Ogólne zasady doboru kotłów centralnego ogrzewania
Moc cieplna kotłowni wyznacza się z bilansu potrzeb cieplnych obiektów zasilanych z kotłowni. Zależy ona od rodzaju obiektów zasilanych, w tym zwłaszcza od sposobu współdziałania układów automatycznej regulacji obiegów centralnego ogrzewania, wentylacji, technologii i przygotowania centralnej ciepłej wody, wielkości kotłowni i proporcji poszczególnych składowych zapotrzebowania. Przy projektowaniu kotłowni jej moc uzyskuje się poprzez analizę zapotrzebowań na poszczególne cele dla określonego czas, np. zimy, lata, okresów przejściowych itp. zgodnie z ogólną zależnością:
QK=Qco + Qw + Qt+ Qcwu [kW]
gdzie:
QK – moc kotłowni,
Qco – zapotrzebowanie na moc cieplną na cele ogrzewania,
Qw – zapotrzebowanie na moc cieplną na cele wentylacji lub klimatyzacji,
Qt – zapotrzebowanie na moc cieplną na cele technologiczne,
Qcwu – zapotrzebowanie na moc cieplną na cele przygotowania c.w.u.
Zapotrzebowanie na moc cieplna na cele ogrzewania Qco, jest obliczone według aktualnych normatywów lub według wskaźników kubaturowych. Zapotrzebowanie na cele wentylacji Qw ustala się według dokładnych danych projektowych lub najbardziej szacunkowo według krotności wymian powietrza w obiekcie z ewentualnym ograniczeniem intensywności wentylacji przy niskich temperaturach zewnętrznych. Zapotrzebowanie na moc cieplną na cele przygotowania c.w.u. jest wyznaczone według zużycia ciepłej wody np. na poszczególne czynności higieniczne lub wg średnich wskaźników zużycia dobowego na mieszkańca lub użytkownika obiektu użyteczności publicznej. Składowe Qco i Qw są funkcją temperatury zewnętrznej, natomiast Qt i Qcwu najczęściej nie zależą od temperatury zewnętrznej.
Na podstawie analizy zapotrzebowań w powiązaniu z temperaturą zewnętrzną uzyskuje się uporządkowane wykresy obciążeń cieplnych. Szczyty zapotrzebowania na cele c.w.u. w ciągu doby są łagodzone dzięki stosowaniu pojemnościowych podgrzewaczy wody. Natomiast w przypadku wymienników przepływowych ich powierzchnie są obliczone na maksymalną moc wynikającą z rozbioru maksymalnego. W tym przypadku moc cieplna kotłowni wyznaczona jest jako suma maksymalnych zapotrzebowań na poszczególne cele. Aktualnie odmienne zasady obowiązują w przypadku niewielkich kotłowni dla domów jednorodzinnych inne w budynkach wielorodzinnych i użyteczności publicznej.
Uznając, że najpopularniejsze kotłownie dla obiektów mieszkalnych bez wentylacji mechanicznej, pokrywają dwa podstawowe cele: ogrzewanie i przygotowanie c.w.u. można podać następujące ogólne zasady:
• w budynkach jednorodzinnych, w których zaprojektowano urządzenia przygotowania c.w.u. bez elementów pojemnościowych moc kotłowni jest równa maksymalnemu zapotrzebowaniu na przygotowanie c.w.u. (wynikające najczęściej z warunków napełniania wanny).
QK=Qcwumax [kW]
• w budynkach jednorodzinnych i wielorodzinnych, w których zastosowano podgrzewacze pojemnościowe do przygotowania c.w.u., a zapotrzebowanie Qcwu < 15-20% Qco, kotły dobiera się w oparciu o obliczeniowe zapotrzebowanie na moc cieplną na cele c.o.
W budynkach o większym zapotrzebowaniu na cele przygotowania c.w.u. jako obliczeniową moc kotłowni przyjmuje się sumę maksymalnej mocy do c.o. i średniej dla c.w.u.
QK = Qco+ Qcwuśr [kW]
Dla kotłowni komunalnych o zróżnicowanym przeznaczeniu obiektów moc cieplna kotłowni wyznaczana jest jako suma maksymalnego zapotrzebowania na moc do centralnego ogrzewania, wentylacji, technologii i średniego godzinowego zapotrzebowania na moc do przygotowania ciepłej wody użytkowej.
QK = Qco + Qw + Qt + Qcwuśr [kW]
Dla kotłów na paliwo stałe należy stosować mnożniki zwiększające 1,1+1,15. Nie należy ich stosować w przypadku kotłów gazowych i olejowych. Przewymiarowanie źródeł ciepła prowadzi każdorazowo do podwyższenia kosztów inwestycyjnych oraz zmniejszenie sprawności eksploatacyjnej. Dobór liczby kotłów w kotłowni powinien zapewnić ekonomiczną pracę kotłowni w ciągu całego roku. Należy zwrócić uwagę na strukturę zapotrzebowania na moc cieplną, okres eksploatacji letniej oraz zależność sprawności użytkowej od stopnia obciążenia kotła. Nowoczesne kotły gazowe i olejowe są wysokosprawne i zachowują prawie stałą sprawność w podawanym przez producentów zakresie regulacji mocy.
Obliczanie zapotrzebowania ciepła na przygotowanie c.w.u.
Zapotrzebowanie mocy cieplnej do przygotowania c.w.u. w budynkach mieszkalnych wyznacza się zgodnie z normami polskimi w oparciu o zapotrzebowanie ciepłej wody dla jednej osoby przyjmowane w wysokości 110-130 dm3/m*d (na mieszkańca i dobę). Uzyskane w oparciu o te wskaźniki oraz współczynniki nierównomierności godzinowej poboru wody maksymalne zapotrzebowanie na moc cieplną Qcwu max Jest wielkością zawyżoną.
W Niemczech zużycie cieplej wody dla celów mieszkalnych kształtuje się, w zależności od standardu mieszkania, na poziomie 10-80 dm3/mk i dobę. Poniżej przedstawiono najpopularniejsze metody obliczeń zapotrzebowania ciepła Qcwu według: normy DIN 4708, normy PN-92/B-01706 oraz metody SANDERA.
1. Metoda normatywna według DIN 4708
Zapotrzebowanie na ciepłą wodę dla budynku opisuje liczba znamionowa zapotrzebowania N, która zależy od liczby mieszkań jednostkowych. Podgrzewacze wody dobrane innymi metodami muszą tej liczbie odpowiadać.
Charakterystyka „mieszkania przeciętnego” jest następująca:
•ilość pomieszczeń mieszkalnych (nie wliczając kuchni, przedpokoju, korytarza, łazienki i komórki) r = 4;
•ilość zamieszkałych osób p = 3,5;
•pobór ciepła na jedną kąpiel Q = 5820Wh;
•współczynnik zapotrzebowania N = l.
Wyposażenie „przeciętnego mieszkania” w urządzenia sanitarne stanowią: 1 wanna kąpielowa 1600 lub 1 kabina natryskowa z lub bez baterii mieszającej i prysznica, 1 umywalka oraz 1 zlewozmywak. Do obliczeń zapotrzebowania na cele przygotowania c.w.u. Qcwu uwzględnia się tylko wannę, jako przybór o największym jednostkowym zapotrzebowaniu na ciepło. Przystępując do obliczeń Qcwu należy ustalić:
•ilość urządzeń sanitarnych we wszystkich pomieszczeniach,
•ilość pomieszczeń mieszkalnych,
•ilość osób w każdym mieszkaniu.
Jeżeli nie jest znana dokładnie liczba mieszkańców można na podstawie liczby pomieszczeń mieszkalnych „r” określić przybliżoną ilość osób „p”. W dalszej kolejności ustala się liczbę punktów poboru wody „v”. Każdemu punktowi poboru wody przypisane jest określone zapotrzebowanie ciepła „Wυ” [Wh]. W tablicy podano dane ilości poboru wody i zapotrzebowania ciepła „Wυ” dla różnych punktów poboru wody:
Zapotrzebowanie na ciepłą wodę dla budynku opisuje liczba znamionowa zapotrzebowania N, która zależy od liczby mieszkań jednostkowych. Podgrzewacze wody dobrane innymi metodami muszą tej liczbie odpowiadać.
gdzie:
N- współczynnik zapotrzebowania
n – liczba mieszkań
p – liczba mieszkańców
υ – liczba punktów poboru
Wυ – zapotrzebowanie ciepła punktów poboru [Wh]
3,5 – liczba osób w mieszkaniu przeciętnym
5820 – zapotrzebowanie ciepła mieszkania przeciętnego w [Wh]
Dla budynku o mieszkaniach ze standardową liczba osób i standardowym wyposażeniu współczynnik N jest równy ilości mieszkań.
N=∑n
Zapotrzebowanie na c.w.u. ulega w ciągu dnia znacznym wahaniom. Przebieg zapotrzebowania na ciepło można ująć w zależności od liczby znamionowej N (rysunek poniżej). Krzywe na rysunku obrazują przebieg zapotrzebowania na ciepło w zależności od czasu.
Przykładowo dla N = 100 mieszkań standardowych zapotrzebowanie wynosi:
dla 10 min 65 kWh
dla 30 min 150 kWh
dla 1 godz. 230 kWh
dla 7 godz. 680 kWh
gdzie:
Qdśr – średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę
U – ilość mieszkańców
Qc – jednostkowe zużycie ciepłej wody przez mieszkańca na dobę (110-130 dm3/dobę)
τ – czas korzystania ciepłej wody w godzinach na dobę (przyjmuje sie 18 h)
Nh- współczynnik nierównomierności godzinowej rozbioru wody przyjmowany ze wzoru
Zapotrzebowanie na ciepło z tytułu podgrzania ciepłej wody oblicza sie następnie ze wzoru:
Obliczenia na podstawie współczynnika jednoczesności φ (metoda Sandera).
Obliczając godzinowe zapotrzebowanie na c.w.u. należy znać liczbę punktów czerpalnych ciepłej wody jednocześnie wykorzystywanych lub znać współczynnik jednoczesności działania φ. Współczynnik ten uzyskuje się doświadczalnie. Maksymalne zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową jest wyznaczane dla budynków mieszkalnych w oparciu o liczbę wanien lub natrysków. Przy założeniu, że podczas normalnej kąpieli w wannie zużywa się 200 dm3 wody o temperaturze 40°C wciągu 12 min (system przepływowy), chwilowa wartość maksymalna zapotrzebowania ciepła dla jednego mieszkania wynosi:
jest więc bardzo wysoka, większa od zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania. Całkowite roczne zużycie ciepła do przygotowania c.w.u. jest nieznaczne i stanowi ok. 15 – 20% zużycia ciepła do ogrzewania.
Maksymalne zapotrzebowanie na ciepło dla temperatury ciepłej wody 40°C,
c = 4,19 kJ/(kgK) = 1,16*10-3 kWh/(kgK); (1kWh = 3600 kJ) oraz ρ = 1 kg/dm3:
gdzie: φ – współczynnik jednoczesności (lub wykorzystania); n – liczba wanien.
Dla mieszkań z natryskami przy zużyciu 50 dm3 ciepłej wody na natrysk i dwóch natryskach na godzinę:
Przykład 1: Dla 28 mieszkań z łazienką, maksymalne zapotrzebowanie na ciepło:
Przykład 2: Moc kotła dla zasobnika 4800 l przy wymaganym czasie jego nagrzewania 3 h oraz Δt = 35K:
