Instalacja z centralnym przygotowaniem c.w.u. jednostrefowa

Wstęp

W poprzednim projekcie ciepła woda przygotowywana była lokalnie w każdym mieszkaniu, przy użyciu podgrzewacza gazowego. Poniżej omówię przebieg projektu dla centralnego przygotowania ciepłej wody. Pojęcie „centralne przygotowanie” może mieć w znaczeniu przygotowanie c.w.u.:

w węźle cieplnym grupowym zlokalizowanym w osobnym budynku (ciepła woda dopływa wtedy do budynku dwoma nitkami na wzór sieci cieplnej)
w węźle wymiennikowym w budynku, c.w.u. przygotowywana jest w wymienniku ciepła zlokalizowanym w kotłowni budynku

Pierwsze rozwiązanie jest korzystne dla budynków zlokalizowanych w zwartej miejskiej zabudowie, gdzie mała odległość pomiędzy budynkami pozwala ograniczyć straty ciepła przy przesyle c.w.u. Tutaj od razu uwaga! – wielkość strat ciepła jest kluczowa przy wyborze danego rozwiązania. Zbyt daleko położone budynki od węzła grupowego powinny być wyłączone z takiego systemu dystrybucji c.w.u. Nie ma jednocześnie sztywnego przepisu, który by podawał dopuszczalną odległość. Według zaleceń jeszcze z czasów PRL, gdzie węzły grupowe były powszechne w użyciu, odległość zasilanego budynku nie powinna być większa niż 400-500m. Obecnie te odległości zmniejszyłbym do max. 300m.

Jak duże są straty ciepła przy przesyle? Ogólnie zależą od średnicy rur i technologii montażu, bowiem temperatura c.w.u. jest tutaj stała w ciągu całego roku. Zmienia się tylko temperatura otaczającego gruntu. Większe straty wystąpią dla systemów jednorurowych, gdzie ciepła woda i cyrkulacja prowadzone są osobnymi przewodami pod ziemią. W systemach dwururowych (twinpipe), gdzie rura ciepłej wody i cyrkulacyjna znajdują sie w jednym płaszczu izolacyjnym, stary ciepła są średnio mniejsze o 30-40%.

Pamiętajmy, że ciepła woda stale krąży w zamkniętym obiegu wody ciepłej i cyrkulacji, nawet przy braku poboru wody w budynku. Krążenie zawsze wywołuje większe straty ciepła w rurach. Problem ten znają właściciele dużych domków jednorodzinnych z instalacja cyrkulacyjną i zasobnikiem c.w.u. Każde załączenie pompy cyrkulacyjnej powoduje wychładzanie wody w zasobniku. Nawet przy braku jej poboru konieczne jest wtedy okresowe dogrzewanie wody dla uzyskana parametrów ustawionych na termostacie. Utrata ciepła mierzona jest wtedy na każdy metr instalacji cyrkulacyjnej. Według firmy ELZAS, producenta rur preizolowanych, wielkość strat ciepła w rurach prowadzących c.w.u. o temperaturze 55-60°C, przy temperaturze otoczenia (gruntu) 8°C wynosi średnio:

6-7,5 W/m dla średnicy DN 20–25 / Dz 26,9–33,7 mm
8,5-11,0 W/m dla średnicy DN 40–50 / Dz 48,3–60,3 mm

Jeśli przyjąć odległość budynku rzędu 400m (długość rur pojedynczych 800m), wielkość strat ciepła w ciągu całego roku na przyłączu średnicy DN 50 wyniesie

Pamiętajmy, że te straty zostaną ujęte w bilansie rocznym kosztów przygotowania c.w.u. Ponieważ firmy rozliczają się w GJ, to porównajmy obie jednostki

1 GJ = 277, 78 kWh , stąd 77088 kWh to 277,5 GJ

Jaki to koszt? Cena zależy oczywiście od lokalnego dostawcy energii. W przypadku lubelskiego LPEC wynosi (2026) 98 zł/GJ, będzie to więc dodatkowy koszt dla mieszkańców w wysokości 27200zł/rok. Oczywiście nie podałem na ile mieszkań rozbije się ta kwota. Możemy dalej bawić się w obliczenia. Rura preizolowana o średnicy DN50, przy temp. wody 60°C oraz prędkości przepływu 1-1,5m/s, zapewnia ilość ciepłej wody dla około 100-150mieszkańców. Jest to w przybliżeniu 30-50 mieszkań. Skąd taka liczba?

W poprzednim projekcie liczyliśmy zapotrzebowanie cieplej wody. W jednym lokalu trzy przybory (umywalka, zlewozmywak i wanna) dały łącznie przepływ rzędu 0,47 dm³/s. W skali budynku z 40 lokalami będzie to 0,47×40 = 18,8 dm³/s. Podstawiając tę wartość do wzoru na przepływ obliczeniowy dla budynku mieszkalnego otrzymamy

To porównywalna wartość z przepływem chwilowym rury DN50. Dla prędkości 1,0-1,5 m/s przepływ ten wyniesie:

Zwracam uwagę, że rura prowadzi wodę o wyższej temperaturze niż woda użytkowa w punkcie czerpalnym (zwykle 45°C). Nasze obliczenia są więc jak najbardziej prawidłowe.

Mamy więc 40 mieszkań i kwotę 27200 zł. Przypada średnio 680 zł rocznie na mieszkanie. Czy to dużo w porównaniu do ceny za sama ciepłą wodę?

I znów pokuśmy się o krótkie obliczenia. Załóżmy że tych 125 mieszkańców zużywa średnio na dobę 120 litrów ciepłej wody o temp. 45°C. Roczne zapotrzebowanie energii do jej podgrzania wyniesie:

czyli 222285/277,78 = 800,21 GJ

Straty energii na przesyle z tytułu cyrkulacji c.w.u. będą więc stanowić istotny procent całkowitego jej zużycia.

Rozwiązanie drugie – w budynku, w wydzielonym pomieszczeniu projektowany jest węzeł cieplny, w którym w wymienniku ciepła przygotowywana jest c.w.u. Instalacja cyrkulacyjna krąży w tym wypadku tylko między węzłem, a pionami i zwykle kończy się „spinką” (wody ciepłej i cyrkulacji) na ostatniej kondygnacji budynku. Straty ciepła z tytułu cyrkulacji są tutaj dużo mniejsze, znacznie wyższe są natomiast koszty inwestycyjne. Dlaczego?

Węzeł cieplny to cały szereg urządzeń i skomplikowanej automatyki do zamocowania w piwnicy budynku. O wiele taniej jest wykonać jeden duży węzeł niż kilkanaście mniejszych. Spada wtedy ilość pomp, armatury, a duży wymiennik ciepła jest zawsze tańszy niż kilka mniejszych o tej samej łącznej mocy. Węzeł wymaga zawsze wydzielonego pomieszczenia z dostępem dla obsługi i serwisu. Nie każdy budynek takie miejsce posiada.

Zaletą węzła indywidualnego jest z kolei:

praca bezpośrednio dopasowana do parametrów danego budynku,
łatwość regulacji
mniejsza awaryjność (uszkodzenie węzła wyłącza tylko jeden budynek, podczas gdy w grupowym może dotyczyć wielu budynków)

Które rozwiązanie jest tańsze? To bardzo trudne pytanie wymagające analiz, znajomości lokalnego rynku, itp.. Pamiętajmy, że centralna ciepła woda ma swoją sezonowość. Czy będzie to węzeł grupowy czy indywidualny, zawsze inne koszty przygotowania c.w.u będą zimą niż latem. Czemu tak się dzieje? To efekt umów z zakładem energetycznym. W kosztach za c.w.u. spotkamy pozycję opłata przesyłowa. Jest to gotowość ZE na dostarczanie energii o każdej porze roku. W zimie, gdy sieć cieplna dostarcza energię na potrzeby c.o. i c.w.u., koszt przygotowania ciepłej wody jest mały, bowiem koszty przesyłowe rozpływają się na te dwa rodzaje energii, a zdecydowanie większe zapotrzebowanie wykazuje wtedy centralne ogrzewanie. W zimie sieć pracuje też na wysokich parametrach, jej sprawność jest więc optymalna, dopasowana do obliczeń hydraulicznych. Zupełnie inaczej jest w sezonie letnim. Sieć cieplna pracuje wtedy na obniżonych parametrach temperatury i ciśnienia. Dostarcza nadmiar ciepła wynikający ze strat przesyłowych. Wymuszona cyrkulacja powoduje jednocześnie, że tylko część tego ciepła znajduje pokrycie w opłatach za ciepłą wodę. Zakład Energetyczny przerzuca wtedy pozostałe koszty na koszty przesyłu i cena c.w.u. rośnie. Ponieważ płacimy ją ryczałtowo, nie zauważymy różnicy. Widzi ją tylko ZE.

Już z tego wstępu widać, że projektowanie podobnych rozwiązań nastręcza wiele pytań. Wykonanie poprawnego projektu wymaga tak naprawdę wielu podobnych kalkulacji, w różnych sytuacjach, układach i wymaganiach wysokościowych. Czasem dopiero informacje zwrotne o kosztach zakupionej energii potrafią odpowiedzieć na pytanie – czy dane rozwiązanie było optymalne?

Założenia do projektu

Tyle tytułem wstępu. Wiem, że dla wielu osób to co napisałem nie jest niczym nowym, ale na studia przychodzą też maturzyści po liceum, gdzie wiedza techniczna jest szczątkowa i zasada działania jakiegokolwiek systemu wymaga sięgania po wikipedię, lub AI.

Przejdźmy jednak do naszego projektu. Podkłady budowlane wykorzystam te same, może trochę je tylko zmodyfikuję. Nie stać mnie na ciągłe rysowanie nowych. Niech więc pozostaną też dane dotyczące geometrii budynku:

wysokość kondygnacji – 2,8m
rzędna terenu 120m n.p.m
rzędna podłogi w piwnicy 118,20m
rzędna podłogi parteru – 120,70m
przyłącze wody zimnej będzie poprowadzone na głębokości 1,8m poniżej poziomu terenu
woda ciepła i cyrkulacja będzie pochodzić z węzła grupowego
poziomy i piony wodociągowe będą wykonane z rur stalowych ocynkowanych
podejścia pod punkty czerpalne (lokalówki), będą w technologii trójnikowej z rur PEX/Al/PEX, poprowadzonych w podłodze
wodomierze lokalowe w klatce schodowej w szafce
wodomierze główne w wydzielonym pomieszczeniu w piwnicy
ciśnienie dyspozycyjne na przyłączu c.w.u. 32 m sł. wody

Spójrzmy na rzut piwnic. W pomieszczeniu technicznym mamy tym razem trzy przewody: wody zimnej, wody ciepłej i cyrkulacji. Przyłącze wody ciepłej z cyrkulacją może być też w innej części budynku. To kwestia usytuowania sieci cieplnej. Zwykle woda ciepła i cyrkulacja biegną obok przyłącza c.o. Na moim projekcie sieci c.o. nie ma, dla ułatwienia projektuję więc przyłącze wody ciepłej do tego samego pomieszczenia technicznego. Zwracam uwagę na oznakowanie przewodów. Nie jest zgodne z normą, woda ciepła powinna być linia punktową, a cyrkulacja wężykową. Na waszych projektach na pewno będzie poprawna.

Rys1 Rzut pomieszczenia technicznego w piwnicy.

Jak wygląda uzbrojenie na przyłączu do budynku instalacji ciepłej wody i cyrkulacji?

Ciepła woda

Po wejściu do budynku pierwszym elementem uzbrojenia jest tradycyjnie zawór odcinający kulowy, za nim jest wodomierz do wody ciepłej, czyli do pracy w wodzie o temp. do +90°C. Za wodomierzem zawór zwrotny, filtr siatkowy i zawór bezpieczeństwa. Ten ostatni chroni instalację przed nadmiernym ciśnieniem wody. Nasze pomieszczenie to nie węzeł cieplny, nie ma w nim naczynia wzbiorczego. Jednak nawet gdyby było, zawór bezpieczeństwa i tak jest niezbędny, stanowi drugi stopień zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem ciśnienia przy podgrzaniu wody.

Dodatkowymi elementami uzbrojenia są manometr (PI) i czujnik temperatury (TI). W nowoczesnych instalacjach czujniki tego typu powinny być ze zdalnym odczytem.

Cyrkulacja

Tutaj uzbrojenie (idąc od strony budynku w kierunku węzła grupowego) zaczyna się od zaworu odcinającego za którym jest drugi wodomierz do rozliczenia zużycia ciepłej wody (o tym za chwilę). Za wodomierzem filtr siatkowy i pompa cyrkulacyjna, następnie zawór zwrotny i kolejny zawór odcinający. Dopełnienie może stanowić drugi czujnik temperatury. Czujnik ten mierzy temperaturę wody powracającej do węzła. Zgodnie z przepisami temperatura wody powrotnej nie powinna być niższa niż 55°C.

To nie wszystko. Na podejściu pod pion, na przewodzie cyrkulacyjnym należy projektować zawór regulacyjny termostatyczny, np, Danfoss MTCV, AFRISO ATB-100, itp. Zawory tego typu są obowiązkowe w budynkach z kilkoma pionami cyrkulacyjnymi, bowiem regulują wtedy wielkość oporów przepływu w poszczególnych pętlach pełniąc rolę kryzy dławiącej. Jednak nawet przy jednym pionie (taka sytuacja będzie u nas) zawór termostatyczny jest zalecanym rozwiązaniem. Zapewnia on bowiem utrzymanie wymaganej temperatury w pionie, nie dopuszczając do zbytniego wychłodzenia lub przegrzania instalacji, pełni rolę dławienia nadmiaru ciśnienia wytarzanego przez pompę cyrkulacyjną, dopasowując charakterystykę hydrauliczną instalacji do charakterystyki pompy. Rozbudowane wersje zaworów mogą też posiadać możliwość spuszczania wody z pionu.

Czy na cyrkulacji niezbędna jest pompa?

Tak. Nasz budynek będzie zasilany z węzła grupowego. Teoretycznie pompa cyrkulacyjna może być zaprojektowana w węźle, jednak współcześnie zaleca się stosować dwie osobne pompy:

grupową, w węźle grupowym, która ma za zadanie zapewnić pokonanie oporów przepływu pomiędzy węzłem a budynkami
lokalną, zamocowana bezpośrednio w budynku, która ma wymusić obieg cyrkulacji w samym budynku. Ta ostatnia pompa zapewnia wymagane ciśnienie wody w najbardziej niekorzystnym punkcie czerpalnym pokonując opory przepływu instalacji w budynku.

Przy projektowaniu pompy cyrkulacyjnej należy zwrócić uwagę na ciśnienie dyspozycyjne w punkcie przyłącza ciepłej wody do budynku. Wartość ciśnienia dyspozycyjnego może być na tyle duża, że projektowanie dodatkowej pompy będzie zbędne.

Po co są dwa wodomierze, osobno na c.w.u. i cyrkulacji?

Generalnie chodzi o zasadę bilansowania energii. Wodomierz do c.w.u. mierzy ilość ciepłej wody dopływającej do budynku, wodomierz na cyrkulacji mierzy z kolei ilość ciepłej wody niezużytej, wracającej do węzła Różnica wskazań obu wodomierzy powinna dać wielkość zużycia ciepłej wody. Nie jest to końca możliwe i często staje się przyczyną protestów mieszkańców.

Tutaj kolejna uwaga! Każde mieszkanie ma swój wodomierz ciepłej wody na klatce schodowej. Jest on zamontowany tylko na wodzie ciepłej, nie ma drugiego na cyrkulacji. Jeśli nie ma zużycia wody w mieszkaniu na odgałęzieniu ciepłej wody jest bezruch, w pionie natomiast cały czas trwa przepływ wody, gdyż krąży ona w zamkniętym obiegu. Rozliczenie wody z mieszkańcem odbywa się według wodomierza mieszkaniowego. Teoretycznie suma wskazań wszystkich wodomierzy mieszkaniowych c.w.u. powinna dać identyczny wynik, jak różnica wskazań wodomierzy na przyłączu. Z doświadczeń spółdzielni mieszkaniowych wynika jednak coś innego. Wskazania te nigdy się nie zgadzają, a różnice potrafią być znaczne. Stad rozliczenie roczne i dodatkowe dopłaty.

Z jednej strony winę za to ponosi sam sprzęt pomiarowy. Wodomierze mają różną czułość, inaczej więc reagują na bardzo małe jak i na bardzo duże przepływy. Przyczyną może być nieszczelność poza budynkiem, na sieci, albo w samym węźle grupowym (np. cieknąca pompa). Rzadkim, ale jednak problemem jest też błędny dobór obu wodomierzy.

Wodomierz do wody ciepłej należy dobierać na maksymalny sekundowy przepływ obliczeniowy wynikający z obliczeń hydraulicznych instalacji c.w.u.

Wodomierz do cyrkulacji dobiera się na przepływ w przewodzie cyrkulacyjnym, który z kolei zależy od wielkości strat ciepła w przewodach.

Oba wodomierze powinny mieć bardzo wysoką klasę metrologiczną i pokrywające się charakterystyki pomiarowe. Mówimy wtedy, że są „metrologicznie sparowane”, czyli mierząc różne przepływy mają takie same wskazania.

Przejdźmy jednak do rysunków. Na początek rzut piwnic.

Rys.2 Rzut piwnic

Nie mamy w tym wypadku osobnych pionów instalacyjnych. Jest jeden wspólny, który będzie biegł przez całą wysokość budynku w klatce schodowej. Pamiętajmy, że w takim rozwiązaniu klatka schodowa staje się miejscem dla rozliczeń mieszkańców z mediów. W szafkach znajdą się więc wodomierze dla ciepłej i zimnej wody, ciepłomierze dla rozliczenia kosztów c.o., gazomierze, a także liczniki energii elektrycznej. Nie możemy więc planować pionu w dowolnym miejscu. Jeśli mamy podkład budowlany z usytuowaniem pozostałych mediów, musimy dopasować się do ich położenia. Z punktu widzenia przepisów liczniki energii elektrycznej nie powinny być we wspólnych szafkach z gazomierzami. Tutaj mamy tylko dwa osobne lokale, większość elementów może być zamocowana jeden nad drugim. Same wodomierze mogą być na dole ścianki, ich minimalna odległość od podłogi wynosi 40cm. Ja zaplanowałem je w lewym (patrząc na ścianę) rogu klatki schodowej, ale teoretycznie mogą być w położeniu prawym jak i środkowym.

Rys.3 Szczegół wyjścia z pionów wody zimnej i ciepłej.

Na rys. 3 mamy szczegół rozprowadzenia przewodów z szafki. Od pionu biegnie rura, która rozgałęzia się na dwa lokale. Na każdym odgałęzieniu jest zawór odcinający i wodomierz. Za wodomierzami rury pobiegną w dół do podłogi i wejdą z korytarza do mieszkań pod tzw. „ślepym progiem ościeżnicy”. To newralgiczny odcinek instalacji narażony na uszkodzenia, dlatego dałem na nim rury ochronne. W praktyce monterzy wykonują wszystkie przewody biegnące w podłodze w rurach osłonowych karbowanych „peschla”, jednak sama rura peschla w tym wypadku nie wystarczy. W przejściach pod progami powinniśmy prowadzić przewody w rurach stalowych wystających poza próg minimum 10-15cm. Skąd taka ostrożność? To efekt działania przyszłych mieszkańców. Wiele osób na własny koszt wymienia w przyszłości drzwi razem z ościeżnicą i aby ją wykuć trzeba użyć młota pneumatycznego. Łatwo wtedy o uszkodzenia delikatnych tworzywowych rur PEX/Al/PEX.

Jak wygląda dalej nasza instalacja? W założeniach do projektu przyjęliśmy system trójnikowy. Oznacza to, że w podłodze będą biegły obok siebie dwa przewody (wody zimnej i ciepłej) i po drodze będą za pomocą odgałęzień zasilać poszczególne punkty czerpalne. Rys.4 poniżej.

Rys.4 Rzut kondygnacji powtarzalnej.

W praktyce przebieg w podłodze będzie nieco inny, ale tym przejmuje się monter. Rur nigdy nie należy napinać w trakcie montażu, muszą mieć możliwość pracy termicznej. Staramy się też minimalizować długość trasy przewodów, bowiem obowiązują nas przepisy o cyrkulacji. Jeśli objętość wody na podejściu od pionu do przyborów przekracza w rurach 3 dm³, należy też wydłużyć cyrkulację wprowadzając trzeci przewód do mieszkania i kończąc trójnikiem na podejściu cieplej wody (ochrona przed Legionellą). Powoduje to kolejne problemy z rozliczeniem za ciepłą wodę, dlatego sytuacji tej należy unikać.

Jaka jest zaleta systemu trójnikowego? Wodomierze są w klatce schodowej, tym samym nie ma potrzeby wchodzenia do mieszkania w celu ich odczytu. Główne zawory są poza mieszkaniem. Jeśli lokator zalega z płatnościami, można mu odciąć dopływ do mediów. W mieszkaniu jest też mniejszy hałas spowodowany przepływem wody w rurach (piony w korytarzu).

Wadą jest brak możliwości, lub mocno utrudnione stosowanie ogrzewania podłogowego, jak też konieczność wykonywania znacznie grubszej wylewki dla skrycia wszystkich rur. Jakiekolwiek ich uszkodzenie jest też znacznie trudniejsze do wykrycia i wymaga z reguły kamery termowizyjnej.