Pobierz pliki:

Produkty:

Clever Heating Solutions
Rozdział 3

  • Pompa ciepła i kocioł > Zarówno pompa ciepła jak i kocioł kondensacyjny są efektywnymi metodami zasilania niskotemperaturowych instalacji grzewczych
  • Sprawność wytwarzania ciepła > Pompy ciepła doskonale współpracują z instalacjami niskotemperaturowymi
  • Wyniki pokazują korzystne efekty zasilania grzejników konwekcyjnych wodą w niskich temperaturach, przy pompie ciepła pracującej jako źródło ciepła instalacji grzewczej
  • Renowacja budynków > Budynki z niskotemperaturowymi instalacjami z grzejnikami konwekcyjnymi całościowo zużywać będą mniej energii niż te z instalacjami ogrzewania podłogowego
  • Poprawa efektywności energetycznej starszych budynków jest najbardziej korzystnym sposobem oszczędności energii

 

Pompa ciepła

Dzięki niższemu zapotrzebowaniu na ciepło, budynki mieszkalne i biurowe zużywają obecnie mniej energii na potrzeby ogrzewania. Sprawia to, że pompy ciepła stają się idealnym elementem nowoczesnych instalacji grzewczych. Temperatura na głębokości kilku metrów pod powierzchnią ziemi jest prawie stała w trakcie roku, wynosząc ok. +10°C. Wykorzystują to geotermalne pompy ciepła z systemami wężownic – pionowym wymiennikiem gruntowym, umieszczonym na głębokości do 100-150 m pod powierzchnią ziemi, lub poziomym wymiennikiem, umieszczonym bliżej powierzchni ziemi. Zwykle czynnikiem jest wodny roztwór glikolu, krążący w wężownicach, w których następuje pobór ciepła z gruntu, a następnie ogrzany czynnik powraca do pompy ciepła, która podnosi temperaturę czynnika grzewczego instalacji grzewczej. Interesującą odmianą są pompy ciepła powietrze-woda, używające powietrza zewnętrznego i/lub wentylacyjnego powietrza wywiewanego jako źródła ciepła.

 

Kocioł kondensacyjny

Większość kotłów wyposażona jest w pojedynczą komorę spalania, otoczoną wodnym wymiennikiem ciepła, przez który przechodzą nagrzane spaliny. Ostatecznie wyprowadzane są do przewodu kominowego, z wlotem umieszczonym w górnej części kotła, w temperaturze ok. 200°C. W kotłach kondensacyjnych spaliny przechodzą najpierw przez wymiennik pierwotny, w jego górnej części są zawracane do wtórnego wymiennika ciepła.

W kotłach kondensacyjnych paliwo (gaz ziemny lub olej opałowy) ulega spalaniu, podgrzewając wodę w instalacji, która może również zasilać grzejniki w budynku. Przy spalaniu, jednym z produktów reakcji jest para wodna, która skrapla się do postaci gorącej wody. Na dodatkowym wymienniku odzyskuje się energię – czyli zyskuje ciepło (rys. 3.2). Paliwem może być zarówno olej opałowy, jak i gaz ziemny, ten ostatni jednak, jest bardziej wydajny, ponieważ podgrzana woda wykrapla się z gazów spalinowych już w temperaturze 57°C, a nie – jak w przypadku oleju opałowego – w 47°C. Dodatkową zaletą gazu ziemnego jest wyższa zawartość pary wodnej w spalinach.

Kotły kondensacyjne dają znaczne oszczędności energii dzięki efektywnemu wykorzystaniu spalanego paliwa: spaliny mają temperaturę ok. 50°C, podczas gdy w kotłach tradycyjnych gorące spaliny w temperaturze 200°C uciekają przez komin, unosząc ze sobą niewykorzystany potencjał energii zawartej w parze wodnej.

Zarówno pompa ciepła jak i kocioł kondensacyjny są efektywnymi metodami zasilania niskotemperaturowych instalacji grzewczych

Zarówno pompa ciepła, jak i kocioł kondensacyjny są efektywnymi metodami zasilania niskotemperaturowych instalacji grzewczych w nowoczesnych i dobrze zaizolowanych budynkach. Doskonale nadają się do współpracy z grzejnikami konwekcyjnymi, które współpracują ze wszystkimi źródłami ciepła, w tym również ze źródłami odnawialnymi.

Sprawność wytwarzania ciepła

Kotły kondensacyjne mogą pracować w trybie skraplania, gdy temperatura wody zasilającej instalację grzewczą pozostaje poniżej +55°C. Sprawność wzrasta, w porównaniu ze zwykłym kotłem o ok. 6% dla oleju opałowego i ok. 11% dla gazu ziemnego (wg ASUE, 2006 r). Sam ten fakt przekonuje do projektowania grzejników z przeznaczeniem do pracy w niskich temperaturach czynnika grzewczego.

Pompy ciepła
doskonale
współpracują
z instalacjami
niskotemperaturowymi

Pompy ciepła często uważa się za źródła ciepła doskonale dopasowane do instalacji ogrzewania podłogowego, jednak faktycznie będą one równie dobrze współpracować z grzejnikami. Norma PN-EN 14511-2 podaje uproszczoną metodę obliczenia sezonowego współczynnika wydajności cieplnej dla pomp ciepła (SPF), z uwzględnieniem jedynie temperatury wody zasilającej instalację. Taka metoda pozwala uzyskać wystarczająco precyzyjne wartości współczynnika SPF dla ogrzewania podłogowego, gdzie różnica w temperaturze wody zasilającej i powrotnej jest zwykle niewielka, nie przekraczając często 5 K. Ta uproszczona metoda nie może być stosowana do ogrzewania z grzejnikami konwekcyjnymi, gdzie różnica pomiędzy temperaturą wody zasilającej i powrotnej jest większa. W tym przypadku, norma PN-EN 14511-2 zaleca metodę dokładną, uwzględniającą również temperaturę wody powrotnej. Obok SPF oblicza się COP – roczny współczynnik sprawności, opisujący sprawność pracy pompy ciepła w czasie jednego roku.

Uwaga: Zapotrzebowanie na energię pierwotną kotła kondensacyjnego współpracującego z kolektorami słonecznymi, produkującego ciepło do celów ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej jest zbliżone do wartości dla pompy ciepła z wymiennikiem gruntowym (wg ZVSHK, Wasser, Wärme, Luft, wydanie 2009/2010 r.).

Rys. 3.4 Tabela z wartościami współczynnika COP przy różnych wartościach temperatur projektowych (skojarzone wytwarzanie ciepła na cele ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz wyłącznie ogrzewania). Pokazano również odpowiednie temperatury skraplania. Budynek odniesienia to nowoczesny dom jednorodzinny w Monachium, wyposażony w pompę ciepła z wymiennikiem gruntowym. Wartości COP zostały zweryfikowane pomiarami laboratoryjnymi (wg Bosch, 2009 r.).

Rys. 3.4
Roczny współczynnik sprawności COP

Roczny współczynnik sprawności COP

COP = Ilość ciepła dostarczonego przez pompę ciepła, podzielona przez
energię potrzebną do funkcjonowania procesu w trakcie jednego roku


Temperatury
projektowe
Temperatury
skraplania
COP
(c.o.+c.w.u.)
COP
(tylko c.o.)
70/55/20 62,4 2,8 3,0
55/45/20 49,2 3,2 3,6
60/40/20 49,0 3,2 3,6
50/40/20 44,0 3,3 3,8
45/35/20 38,8 3,5 4,1
50/30/20 38,7 3,5 4,1
40/30/20 33,7 3,6 4,4
35/28/20 30,2 3,8 4,6

Pompa ciepła z wymiennikiem gruntowym. Wartości COP dla budynku odniesienia (wg VT Bosch Thermoteknik AB)

Wyniki pokazują korzystne efekty zasilania grzejników konwekcyjnych
wodą w niskich temperaturach, przy pompie ciepła pracującej jako źródło ciepła instalacji grzewczej

Wyniki pokazują korzystne efekty zasilania grzejników konwekcyjnych wodą w niskich temperaturach, przy pompie ciepła pracującej jako źródło ciepła instalacji grzewczej. Pompy ciepła przeznaczone dla małych domów często mają możliwość skojarzonego podgrzewania wody użytkowej. Porównując wartości COP dla pracy skojarzonej, widać, ze projektowe temperatury wody typowej instalacji niskotemperaturowej (o parametrach czynnika 45/35°C) dają ok. 10% wyższą sprawność pompy ciepła niż instalacja o parametrach wody 55/45°C. Różnica pomiędzy instalacją z grzejnikami konwekcyjnymi, o parametrach 45/35°C, oraz instalacji ogrzewania podłogowego o parametrach 40/30°C wynosi ok. 3%, a przy instalacji o parametrach 35/28°C – ok. 9%.

Renowacja budynków.

Budynki z niskotemperaturowymi instalacjami z grzejnikami konwekcyjnymi całościowo zużywać będą mniej energii niż te z instalacjami ogrzewania podłogowego

Poprawa efektywności
energetycznej starszych
budynków jest
najbardziej korzystnym
sposobem oszczędności
energii

Budynki z niskotemperaturowymi instalacjami z grzejnikami konwekcyjnymi całościowo zużywać będą mniej energii niż te z instalacjami ogrzewania podłogowego, nawet wtedy, gdy źródłem ciepła jest pompa ciepła.

Budynki, a szczególnie domy mieszkalne, znajdują się obecnie w spirali zużycia energii. W Europie, najwięcej energii zużywane jest na potrzeby mieszkaniowe. Logicznie rzecz biorąc, nasze działania zmierzające do oszczędności energii powinny być więc nakierowane właśnie na ten sektor. Interesujące jest natomiast to, że nowoczesne budynki (nowe lub starannie wyremontowane) nie stanowią tutaj problemu. Biorąc na przykład budownictwo niemieckie, ilość nowych budynków (wybudowanych po roku 1982) stanowi 23% całości, lecz ich zużycie energii na potrzeby ogrzewania wynosi jedynie 5%. Innymi słowy, poprawa efektywności energetycznej starszych budynków jest najbardziej korzystnym sposobem oszczędności energii.

Całkowity bilans energetyczny budynku uwzględnia przepływy energii do/z budynku.

Całkowity bilans energetyczny budynku uwzględnia przepływy energii do/z budynku. Dane nie zawierają energii potencjalnie potrzebnej do chłodzenia. Przepływy energii przykładowego budynku można zobrazować następująco:


Dane dotyczą starszych wielopiętrowych budynków, gdzie typowe zapotrzebowanie (z uwzględnieniem strat ciepła przez przenikanie i wentylację) wynosi ok. 240 kWh/m2 rocznie. Oszacowanie wartości dla innych rodzajów budynków powinno uwzględnić ich powierzchnię, wartości współczynnika przenikania ciepła U oraz strumienie powietrza wentylacyjnego. Przykładowo, budynek parterowy będzie miał znacznie wyższe jednostkowe (na m2 powierzchni) straty ciepła przez dach i do gruntu niż budynek wielopiętrowy.

Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania pomieszczeń a jednostkowe
obciążenie cieplne

Można obliczyć korelację współczynnika zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń, wyrażanego w kWh/m2 rocznie i jednostkowego obciążenia cieplnego, w W/m2, w oparciu o dostępne dane statystyczne dotyczące niemieckiego budownictwa, dla różnych okresów zapotrzebowania na energię.

Prześledźmy na przykładzie budynku wielorodzinnego, jak zmienią się wielkości zapotrzebowania na ciepło po przeprowadzeniu prac termoizolacyjnych. Na pierwotnym etapie jednostkowe obciążenie cieplne może zostać odczytane z wykresu na rys. 3.9 dla zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń w wysokości 240 kWh/m2 rocznie – będzie to 120 W/m2. W trakcie remontu poprawiona zostanie izolacyjność budynku, stąd nowe wartości współczynnika U będą następujące:

- Ściany zewnętrzne
U = 0,24 W/m2K
- Okna i drzwi zewnętrzne U = 1,3 W/m2K
- Dach U = 0,16 W/m2K
- Podłoga U = 0,5 W/m2K
  Uśrednie = 0,40 W/m2K

 

Jeśli powierzchnia budynku oraz strumień wymiany powietrza pozostaną niezmienione, można oszacować wpływ ulepszonej izolacji. Straty ciepła przez przenikanie zostaną obniżone do 31%, a wartości średniej ważonej współczynnika U spadną z 1,3 W/m2K do 0,40 W/m2K. Wentylacja pozostaje niezmieniona, a obniżenie całkowitych strat ciepła wyniesie 44,3%.

Uwaga: Ten rodzaj poprawy izolacyjności budynku często jest inicjowany ze względu na potrzebę wymiany okien i poprawy wyglądu elewacji lub podwyższenia komfortu cieplnego użytkowników i poprawy jakości klimatu wewnętrznego.

Nowy schemat udziału strat będzie następujący:

- Wentylacja i infiltracja powietrza 65,1 %
- Ściany zewnętrzne 11,4 %
- Okna i ściany zewnętrzne 16,1 %
- Dach 3,6%
- Podłoga 4,4%
  Suma 100%

 

Obciążenie cieplne będzie o 44,3% niższe niż pierwotne. Nowy współczynnik obciążenia cieplnego wynosi ok. 67 W/m2, a z rys. 3.9 można odczytać odpowiadającą mu wartość zapotrzebowania na ciepło w wysokości ok. 100 kWh/m2 na rok.