Analiza rozwiązań źródła ciepła dla domu jednorodzinnego

Ze względu na wygodę i nakład pracy związany z obsługą urządzeń obecnie najczęściej stosowane są kotłownie gazowe, a jeśli gaz przewodowy jest niedostępny, wykorzystuje się droższe paliwa: propan lub olej opałowy. Znacznie niższe koszty ogrzewania wiążą się z paliwami stałymi – drewnem i węglem, ale obsługa zasilanych nimi kotłów jest niestety pracochłonna.

W przypadku ekogroszku, a także pelet można zastosować kotły wyposażone w regulację pogodową z mechanicznym podajnikiem paliwa do kotła. Jednak kotły te mają określoną minimalną wydajność i w razie mniejszego zapotrzebowania na ciepło może nastąpić ich wygaszenie, przez co należy je na nowo rozpalać. Oprócz tego należy pamiętać o zasypie paliwa do zasobnika i okresowym wyrzucaniu popiołu. Kotły gazowe i olejowe takich ograniczeń nie mają.

W artykule przeanalizowane zostały rozwiązania układów hydraulicznych, które mogą być stosowane w kotłowniach domów jednorodzinnych i są najczęściej zalecane przez producentów kotłów [2]. Przedstawione schematy są schematami ideowymi – nie zaznaczono na nich armatury odcinającej, spustowej i odpowietrzającej, która musi być pokazana na schemacie montażowym będącym elementem każdego projektu realizacyjnego kotłowni.

Na schematach przedstawiono również elementy układów sterowania kotłowni, ograniczając się do pokazania urządzeń i czujników, które należy podłączyć do regulatora. Przy projektowaniu kotłowni po doborze kotła należy dokładnie zapoznać się z wytycznymi jego producenta i możliwościami dołączonego regulatora w celu przyjęcia optymalnego rozwiązania hydraulicznego.

Kotły

Istnieją różne możliwości podziału kotłów – dla użytkownika najważniejszy jest ten, który uwzględnia osiąganą sprawność i temperaturę wody powracającej do kotła. Jest to podział na kotły: tradycyjne, o obniżonych parametrach oraz kondensacyjne.

W kotłach tradycyjnych temperatura wody jest stała i wynosi około 90°C, a temperatura spalin zawiera się w przedziale 180–250°C. Temperatura wody powracającej musi być wyższa od temperatury kondensacji pary wodnej. Dla kotłów opalanych gazem nie powinna być ona niższa od 55°C, a dla kotłów opalanych olejem od 45°C. Sprawność tradycyjnych kotłów, zarówno gazowych, jak i olejowych, nie przekracza 90%.

Kotły o obniżonych parametrach charakteryzują się tym, że temperatura wody wypływającej z kotła nie przekracza 75°C i może się zmieniać w zależności od wartości temperatury zewnętrznej.

Temperatura spalin jest również niższa i wynosi zwykle 120–160°C. Kotły te mają specjalne rozwiązania ograniczające wykraplanie się pary wodnej na powierzchniach grzejnych urządzeń. Temperatura wody powracającej do kotła może być obniżona do 40°C przy opalaniu gazem i do 30°C przy opalaniu olejem. Sprawność zarówno gazowych, jak i olejowych kotłów osiąga maksymalną wartość 96%.

Kotły kondensacyjne to urządzenia, w których wykorzystywane jest dodatkowe ciepło otrzymywane z kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach. Spaliny ochładzane są poniżej temperatury punktu rosy. Im niższa temperatura wody w kotle, tym wyższa jego sprawność.

Dla paliwa gazowego, aby w spalinach zachodziła kondensacja pary wodnej, temperatura spalin opuszczających kocioł powinna być niższa od 55°C, a często nie przekracza ona 40°C. Sprawność kotła kondensacyjnego może dochodzić do 109%.

Kotły gazowe produkowane są jako wiszące i stojące. Kotły wiszące mogą być wykonywane jako jednofunkcyjne (kotły grzejne) lub dwufunkcyjne (kotły centralnego ogrzewania i podgrzewania ciepłej wody użytkowej). Obecnie produkowane kotły wiszące standardowo wyposażane są w regulatory, pompy obiegowe oraz zawory bezpieczeństwa i przeponowe naczynia wzbiorcze, a także odpowietrzniki.

Podobne wyposażenie mają małe kotły stojące. Oba rodzaje urządzeń mogą mieć układy przygotowania ciepłej wody. Natomiast większe kotły zwykle wymagają oddzielnego montażu zaworów bezpieczeństwa, naczyń wzbiorczych, pomp obiegowych i układu podgrzewania wody. Zakres mocy cieplnej wiszących kotłów gazowych jest dosyć szeroki i mieści się w przedziale od kilkunastu do ponad stu kilowatów.

Ze względu na zajmowaną powierzchnię celowe wydaje się montowanie w domach jednorodzinnych kotłów wiszących.

Rozwiązanie układu przygotowania ciepłej wody

Budowane obecnie domy jednorodzinne charakteryzują się stosunkowo małym zapotrzebowaniem na ciepło do ogrzewania. Wynika to z faktu dostosowania się inwestorów do zapisów obowiązujących norm związanych z ochroną cieplną budynku oraz dążeniem do ograniczania kosztów ogrzewania wynikającym z rosnących cen paliw. Obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło do centralnego ogrzewania dla obecnie budowanego domu o powierzchni całkowitej 200 m² rzadko przekracza 15 kW.

Przyjmując na przykład, że w domu mieszka 5 osób, a średnie zużycie ciepłej wody wynosi 70 dm³/os./doba, dobowe zapotrzebowanie na ciepło tylko do przygotowania c.w.u. wynosi ok. 73,5 MJ, co odpowiada pobieranemu średnio w trakcie doby strumieniowi ciepła 0,84 kW.

Przyjmując z pewnym zapasem, że straty ciepła obiegu cyrkulacji niewykorzystywane do ogrzewania obiektu wynoszą ok. 20% [5], średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania ciepłej wody wynosi ok. 1 kW i w porównaniu z zapotrzebowaniem na ciepło do c.o. jest niewielkie.

Przygotowanie ciepłej wody może odbywać się w wymienniku przepływowym – woda podgrzewana jest podczas jej poboru. Ciepła woda może być też przygotowywana „na zapas” i gromadzona w zasobniku (czy też podgrzewaczu pojemnościowym).

W domach jednorodzinnych kocioł pracuje najczęściej w pełnym priorytecie przygotowania ciepłej wody – podgrzewanie wody jest nadrzędne w stosunku do ogrzewania i w czasie nagrzewania ciepłej wody czynnik grzejny nie płynie do grzejników, ale wyłącznie do wymiennika ciepłej wody.

Zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania ciepłej wody

Poniżej w uproszczony sposób określono minimalną moc cieplną kotła potrzebną do podgrzania wody w wymienniku przepływowym dla natrysku i dla wanny oraz w przypadku gromadzenia ciepłej wody w zasobniku [3].

Przygotowanie ciepłej wody w wymienniku przepływowym

Przygotowanie ciepłej wody odbywa się w podgrzewaczu (wymienniku ciepła) przepływowym, a strumień ciepła pobierany z podgrzewaną wodą musi być dostarczony w czasie jej poboru przez czynnik grzejny ze źródła ciepła.

Strumień ciepła potrzebny do podgrzania określonego strumienia ciepłej wody Q.  cw można określić ze wzoru:

gdzie:

V.  _cw   – wypływ wody [dm³/s],

r  – gęstość wody [kg/dm³],

c_p – ciepło właściwe wody [kJ/(kgK)],

t_cw – temperatura wody ciepłej [K],

t_zw – temperatura wody zimnej [K].

Przyjmując wypływ wody z głowicy natrysku jako 0,2 dm³/s, gęstość wody 0,9922 kg/dm³, ciepło właściwe wody 4,18 kJ/(kgK), temperaturę ciepłej wody 40 K, a zimnej 10 K, strumień ciepła potrzebny na podgrzanie wody w natrysku Q._n wynosi:

Przy określaniu ilości ciepła potrzebnego do nagrzania określonej objętości wody V_cw korzysta się ze wzoru:

Przyjmując objętość wanny jako 140 dm³, a pozostałe dane jak poprzednio, ilość ciepła potrzebna do nagrzania wody Q_w dla wanny  wynosi:

Przyjmując optymalny czas napełnienia wanny t = 10 minut, strumień ciepła, jaki powinien zapewnić kocioł, wynosi:

Zatem maksymalna moc cieplna kotła powinna wynosić ok. 30 kW.

Można więc sformułować twierdzenie, że dla domu jednorodzinnego w przypadku zastosowania przepływowego podgrzewacza ciepłej wody minimalna moc kotła wynika przede wszystkim z chwilowego zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody.

Przygotowanie ciepłej wody w przypadku jej gromadzenia w zasobniku

W budynku jednorodzinnym w zasobniku ciepłej wody należy zgromadzić taką jej ilość, aby pokryć wszelkie pobory. Ilość ta zależy od sposobu korzystania z ciepłej wody. Bardziej komfortowe warunki korzystania z wody zapewnia zgromadzenie większej jej ilości w zasobniku.

Jeśli dom wyposażony jest w wannę, maksymalne zużycie ciepłej wody występuje podczas jej napełniania. Przy założeniu, że nikt inny wtedy z wody nie korzysta, przyjmując pojemność wanny 140 dm³ i temperaturę ciepłej wody 40°C, objętość zgromadzonej w zasobniku wody o temperaturze 60°C powinna wynosić co najmniej 85 dm³.

Przy równoczesnym korzystaniu z innych mniejszych punktów poboru pojemność zasobnika powinna wynosić 120 lub 130 dm³. Czas podgrzewania ciepłej wody dla kotła pracującego w priorytecie jej przygotowania nie powinien przekraczać pół godziny (1800 s).

Zapotrzebowanie na moc do przygotowania ciepłej wody będzie wtedy wynosiło:

Aby zapewnić rodzinie 4–5-osobowej wysoki komfort korzystania z instalacji ciepłej wody, należy przyjąć, że w pełni naładowany zasobnik (podgrzewacz) ciepłej wody umożliwia dwie kąpiele, jedną po drugiej. Wtedy min. pojemność podgrzewacza to 2×85 = 170 dm³. Najlepiej przyjąć, że pojemność zasobnika (podgrzewacza) będzie wynosiła 180–200 dm³. Wymagana minimalna moc cieplna kotła przy zgromadzeniu w zasobniku 180 dm³ wyniesie:

Jak widać, w przypadku podgrzewaczy pojemnościowych maksymalne zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania ciepłej wody jest mniejsze niż dla wymienników przepływowych, a jednocześnie zapewniony jest większy komfort korzystania z niej.

Przygotowywanie ciepłej wody w wymiennikach przepływowych

W przypadku przygotowania ciepłej wody w przepływowym wymienniku najczęściej stosowane są kotły dwufunkcyjne centralnego ogrzewania i ciepłej wody.

Do wad tego sposobu otrzymywania ciepłej wody należy zaliczyć [4]:

• niski komfort korzystania z ciepłej wody wynikający z wydłużonego czasu oczekiwania na nią (kotły te zwykle nie współpracują z instalacją cyrkulacyjną),
• obniżoną temperaturę ciepłej wody przy korzystaniu z więcej niż jednego punktu czerpalnego (wynikającą z ograniczonej mocy cieplnej kotła),
• obniżanie się w trakcie eksploatacji temperatury ciepłej wody wywołane stosunkowo szybkim odkładaniem się kamienia kotłowego w wymienniku ciepła układu przygotowania ciepłej wody kotła, szczególnie w przypadku, gdy podgrzewana woda zimna ma dużą twardość,
• stosunkowo niska trwałość układu podgrzewania ciepłej wody.

Natomiast zaletami tego rozwiązania są:

• stosunkowo niski koszt źródła ciepła i instalacji ciepłej wody,
• niższe koszty eksploatacyjne [1].

Rozwiązanie takie jest korzystne wtedy, gdy kocioł umieszczony jest centralnie w stosunku do punktów poboru ciepłej wody i w relatywnie niewielkiej odległości od nich. Przy większym chwilowym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę, np. konieczności jednoczesnego korzystania z dwóch natrysków lub natrysku i dwóch umywalek, albo przy znacznej odległości punktów czerpalnych od kotła, co wymaga zastosowania cyrkulacji c.w.u., wykorzystywane są podgrzewacze pojemnościowe.

Przygotowanie ciepłej wody z jej magazynowaniem

Ciepła woda może być gromadzona i podgrzewana w podgrzewaczach pojemnościowych lub gromadzona w tzw. zasobnikach warstwowych, a podgrzewana w wymienniku płytowym.

Podgrzewacze pojemnościowe

Podgrzewacze pojemnościowe to zbiorniki, w których ciepła woda podgrzewana jest za pomocą wężownicy umieszczonej w podgrzewaczu lub poprzez zewnętrzny płaszcz grzejny.

Podgrzewacze z wężownicą grzejną wykonywane są ze stali zwykłej lub kwasoodpornej. Obecnie podgrzewacze ze stali zwykłej zabezpiecza się przed korozją poprzez emaliowanie i dodatkowo wyposaża w anody magnezowe. Urządzenia te są fabrycznie pokryte warstwą izolacji termicznej o dużym oporze cieplnym, zabezpieczoną przed uszkodzeniem płaszczem z blachy lub tworzywa sztucznego.

Niektóre podgrzewacze przygotowane są do współpracy z dwoma źródłami ciepła, kotłem i kolektorem słonecznym, i wyposażone w dwie wężownice grzejne. Ciepło z kolektorów słonecznych jest oddawane ciepłej wodzie przez dolną wężownicę, a ciepło z kotła przez górną.

Przy podgrzewaniu ciepłej wody z jednego źródła ciepła wężownice te łączy się szeregowo. Montuje się je możliwie nisko, aby zmniejszyć tak zwaną objętość martwą zasobnika. Niektórzy producenci wyposażają podgrzewacze dodatkowo w grzałkę elektryczną. Przykładowe podgrzewacze z jedną i dwiema wężownicami grzejnymi pokazano na rys. 1 [2].

Ciekawe rozwiązanie zasobnika ogrzewanego od zewnątrz oferuje jeden z producentów. Cylindryczny zbiornik wypełniony podgrzewaną wodą umieszczony jest koncentrycznie w zbiorniku zewnętrznym, przez który przepływa woda grzejna. Omywa ona ze wszystkich stron zbiornik zawieszony swobodnie na króćcach ciepłej i zimnej wody i w ten sposób podgrzewa ciepłą wodę.

Zasobnik (zbiornik) wykonany jest z chromoniklowej stali stopowej (304 lub DUPLEX) odpornej na korozję, a spawany całkowicie w osłonie argonowej metodą TIG. Zasobnik jest pofałdowany i wraz ze zmianą temperatury wody może się rozszerzać i kurczyć, co sprawia, że od jego ścianek odpada osadzający się kamień kotłowy.

Zapewnia to wymiennikowi czystą powierzchnię i powoduje, że jego wydajność cieplna się nie obniża. Schemat podgrzewacza i jego podłączenia do kotła pokazano na rys. 2 [2].

Układ z wymiennikiem przepływowym i zasobnikiem warstwowym

Stosunkowo popularne jest ostatnio gromadzenie ciepłej wody w tzw. zasobnikach warstwowych. Ciepła woda podgrzewana jest na zewnątrz i za pomocą pompy ładującej dostarczana do zasobnika. Jest to klasyczny układ przepływowy z pompą ładującą i zasobnikiem wykorzystujący do gromadzenia ciepłej wody jej stratyfikację termiczną.

Układy takie w ciepłownictwie były stosowane od dawna [6]. Woda płynie z przyłącza zimnej wody poprzez zasobnik (w którym zgromadzona jest ciepła woda) przewodami instalacji ciepłej wody do odbiorcy. Do zasobnika podłączony jest układ ładowania, w skład którego wchodzi przeciwprądowy wymiennik ciepła o dużej powierzchni podgrzewający wodę oraz pompa ładująca.

Pompa zasysa wodę z dolnej części zasobnika i tłoczy do wymiennika ciepła, w którym dogrzewana jest do właściwej temperatury, a stamtąd płynie do górnej części zasobnika. Dzięki dużej powierzchni wymiany ciepła i pracy w przeciwprądzie czynnik grzejny zostaje schłodzony do temperatury o kilka stopni wyższej od temperatury podgrzewanej wody dopływającej do wymiennika.

W celu uniknięcia zmieszania wody w zasobniku odpowiednio kształtuje się dopływ i ogranicza strumień ładowanej wody. Schemat ideowy tego układu przedstawiono na rys. 3.

Układ taki ma w porównaniu z podgrzewaczami pojemnościowymi wiele zalet. Ciepła woda w zasobniku gromadzi się nad wodą chłodniejszą i od razu ma właściwą temperaturę, natomiast w podgrzewaczu pojemnościowym podgrzewana jest na całej objętości i odpowiednią temperaturę uzyskuje po pewnym czasie.

Po rozładowaniu podgrzewacza pobór niewielkiej ilości ciepłej wody szybciej można zrealizować w układzie z podgrzewaczem warstwowym – gorąca woda pobierana jest z góry zasobnika.

Woda grzejna opuszczająca podgrzewacz przeciwprądowy współpracujący z zasobnikiem warstwowym ma niższą temperaturę niż woda z podgrzewacza pojemnościowego – umożliwia to dobrą współpracę układu z kotłem kondensacyjnym i poprawia jego sprawność. W układ taki wyposażono kocioł kondensacyjny EcoCondens BBS C [2].

Zalety i wady zastosowania pojemnościowego podgrzewacza c.w.

Zastosowanie pojemnościowego podgrzewacza ciepłej wody obniża zapotrzebowanie na maksymalną moc cieplną kotła. Dla domu, w którym mieszka 5 osób, średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania c.w. wynosi ok. 1 kW i taka moc przy doborze kotła powinna być dodana do maksymalnego zapotrzebowania na ciepło do c.o.

Wadami tego sposobu przygotowania ciepłej wody są:

• wyższy koszt urządzeń źródła ciepła i instalacji ciepłej wody,
• wyższe koszta eksploatacyjne [1].

Natomiast do zalet należą:

• wysoki komfort przy korzystaniu z ciepłej wody wynikający z krótkiego czasu oczekiwania na nią,
• możliwość jednoczesnego korzystania z kilku punktów czerpalnych.

Układ taki może być stosowany przy dowolnym umieszczeniu kotła i wymiennika ciepłej wody w stosunku do punktów poboru c.w.u. i w dowolnej odległości od nich.

Literatura

1. Koczyk H. i in., Ogrzewnictwo praktyczne – projektowanie, montaż, eksploatacja, Wyd. Systherm Serwis, Poznań 2005.
2. Materiały informacyjne firm: ACV, Brötje, De Dietrich, Junkers, Vaillant, Viessmann.
3. Mizielińska K., Olszak J., Gazowe i olejowe źródła ciepła małej mocy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.
4. Nejranowski J., Szaflik W., Rozwiązania układów hydraulicznych kotłowni w domach jednorodzinnych, „Instal” nr 6/2007.
5.  Szaflik W., Straty ciepła i koszty eksploatacji instalacji ciepłej wody użytkowej w domach jednorodzinnych, „Instal” nr 1 i 2/2002.
6. Szaflik W., Projektowanie instalacji ciepłej wody użytkowej w budynkach mieszkalnych, Ośrodek Informacji „Technika instalacyjna w budownictwie”, Warszawa 2011.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!