Tania eksploatacja to droga inwestycja, ale czy na pewno? System kombinowany

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa zobacz pdfa zobacz pdfa      

* temperatura powietrza,
* wilgotność powietrza,
* ruch powietrza,
* czystość powietrza.

Nie bez znaczenia jest także zapewnienie komfortu w lecie, kiedy temperatura powietrza w pomieszczeniach może być za wysoka.

Temperatura
Zapewnia ją system grzewczy w różnej postaci:
* ogrzewanie piecami kaflowymi,
* ogrzewanie grzejnikowe,
* ogrzewanie podłogowe,
* ogrzewanie powietrzne,
* ogrzewanie elektryczne
oraz wiele innych, będących kombinacją różnych systemów.

Każdy z tych systemów posiada określone wady i zalety w zależności od wymagań dotyczących kosztów ogrzewania, wygody obsługi czy jakości powietrza. Wilgotność powietrza zależna jest również od systemu ogrzewania budynku. W budynkach konwencjonalnych panuje powszechnie system wentylacji grawitacyjnej, gdzie zapotrzebowanie ciepła na podgrzanie świeżego powietrza pokrywa system ogrzewania. Im niższa temperatura powierzchni ogrzewalnych, tym mniejsze wysuszanie powietrza w pomieszczeniach. W okresie zimowym, szczególnie przy mrozach, powietrze zewnętrzne jest suche i ogrzewanie powoduje jego dalsze wysuszanie. Największe wysuszanie powietrza powstaje przy kominkowym ogrzewaniu powietrznym, wtedy powietrze nawiewane w systemie kanałowym podgrzewane jest pośrednio spalinami, a więc powierzchnią grzejną o bardzo wysokiej temperaturze. Ruch powietrza zależy od systemu ogrzewania i wentylacji. Przy zastosowaniu ogrzewania grzejnikowego zimne powietrze przy oknie podgrzewane jest grzejnikiem, unosi się do góry i powoduje ruch powietrza. Dlatego grzejniki powinny być umieszczane pod oknem. Jednak przy nowoczesnych oknach o małym współczynniku przenikania ciepła i coraz niższej temperaturze wody grzewczej zaczyna to mieć niewielkie znaczenie.

W systemie wentylacji grawitacyjnej mamy do czynienia z niekontrolowanym ruchem powietrza. Istnieją tzw. strefy martwe oraz strefy tzw. przeciągu. Przy obecnej szczelności budynku i tendencji zamykania otworów wentylacyjnych w celu oszczędności energii cieplnej, wilgoć wytwarzana w pomieszczeniach, szczególnie w okresach niskich temperatur, nie jest odprowadzona dostatecznie i w sposób kontrolowany. Może to powodować zawilgocenie ścian i w konsekwencji doprowadzić do szkód budowlanych. Ogrzewanie więc powierzchniami grzejnymi o wysokiej temperaturze może pozornie złagodzić ten problem, jednak cały system rozdziału powietrza i ciepła powinien być „pod kontrolą”.

Czystość powietrza
Pod pojęciem czystości powietrza rozumie się dużą ilość tlenu, małą ilość bakterii i pyłów szkodliwych dla zdrowia oraz małą ilość wszelkiego rodzaju „zapachów“. Dostateczną ilość tlenu zapewnia doprowadzenie odpowiedniej ilości świeżego powietrza, a więc zapewnienie odpowiedniej wymiany powietrza w pomieszczeniu. Ograniczenie bakterii, pyłów i zapachów zapewniają filtry powietrza w przypadku zastosowania wentylacji mechanicznej. Źródłem tych zanieczyszczeń może być np. sąsiedni dom ogrzewany  kotłem węglowym. Oto jedna z możliwości podwyższenia komfortu cieplnego przy uwzględnieniu jak najniższych kosztów ogrzewania i klimatyzacji. Rozwiązaniem, lub przynajmniej zdecydowanym złagodzeniem problemów, jest opisany niżej zintegrowany system grzewczo-klimatyzacyjny. Podstawowymi elementami tego systemu są:

* system ogrzewania niskotemperaturowego,
* pompa ciepła powietrze-woda,
* system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła za pomocą wymiennika krzyżowego (rekuperatora),
* wymiennik gruntowy,
* kominek z płaszczem wodnym.

System ten może być stosowany także w różnych kombinacjach i być dopasowany do warunków lokalizacji budynku, wymagań pod względem kosztów ogrzewania, wygody obsługi czy komfortu powietrza. W system ten można włączyć też układ kolektorów słonecznych, jednak ze względu na niskie koszty ogrzewania  pompą ciepła i wysoki współczynnik COP pompy ciepła powietrze-woda w okresie letnim, a więc w okresie największego nasłonecznienia, nie ma on uzasadnienia ekonomicznego.


Pompa ciepła
Podstawowym warunkiem zastosowania pompy ciepła do ogrzewana budynku jest system ogrzewania wodą o temperaturze nieprzekraczającej 55ºC. Można założyć też wyższą temperaturę, jednak sprawność pompy ciepła wraz ze wzrostem tej temperatury maleje, czyniąc zastosowanie pompy ciepła do ogrzewania mniej opłacalnym. Najkorzystniejszy pod względem kosztów eksploatacyjnych jest, mało jeszcze w Polsce znany, system ogrzewania elementami betonowymi budynku z wmontowanymi rurami grzejnymi. Temperatura zasilania wynosi tutaj ok. 25ºC.

Następnym systemem grzewczym jest system ogrzewania podłogowego o temperaturze wody grzewczej 35ºC. Przy nowoczesnej technologii produkcji grzejników istnieje też możliwość zastosowania ogrzewania grzejnikowego o temperaturze zasilania 55ºC. Im niższa temperatura czynnika grzewczego, tym większe oszczędności eksploatacyjne systemu grzewczego z pompą ciepła.

Co to jest pompa ciepła? Jest to urządzenie, które pobiera z naszego środowiska naturalnego ciepło przy niskiej temperaturze i oddaje je do systemu grzewczego przy temperaturze np. 55ºC. Określenie „pompa ciepła” wzięło się z tego, że energię cieplną o niskim poziomie temperatury „przepompowuje“ na wyższy poziom temperatury. A więc, jak w normalnej pompie, potrzebne jest do jej napędu doprowadzenie innej energii, w naszym przypadku energii elektrycznej.

I tak np. w powietrznej pompie ciepła zasysa w zimie zimne powietrze i wydmuchuje jeszcze zimniejsze. Im powietrze zasysane jest zimniejsze i temperatura zasilania instalacji wyższa, tym większy pobór energii elektrycznej do napędu sprężarki. Podobnie jak w instalacji wodociągowej ze studnią głębinową. Im studnia głębsza i wymagane ciśnienie w instalacji wyższe, tym wyższy pobór energii elektrycznej do napędu pompy głębinowej.

Głównym źródłem energii grzewczej na potrzeby centralnego ogrzewania, wentylacji i ciepłej wody użytkowej jest powietrze. Pompa ciepła powietrze-woda może pokryć całkowite zapotrzebowanie ciepła przy zastosowaniu systemu wentylacji mechanicznej z rekuperatorem i czerpiącej powietrze poprzez wymiennik gruntowy. W przypadku niedoboru mocy grzewczej istnieje możliwość automatycznego włączenia się grzałki elektrycznej. Udział grzałki elektrycznej nie powinien przekroczyć jednak 5% całkowitego rocznego zapotrzebowania energii cieplnej. Z danych klimatycznych Polski – optymalnym punktem jest temperatura zewnętrzna ok. -8ºC.

Pompa ciepła o niższej mocy grzewczej niż maksymalne zapotrzebowanie budynku pracuje oszczędniej niż pompa „przewymiarowana“ i zmniejsza całoroczne zapotrzebowanie energii elektrycznej. Przy bliższych analizach okazuje się, że średni roczny współczynnik efektywności całego systemu z powietrzną pompą ciepła jest porównywalny ze współczynnikiem dla systemów gruntowych, a w niektórych przypadkach do systemów ze studnią głębinową. Przy obliczaniu kosztów ogrzewania należy też uwzględnić koszty serwisowania systemu grzewczego. W przypadku powietrznej pompy ciepła są one zdecydowanie niższe.

Rekuperator
W praktyce projektowania spotykamy najczęściej tendencje przewymiarowywania instalacji wentylacji. Takie podejście pozwala wprawdzie uniknąć zarzutu niedostatecznej ilości świeżego powietrza, prowadzi jednak do nadmiernych kosztów ogrzewania. Zainstalowanie instalacji wentylacji mechanicznej pozwala na zoptymalizowanie dopływu świeżego powietrza do pomieszczeń. Przy obecnych normach termoizolacji budynków proporcje strat ciepła przez przegrody budowlane do strat ciepła na wentylację uległy radykalnej zmianie. W dobrze ocieplonym budynku straty ciepła na wentylację stanowią ok. 50%. W systemie wentylacji grawitacyjnej zużyte ciepłe powietrze z ogrzanych pomieszczeń usuwane jest bezpośrednio na zewnątrz, a więc jest bezpowrotnie tracone. Przy zastosowaniu rekuperatora, tzn. wymiennika powietrze-powietrze, ciepłe powietrze usuwane z pomieszczeń podgrzewa świeże powietrze zewnętrzne nawiewane do pomieszczeń. W zależności od produktu i wydajności powietrza sprawność takich wymienników dochodzi do 80%, co oznacza, że odzyskujemy około 40% całkowitego zapotrzebowania ciepła na wentylację budynku. Oprócz oszczędności w kosztach ogrzewania budynku zmniejsza to wielkość pompy ciepła, a więc i koszty inwestycji centrali grzewczej.

Wymiennik gruntowy
Grunt jest „magazynem“ ciepła. Ciepło uzyskane z promieniowania słonecznego i wód opadowych ogrzewa grunt w lecie, powodując, że w zimie na głębokości poniżej 1 m jego temperatura jest wyższa od 0ºC. Przepuszczając przez grunt powietrze w odpowiedniej ilości w wymienniku gruntowym o specjalnej budowie, podgrzewamy je w okresie niskich temperatur zewnętrznych. To podgrzane powietrze możemy wykorzystać do nawiewu do pompy ciepła powietrze-woda, podwyższając tym samym jej współczynnik efektywności. Przy ogólnych rozważaniach można przyjąć, że podgrzanie powietrza o 1 K podwyższa moc grzewczą pompy ciepła o ok. 3%. Zmniejsza więc zapotrzebowanie energii elektrycznej o ok. 3%. Przy zastosowaniu wentylacji mechanicznej z rekuperatorem wymiennik gruntowy spełnia wiele dodatkowych ról. Oprócz podgrzewania powietrza do pompy ciepła podgrzewa także powietrze nawiewane do rekuperatora, stanowi też naturalny, biologiczny filtr i nawilżacz powietrza. W okresie letnim temperatura gruntu jest niższa od temperatury powietrza zewnętrznego. Przy zastosowaniu wentylacji mechanicznej powietrze zewnętrzne czerpiemy poprzez wymiennik gruntowy, powodując obniżenie jego temperatury, a więc w ogólnym pojęciu klimatyzujemy pomieszczenia. Odpowiednio dobrany wymiennik gruntowy jest najtańszym inwestycyjnie i najtańszym w eksploatacji klimatyzatorem budynku. Reasumując, jest on dodatkowym źródłem ciepła w zimie i źródłem „chłodu“ w lecie.

Kominek
Kominek stał się w ostatnich latach popularnym elementem wyposażenia budynków jednorodzinnych. Pełni on rolę dekoracyjną, ale także stwarza przyjemną atmosferę domową w długie zimowe wieczory. W niektórych domach stanowi on nawet źródło ogrzewania w powietrznym systemie ogrzewania budynku. System ten ma pełne uzasadnienie w domach letniskowych, w których pobyt ludzi ogranicza się do krótkich okresów. Jak już  wspomniałem na wstępie, ogrzewanie takie posiada szereg wad, w związku z czym nie jest uwzględnione w systemie ogrzewania pompą ciepła. Istnieje jednak rodzaj kominków z płaszczem wodnym, gdzie energia cieplna wytwarzana przy spalaniu drewna podgrzewa wodę w płaszczu kominkowym. Włączając ten obieg grzewczy do systemu z pompą ciepła, możemy częściowo odzyskać energię cieplną powstałą przy spalaniu drewna. Dzięki kominkowi odzyskujemy przy okazji energię grzewczą, nie może być on jednak podstawowym źródłem ciepła. Ten dodatkowy odzysk ciepła może się wahać w bardzo szerokich granicach, zależnych od przyzwyczajeń, wymagań dotyczących wygody mieszkańców i wielu innych czynników. Przy wykorzystaniu kominka z płaszczem wodnym do zasilania odbiorników ciepła należy go traktować jako kocioł na paliwo stałe i podlega on takim samym normom zabezpieczeń.

Działanie systemu
Podstawowym elementem systemu jest pompa ciepła powietrze-woda czerpiąca powietrze podgrzane w zimie w wymienniku gruntowym. Pompa ciepła „ładuje“ zasobnik buforowy wody grzewczej wodą o temperaturze zależnej od temperatury zewnętrznej. Po osiągnięciu wymaganej temperatury następuje wyłączenie sprężarki pompy ciepła. Pompy obiegowe instalacji c.o. pobierają ciepło ze zbiornika buforowego, obniżając temperaturę wody w buforze. Po spadku temperatury wody następuje włączenie sprężarki pompy ciepła i następuje ponownie proces „ładowania“ bufora. Zasobnik buforowy jest więc bardzo ważnym elementem systemu, regulującym pracę pompy ciepła. Spełnia on rolę sprzęgła hydraulicznego oddzielającego obiegi instalacji c.o. od obiegu pompy ciepła. Włączanie pompy ciepła zależne jest od temperatury wody w buforze. Jeśli wodę podgrzejemy innym źródłem ciepła, pompa ciepła nie włączy się. W opisywanym systemie tym innym źródłem ciepła może być kominek z płaszczem wodnym lub system kolektorów słonecznych włączone w obieg bufora. Ze względu na różny charakter zabezpieczenia ciśnieniowego obiegu pompy ciepła i obiegu kominka, obiegi te muszą być rozdzielone wymiennikiem płytowym. W przypadku zastosowania kominka i kolektorów słonecznych obieg wtórny wymiennika i wężownic bufora oraz zasobnika ciepłej wody powinien być wypełniony niezamarzalną mieszaniną wody z glikolem. Obieg kominka pracować będzie w systemie otwartym, obieg pompy ciepła i instalacji centralnego ogrzewania w systemie zamkniętym. W przypadku zaniku prądu (pompy obiegowe wyłączone) palenisko powinno być automatycznie schładzane wodą z wodociągu płynącą przez wężownicę umieszczoną w kominku. System z wymiennikiem gruntowym może służyć w lecie do schładzania powietrza nawiewanego do kanałowej instalacji wentylacji mechanicznej.

Podsumowanie
Opisany powyżej system grzewczy jest systemem inwestycyjnie pozornie drogim. Najtańsze inwestycyjnie systemy grzewcze są systemami najdroższymi w eksploatacji. Biorąc jednak pod uwagę komfort cieplny pomieszczeń, komfort obsługi i niezawodność systemu oraz to, że oprócz funkcji grzewczych zapewnia on klimatyzowanie pomieszczeń oczyszczonym powietrzem w zimie i w lecie, system ten charakteryzuje się bardzo niskimi kosztami eksploatacyjnymi. Koszt inwestycji zwraca się bardzo szybko, jeśli weźmiemy pod uwagę oszczędności w kosztach ogrzewania i klimatyzacji w stosunku do kosztów tradycyjnych systemów, jak np. kotłowni olejowej czy gazowej i klimatyzatorów. Należy podkreślić, że system ten wymaga dużej kultury obsługi regulacji i zalecany jest użytkownikom posiadającym podstawową wiedzę z zakresu techniki cieplnej i wentylacji.

Zdaję sobie sprawę z pracochłonności montażu tego systemu i z tego, że trudno będzie znaleźć firmę wykonawczą, która może go zaoferować w całości. Zdecydowanym błędem byłoby jednak zlecać poszczególne instalacje różnym wykonawcom. Problemy koordynacyjne i konflikty odpowiedzialności są zaprogramowane. Odradzałbym też wykonywanie bez projektu koordynacyjnego, szczególnie w zakresie automatycznej regulacji.

Mirosław Kozłow

Prenumerata Magazynu Instalatora

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