Sprawność i koszty eksploatacyjne wybranych systemów c.o. i c.w.u. w budynkach wielorodzinnych

Ważnym zagadnieniem staje się obecnie wybór odpowiedniego źródła ciepła oraz systemu ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej, które mają wpływ zarówno na ponoszone koszty, jak i efektywne wykorzystanie energii [1–3, 7, 8].

Z kolei na etapie eksploatacji dąży się do racjonalizacji zużycia ciepła w już istniejących systemach ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej, zarówno poprzez przeprowadzanie modernizacji w zakresie infrastruktury technicznej, jak i edukację użytkowników tych instalacji [4–6, 9].

Na rynku dostępne są różne rozwiązania techniczne systemów ogrzewania i przygotowania c.w.u. – w artykule przedstawiono analizę techniczną układów najczęściej spotykanych w Polsce.

Materiały i metody badań

Badaniami objęto sześć budynków wielorodzinnych (A, B, C, D, E i F – tabela) zlokalizowanych w województwie lubelskim. Były to obiekty, które zostały wybudowane po roku 2000 i już na etapie inwestycyjnym wykonano w nich ocieplenie przegród zewnętrznych w postaci izolacji ścian osłonowych (styropian o grubości 10 cm), izolacji ścian szczytowych (styropian o grubości 12 cm) oraz izolacji stropodachu (styropian o grubości 15 cm).

W analizowanych budynkach instalacja centralnego ogrzewania wyposażona była w zawory podpionowe różnicy ciśnienia oraz zawory termostatyczne przy grzejnikach. Podobnie instalacja cyrkulacji ciepłej wody użytkowej wyposażona była w podpionowe zawory termostatyczne. Instalacje c.o. oraz c.w.u. były zaizolowane termicznie zgodnie z obowiązującymi przepisami.

W budynkach A i B zastosowano kotłownię gazową, a w budynkach C i D wymiennikownię jako główne źródło ciepła na potrzeby c.o. i c.w.u. Budynki E i F również były zasilane z indywidualnych wymiennikowni, lecz dodatkowo zainstalowano tam mieszkaniowe węzły cieplne przy każdym z lokali, w których przygotowywana była miejscowo c.w.u. oraz kierowany był czynnik grzewczy do instalacji ogrzewania. Przed każdym mieszkaniem w budynkach A, B, C i D umieszczony był ciepłomierz mierzący zużycie ciepła na cele c.o. w danym lokalu oraz wodomierz wody ciepłej. Natomiast w budynkach E i F w każdym z mieszkaniowych węzłów cieplnych umieszczony był ciepłomierz, który mierzył łączne zużycie ciepła w instalacji ogrzewania i przygotowania c.w.u.

Powierzchnia użytkowa budynków A i D wynosi ok. 4990 m², a budynków B i C 3060 m². Powierzchnia użytkowa budynków E i F również jest zbliżona i wynosi odpowiednio 2440 i 2238 m². Zatem budynki A i D oraz B i C różnią się tylko zastosowanym źródłem ciepła.

Badania eksploatacyjne polegały na pomiarze zużycia ciepła w źródle ciepła dla danego budynku (czyli ciepła dostarczonego do budynku – Q_dost), jak i zużycia ciepła w poszczególnych mieszkaniach (czyli ciepła wykorzystanego w budynku – Q_wyk). Dodatkowo w budynkach A, B, C i D mierzono zużycie ciepłej wody użytkowej w poszczególnych mieszkaniach. Badania wykonywane były w latach 2013 i 2014.

Na podstawie otrzymanych wyników badań możliwe było określenie sprawności energetycznej analizowanych systemów ogrzewania (wzór 1), przygotowania c.w.u. (wzór 2), systemu ogrzewania i przygotowania c.w.u. (wzór 3) oraz ponoszonych kosztów eksploatacyjnych, które były związane ze zużyciem paliwa.

(1)

(2)

(3)

gdzie:

Q_{wyk_c.o}. – ciepło wykorzystane w poszczególnych mieszkaniach na potrzeby c.o. według wskazań ciepłomierzy mieszkaniowych, GJ;

Q_{dost_c.o.} – ciepło dostarczone do budynku na potrzeby c.o. według wskazań ciepłomierza w źródle ciepła, GJ;

Q_{wyk_c.w.u.} – ciepło wykorzystane w poszczególnych mieszkaniach na potrzeby c.w.u., GJ, obliczone na podstawie zużycia ciepłej wody użytkowej, w m³, oraz jednostkowego zużycia ciepła potrzebnego do podgrzania 1 m³ wody ciepłej, które jest obliczane według równania (4), GJ/m³;

Q_{dost_c.w.u.} – ciepło dostarczone do budynku na potrzeby c.w.u. według wskazań ciepłomierza w źródle ciepła, GJ.

(4)

gdzie:

cw – ciepło właściwe wody, J/(kg K);

ρ – gęstość wody, kg/m³;

Δt – różnica temperatury między temperaturą ciepłej wody użytkowej na wypływie u użytkowników (55ºC) a temperaturą wody zimnej (10ºC), K.

Omówienie wyników

Na rys. 1 przedstawiono średnią roczną sprawność systemu centralnego ogrzewania w budynkach A, B, C oraz D. Na jego podstawie można zaobserwować, że najwyższe sprawności osiągają instalacje c.o. w budynkach A i D (od 0,80 do 0,83). Są to budynki odpowiednio z kotłownią gazową oraz wymiennikownią. Wynika z tego, że w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych o większej powierzchni użytkowej sprawność systemu ogrzewania jest wyższa niż w budynkach o mniejszej powierzchni. Może to być związane z większym zużyciem ciepła w stosunku do strat ciepła na przesyle czynnika grzewczego (pomiędzy źródłem ciepła a poszczególnymi mieszkaniami), co zostało przedstawione na rys. 2.

Na podstawie tego rysunku można stwierdzić, że straty ciepła na przesyle w instalacji c.o. między źródłem ciepła a poszczególnymi mieszkaniami odniesione do 1 m² powierzchni użytkowej budynku są wyższe (nawet o 40%) w przypadku budynków o mniejszej powierzchni użytkowej.

Analizując wyniki przedstawione na rys. 3, można zauważyć, że sprawność instalacji c.w.u. jest niższa od sprawności instalacji c.o., średnio o 9–22%. Wyjątkiem jest instalacja w budynku C, gdzie sprawność instalacji c.w.u. jest wyższa od sprawności instalacji c.o.

Najwyższą sprawność można zaobserwować w budynkach C i D (od 0,73 do 0,84), a niższą w budynkach A i B (od 0,56 do 0,65). Wynika z tego, że wyższą sprawność systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej ma układ wyposażony w wymiennikownię niż w kotłownię gazową.

Analizując rys. 4, można zaobserwować, że budynki A i B (wyposażone w kotłownię gazową) charakteryzują się niższą sprawnością całkowitą niż pozostałe obiekty, które są zasilane poprzez wymiennikownie ciepłem sieciowym. Poza tym można zauważyć, że również w przypadku całkowitej sprawności systemów grzewczych (c.o. + c.w.u.) w budynkach wielorodzinnych obiekty o większej powierzchni użytkowej (budynek A i D) charakteryzują się wyższą sprawnością całego systemu grzewczego (h_c.o.+c.w.u.) niż budynki o mniejszej powierzchni użytkowej (budynek B i C). Z kolei budynki wyposażone w mieszkaniowe węzły cieplne (budynek E i F) charakteryzują się dość wysoką sprawnością, od 0,76 do 0,83, mimo że ich powierzchnia użytkowa jest równa 2440 m² (budynek E) oraz 2237 m² (budynek F).

Następnie obliczono jednostkowe koszty eksploatacyjne (rys. 5) przy uwzględnieniu rzeczywistych kosztów związanych z dostarczanym nośnikiem energii (gaz ziemny lub ciepło sieciowe), które zostały poniesione przez zarządców analizowanych budynków.

Na tej podstawie można stwierdzić, że zastosowanie kotłowni gazowych jako źródła ciepła jest mniej ekonomiczne niż zasilanie ciepłem z miejskiej sieci ciepłowniczej.

Podsumowanie

Biorąc pod uwagę zużycie ciepła przez mieszkańców w analizowanych budynkach, można zauważyć, że więcej energii na 1 m² należy dostarczyć do obiektów o większej powierzchni użytkowej, niezależnie od rodzaju systemu. Jednak sprawności systemów ogrzewania budynków o większej powierzchni użytkowej są wyższe niż w budynkach o mniejszej powierzchni.

Zapotrzebowanie na ciepło na cele przygotowania ciepłej wody użytkowej okazało się wyższe w budynkach wyposażonych w kotłownię gazową w stosunku do budynku z wymiennikownią. Sprawność systemu przygotowania ciepłej wody użytkowej jest wyższa w budynkach wyposażonych w wymiennikownię niż w tych z kotłownią gazową.

Najmniejszej ilości ciepła łącznie na cele ogrzewania i przygotowania ciepłej wody wymaga system zasilany z wymiennikowni i wyposażony w mieszkaniowe węzły cieplne. W układzie tym znacznie ograniczone są straty ciepła na przesyle czynnika od źródła ciepła do mieszkania, ponieważ do transportu czynnika grzewczego służą dwa przewody (zasilający i powrotny), a nie jak w przypadku pozostałych systemów – cztery.

Mieszkańcy budynku wyposażonego w wymiennikownie ponoszą niższe koszty ogrzania 1 m² powierzchni użytkowej budynku oraz podgrzania wody niż budynków zasilanych z kotłowni gazowej.

Najniższe koszty ciepła niezbędnego do ogrzania budynku oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej generują budynki wyposażone w wymiennikownię i dodatkowo w węzły mieszkaniowe.

Pracę wykonano w ramach projektu badawczego IP2012 007772 finansowanego ze środków budżetowych na naukę w latach 2013–2015

Literatura

1. De Paepe M., D’Herdt P., Mertens D., Micro-CHP systems for residential applications, „Energy Conversion and Management”, Vol. 47, No. 18 (2006), p. 3435–3446.
2. Diakaki C., Grigoroudis E. et al., A multi-objective decision model for the improvement of energy efficiency in buildings, „Energy” Vol. 35, No. 12 (2010), p. 5483–5496.
3. Ferrara M., Fabrizio E., Virgone J., Filippi M., A simulation-based optimization method for cost-optimal analysis of nearly Zero Energy Buildings, „Energy and Buildings” Vol. 84 (2014), p. 442–457.
4. Gram-Hanssen K., Existing Buildings – Users, Renovations and Energy Policy, „Renewable Energy” Vol. 61 (2014), p. 136–140.
5. Penna P., Prada A., Capelletti F., Gasparella A., Multi-objectives optimization of Energy Efficiency Measures In existing buildings, „Energy and Buildings” Vol. 95, No. 5 (2015), p. 57–69.
6. Pieńkowski C., Modernizacja węzłów cieplnych jako element kompleksowej termomodernizacji budynków, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 12/2006, s. 21–22
7. Polarczyk I., Bujak M., Malinowski P., Możliwości ograniczenia zużycia ciepła dzięki zastosowaniu mieszkaniowych węzłów cieplnych, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 12/2004, s. 2–4.
8. Życzyńska A., Wykorzystanie audytu oraz świadectwa energetycznego budynku przy zarządzaniu nieruchomością, „Budownictwo i Architektura” nr 12/2013, s. 107–116.
9. Życzyńska A., The heat consumption and heating costs after the insulation of building partitions of building complex supplied by the local oil boiler room, „Maintenance and Reliability” Vol. 16, No. 2 (2014), p. 313–318.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!