3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
AKADEMIA ROLNICZA
AKADEMIA ROLNICZA
IM. A.CIESZKOWSKIEGO
IM. A.CIESZKOWSKIEGO
W POZNANIU
W POZNANIU
KATEDRA BUDOWNICTWA WODNEGO
KATEDRA BUDOWNICTWA WODNEGO
INSTALACJE SANITARNE
INSTALACJE SANITARNE
Przygotowanie ciepłej wody użytkowej
- Teoria i obliczenia -
mgr inż. Jakub Mazurkiewicz
mgr inż. Jakub Mazurkiewicz
www.au.poznan.pl/kbw/
www.au.poznan.pl/kbw/
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Spis zagadnień
Spis zagadnień
1.
Definicja ciepłej wody użytkowej (CWU).
2.
Energia do przygotowania ciepłej wody
użytkowej.
3.
Rodzaje urządzeń do podgrzewu wody.
4.
Definicje ciepła.
5.
Obliczenie zapotrzebowania energii i
mocy do przygotowania CWU.
6.
Arkusz usprawniający w/w obliczenia.
7.
Skale doborowe: „gwiazdkowa” i
„uśmiechu”.
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Definicja CWU
Definicja CWU
wg rozp. MI z 12 kwietnia 2002 w
wg rozp. MI z 12 kwietnia 2002 w
sprawie war. tech., jakim powinny odp.
sprawie war. tech., jakim powinny odp.
budynki,
budynki,
CWU to woda o temp. 55 – 60’C
CWU to woda o temp. 55 – 60’C
z możliwością przegrzewu
z możliwością przegrzewu
powyżej 70’C.
powyżej 70’C.
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Rodzaje źródeł energii do
Rodzaje źródeł energii do
przygotowania CWU.
przygotowania CWU.
Typy ogrzewania
Typy ogrzewania
bezpośredni
bezpośredni
pośredni
pośredni
Ciepło przesyłane
na odległość
Ciepło przesyłane
na odległość
Energia geotermalna
(np. pompy ciepła)
Energia geotermalna
(np. pompy ciepła)
Ciepło odpadowe
Ciepło odpadowe
Energia słoneczna
Energia słoneczna
Paliwa płynne
Paliwa płynne
Paliwa stałe
Paliwa stałe
Paliwa gazowe
Paliwa gazowe
Energia elektryczna
Energia elektryczna
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Rodzaje urządzeń do podgrzewu CWU
Rodzaje urządzeń do podgrzewu CWU
Gł. indywidualne
(miejscowy)
Gł. indywidualne
(miejscowy)
Gł. centralne
Gł. centralne
Podgrzewacze
przepływowe
Podgrzewacze
przepływowe
Podgrzewacze
pojemnościowe
Podgrzewacze
pojemnościowe
Kotły grzewcze
Kotły grzewcze
Dwufunkcyjne
Dwufunkcyjne
Jednofunkcyjne z
zasobnikiem wody ew.
podgrzewaczem
pojemnościowym
Jednofunkcyjne z
zasobnikiem wody ew.
podgrzewaczem
pojemnościowym
Dwufunkcyjne ze
zintegrowanym
zasobnikiem wody
(warstwowy zasobnik)
Dwufunkcyjne ze
zintegrowanym
zasobnikiem wody
(warstwowy zasobnik)
Kominki
współpracujące
z wężownicą
Kominki
współpracujące
z wężownicą
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Ciepło
Ciepło
Ciepło to jedna z postaci energii zawartej w
Ciepło to jedna z postaci energii zawartej w
materiale.
materiale.
jest to ilość energii wewnętrznej, która przechodzi między
jest to ilość energii wewnętrznej, która przechodzi między
układem, a otoczeniem,
układem, a otoczeniem,
ilość tej energii wyrażona jest w kaloriach (cal) lub w
ilość tej energii wyrażona jest w kaloriach (cal) lub w
dżulach (J)
dżulach (J)
1 cal = 4,186 J
1 cal = 4,186 J
1 MJ = 1000 kJ = 1 000 000 J
1 MJ = 1000 kJ = 1 000 000 J
1 kWh = 3,6 MJ
1 kWh = 3,6 MJ
1 KM = 0,74 kW
1 KM = 0,74 kW
Ciepłem właściwym nazywamy ilość ciepła pobraną lub oddaną przez 1 gram
Ciepłem właściwym nazywamy ilość ciepła pobraną lub oddaną przez 1 gram
substancji podczas zmiany temperatury o jeden stopień
substancji podczas zmiany temperatury o jeden stopień
Jednostką ciepła właściwego jest cal/g* st.C
Jednostką ciepła właściwego jest cal/g* st.C
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Ciepło spalania a wartość
Ciepło spalania a wartość
opałowa
opałowa
Ciepło spalania
Ciepło spalania
to ilość energii (ciepła), która ulega wyzwoleniu podczas
to ilość energii (ciepła), która ulega wyzwoleniu podczas
spalenia danej substancji. Jeżeli produktem spalania jest
spalenia danej substancji. Jeżeli produktem spalania jest
para wodna, to ciepło spalania powiększa się również o
para wodna, to ciepło spalania powiększa się również o
ciepło kondensacji pary wodnej. Zakładając, że spali się
ciepło kondensacji pary wodnej. Zakładając, że spali się
całe paliwo (spalanie całkowite) i że spalanie jest
całe paliwo (spalanie całkowite) i że spalanie jest
zupełne (tzn. w spalinach nie ma palnych substancji).
zupełne (tzn. w spalinach nie ma palnych substancji).
Wartość opałowa
Wartość opałowa
to ta samą ilością energii (ciepła), jednak w tym
to ta samą ilością energii (ciepła), jednak w tym
przypadku skraplania pary wodnej nie uwzględniamy.
przypadku skraplania pary wodnej nie uwzględniamy.
Pozostałe warunki są bez zmian.
Pozostałe warunki są bez zmian.
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Ciepło spalania a wartość
Ciepło spalania a wartość
opałowa
opałowa
Ponieważ są to wielkości podobne pod względem
Ponieważ są to wielkości podobne pod względem
definicji, ale dość różne liczbowo, ważne jest
definicji, ale dość różne liczbowo, ważne jest
zwracanie uwagi przy wszelkich tabelkach czy
zwracanie uwagi przy wszelkich tabelkach czy
zestawieniach na to, która wielkość jest podawana.
zestawieniach na to, która wielkość jest podawana.
Jeżeli przy obliczeniach nie wiadomo, z której należy
Jeżeli przy obliczeniach nie wiadomo, z której należy
skorzystać, to można przyjąć, że jeżeli spaliny po
skorzystać, to można przyjąć, że jeżeli spaliny po
opuszczeniu urządzenia będą mieć poniżej 100°C,
opuszczeniu urządzenia będą mieć poniżej 100°C,
wtedy można zakładać, że w urządzeniu para wodna
wtedy można zakładać, że w urządzeniu para wodna
ze spalin się skropli (tj. w kotłach kondensacyjnych) i
ze spalin się skropli (tj. w kotłach kondensacyjnych) i
obowiązującą wielkością będzie ciepło spalania. Jeżeli
obowiązującą wielkością będzie ciepło spalania. Jeżeli
ta temperatura jest wyższa (np. w silnikach
ta temperatura jest wyższa (np. w silnikach
spalinowych), należy skorzystać z wartości opałowej.
spalinowych), należy skorzystać z wartości opałowej.
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Ciepło spalania a wartość
Ciepło spalania a wartość
opałowa
opałowa
Wartość opałowa
Wartość opałowa
<
<
ciepła spalania o ilość
ciepła spalania o ilość
ciepła potrzebną do odparowania wody
ciepła potrzebną do odparowania wody
zawartej w produktach spalania w postaci
zawartej w produktach spalania w postaci
pary wodnej.
pary wodnej.
Sprawności urządzeń i procesów najczęściej
Sprawności urządzeń i procesów najczęściej
odnoszone są do wartości opałowej paliwa. Stąd w
odnoszone są do wartości opałowej paliwa. Stąd w
przypadku urządzeń wykorzystujących ciepło
przypadku urządzeń wykorzystujących ciepło
kondensacji pary wodnej ze spalin, można spotkać
kondensacji pary wodnej ze spalin, można spotkać
się ze sprawnością przekraczającą 100%, co jest
się ze sprawnością przekraczającą 100%, co jest
efektem przyjętej niegdyś konwencji.
efektem przyjętej niegdyś konwencji.
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Wartość opałowa
Wartość opałowa
jest to efekt cieplny spalania bez uwzględnienia
jest to efekt cieplny spalania bez uwzględnienia
ciepła skraplania spalin (zakłada się że para
ciepła skraplania spalin (zakłada się że para
wodna zawarta w spalinach nie ulega skropleniu):
wodna zawarta w spalinach nie ulega skropleniu):
Wop = Qsp - r *(K+w)
Wop = Qsp - r *(K+w)
Qsp - ciepło spalania
Qsp - ciepło spalania
r - ciepło parowania wody w temp. 0 st.C
r - ciepło parowania wody w temp. 0 st.C
K - ilość wody powstającej w czasie spalania
K - ilość wody powstającej w czasie spalania
w - zawartość wilgoci w paliwie
w - zawartość wilgoci w paliwie
w-zawartość wilgoci w paliwie - wyrażone w ułamku dziesiętnym (%/100)
w-zawartość wilgoci w paliwie - wyrażone w ułamku dziesiętnym (%/100)
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Obliczenie zapotrzebowania na
Obliczenie zapotrzebowania na
CWU wg normy PN-92/B-01706
CWU wg normy PN-92/B-01706
q
q
dśr
dśr
= U * q
= U * q
c
c
q
q
hśr
hśr
= q
= q
dśr
dśr
/
/
ĩ
ĩ
q
q
hmax
hmax
= q
= q
hśr
hśr
* N
* N
h
h
Uwaga: obliczone zgodnie z normą PN-92/B-01706
wskaźniki zużycia CWU oraz nierównomierności jej
poboru dają zawyżone wyniki zapotrzebowania na
moc cieplną.
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Obliczenie zapotrzebowania na
Obliczenie zapotrzebowania na
CWU wg normy PN-92/B-01706,
CWU wg normy PN-92/B-01706,
przykład
przykład
il. użytkowników (5 mieszkańców)
U=
5 j.n
jednostkowe dobowe zapotrzebowanie na CWU
użytkownika
q
c
=
120 l/d
liczba godzin użytkowania instalacji w ciągu doby
ĩ
ĩ =
18 g/d
współczynnik godzinowej nierównomierności rozbioru
9,32*U^-0,244
N
h
=
6 -
średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę
q
dśr
=
600 l/d
średnie godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę
q
hśr
=
33,3 l/h
maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą
wodę
q
hmax
=
209,8 l/h
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Energia potrzebna do
Energia potrzebna do
podgrzania wody
podgrzania wody
Temp. na wypływie z wylewki ok. 45°C.
Temp. na wypływie z wylewki ok. 45°C.
Przyjmujemy, że zimna woda wodociągowa ma temp. 10°C, a więc
Przyjmujemy, że zimna woda wodociągowa ma temp. 10°C, a więc
musimy podgrzać wodę wodociągową o min. 35°C.
musimy podgrzać wodę wodociągową o min. 35°C.
Ilość energii potrzebna do podgrzania 1 m3 wody wyniesie wg wzoru:
Ilość energii potrzebna do podgrzania 1 m3 wody wyniesie wg wzoru:
E
E
cw
cw
– energia potrzebna do przygotowania CWU [kJ/d]
– energia potrzebna do przygotowania CWU [kJ/d]
C
C
cw
cw
– ciepło właściwe wody [kJ/kg*C]
– ciepło właściwe wody [kJ/kg*C]
q – gęstość wody [kg/m3]
q – gęstość wody [kg/m3]
Q
Q
cw
cw
– ilość wody do podgrzania [m3/d]
– ilość wody do podgrzania [m3/d]
t
t
c
c
– temp. wody na wyjściu z „podgrzewacza” [C]
– temp. wody na wyjściu z „podgrzewacza” [C]
t
t
z
z
– temp. wody na wejściu do „podgrzewacza” [C]
– temp. wody na wejściu do „podgrzewacza” [C]
Z powyższego wzoru wynika, że na podgrzanie wody do kąpieli np. w
Z powyższego wzoru wynika, że na podgrzanie wody do kąpieli np. w
100 litrowej wannie potrzebować będziemy:
100 litrowej wannie potrzebować będziemy:
?
?
)
(
*
*
*
z
c
cw
cw
cw
t
t
Q
q
c
E
)
(
*
*
*
z
c
cw
cw
cw
t
t
Q
q
c
E
)
(
*
*
*
z
c
cw
cw
cw
t
t
Q
q
c
E
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Energia potrzebna do
Energia potrzebna do
podgrzania wody, przykład
podgrzania wody, przykład
średnie godzinowe zapotrzebowanie na CWU l/h
(q
hmax
/1000)
q
hmax
=
0,2 m3/h
ciepło właściwe wody
C
w
=
4,2
kJ/
(kg*st.
C)
gęstość wody
g=
1000 kg/m3
temperatura wody ciepłej
t
c
=
60 st.C
temperatura wody zimnej
t
z
=
10 st.C
obliczeniowa moc cieplna urządzenia
podgrzewającego CWU
P=
34112 kJ
1W = 1J/s dla 1 godz.= 3600s to P/3600 więc-
P=
9,5 kW
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Dobranie zasobnika, do w/w
Dobranie zasobnika, do w/w
przykładu (współpracującego z
przykładu (współpracującego z
kotłem do 25 kW)
kotłem do 25 kW)
•
Należy zamontować zasobnik pojemnościowy model
SO160-1 firmy Junkers, pojemność zasobnika- 153 l, o
wydajności ciepłej wody w czasie 62 min. o temp. ok. 60
st.C, temp zasilania 85 st.C co daje 237 l/godz. Przy mocy
grzewczej 11,0 kW.
•
Czy należy uznać ten dobór za właściwy?
•
Jaki kocioł można by zaproponować, by spełnić wymagania
komfortu CWU?
•
Porównaj swój wybór ze skalą „gwiazdkową” i ze skalą
„uśmiechu”
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Obliczenie zapotrzebowania na ciepło i moc cieplną dla domu
Obliczenie zapotrzebowania na ciepło i moc cieplną dla domu
jednorodzinnego na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej (w
jednorodzinnego na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej (w
stanie istniejącym)
stanie istniejącym)
1
Liczba użytkowników
N =
osób
2
Współczynnik godzinowy
nierównomierności rozbioru CWU
Nh= 9,32 N^-0,244
-
3
Jednostkowe dobowe zapotrzebowanie na
CWU dla 1 użytkownika domu
jednorodzinnego (na podstawie analizy
zużycia w 2000 roku)
V
N
≈0,035
m
3
/d
4
Średnie dobowe zapotrzebowanie cwu w
budynku
V
dsred
=N*V
N
=
m
3
/d
5
Średnie godzinowe zapotrzebowanie cwu
V
hsred
=V
dsred
/18=
m
3
/h
6
Zapotrzebowanie na ciepło na
ogrzanie 1 m
3
wody
Qcwj=cw*p*(t
c
-t
zw
)
w
p
=4,186*1*(60-
10)
w
p
/10
3
GJ/m
3
7
Max. moc cieplna
q
cw
=V
hsred
*Q
cwj
*278=
kW
8
Roczne zużycie cwu (temp. w
podgrzewaczu: 60'C)
V
cw
=V
dsred
*365=
m
3
9
Zapotrzebowanie na cieplo dla
przygotowania cwu
Q
cw
=
GJ
10
Koszt przygotowanie cwu
(Q
cw
/ Wop) * O
z
+ q
cw
*O
m
*12 +
Ks=
zł
11 Koszt wody zimnej
V
cw
*3,2 =
zł
12
Sumaryczny koszt roczny CWU
zł
13
Średni koszt 1 m
3
CWU
zł/m
3
Arkusz usprawniający obliczenia
Arkusz usprawniający obliczenia
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Objaśnienia do arkusza
Objaśnienia do arkusza
w
= sprawność źródła
ciepła (tab. 1)
p
= sprawność
przesyłu (tab.
2)
N
n
= współczynnik nierównomierności rozbioru
Wop = wartość opałowa energii/paliwa GJ/m3 (tab. 3)
Oz = opłata zmienna (tu cena za jedn. paliwa)
Om = opłata miesięczna (abonament + opłaty przesyłowe)
Ks = koszty stałe
(obsługi, remontów
itp.)
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Tab. 1. SPRAWNOŚĆ WYTWARZANIA CIEPŁA ŋw
Tab. 1. SPRAWNOŚĆ WYTWARZANIA CIEPŁA ŋw
rodzaj źródła (kocioł/piec)
rodzaj paliwa
sprawność
wytwarzania
ciepła ŋw
kotły z palnikami atmosferycznymi
gazowe/płynne
0,68-0,86
kotły z palnikami wentylatorowymi
gazowe/płynne
0,75-0,88
kotły kondensacyjne
gazowe
0,95-1,00
kotły elektryczne przepływowe
prąd elektryczny
0,94
kotły elektryczne
prąd elektryczny
0,97
piece tzw. metalowe
stałe
0,55-0,65
kotły wrzutowe (do 100 kW; obsługa ręczna)
stałe, tj.: drewno,
brykiet, pelet,
zrębki
drewniane
0,65-0,72
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Tab. 2. SPRAWNOŚĆ PRZESYŁU CIEPŁEJ WODY ŋp
Tab. 2. SPRAWNOŚĆ PRZESYŁU CIEPŁEJ WODY ŋp
rodzaj instalacji CWU
sprawność przesyłu
CWU ŋp
miejscowe przygotowanie CWU bezpośrednio przy
punktach poboru
1,0
miejscowe przygotowanie CWU dla grupy punktów
poboru w jednym pomieszczeniu
0,8
centralne przygotowanie CWU (bez cyrkulacji)
0,6
centralne przygotowanie CWU (z cyrkulacją; instalacja
zaizolowana)
0,7
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
Tab. 3. WARTOŚCI OPAŁOWE I ORIENTACYJNE CENY ENERGII/PALIW
Tab. 3. WARTOŚCI OPAŁOWE I ORIENTACYJNE CENY ENERGII/PALIW
(na sezon grzewczy 9-12 2006 r.)
(na sezon grzewczy 9-12 2006 r.)
rodzaj energii/paliwa
wartość
opałowa
Wop
jednostk
a
cena jedn.
brutto
kJ/a
a
zł/a
gaz ziemny wysokometanowy "E"
35622
m3
1,473
gaz ziemny zaazotowany "Ls"
26746
m3
0,939
propan techniczny **
25020
dm3
2,250
olej opałowy
36636
dm3
2,560
węgiel kostka II gat. **
28000
kg
0,500
pelet
17640
kg
0,400
drewno kominkowe
15000
kg
0,285
prąd elektryczny trójfazowy
-
kWh
0,382
** bez kosztów transportu, dzierżawy
zbiornika, rozładunku itp.
Przykładowo dla gazu:
Om = opłata miesięczna (abonament + opłaty przesyłowe)
ok. 25 zł/m-c
Ks = koszty stałe (obsługi, remontów itp.)
ok. 100 zł/rok
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
„
„
Skala gwiazdkowa” (rys. poniżej)
Skala gwiazdkowa” (rys. poniżej)
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
„
„
Skala uśmiechu” (rys. 5)
Skala uśmiechu” (rys. 5)
3 grudnia 2006
3 grudnia 2006
DZIĘKUJĘ
DZIĘKUJĘ
ZAPRASZAM DO OWOCNEJ PRACY...
ZAPRASZAM DO OWOCNEJ PRACY...
W opracowaniu oparto się na materiałach pochodzących z Biblioteki Fundacji Poszanowania Energii z Warszawy
W opracowaniu oparto się na materiałach pochodzących z Biblioteki Fundacji Poszanowania Energii z Warszawy
Rynek Instalacyjny nr 6/2006; Polski Instalator 9/2006, 7-8/2006, 7-8/2005
Rynek Instalacyjny nr 6/2006; Polski Instalator 9/2006, 7-8/2006, 7-8/2005
oraz materiały firm: Hoval, Junkers, Vaillant, Viessmann
oraz materiały firm: Hoval, Junkers, Vaillant, Viessmann