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