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