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.

Przeczytaj także: Dostawa ciepłej wody zasilanej gazowym kotłem kondensacyjnym >>

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 (e_co = 155,3 kWh/(m²  a)). Jednak instalację badawczą wykonano w budynku z lat trzydziestych XX w.