Sprawność instalacji odbiorczych zasilanych gazowym kotłem kondensacyjnym

W dotychczasowych publikacjach podano m.in. następujące informacje:

• gazowy kocioł kondensacyjny wyprodukował w ciągu roku 76,44 GJ,
• średnia w roku sprawność gazowego kotła kondensacyjnego wyniosła 99,2% (w odniesieniu do wartości opałowej gazu),
• zużycie gazu ziemnego wyniosło 2324 m³,
• koszt ciepła to 64,45 zł/GJ,
• obliczeniowa moc cieplna do centralnego ogrzewania wynosi 12 kW,
• zużycie ciepła na centralne ogrzewanie wyniosło 55 GJ,
• jednostkowe zużycie energii do c.o. to 144,3 kWh/(m² a),
• zużywano ok. 86 l na osobę w ciągu doby,
• do przygotowania ciepłej wody użytkowej zużyto 10,38 GJ,
• średnia moc do przygotowania ciepłej wody użytkowej to 0,3 kW,
• jednostkowe zużycie energii do c.w.u. wyniosło 22,3 kWh/(m² a).

Założenia podstawowe

Główną ideą przedsięwzięcia było maksymalne wykorzystanie gazu ziemnego za pomocą kotła kondensacyjnego. Żeby to osiągnąć, kocioł powinien pracować tylko z kondensacją. Cel ten zrealizowano poprzez zaprojektowanie instalacji centralnego ogrzewania z maksymalnymi temperaturami: t_zco/t_pco = 55/35°C. Powoduje to konieczność zwiększenia powierzchni grzejników 2,64 razy w porównaniu z instalacją o parametrach t_zco/t_pco = 80/60°C.

Ciepła woda użytkowa była ponadto podgrzewana w płytowym wymienniku przepływowym, w zależności od chwilowych potrzeb. Maksymalna możliwa do osiągnięcia temperatura c.w.u. wyniosła t_cw^max = 55,0°C (przy maksymalnej temperaturze za kotłem t_zk^max = 58°C). Jest to zgodne z obowiązującymi przepisami [5], a odbiorcy uznali temperaturę c.w.u. za właściwą.

Opis analizowanego obiektu

Przypomnijmy, że analizę przeprowadzono w rzeczywistym mieszkaniu znajdującym się w budynku trzykondygnacyjnym zlokalizowanym w II strefie klimatycznej (temperatura zewnętrzna obliczeniowa t_zobl = -18°C) [6]. Powierzchnia całkowita mieszkania znajdującego się na kondygnacji środkowej F_m » 106 m², a kubatura V_e » 500 m³. Ciepła woda użytkowa jest przygotowywana dla trzech osób.

Przed modernizacją na potrzeby centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej (w sezonie ogrzewczym) zużyto w ciągu roku B_w = 4 Mg koksu. Paliwo miało wartość K_w = 5000 zł. Latem c.w.u. podgrzewano w pojemnościowym podgrzewaczu elektrycznym, a koszt energii K_e » 600 zł.

Dobrano jednofunkcyjny gazowy kocioł kondensacyjny o mocy Q_nom = 20 kW. Kocioł gazowy został po stronie wodnej opomiarowany za pomocą licznika ciepła typu Multical Compact.

Przed kotłem zamontowano osobny gazomierz typu BK-G2,5M o wydajności nominalnej Q_nom = 2,5 m³/h (Q_max = 4,0 m³/h; Q_min = 0,025 m³/h), który służy do rozliczeń z dostawcą gazu.

Poza kotłem kondensacyjnym instalacja gazowa zasila kuchenkę czteropalnikową z elektrycznym piekarnikiem. Gazomierz główny typu G4 o wydajności nominalnej Q_nom = 4,0 m³/h (Q_max = 6,0 m³/h; Q_min = 0,04 m³/h) został zainstalowany wcześniej.

Pomiary zużycia gazu i wytwarzanego ciepła

Analizie poddano okres od 1 listopada 2012 do 31 października 2013 r. W tabeli 1 podano miesięczne wartości zużycia gazu ziemnego (H_o = 34,5 MJ/m³) i ilość wytwarzanego ciepła przez kocioł kondensacyjny, a także energii wykorzystanej do centralnego ogrzewania i ciepłej wody. Na podstawie tych danych wyliczono sprawność instalacji odbiorczych.

Na rys. 1 pokazano zużycie energii cieplnej w badanym okresie. Natomiast na rys. 2 przedstawiono sprawność kotła i instalacji w badanym obiekcie.

Na rys. 3 pokazano zależność sprawności całkowitej od zużycia energii gazu ziemnego, czyli pierwotnej. Na wykresie przedstawiono dwie funkcje opisujące tę zależność. Obie funkcje, wielomian i logarytmiczna, są niemal jednakowo dokładne w opisie zjawiska.

Z uwagi na prostotę opisu proponuje się używanie formuły w postaci:

Sterowanie dostawą ciepła

Ze względu na wysokie koszty układu pomiarowo-sterującego regulacja dostawy ciepła polegała w tym wypadku na wykorzystaniu programatorów czasowych umieszczonych na zasilaniu w energię elektryczną następujących urządzeń: kocioł, pompa obiegowa centralnego ogrzewania, pompa ciepłej wody użytkowej i pompa cyrkulacyjna. Użytkownicy programowali dostawę ciepła oraz pracę urządzeń w zależności od obecności w mieszkaniu w ciągu tygodnia.

Wskaźnik zużycia ciepła

Ocenę jakości budynku oraz ewentualnego ocieplenia stanowi wskaźnik zużycia ciepła do centralnego ogrzewania [7] definiowany zależnością:

W przypadku badanego obiektu wskaźnik ten wyniósł:

Ponadto wyznaczono wskaźnik zużycia ciepła w odniesieniu do całkowitego ciepła wytworzonego przez kocioł kondensacyjny (E_K = 79,44 GJ):

Szczegółową analizę wskaźników rocznego zapotrzebowania na energię w budynkach wielorodzinnych (na podstawie danych statystycznych) przeprowadzono w publikacji [9]. Najciekawsze informacje dotyczą wartości e_co w zależności od roku powstania budynków.

Wskaźnik ten zawiera się w zakresie: 88,8 > e_co > 223,4 kWh/(m²  a) obiektów wybudowanych w latach od 2001–2011 (wartość najniższa) do roku 1945 (wartość najwyższa). Najbliższa otrzymana wartość (e_co = 144,3 kWh/(m²  a)) odpowiada budynkom wybudowanym w latach 1991–2001 (eco = 155,3 kWh/(m²  a)). Jednak instalację badawczą wykonano w budynku z lat trzydziestych XX w.

Mieszkanie jest nietypowe, gdyż liczba osób w stosunku do jego powierzchni jest bardzo niska, powierzchnia jednostkowa f_m wynosi:

gdzie:
SF_p – sumaryczna powierzchnia pokoi (mieszkalna), m²;
n – liczba osób.

Dla przypomnienia obecnie budowane mieszkania w budynkach wielorodzinnych charakteryzują się powierzchnią jednostkową f_m²⁰¹⁴ » 15,0 m²/osobę.

Ocenę jakości budynku oraz ewentualnego ocieplenia stanowi też wskaźnik zużycia ciepła do c.w. [7], definiowany zależnością:

W przypadku badanego obiektu wskaźnik ten wyniósł:

W publikacji [9] przeprowadzono szczegółową analizę wskaźników rocznego zapotrzebowania na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej w budynkach wielorodzinnych. Najciekawsze informacje dotyczą wartości e_cw w zależności od roku powstania budynków. W przypadku instalacji badawczej otrzymana wartość (e_cw = 27,2 kWh/(m₂  a)) jest niższa niż w najnowszych budynkach. 

Na podstawie danych statystycznych wiadomo, że wskaźnik ten [9] zawiera się w zakresie: 59,4 > e_cw > 66,4 kWh/(m²  a) – w przypadku obiektów wybudowanych do 1945 r. wartość ta jest najniższa, a tych z lat 2001–2011 najwyższa.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że wskaźnik sumy zużycia ciepła do centralnego ogrzewania i ciepłej wody jest mniejszy od wskaźnika kotła. Wynika to ze strat ciepła oraz ogrzewania łazienki ciepłą wodą użytkową.

Na rys. 4 przedstawiono przebieg wskaźnika zużycia energii do centralnego ogrzewania, przygotowania ciepłej wody oraz instalacji odbiorczych w okresie 1.11.2012–31.10.2013 w badanym obiekcie. Zaznaczono straty ciepła wraz z ciepłem do ogrzewania łazienki za pomocą ciepłej wody użytkowej.

Należy uznać, że wskaźnik zużycia ciepła (e_co = 144,3 kWh/(m²  a)) jest relatywnie wysoki. Wstępna ocena prostego czasu zwrotu nakładów na ewentualne ocieplenie badanego mieszkania wyklucza tę inwestycję. Przy powierzchni ścian zewnętrznych F_śz » 175 m² i jednostkowej cenie ocieplenia c_oc » 200 zł/m² koszt ocieplenia K_oc » 35 tys. zł. Gdyby zmniejszyć koszty zużycia gazu ziemnego nawet o ok. 30%, czyli o DK_g » 1500 zł/a, prosty czas zwrotu nakładów SPBT wyniósłby ok. 23,3 roku.

Powierzchnia przegród zewnętrznych wynosi A = 175 m2. Współczynnik kształtu mieszkania A/V_e = 175/500 = 0,35. Jest on większy od 0,2, a obowiązujące do niedawna przepisy [5] zalecają obliczanie rocznego zużycia energii z zależności:

Wskaźnik dotyczący wentylacji:

Ostatecznie:

Na podstawie zmierzonego zużycia energii do centralnego ogrzewania otrzymano wskaźnik zużycia ciepła o wartości 144,3 kWh/(m2  rok). Wskaźnik ten w dużym stopniu zależy od warunków klimatycznych. Uproszczoną analizę wpływu klimatu na zużycie energii i gazu ziemnego przedstawiono w [8]. Ponieważ pomiary są kontynuowane, przeprowadzono analizę wpływu warunków klimatycznych na zużycie ciepła do centralnego ogrzewania. 

W tabeli 2 podano parametr uwzględniający temperaturę zewnętrzną, tj. liczbę stopniodni, która jest definiowana przez następującą zależność:

gdzie:
t_so – czas trwania sezonu ogrzewczego, doba;
t_w – temperatura w pomieszczeniach, °C;
t_z^so – średnia temperatura zewnętrzna w sezonie ogrzewczym, °C.

Zastosowane w tabeli 2 oznaczenie dStd to względna zmiana liczby stopniodni w odniesieniu do okresu wcześniejszego. Obliczenia liczby stopniodni wykonano przy założeniu t_w = 20°C. Wprawdzie w publikacji [10] zaleca się inne temperatury w pomieszczeniach, najczęściej t_w = 15°C, ale także t_w = 12–18°C, co jeden stopień.

W tabeli 3 porównano zużycie ciepła w dwóch kolejnych latach – od listopada do maja. W badanym okresie w miesiącach wrzesień–październik zużycie energii do centralnego ogrzewania wyniosło 1,27 GJ, czyli tylko ok. 2,3% całkowitego zużycia. Tak niewielki udział nie wpłynie znacząco na końcową wartość wskaźnika zużycia ciepła.

Na rys. 5 przedstawiono wskaźniki zużycia ciepła do centralnego ogrzewania w dwóch okresach badawczych. Pokazano również wartość EP według zaleceń [5].

Na podstawie rys. 5 można stwierdzić, o ile zmienił się wskaźnik zużycia ciepła:

Należy zwrócić uwagę, że zmiana warunków klimatycznych (liczba stopniodni) była znacznie mniejsza, gdyż wynosiła ok. 23,7%. Może to wynikać z lepszego dostosowywania przez użytkowników produkcji ciepła do rzeczywistych potrzeb (za pomocą programatorów czasowych). Nie można również wykluczyć oszczędzania na kosztach ogrzewania przez utrzymywanie niższej temperatury w pomieszczeniach.

Różnica wskaźnika zużycia ciepła jest zatem na tyle duża, by nie posługiwać się jedną wartością. Proponuje się odnoszenie zużycia energii do liczby stopniodni [10]. Opisuje to zależność:

W okresie 1.11.2012 – 31.05.2013 wartość nowego wskaźnika e_CO wyniosła:

Natomiast w okresie 1.11.2013 – 31.05.2014 wartość ta wyniosła:

Można również odnosić wartość wskaźnika zużycia ciepła do roku referencyjnego. Na podstawie normy [11] liczba stopniodni w roku odniesienia wynosi 3706,9 (przy temperaturze w pomieszczeniach t_w = 20°C). W tabeli 4 podano dane ze wspomnianej normy.

Przeprowadzono obliczenia służące wyznaczeniu wskaźników zużycia energii w odniesieniu do roku referencyjnego – wyniki podano w tabeli 5.

Wskaźnik zużycia energii całkowitej

Aktualne warunki techniczne [5] zalecają konkretne wartości EP w nowych budynkach zbudowanych w roku 2014, 2017 lub 2021. W przypadku budynków mieszkalnych wynoszą one odpowiednio: 120, 95 i 70 kWh/(m² rok). Wartości te odnoszą się do wskaźnika zużycia energii do centralnego ogrzewania z wentylacją oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Na rys. 6 pokazano przebieg wskaźnika całkowitego w dwóch okresach z odniesieniem do wartości zalecanej od roku 2014.

W przypadku całkowitego wskaźnika zużycia energii trudniej uwzględnić wpływ warunków klimatycznych, tym bardziej że w warunkach technicznych [5] nie podano składników poszczególnych potrzeb cieplnych.

Uwagi eksploatacyjne

Uzyskane sprawności instalacji odbiorczych (h_INST = 49,4–87,0%; średnia: h_INST^śr = 82,7%) są relatywnie niskie. Przyczyny tego faktu mogą być różne.

Układ instalacji jest na tyle nietypowy, że wpływa to na obniżenie sprawności w porównaniu ze standardowymi rozwiązaniami. Różnica polega na umieszczeniu części urządzeń (pompy c.o., wymiennika do podgrzewania c.w.u. oraz pomp c.w.u. i cyrkulacyjnej) w piwnicy, gdy instalacje obsługują mieszkanie zlokalizowane na I piętrze. Powoduje to nadmierne straty ciepła.

Ze względu na właściwości zjawiska kondensacji przy spalaniu gazu ziemnego istotny wpływ ma temperatura i wilgotność powietrza. Powinno to być przedmiotem dalszych analiz wielu autorów.

Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonych analiz można stwierdzić, że uzyskane rezultaty wskazują na zastosowanie dobrych rozwiązań technologicznych.

Wyznaczona sprawność instalacji odbiorczych wyniosła 82,7%. Wartość tę należy uznać za niezbyt wysoką. Podstawową przyczyną takiej sytuacji jest znaczna rozległość instalacji w porównaniu z rozwiązaniami standardowymi. Wynika to z lokalizacji mieszkania i kotła na I piętrze budynku, a pompy centralnego ogrzewania i wymiennika do podgrzewania ciepłej wody oraz pompy ciepłej wody i cyrkulacyjnej – w piwnicy.

Ustalono istotny wpływ warunków klimatycznych na wskaźnik zużycia energii do centralnego ogrzewania i wentylacji.

Literatura

1. Śnieżyk R., Eksploatacyjna sprawność gazowego kotła kondensacyjnego, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2014.
2. Śnieżyk R., Praca centralnego ogrzewania w mieszkaniu zasilanym gazowym kotłem kondensacyjnym, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2014.
3. Śnieżyk R., Dostawa ciepłej wody zasilanej gazowym kotłem kondensacyjnym, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2014.
4. Krawczyk D.A., Gładyszewska-Fiedoruk K., The gas consumption in households in Poland – case study, „Rynek Energii” nr 3/2014.
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, z późn. zm.)
6. PN-82/B-02403. Ogrzewnictwo. Temperatury obliczeniowe zewnętrzne.
7. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.-R., Kompendium ogrzewnictwa i klimatyzacji, Omni Scala, Wrocław 2008.
8. Śnieżyk R., Wpływ taryf gazu i warunków klimatycznych na koszty ciepła dla odbiorców indywidualnych (W-1–W-4), „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 7/2014.
9. Kasperkiewicz K., Perspektywy rozwoju ciepłownictwa w Polsce w warunkach znacznego ograniczenia eksploatacyjnej energochłonności budynków, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 10/2011.
10. Dopke J., Wyznaczanie temperatury bazowej budynku i prognozowanie zużycia gazu, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 6/2014.
11. PN-B-02025:2001 Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego. 

Niniejsza praca badawczo-rozwojowa została sfinansowana w ramach działalności gospodarczej prowadzonej pod nazwą Ryszard Śnieżyk

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!