Ogrzewanie dużych obiektów

Możliwości wyboru sposobu ogrzewania obiektów wielkokubaturowych są duże – stosowane jest ogrzewanie:

• nagrzewnicami wodnymi, gazowymi i olejowymi,
• promiennikami podczerwieni (gazowymi, olejowymi, elektrycznymi),
• podstropowymi promiennikami płytowymi (belkami),
• aparatami grzewczo­‑wentylacyjnymi,
• instalacjami płaszczyznowymi (podłogowymi),
• tradycyjnymi grzejnikami.

W wielu obiektach łączy się dwa lub więcej rozwiązań.

Inwestor nie może brać pod uwagę jedynie kosztów inwestycyjnych, ale także eksploatacyjne. Użytkowanie źle dobranych systemów grzewczych może bowiem stanowić na tyle duże obciążenie finansowe, że będzie wymagało całkowitej wymiany systemu ogrzewania i wentylacji.

W wielu dużych obiektach wciąż istnieje spory potencjał oszczędności energii, w tym na ogrzewanie i wentylację. Według danych KAPE [1] największy potencjał oszczędności w dużych obiektach, także przemysłowych, tkwi właśnie w ogrzewaniu, a niekoniecznie w procesach technologicznych (choć i tam jest sporo do zrobienia).

Modernizacje powinny obejmować izolowanie przegród i dachów, wydzielanie stref ogrzewania i ich separację oraz dobór optymalnych dla nich urządzeń grzewczych. W automatyce i sterowaniu należy uwzględnić okresowe wykorzystywanie stref i przebywanie w nich ludzi oraz wymagania dotyczące temperatury i jakości powietrza w różnych porach dnia, tygodnia i roku.

Przesłanki wyboru systemu

Optymalny wybór systemu ogrzewania i wentylacji oraz ich sterowania, zgodny z funkcjami obiektu, może umożliwić oszczędność nawet ponad 60% kosztów ponoszonych na ogrzewanie i wymianę powietrza w stosunku do tradycyjnych rozwiązań.

Oprócz zmiany samego systemu ogrzewania i wentylacji można też szukać oszczędności w optymalizacji i integracji procesów w danym obiekcie (np. ciepło odpadowe z układów chłodzenia do wspomagania ogrzewania i przygotowania c.w.u.) lub w wymianie energii pomiędzy sąsiadującymi obiektami. Taka wymiana jest możliwa na terenach uprzemysłowionych o zwartej zabudowie, gdy w sąsiednim obiekcie powstaje sporo energii odpadowej, dla której nośnikiem jest woda lub para.

Rozważania o wymianie energii warto zacząć od przygotowania usystematyzowanego zestawienia wszystkich źródeł i odbiorców uczestniczących w procesach produkcji oraz znajdujących się w zakładach i obiektach, a także zaprojektowania schematu optymalnej wymiany pomiędzy źródłami a odbiorcami.

Zaawansowane techniki systemowej analizy energetyczno-egzergetycznej (ang. pinch technology) są coraz częściej stosowane w różnych działach gospodarki i przynoszą duże oszczędności inwestycyjne (mniej wymienników ciepła, nagrzewnic, promienników i innych urządzeń) oraz eksploatacyjne (niższe koszty energii i eksploatacji urządzeń).

Jedną z głównych zalet odróżniających tę technikę od konwencjonalnych metod projektowania jest możliwość ustalenia docelowego zużycia energii, zarówno dla pojedynczego procesu, jak i dla całego zakładu, a nawet grupy obiektów.

Taka analiza wspomaga podejmowanie decyzji projektowych i umożliwia porównywanie alternatywnych rozwiązań. W Polsce także istnieją warunki do stosowania tego typu analiz na etapie projektowania nowych lub modernizacji istniejących obiektów.

Istotne znaczenie na etapie wyboru ogrzewania obiektów wielkokubaturowych ma dokładne rozeznanie się w kwestii wymagań, jakie będę stawiane systemom ogrzewania i wentylacji podczas eksploatacji. Obiekty takie są przeważnie wysokie i rozległe, warto się zatem dowiedzieć:

• czy konieczne jest utrzymanie wyrównanej temperatury na całej wysokości obiektu (gradient temperatury), 
• czy na całej powierzchni obiektu panować mają równe temperatury, 
• czy w obiekcie znajdą się wydzielone strefy (ogrzewanie strefowe lub punktowe),
• jakie obiekt będzie miał funkcje i czy będą one determinowały zastosowanie urządzeń grzewczych i ich lokalizację – przy ścianach, pod sufitem czy w podłodze,
• czy konieczne będzie okresowe obniżanie temperatury i jak szybko trzeba będzie ją podnosić w cyklu dobowym lub tygodniowym,
• jakie obiekt będzie miał wejścia lub wjazdy – czy wymagane będą śluzy, czy tylko kurtyny powietrzne lub fartuchy.

Ponadto istotne są wymagania względem jakości powietrza wewnętrznego:

• czy procesy produkcyjne wymagać będą rozcieńczenia powstających zanieczyszczeń (np. w wyniku szlifowania), czy też ich wyrzucenia poza strefę lub obiekt i filtrowania, 
• czy należy się liczyć z okresowymi wzrostami zanieczyszczeń powietrza, np. w wyniku ruchu pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi,
• jaki będzie udział powietrza zewnętrznego doprowadzanego do obiektu (krotność wymian), ciśnienie, wilgotność oraz prędkość przepływu powietrza w poszczególnych strefach w zależności od potrzeb wynikających z eksploatacji,
• czy możliwe będzie wykorzystanie odzysku ciepła z powietrza wentylacyjnego.

W zdecydowanej większości hal optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie instalacji nawiewno-wywiewnych lub tylko nawiewnej z odzyskiem ciepła. Przy wyborze systemu ogrzewania i wentylacji należy też uwzględniać wymagania przeciwpożarowe. Niektórych rozwiązań (np. gazowych promienników) nie można stosować w obiektach, w których występuje zagrożenie pożarem. 

Eksploatacja nawet nowych obiektów handlowych, magazynowych i produkcyjnych wskazuje, że warto dokładnie analizować i dobierać sterowanie i automatykę systemów ogrzewania i wentylacji. 

Na przykład w budowanych ostatnio licznie przez sieci handlowe halach powiela się rozwiązania sprawdzone w innych obiektach bez uwzględniania niuansów funkcjonowania nowego budynku, jego otoczenia, orientacji itp. Z kolei w przenoszeniu sprawdzonych rozwiązań w wielu przypadkach przeszkadza fakt, że inwestor i projektant natrafiają na bariery nie do pokonania – jak brak odpowiedniej infrastruktury energetycznej, gazowej czy ciepłowniczej.

Systemy ogrzewania

Woda nadal jest najpopularniejszym nośnikiem ciepła dla systemów ogrzewania w dużych obiektach. O jej wyborze decyduje m.in. fakt, że pozwala ona na zmianę źródła zasilania instalacji (gaz ziemny, olej, węgiel) i zagospodarowanie energii odpadowej z procesów produkcji, a także (co nabiera coraz większego znaczenia) energii geotermalnej uzyskiwanej z pomp ciepła lub słonecznej z kolektorów słonecznych. Ponadto woda jako nośnik ciepła może zasilać różne urządzenia grzewcze.

Nagrzewnice i aparaty grzewczo-wentylacyjne zasilane wodą również mogą wykorzystywać ciepło odpadowe, a niektóre z tych urządzeń przystosowane są do chłodzenia pomieszczeń w okresie letnim. Wodne promienniki podsufitowe mogą korzystać z niskotemperaturowych źródeł ciepła (ciepło odpadowe, pompy ciepła, kotły kondensacyjne) i pełnić funkcję systemu chłodzącego poza sezonem grzewczym. 

Stosowane są też połączenia systemów, np. wodnych promienników podsufitowych i wodnych nagrzewnic lub aparatów grzewczo-wentylacyjnych, dla uzyskania jak najlepszych efektów z zasilania niskotemperaturowego. Ogrzewanie podłogowe także pracuje na niskich parametrach, a instalacja grzewcza pod posadzką umożliwia optymalne wykorzystanie przestrzeni obiektu i, co najważniejsze, pozwala korzystać z takich źródeł ciepła, jak pompy ciepła czy kolektory słoneczne, a nawet z ciepła odpadowego.

Gazowe promienniki podczerwieni nie umożliwiają zmiany źródła zasilania, ale gdy w obiekcie nie ma szczególnych wymagań ppoż. i można w długich okresach obniżać temperaturę, zwłaszcza poniżej 0°C, mogą być dobrym rozwiązaniem. Mogą także pracować punktowo, ogrzewając wydzielone strefy czy nawet pojedyncze stanowiska pracy. 

Do dyspozycji są też nagrzewnice gazowe, również ze szczelną komorą spalania i odprowadzeniem spalin. Takie urządzenia mogą być instalowane w obiektach przeznaczonych na stały pobyt ludzi, zarówno handlowych, jak i przemysłowych. Nagrzewnice olejowe z uwagi na wysokie ceny tego paliwa wykorzystywane są obecnie raczej jako jednostki awaryjne i mobilne, podobnie jak nagrzewnice elektryczne.

Lokalizacja urządzeń i sterowanie

Istotnym zagadnieniem związanym z ogrzewaniem obiektów o dużej kubaturze jest miejsce montażu urządzeń grzewczych i dobór układu sterowania. Niektóre z nich, jak ogrzewanie podłogowe, promienniki gazowe czy podsufitowe wodne, mają ściśle określone lokalizacje i układy sterowania. Natomiast zastosowanie nagrzewnic lub aparatów grzewczo-wentylacyjnych daje możliwość uzyskiwania różnych efektów w zależności od miejsca montażu. 

W praktyce w dużych halach system wentylacji i ogrzewania składa się najczęściej z układów mieszanych, np. z nagrzewnic pracujących na powietrzu obiegowym, nagrzewnic z możliwością czerpania powietrza zewnętrznego poprzez komorę mieszania lub aparatów grzewczo-wentylacyjnych,wentylatorów dachowych i urządzeń spychających oraz współpracujących z nimi central wentylacyjnych lub klimatyzacyjnych, także z odzyskiem ciepła. 

Optymalna praca takich systemów wymaga wyboru odpowiedniej strategii sterowania, tak aby maksymalnie wykorzystać atuty poszczególnych urządzeń i jednocześnie zapewnić komfort i niskie koszty eksploatacji. Coraz częściej sięga się po zaawansowane systemowe sterowanie, które zapewnia komfort w strefach obiektu i zarządza pracą wybranych urządzeń oraz ich całych grup.

Takie rozbudowane sterowanie pozwala m.in. na: 

• regulację prędkości obrotowej nagrzewnic, 
• regulację i sprzężenie wentylatorów dachowych z pracą komór mieszania (sterowanie ręczne lub zależne od czujnika zewnętrznego), 
• regulację temperatury w strefach lub strefie na podstawie uśrednienia pomiaru z czujników, 
• sterowanie pracą współpracujących central wentylacyjnych (w celu utrzymania stałej temperatury nawiewu), 
• sterowanie aparatami spychającymi (stratyfikatorami) dla pozyskania ciepła gromadzącego się w górnych partiach obiektu, 
• sterowanie wentylatorami wyciągowymi w funkcji temperatury zewnętrznej, 
• monitorowanie i podgląd serwisowy wszystkich parametrów za pomocą internetu.

Spore możliwości optymalizacji pracy systemów z nagrzewnicami wodnymi tkwią też w ich konstrukcji i miejscu montażu. Większość oferowanych na rynku nagrzewnic wodnych jest przystosowana do instalacji zarówno pod sufitem, jak i na ścianie. Można z nich uzyskać nawiew pionowy lub poziomy. 

Są też takie konstrukcje, które pozwalają na wykorzystywanie powietrza zewnętrznego lub zmieszanego dzięki zastosowaniu specjalnej przepustnicy, która w zależności od potrzeb może kierować do nagrzewnicy powietrze z pomieszczenia lub z zewnątrz. To drugie rozwiązanie służy również do wentylacji pomieszczenia. 

Stosuje się też rozwiązania, w których przepustnice mogą zamiennie kierować do nagrzewnicy powietrze zewnętrzne lub np. chłodne powietrze z poziomu podłogi, co zmniejsza gradient temperatury w pomieszczeniu.

W nagrzewnicach stosuje się także automatycznie przestawiane urządzenia wylotowe, a niekiedy nawiewniki wirowe. Oprócz regulacji strumienia, w zależności od temperatury, stosuje się też płynną regulację temperatury czynnika grzewczego na dolocie do nagrzewnicy. Niektóre urządzenia mogą być zasilane wodą lodową, co w okresach wysokich temperatur pozwala schładzać pomieszczenia. 

Literatura

1. Finansowanie przez trzecią stronę inwestycji energooszczędnych w sektorze przemysłowym. Poradnik inwestora, KAPE S.A., www.kape.gov.pl.
2. Polarczyk I., Nagrzewnice i urządzenia grzewczo-wentylacyjne, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2006.
3. Danielak M., Ogrzewanie wielkokubaturowe, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2011.
4. Kosieradzki J., Ogrzewanie hal przemysłowych, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2012.