Systemy ogrzewania

Komfort termiczny, czyli…?
Komfort termiczny zależy od wielu czynników, które można podzielić na cztery główne kategorie:

Parametry zewnętrzne otoczenia – do których zaliczymy temperaturę i wilgotność otoczenia, ciśnienie i promieniowanie cieplne;
Indywidualne czynniki organizmu – metabolizm, wiek, płeć i stan zdrowia, w jakim się znajdujemy;
Intensywna aktywność fizyczna;
Izolacja termiczna, jaką zapewnia nam odzież.
Uwzględniając wyłącznie trzy ostatnie czynniki, widzimy, że kilka czy kilkanaście osób reprezentujących każdy z czynników w jego skrajnych skalach, przy tych samych parametrach otoczenia, tej samej temperaturze w pomieszczeniu, ciśnieniu i wilgotności, może w odmienny sposób odczuwać komfort termiczny. Wielokrotnie zdarzało się, że doświadczyliście narzekania współpracowników: „Jak tu gorąco”, albo „Czy tu nie jest za zimno?” i każdy z nich w tym samym czasie reprezentuje inną opinię. Tak jak część przestrzeni biurowych, jakie tworzą pracodawcy, aby spełnić oczekiwania pracowników, dobiera się do pracy głośniej, jak i cichej, być może trzeba będzie jeszcze podzielić na odpowiednie powierzchnie o niższych i wyższych temperaturach otoczenia? Inaczej temperaturę 20 st. C będzie postrzegał pracownik sklepu niewykonujący większej aktywności fizycznie, a inaczej klient, który wchodzi na zakupy w ciepłej kurteczce. Jak już widzicie, sprostanie oczekiwaniom wszystkich organizmów ludzkich jest niezwykle trudne ze względu na indywidualne cechy organizmów, jak i ich uwarunkowania.

Próby konsensusu 
Projektanci i instalatorzy – na podstawie obowiązujących norm i przepisów – dokładają wszelkich starań, aby wspomniane warunki termiczne w zakresie ogrzewania dopasować do pomieszczeń, ich przeznaczenia i wielkości.

Postawą jest zapewnienie odpowiedniej ilości wymian powietrza, z uwzględnieniem regulacji temperatury i wilgotności. Dziś tą ilość w obiegu zamkniętym możemy regulować również stężeniem CO2, odpowiadającym ilości osób. I tu z jednej strony moglibyśmy przymknąć zawory na nagrzewnicach (ze względu na większy udział odzysku ciepła z organizmu człowieka), z drugiej natomiast zwiększyć udział świeżego powietrza (ze względu na potrzebę ograniczenia CO2). Przy odpowiednio niskich temperaturach na zewnątrz podgrzewanych pomieszczeń, a także zwiększeniu udziału powietrza świeżego trzeba będzie te zawory od nagrzewnic otworzyć, aby zimne powietrze ogrzać.

Proces regulacji powinien przebiegać płynnie i w sposób ciągły. Takie sterowanie zapewniają czujniki i siłowniki sterowane przez systemy automatyki (lub dla większych powierzchni) oraz instalacji bardziej rozbudowane BMSy. Większe ilości powietrza ciepłego to również konieczność intensywniejszego nawilżania, dziś bardzo ważna funkcja, zwłaszcza w budynkach biurowych, gdyż pracownicy patrzą na jakość tego parametru, często wręcz wpisując w umowy najmu dopuszczalne przedziały, jakie musi spełnić wynajmujący w tym zakresie.

Nowoczesne wymagania, nowoczesna technologia
BMSy nadzorują nie tylko sam proces wentylowania, podgrzewania i nawilżania. Ważnym elementem jest współpraca z wymiennikami ciepła czy kotłowniami przygotowującymi gorącą wodę do procesów grzania. Zapewnienie odpowiednich parametrów wody w obiegu centralnego ogrzewania (CO) na zasilaniu nagrzewnic central wentylacyjnych pracujących na dużych powierzchniach, aparatów grzewczo wentylacyjnych na nieco mniejszych czy kurtyn i grzejników w pojedynczych pomieszczeniach jest ważnym elementem całego systemu ogrzewania.

Woda o parametrze projektowym na zasilaniu instalacji powinna być doprowadzona do urządzeń wykonawczych bez strat na rurociągach i przy odpowiednim przepływie po to, aby zapewnić ich poprawną pracę. Po przejściu przez cały obiekt woda wracająca do źródła ciepła też ma swój projektowany parametr. W systemie dystrybucji gorącej wody ważne są odpowiednio dobrane przekroje rurociągów zapewniające prawidłowe przepływy oraz ich dobra izolacja uniemożliwiająca straty ciepła. Duże znaczenie w dalszej eksploatacji i pracy urządzeń ma zarówno woda, jak i jej jakość. W większości istniejących instalacji przy zbyt twardej wodzie będzie ona, wchodząc w reakcje z rurami stalowymi, powodowała ich korozję i osadzania kamienia na wewnętrznych ściankach rur. To z kolei zmniejszy średnicę rur i ich przepływ. Korozja jest równie groźna dla nagrzewnic, gdzie jej osadzanie się obniża ich sprawność, blokując pełne oddawanie ciepła w lamelach, uniemożliwiając jego przedostawania się przez warstwę kamienia. Rozwiązaniem tego problemu są stacje uzdatniania wody lub pozyskiwanie tej wody uzdatnionej z sieci miejskiej dostarczanej przez PEC po zamontowaniu odpowiedniego reduktora i oczywiście wodomierza, według którego za pobranie wody uzdatnionej z sieci PEC do sieci wewnętrznej CO odbiorca rozliczy się z PECem. Ten drugi sposób eliminuje inwestycje w montaż i podłączenie oraz utrzymanie stacji uzdatniania wody po stronie odbiorcy, czyli zarządcy obiektu.

Ciepło miejskie 
Wracając do źródeł ciepła i naszych wymiennikowni zasilanych ciepłem miejskim na wysokim parametrze, to ich wielkość i moc należy odpowiednio dobrać do zapotrzebowania pomieszczeń w budynku. Często spotkamy się z więcej niż jednym wymiennikiem pracującym w budynku. Takie sekcjonowanie może zapewnić z jednej strony optymalizację pracy wymienników, a z drugiej – odstawienie serwisowe (awaryjne) jednej części przy jednoczesnym zapewnieniu ciągłości ogrzewania podczas pracy pozostałych wymienników.

Analogiczna sytuacja spotykana jest w kotłowniach obiektowych, gdzie gorąca woda jest przygotowywana na miejscu w budynku. To w obiektach w pobliżu instalacji gazowych przy braku lub nieopłacalności budowy rurociągów z miejskich PECów. Kilka razy uczestniczyłem w analizie kosztów budowy i eksploatacji źródeł ogrzewania budynków. Rodzi się wówczas pytanie: Co jest tańsze na etapie inwestycji – kotłownia czy wymiennikownia? Co będzie tańsze na etapie eksploatacji – gaz czy CO? W ciągu ostatnich lat odpowiedź na drugie pytanie zmieniała się w zależności od ceny gazu i ciepła miejskiego. W kwestii tego pierwszego, istotnym elementem będzie odległość obiektu od magistrali CO czy rurociągu gazu, do którego można się przyłączyć ze stacją redukcyjna, a także udział dostawcy czynnika w kosztach inwestycji. Każdą lokalizację musimy tu rozpatrywać indywidualnie.

Oprócz tych dwóch źródeł przygotowania gorącej wody, będącej czynnikiem oddającym ciepło do powietrza nawiewanego do pomieszczeń, występują również centrale wentylacyjne z nagrzewnicami elektrycznymi i gazowymi. W obu tych przypadkach  ciepło wytwarzane jest w samym urządzeniu. Nagrzewnica elektryczna, w której nagrzewa się powietrze, będzie zasilana z rozdzielni elektrycznej i znacznie obciąży system energetyczny obiektu.

W przypadku nagrzewnic gazowych do urządzenia należy doprowadzić rurę z gazem – jego dopływ i regulacja palników będzie elementem decydującym o ilości ciepła ogrzewającego powietrze. Dla lokalnych urządzeń, o których wcześniej już wspomniałem, aparatów grzewczo–wentylacyjnych, kurtyn czy grzejników oraz gazu nie zastosujemy, ze względu na bezpieczeństwo i budowę. Tu jedynym bezpiecznym dziś źródłem ciepła będzie energia elektryczna.

Zwiększenie wydajności instalacji ogrzewania obecnie uzyskujemy, wykorzystując rekuperację, tzn. odbiór ciepła (jak również chłodu) z wywiewanego powietrza i przekazanie do powietrza nawiewanego. Mniej popularne i opłacalne inwestycyjnie są gruntowe wymienniki ciepłą. Ze względu na swoją budowę i konieczność umieszczanie często dużych przekrojów rur w ziemi tak, aby powietrze przez nie przepuszczone w zimie odebrało od ziemi ciepło, a w lecie chłód. Ogrzane wstępnie w gruncie powietrze trafiające dalej na nagrzewnice w układach ogrzewania budynków wymagało będzie mniejszej ilości energii cieplnej do uzyskania zadanej temperatury nawiewu w budynku.

Część użytkowników odzyskuje ciepło z instalacji chłodniczych (meble chłodnicze czy mroźnie), co daje dobre efekty wstępnego podgrzewania czynnika grzewczego. Powstają też przy obiektach zespoły kogeneracyjne produkujących energię elektryczną z gazu, a czynnik ciepła wytwarzanego podczas tego procesu jest w całości wykorzystywany w procesach ogrzewania wody. Można rzec, oba procesy bezstratne, gdyż całą wytworzona energia zarówno ta elektryczna jaki cieplna, są w pełni wykorzystywanie w obiekcie.

Projekt instalacji a profil użytkownika
Projektując centralne systemy ogrzewania, dopytajmy końcowego użytkownika o sposób pracy budynku, godziny i dni, w jakich będzie wymagany parametr komfortu termicznego w poszczególnych pomieszczeniach. Nie zawsze cały budynek będzie w identyczny sposób użytkowany, podobnie jak w przypadku preferowanych godzin i dni. Obserwując z poziomu zarządcy budynku możliwości wyboru pomieszczeń do pełnego sterowania ciepłem, często nie mamy możliwości ograniczenia dostawy ciepła do wybranych powierzchni przez brak podziału instalacji. Jeżeli część pomieszczeń ma pracować w dni (w godzinach), które dla pozostałych najemców są dniami wolnymi i moglibyśmy dla nich obniżyć temperaturę, to oczywistą stratą będzie ogrzewania całej strefy przy braku możliwości podziału na sekcje. Oczywiście pamiętamy również o utrzymaniu minimalnych parametrów temperatury wewnątrz budynku poza godzinami pracy, po pierwsze – aby go nadmiernie nie wychłodzić, po drugie – aby nie dopuścić do przemarzania instalacji wodnych w nim się znajdujących.

Termowizja jako sposób na straty ciepła
W procesie ogrzewania ogromne wsparcie stanowi dziś termowizja – nie tylko w odniesieniu do instalacji, lecz także samego budynku. Badając całą trasę ciepła (od źródła do urządzeń końcowych) znajdziemy i wyeliminujemy miejsca słabej izolacji. Uszczelniając je ograniczymy straty. Podobnie termowizja przegród budowlanych, czyli elewacji i dachu budynku wskaże nam mostki cieplne oraz miejsce ucieczki ciepła w wyniku słabszej izolacji ścian, dachu, obróbki okien, drzwi i przepustów przez dach. Eliminując wspomniane mostki zmniejszymy straty, a co za tym idzie, ilość ciepła potrzebną do ogrzania budynku. Należy zwrócić również uwagę na posadzki w budynkach, w których występują podziemne parkingi, zwłaszcza te otwarte – nieogrzewane. Tam izolacja stropu jest równie ważna jak ścian i dachu. Słabym elementem obiektów i miejscem przedostawania się chłodu do budynku są drzwi, często te rozsuwane fotokomórką. Dobrym rozwiązaniem jest projektowanie wiatrołapów czy przedsionków stanowiących strefy buforowe ograniczające napływ chłodnego powietrza do budynku.

Innym, praktyczniejszym rozwiązaniem zapewniającym większą szczelność, będą drzwi obrotowe, które – same w sobie – stanowią przedsionek w postaci bufora. Nie powinno się zapominać o strefach dostaw i dokach rozładunkowych – tam równie często chłód wchodzi nieproszony do wnętrza budynków.

Oczywiście nie tylko termowizja zapewnia optymalną pracę instancji ogrzewania. Regularne przeglądy konserwacyjne urządzeń grzewczych i szybka naprawa uszkodzonych elementów to podstawa nieprzerwanej pracy instalacji. Obowiązkowy przegląd przed sezonem grzewczym, zalecany po sezonie grzewczym i rekomendowany w szczycie sezonu wykonany przez kompetentny serwis zapewnią spokojną eksploatację zarządcy obiektu.

Jak widać ogrzewanie to nie tylko dobrze zaprojektowane, wykonane i serwisowane urządzenia potocznie zwane HVAC, lecz także odpowiednio zaprogramowany system sterowania BMS, świadomy operator systemu – zarządca budynku oraz sama jego szczelna i dobrze izolowana bryła. Obecnie w sterowaniu systemami BMS wspiera zarządców sztuczna inteligencja, która – na podstawie danych, jakie zbiera z budynku – potrafi wyprzedzać pewne zdarzenia oraz optymalizować proces ogrzewania. No ale to już temat na oddzielny artykuł.