Praca centralnego ogrzewania w mieszkaniu zasilanym gazowym kotłem kondensacyjnym

Założenia podstawowe

Głównym celem przedsięwzięcia było maksymalne wykorzystanie gazu ziemnego za pomocą kotła kondensacyjnego. Podstawowym założeniem była praca kotła tylko z kondensacją. Cel ten zrealizowano, projektując instalację c.o. z maksymalnymi temperaturami t_zco/t_pco = 55/35°C. Niskie parametry zasilania sprawiły, że powierzchnia grzejników jest w tym wypadku 2,64 razy większa niż dla instalacji 80/60°C.

Ciepła woda użytkowa podgrzewana była w wymienniku przepływowym w zależności od chwilowych potrzeb. Maksymalna temperatura c.w.u. wynosiła t_cw^max = 50°C. Odbiorcy uznali taką temperaturę c.w.u. za właściwą [1].

Opis analizowanych obiektów

Analizę przeprowadzono w mieszkaniu znajdującym się w budynku trzykondygnacyjnym zlokalizowanym w II strefie klimatycznej (temperatura zewnętrzna obliczeniowa: tzobl = –18°C [3]). Powierzchnia całkowita mieszkania (rys. 1) znajdującego się na drugiej (środkowej) kondygnacji wynosi ok. 106 m², a kubatura ok. 500 m³. Ciepła woda użytkowa jest przygotowywana dla trzech osób.

W poprzednim roku na potrzeby c.o. i c.w.u. (w sezonie ogrzewczym) zużyto B_w = 4 Mg koksu. Koszt tego paliwa wyniósł K_w = 5000 zł. Latem c.w.u. podgrzewano w elektrycznym podgrzewaczu pojemnościowym, a koszt energii wynosił K_e » 600 zł. Biorąc pod uwagę powyższe dane, dobrano jednofunkcyjny gazowy kocioł kondensacyjny o mocy nominalnej 20 kW [1].

Podstawowe opomiarowanie

Instalacja została opomiarowana za pomocą trzech liczników ciepła typu Multical Compact: kocioł gazowy, instalacja c.o., instalacja c.w.u. Przed kotłem gazowym zamontowano osobny gazomierz, który służy do rozliczeń z dostawcą gazu.

Dobrano gazomierz typu BK-G2,5M o wydajności nominalnej Q_nom = 2,5 m³/h (Q_max = 4,0 m³/h; Qmin = 0,025 m3/h) – jest to przyrząd legalizowany. Poza kotłem kondensacyjnym instalacja gazowa w tym mieszkaniu zasila kuchenkę czteropalnikową z elektrycznym piekarnikiem.

Zapotrzebowanie na moc cieplną dla c.o.

Zapotrzebowanie na moc cieplną dla c.o. oszacowano za pomocą dwóch metod. Ze względu na konstrukcję budynku („mur pruski”) przyjęto wartość współczynnika przenikania ciepła przez ściany (grubość przegrody b = 0,51 m) w wysokości Uś = 1,16 W/m² K.

Druga metoda polegała na przyjęciu kubaturowego wskaźnika zapotrzebowania na ciepło w wysokości: q_v = 30,0 W/m³. Wyniki szacowań podano w tabeli 1.

Jak wynika z rezultatów oszacowania moc cieplna wynosi: Q = 6,0 kW lub, na podstawie wskaźnika kubaturowego, Q_v = 9,0 kW.

Warunki klimatyczne [4] w okresie 11.2011 –10.2012 (odniesienie) oraz 11.2012–10.2013 podano w tabeli 2. Liczba dni oznacza okresy średniej dobowej temperatury zewnętrznej od 1.11 do 31.10 t_zd < 12,0°C.

Wyznacznikiem zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania ze względów klimatycznych jest liczba „stopniodni” definiowana zależnością:

gdzie:

t_so – czas trwania sezonu ogrzewczego, doba;

t_w – temperatura wewnętrzna, °C;

t_zso – średnia temperatura zewnętrzna sezonu ogrzewczego, °C.

Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania ze względu na warunki klimatyczne po uruchomieniu gazowego kotła kondensacyjnego (Std = 3350,7) było wyższe niż w okresie wcześniejszym (Std = 3112,7) o 7,65%.

Biorąc pod uwagę zużycie koksu w sezonie ogrzewczym w roku wcześniejszym, które wyniosło Bw = 4 Mg, zapotrzebowanie na moc można wyznaczyć na podstawie następujących danych:

• wartość opałowa koksu H_o = 28 MJ/kg,
• sprawność kotła h = 50%,
• temperatura wewnętrzna t_w = 20°C,
• obliczeniowa temperatura zewnętrzna t_z^obl = –18,0°C,
• średnia temperatura zewnętrzna w sezonie ogrzewczym, t_z^so = 3,27°C [2],
• czas trwania sezonu ogrzewczego t = 186 dni.

Zapotrzebowanie na ciepło w sezonie ogrzewczym:

Średnia moc cieplna w sezonie ogrzewczym:

Względne zapotrzebowanie na ciepło:

Obliczeniowa moc cieplna do centralnego ogrzewania:

Pomiary zużycia ciepła

Instalacja została uruchomiona 25 października 2012 r., analizie poddano okres od 1.11.2012 do 31.10.2013 r. W tabeli 3 podano miesięczne wartości ciepła do centralnego ogrzewania (odczyty z licznika ciepła).

Sterowanie dostawą ciepła

Do sterowania dostawą ciepła wyznaczono wykres regulacyjny (tabela 4 i rys. 2).

Zastosowano regulację jakościową, czyli stały przepływ wody instalacyjnej, a zmiana potrzeb cieplnych realizowana jest za pomocą odpowiedniej temperatury wody zasilającej (t_zco). Przyjęto, że obliczeniowe zapotrzebowanie mocy cieplnej wynosi: Q_co^obl = 11 kW.

W tym układzie regulacja ilościowa jest nieefektywna i nie ma uzasadnienia. Zbyt wysoka temperatura na zasilaniu powoduje niestabilną pracę sterowania dostawą ciepła. Jest to spowodowane koniecznością wykorzystywania minimalnej części grzejników, co jest niemożliwe.

Oszczędności zużycia energii elektrycznej przez pompę o płynnej regulacji obrotów są symboliczne i nie gwarantują zwrotu kosztów urządzenia.

Zainstalowana trójbiegowa pompa centralnego ogrzewania (UPS 25/40) zużywa na 1. biegu Nco » 25 W. Nawet jeżeli pompa będzie pracować cały sezon ogrzewczy bez przerwy (tco = 4800 h), zużycie energii elektrycznej wyniesie:

Zastosowanie płynnej regulacji może zmniejszyć zużycie energii elektrycznej o DP_co » 40%, da to oszczędności DK_eco » 29,00 zł/a. Cena pompy elektronicznej wynosi ok. 800 zł, co oznacza prosty czas zwrotu t_p » 27,6 roku.

Sterowanie czasowe

Ze względu na wysokie koszty układu pomiarowo-sterującego regulacja dostawy ciepła polegała na wykorzystaniu programatorów czasowych umieszczonych na instalacji zasilania energią elektryczną kotła, pompy obiegowej c.o. i pompy cyrkulacyjnej c.w.u. Użytkownicy za pomocą programatorów ustalali dostawę ciepła oraz pracę urządzeń w zależności od swojej obecności w mieszkaniu w ciągu tygodnia.

Czas pracy kotła ze stałą mocą Q_K » 16 kW uzależniony był od oszacowanej średniej temperatury zewnętrznej. Przykładowo przy temperaturze zewnętrznej (średniej w ciągu doby) t_zewn^śr = 0°C wynosił t_K = 10 h.

W tabeli 5 podano oszacowany czas pracy instalacji c.o. w zależności od średniej temperatury zewnętrznej w ciągu doby. Założono, że średnia dobowa moc cieplna do przygotowania c.w.u. wynosi Q_cw^śr = 1,0 kW.

W tabeli 5 podano również szacowane dobowe zużycie gazu ziemnego oraz jego koszt (na podstawie średniej ceny gazu w roku poprzednim).

Dla zilustrowania sposobu pracy kotła na rys. 3 pokazano temperatury wody instalacyjnej przed i za kotłem oraz zasilania i powrotu instalacji c.o. 23 i 24 stycznia 2013 r. (czwartek i piątek). Pomiarów dokonano za pomocą rejestratorów AS1921G [5].

Ponieważ rejestrator jest montowany na zewnątrz przewodów, rzeczywista temperatura wody w instalacji jest wyższa. W tych dniach wykonano pomiary temperatur co 3 minuty, czyli 960 odczytów. Według danych meteorologicznych [4] średnia temperatura zewnętrzna wynosiła w tym czasie t_zewn^śr = –6,88°C.

Pomiary temperatury zewnętrznej były wykonywane co godzinę. Natomiast przez 94,38% czasu temperatura na zasilaniu instalacji (za kotłem) wynosiła t_zKG > 50°C, czyli kocioł pracował wówczas z zadaną mocą cieplną.

W ciągu dwóch dób kocioł był włączany pięć razy. Na podstawie wykresu temperatury zasilania c.o., przy dość stabilnej temperaturze zewnętrznej, można stwierdzić, że pobór ciepłej wody „zakłóca” dostawę ciepła do c.o., co jest związane z priorytetem ciepłej wody użytkowej [6]. Na rys. 4 zaznaczono pola występowania tego priorytetu.

Moc cieplna do c.o. na podstawie zużycia ciepła

Na rys. 5 pokazano zużycie ciepła oraz wyznaczoną na podstawie danych klimatycznych średnią miesięczną oraz obliczeniową moc cieplną do centralnego ogrzewania. Na podstawie danych zawartych w tabeli 3 należy wybrać wartości najbardziej prawdopodobne do oszacowania rzeczywistej mocy obliczeniowej. Dane takie przedstawiono w tabeli 6.

Ponieważ użytkownicy intensywnie wykorzystywali ogrzewanie dyżurne [7], tj. ograniczali ogrzewanie podczas swojej nieobecności w mieszkaniu, należy przyjąć, że rzeczywista obliczeniowa moc cieplna była o ok. 20% wyższa. Ostatecznie do prowadzenia dostawy ciepła powinno się przyjąć moc cieplną w warunkach obliczeniowych (t_z^obl = –18,0°C) równą:

Wobec powyższego konieczne jest przeprowadzenie ponownych obliczeń (wykres regulacyjny, czas pracy instalacji c.o. i gazowego kotła kondensacyjnego).

Wskaźnik zużycia ciepła

Ocenę jakości budynku oraz jego ewentualnego ocieplenia stanowi wskaźnik zużycia ciepła do c.o. [8], definiowany zależnością:

W przypadku badanego obiektu wyniósł on:

Ponadto wyznaczono wskaźnik zużycia ciepła w odniesieniu do całkowitego ciepła wytworzonego przez kocioł kondensacyjny (E_K = 79,44 GJ [1]):

Na rys. 5 pokazano (narastająco) wskaźnik zużycia ciepła w badanym okresie. Szczegółową analizę wskaźników rocznego zapotrzebowania na energię w budynkach wielorodzinnych (na podstawie danych statystycznych) przeprowadzono w publikacji [9]. Najciekawsze informacje dotyczą wartości eco w zależności od roku powstania budynków.

Wskaźnik ten zawiera się w zakresie: 88,8–223,4 kWh/m² a, obiekty wybudowane w latach 2001–2011 mają wartość najniższą, a do 1945 r. najwyższą. Wartość otrzymana (e_co = 144,3 kWh/m² a) odpowiada budynkom wybudowanym w latach 1991–2001 (e_co = 155,3 kWh/m² a). Instalację badawczą wykonano w budynku z lat trzydziestych XX w.

Mieszkanie jest nietypowe, gdyż liczba osób w stosunku do jego powierzchni jest bardzo niska, powierzchnia jednostkowa f_m wynosi:

gdzie:

SF_p – sumaryczna powierzchnia pokoi (mieszkalna), m²;

n – liczba osób.

Obecnie budowane mieszkania w budynkach wielorodzinnych charakteryzują się powierzchnią jednostkową fm2014 » 15,0 m2/osobę.

Należy uznać, że wskaźnik zużycia ciepła (e_co = 144,3 kWh/m² a) jest relatywnie wysoki. Wstępna ocena ewentualnego ocieplenia badanego mieszkania wskazuje, że inwestycja ta byłaby nieopłacalna, a prosty czas zwrotu nakładów przekroczyłby 20 lat.

Podsumowanie

Przeprowadzono analizę pracy instalacji c.o. w zamieszkałym lokalu zasilanym z gazowego kotła kondensacyjnego. Dobrano parametry instalacji c.o.: t_zco/t_pco = 55/35°C. Przedstawiono założenia do sterowania za pomocą programatorów urządzeniami elektrycznymi w instalacjach, tj. kotłem, pompą obiegową c.o. i cyrkulacyjną c.w.u.

Oszacowano obliczeniową moc cieplną dla c.o. na podstawie wskaźnika kubaturowego qv i współczynnika przenikania ciepła ścian zewnętrznych i okien. Opracowano wykres regulacji jakościowej (stały przepływ) oraz czas pracy instalacji c.o. przy stałej mocy cieplnej kotła oraz stałej temperaturze wody z kotła (tzK = 55°C). Nawet bez pełnego układu sterowania uzyskano wysokiej jakości dostawę ciepła do ogrzewania.

Roczne zużycie ciepła do centralnego ogrzewania wyniosło E_co = 55,06 GJ. Wskaźnik zużycia ciepła wyniósł e_co = 144,3 kWh/m² a. Pomimo że wskaźnik ten jest relatywnie wysoki, ocieplenie budynku nie jest zalecane ze względów ekonomicznych.

Literatura

1.  Śnieżyk R., Eksploatacyjna sprawność gazowego kotła kondensacyjnego, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2014.
2. Hibner W., Ksionek D., Rzeczywista sprawność gazowego kotła skroplinowego (kondensacyjnego) w warunkach eksploatacyjnych, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 5/2000.
3. PN-82/B-02403 Ogrzewnictwo. Temperatury obliczeniowe zewnętrzne.
4. www.ogimet.com.
5. www.broenas.com.pl.
6. Śnieżyk R., Realizacja priorytetu ciepłej wody użytkowej, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 12/2006.
7. Śnieżyk R., Współczynnik wzmocnienia przy ogrzewaniu dyżurnym, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 1/2007.
8. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Kompendium ogrzewnictwa i klimatyzacji, Omni Scala, Wrocław 2008.
9. Kasperkiewicz K., Perspektywy rozwoju ciepłownictwa w Polsce w warunkach znacznego ograniczenia eksploatacyjnej energochłonności budynków, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 10/2011.

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