Dostawa ciepłej wody zasilanej gazowym kotłem kondensacyjnym

Założenia podstawowe

Podstawowym założeniem była praca kotła wyłącznie z kondensacją. Cel ten zrealizowano, projektując instalację c.o. o parametrach t_zco/t_pco = 55/35°C. W tej sytuacji powierzchnia grzejników musiała być 2,64 razy większa niż dla t_zco/t_pco = 80/60°C. Ponadto ciepła woda użytkowa podgrzewana była w wymienniku przepływowym w zależności od chwilowych potrzeb. Maksymalna temperatura ciepłej wody użytkowej wynosi 50°C – odbiorcy uznali ją za właściwą.

Wprawdzie obowiązujące przepisy [3] wymagają temperatury ciepłej wody w zakresie: 55°C < t_cw < 60°C, jednak nie wynika z nich jednoznacznie, że ten zakres temperatur musi być utrzymywany cały czas (§ 120 pkt 2. Instalacja wodociągowa ciepłej wody powinna umożliwiać uzyskanie w punktach czerpalnych wody o temperaturze nie niższej niż 55°C i nie wyższej niż 60°C). W praktyce temperatura wody za kotłem może osiągać 58°C, uzyskano temperaturę ciepłej wody równą 55°C.

Opis analizowanego obiektu

Analizę przeprowadzono w mieszkaniu znajdującym się w budynku trzykondygnacyjnym zlokalizowanym w II strefie klimatycznej (temperatura zewnętrzna obliczeniowa –18°C [5]).

Powierzchnia całkowita mieszkania, znajdującego się na kondygnacji środkowej, wynosi ok. 106 m², a kubatura ok. 500 m³. Na fot. 1 pokazano budynek, w którym znajduje się instalacja badawcza. Ciepła woda użytkowa przygotowywana jest dla trzech osób.

W poprzednim roku do centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej (w sezonie ogrzewczym) zużyto 4 Mg koksu. Koszt paliwa wyniósł 5 tys. zł. Latem c.w.u. podgrzewano w bojlerze elektrycznym, co kosztowało ok. 600 zł.

Na rys. 1 pokazano układ przygotowania c.w.u., który znajduje się w piwnicy budynku. Ciepła woda użytkowa pobierana jest na I piętrze. Zastosowano płytowy wymiennik ciepła, tzw. długi cieplnie. Stosunek przekroju poprzecznego do długości wymiennika wynosi 1:10. Dobrano wymiennik typu LB47-20-2.

Należy zwrócić uwagę na sposób ogrzewania łazienki. Przez grzejnik przepływa ciepła woda, w przypadku braku poboru krążenie czynnika przez grzejnik zapewnia instalacja cyrkulacyjna.

Skutki cieplne ogrzewania łazienki oszacowano w dalszej części artykułu. Ponadto autor przygotowuje szerszą publikację dotyczącą sprawności energetycznej całego układu kocioł kondensacyjny – instalacje c.o. i c.w.u.

Grzejnik w łazience został wykonany z czterech przewodów z rur z miedzi o średnicy 15 mm i długości 2,5 m. W celu wyrównania strumieni wody w grzejniku rury połączono w układzie Tichelmanna. Grzejnik włączono w obieg ciepłej wody użytkowej i cyrkulacyjnej. Uproszczony schemat instalacji ciepłej wody użytkowej przedstawiono na rys. 2. Dzięki takiemu rozwiązaniu łazienka ogrzewana jest przez cały rok, również w zimne dni latem.

Instalacja cyrkulacyjna, której pojemność wynosi ok. 10 l (łącznie z c.w.u.), pracuje wyłącznie w okresach zaplanowanych poborów ciepłej wody. Niestety, nie skorzystano z możliwości wyłączenia cyrkulacji w czasie maksymalnych poborów ciepłej wody, kiedy cyrkulacja nie jest potrzebna.

W celu ograniczenia zużycia ciepła do ogrzewania pomieszczenia na przewodzie zasilającym zamontowano zawór termostatyczny. W przypadku temperatury w łazience wyższej od 25°C cyrkulacja odbywa się przez zawór upustowy.

Licznik ciepła zainstalowano na przewodzie wody zimnej. Dzięki temu można dokładnie śledzić pobór c.w.u. Oznacza to także pominięcie strat ciepła na cyrkulację i ogrzewanie łazienki.

Do zasilania instalacji c.o. i przygotowania c.w.u. dobrano jednofunkcyjny gazowy kocioł kondensacyjny o mocy 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 zamontowano osobny gazomierz, który służy do rozliczeń z dostawcą gazu, o wydajności nominalnej 2,5 m³/h (Q_max = 4,0 m3/h; Q_min = 0,025 m³/h). Poza gazowym kotłem kondensacyjnym instalacja gazowa zasila kuchenkę czteropalnikową z elektrycznym piekarnikiem.

Zapotrzebowanie na moc cieplną do przygotowania c.w.u.

Oszacowano zapotrzebowanie na moc cieplną do przygotowania ciepłej wody użytkowej na podstawie indywidualnego możliwego poboru przez jedną osobę. Wstępnie założono, że wynosi on w ciągu doby vcwuj = 80,0 l/d. Ponadto przyjęto średnie podgrzanie ciepłej wody o:

gdzie:

t_cw – temp. ciepłej wody, °C (tcw = 50°C),

t_wz – temp. wody zimnej, °C (twz = 10°C),

Dt_cw – podgrzanie ciepłej wody użytkowej, K.

Moc cieplna potrzebna do podgrzania ciepłej wody użytkowej wyniesie (dla trzech osób):

Ze względów bezpieczeństwa założono, że moc cieplna wymiennika ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej Q_w = 16 kW. Na podkreślenie zasługuje niska końcowa różnica temperatur definiowana zależnością:

Przy mniejszej mocy końcowa różnica temperatur będzie znacznie niższa.

Współczynnik przenikania ciepła wybranego wymiennika wynosi K_w = 2836,9 W/(m² K). Jednoznacznie wskazuje to na przewagę układu przepływowego w porównaniu z wymiennikiem pojemnościowym, w którym K_p » 300 W/(m² K). Względna powierzchnia wymiany ciepła wężownicy f wynosić musi:

Pomiary zużycia ciepła

Analizie poddano okres od 1.11.2012 do 31.10.2013 r. W tabeli 1 podano miesięczne wartości ilości ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej (odczyty z licznika ciepła).

W pierwszych czterech kolumnach podano dane z rejestrów licznika ciepła. Następne wynikają z przeliczeń służących uzyskaniu przydatnych wielkości. W ten sposób określono średni miesięczny pobór ciepłej wody na osobę i dobę. Jednostkowe zużycie ciepłej wody wyznaczono z zależności:

gdzie:

V_cwu – miesięczne zużycie ciepłej wody, m³/mies,

n – liczba użytkowników,

t – czas trwania poboru w miesiącu, dni,

Vcwum2 – skumulowane zużycie ciepłej wody po danym miesiącu, m3,

V_cwu^m1 – skumulowane zużycie ciepłej wody przed danym miesiącem, m³.

Natomiast moc cieplną do podgrzewania ciepłej wody Q_cwu wyznaczono z zależności:

gdzie:

Qcwu – moc cieplna do podgrzewania ciepłej wody,

kW,t – czas trwania poboru w miesiącu, godz.,

Ecwum2 – skumulowane zużycie ciepła po danym miesiącu, GJ,

Ecwum1 – skumulowane zużycie ciepła przed danym miesiącem, GJ.

Sumaryczne zużycie ciepła do podgrzewania ciepłej wody wyniosło: 10,38 GJ. Na uwagę zasługują również średnie w ciągu roku wartości zużycia energii (e_cwu = 0,79 GJ/miesiąc, Q_cwu = 0,3 kW).

Na rys. 3 pokazano miesięczny pobór ciepłej wody użytkowej oraz moc cieplną do jej przygotowania, a także wartości średnie dla całego okresu pomiarowego.

Nie można znaleźć zależności opisującej charakter poboru ciepłej wody użytkowej. Wynika to z wpływu wielu czynników: temperatury wody ciepłej, czasu obecności osób w mieszkaniu, temperatury zewnętrznej, przyzwyczajeń użytkowników. Każde mieszkanie powinno być analizowane indywidualnie. Przy określaniu zapotrzebowania na c.w.u. należy przyjmować stosunkowo duży zakres możliwych wahań poborów ciepłej wody. Koniecznie trzeba to uwzględnić przy wymiarowaniu wymiennika ciepła.

W miesiącach letnich (maj–wrzesień) zużycie ciepła do podgrzewania ciepłej wody (i ogrzewania łazienki) wyniosło Ecwu^L = 3,22 GJ, co odpowiada E`_cwu^L = 0,894 MWh (894 kWh). Wówczas koszt energii elektrycznej (przy średniej cenie ce = 0,60 zł/kWh) wyniesie K_cw^Le » 536,67 zł. Koszt gazu ziemnego w tych miesiącach wyniósł K_cw^Lg = 636,33 zł.

W miesiącach letnich koszty gazu są relatywnie wysokie z powodu znacznego udziału opłaty stałej, która wynosi K_s » 50 zł/mies. W kosztach gazu ziemnego opłata stała wynosiła k_s » 40%. Przy średniej rocznej cenie gazu ziemnego ten koszt wyniósłby K_cw^Lg » 340,00 zł.

Sterowanie czasowe

Ze względu na wysokie koszty układu pomiarowo-sterującego zastosowano regulację dostaw ciepła przy wykorzystaniu programatorów czasowych umieszczonych na zasilaniu w energię elektryczną następujących urządzeń: kocioł, pompa obiegowa centralnego ogrzewania, pompa ciepłej wody użytkowej i pompa cyrkulacyjna.

Za pomocą programatorów użytkownicy ustalali dostawę ciepła oraz pracę urządzeń w zależności od obecności w mieszkaniu w ciągu tygodnia. Czas pracy kotła był programowany na podstawie prognozy pogody w zależności od średniej spodziewanej temperatury zewnętrznej. Wyznaczono, ile godzin powinien być włączony kocioł na podstawie zapotrzebowania w ciągu doby na ciepło do centralnego ogrzewania. Dokładniejszy opis sterowania przedstawiono w [2].

Czas pracy instalacji ciepłej wody był ustalany za pomocą programatorów włączających i wyłączających pompę ciepłej wody i pompę cyrkulacyjną. Użytkownicy wyłączają pompy, kiedy nikogo nie ma w domu.

Dla zilustrowania sposobu pracy instalacji c.w.u. na rys. 4 pokazano temperatury ciepłej wody i cyrkulacji z 24.01.2013 r. (piątek). Pomiarów dokonano za pomocą rejestratorów AS1921G [6]. Przeprowadzano je co 3 minuty, co dało 480 odczytów. Według danych meteorologicznych [7] średnia temperatura zewnętrzna wynosiła w tym czasie –6,88°C.

Pomiary temperatury zewnętrznej były wykonywane co godzinę. Przez 94,38% czasu temperatura na zasilaniu instalacji (za kotłem) była wyższa od 50°C, czyli kocioł pracował wówczas z zadaną mocą cieplną [1].

Jak widać, użytkownicy podgrzewali wodę rano i wieczorem. W ciągu tej doby kocioł był włączany trzy razy. Na podstawie wykresu temperatury zasilania centralnego ogrzewania, przy dość stabilnej temperaturze zewnętrznej, można stwierdzić, że pobór ciepłej wody „zakłóca” dostawę ciepła do c.o. Jest to dowód na występowanie „priorytetu ciepłej wody użytkowej” [8]. Priorytet był realizowany za pomocą programatorów czasowych, tj. w czasie poboru ciepłej wody użytkowej wyłączano centralne ogrzewanie (głębokość priorytetu a = 1,0 [8]).

Koszty cyrkulacji i ogrzewania łazienki

Przebieg temperatury wody ciepłej i cyrkulacji można wykorzystać do oszacowania kosztów ciepła traconego w cyrkulacji i do ogrzewania łazienki ciepłą wodą. Na rys. 5 przedstawiono sposób wyznaczenia mocy cieplnej strat ciepła na podstawie temperatur ciepłej wody i cyrkulacji (pomiary rejestratorami temperatury [6] co 20 minut). Ponieważ rejestratory są umieszczane na przewodach, pokazują temperatury znacznie zaniżone (nawet o 4 do 5 K).

Nie ma to jednak znaczenia przy pomiarze różnicy temperatur, gdyż błąd pomiarów powinien być podobny, a różnica temperatury zbliżona do rzeczywistej.

Na rys. 5 pokazano przebieg temperatury ciepłej wody i cyrkulacji w dniu roboczym (środa). Użytkownicy zaprogramowali pobór ciepłej wody od godziny 6:00 do 7:50 oraz od 16:00 do 24:00. Na wykresie przedstawiono również schłodzenie ciepłej wody. Ponieważ przebieg temperatury wieczorem był w miarę ustabilizowany, wyliczono średnie dla tego okresu.

Średnia temperatura ciepłej wody wynosiła 42,04°C, a cyrkulacji 37,54°C. Wynika stąd, że Δt_c = 4,50 K. Pompa cyrkulacyjna pracuje ze stałą wydajnością oszacowaną na 280 l/h. Na tej podstawie można wyliczyć moc cieplną strat Q_str:

Z powyższego wynika, że moc strat na cyrkulację i ogrzewanie łazienki (t_zewn = 1,1°C [7]) Q_­str = 1,463 kW. W przyszłości planuje się takie opomiarowanie instalacji badawczej, by dokładniej wyznaczyć straty cyrkulacji i ogrzewania łazienki. Wydaje się jednak, że wartości te są pomijalnie małe i nie wpływają na ostateczną efektywność dostawy ciepła za pomocą kondensacyjnego kotła gazowego.

Założono, że moc strat ciepła i ogrzewania łazienki wyniesie ok. 50% wyliczonej powyżej, czyli 0,732 kW. Można założyć, że ciepła woda będzie podgrzewana średnio przez 6 godzin na dobę, czyli w ciągu roku przez 2190 h. W związku z tym zużycie energii wyniesie:

Koszt strat ciepła (cena jednostkowa ciepła c_e = 64,50 zł/GJ [1]):

Znaczy to, że w całkowitych kosztach gazu ziemnego wynoszących w ciągu roku 5122,88 zł [1] udział kosztów strat ciepła na cyrkulację i ogrzewanie łazienki wynosi:

Wskaźnik zużycia energii

Ocenę jakości budynku oraz ewentualnego ocieplenia stanowi wskaźnik zużycia ciepła do centralnego ogrzewania [8] definiowany zależnością:

W przypadku badanego obiektu wskaźnik ten wyniósł:

W publikacji [9] przeprowadzono szczegółową analizę wskaźników rocznego zapotrzebowania na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej w budynkach wielorodzinnych. Najciekawsze informacje dotyczą wartości ecw w zależności od roku powstania budynków.

Na podstawie danych statystycznych wskaźnik ten zawiera się w zakresie: 59,4–66,4 kWh/m²a – dla obiektów wybudowanych do 1945 r. wartość ta była najniższa, a dla lat 2001–2011 najwyższa. Jak widać, otrzymana wartość jest niższa niż w najnowszych budynkach. Instalację badawczą wykonano w budynku z lat trzydziestych XX w.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że wskaźnik sumy zużycia ciepła do centralnego ogrzewania i ciepłej wody jest niższy od wskaźnika kotła. Wynika to ze strat ciepła oraz ogrzewania łazienki ciepłą wodą użytkową. Dokładna analiza tych strat będzie przedmiotem osobnej publikacji.

Jeszcze raz należy podkreślić nietypowy charakter mieszkania. Jak stwierdzono w [2], jest ono wyjątkowo mało zagęszczone, a na jedną osobę przypada f_m >23,0 m2. Ma to również wpływ na wskaźnik zużycia ciepła do przygotowania c.w.u.

Podsumowanie

Przeprowadzono analizę pracy instalacji ciepłej wody użytkowej w zamieszkałym lokalu w budynku zasilanym z gazowego kotła kondensacyjnego. Założono parametry: t_zco/t_pco = 55/35°C. Przedstawiono założenia do sterowania za pomocą programatorów urządzeń elektrycznych w instalacjach. Oszacowano obliczeniową moc cieplną do przygotowania ciepłej wody użytkowej na podstawie poboru c.w.u. na osobę i dobę q_jcwu = 80,0 l/os./dobę.

Dostawa ciepłą do centralnego ogrzewania i podgrzewania ciepłej wody sterowano za pomocą programatorów czasowych. Moc cieplna kotła była stała, tak jak temperatura wody z kotła (t_zK = 55°C ±3 K). Nawet bez pełnego układu sterowania uzyskano wysokiej jakości dostawę ciepła do ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej.

W badanym okresie (12 miesięcy), zużycie ciepła do przygotowania c.w.u. wyniosło E_cw = 10,38 GJ. Jednostkowy rzeczywisty pobór ciepłej wody użytkowej wyniósł q_jcwu = 85,6 l/os./dobę. Średnia w ciągu roku moc cieplna do przygotowania c.w.u. wynosiła Q_cw^śr = 0,30 kW. Uzyskany wskaźnik zużycia ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej jest znacznie niższy niż w obecnie budowanych obiektach wielorodzinnych.

Przeprowadzone analizy posłużą do opracowania algorytmów sterowania poszczególnymi elementami instalacji oraz dokładniejszego opomiarowania instalacji badawczej.

Literatura

1. Śnieżyk R., Eksploatacyjna sprawność gazowego kotła kondensacyjnego, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2014.
2. Śnieżyk R., Praca centralnego ogrzewania w mieszkaniu zasilanym gazowym kotłem kondensacyjnym, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2014.
3. 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.).
4. Hibner W., Ksionek D., Rzeczywista sprawność gazowego kotła skroplinowego (kondensacyjnego) w warunków eksploatacyjnych, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 5/2000.
5. PN-82/B-02403 Ogrzewnictwo. Temperatury obliczeniowe zewnętrzne.
6. www.broenas.pl.
7. www.ogimet.com.
8. Śnieżyk R., Realizacja priorytetu ciepłej wody użytkowej, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 12/2006.
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.