Projektowanie kotłowni wodnej. Bilans cieplny kotłowni wodnej

Podstawowe pojęcia w ogrzewnictwie i ciepłownictwie – próba uporządkowania 

Niektóre nazwy stanowiące niefortunne tłumaczenia terminów rosyjskich lub niemieckich wyszły już z użycia. Współczesnym odpowiednikiem „ogrzewania zdalaczynnego” jest „ogrzewanie scentralizowane”. Podobnie rozmyte są pojęcia „ciepłowni”, „centrali cieplnej” itp.

Wyraźnego rozróżnienia wymaga także pojęcie „ciepła” i „energii”, zwłaszcza że jest mylone w przepisach prawnych. „Energia cieplna” – termin powszechnie obecny w przepisach i literaturze – jest pojęciem prawidłowym, ale oznacza energię kinetyczną cząsteczek lub atomów związaną z ich średnią prędkością poruszania się. Używanie tego pojęcia w kontekście ciepła dostarczonego do budynku jest błędne i nieuprawnione.

Energia może przyjmować różne formy, są to:

• energia cieplna (termiczna) – energia ruchu cząsteczek, której miarą jest temperatura. W termodynamice nosi nazwę energii wewnętrznej. Uprawnione jest używanie terminu energia „geotermalna” lub energia „geotermiczna”, ale tylko w kontekście energii związanej z temperaturą skał lub wody podziemnej. Korzysta się z energii geotermalnej, ale do budynków dostarczane jest ciepło pochodzące z procesu zmiany energii wewnętrznej ośrodka (układu termodynamicznego);
• energia chemiczna wiązania chemicznego atomów pierwiastków – w ogrzewnictwie rzadko stosowana;
• energia chemiczna spalania, czyli egzotermicznej, gwałtownie przebiegającej reakcji utleniania substancji zwanych paliwami;
• energia elektryczna – energia wyzwalana w wyniku przepływu prądu elektrycznego.

Pojęcie ciepła jest bardzo trudno definiowalne. Spotykane są w literaturze różne definicje, ale żadna nie jest prawidłowa pod względem logicznym. Ciepło nie jest substancją, nie jest procesem, nie jest też oddziaływaniem. Można mówić precyzyjnie o przepływie ciepła, w wyniku którego zmienia się energia wewnętrzna układu i otoczenia albo grupy układów termodynamicznych.

Z przepływem ciepła mamy w fizyce do czynienia w dwóch przypadkach: gdy istnieje różnica temperatury w czasie lub przestrzeni albo gdy zmienia się stan skupienia substancji. Precyzyjnie można zdefiniować strumień cieplny, inaczej zwany mocą cieplną, gdy punktem odniesienia jest źródło, lub zapotrzebowanie na moc cieplną, gdy strumień cieplny odnosi się do odbiornika, np. ogrzewanego budynku.

Strumieniem ciepła nazywamy stosunek ciepła do czasu, w którym ciepło przepłynęło (w ujęciu chwilowym lub średnim – w stanie ustalonym).

Centrala cieplna to zespół urządzeń do wytwarzania lub wymiany (transformacji) ciepła wraz z urządzeniami pomocniczymi (peryferyjnymi) i systemem przewodów. Pojęcie to również oznacza pomieszczenie (zespół pomieszczeń), w którym te urządzenia zostały zamontowane.

Energia może ulec konwersji w ciepło. W tym przypadku można mówić o wytwarzaniu ciepła. Zatem wytwarzanie ciepła może zachodzić w wyniku konwersji energii termicznej, energii chemicznej wiązania, energii chemicznej spalania i energii elektrycznej.

Kocioł to urządzenie, w którym następuje konwersja energii chemicznej spalania paliw w ciepło. Tak więc wielkością wejściową jest energia chemiczna spalania, a wielkością wyjściową ciepło. Używana powszechnie przez monterów instalacji ogrzewania nazwa „piec” jest nieprawidłowa. Piec to urządzenie przemysłowe lub grzejnik konwekcyjny, w którym spala się paliwo, np. piec ceramiczny z wykładziną z kafli.

Urządzenie, w którym następuje konwersja energii elektrycznej w ciepło, może nosić nazwę podgrzewacza czy grzałki, ale nie powinno być nazywane kotłem. Nazwa „kocioł elektryczny” jest błędna.

Kotłownia to zespół urządzeń do wytwarzania ciepła w wyniku konwersji energii chemicznej spalania w ciepło (kotłów) wraz z układem połączeń za pomocą przewodów oraz innymi urządzeniami. Kotłownią może być także nazywane pomieszczenie (zespół pomieszczeń), w którym zainstalowane są kotły.

Zamiennie z pojęciem „centrala cieplna” używa się określenia „ciepłownia” [1, 6], oznacza ono jednak w języku zawodowym ciepłowników raczej dużą kotłownię. Autor skłonny byłby zrezygnować z tego pojęcia jako zamiennego dla „centrali cieplnej”.

Przez transformację albo wymianę ciepła rozumieć będziemy przekazywanie ciepła od jednego czynnika termodynamicznego do drugiego. Nie jest to wytwarzanie ciepła, a tylko zmiana jego parametrów, czasem w postaci zmiany temperatury tego samego czynnika, czasem jako przekazanie ciepła do innego czynnika, np. z pary wodnej do wody lub z wody do wodnego roztworu glikolu.

Zatem „centrala cieplna”, jako pojęcie szersze, obejmować będzie m.in. następujące obiekty:

• kotłownia,
• centrala cieplna z podgrzewaczami elektrycznymi,
• centrala cieplna geotermalna lub geotermiczna (według autora powinno się pozostać wyłącznie przy terminie „geotermalna”),
• centrala cieplna z pompami ciepła,
• centrala cieplna z kolektorami słonecznymi,
• blok ciepłowniczy elektrociepłowni (także jądrowej),
• węzeł cieplny w systemie ciepłowniczym (scentralizowanym),
• węzeł cieplny w układzie odzyskiwania ciepła,
• węzeł cieplny do pozyskiwania ciepła z gruntu,
• węzeł cieplny do pozyskiwania ciepła odpadowego (wentylacja, przemysł, energetyka).

Wymienione elementy mogą być połączone, np. kotłownia z zespołem pomp ciepła lub kolektorów słonecznych do ogrzewania albo przygotowywania ciepłej wody.

Tematem cyklu artykułów będzie wyłącznie pierwsza kategoria central cieplnych, tj. kotłownie.

Klasyfikacja kotłowni (kotłów)

Kotłownie podzielić można według wielu kryteriów [4, 6]. Jednym z nich jest wytwarzany nośnik ciepła (w przeszłości zwany „czynnikiem grzejnym”) i w tym wypadku rozróżnia się:

• kotłownie wodne,
• kotłownie parowe,
• kotłownie z innymi czynnikami (np. olej termalny, powietrze, roztwór glikolu itp.).

Kotłownie wodne dzieli się z kolei na:

• niskotemperaturowe (o najwyższej temperaturze nośnika ciepła 100°C),
• wysokotemperaturowe (o najwyższej temperaturze nośnika ciepła ponad 100°C).

Ze względu na rodzaj paliwa [4, 6] kotłownie podzielić można na:

• kotłownie na paliwo stałe,
• kotłownie na paliwo ciekłe,
• kotłownie na paliwo gazowe.

Zastosowanie mogą mieć układy łączone, nawet w tym samym kotle (palniki na kilka mediów).

Ze względu na pełnione funkcje (rodzaj potrzeb cieplnych) [4, 6] wyróżnia się kotłownie:

• do centralnego ogrzewania (c.o.),
• do przygotowania ciepłej wody,
• do podgrzewania powietrza w układach wentylacji i klimatyzacji,
• do celów technologicznych.
• Najczęściej występują połączenia funkcji, np. centralne ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody.

Ze względu na moc cieplną (i związane z tym wymagania) kotłownie na paliwo stałe [4] dzielą się na:

• kotłownie o mocy do 10 kW,
• kotłownie o mocy 10–25 kW,
• kotłownie o mocy 25–2000 kW,
• kotłownie o mocy powyżej 2000 kW.

Ze względu na moc cieplną (i związane z tym wymagania) kotłownie na paliwo płynne (ciekłe lub gazowe) [4] dzielimy na:

• kotłownie o mocy do 30 kW,
• kotłownie o mocy 30–60 kW,
• kotłownie o mocy 60–2000 kW,
• kotłownie o mocy powyżej 2000 kW.

Ze względu na położenie kotłowni względem ogrzewanego budynku (obiektu) rozróżnia się kotłownie:

• wbudowane (w ogrzewanym budynku),
• wolnostojące (w oddzielnym budynku).

Zgodnie z przepisami [4] kotłownie o mocy powyżej 2000 kW mogą być wykonane wyłącznie jako wolnostojące. W świetle przepisów dotyczących ochrony przed pożarem za odrębny budynek można uważać część budynku oddzieloną pożarowo od pozostałych części, tj. stanowiącą odrębną strefę pożarową.

Kotły podzielić można identycznie jak powyżej, a dodatkowo ze względu na sposób doprowadzenia powietrza do spalania i odprowadzenia spalin na:

• kotły typu B (doprowadzenie powietrza z pomieszczenia, odprowadzenie spalin na zewnątrz),
• kotły typu C (doprowadzenie powietrza z zewnątrz, odprowadzenie spalin na zewnątrz).

Ze względu na rodzaj palnika kotły dzielą się na urządzenia:

• z palnikiem atmosferycznym (inżektorowym),
• z palnikiem nadmuchowym (wentylatorowym).

Z uwagi na sposób regulacji palnika wyróżnia się:

• kotły z palnikiem jednostopniowym,
• kotły z palnikiem dwustopniowym,
• kotły z palnikiem trójstopniowym (duże kotły),
• kotły z palnikiem modulowanym (płynnie regulowanym).

Natomiast ze względu na wykorzystanie ciepła skraplania pary wodnej zawartej w spalinach kotły dzielą się na:

• kondensacyjne (kondensujące),
• niekondensacyjne (niekondensujące).

Bilans cieplny kotłowni

Sporządzenie bilansu cieplnego ma na celu precyzyjne określenie wielkości zapotrzebowania na moc cieplną i ciepło do odpowiednich funkcji kotłowni (potrzeb cieplnych). Jest to najważniejszy etap projektu, gdyż od prawidłowości sporządzenia bilansu cieplnego zależy racjonalny dobór jednostek kotłowych decydujący o uzasadnionych kosztach eksploatacji obiektu. Bilans cieplny sporządza się jako chwilowy, mający charakter maksymalny, i jako bilans roczny. Ten pierwszy – do celów projektowania kotłowni – prowadzi do wyznaczenia parametrów technicznych wszystkich urządzeń, drugi służy do określenia kosztów eksploatacji kotłowni.

Bilans cieplny kotłowni do celów projektowych

Bilans ciepła sporządza się na potrzeby centralnego ogrzewania, przygotowania ciepłej wody, podgrzewania powietrza wentylacyjnego i na potrzeby technologiczne. Nie zawsze w jednej kotłowni występują wszystkie funkcje.

Bilans cieplny kotłowni na potrzeby centralnego ogrzewania

Zapotrzebowanie na moc cieplną do centralnego ogrzewania należy przyjmować zgodnie z projektem instalacji c.o. Mając na uwadze, że norma PN-EN ISO 12831 [14] nie uwzględnia zysków ciepła w stanach obliczeniowych, a także wyznacza nadwyżkę mocy na rozgrzanie budynku po okresie osłabienia ogrzewania, nie ma uzasadnienia do zwiększania zapotrzebowania na moc cieplną budynku ponad wielkość projektowego obciążenia cieplnego.

Przy znacznej odległości kotłowni od ogrzewanych budynków (głównie w istniejących systemach ciepłowniczych) można uwzględnić sprawność przesyłu ciepła, np. na podstawie określonych strat mocy cieplnej systemu przesyłowego:

gdzie:

Φ_cok – moc cieplna kotłowni do celów c.o. [kW],

ΣΦ_projco – suma projektowego obciążenia cieplnego budynków [kW], określonego zgodnie z normą PN-EN ISO 12831 w warunkach obliczeniowej temperatury powietrza zewnętrznego,

η_d – sprawność przesyłu ciepła w warunkach obliczeniowych (obliczeniowej temperatury powietrza zewnętrznego) określona na podstawie danych systemu przesyłowego.

Bilans cieplny kotłowni na potrzeby podgrzania powietrza wentylacyjnego

W przypadku kompletnych danych w projekcie instalacji wentylacyjnej należy przyjąć określony przez projektanta wentylacji strumień ciepła jako moc jednocześnie działających nagrzewnic wentylacyjnych z uwzględnieniem sprawności przesyłu. Inny charakter ma zasilanie nagrzewnic wstępnych, a inny nagrzewnic wtórnych w układach klimatyzacyjnych. Te wielkości zapotrzebowania nie występują jednocześnie. Zwykle większą wartość ma suma zapotrzebowania na moc cieplną do zasilania nagrzewnic wstępnych.

Projektant kotłowni nie powinien sam określać niezbędnych strumieni ciepła (mocy cieplnej) w układach wentylacji, gdyż ich wielkość może zależeć od wielu czynników, takich jak np. sposób zabezpieczenia wymienników do odzyskiwania ciepła przed krzepnięciem wody wewnątrz wymiennika (potocznie – przed „zamrożeniem”). Jeśli przyjęty sposób projektowania utrudnia współpracę projektanta kotłowni z projektantem wentylacji (klimatyzacji), to projektant kotłowni powinien uzyskać kompletne dane o mocy cieplnej do wentylacji od zamawiającego. Przyjmowanie mocy intuicyjnie, na podstawie nieprecyzyjnych danych może prowadzić do nieprawidłowego doboru (niedowymiarowania lub przewymiarowania) urządzeń w kotłowni.

Moc cieplna w kotłowni na potrzeby wentylacji może być określona ze wzoru:

gdzie:

Φ_wentk – miarodajna moc kotłowni do wentylacji [kW],

Φ_projwent – moc potrzebna do podgrzania powietrza wentylacyjnego [kW],

η_d – sprawność przesyłu ciepła w warunkach obliczeniowych (obliczeniowej temperatury powietrza zewnętrznego) określona na podstawie danych systemu przesyłowego.

Strumień ciepła (moc cieplna) do podgrzania powietrza wentylacyjnego w nagrzewnicy wstępnej to:

gdzie:

Φ_wentNI – moc potrzebna do podgrzania powietrza wentylacyjnego w nagrzewnicy wstępnej [kW],

V – strumień objętości powietrza wentylacyjnego [m³/s],

c_p – ciepło właściwe powietrza [kJ/(m³K)],

θ_e – obliczeniowa temperatura powietrza zewnętrznego [°C],

θ_n – temperatura powietrza nawiewanego [°C],

η_oc – sprawność temperaturowa odzyskiwania ciepła w warunkach temperatury obliczeniowej,

η_GWC – sprawność temperaturowa gruntowego wymiennika ciepła odniesiona do temperatury powietrza nawiewanego.

Moc nagrzewnicy wtórnej określa się na podstawie parametrów powietrza przed i za nagrzewnicą. Dane te muszą być podane w projekcie klimatyzacji.

Bilans cieplny kotłowni na potrzeby przygotowania ciepłej wody

Zapotrzebowanie na ciepłą wodę można określić w różnych jednostkach czasu jako:

• średnie godzinowe m_srh [kg/h],
• maksymalne godzinowe m_maxh [kg/h],
• maksymalne 20-minutowe m₂₀ [kg/h],
• maksymalne minutowe m₁ [kg/h],
• chwilowe q [kg/s (dm³/s)].

W miarę zmniejszania przedziału czasu wzrasta wielkość zapotrzebowania na c.w.u.

Do obliczeń cieplnych sekcji przygotowania c.w. w kotłowni zalecane jest (propozycja autora [7]) przyjęcie 20-minutowego zapotrzebowania. Do bilansu cieplnego kotłowni należy przyjąć średnie godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę.

Średnie godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę oblicza się ze wzoru:

gdzie:

m_d – maksymalne dobowe zapotrzebowanie na c.w. [kg/d], w budownictwie mieszkaniowym przyjmowane w odniesieniu do 1 mieszkańca: 50–60 kg/d [2, 3].

Maksymalne 20-minutowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę oblicza się ze wzoru:

gdzie:

m₂₀ – maksymalne 20-minutowe zapotrzebowanie na c.w. [kg/h],

N₂₀ – współczynnik 20-minutowej nierównomierności zapotrzebowania na c.w. w budynkach mieszkalnych określony ze wzoru [7]:

gdzie:

LM – liczba mieszkań.

Interpretację graficzną współczynnika nierównomierności 20-minutowej pokazano na rys. 1.

W przypadku większej niż 1600 liczby mieszkań proponuje się przyjmować wartość 2. W budownictwie niemieszkalnym zaleca się także przyjmowanie współczynnika nierównomierności 20-minutowej (np. mycie po zmianie w zakładach pracy). Podobnie można przyjąć w szpitalach, przy czym współczynnik nierównomierności dwudziestominutowej będzie wynikał z wyposażenia w urządzenia ciepłej wody i z reżimu ich użytkowania.

Przyjęcie okresu 20-minutowego umożliwia lepszą korelację strumienia c.w. z liczbą przyborów (mieszkań). Przy braku precyzyjnych danych można przyjąć 20-minutowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę jako 40% wartości chwilowego zapotrzebowania (q).

Chwilowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę w przeszłości obliczano według PN-B-01706:1992 [10]. Norma ta została wycofana bez zastąpienia, tj. nie może być materiałem pomocniczym do projektowania instalacji wewnętrznych wody zimnej i ciepłej nawet w sytuacji jej powołania w rozporządzeniach. Zgodnie z normą PN-EN 806 [11–13] chwilowy strumień objętości ciepłej (także zimnej) wody oblicza się według wzoru:

gdzie:

q – chwilowe zapotrzebowanie na c.w. [dm³/s],

ΣLU – suma charakterystycznych jednostek obciążenia punktów poboru, 1 LU odpowiada 0,1 dm³/s,

d, e – współczynniki, np. przy LUmax = 4 (wanna) d = 0,256, e = 0,321.

Autor zaleca [5] przyjmowanie następujących wartości jednostek obciążenia, z jed­noczesnym zastosowaniem współczynników

d = 0,256, e = 0,321 do SLU £ 300

i d = 0,0482, e = 0,614 powyżej 300:

• wanna, natrysk – LU = 2,
• zlewozmywak – LU = 1,5,
• umywalka, bidet – LU = 1.

W bilansie zapotrzebowania autor proponuje [5] nie uwzględniać pralek i zmywarek (przeważnie są zasilane zimną wodą, ale występują wyjątki). Wyniki obliczeń według tej metody dają wielkości zbliżone do obliczanych według [10].

Strumień ciepła (moc cieplna) do podgrzania wody oblicza się ze wzoru:

gdzie:

Φ_cw – miarodajna moc cieplna do przygotowania c.w. [kW],

m_cw – strumień masy c.w. (w przyjętej jednostce czasu) [kg/s],

c_p – ciepło właściwe wody zależne od temperatury [kJ/(kgK)],

θ_cw – temperatura c.w. [°C],

θ_wz – temperatura wody zimnej [°C].

Moc do wymiarowania sekcji ciepłej wody (wymienników) w układzie bez zasobnika ciepłej wody oblicza się ze wzoru:

gdzie:

Φ_cw – moc cieplna do przygotowania c.w. [kW],

Φ₂₀ – strumień ciepła do podgrzania wody w przedziale 20-minutowym [kW],

α_c – względne straty mocy cieplnej układu cyrkulacji c.w. (w nowoczesnych kotłowniach 0,10−0,20).

W układzie z zasobnikiem ciepłej wody (układ odrębnego zasobnika lub połączenie wymiennika przepływowego z zasobnikiem – tzw. wymiennik pojemnościowy) wielkością miarodajną do doboru wymiennika jest zredukowane zapotrzebowanie na moc cieplną równe:

gdzie:

Φ_zr – moc cieplna zredukowana do przygotowania c.w. [kW],

β – współczynnik redukcji obliczony ze ­wzoru:

gdzie:

φ – współczynnik akumulacji obliczany ze wzoru [6]:

gdzie:

V_z – rzeczywista pojemność zasobnika c.w. [dm³],

V₁₀₀ – pojemność zasobnika odpowiadająca pełnej akumulacyjności [dm³].

Pełna akumulacyjność (j = 1) to pojemność, przy której dopływ strumienia ciepła do zasobnika ma charakter średni godzinowy. W budynkach mieszkalnych autor proponuje przyjęcie formuły:

gdzie:

V_d – dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę [dm3],

Lm – liczba mieszkańców.

W budynkach o innym przeznaczeniu niż mieszkalne proponuje się przyjmowanie pełnej akumulacyjności jako 2–3-krotności zapotrzebowania 20-minutowego, np. przy zapotrzebowaniu 20-minutowym 1200 kg/h pełna akumulacyjność wyniesie ok. 3600 dm³ (z dokładnością do gęstości).

Do bilansu cieplnego kotłowni (doboru kotłów) w przypadku priorytetu przygotowania ciepłej wody (nad potrzebami centralnego ogrzewania) przyjmujemy:

gdzie:

Φ_cwk – miarodajna moc cieplna kotłowni do przygotowania c.w. [kW],

Φ_srh – strumień ciepła do podgrzania wody w warunkach średnich godzinowych [kW].

W przypadku węzłów ciepłej wody znajdujących się poza kotłownią należy uwzględnić straty przesyłu nośnika ciepła w warunkach sezonu grzewczego i warunkach letnich. W przypadku węzła cieplnego ciepłej wody w kotłowni należy uwzględnić schłodzenie ciepłej wody przy przesyle z kotłowni do bardziej oddalonych odbiorników.

Przy braku priorytetu (np. na potrzeby wyłącznie wentylacji – ogrzewania powietrznego) miarodajna moc kotłowni powinna zostać określona ze wzoru (9) po powiększeniu o straty przesyłu.

Do wymiarowania hydraulicznego obiegu ciepłej wody (i zimnej) należy przyjąć chwilowy strumień q obliczony na podstawie normy [11–13].

Bilans cieplny kotłowni na potrzeby technologii

W układach przemysłowych dane o zapotrzebowaniu na ciepłą wodę należy uzyskać od technologa procesu. Zapotrzebowanie należy ustalić w formie harmonogramu godzinowego, a także uwzględnić krótkotrwałe szczytowe wartości poboru.

Potrzeby technologiczne to między innymi podgrzewanie wody w basenach kąpielowych (krytych i otwartych). W bilansie mocy cieplnej stacji uzdatniania wody basenowej należy uwzględnić:

• dopływ świeżej wody i cyrkulację wody przez stację uzdatniania, gdzie temperatura wody również spada,
• stan napełnienia basenu w założonym (sensownym) czasie.

Należy wybrać większą z dwóch obliczonych wartości. Napełnianie niecki basenowej nie musi przypadać na okres obliczeniowej temperatury zewnętrznej i wówczas moc szczytową węzła cieplnego określa się z uwzględnieniem zmniejszenia zapotrzebowania na moc cieplną w sekcji c.o. i podgrzewania powietrza wentylacyjnego.

Strumień ciepła (moc cieplną) do podgrzania wody w układach technologicznych oblicza się ze wzoru:

gdzie:

Φ_tk – moc cieplna do technologii [kW],

m_t – strumień masy wody technologicznej (w przyjętej jednostce czasu) [kg/s],

c_p – ciepło właściwe wody zależne od temperatury [kJ/(kgK)],

θ₁ – temperatura początkowa wody technologicznej [°C],

θ₂ – temperatura końcowa wody technologicznej [°C],

pozostałe oznaczenia – jak we wcześniejszych wzorach.

Łączne zapotrzebowanie na moc cieplną kotłowni

Łączne zapotrzebowanie na moc cieplną kotłowni należy przyjąć jako sumę wielkości zapotrzebowania na poszczególne potrzeby z uwzględnieniem jednoczesności występowania maksymalnego zapotrzebowania (dotyczy zwłaszcza technologii).

gdzie:

Φ_k – łączna moc cieplna kotłowni [kW],

Φ_cok – moc cieplna kotłowni do centralnego ogrzewania [kW],

Φ_wentk – moc cieplna kotłowni do podgrzania powietrza wentylacyjnego [kW],

Φ_cwk – moc cieplna kotłowni do przygotowania c.w. [kW],

Φ_tk – moc cieplna kotłowni do technologii [kW].

Roczny bilans cieplny kotłowni

Roczny bilans ciepła kotłowni sporządza się stosownie do funkcji (potrzeb cieplnych). Oznaczenia wielkości fizycznych przyjęto zgodnie z [9].

Roczny bilans cieplny kotłowni do celów centralnego ogrzewania

Roczne zużycie ciepła użytkowego do ogrzewania Q_H,nd należy obliczyć zgodnie z procedurą określania charakterystyki energetycznej budynku [8, 9] jako bilans przepływów miesięcznych strat i zysków ciepła. Ciepło końcowe (na granicy osłony bilansowej budynku) należy wyznaczyć przy uwzględnieniu sprawności regulacji i wykorzystania, transportu i akumulacji ciepła ze wzoru:

gdzie:

Q_KH – ciepło (energia końcowa) do ogrzewania [GJ],

Q_H,nd – ciepło użytkowe do ogrzewania [GJ] [8, 9],

η_e – sprawność regulacji i wykorzystania ciepła [8, 9],

η_di – sprawność przesyłu ciepła w instalacji [8, 9],

η_s – sprawność akumulacji ciepła [8, 9].

W rocznym zapotrzebowaniu na ciepło w kotłowni QKHk należy uwzględnić stratę przesyłu:

gdzie:

η_ds – sprawność przesyłu ciepła w sieci ciepłowniczej (od kotłowni do odbiorników).

Roczny bilans cieplny kotłowni do wentylacji

Podobnie jak w przypadku ciepła do ogrzewania roczne zużycie ciepła użytkowego do wentylacji (nagrzewnice wstępne) Q_VEI,nd [GJ] należy obliczyć zgodnie z procedurą określania charakterystyki energetycznej budynku [8, 9] jako sumę miesięcznych strumieni ciepła bez uwzględnienia zysków ciepła – te są uwzględnione w ogrzewaniu:

gdzie:

H_VE – współczynnik strat ciepła do wentylacji [W/m] [8, 9],

θ_int – średnia temperatura wewnętrzna strefy ogrzewanej [°C],

θ_em – średnia miesięczna temperatura powietrza zewnętrznego [°C] ze zbioru danych meteorologicznych,

t_m – liczba sekund w miesiącu.

W przypadku nagrzewnic wtórnych w układach klimatyzacyjnych roczne zużycie ciepła należy określić ze wzoru:

gdzie:

Q_VEII,nd – roczne zużycie ciepła do nagrzewnic wtórnych w układach klimatyzacji [GJ],

m_ps – łączny strumień masy powietrza suchego [kg/s],

h₁ – średnia (w okresie eksploatacji) entalpia powietrza przed nagrzewnicą wtórną [kJ/kg],

h₂ – średnia (w okresie eksploatacji) entalpia powietrza przed nagrzewnicą wtórną [kJ/kg],

t_e – czas eksploatacji w roku [s].

W rocznym zapotrzebowaniu na ciepło w kotłowni Q_VEk należy uwzględnić stratę przesyłu w instalacji i sieci ciepłowniczej:

gdzie:

Q_VE – roczne zużycie ciepła do wentylacji [GJ],

η_di – sprawność przesyłu ciepła w instalacji ciepła wentylacyjnego,

η_ds – sprawność przesyłu ciepła w sieci ciepłowniczej (od kotłowni do odbiorników).

Roczny bilans cieplny kotłowni do celów przygotowania ciepłej wody

Ciepło użytkowe do przygotowania ciepłej wody oblicza się zgodnie z [9] ze wzoru:

gdzie:

Q_W,nd – ciepło użytkowe do przygotowania ciepłej wody [GJ],

V_cw – jednostkowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę [dm³/(dobę j.o.)], j.o. – jednostka odniesienia,

l – liczba jednostek odniesienia,

c_w – ciepło właściwe wody w zakresie temperatury Jwz–Jcw [kJ/(kgK)],

ρ – gęstość wody [kg/dm3],

θ_cw – temperatura ciepłej wody, standardowo 55°C,

θ_wz – temperatura wody zimnej, standardowo 10°C,

t_uz – czas użytkowania instalacji ciepłej wody [s].

W rocznym zapotrzebowaniu na ciepło w kotłowni QKWk należy uwzględnić stratę przesyłu w sieci ciepłowniczej oraz roczne straty ciepła w systemie cyrkulacji ciepłej wody:

gdzie:

α_c – względne roczne straty ciepła układu cyrkulacji c.w.,

η_ds – średnioroczna sprawność przesyłu ciepła w sieci ciepłowniczej (od kotłowni do odbiorników).

Roczny bilans cieplny kotłowni do celów technologicznych

Ciepło użytkowe do celów technologicznych Q_t,nd [GJ] oblicza się ze wzoru:

gdzie:

Φ_t  max – maksymalna moc cieplna do technologii [kW],

φ – współczynnik obciążenia,

t_e – czas eksploatacji [s].

Wielkość wchodzącą do bilansu kotłowni należy powiększyć o straty ciepła przy przesyle:

gdzie:

Q_tk – składowa rocznego zapotrzebowania na ciepło do technologii przyjęta do bilansu ciepła kotłowni [GJ],

η_ds – średnioroczna sprawność przesyłu ciepła w sieci ciepłowniczej (od kotłowni do odbiorników).

Łączne roczne zapotrzebowanie na ciepło w kotłowni

Łączne roczne zapotrzebowanie na ciepło w kotłowni Q_totk stanowi sumę zapotrzebowania na określone potrzeby (funkcje kotłowni):

Literatura

1. Kołodziejczyk L., Ciepłownictwo. Leksykon, PZITS, Warszawa 1986.
2. Nejranowski J., Szaflik W., Zmienność poboru ciepłej wody użytkowej w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych wyposażonych w wodomierze mieszkaniowe, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 1/99.
3. Nowakowski E., Obliczeniowe przepływy wody w budynkach mieszkalnych. Wybór metody, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2011.
4. Zaborowska E., Projektowanie kotłowni na paliwo ciekłe i gazowe, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2012
5. Żarski K., Nakielska M., Porównanie metod obliczeniowych wymiarowania instalacji ciepłej wody w budynkach mieszkalnych, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 9/2012.
6. Żarski K., Obiegi wodne i parowe w kotłowniach, Ośrodek Informacji „Technika instalacyjna w budownictwie”, Warszawa 2000.
7. Żarski K., Propozycja procedur obliczeniowych dwufunkcyjnych węzłów ciepłowniczych, „Instal” nr 9/2009.
8. Żarski K., Charakterystyka energetyczna budynków, Ośrodek Informacji „Technika instalacyjna w budownictwie”, Warszawa 2010.
9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku, lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno­‑użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU nr 201/2008, poz. 1240).
10. PN-92/B-01706/A1:1999 Instalacje wodociągowe. Wymagania w projektowaniu – norma wycofana bez zastąpienia.
11. PN-EN 806-1:2004 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Część 1: Postanowienia ogólne.
12. PN-EN 806-2:2005 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Część 2: Projektowanie (oryg.).
13. PN-EN 806-3:2006 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Część 3: Wymiarowanie przewodów. Metody uproszczone (oryg.).
14. PN-EN ISO 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!