzących” (im większa liczba przegród chłodzących, tym
niŜsza temperatura promieniowania). Temperatura powietrza w pokoju podczas odbioru instalacji powinna wynosić przy stosowaniu grzejników konwekcyjnych:
– dla jednej przegrody chłodzącej ti = 20°C,
– dla dwóch przegród chłodzących ti = 21°C,
– dla trzech przegród chłodzących ti = 22°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 najczęściej 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
19÷20°C. Ni Ŝsza 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 odbiega ć znacznie od średniej (ok. 24°C), mo Ŝliwie 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 si ę na powierzchniach grzejnych proces przypiekania pyłów organicznych zawartych w powietrzu, 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
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 70–80°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.
Klasyfikacja ogólna
Tradycyjny
Rodzaj systemu
Klasyfikacja szczegółowa
Wysokotemperaturowy
Średniotemperaturowy
Niskotemperaturowy
3.4
Niskotemperaturowy
Bardzo niskotemperaturowy
Temperatura
zasilania
Temperatura
powrotu
90÷95°C
55°C
70°C
35÷45°C
45°C
35°C
25÷35°C
25°C
Nośnik ciepła
Nośnikiem ciepła w instalacjach centralnego ogrzewania moŜe być:
woda,
roztwór glikolu (zabezpiecza przed zamarznięciem),
olej,
powietrze,
para wodna.
5
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).
3.10 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
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 80÷90°C, lecz wad ą
wód geotermalnych jest duŜa zawartość związków soli. Źródła geotermalne o niŜszej temperaturze
(10÷50°C) mog ą 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 w instalacjach istniejących wykonane są najczęściej z rur stalowych ze szwem,
gwintowanych, lekkich, wg PN-74/H-74200 i PN-84/H-74220. 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
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 (tzw. grzejnik zaworowy), 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 utrzymanie ich w czystości. Projektowane dawniej, głównie w łazienkach, piony grzejne są obecnie zastępo-
8
wane 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 (rys. 3), 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
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.
9