Ogrzewanie niskotemperaturowe
Systemy 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 NISKOTEMPERATUROWE
W 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.
Przykład grzejnika niskotemperaturowego - grzejnik ścienny
|
Najczęściej występujące ogrzewania niskotemperaturowe to:
- ogrzewania podłogowe,
- ogrzewania ścienne (rys. 1),
- ogrzewania sufitowe,
- płaszczyznowe ogrzewania powietrzne,
- ogrzewania konwekcyjne (o obniżonej temperaturze),
- ogrzewania powietrzne.
|
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).
|
|
Stosunek egzergii do energii cieplnej przy temperaturze otoczenia 20°C
|
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: |
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.
| Rodzaj systemu |
Temperatura zasilania |
Temperatura powrotu |
| Klasyfikacja ogólna |
Klasyfikacja szczegółowa |
90°C |
70°C |
tradycyjny
|
wysokotemperaturowy |
| niskotemperaturowy |
średniotemperaturowy |
55°C |
35-45°C |
| niskotemperaturowy |
45°C |
25-35°C |
| bardzo niskotemperaturowy |
35°C |
25°C |
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).
Rozkład odpowiedzi na pytanie "Czy system ogrzewania niskotemperaturowego przyczynia się do poprawy klimatu wewnętrznego, czy nie?"
|
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. |
IZOLACJA PRZEWODÓW DOPROWADZAJĄCYCH CIEPŁO
Nowo 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.
Niektóre potencjalne straty ciepła przewodu prowadzonego w podłodze. Przekrój pionowy przez budynek.
|
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.
|
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.
a) Przykładowe zdjęcie termograficzne podłogi. Widoczny ślad cieplny przewodów prowadzonych w konstrukcji podłogi.
b) Profil temperatury podłogi, widzianej na zdjęciu a), na wybranym odcinku.
|
Przykładowe pole temperatury w przekroju stropu. Przewody prowadzone w peszlu. Symulacja komputerowa
|
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). |
ROZWIĄZANIA SZCZEGÓŁOWE
Schemat ideowy ogrzewania płaszczyznowo powietrznego. Przekrój pionowy przez budynek.
|
Płaszczyznowe ogrzewanie powietrzne
Monika 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). |
Grzejnik płytowy z przystawką wentylacyjną
|
Zastosowanie przystawek wentylacyjnych do grzejników.
|
Grzejnik z nawiewem powietrza zewnętrznego
Innym 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. |
Przykładowe rozwiązanie układu technologicznego z węzłami mieszkaniowymi.
|
Mieszkaniowy węzeł cieplny
W 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 12. Zasada działania zaworu regulacyjnego z wbudowanym stabilizatorem różnicy ciśnienia
|
Zawory ze stabilizatorem różnicy ciśnienia
Wahania 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 13. Zestaw przyłączeniowy grzejnika z rurką nurnikową
|
Jednopunktowe przyłącza grzejników
Grzejniki 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. |
PODSUMOWANIE
Systemy 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
- Besler G. I, Jadwiszczak P.: Nowe tendencje w ogrzewaniu, Materiały konferencyjne XII Zjazdu Ogrzewników Polskich "Oszczędność energii a zysk", Warszawa 17 października 2002.
- Eijdems H. H. E. W. et al.: Low Temperaturę Heating Systems: Impact on IAQ, Thermal Comfort and Energy Consumption, LowEx Newsletter no 1, Annex 37, Finland, 2000. (http7/www vtt fi/rte/projects/nnnex37/nnnex37teksriranmksn hrm)
- Gawrycki D.: Węzły mieszkaniowe - użytkownik decyduje o zużyciu ciepła, Polski Instalator 3/2004.
- Górka A.: Rozwiązania układów grzewczych dla budynków o niskim zużyciu energii, Forum Technik Instalacyjnych - Instalacje 2004, Rynek Instalacyjny, Poznań 30 marca 2004.
- Kołodziejczyk D., Buczek R.: Regulacja przepływu. O zaworach z przepływem niezależnym od wahań ciśnienia, Polski Instalator 1/2004.
- Kowalski J. K.: Podejścia pod grzejniki, Polski Instalator, 2/2005.
- Nowak D.: Analiza porównawcza metodyk określania strat ciepła przewodów instalacji co. w układzie rozdzielaczowym, praca magisterska, Politechnika Warszawska, Warszawa 2004.
- Rabjasz R., Strzeszewski M.: Badania strat ciepła przewodów centralnego ogrzewania, prowadzonych w przegrodach budowlanych, Materiały konferencyjne VI Forum Ciepłowników Polskich, Międzyzdroje 2002. Str. 228-233.
- Ramsak P.: Market Introduction of Low Temperaturę Heating Systems in The Netherlands (status report), Proceedings of Intemational Conference Sustainable Building 2002, Oslo, Norway, 23-25 September 2002.
- Rdzak M., Besler M.: Płaszczyznowe ogrzewanie powietrzne, Rynek Instalacyjny 1-2/2005.
- Rubik M.: Nowoczesne rozwiązania w technice ogrzewania, "Instalacje" 4/2000.
- Shukuya M., Hammache A.: Introduction to the Concept of Exergy - for a Better Under-standing of Low- Temperature-Heating and High-Temperature-Cooling Systems, VTT Technical Research Centre of Finland, 2002.
- Strzeszewski M.: Model obliczeniowy ogrzewań mikroprzewodowych. Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Warszawa 2002.
- Strzeszewski M.: Charakterystyka ogrzewań niskotemperaturowych, COW nr 12/2002.
- Strzeszewski M.: Obniżenie zapotrzebowania na ciepło do wentylacji w wyniku zastosowania ogrzewań niskotemperaturowych, Materiały konferencyjne I Konferencji "Nowe techniki w klimatyzacji", Warszawa 28-29 Maja 2003.
- Strzeszewski M., Joński M: Porównanie instalacji co. w układzie rozdzielaczowym i trójnikowym na przykładzie budynku jednorodzinnego, COW 11/2004.
- de Vries G, Silvester S.: Bewonerservaringen Lagę Temperatuursystemen. V&L Consultants / Delft Technical University - design for Sustainability Program. Sittard, NL: NOVEM report LTS 00-8. Holland 2000.
- Winter R.: Ervaringen met LTV en ZonneGasCombi. I2T Bureau voor DuurzaamBouwen. Sittard, NL: NOVEM Report LTS 01-xx. Holland 2001.
|
