Możliwości obniżenia kosztów ciepła z kotłowni zasilanej gazem Cz. 3. Parametry pracy kotłowni osiedlowej

Analiza dostawy ciepłej wody użytkowej

Decyzje o rozwiązaniu technologicznym przygotowania ciepłej wody użytkowej podejmowane były dotychczas na podstawie zbyt prostego modelu przebiegu tego procesu. Korzystając z badań Janoty [3], wyznaczono najbardziej prawdopodobny przebieg zużycia c.w.u. Na rys. 1 przedstawiono pobory c.w.u. w poszczególne dni tygodnia: robocze, soboty i niedziele. Wartości podane w [3] ustandaryzowano do procentowego poboru odniesionego do maksimum przypadającego na dni robocze (o godz. 21).

Ponieważ badania te przeprowadzono w budynkach mających po ok. 200 mieszkańców, wprowadzono wskaźniki nierównomierności poboru ciepłej wody za pomocą zależności podanej w normie [4]. Uzyskano formułę:

Za pomocą powyższej zależności wyznaczono moc cieplną w każdej godzinie tygodnia dla każdej kotłowni (od K1 do K4) oraz nowego źródła ciepła.

Z kolei na rys. 2 przedstawiono tygodniowy pobór mocy do przygotowania ciepłej wody użytkowej w kotłowniach od K1 do K4, czyli w przypadku zasilania wszystkich budynków z nowego źródła ciepła. Uzyskana maksymalna moc cieplna wymienników do podgrzewania c.w.u. wynosi 303 kW. Wartość ta posłuży do doboru wymienników c.w.u. Jest ona nieznacznie większa, niż wstępnie założono (246 kW [1]). Różnica mocy świadczy o przyjęciu właściwej metody standaryzowania poboru ciepłej wody użytkowej.

Konieczne było przeprowadzenie standaryzacji poborów z pomiarów [3] do wielkości instalacji w rozpatrywanym osiedlu. Polegało to na przyjęciu poboru średniego i wyznaczeniu poborów co godzinę. Na rys. 1 pokazano średnie w każdej charakterystycznej dobie oraz średnią dla tygodnia (oznaczoną „Tydz”). Na tej podstawie wyznaczono przebieg w charakterystycznych dobach oraz tygodniowy kotłowni od K1 do K4 (tabela 1). W tabeli tej podano również maksymalną moc cieplną dla każdej doby oraz uzyskany współczynnik nierównomierności poboru c.w.u. i średnią moc cieplną.

Przyjmując odpowiednią liczbę mieszkańców zaopatrywanych w ciepłą wodę użytkową z każdej kotłowni (od K1 do K4), wyznaczono pobory dla każdego budynku oraz dla jednej kotłowni z centralnym przygotowaniem c.w.u. (oznaczonej K1-4). Wyniki obliczeń poboru ciepła do podgrzewania ciepłej wody użytkowej przedstawiono na rys. 3.

Dobór wymienników do c.w.u.

Na podstawie wyznaczonych wykresów regulacyjnych w budynkach [2] określono temperaturę wody na wyjściu z kotłowni. W tabeli 2 zestawiono parametry obliczeniowe instalacji centralnego ogrzewania w budynkach zasilanych z poszczególnych kotłowni. Podano w niej temperatury na zasilaniu i powrocie instalacji c.o. dla kotłowni od K1 do K4 oraz kotłowni szkolnej (symbol S).

Na podstawie niezbędnych temperatur na zasilaniu oraz koniecznej temperatury przed wymiennikami do przygotowania ciepłej wody użytkowej zdecydowano się przyjąć stałą przez cały rok temperaturę za kotłami, wynoszącą 70°C. Posługując się obliczeniami wykonanymi w programie [5], dobrano dla kotłowni układ czterech wymienników (dwa podłączone szeregowo i dwa równolegle) typu JAD 3/18.

Następnie dla temperatury wody ogrzewającej na zasilaniu równej 70°C przeprowadzono obliczenia temperatury wody ogrzewającej za wymiennikami. Temperatura wody zimnej wynosi 10°C, a ciepłej 55°C. Założono moc cieplną przy różnych stopniach obciążenia cieplnego. Maksymalna moc cieplna to ok. 303 kW. Wyniki obliczeń pokazano w tab. 3 oraz na rys. 4.

Natomiast na rys. 5 pokazano przepływ wody ogrzewającej niezbędnej do podgrzewania c.w.u. w zależności od temperatury wody przed wymiennikami.

Dostawa ciepła w ciągu roku

Przeanalizowano następnie dostawę ciepła na potrzeby centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej w ciągu całego roku. Na rys. 6 pokazano zapotrzebowanie na moc cieplną w 2006 r.

Przyjmując wykresy regulacyjne dla każdej kotłowni (od K1 do K4) [2] oraz szkoły (w której założono parametry obliczeniowe centralnego ogrzewania t_zcoS/t_pcoS = 70/50°C), wyznaczono temperatury wody powracającej do nowej kotłowni. Założono ponadto, że temperatura na zasilaniu, czyli na wyjściu z kotłowni, jest stała przez cały rok i wynosi 70°C (tab. 2). Wyniki obliczeń temperatury wody powracającej do kotłowni w 2006 r. przedstawiono na rys. 7. Widać wyraźnie, że pobory c.w.u. mają istotny wpływ na warunki pracy kotłowni. Szczególnie duży zakres wahań temperatury na powrocie występuje latem. Znaczący wpływ na pracę kotłowni ma dostawa ciepła dla c.o. w sezonie ogrzewczym.

Z kolei na rys. 8 pokazano chwilową moc cieplną (godzinową) w sezonie ogrzewczym w 2006 r. Dla przypomnienia – moc kotłów gazowych ma wynosić 950 kW, a kotłów olejowych 725 kW. Na rysunku tym zauważyć można istotny udział zapotrzebowania na moc cieplną do przygotowania c.w.u. w ogólnych potrzebach cieplnych. Przez pewien czas występuje nawet sytuacja, gdy Q_cw = Q_co’.

Spostrzeżenia powyższe powinny zostać wykorzystane do wyboru najlepszej metody łagodzenia zmienności potrzeb cieplnych związanych z przygotowaniem c.w.u. Najczęściej stosowaną metodą jest budowa zasobników c.w.u., ma ona jednak istotne wady. Najpoważniejszą z nich jest konieczność dezynfekcji ze względu na występowanie Legionelli. Możliwości rozwiązania tych problemów będą przedmiotem dalszych analiz.

Pokazany na rys. 8 przebieg dostawy ciepła powinien być podstawą do doboru liczby i mocy poszczególnych kotłów. Właściwe rozwiązanie tego zagadnienia może pozwolić na znaczne obniżenie zużycia gazu ziemnego, a co za tym idzie kosztów dostawy ciepła.

W doborze kotłów pomocny jest uporządkowany wykres obciążeń cieplnych. Konstrukcja UWO (tzw. wykres Szumana) wymaga jednak modyfikacji [6]. W celu wykazania małej przydatności uporządkowanego wykresu obciążeń do wyznaczania warunków pracy źródła ciepła na rys. 9 pokazano przebieg dostawy ciepła w analizowanej kotłowni w ciągu roku z zakresem wahań w ciągu doby.

Natomiast wykres uporządkowanych obciążeń przedstawiono na rys. 10. Porównując rys. 9 i 10, zauważyć można, że „klasyczny” uporządkowany wykres obciążeń nie oddaje specyfiki dostawy ciepła w źródle ciepła z dużym udziałem c.w.u. Chwilowa moc cieplna powinna służyć do wyboru metody efektywnego wytwarzania ciepła w ciągu roku.

Zdecentralizowane podgrzewanie c.w.u.

Przeprowadzono dobór wymienników ciepłej wody użytkowej dla przypadku umieszczenia węzłów c.w.u. w czterech istniejących kotłowniach, a także w każdym budynku. Zaletą tych wariantów dostawy c.w.u. jest obniżenie strat ciepła na przesyle oraz zmniejszenie nakładów na budowę czteroprzewodowej sieci między kotłownią osiedlową a każdym budynkiem.

Oczywiście wiąże się to z koniecznością zakupu węzłów c.w.u. W części ekonomicznej cyklu przeanalizowane zostaną koszty całkowite każdego wariantu i wybrane najlepsze rozwiązanie.

Za pomocą programu [5] dobrano wymienniki ciepła dla obu powyższych wariantów. W tab. 4 podano parametry pracy wymienników dla charakterystycznych mocy cieplnych. Na podstawie tych parametrów dobrano wymienniki dla każdej kotłowni lokalnej i każdego budynku. Cena katalogowa jednego wymiennika to ok. 1750 zł [7]. 

Wyniki doboru podano w tab. 5. W tabeli tej wyliczono również koszt wymienników dla każdego z trzech wariantów przygotowania ciepłej wody (scentralizowany, rozproszony, w każdym budynku).

Oczywiście w obliczeniach ekonomicznych należy uwzględnić również koszty pozostałych urządzeń, np. węzłów cieplnych do przygotowywania c.w.u. Istotne znaczenie mogą mieć także koszty pompowania. Analiza pracy oraz wymiarowania sieci ciepłowniczej przedstawiona zostanie w kolejnej części cyklu.

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych analiz wysnuć można następujące wnioski:

1. Dla zastosowania najlepszej metody dostawy ciepła do centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej niezbędna jest szczegółowa analiza parametrów pracy kotłowni w ciągu całego roku.
2. Na podstawie badań empirycznych zużycia c.w.u. [3] przeprowadzono ekstrapolację danych do rozpatrywanego osiedla. Wyznaczono pobór ciepłej wody, zapotrzebowanie na moc cieplną oraz powierzchnię wymienników ciepła do c.w.u. Obliczono cogodzinne temperatury powrotu (przed kotłami) wody w kotłowni w ciągu roku (2006). Określono też cogodzinny zakres zmian mocy cieplnej do zasilania osiedla. 
3. Szczegółowe dane o parametrach pracy w ciągu roku powinny być podstawą dla doboru kotłów oraz sterowania dostawą ciepła. Należy rozpatrzyć trzy warianty lokalizacji wymienników ciepła do podgrzewania c.w.u.: kotłownia osiedlowa (jedna), kotłownie lokalne, które są obecnie eksploatowane (pięć), oraz kotłownie w każdym budynku (szesnaście). Dla każdego wariantu lokalizacji węzłów ciepłowniczych c.w.u. dobrać trzeba wymienniki ciepła.
4. Należy kontynuować analizy w celu określenia sposobu eksploatacji utworzonego systemu ciepłowniczego oraz kosztów inwestycyjnych. Wyniki analizy ekonomicznej ostatecznie przesądzą o ewentualnym wyborze sposobu modernizacji kotłowni lokalnych i wbudowanych oraz struktury sieci ciepłowniczej.

Niniejsza praca badawczo-rozwojowa została sfinansowana w ramach działalności gospodarczej prowadzonej pod nazwą „Ryszard Śnieżyk”.

Literatura

1. Śnieżyk R., Możliwości obniżenia kosztów ciepła z kotłowni zasilanej gazem. Cz. 1. Koszty paliwa, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2012.

2. Śnieżyk R., Możliwości obniżenia kosztów ciepła z kotłowni zasilanej gazem. Cz. 2. Analiza pracy instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej, „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2012.

3. Janota M., Wielozakresowe badania zużycia ciepłej wody użytkowej w opomiarowanych budynkach mieszkalnych, „Ciepłownictwo w Polsce i na Świecie” z. 1–2/2000.

4. PN-92/B-01706 Instalacje wodociągowe. Wymagania w projektowaniu.

5. Program CAIRO ver. 2.0 PL, Seces-Pol, 1996.

6. Szałański P., Śnieżyk R., Modyfikacja uporządkowanego wykresu obciążeń, „Rynek Energii” nr 1/2007.

7. PPUH INSTALMET, Cennik wyrobów, www.instalmet.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!