Modernizacja instalacji c.o. w budynkach po termomodernizacji

Zmiany warunków cieplnych pracy c.o.

W artykule [1] przedstawiono analizę zmian obciążenia cieplnego wybranych pomieszczeń w budynku wielorodzinnym (rys. 1) w zależności od przyjętego wariantu jego termomodernizacji. W niniejszej publikacji na przykładzie pierwszego wariantu termomodernizacji (tabela 1) przeanalizowano zmiany w cieplnych warunkach pracy instalacji c.o. i przedstawiono wybrane sposoby jej modernizacji.

Przyjęto, że istniejąca w budynku instalacja c.o. jest instalacją wodną dwururową, pompową, o parametrach projektowych 90/70°C, z rozdziałem dolnym i pionami wznośnymi (rys. 1). Przewody c.o. są izolowane cieplnie jedynie w obrębie piwnic.

Nieizolowane piony prowadzone są po wierzchu ścian. W pomieszczeniach ogrzewanych zastosowano żeliwne grzejniki członowe T-1 bez armatury regulacyjnej, zasilane nieizolowanymi gałązkami. Układ ma centralną instalację odpowietrzającą. Wstępna regulacja hydrauliczna odbywa się za pomocą kryz.

Średnice przewodów, liczba członów grzejników, kryzy regulacyjne i pompa obiegowa w istniejącej instalacji c.o. dostosowane są do potrzeb i warunków pracy sprzed termomodernizacji budynku. Zapewniają one dystrybucję i dostawę ciepła do pomieszczeń ogrzewanych. Po termomodernizacji obciążenia cieplne pomieszczeń zmniejszyły się do 43–73% (średnio 60% dla budynku) obciążenia początkowego (tabela 1).

Oznacza to, że ilość ciepła dostarczanego przez instalację grzewczą jest nawet dwukrotnie większa od aktualnych potrzeb danego pomieszczenia. Brak jakiejkolwiek regulacji miejscowej powoduje przegrzewanie pomieszczeń, nawet do temperatury 38°C (tabela 2), co zmusza użytkowników do otwierania okien. Najwyższe temperatury występują w pomieszczeniach o największej redukcji obciążenia cieplnego.

Zmieniły się warunki temperaturowe pracy instalacji, a schłodzenie czynnika zmniejsza się z 20 do 12°C. Zwiększenie temperatury powrotu obniży sprawność źródła ciepła, a w wypadku zasilania sieciowego wywoła sprzeciw dostawcy.

Zmienił się też układ hydrauliczny instalacji, co przy pozostawieniu istniejącej pompy obiegowej wywołuje nadmiar ciśnienia, a tym samym zawyżony przepływ, w aż 1/3 grzejników. Obniża to efektywność wymiany ciepła i powoduje hałas podczas pracy instalacji.

Sposoby modernizacji instalacji c.o.

Wyraźnie widać, że pozostawienie niezmienionej instalacji c.o. w budynku poddanym termomodernizacji jest błędem. Dostosowanie jej do nowych warunków pracy jest konieczne do osiągnięcia zakładanego wyniku przedsięwzięcia termomodernizacyjnego.  

Modernizację c.o. można przeprowadzić na wiele sposobów [1], zależnie od stanu technicznego, umiejętności i doświadczenia projektanta czy zasobności portfela inwestora. Każdorazowo wymagana jest analiza obliczeniowa i projekt inżynierski wskazujące konieczne, możliwe oraz najlepsze w danych warunkach rozwiązanie techniczne.

Poniżej przedstawiono wpływ wybranych działań modernizacyjnych na cieplne warunki pracy instalacji c.o. w budynku po termomodernizacji. Przyjęto, że istniejąca instalacja jest w dobrym stanie technicznym, a jej główne elementy nie wymagają wymiany i nadają się do dalszej eksploatacji. W celu przedstawienia możliwości i konsekwencji wyboru danej metody modernizacji instalacji c.o. rozpatrzono następujące warianty:

1. Korekta parametrów czynnika grzewczego.
2. Korekta liczby członów w grzejnikach żeliwnych.
3. Wprowadzenie grzejnikowych zaworów termostatycznych (GZT) i korekta parametrów czynnika grzewczego.
4. Izolowanie pionów c.o.

Niektóre warianty są niezgodne z obecnymi standardami i wymaganiami prawa (np. brak zaworów termostatycznych czy systemu rozliczeń zużytego ciepła) [2]. Są one przytaczane jedynie dla zilustrowania skutków podjętych działań.

W celu przeprowadzenia analiz wpływu zmian obciążeń cieplnych oraz poszczególnych działań modernizacyjnych na pracę instalacji c.o. zbudowano numeryczny model fragmentu budynku i instalacji, wykorzystując oprogramowanie do wspomagania projektowania i obliczeń inżynierskich (rys. 1). Model uwzględnia obciążenia i moce cieplne, temperatury i schłodzenie czynnika w przewodach i grzejnikach oraz hydraulikę instalacji c.o.

Korekta parametrów czynnika grzewczego

Wariant ten jest teoretycznie najłatwiejszym w realizacji działaniem modernizacyjnym. Struktura instalacji c.o. i grzejniki pozostają bez zmian, a dostosowanie mocy grzewczej układu do zredukowanych potrzeb cieplnych budynku zostanie osiągnięte poprzez właściwe obniżenie parametrów czynnika grzewczego. W teorii nic prostszego, a dodatkowo prawie bez inwestycji.

Jednak co w praktyce oznacza „właściwe obniżenie parametrów czynnika grzewczego”? Moc cieplna urządzenia grzewczego jest składową strumienia i temperatury wody grzewczej (temperatura w pomieszczeniu nie zmienia się po termomodernizacji). Dodatkową trudnością jest nierównomierna redukcja obciążenia cieplnego poszczególnych pomieszczeń ogrzewanych w budynku [1] (tabela 1).

W tabeli 3 zestawiono wartości procentowe zawyżenia dostawy ciepła w stosunku do zredukowanych potrzeb cieplnych w pomieszczeniach po termomodernizacji obudowy cieplnej budynku. 

• Wariant I/A przedstawia instalację c.o. bez korekty temperatury projektowej czynnika grzewczego, co pociąga za sobą przegrzewanie wszystkich pomieszczeń (zawyżenie dostawy ciepła o 29–65%) oraz redukcję strumienia przepływu, co z kolei wymusza wymianę pompy obiegowej i powoduje rozregulowanie hydrauliczne instalacji. 
  Rozwiązanie to jest niepoprawne zarówno od strony instalacji c.o., jak i ogrzewania pomieszczeń ogrzewanych.
• Wariat I/B to utrzymanie temperatury zasilania (np. wymuszonej typem źródła ciepła) oraz korekta schłodzenia z 20 na 12°C w celu utrzymania strumienia przepływu czynnika grzewczego sprzed termomodernizacji. Pozwala to na wykorzystanie istniejącej pompy obiegowej i utrzymuje dotychczasową regulację hydrauliczną. 
  Dla instalacji rozwiązanie to jest poprawne, ale od strony pomieszczeń jest ono nieskuteczne. Wszystkie analizowane pomieszczenia wciąż są przegrzewane (zawyżenie dostawy ciepła o 42–115%).
• Wariant I/C to dalsza próba obniżania parametrów czynnika roboczego w celu dopasowania mocy cieplnej grzejników do zmniejszonego zapotrzebowania z jednoczesnym utrzymaniem regulacji hydraulicznej (niezmieniony przepływ dzięki schłodzeniu wynoszącemu 12°C). Obniżenie projektowej temperatury zasilania z 90 do 75°C pozwala wyeliminować przegrzewanie pomieszczeń, których obciążenie cieplne zmieniło się najmniej po termomodernizacji. Są to pomieszczenia wewnętrzne o małym udziale przegród zewnętrznych. Obniżenie to wymaga jednak zmian w źródle ciepła lub wprowadzenia rozwiązań zmniejszających wtórnie temperaturę zasilania. 
  Analogicznie do wariantu I/B – rozwiązanie to jest poprawne z punktu widzenia instalacji c.o., ale nie eliminuje zupełnie problemu przegrzewania zasilanych pomieszczeń.
• Wariant I/D to dalsze obniżanie projektowej temperatury zasilania, do 65°C, w celu ograniczenia liczby pomieszczeń przegrzewanych. Wynikiem jest dopasowanie mocy cieplnej istniejących grzejników członowych w prawie wszystkich pomieszczeniach szczytowych, niestety kosztem niedogrzewania pomieszczeń wewnętrznych (od –6 do –16% obciążenia cieplnego). 
  Szczególnym przypadkiem jest pomieszczenie 2.4, w którym pojawia się 27‑proc. nadmiar dostawy ciepła. Występuje tu największa redukcja obciążenia cieplnego po termomodernizacji.
• Wariant I/E jest próbą znalezienia najlepszego, choć wciąż kompromisowego rozwiązania między liczbą pomieszczeń przegrzewanych i niedogrzewanych. Wyznaczona przez projektanta temperatura zasilania 67°C i schłodzenia 12°C wydaje się zbyt dokładna, ale choć wciąż nieidealna, zmniejsza uciążliwości eksploatacyjne dla mieszkańców budynku. 
  Dodatkowo utrzymanie pierwotnego przepływu czynnika pozwala zachować pompę obiegową i regulację hydrauliczną.

Powyższe warianty są ilustracją możliwości dostosowania istniejącej instalacji c.o. do zredukowanych dzięki termomodernizacji potrzeb cieplnych pomieszczeń. 

Zaletą tego rozwiązania jest możliwość zachowania układu instalacji, przewodów, grzejników i pompy obiegowej, a wadą niemożność dostosowania mocy cieplnej grzejników do nowych potrzeb cieplnych we wszystkich pomieszczeniach ogrzewanych. Dodatkowy brak regulacji miejscowej oraz uzasadnienia ekonomicznego dla zachowania istniejącej pompy obiegowej sprawia, że wariant ten można stosować tylko w uzasadnionych przypadkach.

Korekta liczby członów T-1 grzejników żeliwnych

Rozwiązanie to polega na wykorzystaniu podstawowej cechy żeliwnych grzejników członowych, jaką jest możliwość zmiany liczby członów w danym grzejniku. Założeniem jest wykorzystanie istniejących przewodów c.o., regulacji hydraulicznej i pompy obiegowej. W tabeli 4 zestawiono początkową i skorygowaną liczbę członów T-1 w grzejnikach. 

Korekta liczby członów całkowicie likwiduje problem przegrzewania i niedogrzewania pomieszczeń. Zachowanie parametrów 90/70°C powoduje konieczność wymiany pompy obiegowej oraz ponownej regulacji hydraulicznej – trudnej do przeprowadzenia.Żeby zachować istniejącą pompę obiegową i regulację hydrauliczną, należy skorygować obliczeniowe schłodzenie czynnika do poziomu 12°C (90/78°C). Zmiana ta nie wpłynęła na korektę liczby członów T-1 w poszczególnych pomieszczeniach.Zaletą tego rozwiązania jest pełne dopasowanie mocy grzejników do zmienionych potrzeb cieplnych we wszystkich pomieszczeniach oraz wykorzystanie istniejącej struktury instalacji c.o. Sama redukcja liczby członów jest szybka i prosta technicznie. Wadą jest niekorzystny wzrost udziału zysków ciepła od nieizolowanych pionów w porównaniu do mocy grzejników, co będzie przedmiotem dalszych analiz, oraz brak regulacji miejscowej w pomieszczeniach ogrzewanych.

Wprowadzenie GZT i korekta parametrów czynnika grzewczego

Często spotykaną praktyką jest montowanie grzejnikowych zaworów termostatycznych jako antidotum na wszelkie dolegliwości istniejącej instalacji c.o. w budynku po termomodernizacji. Zaletą tego rozwiązania jest skuteczna regulacja hydrauliczna w warunkach zredukowanych obciążeń cieplnych oraz wprowadzenie regulacji miejscowej w pomieszczeniach.Działanie to nie eliminuje jednak przewymiarowania grzejników (tabela 1, wariant I/A), co prowadzi często do dwustawnej pracy zaworów termostatycznych i falowania temperatury w pomieszczeniach ogrzewanych. Dodatkowo zawory termostatyczne zwiększają dwukrotnie opory przepływu, co w połączeniu ze zmiennością przepływów związaną z ich pracą wymaga wymiany pompy obiegowej na sterowaną elektronicznie lub wprowadzenia analogicznych rozwiązań. Kolejnym problemem jest wzrost udziału zysków ciepła od pionów, co pogłębia trudności z regulacją temperatury w pomieszczeniach.

Korzystając z wniosków dotyczących wariantu I/E, przeanalizowano wprowadzenie zaworów termostatycznych z jednoczesną redukcją parametrów obliczeniowych czynnika do 67/55°C. 

Wynikiem jest całkowita eliminacja zjawiska przegrzewania lub niedogrzewania pomieszczeń, skuteczna regulacja hydrauliczna oraz wprowadzenie regulacji miejscowej w pomieszczeniach ogrzewanych. Ceną tego jest wzrost oporności hydraulicznej instalacji, co w połączeniu z regulacją ilościową wywołaną pracą zaworów termostatycznych wymaga wymiany pompy obiegowej, jednak inwestycja jest tego warta. 

Krytycznym czynnikiem jest tu poprawne wyznaczenie i rzetelne zrealizowanie właściwych nastaw wstępnych w zaworach termostatycznych, co zapewnia poprawną regulację hydrauliczną. Działanie to jest wystarczające w niedużych (nierozległych) instalacjach c.o. 

W wypadku wielopionowych, rozległych instalacji wymagana będzie dodatkowa armatura regulacyjna do tzw. regulacji podpionowej. Sposoby i urządzenia służące do regulacji hydraulicznej rozległych modernizowanych instalacji c.o. będą przedmiotem kolejnego artykułu.

Izolowanie pionów centralnego ogrzewania

W procesie projektowania ogrzewania grzejnikowego ważnym czynnikiem jest wpływ zysków ciepła od pionowych i poziomych przewodów c.o. przechodzących przez pomieszczenie ogrzewane. Udział zysków zmienia się w zależności do lokalizacji pionu, długości gałązek zasilających (rys. 2) oraz temperatury i przepływu czynnika grzewczego.Zyski ciepła od przewodów pionowych nie podlegają regulacji miejscowej na zaworach grzejnikowych. W instalacjach stałoprzepływowych nie stanowiło to problemu, ale w systemach wyposażonych w zawory termostatyczne duży udział zysków jest niekorzystny i ogranicza zakres regulacji mocy urządzenia grzewczego (rys. 3).

Udział procentowy „nieregulowanych” zysków ciepła od przewodów c.o. w analizowanych pomieszczeniach podano w tabeli 5. Wariant IV/A przedstawia stan przed termomodernizacją. Udział zysków zmienia się w funkcji długości przewodów, schłodzenia czynnika i obciążenia cieplnego danego pomieszczenia.

Zyski te zostały uwzględnione przez projektanta i odjęte od mocy umownej grzejników w instalacji pozbawionej regulacji miejscowej [3]. W sezonie grzewczym ich wielkość zmienia się wraz z mocą cieplną grzejnika w funkcji temperatur czynnika. 

W wariancie IV/B obniżenie potrzeb cieplnych pomieszczeń po termomodernizacji obudowy budynku spowodowało zwiększenie udziału zysków ciepła od przewodów c.o. Przy zachowaniu parametrów 90/70°C zyski liczbowo się nie zmieniły, a obciążenie cieplne pomieszczeń zmalało. Zyski sięgają nawet 42% obciążenia cieplnego, co w instalacji c.o. wyposażonej w zawory termostatyczne zawęża zakres regulacji ogrzewania do 100–42% chwilowej mocy.

Obniżenie temperatur projektowych do poziomu 67/55°C powoduje w warunkach zredukowanych potrzeb cieplnych powrót do pierwotnych proporcji procentowych (wariant IV/C) – maks. 30%. Oznacza to, że nawet przy zakręconym grzejnikowym zaworze termostatycznym do pomieszczenia będzie stale dostarczane 30% aktualnego zapotrzebowania na ciepło. Dodatkową trudnością jest rozliczanie takich „pozagrzejnikowych” źródeł ciepła za pomocą podzielników ciepła.

Warianty IV/D i IV/E to sprawdzenie wpływu zastosowania izolacji cieplnej przewodów c.o. na udział w pomieszczeniach zysków ciepła, których nie można regulować. Izolowanie przewodów ogranicza wielkość, a tym samym udział zysków ciepła od przewodów, i redukuje schłodzenie czynnika zasilającego odległe grzejniki.

Podsumowanie

Opisane powyżej wybrane sposoby modernizacji instalacji c.o. w budynkach wielorodzinnych poddanych termomodernizacji wyraźnie wskazują, że jest to zagadnienie ważne i wymagające indywidualnego podejścia projektowego.

Dostosowanie instalacji do zmienionych warunków pracy jest konieczne po obniżeniu zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń. Zaniechanie tej czynności jest dużym błędem. 

Również wprowadzanie zmian bez wcześniejszych analiz i projektu inżynierskiego może się skończyć niepowodzeniem, brakiem poprawy, a nawet pogorszeniem działania instalacji c.o.

Wybór właściwej metody modernizacji instalacji c.o. nie jest zadaniem rutynowym. Może wymagać połączenia kilku działań modernizacyjnych: obniżenia temperatury projektowej czynnika, redukcji wielkości grzejników, montażu zaworów termostatycznych, wymiany pompy obiegowej itd. 

Analiza cieplna pracy istniejącej instalacji grzewczej w warunkach zredukowanego obciążenia cieplnego jest częścią wymaganej analizy projektowej. Równie ważnym zagadnieniem jest zrównoważenie hydrauliczne instalacji c.o. po zmianie parametrów czynnika grzewczego, wprowadzeniu armatury regulacyjnej itd. Będzie to przedmiotem kolejnego artykułu dotyczącego zmian i równoważenia hydraulicznego instalacji c.o.

Literatura

1. Jadwiszczak P., Instalacje centralnego ogrzewania w procesie termomodernizacji budynków, „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2013.
2. 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, z późn. zm.).
3. Kołodziejczyk W., Płuciennik M., Wytyczne projektowania instalacji centralnego ogrzewania, COBRTI INSTAL, Warszawa 2001.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!