Węzły cieplne w budynkach nowych i modernizowanych

W dużych polskich miastach jednym z głównych źródeł ciepła jest sieć ciepłownicza. Żeby instalacja była tańsza w eksploatacji, budynki wielorodzinne wyposażane są często w kolektory słoneczne, które współpracują z węzłem. Również obiekty, które poddawane są głębokiej termomodernizacji, wyposaża się dodatkowo najczęściej w kolektory słoneczne, gdyż najłatwiej podłączyć je do istniejącej instalacji.

Modernizacja

Przykładem obiektu poddanego modernizacji węzła cieplnego i uzupełnieniu systemu grzewczego o kolektory słoneczne może być budynek Oświęcimskiego Inkubatora Przedsiębiorczości. Obiekt zasilany był wcześniej z sieci parowej, a po modernizacji wodą z sieci. Istniejąca dotychczas wymiennikownia zostanie przebudowana.

Podstawowym źródłem ciepła na potrzeby przygotowania c.w.u. stał się układ kolektorów słonecznych.

Zimą wstępnie ogrzana przez kolektory woda kierowana jest do zasobnika ciepła. Jej dogrzanie do odpowiedniej temperatury następuje w wymienniku ciepła. Poza sezonem grzewczym przygotowywanie c.w.u. realizowane jest poprzez kolektory słoneczne wspomagane przez kocioł elektryczny i wymiennik ciepła dla okresu letniego. Zapotrzebowanie na moc cieplną obiektu wynosiło 200 kW, na potrzeby c.w.u. 110 kW, a ciepła technologicznego 166 kW.

Kolektory dobrano zarówno na podstawie obliczeniowego zużycia na potrzeby c.w.u., jak i danych od zarządcy nieruchomości, który udostępnił projektantom wskazania liczników ciepła z danego okresu.

Dodatkowo do kolektorów dobrano kocioł elektryczny o mocy ok. 27 kW, który wspomoże produkcję c.w.u. latem.

Sam węzeł składa się z dwóch równolegle podłączonych wymienników. Z wymiennika znajdującego się po stronie wtórnej zasilane są poszczególne obwody grzewcze za pomocą układów mieszających, a drugi działa na potrzeby c.w.u. w okresie zimowym.

W układzie zasilania c.o. regulacja realizowana jest poprzez zmianę położenia zaworu trójdrogowego.

Miejski budynek jutra

Przykładem budynku mieszkalnego, w którym zastosowano węzeł cieplny połączony z instalacją kolektorów słonecznych, jest obiekt zlokalizowany w Warszawie przy ul. Krasińskiego. Inwestycję zrealizowano w ramach projektu Miejski Budynek Jutra 2030, a współfinansowano ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego (nr 6 ZR6 2009 C/07319).

Podstawowym założeniem przy projektowaniu instalacji grzewczej było to, że sieć ciepłownicza ma w pełni zaspokoić zapotrzebowanie na energię w budynku, a kolektory będą pełniły funkcję uzupełniającą przy korzystnych warunkach pogodowych.

Żeby system grzewczy mógł sprawnie i szybko reagować na zmiany zapotrzebowania oraz przełączać zasilanie pomiędzy siecią ciepłowniczą a kolektorami, niezbędne jest odpowiednie sterowanie. W tym wypadku elementami wykonawczymi są zawory trójdrogowe, w których jeden z dwóch króćców jest naprzemiennie zamykany.

Ciepła woda użytkowa ogrzewana jest w węźle wymiennikowym, który podłączony jest do węzła c.o. w układzie szeregowo-równoległym. Ciepło technologiczne (c.t.) włączono jako gałąź równoległą.

Zasilanie węzła instalacji c.w.u. może być realizowane przez sieć ciepłowniczą lub/i kolektory słoneczne. W tym drugim przypadku pompa ładująca będzie uruchamiana równocześnie z pompą obiegu solarnego.

Sterowanie węzłem ciepłowniczym odbywa się poprzez odpowiedni algorytm. W przypadku gdy źródłem dla c.w.u. jest jedynie sieć ciepłownicza, pełny strumień wody z wodociągu kierowany jest do wymiennika pierwszego stopnia, gdzie woda jest wstępnie podgrzewana. Potem przepływa ona do wymiennika drugiego stopnia, a następnie do instalacji c.w.u. w budynku.

Drugim wariantem jest sytuacja, kiedy załączone zostają dodatkowo kolektory słoneczne, ale ich moc pozwala podgrzać wodę maksymalnie do 35°C (rys. 1). Woda z zasobnika podgrzewu solarnego kierowana jest wtedy do wymiennika pierwszego stopnia, a potem drugiego.

W przypadku gdy temperatura po wymianie ciepła z instalacją solarną zawiera się w przedziale 35–55°C, woda opuszcza wymiennik pierwszego stopnia i kierowana jest do wymiennika drugiego stopnia. Jeżeli zaś kolektory słoneczne są w stanie pokryć w pełni zapotrzebowanie na energię, układ automatycznej regulacji w pierwszej kolejności odcina dopływ wody pochodzącej z sieci ciepłowniczej do wymiennika drugiego stopnia (rys. 2). Cyrkulacja c.w.u. dopływa do przewodu zimnej wody, trafiając następnie do zasobnika podgrzania wstępnego.

Sprawność działania instalacji węzła cieplnego z kolektorami opiera się głównie na automatyce i sterowaniu. Od zmierzonej temperatury wody podgrzanej w instalacji solarnej zależy algorytm sterowania całego układu.

Dużą zaletą systemu jest także jego prostota, praktycznie wszystko opiera się bowiem jedynie na zaworach trójdrogowych, zatem wykonanie instalacji nie jest skomplikowane. Dodatkowo w obiekcie realizowany jest monitoring i wizualizacja pracy węzła sieciowego. Pozwala to na bieżąco kontrolować, ile energii wytwarzane jest w kolektorach, a ile pochodzi z sieci ciepłowniczej.

Poza rozwiązaniami dla dużych obiektów na rynku dostępne są gotowe kompaktowe węzły cieplne przystosowane do wykorzystania np. w domach jednorodzinnych. Mają one możliwość podłączenia dodatkowo źródeł wykorzystujących OZE, czyli kolektorów słonecznych lub pomp ciepła. Wszystko jest zamknięte w kompaktowej budowie, dzięki czemu zarówno podłączenie, jak i montaż są bardzo łatwe.

Węzły zajmują też niewiele miejsca i mają estetyczny wygląd. Obecnie dostępne kompaktowe węzły mieszkaniowe pozwalają na podłączenie od jednego do trzech obiegów grzewczych oraz c.w.u.

Podsumowanie

Efektem samej termomodernizacji nie zawsze są niższe koszty eksploatacyjne, dlatego warto postawić na OZE jako dodatkowe źródło ciepła.

Tendencje, jakie obecnie dominują na rynku grzewczym, sprawiają, że instalacje węzłów cieplnych połączonych z kolektorami słonecznymi są stosowane coraz częściej.

Projektanci będą stawać przed zadaniem tworzenia rozwiązań dla modernizowanych budynków, które po termomodernizacji zmieniły swoje parametry cieplne. Wymagają one innego podejścia niż budynki nowe i nieco innego algorytmu regulacji, szczególnie jeśli w trakcie modernizacji inwestor chce jako dodatkowe źródło energii zastosować kolektory słoneczne czy pompę ciepła.

Literatura

1. Materiały producentów węzłów cieplnych.
2. web.um.oswiecim.pl.
3. Kaczorek D., Miejski budynek jutra. Współpraca węzła ciepłowniczego z instalacją kolektorów słonecznych w budynku wielorodzinnym, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2015.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!