Leksykon techniki grzewczej – przystępne objaśnienie pojęć

Nasz leksykon techniki grzewczej zawiera informacje i objaśnienia, dotyczące zarówno pojęć z zakresu techniki grzewczych, jak i specyficznych dla firmy Viessmann wyrażeń fachowych.


Straty kominowe

Przy spalaniu oleju lub gazu w kotle grzewczym nie można przekazać systemowi grzewczemu całej energii zużytego paliwa, bez żadnych strat. Ciepłe spaliny uchodzące do atmosfery przez komin, zawierają stosunkowo dużą ilość ciepła. To utracone ciepło nazywamy stratą kominową.

Przy corocznym przeglądzie kotła serwisant sprawdza analizatorem spalin, czy jakość spalania i strata kominowa odpowiada przepisom ustawowym. Sprawdza on, jak działa palnik i czy instalacja jest bezpieczna. Nawet jeśli serwisant stwierdzi wartości zgodne z przepisami, to nie mówi to jeszcze wiele o rzeczywistym wykorzystaniu energii przez wytwornicę ciepła, czyli o tzw. sprawności znormalizowanej, gdyż wpływ na nią ma także wielkość strat powierzchniowych (skuteczność izolacji).

Przekrój przez kolektor słoneczny

Absorber

Absorbery są integralnymi częściami składowymi każdego kolektora słonecznego. Umieszczane są one pod przezroczystym, niskorefleksyjnym przykryciem i wystawiane na bezpośrednie promieniowanie słoneczne.

Absorber pochłania (absorbuje) promieniowanie słoneczne niemal w całości i przekształca je w energię cieplną. Wysoką sprawnością sięgającą 95% wyróżniają się absorbery, które posiadają tzw. pokrycie wysokoselektywne. Selektywność powłoki absorbera sprawia, że pochłaniane jest 17x więcej energii niż w przypadku zwykłej poczernionej blachy.

Moduł kogeneracyjny (BHKW)

Moduł kogeneracyjny (BHKW) składa się zasadniczo z gazowego silnika spalinowego, generatora synchronicznego i wymiennika ciepła. Napędzany silnikiem spalinowym (maszyną napędową) generator synchroniczny (maszyna robocza) wytwarza prąd trójfazowy o częstotliwości 50 Hz i napięciu 400 V, który z reguły jest wykorzystywany na potrzeby własnych użytkownika.

Moduł kogeneracyjny jest przyłączony elektrycznie do sieci energetycznej niskiego napięcia (poziom napięciowy 0,4 kV). Z reguły moduły kogeneracyjne współpracują równolegle z publiczną siecią energetyczną. Dzięki zastosowaniu generatorów synchronicznych możliwa jest jednak także praca rezerwowa tzw. praca wyspowa.

Nadmiar wytworzonego prądu można oddać do sieci operatora systemu dystrybucyjnego (OSD). Silnik wytwarza również ciepło, które odbierane jest przez tzw. wewnętrzny obieg chłodzący, kolejno z oleju silnikowego, wody chłodzącej silnik oraz ze spalin i przekazywane w płytowym wymienniku ciepła do systemu grzewczego.

Taki system wytwarzania i wykorzystywania energii nazywa się „kogeneracją“ lub „skojarzoną gospodarką energetyczną (ang. CHP Combined Heat and Power), gdyż pozwala na równoczesne wykorzystanie energii mechanicznej do napędu generatora wytwarzającego prąd, jak i ciepła powstającego przy pracy silnika.

Schemat działania

Zasilany gazem silnik spalinowy napędza generator, wytwarzający prąd. Powstające przy pracy silnika spalinowego ciepło jest odbierane z jego wody chłodzącej i spalin przez wymiennik ciepła i wykorzystywane w celach grzewczych.

Schemat działania Modułu kogeneracyjnego (BHKW)

Mikrokogeneracja

Zdecentralizowane wytwarzanie ciepła i prądu nabiera coraz większego znaczenia. Viessmann oferuje rozwiązania, które mogą przyczynić się do rozwiązania problemu skompensowania przypadkowości podaży prądu z energii odnawialnych. Zamiast elektrowni jądrowych i konwencjonalnych elektrowni cieplnych zbudowano dużą liczbę farm wiatrowych i instalacji fotowoltaicznych.

Ponieważ jednak działają one w sposób niestabilny i nieprzewidywalny, ważnym czynnikiem powodzenia transformacji energetycznej będą łatwo sterowalne instalacje kogeneracyjne.

Zdecentralizowane wytwarzanie prądu

Istotny wkład w pokrycie zapotrzebowania energii elektrycznej, podczas okresu obniżonej produkcji z urządzeń energii odnawialnych mogą wnieść decentralne systemy mikrokogeneracji. Ponieważ prąd jest wytwarzany lokalnie i zużywany na miejscu, pozwala to ponadto odciążyć sieci przesyłowe. Własne, skojarzone wytwarzania prądu i ciepła eliminuje pobór prądu z sieci publicznej. W kombinacji z akumulatorami energii elektrycznej systemy mikrokogeneracji pozwalają na zapewnienie sobie całkowitej samowystarczalności w zasilaniu prądem.

System mikrokogeneracji

[1] Urządzenie mikrokogeneracyjne
[2] Zasobnik buforowy wody grzewczej Vitocell 340-M
[3] Akumulator prądu Vitovolt
[4] Falownik (akumulatora prądu)
[5] Obieg grzewczy
[6] Odbiorniki
[7] Licznik
[8] Domowa sieć elektryczna
[9] Menedżer budynku
[10] Publiczna sieć energetyczna
[11] Radiowy pilot zdalnej obsługi

System mikrokogeneracji
Biwalentny podgrzew CWU

Biwalentny podgrzew CWU

W przypadku biwalentnego podgrzewu CWU ciepła woda jest podgrzewana przez dwie różne wytwornice ciepła - np. kocioł grzewczy i kolektory słoneczne. Jedna z wężownic pojemnościowego podgrzewacza CWU podgrzewa wodę ciepłem z kolektorów słonecznych. Druga wężownica pozwala w razie potrzeby dogrzać CWU wodą grzewczą z kotła grzewczego.

Ciepło spalania (Hs)

Ciepło spalania (Hs) definiuje ilość ciepła, uwalniającą się przy całkowitym spaleniu, łącznie z ciepłem parowania pary wodnej, zawartej w spalinach.

Ciepła pary wodnej, w starszych instalacjach nie można było wykorzystywać, gdyż nie była dostępna odpowiednio tania technologia do budowy kotłów. Do wszystkich obliczeń sprawności przyjmowano zatem jako wielkość odniesienia wartość opałową (Hi), która nie uwzględnia ciepła utajonego w parze wodnej w spalinach. W kotłach nowoczesnych, kondensacyjnych przy dodatkowym wykorzystaniu ciepła pary wodnej (efekt kondensacji pary wodnej) i pozostaniu wartości opałowej Hi jako wartości odniesienia, wynikają w ten sposób współczynniki sprawności przekraczające 100%.

Technika kondensacyjna

Technika kondensacyjna

Technika kondensacyjna wykorzystuje nie tylko ciepło, powstające przy spalaniu jako mierzalna temperatura spalin (wartość opałowa), ale dodatkowo również ciepło zawarte parze wodnej w spalinach (łącznie jako ciepło spalania). Kotły kondensacyjne są w stanie odebrać ciepło zawarte w spalinach prawie całkowicie i przekształcić je w dodatkowe, użyteczne ciepło grzewcze.

Kotły kondensacyjne dysponują wysokowydajnymi powierzchniami wymiany ciepła, na których spaliny ochładzają się przed ujściem do komina do tego stopnia, że zawarta w nich para wodna ulega skropleniu, a uwolnione ciepło skraplania jest dodatkowo przekazywane systemowi grzewczemu.

Dzięki tej technologii kotły kondensacyjne osiągają sprawności znormalizowane, sięgające 98% (w odniesieniu do ciepła spalania Hs / 109% w odniesieniu do wartości opałowej Hi). Kotły kondensacyjne pracują więc wysoce energooszczędnie, z korzyścią zarówno dla portfela użytkownika, jak i środowiska naturalnego.

Sprawność znormalizowana

Dla porównywania różnych wytwornic ciepła pod względem efektywnego wykorzystania energii wprowadzono pojęcie sprawności znormalizowanej. Miarą sprawności wykorzystania energii w kotle grzewczym jest stosunek użytecznego ciepła grzewczego oddanego do instalacji, do energii doprowadzonej do kotła z paliwem.

Na wartość sprawności znormalizowanej wydatnie wpływa wielkość występującej podczas pracy straty kominowej oraz straty powierzchniowe.


Straty powierzchniowe

Straty powierzchniowe to część mocy kotła, która zostaje oddana do otoczenia przez powierzchnię wytwornicy ciepła i nie stanowi tym samym użytecznego ciepła grzewczego.

Straty te powstają podczas pracy palnika, jako straty przez promieniowanie, a podczas postojów palnika, jako straty dyżurne, szczególnie duże w miesiącach przejściowych lub latem, gdy kocioł stosowany jest jedynie do podgrzewu ciepłej wody.

W starych kotłach grzewczych straty powierzchniowe są z reguły znacznie wyższe od strat kominowych. Tak więc wysokość strat powierzchniowych jest czynnikiem rozstrzygającym o efektywności (sprawności znormalizowanej) wytwornicy ciepła.


Wartość opałowa (Hi)

Wartość opałowa (Hi) określa ilość ciepła, uwalniającą się przy całkowitym spalaniu, jeśli powstająca w wyniku spalania para wodna odprowadzona zostanie bez skroplenia. Ciepło skraplania zawarte w parze wodnej w spalinach pozostaje tutaj więc niewykorzystane.


Kotły trójciągowe

Kotły trójciągowe

Zasada konstrukcyjna kotła trójciągowego sprzyja redukcji emisji substancji szkodliwych. Spaliny przepływają tu najpierw przez komorę spalania, potem poprzez strefę nawrotu wracają na przód kotła i tu trafiają do płomieniówek trzeciego ciągu spalin. W ten sposób redukuje się do minimum czas przybywania spalin w najgorętszej strefie spalania, zmniejszając przez to ilość powstających tlenków azotu (NOx).


Emisje

W każdym procesie spalania, w którym stosowane są kopalne nośniki energii, powstają obok nieuniknionego dwutlenku węgla (CO2) także inne substancje szkodliwe: tlenek węgla (CO) i tlenki azotu (NOx). Szczególne znaczenie przypada przy tym tlenkom azotu. Wzrost zawartości tlenków azotu w atmosferze powoduje wzrost ilości toksycznego ozonu i jest współwinowajcą zjawiska kwaśnego deszczu.

Zasada działania rury heatpipe

Zasada działania rury heatpipe

Przez rurę heatpipe czynnik solarny nie przepływa bezpośrednio. Znajduje się w niej ciekły nośnik ciepła, parujący w dolnej części rurki z absorberem i oddający ciepło przy skraplaniu w jej drugim końcu, stykającym się z kolektorem zbiorczym kolektora. Suche połączenie rury heatpipe z kolektorem zbiorczym, mała pojemność cieczy w rurach heatpipe i automatyczne wyłączanie się kolektora przy wysokiej temperaturze zapewnia kolektorom słonecznym Vitosol 300-TM szczególnie wysokie bezpieczeństwo eksploatacji.

Grafika: Ogrzane przez słońce medium transportujące ciepło paruje i wędruje do chłodniejszej części rury heatpipe. Tam para skraplając się oddaje ciepło do czynnika solarnego przepływającego przez kolektor zbiorczy, spływa ponownie do gorącej części rury heatpipe, i obieg powtarza się.

Kocioł jednofunkcyjny

Kocioł jednofunkcyjny to kocioł wiszący, przeznaczony do centralnego ogrzewania. Urządzenia te można dodatkowo wyposażyć w pojemnościowy podgrzewacz CWU.

Kocioł jednofunkcyjny

Kocioł dwufunkcyjny

Kocioł dwufunkcyjny jest to kocioł wiszący, ogrzewający pomieszczenia i wytwarzający ciepłą wodę użytkową. Podgrzew CWU następuje w kotle przepływowo. Nie ma potrzeby montażu dodatkowego zbiornika magazynującego ciepłą wodę, jednak posiada on ograniczenie dotyczące maksymalnej ilości wody możliwej do pobrania jednocześnie.

Kocioł dwufunkcyjny
Krzywa grzewcza

Krzywa grzewcza

Sterowany pogodowo regulator ogrzewania dopasowuje temperaturę zasilania instalacji tak, by zawsze odpowiadała ona aktualnemu zapotrzebowaniu ciepła (temperatura zasilania to temperatura wody, doprowadzanej do grzejników wzgl. ogrzewania podłogowego).

W tym celu czujnik mierzy temperaturę zewnętrzną i na tej podstawie, z uwzględnieniem żądanej temperatury pomieszczeń i specyfiki budynku, regulator określa wymaganą temperaturę zasilania.

Zależność pomiędzy temperaturą zewnętrzną a temperaturą zasilania opisuje charakterystyka grzewcza. Mówiąc po prostu: im niższa temperatura zewnętrzna, tym wyższa musi być temperatura wody w kotle i na zasilaniu.

Urządzenia hybrydowe

Urządzenie hybrydowe jest urządzeniem zasilanym kilkoma nośnikami energii. Takimi systemami są na przykład biwalentne systemy pomp ciepła. Rozumie się przez to instalacje grzewcze z napędzaną elektrycznie pompą ciepła w kombinacji z co najmniej jedną wytwornicą ciepła na paliwa kopalne i wspólnym układem regulacji.

W instalacji z hybrydową, powietrzną pompą ciepła podstawowe obciążenie cieplne pokrywane jest w przeważającej części pompą ciepła. Jednostka zewnętrzna pompy ciepła pobiera z powietrza atmosferycznego ciepło, które sprężarka ponosi do użytecznego poziomu temperaturowego ok. 55 °C.

Kocioł kondensacyjny urządzenia hybrydowego stanowi tzw. szczytowe źródło ciepła załącza się tylko wtedy, gdy jest to celowe dla wybranego trybu pracy, tzn. da uzyskania najniższych kosztów eksploatacyjnych, zmniejszenia emisji CO2 lub podwyższenia komfortu ciepłej wody.

Urządzenia hybrydowe Vitocaldens 222-F
Wymienniki ciepła Inox-Radial

Wymienniki ciepła Inox-Radial

Wszystkie kondensacyjne kotły wiszące i kompaktowe Viessmann wyposażane są już w wymienniki ciepła ze stali szlachetnej. Technologia ta pozwala uzyskiwać wysokie sprawności - do 98%/109% - i cechuje się bardzo wysoką trwałością eksploatacyjną i efektywną pracą.

Wymiennik ciepła Inox-Radial schładza spaliny przed ich odprowadzeniem do komina do tego stopnia, że zawarta w nich para skrapla się i ciepło skraplania zostaje dodatkowo przekazane do systemu grzewczego. Taka zasada działania pozwala oszczędzić nie tylko cenną energię, lecz chroni również środowisko naturalne, wydatnie redukując emisję CO2.

Sezonowy współczynnik efektywności (SPF)

Współczynnik efektywności COP (COP = coefficient of performance) oznacza w pompach ciepła stosunek ciepła oddanego do energii pobranej. Sezonowy współczynnik efektywności SPF (= seasonal performance factor) jest wartością uśrednioną ze wszystkich COP, występujących w ciągu roku. Współczynnik COP stosowany jest do porównywania pomp ciepła pod względem efektywności – ważny jest on jednak tylko dla określonego punktu pracy i zdefiniowanych warunków temperaturowych.

Przy projektowaniu instalacji należy brać pod uwagę jej pracę w przeciągu całego roku. W tym celu dzieli się ilość ciepła, oddaną w ciągu całego roku, przez energię elektryczną zużytą w tym samym okresie przez całą instalację pompy ciepła (łącznie ze zużyciem prądu przez pompy obiegowe, regulatory itp.). Stosunek tych wielkości określa się mianem sezonowego współczynnika efektywności. SPF = 4,5 oznacza, że pompa ciepła w skali roku potrzebowała przeciętnie jednej kilowatogodziny energii elektrycznej, aby wyprodukować 4,5 kilowatogodziny ciepła.

Viessmann pomoca ciepła
Lambda Pro Control

Lambda Pro Control

Układ regulacji spalania Lambda Pro Control w gazowych wiszących kotłach kondensacyjnych Vitodens gwarantuje nawet przy wahaniach jakości gazu zawsze stabilne i czyste spalanie, stale wysoką sprawność kotła i niezawodność eksploatacyjną.

Układ kontroli jakości spalania Lambda Pro Control eliminuje pracochłonne ręczne ustawienia i pomiary przy pierwszym uruchomieniu. Lambda Pro Control reguluje w sposób ciągły skład mieszanki gazowo-powietrznej, zapewniając zawsze niskoemisyjne i energetycznie efektywne spalania, nawet przy niestabilnej jakości gazu. Dane pomiarowe pobierane są przez elektrodę jonizacyjną, bez żadnych zafałszowań, prosto z płomienia.


Natural cooling

Pompy ciepła w pierwszym rzędzie służą do zapewnienia miłego komfortu cieplnego pomieszczeń i niezawodnego zaopatrzenia w ciepłą wodę. Lecz pompy ciepła potrafią więcej: można je wykorzystać także do chłodzenia budynku. O ile w zimie grunt lub woda gruntowa stanowi źródło energii grzewczej, to w lecie można je wykorzystać do naturalnego chłodzenia.

W trybie pracy „natural cooling regulator pompy ciepła załącza tylko pompę obiegową źródła dolnego i pompę obiegu grzewczego. W ten sposób stosunkowo ciepła woda z ogrzewania podłogowego oddaje ciepło solance z obiegu źródła dolnego, chłodząc w efekcie pomieszczenia. Funkcja „natural cooling“ jest szczególnie energooszczędną i tanią metodą chłodzenia budynków.

Praca z otwartą komorą spalania

Praca z otwartą komorą spalania

Pojęcia "otwartej" lub "zamkniętej" komory spalania określają, skąd kocioł pobiera niezbędne do spalania powietrze.

Przy pracy z otwartą komorą spalania kocioł pobiera powietrze do spalania z pomieszczenia kotłowni. W tym celu konieczne jest oczywiście zapewnienie wystarczającej wentylacji nawiewnej. Możliwy jest tu szereg rozwiązań. Często dopływ powietrza do spalania zapewniany jest przez otwory w ścianie zewnętrznej lub szczeliny wentylacyjne. W przypadku zainstalowania kotła w strefie mieszkalnej możliwym rozwiązaniem są „pomieszczenia połączone“ gdzie wystarczający dopływ powietrza następuje z pomieszczeń sąsiednich poprzez szczeliny wentylacyjne w drzwiach. Niemniej jednak pomieszczenie z takim kotłem wymaga zastosowania wentylacji nawiewno-wywiewnej.

Praca z zamkniętą komorą spalania

Przy pracy z zamkniętą komorą spalania niezbędne powietrze do spalania doprowadzane jest przewodem z zewnątrz. Można tu w zasadzie wymienić trzy możliwe rozwiązania:

1. Doprowadzenie powietrza przez pionowy przepust dachowy
2. Doprowadzenie powietrza przez czerpnię w ścianie zewnętrznej
3. Doprowadzenie powietrza przez komin powietrzno-spalinowy (LAS)

Zaletą doprowadzania powietrza do spalania z zewnątrz jest możliwość jeszcze bardziej elastycznego wyboru miejsca zainstalowania kotła, niż w przypadku czerpaniu powietrza do spalania z pomieszczenia.

Zmniejszone zostają ponadto straty ciepła, gdyż do spalania nie jest wykorzystywane ogrzane powietrze z pomieszczenia.

Praca z zamkniętą komorą spalania
Solarny podgrzew ciepłej wody

Solarny podgrzew ciepłej wody

Głównym elementem w tym rozwiązaniu jest biwalentny pojemnościowy podgrzewacz ciepłej wody. Przy wystarczającym nasłonecznieniu czynnik solarny przepływając przez dolną wężownicę podgrzewacza jest wstanie nagrzać wodę do wymaganej temperatury. Jeśli temperatura w podgrzewaczu obniży się w wyniku czerpania ciepłej wody, np. do wieczornej kąpieli, to w razie potrzeby załączy się kocioł grzewczy, dogrzewając podgrzewacz przez drugą wężownicę.

Solarne wspomaganie ogrzewania

Nagrzany w kolektorach słonecznych czynnik solarny można wykorzystać nie tylko do podgrzewania ciepłej wody, ale także do dodatkowego podgrzania wody grzewczej. Obieg grzewczy wykorzystuje do tego celu wodę w solarnym zasobniku wody grzewczej, podgrzewaną ciągle przez kolektory słoneczne. Regulator sprawdza, czy temperatura wody w zasobniku wystarczy do osiągnięcia pożądanej temperatury pomieszczeń. Jeśli temperatura wody jest niższa od wartości zadanej, to dodatkowo załącza się kocioł grzewczy.

Solarne wspomaganie ogrzewania

ThermProtect

Kolektor słoneczny dostarcza ciepła zawsze, gdy na jego absorber pada światło słoneczne – a więc także wtedy, gdy ciepło jest niepotrzebne. Przypadek taki może wystąpić latem, gdy użytkownicy instalacji są na wakacjach. Gdy odbiór ciepła przez pojemnościowy podgrzewacz CWU lub zasobnik buforowy wody grzewczej nie jest już możliwy, gdyż są one całkowicie naładowane, pompa obiegowa zostaje wyłączona i instalacja solarna przechodzi w stan stagnacji (kolektor osiąga temperaturę maksymalną, czynnik solarny odparowuje, instalacja nie pracuje).

Jeśli słońce nadal operuje, to temperatura kolektora wzrasta tak, że czynnik solarny ulega odparowaniu, co wiąże się z wysokimi obciążeniami termicznymi elementów instalacji, jak uszczelnień pomp, zaworów i samego czynnika solarnego. W instalacjach z samoczynnym wyłączaniem termicznym ThermProtect odparowania czynnika solarnego można łatwo uniknąć.

Kolektor płaski z aktywnym zabezpieczaniem przed przegrzaniem

Po raz pierwszy opracowano i opatentowano kolektor słoneczny, który po przekroczeniu określonej temperatury przestaje pochłaniać energię. Pokrycie absorbera w kolektorach Vitosol 200-FM oparte jest o dodatkową termoaktywną warstwę z tlenku wanadu. W zależności od temperatury zmienia ona swoją strukturę krystaliczną i tym samym zdolność pochłaniania i oddawania energii. Powyżej temperatury absorbera ok. 75 °C zmieniona struktura krystaliczna powoduje wielokrotny wzrost udziału ciepła wypromieniowanego. W ten sposób przy wysokich temperaturach moc kolektora znacznie się zmniejsza, a temperatura stagnacji spada tak, że odparowanie czynnika solarnego nie następuje.

Gdy temperatura kolektora znowu się obniży, struktura krystaliczna powraca do pierwotnej postaci. Wówczas ponad 95 procent padającej energii słonecznej będzie absorbowane i przekształcane w ciepło, a tylko niespełna 5 procent ulegnie wypromieniowaniu. Dzięki temu uzysk solarny nowych kolektorów jest wyższy od uzysku zwykłych kolektorów płaskich, gdyż nie występuje tu odparowanie przy stagnacji i kolektor po ostygnięciu może w każdej chwili znowu wytwarzać ciepło. Przemiany struktury krystalicznej są w pełni odwracalne i funkcja kolektorów jest trwale zachowana.

Solarny podgrzew CWU

ThermProtect pewnie zapobiega parowaniu czynnika solarnego

Przy normalnej pracy kolektora nowe pokrycie absorbera kolektora płaskiego Vitosol 200-FM zachowuje się tak, jak standardowe pokrycia absorberów kolektorów płaskich Viessmann. Powyżej temperatury absorbera ok. 75 °C następuje wielokrotny wzrost udziału ciepła wypromieniowanego, co w przypadku stagnacji skutecznie zapobiega przegrzewaniu kolektora i odparowaniu czynnika solarnego.