Skuteczne i energooszczędne ogrzewanie budynków wielkokubaturowych

Specyfika obiektów wielkokubaturowych (hale produkcyjne, magazynowe, sportowe, dworcowe, kościoły, obiekty handlowe i sklepy wielkopowierzchniowe czy budynki inwentarskie) sprawia, że inwestorzy oczekują od stosowanych w nich urządzeń grzewczych niezawodności, wysokiej skuteczności, dostosowania do bieżących potrzeb obiektu (a więc możliwości automatycznej regulacji) oraz łatwej konserwacji i serwisowania. Wśród oczekiwań inwestorów poczesne miejsce zajmuje także efektywność energetyczna urządzeń, przyczyniająca się do ekonomicznej pracy i oszczędności energii zużywanej przez obiekt.

Efektywność energetyczna wymogiem prawnym

Większość nagrzewnic w obiektach kubaturowych to nagrzewnice wodne zasilane z urządzeń grzewczych, takich jak np. kotły kondensacyjne, i to źródłom ciepła stawiane są wymagania związane z efektywnością energetyczną. Z kolei nagrzewnice zasilane paliwami gazowymi i płynnymi oraz energią elektryczną należą do produktów związanych z energią (tak jak np. kotły czy pompy ciepła) i podlegają wymaganiom dyrektywy dot. ekoprojektu. Stawiane tym nagrzewnicom wymogi muszą być spełnione od 1 stycznia 2018 roku. Szczegółowe wymagania znaleźć można w rozporządzeniu Komisji (UE) 2016/2281 z 30 listopada 2016 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE ustanawiającej ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów do ogrzewania powietrznego, produktów chłodzących, wysokotemperaturowych agregatów chłodniczych i klimakonwektorów wentylatorowych.

Parametrem, który informuje o energeoefektywności nagrzewnic gazowych i olejowych oraz elektrycznych, jest minimalna sezonowa efektywność energetyczna ogrzewania pomieszczeń produktów do ogrzewania powietrznego pierwszego stopnia η_s,h, definiowana jako stosunek referen­cyjnego rocznego zapotrzebowania na ciepło dla sezonu grzewczego, na które odpowiada produkt, do rocznego zużycia energii na potrzeby ogrzewania, skorygowany o czynniki uwzględniające regulację temperatury. Powinna ona wynosić:

• 72% – dla nagrzewnic gazowych i olejowych, z wyjątkiem urządzeń B1 o znamionowej mocy cieplnej poniżej 10 kW oraz urządzeń C2 i C4 o znamionowej mocy cieplnej poniżej 15 kW;
• 68% – dla nagrzewnic B1 (do podłączenia do komina z ciągiem naturalnym, wyprowadzającym spaliny poza pomieszczenie, wykorzystujące powietrze do spalania z pomieszczenia) o znamionowej mocy cieplnej poniżej 10 kW i nagrzew­nic C2 i C4 (pobierające powietrze do spalania ze wspólnego systemu przewodów i odprowadzające spaliny do systemu przewodów) o znamionowej mocy cieplnej poniżej 15 kW;
• 30% – dla nagrzewnic elektrycznych.

Obecnie wszystkie oferowane na rynku nagrzewnice gazowe, olejowe i elektryczne muszą spełniać ten wymóg. Wiodący producenci traktują go jednak jedynie jako punkt wyjścia dla energooszczędności swoich urządzeń.

Wymienniki ciepła – współpraca ze źródłem ciepła

Zadaniem wymiennika ciepła w każdej nagrzewnicy jest zapewnienie odpowiedniej powierzchni wymiany ciepła, umożliwiającej efektywne ogrzanie strumienia powietrza nadmuchiwanego do pomieszczeń. W nagrzewnicach wodnych jest to najczęściej wymiennik miedziano-aluminiowy. To właśnie wymiennik jest komponentem w największym stopniu wpływającym na możliwość współpracy z niskotemperaturowymi źródłami ciepła, a więc na energooszczędność całego układu grzewczego.

Wymiennik ma zapewnić odpowiednią powierzchnię wymiany ciepła – tym większą, im niższa jest temperatura czynnika grzewczego. Wymienniki zasilane wysokotemperaturowo poprzez węzeł cieplny lub lokalne źródło ciepła wykonywane są zwykle jako jednorzędowe, a wymienniki przystosowane do pracy z energooszczędnym, niskotemperaturowym źródłem ciepła, takim jak pompa ciepła, stanowią układy 2- lub 3-rzędowe. Większa powierzchnia lamel wymiennika oznacza jednak zwiększenie oporu przepływu, co może wpłynąć na konieczność zastosowania większego wentylatora, a więc de facto większe zużycie energii. Rozwiązaniem tego problemu może być np. zastosowanie na wentylatorze odpowiedniego dyfuzora, dzięki któremu strumień powietrza jest równomierny, co zapewnia lepsze wykorzystanie całej powierzchni grzewczej (skuteczne omywanie lamel) oraz zmniejszenie oporów przepływu.

Wymiennik ciepła ma kluczowe znaczenie także dla trwałości całego urządzenia. Lamele są czasem pokrywane dodatkowymi powłokami antykorozyjnymi. Jest to rozwiązanie opcjonalne dla urządzeń typowych, ale konieczne w przypadku zastosowań specjalnych – w środowiskach o wysokim zapyleniu, wilgotności czy stężeniu związków korozyjnych w powietrzu, np. w budynkach inwentarskich (szczególnie kurnikach lub chlewniach) czy oczyszczalniach ścieków. Lamele w wykonaniach specjalnych są wyraźnie grubsze – nawet o 40% w porównaniu do wykonania typowego – i szerzej rozstawione. Są też pokryte powłoką o znacznej odporności antykorozyjnej – epoksydową lub akrylową, nakładaną z zastosowaniem techniki kataforetycznej, która zapewnia uzyskanie optymalnego zabezpieczenia antykorozyjnego. Rozwiązania specjalne nie tylko chronią wymienniki przed oddziaływaniem środowisk korozyjnych, ale też zwiększają ich odporność mechaniczną na intensywne czyszczenie, takie jak mycie wysokociśnieniowe.

Wentylator – energooszczędność i stabilność pracy

Wentylator jest komponentem, który ze względu na zawartość wielu części mechanicznych i istotny udział w poborze energii przez całe urządzenie stanowi przedmiot szczególnie zaawansowanych prac producentów.

Najczęściej stosowane są wentylatory odśrodkowe o geometrii łopatek zoptymalizowanej pod kątem aerodynamicznym i wyposażone w silniki zapewniające energooszczędną pracę. Największy potencjał leży w modulacji pracy silnika, dzięki czemu praca wentylatora (a tym samym całego urządzenia) dostosowana jest do bieżących potrzeb obiektu. Wielu producentów już w standardzie oferuje elektronicznie komutowane bezszczotkowe silniki prądu stałego (EC), których stosowanie umożliwia płynną regulację prędkości obrotową (np. sygnałem 0–10 V DC), z zachowaniem wysokiej sprawności urządzenia w pełnym zakresie modulacji. W porównaniu do silników AC silniki EC nie tylko dają większe możliwości regulacji i optymalizacji zużycia energii elektrycznej, cechują się też większą trwałością i dłuższym czasem pracy oraz mają lepsze parametry akustyczne, co wpływa na większy komfort w pomieszczeniu z pracującymi nagrzewnicami. Wyższy koszt montażu urządzeń z silnikami EC może, w zależności od rodzaju budynku i warunków pracy nagrzewnic, zwrócić się już po dwóch latach eksploatacji (jak pokazuje symulacja jednego z producentów dot. wymiany nagrzewnic z silnikiem AC na urządzenia z silnikiem EC).

Obudowa i wykonanie

Obudowa nagrzewnicy pełni pod względem trwałości i energooszczędności zasadniczą funkcję, chroniąc komponenty przed uszkodzeniem mechanicznym i eliminując straty ciepła.

W aspekcie trwałości szczególną rolę odgrywają dwa aspekty – spasowanie komponentów w obudowie i jej szczelność. Istotny jest tu nie tylko sam materiał obudowy, ale też sposób jej wykonania – łączenia i zamykania. Producenci stosują w tym celu opatentowane systemy łączenia, które pozwalają zagwarantować wysoki stopień szczelności obudowy (szczególnie silnika wentylatora), wpływający na ochronę przed wodą i zapyleniem – IP44, a nawet IP54 lub IP55 dla wykonań typowych, a IP66 (ochrona przed dostępem użytkowanego drutu do niebezpiecznych części i ochrona pyłoszczelna oraz ochrona przed strugą wody 100 l/min laną z każdej strony) dla zastosowań specjalnych, w środowiskach zapylonych i wilgotnych, np. oczyszczalniach ścieków czy budynkach agrarnych.

Kluczowy jest zastosowany w obudowie materiał, który znacząco wpływa na izolacyjność cieplną całego urządzenia, a więc na obniżenie strat ciepła i poprawę efektywności energetycznej. Obudowy wykonuje się ze stali ocynkowanej lub lakierowanej proszkowo (a dla zastosowań specjalnych, np. gastronomii, farmacji czy obiektów rolniczych – nierdzewnej) albo z tworzyw sztucznych – ABS lub EPP. Ten ostatni materiał jest przykładem rozwiązania łączącego mały ciężar, odporność mechaniczną i na warunki środowiskowe oraz izolacyjność akustyczną i cieplną.

Ostatnim elementem obudowy wpływającym na jej trwałość i izolacyjność są odpowiednio wykonane kratki i panele nadmuchowe. Oprócz spełniania swojego głównego zadania, jakim jest zapewnienie prawidłowego kierunku i sposobu rozprowadzania strumienia powietrza, muszą się one cechować odpornością na czynniki środowiskowe oraz na czyszczenie (np. za pomocą myjki wysokociśnieniowej).

Regulacja i sterowanie

Nagrzewnice są konstruowane tak, by możliwa była regulacja ich pracy i sterowanie na różnych poziomach zaawansowania – od prostej regulacji dwupołożeniowej (włącz/wyłącz) czy trzybiegowej, poprzez sterowniki 0–10 V i regulatory PWM (pulse-width modulation), po zaawansowane wielozadaniowe sterowniki inteligentne i moduły pozwalające na wpięcie nagrzewnic do systemu BMS (Building Management System). Te dwa ostatnie rozwiązania umożliwiają sterowanie kilkoma urządzeniami (zwykle maks. 10 dla sterowników i całym układem dla BMS), co w jeszcze większym stopniu obniża zużycie energii na ogrzewanie całego obiektu.

Płynna regulacja umożliwia przede wszystkim zoptymalizowanie ilości ciepła dostarczanego do obiektu, z szybką reakcją na zmienne warunki pracy. W przypadku nagrzewnic gazowych duże możliwości regulacyjne daje zastosowanie modulowanego palnika premix ze stali nierdzewnej, który pozwala na minimalne zużycie gazu oraz wykorzystanie techniki kondensacji wody zawartej w spalinach i ciepła utajonego.

Dodatkowe funkcje nagrzewnic

Dążąc do optymalizacji pracy systemu, producenci oferują dodatkowe funkcje swoich urządzeń. Nagrzewnice mogą np. pracować w trybie chłodzenia tam, gdzie oczekiwany jest odpowiedni komfort – np. w obiektach handlowych czy nawet magazynowych i produkcyjnych. Obok typowych nagrzewnic dostępne są także aparaty grzewczo-wentylacyjne umożliwiające dostarczanie kontrolowanych ilości powietrza zewnętrznego do hali czy obiektu. W rozwiązaniach takich (nagrzewnicach z doprowadzaniem powietrza zewnętrznego i komorą mieszania) ważna jest regulacja temperatury czynnika grzewczego i przepływu strumieni powietrza. System automatycznej regulacji zapewnia m.in. ochronę przeciwzamrożeniową urządzenia – w przypadku wykrycia zbyt niskiej temperatury powietrza nawiewanego lub czynnika grzewczego zamykane są przepustnice powietrza świeżego i wyłączany wentylator, a jednocześnie przez urządzenie płynie czynnik grzewczy. Po ustabilizowaniu warunków pracy urządzenie wraca do trybu normalnego.

Montaż i obsługa

Dla inwestora, poza energooszczędnością, niezawodnością i trwałością, ważna jest łatwość (i szybkość) zarówno montażu urządzeń, jak i ich obsługi (konserwacji). Ten pierwszy aspekt ma znaczenie szczególnie przy pracach modernizacyjnych – montaż nagrzewnic przebiega szybko, bez złożonych prac instalacyjnych i znaczącej ingerencji w konstrukcję budynku. Urządzenia nie obciążają też mocno konstrukcji. Ich montaż na konsoli umożliwia obrót w pionie i poziomie (a więc zmianę kierunku nawiewu powietrza), co dzięki kierownicom przebiega bezstopniowo. Jest to duża zaleta przy rearanżacji obiektu wielkokubaturowego, odbywającej się często w obiektach przeznaczonych na wynajem krótko- lub średnioterminowy.

W przypadku pomieszczeń wysokich dobrze sprawdzą się nagrzewnice wyposażone w konfuzor, który pozwala dodatkowo wyregulować ich parametry pracy. Łatwo dostępna i otwierana obudowa (takie rozwiązanie stosowane jest np. w przypadku wykonań specjalnych) usprawnia i przyspiesza wszelkie prace serwisowo-konserwacyjne.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!