Możliwości stosowania dwustopniowych węzłów cieplnych ciepłej wody we współczesnych systemach ciepłowniczych

Przed 1990 r. w rozwiązaniach instalacji wewnętrznych i węzłów cieplnych nie stosowano przy grzejnikach termostatycznych zaworów. Wyjątkami były nieliczne obiekty: żłobki, szpitale czy obiekty o znaczeniu państwowym. W węzłach cieplnych hydroelewatorowych regulację stosowano wyłącznie w sekcji przygotowania ciepłej wody (w 2. stopniu, rzadziej zawór trójdrogowy w 1. stopniu [4]).

W powstających w latach 70. i 80. XX wieku węzłach grupowych wprowadzono regulację temperatury zasilania w obiegach niskotemperaturowych (wtórnych) instalacji ogrzewania w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego. Brakowało jednak reakcji układów regulacyjnych na zmiany stanów eksploatacyjnych w stosunku do warunków obliczeniowych.

Nadwyżka temperatury wynikająca z zysków ciepła (wewnętrznych i zewnętrznych) powodowała podwyższenie temperatury wody powracającej z grzejnika.

Zatem przy występowaniu zysków ciepła newralgicznym stanem, w którym wymiarowano układ przygotowania ciepłej wody, był w przeszłości tzw. punkt załamania wykresu regulacyjnego. Pełne zautomatyzowanie obiegów pierwotnych węzła cieplnego i instalacji wewnętrznej spowodowało diametralną zmianę założeń do projektowania węzłów cieplnych.

W publikacjach [9–14 i 17–18] autor opisał możliwości wprowadzenia we współczesnych systemach ciepłowniczych jednostopniowego podgrzewania wody w węzłach cieplnych przy niezwiększonym strumieniu masy nośnika ciepła po stronie pierwotnej w stosunku do węzła dwustopniowego. Natomiast celem niniejszego artykułu jest wykazanie braku celowości stosowania węzłów dwustopniowych ciepłej wody we współczesnych systemach ciepłowniczych.

Założenia do projektowania dwustopniowych węzłów ciepłowniczych przyjmowane w przeszłości

W latach ubiegłych w systemach ciepłowniczych najczęściej przyjmowano parametry obliczeniowe wody sieciowej 150/70°C przy węzłach bezpośredniego połączenia i 150/80°C przy węzłach wymiennikowych (wymienniki TPJ i WCO oraz WCW). Parametry instalacji w większości przypadków wynosiły 95/70°C. W węzłach wymiennikowych sieci ciepłowniczej przyjmowano temperaturę wody powrotnej o 10 K wyższą niż temperatura wody powrotnej instalacyjnej.

Po wprowadzeniu nowoczesnej konstrukcji wymienników ciepła (JAD) temperatura rzeczywista wody powracającej do sieci ciepłowniczej była o ok. 5 K wyższa niż temperatura wody powracającej z instalacji wewnętrznej. Na rys. 1 przedstawiono wykres regulacyjny sieci ciepłowniczej i instalacji wewnętrznej przy powszechnie stosowanych w przeszłości parametrach sieci ciepłowniczej i instalacji wewnętrznej.

Punkt załamania wykresu regulacyjnego występuje przy temperaturze powietrza zewnętrznego równej 7°C. Temperatura wody powracającej do sieci z sekcji ogrzewania wynosi w tym punkcie 47,3°C. Umożliwia ona uzyskanie temperatury ciepłej wody wynoszącej ok. 40°C. Temperaturę wody wracającej z 2. stopnia podgrzewania ciepłej wody przyjmowano jako 50°C, co w wyniku mieszania strumieni z sekcji ogrzewania i 2. stopnia ciepłej wody pozwalało na uzyskanie temperatury wody zasilającej wymiennik 1. stopnia wynoszącej ok. 40–50°C.

Temperatura wody powracającej do sieci cieplnej w obszarze temperatury wyższej niż w punkcie załamania wykresu regulacyjnego będzie niższa, ponieważ temperatura wody powracającej z grzejników, nawet w razie braku zaworów termostatycznych, przy regulacji temperatury zasilania również będzie niższa. Najniższa temperatura wody sieciowej wynosi 39,2°C, co wystarczy do podgrzania ciepłej wody do temperatury ok. 35°C, tj. w ok. 50% zakresu podgrzania.

Jak widać, już w tym przypadku założenie projektowania układu przygotowania ciepłej wody w punkcie załamania wykresu regulacyjnego jest niesłuszne. Newralgiczny jest punkt o najwyższej temperaturze powietrza zewnętrznego, czyli 12°C. Jeżeli do projektowania wymiennika 2. stopnia przyjąć parametry sieciowe 70/50°C, połączenie strumieni wracających z sekcji ogrzewania i 2. stopnia powoduje już nawet w tych warunkach pogorszenie warunków wymiany ciepła.

W razie wystąpienia w pomieszczeniach zysków ciepła przy braku zaworów termostatycznych przy grzejnikach nastąpi wzrost temperatury powietrza w pomieszczeniu i temperatury wody powracającej z grzejników [17, 21]. Przy niezmienionym strumieniu masy nośnika ciepła i spadku mocy cieplnej maleje różnica temperatury nośnika ciepła.

W dalszym ciągu newralgiczny stan eksploatacyjny występuje przy najwyższej temperaturze powietrza zewnętrznego. Temperatura wody powracającej z sekcji ogrzewania wymiennika przy poprzednich założeniach pozwala jednak na wykorzystanie zawartego w niej ciepła w 1. stopniu podgrzania ciepłej wody.

Wykresy regulacyjne spotykane w literaturze, z linią wznoszącej się temperatury wody powrotnej do sieci przy wzroście temperatury zewnętrznej [3], mogły występować jedynie w węzłach hydroelewatorowych pozbawionych regulacji temperatury zasilania w instalacji wewnętrznej ogrzewania, przy nadwyżce temperatury zasilania w sieci i stałym współczynniku mieszania hydroelewatora.

Jedynie w tym przypadku newralgicznym punktem wymiarowania układów przygotowania ciepłej wody był punkt załamania wykresu regulacyjnego.

Możliwości projektowania dwustopniowych węzłów ciepłowniczych we współczesnych systemach

W obecnie eksploatowanych systemach ciepłowniczych parametry obliczeniowe wody sieciowej wynoszą najczęściej 120/70°C. Parametry instalacji są w większości przypadków przyjmowane na poziomie 70/55(50)°C.

Przy nowoczesnej konstrukcji wymienników płaszczowo-rurowych (JAD, JADX) lub płytowych temperatura rzeczywista wody powracającej do sieci ciepłowniczej jest o ok. 5 K wyższa niż temperatura wody powracającej z instalacji wewnętrznej w warunkach obliczeniowych. Na rys. 2 przedstawiono wykres regulacyjny sieci ciepłowniczej i instalacji wewnętrznej przy stosowanych obecnie parametrach systemów.

Na wykresie widać przesunięcie punktu załamania wykresu regulacyjnego do temperatury powietrza zewnętrznego 2°C. Najmniej korzystne warunki funkcjonowania węzła ciepłej wody będą przy temperaturze 12°C. Temperatura wody sieciowej (powrotnej) wynosi 34,5°C, co w przypadku braku zaworów termostatycznych pozwoliłoby na ogrzanie ciepłej wody do ok. 30°C, ale wymagałoby przyjęcia parametrów doboru wymiennika 2. stopnia w wysokości 70/35°C, aby nie obniżać (zabieg niekorzystny z punktu widzenia termodynamiki) temperatury wody dochodzącej do wymiennika 1. stopnia ciepłej wody.

Z przyjętych założeń wynika możliwość ogrzania ciepłej wody w ok. 40% zakresu różnicy temperatury. Zatem proporcja mocy wymienników 1. i 2. stopnia w najmniej korzystnych warunkach eksploatacji powinna wynosić 40/60%.

Przy występowaniu zysków ciepła w pomieszczeniu zawory termostatyczne spowodują ograniczenie strumienia masy nośnika ciepła i obniżenie temperatury wody powracającej z instalacji wewnętrznej. Newralgicznym stanem eksploatacyjnym będzie, tak jak poprzednio, okres o najwyższej temperaturze powietrza zewnętrznego, równej 12°C. W tab. 1 podano wyniki symulacji działania instalacji przy występowaniu zysków ciepła w wysokości 15% projektowego obciążenia cieplnego pomieszczenia [17, 21].

Takie zyski występują praktycznie w każdej instalacji wewnętrznej. W symulacji pominięto wpływ zwiększonej powierzchni ogrzewalnej grzejnika, co oznaczałoby jeszcze większe zmniejszenie strumienia masy wody płynącej przez grzejniki i obniżenie temperatury wody powrotnej.

W instalacji zwymiarowanej zgodnie z [22] występuje ok. 15–20-procentowy naddatek powierzchni ogrzewalnej grzejnika spowodowany nieuwzględnianiem chwilowych zysków ciepła i przyjmowaniem nadwyżki mocy cieplnej do ogrzania budynku po okresie osłabienia ogrzewania (np. w nocy lub w określone dni tygodnia).

W symulacji nie uwzględniono również działań użytkowników prowadzących do zmniejszenia zużycia ciepła na ogrzewanie poprzez obniżenie temperatury wewnętrznej, np. do 18–19°C. Działania takie także powodują obniżenie temperatury wody powracającej z grzejników.

Temperatura wody powracającej z instalacji jest w rzeczywistości równa temperaturze pomieszczeń ogrzewanych. Jako minimalną wartość w symulacji przyjęto 21°C. Strumień masy wody w temperaturze powietrza zewnętrznego 12°C maleje do 5% wartości obliczeniowej. W efekcie temperatura wody sieciowej wracającej z wymiennika centralnego ogrzewania jest prawie równa temperaturze wody powrotnej instalacyjnej.

W takim układzie nie istnieje możliwość większego podgrzania ciepłej wody niż do 15°C. Podział mocy wymienników powinien wynosić 10/90%, a więc znika sens stosowania węzła dwustopniowego.

Gdybyśmy chcieli w wyniku zastosowania wymiennika 1. stopnia uzyskać niższą temperaturę wody wracającej do sieci w obszarze na lewo od punktu załamania wykresu regulacyjnego, powinniśmy wówczas przyjąć moc wymiennika 1. stopnia równą 50%, a moc wymiennika 2. stopnia równą 90% pełnej mocy cieplnej, gdyż przy najniższej temperaturze wody powracającej z sekcji c.o. drugi stopień musiałby przejąć niemal cały zakres obciążenia cieplnego do podgrzania ciepłej wody.

Ponadto przy doborze wymienników ciepłej wody decydujące jest kryterium hydrauliczne ograniczające stratę ciśnienia ciepłej wody, co spowoduje kolejny wzrost powierzchni wymienników (ciepła woda przepływa szeregowo przez dwa wymienniki).

Na podstawie wyników zaprezentowanych w tabeli 1 dokonano symulacji działania wymiennika w sekcji centralnego ogrzewania przy stałej temperaturze zasilania w wysokości 70°C. Nadwyżka temperatury zasilania poza punktem załamania wykresu regulacyjnego powoduje zmniejszenie strumienia masy wody sieciowej. Symulacje (w programie HEXCALC [20]) przeprowadzono w obszarze poza punktem załamania wykresu regulacyjnego.

Dodatkowo obliczono składową strumienia masy w wymienniku 2. stopnia przy temperaturze wody sieciowej 70/40°C i ciepłej wody 10/35°C. Moc wymiennika c.o. to 150 kW, a wymiennika 2. stopnia c.w. – 48,5 kW. Temperatura wody sieciowej T_z/T_p = 120/65°C, a instalacyjnej t_z/t_p = 70/50°C. Wymiennik c.o. to XB 10 1-60.

Jak wynika z tabeli 2, składowa strumienia masy dopływająca z sekcji ogrzewania obniża temperaturę zasilania wymiennika 1. stopnia, tzn. pogarsza warunki wymiany ciepła w stosunku do układu bez udziału strumienia masy z sekcji ogrzewania. Wymiennik 1. stopnia może najwyżej ogrzać wodę do temperatury ok. 25°C, co oznacza podział mocy wymienników 1. i 2. stopnia w stosunku 30/70%.

Strumień masy wracający z sekcji c.o. zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury powietrza zewnętrznego. Przy temperaturze 12°C wynosi on 15,9% strumienia masy wody wracającej z wymiennika 2. stopnia ciepłej wody i 13,7% łącznego strumienia masy wody sieciowej kierowanej do wymiennika 1. stopnia. Zatem możliwości wykorzystania ciepła zawartego w strumieniu masy nośnika ciepła wracającego z sekcji c.o. są mocno ograniczone.

Dodatkowym argumentem przemawiającym za projektowaniem węzłów dwustopniowych przygotowania ciepłej wody był mniejszy strumień masy nośnika ciepła w obwodzie wspólnym (przyłączeniowym). Jednak przy przyjęciu temperatury wody sieciowej w 2. stopniu na poziomie 70/50°C i założeniu podziału mocy wymienników 50/50% strumień masy w węźle jednostopniowym i dwustopniowym jest identyczny.

Stosowana powszechnie funkcja priorytetu ciepłej wody [12, 16] pozwala na uwzględnienie w obwodzie wspólnym składowej strumienia masy do ciepłej wody odpowiadającej średnim godzinowym warunkom zapotrzebowania na ciepłą wodę. Tak więc łączny strumień masy nośnika ciepła płynącego przez węzeł jest o ok. 5–12% większy od obliczeniowego strumienia masy w sekcji centralnego ogrzewania.

Podsumowanie

W obecnie eksploatowanych systemach ciepłowniczych stosowanie węzłów dwustopniowych ciepłej wody nie ma uzasadnienia bez względu na moc cieplną.

W dość szerokim czasowo zakresie temperatury powietrza zewnętrznego poza tzw. punktem załamania wykresu regulacyjnego (obecnie ok. 2°C) występowanie zysków ciepła i przewymiarowanie powierzchni grzejników może spowodować stany eksploatacyjne, w których woda wracająca z sekcji centralnego ogrzewania będzie miała bardzo niską temperaturę, niewystarczającą do podgrzania wody użytkowej w znaczącym zakresie temperatury.

Woda sieciowa o niskiej temperaturze, mieszając się z wodą wracającą z wymiennika 2. stopnia ciepłej wody, pogarsza warunki wymiany ciepła. Wymiennik 2. stopnia powinien wówczas przejąć 70–90% mocy cieplnej potrzebnej do podgrzania wody do temperatury zgodnej ze standardem. Będzie to oznaczało zwiększenie powierzchni wymiany ciepła i obniżenie temperatury wody powrotnej, co jeszcze pogorszy warunki wymiany ciepła w wymienniku 1. stopnia.

Oczywiście działanie istniejących dwustopniowych węzłów cieplnych jest prawidłowe ze względu na radykalne zmniejszenie zapotrzebowania na ciepłą wodę w budynkach o różnym przeznaczeniu, głównie mieszkalnych [6, 7]. Gdyby jednak w tych węzłach odciąć wymiennik 1. stopnia, prawdopodobnie mogłyby one zadowalająco funkcjonować jako węzły jednostopniowe.

Węzeł jednostopniowy jest tańszy inwestycyjnie, mniej skomplikowany w budowie i łatwiejszy w regulacji rozpływu nośnika ciepła w poszczególnych sekcjach. Przy projektowaniu systemów ciepłowniczych spełniających warunki wysokiej efektywności energetycznej węzeł jednostopniowy jest zatem rozwiązaniem korzystniejszym.

Literatura

1. Fundacja Rozwoju Ciepłownictwa „Unia Ciepłownictwa”, Ciepłownictwo – eksploatacja, projektowanie, inwestycje, Warszawa 1994. 
2. Jeżowiecki J., Nowakowski E., Określanie średnic przewodów w instalacjach wodociągowych budynków mieszkalnych, „Nowoczesne rozwiązania w inżynierii i ochronie środowiska”, Wrocław 2011. 
3. Kamler W., Ciepłownictwo, PWN, Warszawa 1979. 
4. Kwiatkowski J., Cholewa L., Centralne ogrzewanie. Pomoce projektanta, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 1975. 
5. Mańkowski S., Projektowanie instalacji ciepłej wody użytkowej, Arkady, Warszawa 1981. 
6. Nejranowski J., Szaflik W., Zmienność poboru ciepłej wody użytkowej w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych, wyposażonych w wodomierze mieszkaniowe, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 1/99. 
7. Nowakowski E., Obliczeniowe przepływy wody w budynkach mieszkalnych. Wybór metody, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2011. 
8. Zaborowska E., Zasady projektowania wodnych węzłów ciepłowniczych, Gdańsk 2010. 
9. Żarski K., Wykorzystanie pojemności cieplnej konstrukcji budynku w nowoczesnych rozwiązaniach węzłów ciepłowniczych, Konferencja Naukowo-Techniczna „Inżynieria procesów budowlanych”, Bydgoszcz, 12–15.06.1997 r. 
10. Żarski K., Węzły cieplne w miejskich systemach ciepłowniczych, Ośrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie”, Warszawa 1997. 
11. Żarski K., Influence of the Maximum Consumption of Hot Domestic Water Periods on Thermal Balance in Residential Buildings, Międzynarodowa Konferencja „Air Conditioning and District Heating”, Wrocław–Szklarska Poręba, 4–7.06.1998 r. 
12. Żarski K., Wpływ zmienności zapotrzebowania na ciepłą wodę na wielkość strumienia nośnika ciepła w węźle cieplnym z automatyczną regulacją różnicy ciśnienia, Międzynarodowa Konferencja Naukowo­‑Techniczna „Problemy inżynierii środowiska – u progu nowego tysiąclecia”, Wrocław–Szklarska Poręba, 5–7.10.2000 r. 
13. Żarski K., Charakterystyka hydrauliczna dwustopniowego węzła cieplnego w systemie regulacji jakościowej z tłumioną temperaturą powietrza zewnętrznego, „Instal” nr 10/2000. 
14. Żarski K., Charakterystyka cieplna i hydrauliczna wymienników płytowych w układach przygotowania ciepłej wody, XIII Konferencja Ciepłowników „Efektywność dystrybucji i wykorzystania ciepła”, Rzeszów–Jawor, 27–29.09.2001 r. 
15. Żarski K., Aspekty techniczne i ekonomiczne stosowania dwustopniowych węzłów ciepłowniczych, „Instal” nr 1/2007. 
16. Żarski K., Możliwości stosowania jednostopniowych węzłów ciepłowniczych w budownictwie mieszkaniowym, „Instal” nr 3/2007.
17. Żarski K., Uogólnione równanie wymiany ciepła w stanie stacjonarnym instalacji ogrzewania wodnego współpracującej z przegrodami zewnętrznymi budynku, „COW” nr 8/95. 
18. Żarski K., Nowoczesne ciepłownictwo w Polsce – możliwości i ograniczenia, „COW” nr 6/96.
19. Żarski K., Propozycja procedur obliczeniowych dwufunkcyjnych węzłów ciepłowniczych, „Instal” nr 9/2009. 
20. Program HEXCALC doboru wymienników płytowych, Danfoss. 
21. Program MEDIUM – symulacja stanów stacjonarnych instalacji ogrzewania, oprac. K. Żarski. 
22. PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia ciepl­nego.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!