Instalacje centralnego ogrzewania w procesie termomodernizacji budynków

Standard istniejących instalacji c.o.

Znaczną część zasobów mieszkaniowych Polski stanowią budynki wielorodzinne wznoszone w latach 70. i 80. XX wieku w technologii tzw. wielkiej płyty. Standardem są w nich instalacje centralnego ogrzewania wodne, dwururowe, pompowe, o parametrach 95 lub 90/70°C, z rozdziałem dolnym i pionami wznośnymi. Przewody c.o. są izolowane cieplnie jedynie w obrębie rozprowadzeń w piwnicach, a nieizolowane piony prowadzone są po wierzchu ścian.

Żeliwne grzejniki członowe bez armatury regulacyjnej zasilane są nieizolowanymi gałązkami i mają zazwyczaj unieruchomiony zawór odcinający. Odpowietrzenie realizowane jest poprzez instalację centralną, a system zabezpieczeń jest otwarty. Źródłem ciepła jest węzeł ciepłowniczy lub kotłownia lokalna czy miejscowa, jedno- lub dwufunkcyjna.

Tak skonfigurowany system grzewczy spełnia swoje podstawowe zadanie, jakim jest dostarczanie ciepła do pomieszczeń ogrzewanych. Wadą jest brak regulacji miejscowej w pomieszczeniach (tylko regulacja centralna), co w połączeniu z regulacją hydrauliczną opartą jedynie na gradacji średnic i kryzach skutkuje stałym bądź okresowym niedogrzewaniem lub przegrzewaniem konkretnych pomieszczeń.

Przy braku armatury regulacyjnej podstawową reakcją na zbyt dużą dostawę ciepła jest otwieranie okien przez użytkowników. Dokładając do tego straty ciepła na przesyle, wtórne przepływy czynnika przez instalację odpowietrzającą oraz niską jakość wody obiegowej, otrzymujemy pełny obraz instalacji grzewczej o niskiej sprawności i regulacyjności.

W zdecydowanej większości instalacje te pracują poprawnie w warunkach zbliżonych do projektowych, a gorzej w okresie przejściowym, szczególnie na początku i końcu sezonu grzewczego.

Termomodernizacja budynków z wielkiej płyty

Termomodernizacja jest teoretycznie najprostszym sposobem poprawienia charakterystyki energetycznej budynków wielorodzinnych. Jednocześnie pozwala usunąć wady projektowe i wykonawcze w istniejących budynkach z wielkiej płyty. Pełna termomodernizacja powinna obejmować swoim zakresem ulepszenia w zakresie [1]:

• konstrukcji i charakterystyki energetycznej budynku,
• systemu grzewczego,
• instalacji c.w.u. i cyrkulacji,
• źródła ciepła,
• systemu wentylacji,
• instalacji gazowej i kominowej,
• instalacji elektrycznej,
• wysokości taryf i opłat za energię.

W praktyce termomodernizacja często ograniczana jest jedynie do ulepszeń w obrębie pierwszej grupy, czyli obudowy cieplnej budynku. Dodatkowa izolacja cieplna przegród zewnętrznych oraz wymiana stolarki okiennej daje wymierny i szybki efekt jakościowy oraz wizualny.

Jednak zaniedbanie lub pominięcie ulepszeń w pozostałych sektorach gospodarki energetycznej budynku jest błędem. Pozostają w nim energochłonne instalacje pracujące z niską sprawnością i jakością. Szczególnie dotyczy to instalacji centralnego ogrzewania, której praca bezpośrednio wpływa na komfort cieplny, a koszty ogrzewania stanowią znaczną część kosztów utrzymania budynku.

Modernizacja instalacji centralnego ogrzewania

W budynku poddawanym termomodernizacji wymagane jest dostosowanie instalacji centralnego ogrzewania do pracy w zmienionych warunkach wynikających z redukcji obciążenia cieplnego budynku i poszczególnych pomieszczeń. Teoretycznie najprostszym rozwiązaniem jest wymiana całej instalacji c.o. na nową. Jest to jednak rozwiązanie drogie i trudne w realizacji w zamieszkałym budynku, choć nie niemożliwe. Zdarza się również, że instalacja c.o. była już wcześniej remontowana i jest w dobrym stanie technicznym.

W razie konieczności kompleksowej wymiany instalacji c.o. należy rozpatrzyć zmianę jej technologii i układu. Niewłaściwym rozwiązaniem jest odtwórcze budowanie nowej instalacji, identycznej jak poprzednia. Zaleca się projektowanie instalacji c.o. w sposób umożliwiający pomiar całkowitej energii cieplnej dostarczonej do danego lokalu i z wykorzystaniem nowoczesnych rozwiązań technicznych. Wymaga to całkowitej zmiany układu instalacji c.o., np. przejścia z pionopięter na rozdzielacze mieszkaniowe. W budynkach z wielkiej płyty stwarza to poważne problemy projektowe i wykonawcze, głównie z rozprowadzeniem takiej instalacji w obrębie mieszkań.

Jeśli wymiana istniejącej instalacji c.o. nie jest konieczna, zakres jej modernizacji powinien obejmować następujące czynności [2, 3]:

1. Szczegółową inwentaryzację i ocenę stanu technicznego instalacji.

2. Poprawę stanu technicznego instalacji poprzez:

• przywrócenie drożności rurociągów przez ewentualną wymianę ciągów przewodów lub płukanie chemiczne (czynność kontrowersyjna, nieprawidłowo przeprowadzona jest niebezpieczna dla instalacji),
• ograniczenie ubytków wody przez ogólne uszczelnienie instalacji c.o., np. wymianę armatury,
• hermetyzację układu przez zastosowanie zamkniętego systemu zabezpieczeń i zastąpienie centralnej instalacji odpowietrzającej odpowietrznikami miejscowymi,
• izolowanie cieplne przewodów c.o.

3. Dostosowanie instalacji do obniżonego obciążenia cieplnego pomieszczeń:

• zmianę mocy grzewczej instalacji c.o. i grzejników,
• zainstalowanie grzejnikowych zaworów termostatycznych i zrównoważenie hydrauliczne obiegów,
• wymianę pomp obiegowych na wysokosprawne urządzenia bezdławicowe sterowane elektronicznie,
• poprawę i utrzymanie jakości czynnika obiegowego,
• ewentualne wprowadzenie systemu indywidualnego rozliczenia kosztów ogrzewania.

Sens ma jedynie kompleksowa modernizacja instalacji c.o. Wycinkowe usprawnienia, polegające np. tylko na montażu w niesprawnej instalacji grzejnikowych zaworów termostatycznych bez określenia nastaw wstępnych i wymiany pomp, są błędem i skutkować będą pogłębieniem wadliwego działania instalacji.

Szczególnie istotne są działania mające na celu właściwe dostosowanie instalacji c.o. do pracy w warunkach zredukowanego obciążenia cieplnego. Termomodernizacja obudowy cieplnej budynku daje nierównomierne zredukowanie obciążenia cieplnego w poszczególnych pomieszczeniach, co musi być uwzględnione w projekcie modernizacji instalacji c.o.

Obniżenie potrzeb cieplnych pomieszczeń w budynku po termomodernizacji

W skali całego budynku ulepszenie termomodernizacyjne polegające na zwiększeniu izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych realizowane jest przez zamontowanie warstwy izolacji o jednolitej grubości na całej powierzchni danej przegrody. 

Wpływ tego rozwiązania na poszczególne pomieszczenia ogrzewane w budynku jest jednak różny. Stopień zmniejszenia potrzeb cieplnych zależy od położenia w budynku, charakterystyki energetycznej oraz architektury pomieszczenia. Skrajnymi przykładami są: pomieszczenia wewnętrzne na kondygnacjach pośrednich z jedną ścianą zewnętrzną o małej powierzchni oraz pomieszczenia szczytowe na najwyższej kondygnacji z trzema lub więcej przegrodami zewnętrznymi. 

Różnica w stopniu zredukowania potrzeb cieplnych tych pomieszczeń w ramach jednolitego rozwiązania termomodernizacji obudowy budynku może sięgać kilkudziesięciu, a nawet kilkuset procent. Oznacza to, że chcąc poprawnie dostosować istniejącą instalację c.o. do zmienionych warunków pracy, nie można stosować jednego, proporcjonalnego rozwiązania dla wszystkich pomieszczeń ogrzewanych. Należy kolejno analizować każde pomieszczenie, wybierając dla niego najlepsze rozwiązanie.

Aby zilustrować nierównomierność wpływu docieplania przegród zewnętrznych na zmianę obciążenia cieplnego poszczególnych pomieszczeń w budynku wielorodzinnym poddawanym termomodernizacji, przeprowadzono krótką analizę obliczeniową.

Wyznaczono obniżenie obciążenia cieplnego pomieszczeń mieszkalnych w przykładowym budynku wielorodzinnym wzniesionym w technologii tzw. wielkiej płyty (rys. 1). Dla utrzymania przejrzystości do analizy wybrano 15 pomieszczeń tworzących elewację budynku, nadając im numery określające ich położenie. Są to pomieszczenia ogrzewane do temperatury 20°C z wentylacją naturalną 1,0 1/h, o powierzchni 12 (4×3 m) oraz 20 m² (4×5 m, z balkonami). 

Budynek znajduje się w Katowicach, w III strefie klimatycznej, został wzniesiony w latach 70. XX wieku i spełnia wymagania obowiązujących wówczas przepisów (tabela 1).

Analiza obejmuje wyznaczenie obciążenia cieplnego każdego z pomieszczeń po przeprowadzeniu termomodernizacji obudowy cieplnej budynku w trzech wariantach (tabela 1). 

W rzeczywistych warunkach racjonalna grubość dodatkowej izolacji cieplnej przegród budowlanych określana jest w audycie energetycznym. Dla uproszczenia w wariancie 1 założono doprowadzenie budynku do standardu obecnie wymaganego przez warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4]. 

Wariant 2 to często spotykane rozwiązanie polegające na zamontowaniu 12-centymetrowej warstwy styropianu na ścianach zewnętrznych i wymianie okien na nowoczesne o U_obl = 1,8 W/m²K. W wariancie 3 zamontowano jedynie dodatkową warstwę izolacji w stropodachu i wymieniono okna na ciepłe o współczynniku U_obl = 0,8 W/m₂K.

Dla tak przyjętych założeń wyznaczono według [5] projektowe obciążenie cieplne każdego z analizowanych pomieszczeń w każdym z opisanych powyżej wariantów. Zestawienie wyników zawarto w tabeli 2, a w tabeli 3 podano wielkość procentową obciążenia cieplnego w odniesieniu do wariantu przed termomodernizacją wraz z podaniem wartości średniej. Dodatkową ilustracją wyników zamieszczonych w tabeli 3 są wykresy na rys. 3–5.

Wyraźnie widać, że wpływ takiego samego dla danej przegrody zewnętrznej rozwiązania termomodernizacyjnego przekłada się na niejednolite zmniejszenie obciążenia cieplnego poszczególnych pomieszczeń. Niejednolitość ta zmienia się również w zależności od wariantu rozwiązania termomodernizacyjnego obudowy budynku (rys. 3–5). 

W wariancie 1 uzyskano zredukowane obciążenia cieplne pomieszczeń wynoszące od 43 do 73% obciążenia pierwotnego, zależnie od typu i położenia pomieszczenia. W wariancie 2 – od 44% do 90%, a w wariancie 3 – od 70 do 93%. Oznacza to, że w zależności od położenia pomieszczenia i wariantu termomodernizacji zmiana obciążenia cieplnego może wynosić ponad połowę lub jedynie parę procent. 

Już na przykładzie trzech wybranych przypadków wyraźnie widać, że przyjęcie jednolitej redukcji obciążeń cieplnych dla wszystkich pomieszczeń w budynku jest błędem inżynierskim. A całkowicie niedopuszczalne jest przyjmowanie w bilansie cieplnym jednostkowego współczynnika obciążenia cieplnego w W/m2 takiego samego dla wszystkich pomieszczeń.

Powyższe wyniki nie powinny być dla inżynierów zaskoczeniem. Wyraźnie widać, że „najmniej wrażliwe” na zmiany w izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych są pomieszczenia wewnętrzne o relatywnie małych powierzchniach. Największe zmiany występują w pomieszczeniach na kondygnacjach skrajnych, w tzw. lokalizacjach szczytowych. Należy zwrócić uwagę na proporcje i wielkość tych zmian w poszczególnych wariantach.

Wykres na rys. 6 przedstawia rozstęp statystyczny jako miarę rozrzutu projektowych obciążeń cieplnych analizowanych pomieszczeń. Przedstawiono zarówno rozpiętość zmian, jak i wielkości maksymalne i minimalne. Mały rozstęp statystyczny wskazuje na pomieszczenia o małej zmienności obciążenia cieplnego. Są to wewnętrzne pomieszczenia o oznaczeniach 2.2 i 3.2 (rozstęp 10%), o dużej powierzchni użytkowej (20 m²) i małej powierzchni przegród zewnętrznych. Drugie w kolejności są analogicznie położone pomieszczenia 2.3 i 3.3 (rozstęp 15%), jednak o mniejszej powierzchni niż poprzednie (12 m²). Największa zmienność dotyczy pomieszczeń o lokalizacji szczytowej: 1.1, 1.3, 2.1, 3.1 i 3.4 (rozstęp ok. 40%). 

Dostosowanie instalacji c.o. do obniżonego obciążenia cieplnego

Jak wykazano powyżej, obciążenie cieplne pomieszczeń zmienia się nierównomiernie w obrębie budynku w zależności od charakterystyki danego pomieszczenia i przyjętego wariantu termomodernizacji obudowy cieplnej budynku. Oznacza to, że dostosowanie instalacji c.o. do pracy w zmienionych warunkach po dociepleniu budynku wymaga w pierwszej kolejności wyznaczenia projektowego obciążenia cieplnego każdego z ogrzewanych pomieszczeń i to ze szczegółowym uwzględnieniem wszystkich czynników wpływających na zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania: 

• statycznych strat ciepła z uwzględnieniem mostków cieplnych,
• wentylacyjnych strat ciepła,
• zysków ciepła od przewodów c.o. w danym pomieszczeniu.

Dopiero tak skonstruowany bilans cieplny może być podstawą do dalszych inżynierskich prac projektowych nad modernizacją istniejącej instalacji c.o. w budynku poddanym termomodernizacji. Czynności te będą tematem kolejnych artykułów, obejmujących zagadnienia cieplne oraz hydrauliczne dostosowania istniejącej instalacji c.o. do poprawnej pracy w budynku z wielkiej płyty poddawanym termomodernizacji.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 marca 2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a także algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego (DzU nr 43/2009, poz. 346).
2. Robakiewicz M., Panek A., Termomodernizacja budynku, Program Edukacyjno-Informacyjny www.domprzyjazny.pl.
3. Śmiechowski D. i in., Nadbudowa i modernizacja budynków wielorodzinnych, Program Edukacyjno-Informacyjny www.domprzyjazny.pl.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, ze zm.).
5. PN-EN 12831 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.