| Nowowczesne systemy ogrzewania budynków |
|
| 17.05.2007. | |||||||||||||||||||||
Ogrzewanie niskotemperaturoweSystemy ogrzewania budynków rozwijają się w kierunku zapewnienia warunków komfortu cieplnego przy możliwie niskim zużyciu energii. Korzystne warunki komfortu cieplnego można uzyskać stosując ogrzewania niskotemperaturowe. Ograniczenie zużycia energii jest możliwe dzięki podnoszeniu sprawności procesów i urządzeń stosowanych w ogrzewnictwie. Między innymi należy zapewnić odpowiednio wysoką sprawność przesyłu ciepła poprzez ograniczenie transportowych strat ciepła. Jednocześnie ważne jest, aby redukcji zużycia ciepła nie towarzyszyło pogorszenie warunków higienicznych w pomieszczeniach.Miarą jakości nowoczesnych systemów grzewczych mogą być nie tylko kryteria energetyczne i ekonomiczne, ale również ekologiczne, takie jak zużycie energii pierwotnej czy emisja zanieczyszczeń w cyklu życia, obejmującym budowę, eksploatację i rozbiórkę systemu. Jednak w każdym przypadku, sprawność eksploatacyjna systemu grzewczego ma wpływ na jego końcową ocenę. OGRZEWANIA NISKOTEMPERATUROWEW ostatnich latach obserwuje się tendencję do obniżania temperatury obliczeniowej czynnika grzejnego w systemach centralnego ogrzewania, co jest bardzo korzystne z uwagi na poprawę komfortu cieplnego i jakości powietrza w ogrzewanych pomieszczeniach oraz redukcję negatywnego oddziaływania na środowisko.Najczęściej występujące ogrzewania niskotemperaturowe to:
 Rys 1. Przykład grzejnika niskotemperaturowego - grzejnik ścienny Ogrzewania niskotemperaturowe charakteryzują się zazwyczaj większym udziałem wymiany ciepła przez promieniowanie w porównaniu do tradycyjnych ogrzewań konwekcyjnych. Dlatego z uwagi na zwiększone promieniowanie cieplne, temperatura powietrza może być (powinna) obniżona o 1-2 K, przy zapewnieniu porównywalnego komfortu cieplnego. Niższa temperatura powietrza sprawia, że ulegają redukcji straty ciepła przez przegrody. Jednocześnie zapotrzebowanie na ciepło do wentylacji jest niższe o ok. 2-7% przy zachowaniu strumienia powietrza wentylacyjnego. Przypuszcza się nawet, że większy udział promieniowania (tzn. nieco zimniejsze powietrze i cieplejsze powierzchnie w pomieszczeniu) bardziej odpowiada naturalnym wymaganiom cieplnym ludzi, niż ma to miejsce w przypadku ogrzewań tradycyjnych (tzn. cieplejsze powietrze i zimniejsze powierzchnie przegród budowlanych).Obniżenie temperatury w pomieszczeniu ma również istotny aspekt higieniczny, ponieważ przy temperaturze powietrza powyżej 22-24°C wzrasta znacząco ryzyko podrażnienia błony śluzowej. Podobną korelację znaleziono również pomiędzy występowaniem syndromu chorego budynku (ang. Sick Building Syndrome) i podwyższoną temperaturą powietrza wewnętrznego. Wdychanie kurzu może powodować reakcje alergiczne, przy czym decydująca jest nie ilość cząstek, lecz ich rodzaj. Powyżej temperatury 55°C zachodzi proces przypiekania kurzu, w wyniku którego cząstki stają się większe i bardziej drażniące. Dlatego ogrzewania niskotemperaturowe powodują mniejsze reakcje alergiczne w porównaniu do systemów tradycyjnych, gdyż cząstek kurzu jest mniej i są mniej agresywne.Ostatnio dostrzegany jest również problem jonizacji powietrza. W wyniku kontaktu powietrza z metalowymi powierzchniami grzejników, tworzy się przewaga jonów dodatnich nad ujemnymi. Przewaga ta jest przyczyną duszności oraz suchości dróg oddechowych ludzi przebywających w pomieszczeniach z metalowymi grzejnikami wysokotemperaturowymi. Z tego punktu widzenia korzystniejsze są systemy, w których powierzchnie grzejne mają niższą temperaturę i nie są wykonane z metalu (ogrzewanie podłogowe, ścienne). Ciepło dla ogrzewań niskotemperaturowych może być wytwarzane przez Źródła alternatywne, takie jak pompa ciepła, kolektor słoneczny czy instalacja geotermalna. Przy niższych temperaturach charakteryzują się one wyższą sprawnością energetyczną i egzergetyczną, co prowadzi do oszczędności energii pierwotnej. Wykres stosunku egzergii do energii cieplnej (rys. 2) ilustruje zależność jakości energii od temperatury wg równania:  Rys 2. Stosunek egzergii do energii cieplnej przy temperaturze otoczenia 20°C. W tradycyjnych ogrzewaniach grzejnikowych obliczeniowa temperatura zasilania wynosiła najczęściej 90°C. Obecnie zazwyczaj projektanci przyjmują temperaturę zasilania w zakresie 70-80°C. Natomiast w systemach niskotemperaturowych z reguły nie przekracza ona 55°C. Ogrzewania niskotemperaturowe i tradycyjne zostały schematycznie porównane na rysunku 3. Przykładowo przedstawiono system niskotemperaturowy zasilany przy pomocy kolektora słonecznego lub pompy ciepła, pozyskującej ciepło z wody gruntowej. Podział systemów ogrzewania ze względu na temperaturę czynnika grzejnego jest sprawą umowną i zmienia się w czasie. Przykładowo w tabeli 1 przytoczono podział ogólny oraz szczegółową systematykę przyjętą przez Annex 37IEA (Międzynarodowej Agencji Energii). Tab. 1. Podział systemów ogrzewania w zależności od temperatury czynnika.
 Rys 3. Schemat ideowy porównania ogrzewania wysokotemperaturowego z ogrzewaniem niskotemperaturowym, zasilanym z alternatywnego Źródła ciepła (pompy ciepła lub kolektora słonecznego). W roku 1997 Holenderska Narodowa Agencja Energii NOVEM zapoczątkowała program wprowadzania systemów niskotemperaturowych LTS (ang. Low Temperature heating Systems) w Holandii. Program ten miał na celu przygotowanie rynku holenderskiego do szerszego stosowania wspomnianych systemów w nowych budynkach. W roku 2000 przeprowadzono obszerne badania wśród osób mieszkających w mieszkaniach wyposażonych w systemy ogrzewania niskotemperaturowego. Badanie obejmowało 408 mieszkań zlokalizowanych w różnych częściach Holandii. Mieszkania te były wyposażone w ogrzewanie podłogowe, ścienne lub niskotemperaturowe ogrzewanie grzejnikowe. Spostrzeżenia mieszkańców, dotyczące odczucia komfortu cieplnego, jakości powietrza wewnętrznego i bezwładności systemów, potwierdzają wyniki wcześniejszych badań. Poza problemem dużej bezwładności ogrzewania podłogowego i ściennego, mieszkańcy wysoko oceniali systemy ogrzewania niskotemperaturowego. Zauważono poprawę klimatu wewnętrznego, zwłaszcza w przypadku ogrzewania podłogowego i ściennego. Rozkład odpowiedzi na pytanie "Czy system ogrzewania niskotemperaturowego przyczynia się do poprawy klimatu wewnętrznego, czy nie?" przedstawiono na rys. 4. Punktem odniesienia były wcześniejsze doświadczenia użytkowników z systemami wysokotemperaturowymi (zazwyczaj z obliczeniową temperaturą zasilania wynoszącą 90°C). Również kolejne badanie na próbce 54 mieszkań wyposażonych w ogrzewanie ścienne przyniosło pozytywną ocenę tego systemu przez użytkowników. 96% mieszkańców wybrałoby ponownie ogrzewania ścienne. Jednak jednocześnie okazało się, że w trakcie projektowania i wykonywania tych instalacji, powstało wiele problemów, które musiały być poprawione w czasie, kiedy mieszkania te były już zamieszkałe. I chociaż problemy te udało się rozwiązać, to sam fakt ich zaistnienia może mieć negatywny wpływ na powszechne postrzeganie tego systemu grzewczego. Dlatego bardzo istotne jest prawidłowe projektowanie i wykonywanie instalacji.  Rys 4. Rozkład odpowiedzi na pytanie "Czy system ogrzewania niskotemperaturowego przyczynia się do poprawy klimatu wewnętrznego, czy nie?". IZOLACJA PRZEWODĂ?W DOPROWADZAJąCYCH CIEPłONowo wznoszone budynki charakteryzują się coraz mniejszym zapotrzebowaniem na ciepło, w związku z tym straty ciepła instalacji mogą mieć coraz większy udział procentowy w całkowitym zużyciu ciepła przez budynek. Dlatego bardzo ważne jest niedopuszczanie do powstawania nadmiernych strat ciepła na doprowadzeniu czynnika do grzejników. W ostatnim okresie istnieje tendencja do prowadzenia w posadzce przewodów zasilających grzejniki. Przewody te bardzo często nie są prowadzone w otulinach izolacyjnych, a jedynie w rurach osłonowych typu peszel, z uwagi na kilkakrotnie niższą cenę w stosunku do otulin izolacyjnych.Jednak szczelina powietrzna pomiędzy przewodem co. i rurą osłonową nie zapewnia wystarczającej izolacji cieplnej. Okazywało się, że właściwości izolacyjne tego rozwiązania są ograniczone. Fakt ten został potwierdzony przez badania doświadczalne i numeryczne przeprowadzone w Instytucie Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki Warszawskiej. Należy zwrócić uwagę, że zazwyczaj przewody częściowo zlokalizowane są poza obszarem docelowego pomieszczenia, np. w przedpokoju lub wręcz poza mieszkaniem np. na klatce schodowej. Dlatego niebezpiecznie jest przyjmować, a tak czasami projektanci postępują, że straty ciepła od przewodów "nie mają większego znaczenia cieplnego", ponieważ całe ciepło tracone przez przewód i tak dostarczane jest do pomieszczeń. Rzeczywiście, ciepło będzie dostarczane, ale niekoniecznie do odpowiedniego pomieszczenia. W tej sytuacji niektóre grzejniki mogą mieć zbyt niską moc, z powodu nieuwzględnienia (lub niedoszacowania) w projekcie schłodzenia wody zasilającej. Z kolei inne pomieszczenia, tam gdzie nagromadzona jest duża ilość przewodów (zwłaszcza przedpokoje i klatki schodowe) mogą być przegrzewane, w wyniku zysków ciepła od przewodów. Niektóre potencjalne straty ciepła przewodu prowadzonego w podłodze przedstawiono na rys. 5.  Rys 5. Niektóre potencjalne straty ciepła przewodu prowadzonego w podłodze. Przekrój pionowy przez budynek. Nierzadko zdarza się, że w przypadku lokalizacji rozdzielaczy na klatkach schodowych i prowadzenia przewodów w peszlu, temperatura powietrza na klatce schodowej przekracza znacznie 20°C. Taka sytuacja nie jest ani komfortowa dla ludzi (zbyt wysoka temperatura dla osób w okryciach zewnętrznych), ani korzystna ekonomicznie (za przegrzewanie klatki schodowej też trzeba płacić). Podłoga, w której ułożone są przewody centralnego ogrzewania bez odpowiedniej izolacji, działa podobnie, jak grzejnik podłogowy, tzn. temperatura posadzki jest podwyższona i podłoga przekazuje do pomieszczenia pewien strumień ciepła. Podwyższenie temperatury podłogi może mieć charakter miejscowy, w postaci pasa cieplejszej podłogi na rurami lub dotyczyć większej powierzchni, w pomieszczeniach, przez które przebiega duża ilość rur. Przykładowe zdjęcie termograficzne podłogi, w której ułożono przewody co. w rurze osłonowej typu peszel, zamieszczono na rysunku 6. Natomiast rys. 7 przedstawia pole temperatury w przekroju poprzecznym stropu, wyznaczone z wykorzystaniem modelu numerycznego. W przypadku ogrzewania podłogowego, materiały użyte do budowy podłogi muszą spełniać określone wymagania - nie mogą ani odkształcać się, ani emitować szkodliwych substancji w podwyższonej temperaturze. Natomiast w przypadku prowadzenia w podłodze przewodów co., zasilających grzejniki konwekcyjne, materiały podłogowe nie są zazwyczaj dobierane pod kątem pracy przy podwyższonej temperaturze. W związku z tym, istnieje ryzyko uszkodzenia podłogi i emisji szkodliwych substancji. Dlatego jako standard, przewody prowadzone w podłodze należy układać w otulinie izolacyjnej (np. z pianki polietylenowej albo poliuretanowej). Natomiast peszel można dopuszczać tam, gdzie akceptuje sie duże zyski ciepła od podłogi (specyficzne ogrzewanie podłogowo-konwekcyjne), a użyte materiały podłogowe mogą być stosowane w ogrzewaniu podłogowym (nie emituia szkodliwych substancji w podwyższonej temperaturze i nie ulegają odkształceniom). 
 Rys 7. Przykładowe pole temperatury w przekroju stropu. Przewody prowadzone w peszlu. Symulacja komputerowa. ROZWIąZANIA SZCZEGĂ?łOWEPłaszczyznowe ogrzewanie powietrzneMonika Rdzak i Maciej Besler zaproponowali zastosowanie płaszczyznowego ogrzewania powietrznego w budynkach jednorodzinnych o niskim zużyciu energii. System ten łączy ogrzewanie hypokaustyczne z nawiewem powietrza do ogrzewanego pomieszczenia. Powietrze o temperaturze ok. 25°C przepływa w zamkniętej przestrzeni sufitowej i podłogowej, gdzie oddaje część ciepła poprzez przenikanie, a następnie nawiewane jest do pomieszczenia (rys. 8). Rys 8. Schemat ideowy ogrzewania płaszczyznowo powietrznego. Przekrój pionowy przez budynek. Grzejnik z nawiewem powietrza zewnętrznegoInnym rozwiązaniem integrującym ogrzewanie z wentylacją jest urządzenie PURMO-AIR. Jest to przystawka do grzejnika płytowego, umożliwiająca nawiewanie do pomieszczenia powietrza zewnętrznego. Powietrze przed dotarciem do przestrzeni pomieszczenia przepływa przez grzejnik płytowy, gdzie się ogrzewa (rys. 9, 10). Urządzenie współpracuje z mechaniczną wentylacją wywiewną, wytwarzającą niewielkie podciśnienie (rzędu 10 Pa).Przy okazji warto zauważyć, że rozwiązanie to - z uwagi na niską temperaturę powietrza zewnętrznego -zwiększa moc cieplną grzejnika w stosunku do wartości katalogowej.  Rys 9. Grzejnik płytowy z przystawką wentylacyjną.  Rys 10. Zastosowanie przystawek wentylacyjnych do grzejników. Mieszkaniowy węzeł cieplnyW ostatnim okresie obserwuje się tendencję do powrotu do ogrzewań mieszkaniowych, co ma w założeniu zapewnić niezależność instalacji w poszczególnych mieszkaniach. Jednak instalowanie kotłów gazowych w każdym mieszkaniu jest rozwiązaniem drogim inwestycyjnie i kłopotliwym z uwagi na konieczność doprowadzenia instalacji gazowej, odpowiedniej wentylacji pomieszczenia, dostarczenia powietrza do spalania oraz odprowadzenia spalin. Natomiast systemy z kotłownią wbudowaną lub jednym węzłem cieplnym dla całego budynku i centralnym przygotowaniem c.w.u. wymagają prowadzenia w obrębie budynku aż pięciu przewodów.Interesującą alternatywą, zarówno wobec indywidualnych kotłów gazowych, jak i systemów z centralnym przygotowaniem c.w.u i czynnika grzewczego, może być zastosowanie mieszkaniowych węzłów cieplnych z wymiennikami ciepła (rys. 11). Węzły umożliwiają pomiar zużycia wody oraz ciepła na cele ogrzewania i przygotowania c.w.u. Węzły mieszkaniowe mogą być umieszczane w obrębie mieszkania lub na klatce schodowej, co umożliwia łatwy dostęp osobom zajmującym się eksploatacją instalacji.  Rys 11. Przykładowe rozwiązanie układu technologicznego z węzłami mieszkaniowymi. Zawory ze stabilizatorem różnicy ciśnieniaWahania ciśnienia utrudniają pracę zaworów regulacyjnych. Aby przeciwdziałać temu zjawisku stosuje się min. stabilizatory różnicy ciśnienia. Interesującym rozwiązaniem są zawory regulacyjne z wbudowanym stabilizatorem ciśnienia. Zasada działania takiego zaworu została zobrazowana na rys. 12. Rys 12. Zasada działania zaworu regulacyjnego z wbudowanym stabilizatorem różnicy ciśnienia. Jednopunktowe przyłącza grzejnikówGrzejniki łazienkowe można podłączać "jednopunktowo", tzn. zasilanie i powrót podłączać do tego samego otworu w grzejniku. Rozwiązanie takie możliwe jest dzięki specjalnym zaworom z wbudowaną rurką nurnikową (rys. 13). W tym przypadku woda zasilająca dopływa, jest niejako wstrzykiwana, rurką wewnętrzną, a woda powracająca przepływa w przestrzeni międzyrurkowej lub odwrotnie.Jednopunktowe podłączenie grzejnika zabezpiecza przed błędem rozstawu podejść oraz umożliwia w przyszłości łatwiejszą wymianę grzejnika na grzejnik o innym rozstawie otworów przyłączeniowych.  Rys 13. Zestaw przyłączeniowy grzejnika z rurką nurnikową. PODSUMOWANIESystemy ogrzewania budynków podlegają ciągłemu rozwojowi. Dzięki temu możliwe staje się zapewnienie coraz lepszych warunków komfortu cieplnego i warunków higienicznych przy możliwe niskich kosztach i zużyciu energii pierwotnej.Literatura
|
|||||||||||||||||||||
| « poprzedni artykuł | następny artykuł » |
|---|