Udoskonalone akumulatory ciepła. Energooszczędne systemy grzewcze

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf pdf

Tak jak każde inne zagadnienie optymalizacyjne, projektowanie sprawnego, niezawodnego i spełniającego wymagania ekologiczne układu ciepłowniczego, zakłada znalezienie pewnego optimum na polu ściśle powiązanych ze sobą wspólnych elementów procesu projektowania instalacji wewnętrznych odbiorców ciepła, węzła cieplnego, źródła ciepła itd.
Stąd, przede wszystkim zostały zdefiniowane trendy rozwoju techniki ciepłowniczej, na podstawie których, stawiane są wymagania nowoczesnym energooszczędnym instalacjom grzewczym. Leopold Naskręt

Do takich kierunków należy zaliczyć:

* obniżenie parametrów czynnika grzewczego w instalacjach wewnętrznych, wpływających na ogólny poziom strat ciepła;
* podział sieci wewnętrznej c.o. i c.w.u. w układzie poziomym, gwarantującym indywidualne opomiarowanie każdego obwodu mieszkaniowego, każdego odbiorcy mediów (np. punktów usługowych, handlowych), coraz częściej umożliwiającym zdalny odczyt zużycia mediów;
* zróżnicowanie rodzaju ogrzewania, przypisanego określonym pomieszczeniom funkcjonalnym obiektu, przez podział wspólnego układu c.o. na kilka obwodów grzewczych, np. grzejnikowych, podłogowych, ściennych;
* ogólne podwyższenie sprawności, czyli redukcja strat przesyłowych od źródła ciepła do odbiorników, przez zastosowanie skutecznej izolacji termicznej, armatury wymuszającej obieg czynnika grzewczego sterowanej elektronicznie, zaworów podpionowych w obwodach c.o. i podpionowych zaworów termostatycznych w obwodach c.w.u., mostków termicznych i złożonych technicznie urządzeń typu VarioFlow;
* zmniejszenie bezwładności cieplnej instalacji, np. przez zastosowanie grzejników o niewielkiej pojemności czynnika grzewczego, z bardzo rozwiniętą powierzchnią radiacji, jak grzejniki wielopanelowe, konwektorowe;
* zmniejszenie objętości zładu grzewczego, uwzględnienie której konieczne byłoby tylko w zakresie obliczeń termodynamicznych;
* nadążność układów odbierających ciepło podczas zmieniających się, w procesie eksploatacji, warunków termicznych otoczenia – przez montaż grzejnikowych zaworów termostatycznych, termozaworów regulujących pracę instalacji grzewczych podłogowych i coraz częściej stosowanych ściennych, jak i wyposażenie wydzielonych obwodów w programatory mieszkaniowe (pokojowe).

Dobór źródła ciepła
Analogicznie, zgodnie z ustalonymi trendami, zostały znacznie rozszerzone wymagania w zakresie optymalnego doboru źródła ciepła o następujące kryteria:

* Wyboru technologii i techniki pracy. Szeroko stosowane obecnie są pojęcia technologii stałotemperaturowej, przedziału mocy modulowanej, techniki kondensacyjnej itp.;
* Zapotrzebowania szczytowego mocy. Wolnorynkowe zasady gospodarki energią ujawniły stronę ekonomiczną pojęcia „mocy zamówionej”, której koszt stanowi stałą część opłat, niezależną od zużytej w rzeczywistości ilości ciepła. To spowodowało natychmiastową reakcję rynku inwestorskiego w kierunku poszukiwania opracowań neutralizujących ekstrema cieplne, techniczne i finansowe;
* Zapotrzebowania średniej mocy przy założeniu określonego komfortu cieplnego, związanego z rozkładem temperatur w pomieszczeniach ogrzewanych, technologią i ilością przygotowania c.w.u., strefą klimatyczną lokalizacji obiektu oraz rytmem dobowym jego mieszkańców, użytkowników;
* Mocy obliczeniowej mieszczącej się w danym typoszeregu produkowanym przez producenta, np. węzła cieplnego, kotła, pompy ciepła;
* Sprawności układu ciepłowniczego, a przede wszystkim jej zmianą w funkcji wykorzystywanej mocy obliczeniowej;
* Gabarytów, mające istotny wpływ na plan architektoniczny obiektu i jego koszt;
* Ilości jednocześnie pełnionych funkcji, czyli obciążenia cieplnego c.o., c.w.u. czy c.o. i c.w.u.;
* Wyboru pierwotnego źródła energii: paliwo stałe, płynne, gazowe, a w przypadku źródeł energii odnawialnej złoża geotermalne, promieniowanie słoneczne, ciepło odpadowe itp.;
* Wyboru układu automatyki sterowania, np. uproszczonej, pogodowej, z wykorzystaniem komputera itp.;
* Efektywności finansowej. Opłacalność wybranego wariantu w założonym okresie zwrotu nakładów, mierzy się różnicą nakładów inwestorskich w stosunku do przewidywanego efektu ekonomicznego.

Tak zaprojektowane źródło ciepła powinno spełnić wszystkie wymogi jakościowe i ilościowe uzupełnienia lub dostawy ciepła do instalacji grzewczych obiektu.

Dyferentyzm pracy

Jednak, jak wspomniano na wstępie, nie wystarczy dobrze zaprojektować poszczególne składowe elementy wspólnego układu ciepłowniczego. Często, o wiele trudniejszym zagadnieniem jest zapewnienie optymalnej ich współpracy. Niezgodności i różnice w sposobie pracy układów składowych, tj. układu lub układów dostarczających energię (kocioł, pompa ciepła, solar, ciepło potechnologiczne, odpadowe itp.) i układu lub układów odbierających ją, kreują zjawiska, które można sklasyfikować jako:

* brak równowagi hydraulicznej, a nierzadko ostre sprzeczności współpracujących ze sobą układów;
* ujawnione podczas eksploatacji przewymiarowanie lub niedowymiarowanie źródła energii;
* zwiększoną częstotliwość tzw. „taktowania” (włączenia-wyłączenia, zmiany stopni mocy), kotła lub węzła cieplnego, skutkiem czego zwiększenie emisji substancji szkodliwych;
* ograniczoną zdolność wykorzystania nadmiaru ciepła, np. kocioł na paliwo stałe, kominek;
* brak możliwości kojarzenia energii z różnych źródeł, o różnym potencjale energetycznym i przeznaczeniu jej do realizacji procesów grzewczych lub technologicznych założonych w obiekcie;
* niewykorzystanie energii strumienia powrotnego instalacji odbiorczej przy niedostatecznym rozbiorze ciepła;
* zwiększony czas rozruchu źródła ciepła i instalacji;
* wydłużoną reakcję źródła ciepła na zmieniające się parametry czynnika w instalacji i warunki termiczne otoczenia;
* zmniejszenie efektywności energetycznej i ekonomicznej systemu.

Przeprowadzona analiza problemu pozwala stwierdzić, że złagodzenie wzajemnych niezgodności w pracy układu lub układów dostarczających energię i zróżnicowanych układów odbierających ją, jest możliwe, przez zastosowanie dynamicznego oddzielenia hydraulicznego. Jest to również termodynamicznie uzasadnione, przez zwiększenie pojemności zładu grzewczego w postaci akumulatora ciepła, o dokładnie określonej pojemności, działającego według zasady uwarstwiania.

Funkcja układu akumulacyjnego
Specyfiką układów akumulujących ciepło jest możliwość magazynowania energii w okresach minimalnego poboru ciepła, a oddawanie jej w godzinach szczytu. W ten sposób zmniejsza się, w przypadku źródła zdalaczynnego średnica przyłącza, maksymalna moc zamówiona lub moc szczytowa źródła autonomicznego, jak również składowa opłat stałych.
W takim rozwiązaniu zapotrzebowanie szczytowe na energię pokrywane będzie sumą maksymalnej mocy źródła ciepła i strumienia pobieranej energii wstępnie zgromadzonej w akumulatorze. W układzie energetycznym, jaki stanowi lub stanowią źródła ciepła z akumulatorem, zagadnieniem zasadniczym staje się uzasadnione niedowymiarowanie źródła, a starania projektanta zmierzają do znalezienia pewnego kompromisu pomiędzy maksymalnym ograniczeniem jego mocy a objętością zbiornika magazynującego ciepło.
Charakter pracy źródła lub źródeł ciepła w takim układzie energetycznym jest wyznaczany stopniem naładowania akumulatora, niezależnie od potrzeb energetycznych układu lub układów odbiorników, które na bieżąco są zaspokajane z zapasów energii zmagazynowanej w zasobniku. Stąd też obserwujemy ograniczenie zjawiska „taktowania”, a przez to zmniejszenie emisji zanieczyszczeń.
Odpowiednio dobrany akumulator ciepła może przyjąć każdy nadmiar ciepła, jaki pojawi się w układzie energetycznym, pełniąc tym samym funkcję rezerwuaru bezpieczeństwa, co jest nie bez znaczenia podczas kojarzenia źródeł niegwarantujących stałej mocy, np. kominka, kotła węglowego, etc.

Zagadnienie warstwowości

Atutem układów akumulacyjnych jest możliwość wykorzystania wtórnych źródeł ciepła, które z racji braku stabilności termicznej (jak instalacje solarne, ciepło odpadowe itp.) nie mogą być zakwalifikowane do źródeł ciepła pewnych, gwarantujących określoną moc. W tej sytuacji powstaje problem połączenia strumienia ciepła o nieznanych z góry parametrach z układem akumulacyjnym, a następnie z układami odbiorników ciepła. Rozwiązaniem może być tylko niezawodne, pionowe uwarstwienie czynnika grzewczego w objętości zasobnika, zasilanego wodą grzewczą z podstawowego źródła, jak również ze źródeł wtórnych o różnej temperaturze w taki sposób, aby dopływała ona na odpowiedni poziom energetyczny akumulatora ciepła.

Działanie segmentu uwarstwiającego
Zgodnie z ogólną zasadą działania zbiornika warstwowego, w objętości zbiornika nie występuje zauważalne mieszanie się warstw i możliwe są następujące stany pracy (rys.):

* gdy zapotrzebowanie na wodę ogrzaną po stronie wtórnej równe jest mocy cieplnej po stronie pierwotnej zbiornik działa „na przelot”, czyli 1-9-2;
* przy mniejszym zapotrzebowaniu energii następuje ładowanie cieplne zbiornika z przesunięciem granicy wody ogrzanej ku dołowi;
* przy większym zapotrzebowaniu ciepła, następuje rozładowywanie akumulatora (pobór zgromadzonego ciepła), a granica wody ogrzanej przesuwa się ku górze zbiornika.

Króciec przyłączeniowy zbiornika (5) pozwala na łagodne włączenie się strumieni ciepła wtórnego (np. strumienia powrotu z instalacji o zawyżonej temperaturze czynnika przy braku rozbioru ciepła, wspomagającej pompy ciepła itp.) do odpowiedniego poziomu geometrycznego zbiornika będącego analogicznie określonym poziomem temperaturowym, energetycznym.
W tym celu zbiornik wyposażony jest w segment ładowania warstwowego (15, 16), który połączony jest z objętością zbiornika (23) przez odpowiednio rozmieszczone w pionie, poziome szczelinowe otwory (22), zamknięte uchylno-obrotowymi zaślepkami (17). Medium ze źródła wtórnego (5) przepływa pionowo (w górę albo w dół) przez komorę ładowania (15, 16) aż osiągnie poziom o tej samej gęstości, będącej funkcją jego temperatury. Ciśnienie dynamiczne cieczy wewnątrz komory ładowania pokonuje sprężystość i ciężar zaślepki (pełniącej funkcję zaworu zwrotnego), która odchyla się na zewnątrz segmentu a woda wpływa do zbiornika na poziomie o podobnej temperaturze.
Osobne przyłącze zestawu solarnego (20), zespolone z segmentem ładowania warstwowego, umożliwia przedstawionym sposobem niezależne ładowanie zasobnika energią solarną.

Elementy konstrukcyjne akumulatora
Przykład akumulatora warstwowego ilustruje rysunek. To wielozadaniowe, złożone technicznie urządzenie składa się z właściwego zasobnika warstwowego na wodę grzewczą (23), zintegrowanego z separatorem gazów (9) po stronie zasilania pierwotnego (1), ze zwrotnicą hydrauliczną (10, 11, 18) i magneto-odmulnikiem (12, 13) po stronie wtórnej strumienia powrotnego (4).
Funkcjonowaniu zbiornika towarzyszą ciągłe procesy równoważenia hydraulicznego układu energetycznego i instalacyjnego, odgazowywania, odszlamiania i wychwytywania ferromagnetyków z medium grzewczego połączonego zładu źródła lub źródeł ciepła i instalacji odbiorczych.
Konstrukcyjnie zbiornik wyposażony jest w urządzenie do ładowania warstw (15, 16), opcjonalnie we wkłady magnetyczne (12), mufy przyłączeniowe czujek temperatury (6, 7, 8), izolację z miękkiej pianki poliuretanowej o grubości 100 mm (niepokazanej na rysunku), 5 króćców przyłączeniowych (1, 2, 3, 4, 5) o średnicy 11/4″ zakończonych odcinającymi zaworami kulowymi, zaślepione 1″ przyłącze (20) zestawu solarnego, spustowy zawór szlamowy (14), automatyczny odpowietrznik z zaworem odcinającym (21) oraz wsporniki poziomujące zbiornik (19).

Wnioski
Doświadczenie z obserwacji eksploatowanych akumulatorów ciepła, pozwala zdefiniować następujące ważniejsze rezultaty z ich zastosowania:

* zdecydowanie obniża się wielkość mocy zainstalowanego źródła ciepła a tym samym obniża jego koszt;
* łagodzi się niezgodności hydrauliczne i termodynamiczne w pracy układu lub układów energetycznych, instalacji odbiorczych oraz ich wzajemne;
* umożliwia się kojarzenie źródeł ciepła o różnym potencjale energetycznym;
* podnosi się znacząco sprawność cieplną całego systemu grzewczego;
* tworzy się na ogół nową jakość w projektowaniu grzewczych systemów energooszczędnych.

Całość tych efektów prowadzi do poważnego obniżenia kosztów eksploatacyjnych obiektu, mieszkania.
Leopold Naskręt

.{jcomments on}

szystkie artykuły są napisane
według podobnego schematu. Na
początku kilka zdań o istocie kondensacji,
potem wybiórczy opis budowy
kotła i na koniec zalety produkowanych
przez daną firmę kotłów
kondensacyjnych. W wielu artyku-
łach do zalet zaliczone zostały możliwości
współpracy kotła kondensacyjnego
z regulatorami pokojowymi i
pogodowymi, chociaż każdy kocioł
ma takie możliwości.
Po zapoznaniu się z treścią artyku-
łów można odnieść wrażenie lub nawet
przekonanie, że wszystkie kotły
są jednakowe, a pewne możliwe do
zauważenia różnice wynikają wyłącznie
ze stopnia znajomości techniki
kondensacyjnej przez Autorów i sposobu
ujęcia tematu. Wszystkie bowiem
kotły charakteryzują się wysoką
wydajnością cieplną, oszczędnością
w zużyciu paliwa, cichą pracą,
estetyką, najlepszymi wymiennikami
ciepła, najlepszymi palnikami, pełną
kontrolą elektroniczną, niską emisją
NOx-ów, niewielkimi gabarytami, niską
ceną i wieloma innymi szczególnymi
cechami.
Jednak mimo dość zgodnie
brzmiącej oceny kotłów kondensacyjnych
odczuwa się z jednej strony
pewien niedosyt, a z drugiej wyraśny
przesyt. Charakterystyki są w wielu
punktach niewystarczające, brakuje
zasadniczych informacji, a w wielu
innych są przegadane i sprzeczne lub
raczej mało wiarygodne. Trudno
oczekiwać w dwustronicowym artykule
wszystkiego, nie można z tego
robić nikomu zarzutu, ale sprzeczności
i nieścisłości należy wyjaśnić, a o
braki się upomnieć. Wszystko po to,
by znaleść ten najlepszy kocioł.
Oszczędność na paliwie
Do najbardziej interesujących
cech kotłów kondensacyjnych dla
użytkowników należy oszczędność
na paliwie. Jest ona ściśle związana
ze sprawnością kotła. Jeśli kocioł ma
o 1% wyższą sprawność, to spali o 1%
mniej paliwa. Autorzy obiecują
oszczędności na paliwie nawet do
30%. Trudno zaakceptować aż tak
wygórowane obietnice, ponieważ
tzw. ciepło utajone zawarte w parze
wodnej po spaleniu gazu ziemnego
to 11%. Kilka procent można dołożyć
z powodu schłodzonego dwutlenku
węgla, ale nie osiągniemy i tak obiecywanego
wyniku. Niektórzy, ale o
tym nie było napisane w artykułach,
dodają jeszcze korzyści wynikające z
niskiej awaryjności kotłów kondensacyjnych.
Pozostaje więc kwestia poziomu
odniesienia, wobec którego
oceniane są zyski na paliwie.
Sensownym poziomem odniesienia
powinny być nowe, współczesne
kotły z zamkniętą komorą spalania
(kocioł kondensacyjny należy do kotłów
z zamkniętą komorą spalania).
Posiadają one sprawność energetyczną
na poziomie nie mniejszym niż
92%, sprawdzoną doświadczalnie
przez niezależne urzędy i laboratoria
dopuszczające urządzenia grzewcze
do obrotu handlowego (nie przez
producenta). W porównaniu do takiego
urządzenia kocioł kondensacyjny
najwyższej klasy będzie miał
sprawność wyższą o 12 do 16%. Dolna
wartość będzie odpowiadać pracy
kotła na podgrzewanie wody użytkowej
do temperatury 60°C, górna, gdy
kocioł pracuje na centralne ogrzewanie
przy parametrach 40/30/20°C
(40°C – temperatura na zasilaniu,
30°C – temp. na powrocie, 20°C –
temp. pomieszczenia). Aby te
wskaśniki uzyskać, kocioł musi być
wyposażony w odpowiednią regulację
mocy umożliwiającą redukcję mocy
maksymalnej na c.o. (zwykle kotły są
w ten rodzaj regulacji wyposażone)
oraz w system oszczędnego podgrzewania
wody użytkowej (tu nie
wszystkie kotły mają tę możliwość).
Jeśli porównalibyśmy kocioł kondensacyjny
do starego, zużytego kotła
wykonanego u kowala, to może się
okazać, że oszczędność na paliwie
wyniesie nawet 80%.
Budowa
Najważniejszymi i szczególnymi
elementami kotła kondensacyjnego
są: zespół przygotowania mieszanki
palnej gaz-powietrze, palnik, wymiennik
ciepła i zespół powietrzno-
-spalinowy dostarczający powietrze
do spalania i odprowadzający spaliny.
Te zespoły odróżniają kotły kondensacyjne
od kotłów atmosferycznych i
turbo w sposób zasadniczy.
Przygotowanie mieszanki odbywa
się przez zasysanie powietrza i gazu
przez wentylator i tłoczenie mieszanki
palnej do palnika, z jednoczesnym
bardzo dokładnym mieszaniem
obu składników. Od jakości
zmieszania powietrza i gazu zależy
jakość spalania i tym samym ilość
wydzielonego ciepła oraz straty. Ten
sposób przygotowania mieszanki
palnej jest w pełni kontrolowany w
przeciwieństwie do kotłów trady-

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij