Ten serwis używa cookies do prawidłowego funkcjonowania

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Czytaj więcej…

Zrozumiałem

W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia Państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies.

image001

Pompa ciepła i kocioł

Zarówno pompa ciepła jak i kocioł kondensacyjny są efektywnymi metodami zasilania niskotemperaturowych instalacji grzewczych.

Pompa ciepła

Dzięki niższemu zapotrzebowaniu na ciepło, budynki mieszkalne i biurowe zużywają obecnie mniej energii na potrzeby ogrzewania. Sprawia to, że pompy ciepła stają się idealnym elementem nowoczesnych instalacji grzewczych. Temperatura na głębokości kilku metrów pod powierzchnią ziemi jest prawie stała w trakcie roku, wynosząc ok +10°C. Wykorzystują to geotermalne pompy ciepła z systemami wężownic - pionowym wymiennikiem gruntowym, umieszczonym na głębokości do 100-150 m pod powierzchnią ziemi, lub poziomym wymiennikiem, umieszczonym bliżej powierzchni ziemi. Zwykle czynnikiem jest wodny roztwór glikolu, krążący w wężownicach, w których następuje pobór ciepła z gruntu, a następnie ogrzany czynnik powraca do pompy ciepła, która podnosi temperaturę czynnika grzewczego instalacji grzewczej. Interesującą odmianą są pompy ciepła powietrze-woda, używające powietrza zewnętrznego i/lub wentylacyjnego powietrza wywiewanego jako źródła ciepła. (więcej w dziale Technika Grzewcza – Pompy ciepła)

Kocioł kondensacyjny

Większość kotłów wyposażona jest w pojedynczą komorę spalania, otoczoną wodnym wymiennikiem ciepła, przez który przechodzą nagrzane spaliny. Ostatecznie wyprowadzane są do przewodu kominowego, z wlotem umieszczonym w górnej części kotła, w temperaturze ok. 200°C. W kotłach kondensacyjnych spaliny przechodzą najpierw przez wymiennik pierwotny, w jego górnej części są zawracane do wtórnego wymiennika ciepła.

W kotłach kondensacyjnych paliwo (gaz ziemny lub olej opałowy) ulega spalaniu, podgrzewając wodę w instalacji, która może również zasilać grzejniki w budynku. Przy spalaniu, jednym z produktów reakcji jest para wodna, która skrapla się do postaci gorącej wody. Na dodatkowym wymienniku odzyskuje się energię -czyli zyskuje ciepło (rys. 3.2). Paliwem może być zarówno olej opałowy, jak i gaz ziemny, ten ostatni jednak, jest bardziej wydajny, ponieważ podgrzana woda wykrapla się z gazów spalinowych już w temperaturze 57°C, a nie-jak w przypadku oleju opałowego-w 47°C. Dodatkową zaletą gazu ziemnego jest wyższa zawartość pary wodnej w spalinach.

Kotły kondensacyjne dają znaczne oszczędności energii dzięki efektywnemu wykorzystaniu spalanego paliwa: spaliny mają temperaturę ok. 50°C, podczas gdy w kotłach tradycyjnych gorące spaliny w temperaturze 200°C uciekają przez komin, unosząc ze sobą niewykorzystany potencjał energii zawartej w parze wodnej (więcej w dziale Technika grzewcza – Kotły Kondensacyjne).

Zarówno pompa ciepła, jak i kocioł kondensacyjny są efektywnymi metodami zasilania niskotemperaturowych instalacji grzewczych w nowoczesnych i dobrze zaizolowanych budynkach. Doskonale nadają się do współpracy z grzejnikami konwekcyjnymi, które współpracują ze wszystkimi źródłami ciepła, w tym również ze źródłami odnawialnymi.

Sprawność wytwarzania ciepła

Pompy ciepła doskonale współpracują z instalacjami niskotemperaturowymi

Wyniki pokazują korzystne efekty zasilania grzejników konwekcyjnych wodą w niskich temperaturach, przy pompie ciepła pracującej jako źródło ciepła instalacji grzewczej.

Kotły kondensacyjne mogą pracować w trybie skraplania, gdy temperatura wody zasilającej instalację grzewczą pozostaje poniżej +55°C. Sprawność wzrasta, w porównaniu ze zwykłym kotłem o ok. 6% dla oleju opałowego i ok. 11% dla gazu ziemnego (wg ASUE, 2006 r). Sam ten fakt przekonuje do projektowania grzejników z przeznaczeniem do pracy w niskich temperaturach czynnika grzewczego.

Pompy ciepła często uważa się za źródła ciepła doskonale dopasowane do instalacji ogrzewania podłogowego, jednak faktycznie będą one równie dobrze współpracować z grzejnikami. Norma PN-EN 14511-2 podaje uproszczoną metodę obliczenia sezonowego współczynnika wydajności cieplnej dla pomp ciepła (SPF), z uwzględnieniem jedynie temperatury wody zasilającej instalację. Taka metoda pozwala uzyskać wystarczająco precyzyjne wartości współczynnika SPF dla ogrzewania podłogowego, gdzie różnica w temperaturze wody zasilającej i powrotnej jest zwykle niewielka, nie przekraczając często

5 K. Ta uproszczona metoda nie może być stosowana do ogrzewania z grzejnikami konwekcyjnymi, gdzie różnica pomiędzy temperaturą wody zasilającej i powrotnej jest większa. W tym przypadku, norma PN-EN 14511-2 zaleca metodę dokładną, uwzględniającą również temperaturę wody powrotnej. Obok SPF oblicza się COP - roczny współczynnik sprawności, opisujący sprawność pracy pompy ciepła w czasie jednego roku.

Uwaga: Zapotrzebowanie na energię pierwotną kotła kondensacyjnego współpracującego z kolektorami słonecznymi, produkującego ciepło do celów ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej jest zbliżone do wartości dla pompy ciepła z wymiennikiem gruntowym (wg ZVSHK, Wasser, Wärme, Luft, wydanie 2009/2010 r.).

Rys. 3.4 Tabela z wartościami współczynnika COP przy różnych wartościach temperatur projektowych (skojarzone wytwarzanie ciepła na cele ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz wyłącznie ogrzewania). Pokazano również odpowiednie temperatury skraplania. Budynek odniesienia to nowoczesny dom jednorodzinny w Monachium, wyposażony w pompę ciepła z wymiennikiem gruntowym. Wartości COP zostały zweryfikowane pomiarami laboratoryjnymi (wg Bosch, 2009 r.).

Wyniki pokazują korzystne efekty zasilania grzejników konwekcyjnych wodą w niskich temperaturach, przy pompie ciepła pracującej jako źródło ciepła instalacji grzewczej. Pompy ciepła przeznaczone dla małych domów często mają możliwość skojarzonego podgrzewania wody użytkowej. Porównując wartości COP dla pracy skojarzonej, widać, ze projektowe temperatury wody typowej instalacji niskotemperaturowej (o parametrach czynnika 45/35°C) dają ok. 10% wyższą sprawność pompy ciepła niż instalacja o parametrach wody 55/45°C Różnica pomiędzy instalacją z grzejnikami konwekcyjnymi, o parametrach 45/35°C, oraz instalacji ogrzewania podłogowego o parametrach 40/30°C wynosi ok. 3%, a przy instalacji o parametrach 35/28°C-ok. 9%.

Renowacja budynków

Budynki z niskotemperaturowymi instalacjami z grzejnikami konwekcyjnymi całościowo zużywać będą mniej energii niż te z instalacjami ogrzewania podłogowego.

Poprawa efektywności energetycznej starszych budynków jest najbardziej korzystnym sposobem oszczędności energii.

Budynki z niskotemperaturowymi instalacjami z grzejnikami konwekcyjnymi całościowo zużywać będą mniej energii niż te z instalacjami ogrzewania podłogowego, nawet wtedy, gdy źródłem ciepła jest pompa ciepła.

Budynki, a szczególnie domy mieszkalne, znajdują się obecnie w spirali zużycia energii. W Europie, najwięcej energii zużywane jest na potrzeby mieszkaniowe. Logicznie rzecz biorąc, nasze działania zmierzające do oszczędności energii powinny być więc nakierowane właśnie na ten sektor. Interesujące jest natomiast to, że nowoczesne budynki (nowe lub starannie wyremontowane) nie stanowią tutaj problemu. Biorąc na przykład budownictwo niemieckie, ilość nowych budynków (wybudowanych po roku 1982) stanowi 23% całości, lecz ich zużycie energii na potrzeby ogrzewania wynosi jedynie 5%. Innymi słowy, poprawa efektywności energetycznej starszych budynków jest najbardziej korzystnym sposobem oszczędności energii.

Całkowity bilans energetyczny budynku uwzględnia przepływy energii do/z budynku. Dane nie zawierają energii potencjalnie potrzebnej do chłodzenia. Przepływy energii przykładowego budynku można zobrazować następująco:

Straty energii

  • Wentylacja i nieszczelności 30 %
  • Ciepła woda użytkowa odprowadzana do kanalizacji 18 %
  • Ściany zewnętrzne 22 %
  • Okna i drzwi zewnętrzne 20 %
  • Dach 6%
  • Grunt 4%

Suma 100 %

Energia dostarczona

  • Ogrzewanie i przygotowanie c.w.u. 60 %
  • Zużycie energii elektrycznej 20 %
  • Promieniowanie słoneczne 20 % i zyski od osób

Suma 100 %

Ilość wymian powietrza = 0,5-1/h

Enegia budynku zapotrzeb. 35 kWh/m2a

 

  • U = 1,0 W/m2
  • U = 3,5W/m2K
  • U = 0,7W/m2K
  • U = 1,0 W/m2K
  • U średnie =1,3W/m2K

Wyłączając straty, spowodowane odprowadzaniem ciepłej wody do kanalizacji (stanowiące w istocie znaczny potencjał do oszczędności energii) dane pokazują obszary, na których zwykle skupiają się czynności, prowadzące do oszczędności energii.

Straty energii

  • Wentylacja i nieszczelności 36.6 %
  • Ściany zewnętrzne 26.8 %
  • Okna i drzwi zewnętrzne 24,4 %
  • Dach 7,3 %
  • Grunt 4.9%

Suma 100%

Energia dostarczona

  • Ogrzewanie 50%
  • Zużycie energii elektrycznej 25 %
  • Promieniowanie słoneczne i zyski od osób 25%

Suma 100 %

Dane dotyczą starszych wielopiętrowych budynków, gdzie typowe zapotrzebowanie (z uwzględnieniem strat ciepła przez przenikanie i wentylację) wynosi ok. 240 kWh/m2 rocznie. Oszacowanie wartości dla innych rodzajów budynków powinno uwzględnić ich powierzchnię, wartości współczynnika przenikania ciepła U oraz strumienie powietrza wentylacyjnego. Przykładowo, budynek parterowy będzie miał znacznie wyższe jednostkowe (na m2 powierzchni) straty ciepła przez dach i do gruntu niż budynek wielopiętrowy.

Można obliczyć korelację współczynnika zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń, wyrażanego w kWh/m2 rocznie i jednostkowego obciążenia cieplnego, w W/m2, w oparciu o dostępne dane statystyczne dotyczące niemieckiego budownictwa, dla różnych okresów zapotrzebowania na energię.

Prześledźmy na przykładzie budynku wielorodzinnego, jak zmienią się wielkości zapotrzebowania na ciepło po przeprowadzeniu prac termoizolacyjnych. Na pierwotnym etapie jednostkowe obciążenie cieplne może zostać odczytane z wykresu na rys. 3.9 dla zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń w wysokości 240 kWh/m2 rocznie - będzie to 120 W/m2. W trakcie remontu poprawiona zostanie izolacyjność budynku, stąd nowe wartości współczynnika U będą następujące:

-          Ściany zewnętrzne

-          Okna i drzwi zewnętrzne

-          Dach

-          Podłoga

U = 0,24W/m2K
U = 1,3 W/m2K
U = 0,16W/m2K
U = 0,5 W/m2K

U średnie = 0,40 W/m2K

 

Jeśli powierzchnia budynku oraz strumień wymiany powietrza pozostaną niezmienione, można oszacować wpływ ulepszonej izolacji. Straty ciepła przez przenikanie zostaną obniżone do 31%, a wartości średniej ważonej współczynnika U spadną z 1,3 W/m2K do 0,40 W/m2K. Wentylacja pozostaje niezmieniona, a obniżenie całkowitych strat ciepła wyniesie 44,3%.

Uwaga: Ten rodzaj poprawy izolacyjności budynku często jest inicjowany ze względu na potrzebę wymiany okien i poprawy wyglądu elewacji lub podwyższenia komfortu cieplnego użytkowników i poprawy jakości klimatu wewnętrznego.

Nowy schemat udziału strat będzie następujący:

-          Wentylacja i infiltracja powietrza

-          Ściany zewnętrzne

-          Okna i ściany zewnętrzne

-          Dach

-          Podłoga

65,1 %

11,4 %

16,1 %

3,6%

4,4 %

suma 100%

Obciążenie cieplne będzie o 44,3% niższe niż pierwotne. Nowy współczynnik obciążenia cieplnego wynosi ok. 67 W/m2, a z rys. 3.9 można odczytać odpowiadającą mu wartość zapotrzebowania na ciepło w wysokości ok. 100 kWh/m2 na rok.