KATEDRA BUDOWNICTWA WODNEGO Przygotowanie ciepłej wody użytkowej AKADEMIA ROLNICZA IM. A.CIESZKOWSKIEGO W POZNANIU KATEDRA BUDOWNICTWA WODNEGO INSTALACJE SANITARNE Przygotowanie ciepłej wody użytkowej - Teoria i obliczenia - mgr inż. Jakub Mazurkiewicz www.au.poznan.pl/kbw/ 3 grudnia 2006

Spis zagadnień Definicja ciepłej wody użytkowej (CWU). Energia do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Rodzaje urządzeń do podgrzewu wody. Definicje ciepła. Obliczenie zapotrzebowania energii i mocy do przygotowania CWU. Arkusz usprawniający w/w obliczenia. Skale doborowe: „gwiazdkowa” i „uśmiechu”. 3 grudnia 2006

z możliwością przegrzewu powyżej 70’C. Definicja CWU wg rozp. MI z 12 kwietnia 2002 w sprawie war. tech., jakim powinny odp. budynki, CWU to woda o temp. 55 – 60’C z możliwością przegrzewu powyżej 70’C. 3 grudnia 2006

Rodzaje źródeł energii do przygotowania CWU. 3 grudnia 2006

3 grudnia 2006

Ciepło Ciepło to jedna z postaci energii zawartej w materiale. jest to ilość energii wewnętrznej, która przechodzi między układem, a otoczeniem, ilość tej energii wyrażona jest w kaloriach (cal) lub w dżulach (J) 1 cal = 4,186 J 1 MJ = 1000 kJ = 1 000 000 J 1 kWh = 3,6 MJ 1 KM = 0,74 kW Ciepłem właściwym nazywamy ilość ciepła pobraną lub oddaną przez 1 gram substancji podczas zmiany temperatury o jeden stopień Jednostką ciepła właściwego jest cal/g* st.C 3 grudnia 2006

Ciepło spalania a wartość opałowa to ilość energii (ciepła), która ulega wyzwoleniu podczas spalenia danej substancji. Jeżeli produktem spalania jest para wodna, to ciepło spalania powiększa się również o ciepło kondensacji pary wodnej. Zakładając, że spali się całe paliwo (spalanie całkowite) i że spalanie jest zupełne (tzn. w spalinach nie ma palnych substancji). Wartość opałowa to ta samą ilością energii (ciepła), jednak w tym przypadku skraplania pary wodnej nie uwzględniamy. Pozostałe warunki są bez zmian. 3 grudnia 2006

Ciepło spalania a wartość opałowa Ponieważ są to wielkości podobne pod względem definicji, ale dość różne liczbowo, ważne jest zwracanie uwagi przy wszelkich tabelkach czy zestawieniach na to, która wielkość jest podawana. Jeżeli przy obliczeniach nie wiadomo, z której należy skorzystać, to można przyjąć, że jeżeli spaliny po opuszczeniu urządzenia będą mieć poniżej 100°C, wtedy można zakładać, że w urządzeniu para wodna ze spalin się skropli (tj. w kotłach kondensacyjnych) i obowiązującą wielkością będzie ciepło spalania. Jeżeli ta temperatura jest wyższa (np. w silnikach spalinowych), należy skorzystać z wartości opałowej. 3 grudnia 2006

Ciepło spalania a wartość opałowa Wartość opałowa < ciepła spalania o ilość ciepła potrzebną do odparowania wody zawartej w produktach spalania w postaci pary wodnej. Sprawności urządzeń i procesów najczęściej odnoszone są do wartości opałowej paliwa. Stąd w przypadku urządzeń wykorzystujących ciepło kondensacji pary wodnej ze spalin, można spotkać się ze sprawnością przekraczającą 100%, co jest efektem przyjętej niegdyś konwencji. 3 grudnia 2006

Wartość opałowa jest to efekt cieplny spalania bez uwzględnienia ciepła skraplania spalin (zakłada się że para wodna zawarta w spalinach nie ulega skropleniu): Wop = Qsp - r *(K+w) Qsp - ciepło spalania r - ciepło parowania wody w temp. 0 st.C K - ilość wody powstającej w czasie spalania w - zawartość wilgoci w paliwie w-zawartość wilgoci w paliwie - wyrażone w ułamku dziesiętnym (%/100) 3 grudnia 2006

Obliczenie zapotrzebowania na CWU wg normy PN-92/B-01706 qdśr = U * qc qhśr = qdśr / ĩ qhmax = qhśr * Nh Uwaga: obliczone zgodnie z normą PN-92/B-01706 wskaźniki zużycia CWU oraz nierównomierności jej poboru dają zawyżone wyniki zapotrzebowania na moc cieplną. 3 grudnia 2006

Obliczenie zapotrzebowania na CWU wg normy PN-92/B-01706, przykład il. użytkowników (5 mieszkańców) U= 5 j.n jednostkowe dobowe zapotrzebowanie na CWU użytkownika qc= 120 l/d liczba godzin użytkowania instalacji w ciągu doby ĩ = 18 g/d współczynnik godzinowej nierównomierności rozbioru 9,32*U^-0,244 Nh= 6 - średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę qdśr= 600 średnie godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę qhśr= 33,3 l/h maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę qhmax= 209,8 3 grudnia 2006

Energia potrzebna do podgrzania wody Temp. na wypływie z wylewki ok. 45°C. Przyjmujemy, że zimna woda wodociągowa ma temp. 10°C, a więc musimy podgrzać wodę wodociągową o min. 35°C. Ilość energii potrzebna do podgrzania 1 m3 wody wyniesie wg wzoru: Ecw – energia potrzebna do przygotowania CWU [kJ/d] Ccw – ciepło właściwe wody [kJ/kg*C] q – gęstość wody [kg/m3] Qcw – ilość wody do podgrzania [m3/d] tc – temp. wody na wyjściu z „podgrzewacza” [C] tz – temp. wody na wejściu do „podgrzewacza” [C] Z powyższego wzoru wynika, że na podgrzanie wody do kąpieli np. w 100 litrowej wannie potrzebować będziemy: ? 3 grudnia 2006

Energia potrzebna do podgrzania wody, przykład średnie godzinowe zapotrzebowanie na CWU l/h (qhmax/1000) qhmax= 0,2 m3/h ciepło właściwe wody Cw= 4,2 kJ/(kg*st.C) gęstość wody g= 1000 kg/m3 temperatura wody ciepłej tc= 60 st.C temperatura wody zimnej tz= 10 obliczeniowa moc cieplna urządzenia podgrzewającego CWU P= 34112 kJ 1W = 1J/s dla 1 godz.= 3600s to P/3600 więc- 9,5 kW 3 grudnia 2006

Dobranie zasobnika, do w/w przykładu (współpracującego z kotłem do 25 kW) Należy zamontować zasobnik pojemnościowy model SO160-1 firmy Junkers, pojemność zasobnika- 153 l, o wydajności ciepłej wody w czasie 62 min. o temp. ok. 60 st.C, temp zasilania 85 st.C co daje 237 l/godz. Przy mocy grzewczej 11,0 kW. Czy należy uznać ten dobór za właściwy? Jaki kocioł można by zaproponować, by spełnić wymagania komfortu CWU? Porównaj swój wybór ze skalą „gwiazdkową” i ze skalą „uśmiechu” 3 grudnia 2006

Arkusz usprawniający obliczenia Sumaryczny koszt roczny CWU Obliczenie zapotrzebowania na ciepło i moc cieplną dla domu jednorodzinnego na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej (w stanie istniejącym) 1 Liczba użytkowników N =   osób 2 Współczynnik godzinowy nierównomierności rozbioru CWU Nh= 9,32 N^-0,244 - 3 Jednostkowe dobowe zapotrzebowanie na CWU dla 1 użytkownika domu jednorodzinnego (na podstawie analizy zużycia w 2000 roku) VN≈0,035 m3/d 4 Średnie dobowe zapotrzebowanie cwu w budynku Vdsred=N*VN= 5 Średnie godzinowe zapotrzebowanie cwu Vhsred=Vdsred/18= m3/h 6 Zapotrzebowanie na ciepło na ogrzanie 1 m3 wody Qcwj=cw*p*(tc-tzw)hwhp=4,186*1*(60-10)hwhp/103 GJ/m3 7 Max. moc cieplna qcw=Vhsred*Qcwj*278= kW 8 Roczne zużycie cwu (temp. w podgrzewaczu: 60'C) Vcw=Vdsred*365= m3 9 Zapotrzebowanie na cieplo dla przygotowania cwu Qcw = GJ 10 Koszt przygotowanie cwu (Qcw/ Wop) * Oz + qcw*Om*12 + Ks= zł 11 Koszt wody zimnej Vcw*3,2 = 12 Sumaryczny koszt roczny CWU 13 Średni koszt 1 m3 CWU zł/m3 3 grudnia 2006

Objaśnienia do arkusza hw = sprawność źródła ciepła (tab. 1) hp = sprawność przesyłu (tab. 2) Nn = współczynnik nierównomierności rozbioru Wop = wartość opałowa energii/paliwa GJ/m3 (tab. 3) Oz = opłata zmienna (tu cena za jedn. paliwa) Om = opłata miesięczna (abonament + opłaty przesyłowe) Ks = koszty stałe (obsługi, remontów itp.) 3 grudnia 2006

Tab. 1. SPRAWNOŚĆ WYTWARZANIA CIEPŁA ŋw rodzaj źródła (kocioł/piec) rodzaj paliwa sprawność wytwarzania ciepła ŋw kotły z palnikami atmosferycznymi gazowe/płynne 0,68-0,86 kotły z palnikami wentylatorowymi 0,75-0,88 kotły kondensacyjne gazowe 0,95-1,00 kotły elektryczne przepływowe prąd elektryczny 0,94 kotły elektryczne 0,97 piece tzw. metalowe stałe 0,55-0,65 kotły wrzutowe (do 100 kW; obsługa ręczna) stałe, tj.: drewno, brykiet, pelet, zrębki drewniane 0,65-0,72 3 grudnia 2006

Tab. 2. SPRAWNOŚĆ PRZESYŁU CIEPŁEJ WODY ŋp rodzaj instalacji CWU sprawność przesyłu CWU ŋp miejscowe przygotowanie CWU bezpośrednio przy punktach poboru 1,0 miejscowe przygotowanie CWU dla grupy punktów poboru w jednym pomieszczeniu 0,8 centralne przygotowanie CWU (bez cyrkulacji) 0,6 centralne przygotowanie CWU (z cyrkulacją; instalacja zaizolowana) 0,7 3 grudnia 2006

rodzaj energii/paliwa Tab. 3. WARTOŚCI OPAŁOWE I ORIENTACYJNE CENY ENERGII/PALIW (na sezon grzewczy 9-12 2006 r.) rodzaj energii/paliwa wartość opałowa Wop jednostka cena jedn. brutto kJ/a a zł/a gaz ziemny wysokometanowy "E" 35622 m3 1,473 gaz ziemny zaazotowany "Ls" 26746 0,939 propan techniczny ** 25020 dm3 2,250 olej opałowy 36636 2,560 węgiel kostka II gat. ** 28000 kg 0,500 pelet 17640 0,400 drewno kominkowe 15000 0,285 prąd elektryczny trójfazowy - kWh 0,382 ** bez kosztów transportu, dzierżawy zbiornika, rozładunku itp. Przykładowo dla gazu: Om = opłata miesięczna (abonament + opłaty przesyłowe) ok. 25 zł/m-c Ks = koszty stałe (obsługi, remontów itp.) ok. 100 zł/rok 3 grudnia 2006

„Skala gwiazdkowa” (rys. poniżej) 3 grudnia 2006

„Skala uśmiechu” (rys. 5) 3 grudnia 2006

ZAPRASZAM DO OWOCNEJ PRACY... DZIĘKUJĘ ZAPRASZAM DO OWOCNEJ PRACY... W opracowaniu oparto się na materiałach pochodzących z Biblioteki Fundacji Poszanowania Energii z Warszawy Rynek Instalacyjny nr 6/2006; Polski Instalator 9/2006, 7-8/2006, 7-8/2005 oraz materiały firm: Hoval, Junkers, Vaillant, Viessmann 3 grudnia 2006