Zapotrzebowanie na energię cieplną do przygotowania c.w.u. w budynku mieszkalnym

Wzrost zużycia energii związany jest z rozwojem gospodarczym.

Sektor budownictwa odpowiada za 40% końcowego zużycia energii w Unii Europejskiej, dlatego Wspólnota wprowadziła dla niego regulacje prawne wymuszające zmniejszenie energochłonności.

Udział energii zużywanej na przygotowanie c.w.u. w całkowitym bilansie energii staje się na skutek lepszej izolacyjności termicznej budynków mieszkalnych coraz istotniejszy.

Chcesz zaprenumerować Rynek Instalacyjny?

Nic prostszego. Wystarczy kliknąć tutaj i wybrać najbardziej odpowiedni dla siebie sposób zamówienia prenumeraty >>

Coraz bardziej widoczne jest, że procedury szacowania zapotrzebowania na tę energię są zbyt uproszczone. Może to prowadzić do znaczących niedokładności zarówno w projektowaniu systemów, jak i szeroko rozumianych analizach energetycznych.

Przykładowo wykorzystanie odnawialnych źródeł energii do przygotowania c.w.u. w budynkach wielorodzinnych jest jednym z podstawowych działań wynikających z konieczności racjonalnego gospodarowania energią i spełnienia zobowiązań UE.

Wymierny efekt energetyczny i środowiskowy możemy uzyskać dzięki zastosowaniu kolektorów słonecznych wspomagających podgrzew c.w.u.

Oszacowanie tego efektu energetycznego i środowiskowego jest podstawą do oceny efektywności energetycznej systemu i planowanych kosztów eksploatacji oraz projektowania instalacji. Dokładność tych analiz jest więc istotną kwestią.

Opis analizowanego systemu

W artykule wykorzystano dane pomiarowe z istniejącej niskotemperaturowej kotłowni gazowej zasilającej trzy budynki wielorodzinne. W budynkach tych znajdują się łącznie 132 mieszkania o powierzchni od 26,7 do 103,4 m².

Łączna powierzchnia ogrzewana budynków wynosi 7426,4 m². W kotłowni zamontowane zostały dwa żeliwne kotły gazowe o mocy 342 kW każdy. Przygotowanie c.w.u. w kotłowni odbywa się za pośrednictwem baterii podgrzewaczy pojemnościowych o łącznej pojemności 2000 l. Instalacja doprowadzająca c.w.u. do odbiorców została odpowiednio do wymagań zaizolowana i wyposażona w termostatyczne zawory podpionowe.

Metoda badawcza

W kotłowni zainstalowano układ rejestracji danych, którego zadaniem jest ciągły monitoring zużycia ciepłej wody i ciepła w analizowanych budynkach wielorodzinnych. Do tego celu wykorzystany został ciepłomierz zainstalowany na przewodzie powrotnym do kotła i wodomierz zamontowany na przewodzie doprowadzającym wodę zimną do baterii podgrzewaczy pojemnościowych.

• Wszystkie odczyty dokonywane są w 15-sekundowym odstępie czasowym.
• Miesięczne zużycie gazu na potrzeby c.o. i c.w.u. wyznaczone zostało jako różnica wskazań gazomierza z początku i końca danego miesiąca. Dane uzyskano z faktur.
• Badania przedstawione w artykule obejmują okres od stycznia 2013 r. do grudnia 2014 r.

Analiza zużycia energii cieplnej do przygotowania ciepłej wody użytkowej

Pierwsza część artykułu dotyczy określenia zapotrzebowania na ciepło do przygotowania c.w.u. i analizy składowych mających wpływ na to zapotrzebowanie, tj.:

• temperatury wody wodociągowej,
• zużycia c.w.u.,
• sprawności przesyłu i akumulacji w układzie przygotowania c.w.u.,
• sprawności spalania paliwa.

Temperatura wody wodociągowej i ciepłej wody użytkowej

Temperatura wody wodociągowej doprowadzanej do budynku oraz temperatura c.w.u. mają istotny wpływ na zapotrzebowanie na energię do jej przygotowania. Rozporządzenie w sprawie warunków technicznych określa jedynie zakres temperatur c.w.u.: od 55 do 60°C [1].

Rozporządzenie dotyczące metodologii obliczania charakterystyki energetycznej proponuje przyjmowanie temperatury wody ciepłej na poziomie 55°C [3].

W Polsce brakuje przepisów lub wytycznych określających zakres temperatury wody wodociągowej (zimnej) w miejscach poboru przez użytkowników.

Przedstawione w pracach [4, 5] wyniki pomiarów pokazują, że zmiana temperatury wody wodociągowej związana jest ze zmianą temperatury powietrza zewnętrznego.

Publikacja [4] podaje, że woda wodociągowa na wyjściu z zakładu uzdatniania w okresie zimowym osiągała temperaturę w zakresie 2–3°C, a na przełomie lipca i sierpnia nawet 25°C.

W pracy [5] zakres zmian tej temperatury wynosi od 2,1 do 22,2°C, przy czym autorzy zbadali również wpływ temperatury gruntu na wartość temperatury wody wodociągowej w 90 punktach pomiarowych na sieci.

Największe średnie wychłodzenie czynnika zaobserwowali w czerwcu (–1,8°C), a największy podgrzew w grudniu (1,9°C).

W obu przedstawionych przypadkach znaczna część roku charakteryzuje się temperaturą wody na wyjściu z zakładu uzdatniania zdecydowanie wyższą niż 10°C, którą zgodnie z rozporządzeniem [3] przyjmujemy do obliczeń zużycia energii.

Analizowany układ przygotowania c.w.u. nie miał rejestracji temperatury wody zimniej.

Ze względu na powyższe badania zdecydowano się uwzględnić w obliczeniach hipotetyczny przebieg zmienności temperatury wody wodociągowej.

Do wyznaczenia jej wartości zastosowano równanie uwzględniające wpływ średniej temperatury zewnętrznej. Zależność ta została opracowana przez International Energy Agency (IEA) [6]:

(1)

Wyniki uzyskane z zależności (1) dla Wrocławia, Kłodzka i Suwałk przedstawione zostały na rys. 1.

Rys. 1. Zmiana temperatury wody wodociągowej w ciągu roku (365 dni) we Wrocławiu, Kłodzku i Suwałkach; rys. archiwa autorow

Zaobserwować można znaczące zróżnicowanie teoretycznych wartości temperatury wody wodociągowej w różnych lokalizacjach w Polsce.

We Wrocławiu temperatura wody obliczona według powyższego modelu jest o ok. 2 K wyższa niż w Suwałkach.

W Kłodzku najniższą temperaturę wody wodociągowej możemy zaobserwować na początku lutego, a w pozostałych lokalizacjach występuje ona pod koniec grudnia.

Czytaj też: Wykorzystanie kolektorów słonecznych do produkcji c.w.u. i c.o. przy zastosowaniu automatyki BMS >>>