|
|
Systemy grzewcze, naturalne źródła ciepła.
Grzejemy tanio i ekologicznie
Wzrost cen energii oraz paliw prowadzi do coraz większego udziału kosztów ogrzewania i produkcji ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) w kosztach eksploatacji budynków. Stan ten pobudza odszukiwanie w pamięci rozwiązań wykorzystujących darmowe źródła energii lub jej produkcję ze sprawnością kilkakrotnie wyższą niż odbywa się to w kotle, i to nawet kondensującym.
Wystarczy poszperać w podręcznikach czy poradnikach i okaże się, że odkrywane u nas dzisiaj na nowo pomysły - wykorzystania energii słonecznej czy rekuperacji ciepła ze spalin kotłowni, idea pompy ciepła czy kojarzenia energii - znane są od dawna i były tematem wykładów na niektórych politechnikach już przed 30 laty. W międzyczasie doszły nowe możliwości techniczne, które pozwoliły na przeniesienie dywagacji raczej czysto teoretycznych bezpośrednio do praktyki. Tak więc kolektory słoneczne produkuje się w wielu odmianach (nie tylko płaskie), rozwój konstrukcji sprężarek ziębniczych pozwala na produkcję pomp ciepła o sprawnościach rzędu nie 200% ale 400-500%. Elektrownie wiatrowe wyszły już z fazy eksperymentalnej, zajmując swoją pozycję wśród producentów energii elektrycznej a rozwój kotlarstwa doprowadził do powstania elektrociepłowni domowych.
Cały ten technologiczny krok naprzód musiał być oczywiście zweryfikowany przez aspekt ekonomiczny. I ta strona zagadnienia również znacząco przybliżyła się do potencjalnego użytkownika ponieważ rozwój technologiczny obniżył cenę produktu końcowego. A zatem rozważania raczej eksperymentalne lub próbujące zadośćuczynić ambicjom bogatych oryginałów, zeszły do poziomu praktycznego w działalności zawansowanych technicznie firm wykonujących roboty instalacyjne.
Jednocześnie - coraz bardziej odczuwalne jest zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego, w którym ogromny udział mają kotłownie duże i małe oraz paleniska,
wykorzystujące paliwa stałe. Istnieje więc co najmniej dwustronny nacisk na modernizacje systemów produkcji energii cieplnej, mającą na celu produkcję taniej energii oraz minimalizację emisji zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego.
Nie można również bagatelizować problemu kończenia się paliw na naszym globie
a optymistyczne wizje eksploatacji innych planet z Układu Słonecznego, wygłaszane w pionierskich dla podboju kosmosu latach 60-tych, zostały przesunięte przez
rozwój technologiczny lotów kosmicznych a zwłaszcza ich koszt - na czas bardziej
odległy. Ratunek zatem tkwi w paliwach odnawialnych i źródłach energii nie korzystających z paliw.
W energetyce "małej" czyli zajmującej się ogrzewaniem i produkcją ciepłej wody
użytkowej w budynkach mieszkalnych jednorodzinnych czy małych osiedlach, istnieją praktyczne możliwości połączenia tych wszystkich - wspomnianych wyżej - problemów. Modelowym tego przykładem jest budynek mieszkalny we Freiburgu (Szwajcaria), który może być energetycznie samowystarczalny w ciągu całego
roku - łącznie z produkcją prądu elektrycznego. Również w Austrii budowane są małe osiedla domów jednorodzinnych, które zużywają jedynie ok. 20% energii cieplnej zużywanej w naszym domu energooszczędnym. Jednakże problem osiągnięcia takich wyżyn oszczędności energetycznych zaczyna się już we wczesnych
fazach projektowania nie tylko branży instalacyjnej ale również w pracy architekta (lokalizacja, usytuowanie względem stron świata, kształt budynku ułatwiający
pochłanianie energii słonecznej, konstrukcja budynku umożliwiająca przechowywanie ciepła z okresu letniego na zimowy itp.).
Pojawiające się w naszej prasie artykuły, traktujące o energii słonecznej czy pompach ciepła dzielą się na dwie grupy:
-
są bardzo teoretyczne i w konkluzji zniechęcają ewentualnego inwestora do interesowania się takimi rozwiązaniami ze względu na bliżej nieokreślony ale ogromny koszt realizacji oraz mglistość możliwości wykonawczych
-
są sponsorowane przez duże firmy handlowe i korzyści płynące z zastosowania
czegokolwiek są wyolbrzymiane
Jak zwykle w praktyce, należy te wszystkie wiadomości wypośrodkować. Okazuje
się wtedy, że korzyści płynące z eksploatacji kolektorów słonecznych czy pomp
ciepła są duże zarówno dla inwestorów jak i środowiska, komplikacje wykonawcze są do przebycia dla bardziej wytrawnych firm instalacyjnych a koszt realizacji - na poziomie zupełnie przyzwoitym.
A zatem istnieją warunki na boom dla rozwiązań chroniących nasze środowisko
i przy okazji chroniących naszą kieszeń. Pojawia się natomiast kolejna przeszkoda
jaką jest brak profesjonalnych materiałów pomocniczych w języku polskim dla
projektantów.
Współczesne kotłownie muszą podać odpowiednią ilość ciepła na kilka obiegów grzewczych - co jest procedurą w miarę prostą i dobrze opanowaną zarówno przez projektantów jak i firmy instalacyjne - oraz wyprodukować lub odebrać ciepło, pochodzące często z różnych źródeł i o różnym poziomie temperaturowym. To drugie zagadnienie jest pomijane w opracowaniach służącym pomocą projektantom i z tego też powodu jest ono niechętnie przez nich podejmowane. Bo też trzeba przyznać, że przy rozwiązaniach "tradycyjnych" czyli polegających na włączaniu się we wspólny kolektor różnych źródeł ciepła, czeka wiele niespodzianek, o których mogą się przekonać wykonawcy najprostszej choćby kaskady - pompy ciepła i kotła.
Większości tych problemów udaje się uniknąć, stosując
ZASOBNIK KOMBI. Jest to urządzenie, łączące w sobie zalety zwrotnicy hydraulicznej, akumulatora ciepła, odmulacza i podgrzewacza pojemnościowego ciepłej wody użytkowej. Ponadto, ułatwia włączenie w jedną centralę cieplną wielu różnych źródeł energii cieplnej. Jego budowę ilustruje schemat. Jest to więc zasobnik stalowy o dużej pojemności 600-1500 l, ze wspawanym wewnątrz - mniejszym boilerem 150-300 l, służącym za pojemnościowy podgrzewacz ciepłej wody użytkowej. W płaszcz zasobnika kombi wspawane jest wiele króćców na różnych wysokościach, umożliwiających wejście i wyjście na różnych poziomach temperaturowych. W dolnej części zasobnika kombi, wspawany jest wymiennik ciepła w formie wężownicy, który umożliwia wymianę ciepła ze źródłem ciepła pracującym z medium pośrednim jak np. układ kolektorów słonecznych, zalanych glikolem.
Mając do wykorzystania różne źródła ciepła, o różnym poziomie temperaturowym na zasileniu, włącza się je do zasobnika kombi jak do rozdzielacza pionowego. Przestrzegać należy przy tym zasady aby najniżej do zasobnika włączyć źródło ciepła o najniższej temperaturze zasilenia np. kolektor słoneczny lub pompę
ciepła a powyżej kocioł czy kotły. Z najwyżej wspawanego króćca, tworzy się zasilenie instalacji grzewczej.
Najwyższy poziom temperaturowy wewnątrz zasobnika kombi - w jego górnej części - grzeje ciepłą wodę użytkową w zanurzonym w nim podgrzewaczu pojemnościowym. C.w.u. można dodatkowo dogrzewać z kotła.
Zasobnik kombi ma głównie zastosowanie w centralach cieplnych, wykorzystujących
energię słoneczną. W układach takich istnieje swoisty "konflikt interesów" ponieważ największe uzyski energetyczne mają miejsce w lecie a największe odbiory ciepła odbywają się dopiero w zimie - zakładając, że energię słoneczną chcemy wykorzystać nie tylko do produkcji ciepłej wody użytkowej ale również do celów grzewczych. Zasobnik kombi należy albowiem również traktować jako akumulator ciepła. Wyczerpujące się zapasy paliw oraz szybko wzrastające
zanieczyszczenie naszego środowiska, przyspieszają prace nad ulepszaniem sposobów wykorzystania energii słonecznej, która docierać do nas będzie przez kilka
najbliższych miliardów lat. Najprostszy z kolektorów słonecznych wodnych jakim
jest czarna beczka z wodą, wystawiona na słońce, uległ daleko posuniętym modyfikacjom. Zmieniają się rozwiązania techniczne i stale rośnie sprawność układów do
absorbowania energii słonecznej i jej wymiany na ciepło. Idea ta jest bardzo popularna w klimacie bardzo zbliżonym do polskiego tzn. w Austrii, Niemczech czy Słowacji. Z energii tej korzysta się również w klimatach o wiele mniej korzystnych
od naszego czego przykładem jest Dania i Skandynawia. Największy układ kolektorów słonecznych w Europie, znajduje się w Szwecji i posiada powierzchnię
7500 m2. Zasila w ciepłą wodę miasteczko Nykvar. Ilość kolektorów słonecznych
zamontowanych w Austrii przekracza już 1.000.000 m2.
Badania statystyczne prowadzone w Austrii dowodzą, że przy odpowiednio dobranej baterii kolektorów słonecznych w stosunku do ilości osób z niej korzystających a także odpowiedniej objętości zasobnika ciepłej wody - można w ciągu całego roku kalendarzowego otrzymać 45% ciepłej wody użytkowej za darmo. Oczywiście największy efekt energetyczny otrzymuje się z kolektorów słonecznych w słoneczny dzień w lecie a żaden - w nocy w zimie. Narzuca się więc najbardziej praktyczne zastosowanie energii słonecznej tzn. grzanie przy pomocy kolektorów słonecznych - ciepłej wody użytkowej, traktując je jako źródło ciepła alternatywne i mając zawsze w odwodzie kocioł lub grzałkę elektryczną na zimę i dogrzewanie wody w okresach przejściowych. Typowy komplet solarny dla domu jednorodzinnego, składający się z 4 szt. paneli kolektorów słonecznych, boilera i termostatu różnicowego kosztuje około 8500 zł. O korzyściach, płynących z wykorzystania dobrodziejstwa energii słonecznej może świadczyć, pracujący 4 lata, największy z czynnych układów kolektorów słonecznych w Polsce o pow. 80 m2, który zasila w ciepłą wodę 6-cio kondygnacyjny dom wczasowy w Zakopanem.
Pompa ciepła jest obiegiem termodynamicznym, przenoszącym ciepło z niższego poziomu energetycznego na poziom wyższy. Oznacza to, że odbiera ciepło
z ciała o niższej temperaturze (dolne źródło ciepła) i przekazuje do ciała o wyższej
temperaturze (górne źródło ciepła). Proces ten odbywa się kosztem energii elektrycznej, doprowadzonej do napędu pompy ciepła. Rozwój sprężarek ziębniczych, które są "sercem" pompy ciepła, doprowadził do znacznego zmniejszenia
ilości energii potrzebnej do napędu pompy ciepła co w rezultacie doprowadziło
do uzyskania sprawności pomp ciepła rzędu 400-500%. Efektywność pomp
ciepła jest albowiem mierzona stosunkiem wydajności grzewczej do mocy napędowej. Zatem sprawność kotłów nawet kondensujących (108%) jest mało interesująca
w porównaniu z efektami pracy pomp ciepła. Ale są też oczywiście minusy stosowania pomp ciepła. Górnym źródłem ciepła jest oczywiście instalacja grzewcza w budynku ale musi ona mieć o wiele bardziej rozwiniętą powierzchnię wymiany ciepła ponieważ z pompy ciepła otrzymujemy "gorsze" ciepło, które posiada temperaturę ok. 50oC. Najodpowiedniejszym zatem odbiornikiem ciepła jest ogrzewanie podłogowe lub
wentylokonwektor.
Z zastosowania wentylokonwektorów płyną jeszcze dodatkowe możliwości a mianowicie klimatyzowania budynku w okresie letnim. W pompie ciepła można albowiem odwrócić obieg i może ona być źródłem tzw. "wody lodowej", stosowanej w klimatyzacji.
Najczęściej spotykanymi dolnymi źródłami ciepła mogą być: cieki wodne, stawy,
jeziora, wężownica z rur ułożonych w ziemi, układ dwóch studni, absorbery betonowe, ciepło odpadowe technologiczne, ścieki czy wreszcie otaczające nas powietrze.
Ten ostatni czynnik ma jednak dużą wadę przy spadku temperatury powietrza poniżej -5oC. Jednakże w praktyce, pompę ciepła zawsze uzupełnia się jakimś kotłem (zarówno z uwagi na niezawodność układu grzewczego jak i obniżenie nakładów inwestycyjnych - pompa ciepła zabezpiecza np. ok. 60% zapotrzebowania ciepła a moc szczytową daje kocioł) i wtedy większą część sezonu grzewczego możemy grzać, używając jedynie pompy ciepła. Ilość dni w zimie z temperaturą niższą od -5oC - wbrew pozorom - nie jest wcale duża.
Rekuperacja ciepła ze spalin kotła jest zabiegiem w miarę prostym lecz nadaje się w praktyce jedynie do stosowania w kotłach gazowych, ponieważ użycie innych paliw, powoduje dużą ilość zanieczyszczeń w spalinach co zmusza do bardzo częstego czyszczenia rekuperatora. Sprawność kotła z 92% można doprowadzić nawet do 108%, pod warunkiem wykroplenia pary wodnej ze skroplin i odbioru jej ciepła skraplania.
Akademicka wręcz instalacja, składająca się ze wszystkich opisanych wyżej
elementów, pracuje w Nowym Sączu - w siedzibie przedsiębiorstwa HEJAN przy
ul. Grottgera 17.
Dzisiejsza szczelność stolarki, okazuje się ma też swoje minusy. Nie odbywa się albowiem wymiana powietrza w budynku poprzez infiltrację i należy budynki
po prostu częściej wietrzyć. Ponieważ jednak zarówno łazienki jak i kuchnie, muszą posiadać wentylację wywiewną grawitacyjną, poprzez którą tracimy (bezpowrotnie) duże ilości ciepła, zawartego w usuwanym powietrzu - można te dwa
problemy ze sobą połączyć. Wystarczy przecież wywiewane z domu powietrze przepuścić przez wymiennik krzyżowy, przez który w tym samym czasie przepuszczone będzie powietrze nawiewane do np. sypialni czy pokoju dziennego. Otrzymamy w rezultacie spełnienie obu wymogów czyli wywiew zużytego i nawiew świeżego powietrza ale już podgrzanego, kosztem odbioru ciepła z powietrza wywiewanego. Takie mini centralki wentylacyjne są już produkowane. Najłatwiej jest oczywiście zrealizować ten zamysł w budynku nowobudowanym albo remontowanym.
Te kilka praktycznych rad można zastosować w dowolnej konfiguracji ale aby
cieszyć się zadowalającym efektem ekonomicznym, budynek nie może szybko
tracić ciepła. Jedynie świadome traktowanie nowoprojektowanych budynków
i kompleksowa termorenowacja budynków remontowanych, mogą dać w efekcie
oczekiwany efekt ekonomiczny eksploatacyjny.
Na rynku ciepłowniczym pojawiły się małe elektrociepłownie, które oprócz
funkcji kotła olejowego czy gazowego, mogą produkować prąd elektryczny.
Jest to również bardzo ciekawa konstrukcja pod warunkiem, że rozwiązany będzie
w Polsce problem sprzedaży, produkowanej przez siebie energii elektrycznej.
Decyzje administracyjne mogłyby w naturalny sposób przyspieszyć wymiany
systemów grzewczych gdyby zaistniał katalizator finansowy takiego procesu.
|
