dr inż. Andrzej Grzegorczyk

REGULACJA OGRZEWAŃ WODNYCH.

Ogrzewanie oblicza się i projektuje dla obliczeniowych temperatur zewnętrznych (temperatury wg PN-82/B-02403), jednak w sezonie ogrzewczym (ok. 210 -250 dni w roku) temperatury zewnętrzne bezustannie zmieniają się, zatem tak należy regulować centralne ogrzewanie, aby dostarczyć do ogrzewanych pomieszczeń właściwą ilość ciepła. Centralna regulacja może być zatem jakościowa (stały przepływ czynnika grzejnego, a zmienne temperatury zasilania i powrotu), ilościowa (zmienny przepływ a stałe temperatury zasilania i powrotu) oraz jakościowo-ilościowa. Najczęściej realizowana jest regulacja jakościowa. Stosowane obecnie powszechnie grzejnikowe zawory termostatyczne spełniają rolę uzupełniającej regulacji miejscowej, przymykając się w przypadku wystąpienia dodatkowych zysków ciepła w pomieszczeniu (np. zysków od nasłonecznienia w pomieszczeniach od strony południowej).

Krzywe centralnej regulacji jakościowej zależą od:

• obliczeniowej temperatury zewnętrznej;

• obliczeniowych parametrów czynnika grzejnego;

• obliczeniowej temperatury pomieszczenia;

• wykładnika m charakteryzującego konwekcję swobodną grzejnika.

Krzywe te będą nieco odmienne dla ogrzewania grawitacyjnego i pompowego, bowiem wskutek zmienności ciśnienia czynnego w ogrzewaniu grawitacyjnym (a więc i zmienności przepływów) wraz ze zmianami temperatury czynnika grzejnego mamy do czynienia z regulacją jakościowo-ilościową.

Krzywe centralnej regulacji jakościowej są w rzeczywistości lekko wypukłe dla ogrzewania z grzejnikami konwekcyjnymi. Można jednak w przybliżeniu założyć ich proporcjonalność w funkcji temperatury zewnętrznej i w prosty sposób obliczyć z proporcji przybliżoną temperaturę zasilania lub powrotu dla dowolnej temperatury zewnętrznej.

Przykład: Obliczeniowa temp. zewnętrzna wynosi t_e,o = -20°C, parametry obliczeniowe ogrzewania t_z,o/t_p,o = 90/70°C, obliczeniowa temperatura wewnętrzna t_i,o = +20°C. Jaka powinna być temperatura zasilania t_z,x, jeżeli temperatura zewnętrzna wynosi t_e,x = -5°C ? Obliczenie:

Δt _o = t_i,o - t_e,o = 20-(-20) = 40°C; Δt_x = 20- (-5) = 25°C; δt_o = t_z,o-t_i,o= 90-20 = 70°C. Zatem: t_z,x = t_i,o + δt_o(Δt_x/Δt_o) =+20 + 70(25:40) = 63,75°C (ok. 64°C). Podobnie obliczona temperatura powrotu będzie tu wynosiła ok. 52°C. W rzeczywistości temperatury będą nieco wyższe.

Krzywe centralnej regulacji jakościowej (nazywane niekiedy krzywymi regulacji kompensacyjnej) zadawane są w regulatorach (sterownikach) układów c.o. w postaci:

• linii prostych (zwłaszcza w starszych regulatorach analogowych);

• linii prostych z jednym lub dwoma punktami załamania;

• linii łańcuchowej z kilkunastoma punktami załamania.

Przykładowe krzywe centralnej regulacji jakościowej przedstawiono na rysunku poniżej.

Założenia:

II strefa klimatyczna (t_e,o = -18°C). W czasie pracy obiektu temperatura w pomieszczeniach t_i = +20 °C, parametry obliczeniowe 95/70 °C (krzywe t1 i t2). W okresie osłabienia nocnego temperatura dyżurna w pomieszczeniach +10 °C; obniżono także parametry instalacji przyjmując przykładowo) do 82/62 °C w warunkach obliczeniowych (krzywe t1dyż, t2dyż).

Wykładnik konwekcji grzejnika m = 0,3.

Temperatura skraplania się pary wodnej w spalinach (temperatura punktu rosy) wynosi dla gazu ziemnego około 58°C, a dla oleju opałowego około 48°C. Tak więc w warunkach powyższego przykładu , w kotle gazowym będzie teoretycznie występowała kondensacja pary wodnej w spalinach (wskutek kontaktu spalin ze ścianką kotła o temperaturze wody powrotnej) już przy temperaturze zewnętrznej ok. -5 °C w warunkach normalnej pracy, a przy ok. -12 °C przy ogrzewaniu dyżurnym - czyli przez większą część sezonu grzewczego.

Odzyskanie ciepła skraplania pary wodnej w spalinach podnosi sprawność kotła i zostało wykorzystane w kotłach kondensacyjnych (patrz niżej), jednak ze względu na kwaśny odczyn spalin kotły te muszą być wykonane w specjalny sposób i z użyciem stali kwasoodpornej, co podnosi ich koszt. W zwykłych kotłach na paliwo płynne i gazowe (zwłaszcza w przypadku paliw płynnych zawierających siarkę), skropliny o kwaśnym odczynie będą powodowały intensywną korozję i szybkie niszczenie kotła. (Problem ten nie występuje przy spalaniu paliw stałych , lecz przy spalaniu paliw węglowodorowych - oleju i gazu). Szczególnym problemem może tu być „zimny start” kotła lub jego praca przy małym obciążeniu i przy palniku jednostopniowym (długie okresy obniżenia temperatury powrotu poniżej temperatury punktu rosy w okresie postoju palnika). Dla uniknięcia kondensacji pary wodnej stosowane są różne rozwiązania, bądź w obrębie układu hydraulicznego z którym współpracuje kocioł, bądź w samym kotle.

a) Prowadzenie ruchu kotła przy stałych lub zmiennych, ale odpowiednio wysokich parametrach, tak aby temperatura powrotu była zawsze wyższa od temperatury punktu rosy. Ponieważ ogrzewanie wymaga zmiennych temperatur zasilania w funkcji temperatury zewnętrznej, więc zachodzi konieczność obniżenia temperatury wody wychodzącej z kotła poprzez domieszanie wody powrotnej („podmieszanie zimne”).

b) Podniesienie temperatury powrotu przez domieszanie wody zasilającej („podmieszanie gorące”). Rozwiązanie takie jest konieczne w przypadku zwykłych kotłów, nieodpornych na korozję. Hydraulicznie układ może być rozwiązany z pompą podmieszania gorącego osobną dla każdego kotła, wspólną dla wszystkich kotłów albo z t.zw. zwrotnicą hydrauliczną (sprzęgłem hydraulicznym, rozdzielaczem hydraulicznym). Przykładowy schemat - rys.1., w części dot. kotłów.

c) Zwiększenie oporu cieplnego rurki przez którą przepływają spaliny, wykonując ją z ożebrowaniem albo jako dwu lub trójwarstwową (np. Paromat Triplex, Viessmann), podobnie jak zastosowanie w wilgotnym pomieszczeniu zamiast okna jednoszybowgo, okna trójszybowego spowoduje brak wykraplania się pary wodnej od wewnątrz na szybie.

d) Wykonanie kotła stalowego jako dwuobiegowego: obieg pierwotny, o małej pojemności wodnej, z temperaturami powyżej punktu rosy otacza komorę spalania; obieg wtórny dla instalacji ogrzewania (Schäfer). Dzięki małej pojemności wodnej obiegu pierwotnego możliwe jest bardzo szybkie nagrzanie kotła ze stanu zimnego. Czasem oba obiegi połączone są przez zawór termostatyczny, otwierający się dopiero po uzyskaniu odpowiedniej temperatury w obiegu pierwotnym.

e) Zastosowanie takiego układu regulacji, który w przypadku stwierdzenia zbyt niskiej temperatury powrotu zmniejsza przepływ a więc i dostawę ciepła do odbiorników. Ponieważ palnik pracuje z pełną mocą, więc następuje szybkie podgrzanie wody w kotle i przejście powyżej temperatury punktu rosy a układ powraca do trybu normalnej pracy. (Np. układ rozruchowy TRA/TSA Viessmann).

f) Odrębnym problemem są kotły żeliwne, ze względu na konstrukcję i małą pojemność wodną.. Przykładem nowatorskiego rozwiązania są tu kotły w technologii Ecostream firmy Buderus, bazujące na zaprojektowanej komputerowo strukturze powierzchni grzejnych (system Thermostream), w których woda powrotna miesza się z zasilającą w górnych piastach członów żeliwnych kotła i do obszaru komory spalania z niskimi temperaturami spalin dopływa już podgrzana (dodatkowo realizowany jest kilkuciągowy przepływ spalin).

Wspólne źródło ciepła dla c.o. i ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).

W układzie takim temperatura wody wychodzącej z kotła nie może być niższa od 60 - 65°C, jeżeli chcemy uzyskać ciepłą wodę o temperaturze 50 - 55°C, to nie można zejść zbyt nisko z temperaturą zasilania z kotła i konieczne jest (okresowe) podmieszanie zimne dla obiegu c.o. Ponadto rozbiór ciepłej wody w zasadniczy sposób różni się charakterem oraz rozkładem dobowym i tygodniowym od zapotrzebowania ciepła na ogrzewanie. Możliwe są tu różne rozwiązania.

a) W domkach jednorodzinnych można zastosować nieduże wiszące lub stojące kotły gazowe bez zasobnika (podgrzewacza) ciepłej wody ale z t.zw. priorytetem ciepłej wody użytkowej. Kocioł taki posiada płytowy, wysokosprawny wymiennik i w chwili poboru ciepłej wody następuje odcięcie obiegu ogrzewania, a więc cała moc palnika służy do podgrzania ciepłej wody. Układ taki zajmuje bardzo mało miejsca, ale oczywiście nie może być stosowany w domu wielorodzinnym.

b) Układ z wymiennikiem ciepła i zasobnikiem lub z podgrzewaczem objętościowym („bojlerem”). Producenci kotłów dostarczają gotowe zestawy, w których podgrzewacz (lub tylko zasobnik) pojemnościowy stanowi część zestawu kotłowego (pod lub nad kotłem) albo jest wolnostojący. Podgrzewacze objętościowe są także produkowane jako urządzenia autonomiczne. W układach z pełną akumulacją dla budynku o większej liczbie mieszkańców, zasobnik c.w.u. może być bardzo duży i zajmować dużo miejsca w piwnicach (także w przypadku baterii (zestawu) kilku zasobników. Układ „wymiennik + zasobnik” wymaga pompy ładującej zasobnik. W wymienniku pojemnościowym („boiler”) zachodzi w praktyce tylko naturalna konwekcja pomiędzy wężownicą grzejną i wodą, zatem współczynnik przenikania ciepła jest mały i wężownica może być duża.

c) Najczęściej w budynkach wielorodzinnych są stosowane układy z podgrzewaczem c.w.u., z częściową akumulacją (rzędu 15 - 25 %), zatem układ musi posiadać tzw. ograniczony priorytet c.w.u. Działanie takiego układu w przypadku wzrostu zużycia c.w.u. jest następujące:

• jeżeli kocioł pracował z ograniczoną mocą, to następuje załączenie pełnej mocy;

• jeżeli w źródle ciepła jest kilka kotłów, to następuje kolejne ich włączanie;

• jeżeli powyższe działania nie wystarczają, to następuje ograniczenie dostawy ciepła dla ogrzewania.

Pamiętać należy, że układ c.o. + c.w.u. musi być zaprojektowany kompleksowo, ze staranną analizą rozwiązania c.w.u.

Nie omówiono tu szerzej problemów utrzymania odpowiednio wysokiej temperatury powrotu c.o. (patrz wyżej) oraz problemów związanych z koniecznością okresowej termicznej dezynfekcji c.w.u. (bakterie Legionella).

t_e [^oC]

10

20

---