Instalacje cieplne i klimatyzacyjne
Wykład 6
Ogrzewnictwo. Systemy zmienno i stało przepływowe. Regulacja
ilościowa i jakościowa.
Przygotował: dr inż. Stefan Reszewski
Instalacje cieplne i klimatyzacyjne
Wykład 6
Ogrzewnictwo. Systemy zmienno i stało przepływowe. Regulacja
ilościowa i jakościowa.
Przygotował: dr inż. Stefan Reszewski
OGRZEWNICTWO
Dział nauki i techniki zajmujący się wykorzystaniem wytworzonego lub dostarczonego ciepła
dla zrównoważenia strat ciepła do otoczenia i zapewnienia wymaganych warunków
temperaturowych w pomieszczeniach.
CIEPŁOWNICTWO
Dział energetyki zajmujący się PRZEMYSŁOWYM wytwarzaniem ciepła oraz jego
przesyłaniem na znaczne odległości do rozproszonych w terenie odbiorców w celu
wykorzystania na potrzeby ogrzewania wentylacji, klimatyzacji, przygotowania ciepłej wody
użytkowej i na cele technologiczne.
Zadania instalacji centralnego ogrzewania
Celem stosowania instalacji i urządzeń ogrzewczych jest zapewnienie w pomieszczeniach
warunków zapewniających dobre samopoczucie osób w nich przebywających lub zachowanie
wymogów procesów technologicznych.
Zadaniem systemów ogrzewań jest zapewnienie w pomieszczeniach (niezależnie od
zmieniających się warunków zewnętrznych) właściwej (zadanej) temperatury powietrza w
przypadku odczuwalnego obniżenia się temperatury powietrza na zewnątrz budynku. Pomijając
wyjątki w postaci pomieszczeń technologicznych, systemy te działają w okresie jesieni, zimy i
wiosny gdy temperatura na zewnątrz budynków jest na tyle niska, że przebywające w
pomieszczeniach osoby odczuwają chłód i istotne pogorszenie komfortu cieplnego.
Rozwój systemów grzewczych
500 000 przed n.e. bezpośrednie
odprowadzanie spalin do atmosfery
II - III wiek w czasach rzymskich znane
było tzw. ogrzewanie Hypokausta
Rozwój systemów grzewczych
X wiek. Spaliny odprowadzane przez
kominy
XIX wiek Ogrzewanie pomieszczenia
ciepłem spalin
Rozwój systemów grzewczych
Wiek
XXI
Wysokosprawne
ogrzewania niskoparametrowe
Ogrzewanie
Zużycie
energii
w
gospodarstwie domowym
Wymagania stawiane ogrzewaniom
1.Temperatura w pomieszczeniu ogrzewanym (średnia temperatura powietrza i ścian) powinna
być możliwie równomierna w pionie, poziomie i stała w czasie.
Badania
wzajemnych
wpływów temperatury powietrza i otaczających powierzchni wykazały, że odczucie temperatury przez
człowieka odpowiada w przybliżeniu średniej pomiędzy wartościami tych obu temperatur (temperatura
odczuwalna). Duże różnice pomiędzy temperaturą powietrza a temperaturą promieniowania odczuwane
są przez człowieka jako dyskomfort nawet przy wystarczająco wysokich temperaturach powietrza.
Szczególnie nieprzyjemne są duże, zimne powierzchnie ścian lub okien.
2. Możliwość zmiany temperatury odczuwalnej w pewnych granicach, odpowiednio do życzenia
użytkowników (regulacja).
3. Regulacja ogrzewania powinna mieć małą bezwładność.
4. Jakość powietrza w pomieszczeniu nie powinna ulegać pogorszeniu (pyły, gazy, hałasy,
przeciągi, itp.).
Wymagania stawiane ogrzewaniom
5. Elementy grzejne powinny być łatwe do czyszczenia i estetyczne.
6. Nawiewane powietrze zewnętrzne nie powinno powodować szkodliwych przeciągów i
dyskomfortu. Odpowiednia ilość powietrza.
7. Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne powinny być niskie.
8. Ogrzewanie nie powinno być uciążliwe dla środowiska naturalnego.
Nie istnieje system ogrzewania, który w równej mierze spieniałby wszystkie powyższe
wymagania. Wszystkie rozwiązania mają swoje zalety i wady.
Rodzaj ogrzewania wybierany jest z uwzględnieniem wielu czynników, jak np. rodzaj
budynku, okres użytkowania, ilość osób, rodzaj paliwa, koszty urządzeń, koszty
eksploatacji, reżim technologiczny, przepisy i inne.
Według położenia źródła ciepła:
ogrzewanie miejscowe
Źródło ciepła w pomieszczeniu ogrzewanym - piece, kominki, promienniki, nagrzewnice i inne.
Obsługa indywidualna.
ogrzewanie centralne
Jedno źródło ciepła dla wszystkich pomieszczeń w budynku, nośnik ciepła, instalacja
rozprowadzająca i odbiorniki. Ekonomika, wyższa sprawność, ułatwienie obsługi, wysokie koszty
budowy, rozliczenia, straty ciepła na przesyle.
ogrzewanie zdalaczynne (zcentralizowane)
Jedno duże źródło ciepła zasila grupę budynków, osiedle lub miasto. Kotłownia (ciepłownia,
elektrociepłownia), sieć ciepłownicza, węzeł cieplny, instalacja wewnętrzna, odbiorniki.
Oczyszczanie spalin.
Klasyfikacja
urządzeń grzewczych
Według rodzaju paliwa:
-ogrzewanie węglowe
-ogrzewanie gazowe
-ogrzewanie olejowe
-ogrzewanie biomasą
-ogrzewanie słoneczne
-ogrzewanie pompą ciepła
-ogrzewanie elektryczne
Podział ogólny paliw:
– paliwa stałe
węgiel i biomasa
paliwa płynne
olej opałowy
paliwa gazowe
gaz miejski, płynny
Według nośnika ciepła:
ogrzewanie wodne
Nośnikiem ciepła jest woda, parametry obliczeniowe, nisko (do 100
o
C), średnio (100 – 115
o
C) i
wysokoparametrowe (od 115
o
C) instalacje (np. 150/70°C, 90/70°C, 70/50°C, 45/35°C).
Regulacja wydajności ilościowa, jakościowa lub ilościowo-jakościowa.
Grawitacyjne lub pompowe.
Systemu zamkniętego lub otwartego.
ogrzewanie parowe
Nośnikiem ciepła jest para wodna (odwadniacze, kondensat).
Nisko-, średnio-, wysokoprężne i podciśnieniowe.
Rzadko stosowane w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej.
Technologiczne ciepło.
ogrzewanie powietrzne
Nośnikiem ciepłą jest powietrze.
Pośrednie (wymiennik) lub bezpośrednie (powietrzno-ogniowe).
Grawitacyjne lub wentylatorowe.
Powietrze obiegowe, zewnętrzne lub mieszane.
Mała bezwładność cieplna, filtracja, dobra regulacja.
Klasyfikacja
urządzeń grzewczych
Klasyfikacja
urządzeń grzewczych
Według sposobu oddawania ciepła:
ogrzewanie konwekcyjne
ruch ogrzanego powietrza, konwekcja swobodna i wymuszona
ogrzewanie promiennikowe
promieniowanie cieplne z elementu grzejnego
ogrzewanie nawiewne
mechaniczne nawiewanie ciepłego powietrza
ogrzewanie kombinowane
połączenie powyższych, w różnych konfiguracjach i udziałach procentowych
Systemy i instalacje budynkowe
Ogólny schemat instalacji:
•
Źródło (ciepła, chłodu, powietrza)
•
Przewody (rury, kanały wentylacyjne)
•
Odbiornik (ciepła, chłodu, powietrza)
System grzewczy – źródło lokalne
System grzewczy – system ciepłowniczy
System grzewczy z kotłem na paliwo stałe
Proste ogrzewanie grawitacyjne (termosyfonowe) – system otwarty
ciśnieniowo
System grzewczy z kotłem na
paliwo stałe
Ogrzewanie grawitacyjne z
przelewowym naczyniem
wzbiorczym
Ogrzewanie wodne – instalacje c.o. System zamknięty
ciśnieniowo
Klasyczna instalacja pompowa – z pionami wznośnymi
Ogrzewanie grawitacyjne vs pompowe
Retro
Ogrzewanie wodne – instalacje c.o.
Nowoczesna instalacja dwururowa rozdzielaczowa – system zamknięty ciśnieniowo
Ogrzewanie wodne – instalacje c.o.
Instalacja dwururowa rozdzielaczowa – system zamknięty ciśnieniowo
Ogrzewanie wodne – instalacje c.o.
Ogrzewanie dwururowe etażowe– system zamknięty ciśnieniowo
Ogrzewanie wodne – instalacje c.o.
Ogrzewanie dwururowe etażowe. Pętla pozioma– system zamknięty ciśnieniowo
Ogrzewanie wodne – instalacje c.o.
Ogrzewanie dwururowe etażowe. Układ trójnikowy– system zamknięty ciśnieniowo
Ogrzewanie wodne – instalacje c.o.
Instalacja z rozdziałem poziomym – system dwururowy– system zamknięty ciśnieniowo
Ogrzewanie wodne – instalacje c.o.
Instalacja z rozdziałem poziomym – system jednorurowy– system zamknięty ciśnieniowo
Ogrzewanie wodne – instalacje c.o.
Instalacja z rozdziałem poziomym – system jednorurowy– system zamknięty ciśnieniowo
Ogrzewanie wodne – instalacje c.o.
Ogrzewanie jednorurowe pionowe– system zamknięty ciśnieniowo
Ogrzewanie wodne –
instalacje c.o.
Ogrzewanie wodne –
instalacje c.o.
ogrzewanie grzejnikowe i przygotowanie c.w.u.
Ogrzewanie wodne –
instalacje c.o.
ogrzewanie grzejnikowe, dwa niezależne obiegi ogrzewania podłogowego i przygotowanie c.w.u.
REGULACJA JAKOŚCIOWA INSTALACJI C.O.
Systemy zaopatrzenia w ciepło projektowane są na tzw. warunki obliczeniowe tj. odpowiadające
obliczeniowej temperaturze zewnętrznej oraz obliczeniowej temperaturze powietrza w pomieszczeniach
ogrzewanych. O ile temperatura pomieszczeń jest stała w trakcie sezonu grzewczego (zgodnie z
wymaganiami rozporządzenia ministra infrastruktury grzejniki powinny być wyposażone w zawory
termostatyczne, jednak temperatura pomieszczeń nie może być niższa niż 16
o
C) to temperatura powietrza
zewnętrznego w trakcie sezonu grzewczego ulega znaczącym zmianom. Skutkuje to zmiennym
zapotrzebowaniem na ciepło, zależnym od rzeczywistych warunków zewnętrznych.
gdzie:
Q – obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło budynku, W
A – powierzchnia przegród zewnętrznych, m
2
U – współczynnik przenikania ciepła (uśredniony i uwzględniający wentylację), W/m
2
K
t
i
– temperatura pomieszczenia,
o
C
t
e
– zewnętrzna temperatura obliczeniowa,
o
C
Zapotrzebowanie na ciepło pomieszczenia (budynku)
można ogólnie opisać zależnością:
)
t
t
(
A
U
Q
e
i
Zapotrzebowanie
ciepła odpowiadające bieżącej temperaturze
zewnętrznej (założenie ustalonych warunków wymiany ciepła) opisać
można natomiast zależnością:
)
t
t
(
A
U
Q
ex
ix
x
gdzie:
Q
x
– zapotrzebowanie na ciepło budynku odpowiadające temperaturze zewnętrznej t
EX
, W
t
EX
–temperatura zewnętrzna,
o
C
REGULACJA JAKOŚCIOWA INSTALACJI C.O.
Możliwe do stosowania są:
1.regulacja ilościowa – polegająca na zmianie strumienia czynnika grzejnego przy stałych parametrach
2. regulacja jakościowa – polegająca na utrzymaniu stałego strumienia czynnika grzejnego (stabilne warunki
hydrauliczne w instalacji) i odpowiedniej zmianie jego temperatury
3. regulacja z przerwami (skokowa) – okresowa dostawa ciepła do pomieszczenia (on/off)
4. regulacja mieszana – centralna regulacja jakościowa w źródle ciepła i regulacja strumienia czynnika
grzejnego w odbiornikach (grzejnikach).
Zadaniem instalacji c.o. jest dostarczenie ilości ciepła
odpowiadającej zależności
i nie przekraczającej w warunkach obliczeniowych ilości opisanej
wzorem .
)
t
t
(
A
U
Q
e
i
Współczynnik obciążenia cieplnego opisać można wzorem:
)
t
t
(
A
U
Q
ex
ix
x
gdzie:
F – powierzchnia wymiany ciepła, m
2
k – współczynnik przewodzenia ciepła, W/m
2
K
t – różnica temperatur grzejnika i powietrza w pomieszczeniu
Q
Q
x
Moc cieplna grzejnika:
t
k
F
Q
grz
REGULACJA JAKOŚCIOWA INSTALACJI C.O.
Charakterystyka grzejnika
gdzie:
c, m – stałe charakterystyki grzejnika,
t
s
- średnia temperatura grzejnika
t
z
– temperatura zasilania (czynnika grzejnego dopływającego do grzejnika),
o
C
t
p
– temperatura powrotu (czynnika grzejnego wypływającego z grzejnika),
o
C
t
i
– temperatura w pomieszczeniu,
o
C
Moc grzejnika powinna odpowiadać zapotrzebowaniu ciepła pomieszczenia.
Podstawiając zatem do wzoru
odpowiadające danym warunkom moce grzejnika opisane wzorem
z uwzględnieniem zależności
i upraszczając (c F) uzyskuje się:
Q
Q
x
t
k
F
Q
grz
m
t
c
k
i
p
z
i
s
t
2
t
t
t
t
t
m
t
c
k
i
p
z
i
s
t
2
t
t
t
t
t
m
1
i
s
m
1
ix
sx
m
1
m
1
x
)
t
t
(
)
t
t
(
t
t
)
m
1
/(
1
i
s
ix
sx
)
t
t
(
t
t
REGULACJA JAKOŚCIOWA INSTALACJI C.O.
i wyliczając z t
zx
(lub t
px
)
m
1
i
s
m
1
ix
sx
m
1
m
1
x
)
t
t
(
)
t
t
(
t
t
)
m
1
/(
1
i
s
ix
sx
)
t
t
(
t
t
jednocześnie podstawiając do wzoru
moc obliczoną ze strumienia czynnika
grzejnego otrzymuje się:
Q
Q
x
)
t
t
(
)
t
t
(
)
t
t
(
c
m
)
t
t
(
c
m
p
z
px
zx
p
z
p
px
zx
p
podstawiając
2
t
t
t
px
zx
sx
podstawiając do wzoru na
otrzymuje się
)
t
t
(
5
,
0
t
t
p
z
sx
zx
)
t
t
(
5
,
0
t
t
p
z
sx
px
Uwzględniając wzór
Uzyskuje się ostatecznie
)
m
1
/(
1
i
s
ix
sx
)
t
t
(
t
t
)
t
t
(
5
,
0
)
t
2
t
t
(
t
t
p
z
)
m
1
/(
1
i
p
z
ix
zx
)
t
t
(
5
,
0
)
t
2
t
t
(
t
t
p
z
)
m
1
/(
1
i
p
z
ix
px
przy czym
e
i
ex
ix
t
t
t
t
REGULACJA JAKOŚCIOWA INSTALACJI C.O. Wykres regulacji jakościowej
90
20
70
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Temperatura zewnętrzna °C
T
em
pa
ra
tu
ra
z
as
ila
ni
a
/
po
w
ro
tu
°
C
tz(cwu) °C
tz' °C
tp' °C
REGULACJA JAKOŚCIOWA INSTALACJI C.O. Wykres regulacji jakościowej
ZADANIE:
1. Wyznacz wykres regulacji jakościowej, grzejniki konwekcyjne płytowe m=0,33, t
z
/t
p
= 70/50, strefa
klimatyczna III t
e
=-20
o
C
2. Porównaj wykresy dla stref klimatycznych III i I (t
e
=-16
o
C)
3. Jaki jest wpływ na kształt wykresu wartości wykładnika m (0; 0,2; 0,45)
4.Wpływ na kształt wykresu temperatury pomieszczenia (strefa A 20
o
C, strefa B 16
o
C)
Wykorzystać program Exel do wykonania zadania. Temperatura w pomieszczeniach zgodnie z normą.
REGULACJA JAKOŚCIOWA INSTALACJI C.O. Stało przepływowy system po
stronie dystrybucji ciepła
REGULACJA JAKOŚCIOWA INSTALACJI C.O. Stało przepływowy system po
stronie dystrybucji ciepła
Zalety
• Wysokość podnoszenia pompy jest stała,
spadki ciśnienia w rurociągach rozdziału także
są stałe, a obwody nie oddziałują na siebie. Co
za tym idzie, każdy obwód zasilany jest stałą
różnica ciśnień a warunki pracy są utrzymywane
w całym zakresie obciążeń, co jest korzystne dla
pętli regulacyjnych.
• Dobór zaworów regulacyjnych jest łatwy.
Zawór trójdrogowy w obwodzie rozdzielającym
jest dobierany w oparciu o ciśnienie różnicowe
takie samo, jak spadek ciśnienia na odbiorniku w
warunkach projektowych. Autorytet zaworu
regulacyjnego jest stały i może być, w
niektórych przypadkach, bliski jedności.
• Temperatura wody zasilającej jest bardziej
jednolita w całej instalacji.
Wady
• Koszty pompowania pozostają maksymalne dla całego
zakresu obciążeń.
• Cały rozdział musi być projektowany biorąc pod
uwagę, że wszystkie odbiorniki pracują przez cały czas
przy maksymalnym przepływie. Projektowanie instalacji
ze współczynnikiem jednoczesności jest niemożliwe.
• Temperatura wody powrotnej nie jest minimalizowana
przy grzaniu ani maksymalizowana przy chłodzeniu, co
nie spotyka się z pozytywną reakcją lokalnych
przedsiębiorstw ciepłowniczych/chłodniczych. Przy
ogrzewaniu wyższa temperatura wody powrotnej nie jest
dogodna dla kotłów kondensacyjnych.
• Kiedy kilka źródeł ciepła pracuje w sekwencji,
przepływy po stronie produkcji i dystrybucji, nie są
kompatybilne przy obciążeniach częściowych. Różnica
przepływów tworzy punkt mieszania i temperatura wody
zasilającej nie może być utrzymana na stałym poziomie,
co powoduje problemy w systemach chłodniczych.
REGULACJA ILOŚCIOWA INSTALACJI C.O. Stało przepływowy system po
stronie dystrybucji ciepła
Polega na zmianie strumienia czynnika grzejnego przy stałych parametrach
REGULACJA ILOŚCIOWA INSTALACJI C.O. Stało przepływowy system po
stronie dystrybucji ciepła
Polega na zmianie strumienia czynnika grzejnego przy stałych parametrach
Zalety
• Koszty pompowania zmniejszają się wraz z przepływem. Jest to szczególnie interesujące w
chłodnictwie, gdzie koszty pompowania rozdziału, w systemie stało przepływowym, wynoszą pomiędzy
6 a 12% kosztów energii zużywanej przez urządzenia do produkcji ziębiwa. Dalsze oszczędności można
osiągać za pomocą pomp o zmiennej prędkości obrotowej, które mogą w pewnych wypadkach pracować
przy zmniejszonej wysokości podnoszenia.
• Instalacja może być obliczana z uwzględnieniem współczynnika jednoczesności pracy odbiorników.
Może to być głównym powodem zamiany dystrybucji stało przepływowej na zmienno przepływową,
pozwalającej na rozbudowę instalacji przy użyciu tych samych systemów rurociągów.
• Jeżeli pełne obciążenie jest osiągane wyjątkowo, można obliczać rurociągi z wyższymi spadkami
ciśnienia, zmniejszając koszty inwestycyjne.
• Przepływy po stronie dystrybucji powinny być odpowiednio dopasowane w celu uzyskania stałej
temperatury wody zasilającej przy wszystkich obciążeniach. Ma to podstawowe znaczenie w instalacjach
chłodniczych.
• Temperatura wody powrotnej może być minimalizowana w systemach grzewczych, a
maksymalizowana w chłodniczych. Jest to ważne przy zasilaniu instalacji z miejskiej sieci cieplnej lub
chłodniczej oraz gdy używa się kotłów kondensacyjnych.
REGULACJA ILOŚCIOWA INSTALACJI C.O. Stało przepływowy system po
stronie dystrybucji ciepła
Polega na zmianie strumienia czynnika grzejnego przy stałych parametrach
Wady:
• Gdy sumaryczny przepływ jest niewielki, temperatura wody może zmieniać się znacząco pomiędzy
różnymi punktami dystrybucji.
• Różnica ciśnień na zasilaniu w obwodzie jest w sposób istotny zmienna, co wpływa na autorytet
zaworów regulacyjnych i na stabilność obwodów regulacyjnych pracujących w trybie proporcjonalnym
lub PI/PID.
• Dobór dwudrogowego zaworu regulacyjnego nie jest łatwy, gdyż zależy on od dostępnego ciśnienia
różnicowego ΔH w obwodzie. Wartość ta jest nieznana i w sposób istotny zmienna.
• Obwody wzajemnie oddziaływają na siebie. Gdy zamyka się jeden zawór regulacyjny, powoduje to
wzrost różnicy ciśnienia w innych obwodach. Ich zawory regulacyjne muszą się przymykać w celu
kompensacji.
• Przepływ minimalny musi być zapewniony w celu ochrony pompy.
Współpraca odbiorników ciepła z źródłami ciepła typu pompa ciepła oraz
urządzeniami chłodniczymi do klimatyzacji
Pompa ciepła – współpraca z ogrzewaniem płaszczyznowym
Instalacja hydrauliczna pompy ciepła wymaga z
reguły
zastosowania
systemu
stało-
przepływowego. Instalacje grzewcze najczęściej
wykonywane są z wykorzystaniem systemu
zmienno-przepływowego.
Zład medium instalacji po stronie źródła ciepła
musi zapewnić minimalny czas pracy i postoju
pompy ciepła.
Konieczne
jest
dostosowanie
temperatury
zasilania i powrotu z odbiorników instalacji
pompy ciepła do temperatury zasilania i powrotu
z pompy ciepła.
Przykład
współpracy
systemu
zmienno-
przepływowego instalacji grzewczej ogrzewania
płaszczyznowego z pompą ciepła
Współpraca odbiorników ciepła z źródłami ciepła typu pompa ciepła oraz
urządzeniami chłodniczymi do klimatyzacji
Pompa ciepła – współpraca z ogrzewaniem niskotemperaturowym
wentylokonwektorami
Instalacja hydrauliczna pompy ciepła wymaga z
reguły
zastosowania
systemu
stało-
przepływowego. Instalacje grzewcze najczęściej
wykonywane są z wykorzystaniem systemu
zmienno-przepływowego.
Zład medium instalacji po stronie źródła ciepła
musi zapewnić minimalny czas pracy i postoju
pompy ciepła.
Konieczne
jest
dostosowanie
temperatury
zasilania i powrotu z odbiorników instalacji
pompy ciepła do temperatury zasilania i powrotu z
pompy ciepła.
Przykład
współpracy
systemu
zmienno-
przepływowego instalacji grzewczej ogrzewania z
aparatami
grzewczo-wentylacyjnymi
lub
wentylokonwektorami z pompą ciepła
Współpraca odbiorników ciepła z źródłami ciepła typu pompa ciepła oraz
urządzeniami chłodniczymi do klimatyzacji
Pompa ciepła – współpraca z wentylokonwektorami
Przykład
współpracy
systemu
stało
przepływowego instalacji grzewczej ogrzewania z
klimakonwektorami z pompą ciepła
Zład medium instalacji po stronie źródła ciepła
musi zapewnić minimalny czas pracy i postoju
pompy ciepła.
Wysokość podnoszenia pompy musi zapewnić
pokrycie strat liniowych oraz miejscowych całej
instalacji grzewczej.
Strumień medium przepływający przez pompę
ciepła
musi
odpowiadać
strumieniowi
wynikającemu z zapotrzebowania na ciepło
instalacji grzewczej.
Dziękuję za uwagę