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.
CIEPA
OWNICTWO
Dział energetyki zajmujący się PRZEMYSA
OWYM 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,
przeciÄ…gi, 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 rozwiÄ…zania majÄ… 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.
Klasyfikacja urządzeń grzewczych
Według położenia z
ródła ciepła:
ogrzewanie miejscowe
y
ródło ciepła w pomieszczeniu ogrzewanym - piece, kominki, promienniki, nagrzewnice i inne.
Obsługa indywidualna.
ogrzewanie centralne
Jedno z
ródło 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 z
ródło ciepła zasila grupę budynków, osiedle lub miasto. Kotłownia (ciepłownia,
elektrociepłownia), sieć ciepłownicza, węzeł cieplny, instalacja wewnętrzna, odbiorniki.
Oczyszczanie spalin.
Według rodzaju paliwa: Podział ogólny paliw:
-ogrzewanie węglowe  paliwa stałe
węgiel i biomasa
-ogrzewanie gazowe
paliwa płynne
-ogrzewanie olejowe
olej opałowy
-ogrzewanie biomasÄ…
paliwa gazowe
-ogrzewanie słoneczne
gaz miejski, płynny
-ogrzewanie pompą ciepła
-ogrzewanie elektryczne
Klasyfikacja urządzeń grzewczych
Według nośnika ciepła:
ogrzewanie wodne
Nośnikiem ciepła jest woda, parametry obliczeniowe, nisko (do 100oC), średnio (100  115oC) i
wysokoparametrowe (od 115oC) 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
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:
" y
ródło (ciepła, chłodu, powietrza)
" Przewody (rury, kanały wentylacyjne)
" Odbiornik (ciepła, chłodu, powietrza)
System grzewczy  z
ródło 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 JAKOÅšCIOWA 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 16oC) to temperatura powietrza
zewnętrznego w trakcie sezonu grzewczego ulega znaczącym zmianom. Skutkuje to zmiennym
zapotrzebowaniem na ciepło, zależnym od rzeczywistych warunków zewnętrznych.
Zapotrzebowanie na ciepło pomieszczenia (budynku)
Q =ð U ×ð A ×ð (ti -ð te)
można ogólnie opisać zależnością:
gdzie:
Q  obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło budynku, W
A  powierzchnia przegród zewnętrznych, m2
U  współczynnik przenikania ciepła (uśredniony i uwzględniający wentylację), W/m2K
ti  temperatura pomieszczenia, oC
te  zewnętrzna temperatura obliczeniowa, oC
Zapotrzebowanie ciepła odpowiadające bieżącej temperaturze
zewnętrznej (założenie ustalonych warunków wymiany ciepła) opisać
Qx =ð U ×ð A ×ð (tix -ð tex )
można natomiast zależnością:
gdzie:
Qx  zapotrzebowanie na ciepło budynku odpowiadające temperaturze zewnętrznej tEX, W
tEX  temperatura zewnętrzna, oC
REGULACJA JAKOÅšCIOWA 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 z
ródle ciepła i regulacja strumienia czynnika
grzejnego w odbiornikach (grzejnikach).
Zadaniem instalacji c.o. jest dostarczenie ilości ciepła
odpowiadającej zależności
Qx =ð U ×ð A ×ð (tix -ð tex )
i nie przekraczającej w warunkach obliczeniowych ilości opisanej
wzorem .
Q =ð U ×ð A ×ð (ti -ð te)
Qx
jð =ð
Współczynnik obciążenia cieplnego opisać można wzorem: Q
Qgrz =ð F×ð k ×ð Dðt
Moc cieplna grzejnika:
gdzie:
F  powierzchnia wymiany ciepła, m2
k  współczynnik przewodzenia ciepła, W/m2K
Dðt  różnica temperatur grzejnika i powietrza w pomieszczeniu
REGULACJA JAKOÅšCIOWA INSTALACJI C.O.
tz +ð tp
Charakterystyka grzejnika
Dðt =ð ts -ð ti =ð -ð ti
k =ð c ×ð Dðtm
2
gdzie:
c, m  stałe charakterystyki grzejnika,
ts- średnia temperatura grzejnika
tz  temperatura zasilania (czynnika grzejnego dopływającego do grzejnika), oC
tp  temperatura powrotu (czynnika grzejnego wypływającego z grzejnika), oC
ti  temperatura w pomieszczeniu, oC
Qx
jð =ð
Moc grzejnika powinna odpowiadać zapotrzebowaniu ciepła pomieszczenia.
Q
PodstawiajÄ…c zatem do wzoru
Qgrz =ð F×ð k ×ð Dðt
odpowiadajÄ…ce danym warunkom moce grzejnika opisane wzorem
tz +ð tp
z uwzględnieniem zależności
k =ð c ×ð Dðtm Dðt =ð ts -ð ti =ð 2 -ð ti
i upraszczajÄ…c (c F) uzyskuje siÄ™:
Dðt1+ðm (tsx -ð tix )1+ðm
x
jð =ð =ð
tsx =ð tix +ð (ts -ð ti )jð1/(1+ðm)
Dðt1+ðm (ts -ð ti )1+ðm
REGULACJA JAKOÅšCIOWA INSTALACJI C.O.
Dðt1+ðm (tsx -ð tix )1+ðm
x
jð =ð =ð
tsx =ð tix +ð (ts -ð ti )jð1/(1+ðm)
Dðt1+ðm (ts -ð ti )1+ðm
Qx
jð =ð
jednocześnie podstawiając do wzoru
Q
m ×ð cp ×ð (tzx -ð tpx) (tzx -ð tpx)
moc obliczonÄ… ze strumienia czynnika
jð =ð =ð
grzejnego otrzymuje siÄ™:
m ×ð cp ×ð (tz -ð tp ) (tz -ð tp )
tzx +ð tpx
podstawiajÄ…c i wyliczajÄ…c z tzx (lub tpx)
tsx =ð
2
podstawiajÄ…c do wzoru na jð otrzymuje siÄ™
tzx =ð tsx +ð 0,5(tz -ð tp)jð tpx =ð tsx -ð 0,5(tz -ð tp)jð
Uwzględniając wzór
tsx =ð tix +ð (ts -ð ti )jð1/(1+ðm)
tz +ð tp
Uzyskuje siÄ™ ostatecznie
tzx =ð tix +ð ( -ð ti )jð1/(1+ðm) +ð 0,5(tz -ð tp )jð
2
przy czym
tz +ð tp
tpx =ð tix +ð ( -ð ti )jð1/(1+ðm) -ð 0,5(tz -ð tp )jð
tix -ð tex
2
jð =ð
ti -ð te
REGULACJA JAKOŚCIOWA INSTALACJI C.O. Wykres regulacji jakościowej
100
90 tz(cwu) °C
90
tz' °C
tp' °C
80
70
70
60
50
40
30
20
20
10
Temperatura zewnÄ™trzna °C
0
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Temparatura zasilania / powrotu °C
REGULACJA JAKOŚCIOWA INSTALACJI C.O. Wykres regulacji jakościowej
ZADANIE:
1. Wyznacz wykres regulacji jakościowej, grzejniki konwekcyjne płytowe m=0,33, tz/tp = 70/50, strefa
klimatyczna III te=-20oC
2. Porównaj wykresy dla stref klimatycznych III i I (te=-16oC)
3. Jaki jest wpływ na kształt wykresu wartości wykładnika m (0; 0,2; 0,45)
4.Wpływ na kształt wykresu temperatury pomieszczenia (strefa A 20oC, strefa B 16oC)
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
Wady
Zalety
" Koszty pompowania pozostają maksymalne dla całego
" Wysokość podnoszenia pompy jest stała,
zakresu obciążeń.
spadki ciśnienia w rurociągach rozdziału także
są stałe, a obwody nie oddziałują na siebie. Co
" Cały rozdział musi być projektowany biorąc pod
za tym idzie, każdy obwód zasilany jest stałą
uwagę, że wszystkie odbiorniki pracują przez cały czas
różnica ciśnień a warunki pracy są utrzymywane
przy maksymalnym przepływie. Projektowanie instalacji
w całym zakresie obciążeń, co jest korzystne dla
ze współczynnikiem jednoczesności jest niemożliwe.
pętli regulacyjnych.
" Temperatura wody powrotnej nie jest minimalizowana
" Dobór zaworów regulacyjnych jest łatwy.
przy grzaniu ani maksymalizowana przy chłodzeniu, co
Zawór trójdrogowy w obwodzie rozdzielającym
nie spotyka siÄ™ z pozytywnÄ… reakcjÄ… lokalnych
jest dobierany w oparciu o ciśnienie różnicowe
przedsiębiorstw ciepłowniczych/chłodniczych. Przy
takie samo, jak spadek ciśnienia na odbiorniku w
ogrzewaniu wyższa temperatura wody powrotnej nie jest
warunkach projektowych. Autorytet zaworu
dogodna dla kotłów kondensacyjnych.
regulacyjnego jest stały i może być, w
" Kiedy kilka z
ródeł ciepła pracuje w sekwencji,
niektórych przypadkach, bliski jedności.
przepływy po stronie produkcji i dystrybucji, nie są
" Temperatura wody zasilajÄ…cej jest bardziej
kompatybilne przy obciążeniach częściowych. Różnica
jednolita w całej instalacji.
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 "H 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 z
ródłami ciepła typu pompa ciepła oraz
urządzeniami chłodniczymi do klimatyzacji
Pompa ciepła  współpraca z ogrzewaniem płaszczyznowym
Konieczne jest dostosowanie temperatury
zasilania i powrotu z odbiorników instalacji
pompy ciepła do temperatury zasilania i powrotu
z pompy ciepła.
Instalacja hydrauliczna pompy ciepła wymaga z
reguły zastosowania systemu stało-
przepływowego. Instalacje grzewcze najczęściej
wykonywane sÄ… z wykorzystaniem systemu
zmienno-przepływowego.
ZÅ‚ad medium instalacji po stronie z
ródła ciepła
musi zapewnić minimalny czas pracy i postoju
pompy ciepła.
Przykład współpracy systemu zmienno-
przepływowego instalacji grzewczej ogrzewania
płaszczyznowego z pompą ciepła
Współpraca odbiorników ciepła z z
ródłami ciepła typu pompa ciepła oraz
urządzeniami chłodniczymi do klimatyzacji
Pompa ciepła  współpraca z ogrzewaniem niskotemperaturowym
wentylokonwektorami
Konieczne jest dostosowanie temperatury
zasilania i powrotu z odbiorników instalacji
pompy ciepła do temperatury zasilania i powrotu z
pompy ciepła.
Instalacja hydrauliczna pompy ciepła wymaga z
reguły zastosowania systemu stało-
przepływowego. Instalacje grzewcze najczęściej
wykonywane sÄ… z wykorzystaniem systemu
zmienno-przepływowego.
ZÅ‚ad medium instalacji po stronie z
ródła ciepła
musi zapewnić minimalny czas pracy i postoju
pompy ciepła.
Przykład współpracy systemu zmienno-
przepływowego instalacji grzewczej ogrzewania z
aparatami grzewczo-wentylacyjnymi lub
wentylokonwektorami z pompą ciepła
Współpraca odbiorników ciepła z z
ródłami ciepła typu pompa ciepła oraz
urządzeniami chłodniczymi do klimatyzacji
Pompa ciepła  współpraca z wentylokonwektorami
ZÅ‚ad medium instalacji po stronie z
ródła 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.
Przykład współpracy systemu stało
przepływowego instalacji grzewczej ogrzewania z
klimakonwektorami z pompą ciepła
Dziękuję za uwagę