Jak oszczędzać energię - centralne ogrzewanie dobrze zaprojektowane

Straty ciepła w domu jednorodzinnym zależą głównie od jakości izolacji cieplnej przegród budowlanych i rodzaju stolarki okiennej i drzwiowej. To, jaką izolację przyjęto i jaką stolarkę, decyduje o ilości ciepła potrzebnej, aby w pomieszczeniach utrzymać odpowiednie temperatury. Może się tak zdarzyć, że przy bardzo dobrej izolacji i nowoczesnych oknach - szczelnych, z szybami o współczynniku U = 1,1 W/m²h (jest to współczynnik przenikania ciepła dla szyby, nie dla całego okna) - to nie ciepło tracone przez przegrody będzie decydowało o wielkości grzejników, ale ilość ciepła potrzebna do ogrzania powietrza wentylacyjnego. Do kwestii wentylacji wrócimy w dalszej części. Teraz zajmijmy się sposobami ogrzewania, ale nie z punktu widzenia jego jakości, ale możliwości oszczędzania ciepła.

Wiele osób unika zlecania wykonania projektu centralnego ogrzewania i przy doborze grzejników opiera się na danych funkcjonujących na rynku. Zamiast obliczeń przyjmują wskaźnikowo ilość ciepła na 1 m² ogrzewanej powierzchni. Na tej podstawie opierają późniejszy dobór grzejników i moc źródła ciepła. Najczęściej jest to 100 W/m². Była to wartość przyjmowana przez instalatorów, gdy kotły gazowe wchodziły na polski rynek i w ogłoszeniach można było przeczytać: „kocioł mogący ogrzać 150 m²”, co oznaczało, że kocioł miał moc 15 kW. Od tego czasu wiele się w naszym budownictwie zmieniło. I tak, można orientacyjnie przyjąć do doboru kotła następujące wielkości:

• budynek stary, bez izolacji termicznej, z pustką powietrzną w ścianach zewnętrznych, stolarka okienna to tzw. okna zespolone – moc potrzebna to 130–150 W/m²;
• budynek stary, bez izolacji termicznej, z pustką powietrzną w ścianach zewnętrznych, z nowymi oknami - to ok. 100-130 W/m²;
• ściany zewnętrzne z cegły z izolacją cieplną 40-60 mm - to 80-100 W/m²;
• ściany z cegły dziurawki (pustak Max) i 80-100 mm izolacji - to 60-80 W/m².

Wielkości te mogą nam dać przybliżoną odpowiedź na pytanie, jak duży kocioł będzie nam potrzebny. Jednak dobieranie w ten sposób grzejników lub ogrzewania podłogowego może być obarczone zbyt dużym błędem. W zasadzie można bez szkody dla całej instalacji dobrać grzejniki z dużym zapasem. Jednak grzejnik o przeszacowanych parametrach będzie droższy, w dodatku bardzo często trzeba go będzie dławić (zmniejszać dopływ wody grzejnej), co stanowić będzie źródło uciążliwego hałasu.

Źle zaprojektowana instalacja to nie tylko groźba powstawania hałasu, ale także stałe niepotrzebne zużywanie energii elektrycznej przez pompę obiegową. Po co najpierw wytwarzać ciśnienie, które później musi być dławione przez elementy regulacyjne? Ciśnienie dyspozycyjne (czynne) w instalacji centralnego ogrzewania, w idealnym przypadku, powinno być tylko takie, jakie jest potrzebne do zasilenia najbardziej niekorzystnego grzejnika.

Przykładowa realizacja

Dla domu jednorodzinnego wolno stojącego NATALIA II (rys. 1) zaprojektowano instalację centralnego ogrzewania z kotłem kondensacyjnym gazowym Junkers Cerasmart Modul ZBS 16/170-2 Solar (rys. 2) - pobór ciepła dla c.w.u. z dwóch kolektorów słonecznych Hewalex KS 2000 (fot. 1). Pierwsze obliczenia, wykonane dla instalacji jak na rysunku 3, pokazały, że na 17 grzejników aż 12 ma zbyt duże ciśnienie przed zaworem grzejnikowym i program Audytor C.O. zażądał zainstalowania dodatkowych elementów dławiących dopływ do tych grzejników. Po dokładnej analizie wyników i ustaleniu, dlaczego tak się dzieje, zmieniono podłączenie niektórych grzejników i nadmiar ciśnienia zniknął, a opór przepływu całej instalacji zmniejszył się o ok. 20%. Zmiana polegała na odłączeniu małych grzejników od rurociągu prowadzącego ciepło do dużych grzejników na końcu gałęzi. Zmiana taka spowodowała zmniejszenie strat ciśnienia na takiej gałęzi (mniej wody musi przepuścić), co wpływa na poziom wymaganego ciśnienia w całej instalacji (wspomniane zmniejszenie o 20%). Zabezpieczamy się w ten sposób przed powstawaniem hałasów, gdy zawory termostatyczne zaczynają dławić dopływ wody do grzejników, ponieważ w pomieszczeniu pojawiają się dodatkowe zyski ciepła (każda osoba obecna w pomieszczeniu wydziela tyle ciepła, ile dostarczało jedno żeberko grzejnika żeliwnego o wysokości 600 mm).

Coraz lepsza izolacja ścian zewnętrznych (w opisanym budynku 12-centrymetrowa warstwa styropianu) i szczelna stolarka spowodowały, że pokój, nawet duży, można by ogrzać jednym grzejnikiem, gdyby tylko jego moc o tym decydowała. Dobry projektant musi zadbać o mniej więcej równy rozdział ciepła dostarczanego do pokoju. Aby to osiągnąć, rozdzielamy potrzebną moc na dwa grzejniki lub więcej. W przykładzie potrzebna moc 2741 W (66 W/m²) została podzielona na trzy grzejniki (1×550 W i 2×1100 W, rys. 3) Mniejsze grzejniki to mniej wody grzejnej, która do takiego grzejnika dopływa. Mniej wody z kolei powoduje, że trudniej jest takim grzejnikiem sterować. I tu dochodzimy do głównego problemu, z którym projektant, jeżeli chce dobrze zaprojektować instalację, musi się zmierzyć. Jest to prawidłowy rozdział ciśnienia w instalacji. Jak to wcześniej pokazano na przykładzie, przy analizie wyników obliczeń wykonanych przy pomocy jednego z wielu dostępnych na rynku programów obliczeniowych (np. Audytor, Gredi), jednym z najczęściej spotykanych błędów w wykonaniu instalacji centralnego ogrzewania jest wykonanie instalacji „na wyczucie” i pozostawienie jej, nawet bez jakiejkolwiek próby wyregulowania. Skutek? Część grzejników nie dogrzewa, a inna część przegrzewa. Gdy w instalacji jest ogrzewanie podłogowe, którego opór wewnętrzny jest inny niż grzejników, sprawa zaczyna się komplikować. Wzywani instalatorzy potrafią zaproponować jedynie „dołożenie” pompy. Czy tak powinno być, gdy chcemy oszczędzać energię?

Jak wcześniej wspomniano, ciepło potrzebne jest także do ogrzania powietrza wentylacyjnego. Bez względu na to, jaką wentylację zrobimy - grawitacyjną czy mechaniczną - w bilansie musimy uwzględnić ciepło na ogrzanie powietrza zewnętrznego, które wpływa do pomieszczeń. W zależności od przyjętych założeń mogą to być nawet ilości dorównujące tym potrzebnym do ogrzania budynku. W tym miejscu powstaje pytanie, czy opłaci się wykonać instalację mechaniczną z odzyskiem ciepła (rekuperator), czy lepiej, ze względu na koszty, ograniczyć się tylko do dobrze działającej wentylacji grawitacyjnej? Na takie pytanie nie ma jednoznacznej odpowiedzi, bo każdy budynek to różne warunki, z jakimi mamy do czynienia. Zatem dla każdego budynku powinno się zrobić dokładną analizę ekonomiczną. W analizie musimy porównać koszty inwestycyjne z kosztami eksploatacyjnymi i zobaczyć, jaki będzie okres zwrotu tych zwiększonych nakładów. Jeżeli wynik będzie się plasował w granicach 7-10 lat, warto się zastanowić, czy wentylację mechaniczną instalować. Pomijam tu argumenty inne niż techniczne. Jeżeli z jakichś powodów w pomieszczeniach wymagana jest większa niż normalnie wymiana powietrza, argument ekonomiczny schodzi na dalszy plan.

Możliwości oszczędności energii

Oszczędzać ciepło możemy na kilka sposobów. Posłużę się przykładami z wykorzystaniem kotłów gazowych, nie tylko dlatego, że są najczęściej stosowane, ale także dlatego, że najlepiej zilustrują one, na czym polega sterowanie i programowanie źródła ciepła, bo to właśnie od programu pracy kotła wiele zależy.

Zacznijmy od kotłów, które pracują na zasadzie „zapal/zgaś” i nie mają możliwości płynnej regulacji mocy. Zapalony kocioł rusza swoją pełną mocą i tak długo się pali, aż termostat kotła nie da znać, że temperatura wody w kotle osiągnęła nastawioną, wtedy się wyłączy. Ponowne włączenie nastąpi dopiero wtedy, gdy temperatura wody nie spadnie o nastawioną Dt. Im rzadziej kocioł się wyłącza i im krócej trwają przerwy w jego pracy, tym mniejsze są straty ciepła, tzw. straty kotłowe (gdy kocioł nie pracuje, przez komin przepływa powietrze i wychładza kocioł i komin). Aby to osiągnąć, temperatura wody wychodzącej z kotła powinna być zgodna z tzw. krzywą grzania, tzn. temperaturą odpowiadającą temperaturze na zewnątrz budynku. Dla lepszego zrozumienia tej zależności - parę słów o krzywej grzania, bo przyda się to także później, gdy będzie mowa o regulatorach centralnego ogrzewania.

Obliczenia mocy urządzeń grzejnych przyjmuje się dla temperatury zewnętrznej obliczeniowej np. –20°C i przyjęte parametry obliczeniowe instalacji (zasilenie-powrót) zadecydują o wielkości grzejników. Jeśli będą to, tak jak projektowano większość instalacji, 90/70/20°C, to przy temperaturze zewnętrznej –20°C z kotła powinna wychodzić woda o temperaturze 90°C. A jaka powinna być, gdy jest tylko –10°C? Odpowiedź na to pytanie da nam właśnie „krzywa grzania”, która pokazuje, dla różnych typów budynków, temperaturę zasilania grzejników (rys. 4). Co powinniśmy zrobić, gdy mamy wyżej opisany kocioł? Patrzeć na termometr na zewnątrz (lub na prognozę pogody) i zmieniać ręcznie nastawę termostatu kotłowego. Nie jest to zbyt wygodne i dlatego producenci pomyśleli o tym i wprowadzili na rynek termostaty pokojowe i regulatory pogodowe. Czym się one różnią? Przede wszystkim sposobem działania.

Termostat pokojowy odczytuje temperaturę w swoim otoczeniu i gdy jest ona niższa od założonej, włącza kocioł, a gdy jest taka jak założona lub wyższa - wyłącza go. Jest to tylko pośrednie wpływanie na pracę kotła, w zależności od temperatury zewnętrznej. Pośrednie dlatego, że im niższa temperatura zewnętrzna, tym szybciej pomieszczenie traci ciepło i domaga się dogrzewania, a więc kocioł będzie częściej załączany niż przy temperaturach wyższych. Termostat pokojowy nie ma wpływu na temperaturę wody wychodzącej z kotła. Może go tylko włączyć lub wyłączyć. Jest to operacja nazywana sterowaniem - w odróżnieniu od regulacji.

Regulatory centralnego ogrzewania są urządzeniami bardziej skomplikowanymi. Czujnik temperatury zewnętrznej przekazuje informację do regulatora, tam następuje porównanie go z wartością, jaką wskazuje nastawiona w nim „krzywa grzania”, i dopiero ten odczyt decyduje o temperaturze wody wychodzącej z kotła. Odbywa się to całkowicie automatycznie, nie musimy niczego odczytywać i nastawiać, wyręcza nas regulator. Musimy tylko prawidłowo wybrać krzywą grzania, która jest dobierana (najczęściej metodą prób i błędów) do charakterystyki cieplnej ogrzewanego budynku. Nasz kocioł nie reaguje już na wskazania termostatu kotłowego (chyba że na termostacie jest nastawiona temperatura niższa, niż wynikałoby to z krzywej grzania, wtedy wyłączy kocioł przed osiągnięciem potrzebnej temperatury zasilenia), ale na polecenia regulatora. Jeżeli kupiliśmy kocioł z płynną regulacją mocy, to sytuacja wygląda trochę inaczej. Kocioł taki po zapaleniu palnika sprawdza, z jaką mocą powinien pracować, aby wyłączać się jak najrzadziej. Kotły mają najczęściej zakres regulacji teoretyczny zakres kondensacji dla instalacji c.o. 90/70°C płynnej od 40 do 100% mocy nominalnej, ale ostatnio pojawiły się już kotły, których dolny zakres regulacji został obniżony do 30%. Już z tych danych widać, jak znacznie można ograniczyć straty kotłowe, a więc i stratę naszych pieniędzy. Warto o tym pamiętać, podejmując decyzję o kupnie kotła.

Zarówno termostaty pokojowe, jak i regulatory pogodowe są wyposażone w zegar z programatorem dobowym lub nawet tygodniowym. Jest to urządzenie, które może zadecydować, jakie koszty ogrzewania ponosimy. Podniesienie temperatury w pomieszczeniu o 1°C, to... o 5–6% większe wydatki na ogrzewanie. Czy warto zatem ogrzewać dom, gdy nikogo w nim nie ma? Albo w nocy, gdy wszyscy śpią? Chyba nie?

Programatory czasowe pozwalają na zaprogramowanie temperatury tzw. dziennej, gdy jesteśmy w pomieszczeniu, obniżenie temperatury na tzw. nocną, gdy w domu nikogo nie ma lub wszyscy śpią. Programator tygodniowy pozwala nastawić cykl włączeń i wyłączeń dla każdego dnia tygodnia osobno (w soboty i niedziele jesteśmy często w domu cały dzień), dopasowując grzanie do zwyczajów mieszkańców. Możliwości programowania są bardzo duże i, moim zdaniem, właśnie w nich leżą największe możliwe oszczędności na kosztach ogrzewania.

Czy opłaca się inwestować w regulatory pogodowe, skoro nawet termostaty pokojowe można programować? Po co wydawać pieniądze nie tylko na sam regulator, ale jeszcze na jego instalowanie? Warto i należy zrobić to jak najszybciej, jeżeli kocioł ma tylko możliwość podłączenia regulatora. Oczywiście celowość takiej inwestycji w przypadku ogrzewania dużego mieszkania jest inna niż w przypadku domu. Termostat pokojowy przekazuje informacje o zmianie temperatury zewnętrznej pośrednio i z dużym opóźnieniem. Regulator pogodowy robi to natychmiast. Czasami może to być odbierane negatywnie, gdyż gwałtowna zmiana temperatury powoduje zmianę sygnału wychodzącego z regulatora, a nie uwzględnia akumulacji ciepła (chłodu) w ścianach. Jest to szczególnie odczuwalne, gdy na zewnątrz temperatura rośnie. Regulator obniża już temperaturę zasilania, bo dopasowuje ją do nowych wartości, a w ścianach „wędruje” do nas chłód z poprzednich mroźnych dni. Gdy mamy uaktywniony dodatkowo termostat pokojowy, on skoryguje dane przesyłane do kotła, a jeżeli nie, to może się zdarzyć, że któreś grzejniki będą trochę chłodniejsze w stosunku do rzeczywistych potrzeb. Taka sytuacja ma jednak miejsce tylko przy gwałtownych zmianach temperatury. Korzyści z zamontowania regulatora pogodowego są jednak tak duże, że można zapomnieć o tych małych „niedogodnościach”. Oszczędzajmy więc ciepło i nasze pieniądze.