Ćwiczenia 1 Dobór kotłów i sezonowe zapotrzebowanie na paliwo  

Ćwiczenia 1

Dobór kotłów i sezonowe zapotrzebowanie na paliwo

Bilans ciepła kotłowni

Bilans ciepła dla typowej kotłowni zasilającej w ciepło budynek mieszkalny wielorodzinny:

h sr cwu OBL

CO

Q

Q

Q  

_,



gdzie:

QCOOBL - moc obliczeniowa c.o. obliczona według normy PN EN 12831 QhCWU,sr - moc układu przygotowania c.w.u., średnio-godzinowa

Przy obliczaniu bilansu ciepła dla kotłowni warto sprawdzić poniższe warunki. Może to być pomocne w prawidłowym określeniu mocy urządzeń grzewczych.

1. Jeśli

Q

_cwu^h _,max> 20% QCO wtedy

 Q  Q

_CO

 Q

_cwu^h _,sr 2. Jeśli

Q

_cwu^h _,max < 20% QCO wtedy

 Q  Q

_CO

3. Jeśli

Q

_cwu^h _,max > QCO wtedy

 Q  Q

_cwu^h _,max

Obliczenie mocy cieplnej układu

Średnie, dobowe zapotrzebowanie na c.w.u.: V_cwu^d _,sr nV_j gdzie:

  _ ^

 

 

 l d os

V

_j

110 130

- zapotrzebowanie jednostkowe na c.w.u.

n – liczba mieszkańców obiektu

Średnie, godzinowe zapotrzebowanie na c.w.u.: [ ] 18

,

, h

l h czas V V

d sr cwu h

sr

cwu  

Średnia, godzinowa moc do przygotowania c.w.u.:

  _



 



    









 K kW

kgK kJ m kg s t m

t cp V

Q

_cwu^h _{,sr cwu}^h _,sr



_{cwu wz} ³ ₃

gdzie:

ρ – gęstość wody, kg/m³

cp – ciepło właściwe wody, kJ/(kgK)

tCWU – temperatura ciepłej wody użytkowej, ^oC tWZ – temperatura wody zimnej wodociągowej oC Współczynnik nierównomierności rozbioru c.w.u.: Nh=9,32*n^-0,244

Maksymalna godzinowa moc układu do przygotowania c.w.u.:

Q

_cwu^h _,max= Nh*

Q

_cwu^h _,sr



 s s

w_d *



gdzie:

wd - wartość opałowa paliwa

wartość opałowa gazu typu E wynosi około: 35000 ₃ kJm w_d 

wartość opałowa oleju lekkiego wynosi około:

w

_d

 42000 kJ kg

wartość opałowa węgla kamiennego wynosi około:

w

_d

 22000 kJ kg

Q – wymagana moc grzewcza [kW]

η – sprawność kotła lub całego systemu grzewczego

Sezonowe zapotrzebowanie na ciepło i paliwo

Ilość energii zużywanej na ogrzewanie budynku można oszacować na podstawie obciążenia cieplnego przy średniej temperaturze powietrza w sezonie grzewczym. Wyznaczenia tej mocy średniej można dokonać korzystając z poniższej zależności opisującej względne obciążenie cieplne budynku (φ).

OBL OBL CO

ZEW WEW

SR ZEW OBL WEW

CO SR

CO

OBL ZEW WEW

SR ZEW WEW OBL

ZEW WEW

SR ZEW WEW OBL

CO SR CO

t Q t

t Q t

Q

t t

t t t

t U A

t t U A Q

Q

 

 







 











 



) (

) (

) (

) (

) (

) (





gdzie:

QcoSR – moc średnia c.o., kW QcoOBL – moc obliczeniowa c.o., kW

tWEW – temperatura wewnętrzna w budynku, °C

tZEWSR – temperatura średnia powietrza zewnętrznego w sezonie grzewczym, °C tZEWOBL – temperatura obliczeniowa powietrza zewnętrznego, °C

A – powierzchnia przegród w budynku, m²

U – współczynnik przenikania ciepła przegród w budynku, W/(m²K) Sezonowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania:

/ ] [

86400

*

*

*

*

, *

rok kJ d

s K

rok K kW d

t t Q Std t czas

t

t n t

Q

Q _OBL

ZEW WEW OBL OBL CO

ZEW WEW

SR ZEW OBL WEW

CO SEZ

CO

 



 



 

gdzie:

n – liczba dni sezonu grzewczego

Std – stopniodni sezonu grzewczego, dK/rok



^{* *}



^{*86400* rokkg lub[rokm3 ]}

kg rok kJ

kJ w

t t

Std B Q

d OBL ZEW WEW

OBL CO SEZ



















 





Roczne zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania c.w.u.:

  kJ V

Q V V czas

Q V

Q

_h

sr cwu

rzecz h

sr cwu ŚR CWU h

sr cwu

rzecz h

sr cwu ŚR ROK CWU

CWU

* * 365 86400

, . ,

, ,

, . ,

,

,



,

   

gdzie:

. ,

, rzecz h

sr

V

cwu

- urealnione zużycie c.w.u., zazwyczaj pomiędzy 40 a 80 l/(d*os)

Roczne zapotrzebowanie na paliwo do przygotowania c.w.u.:

 

 

 



 



 

 

 



 

a kg kg

kJ kJ kg

kJ s kW w

V V B Q

d h

sr cwu

rzecz h

sr cwu SR CWU

SEZ

/ /

*

*

*

86400

* 365

*

*

, . ,

, ,



Zadanie 1

Dobrać kondensacyjny kocioł gazowy dla budynku wielorodzinnego o QCO = 140 kW oraz liczbie mieszkańców n=100osób.

Odczytać z karty katalogowej moc nominalną kotła, obciążenie komory paleniskowej, obliczyć sprawność maksymalną urządzenia.

Odnaleźć następujące informacje: wymiary kotła, pojemność wodną, średnice króćców, średnicę dymnicy, typ palnika (wentylatorowy, atmosferyczny), ciśnienie maksymalne i temperaturę maksymalną urządzenia, temperaturę spalin.

Zadanie 2

Obliczyć chwilowe oraz sezonowe zapotrzebowanie na paliwo dla budynku o bilansie wyznaczonym powyżej w przypadku kotłowni:

2.2 gazowej 2.3 olejowej,

2.3 na paliwo stałe (np. węgiel kamienny lub biomasa).

Zadanie 3

Dobrać średnicę przewodu spalinowego na podstawie nomogramu, np. firmy Schiedel.

Zadanie 4

Dobrać wymiary przewodów wentylacji nawiewnej i wywiewnej dla pomieszczenia kotłowni na podstawie normy PN-B-02431-1. Zapoznać się z zapisami normy.

Ćwiczenia 2

Wykresy ciśnień instalacji grzewczych

Zadanie 1

Narysować wykresy ciśnień dla różnych konfiguracji instalacji grzewczych.

Ćwiczenia 3

Obliczenia hydrauliczne kotłowni gazowych

Zadanie 1

Narysować kompletny schemat hydrauliczny kotłowni wodnej ze zwrotnicą hydrauliczną wyposażonej w dwie jednostki kotłowe, zasilającej jeden obieg centralnego ogrzewania i podgrzewacz pojemnościowy c.w.u.. Nazwać wszystkie elementy układu hydraulicznego.

Zadanie 2

Uzupełnić schemat hydrauliczny z zdania 1 o schemat automatycznej regulacji. Nazwać elementy schematu automatycznej regulacji i omówić zasadę działania układu regulacji.

Zadanie 3

Zastanowić się czy w przypadku opracowanego układu hydraulicznego jest możliwość pracy kotłowni w przypadku braku kotłowych pomp obiegowych?

Zadanie 4

Obliczyć przepływy i temperatury na wszystkich działkach dla następujących danych:

 przepływ wody grzewczej w obiegu pogrzewacza c.w.u. mP,cwu=3,0m³/h;

 moc podgrzewacza c.w.u. QP,cwu=80kW;

 moc c.o. QCO = 105 kW;

 parametry instalacji c.o. 70/50°C;

 stała temperatura zasilania na kotłach 70°C.

Zadanie 5

Przy założeniu pracy wyłącznie układu c.o. oraz jednego kotła obliczyć temperaturę powrotu TPK

dla danych z zadania 4.

Zadanie 6

Wykonać obliczenia wykresu regulacyjnego dla tZ/tP=70/50^oC dla temperatur powietrza zewnętrznego tZEW = -18°C, -10°C, 0°C, +12°C i +20°C przy założeniu temperatury w pomieszczeniu tWEW = 20^oC. Wyniki zestawić w tabeli i wykonać wykres.

TZEW’, ^oC φ, % tCO,SR’, ^oC tZ’, ^oC tP’, ^oC -18

-10 0 +12 +20

Krzywa grzewcza

Zapotrzebowanie na moc grzewczą zależne jest od temperatury powietrza zewnętrznego. Przy pominięciu wpływu zysków ciepła zależność ta jest zależnością liniową. Stosunek chwilowej mocy grzewczej (QCO) do mocy obliczeniowej (QCOOBL) nazywany jest względnym obciążeniem cieplnym i oznaczane jest jako φ.

) (

) ' (

) (

) ' (

OBL ZEW WEW

ZEW WEW OBL

ZEW WEW

ZEW WEW OBL

CO CO

t t

t t t

t U A

t t U A Q

Q



 











 





Aby dostosować moc instalacji grzewczej do chwilowych potrzeb budynku stosuje się regulację jakościową (zmiana temperatur) lub ilościową (zmiana przepływu). Częściej stosowana jest regulacja jakościowa.

Rysunek 2. Przykładowy wykres regulacyjny

Wykres opisujący zmiany wartości temperatury zasilania i powrotu w zależności od wartości temperatury powietrza zewnętrznego nosi nazwę KRZYWEJ GRZEWCZEJ. W procesie projektowania bardzo często istnieje konieczność obliczenia wymaganej temperatury na zasilaniu i powrocie instalacji grzewczej przy różnych temperaturach zewnętrznych. Wzory pozwalające na wykonanie takich obliczeń podano poniżej.

Obliczeniowa różnica pomiędzy średnią temperaturą czynnika w instalacji grzewczej a pomieszczeniem:

 

^C

t t

t_CO t^Z  ^P  _WEW ^o



 2

Średnia chwilowa temperatura czynnika w instalacji grzewczej:

  ^C

t t

t

_CO,SR

' 

_WEW

 

_CO

 

^{1n o}

Chwilowa temperatura czynnika na zasilaniu instalacji grzewczej:

 

^C

t t t

t t t

t t t

t_{Z COSR} ^{Z P}



_WEW ^{Z P} _WEW



ⁿ  ^Z  ^P 



^o



 



  





 



 ' 2 2 2

' _, ¹

Chwilowa temperatura czynnika na powrocie instalacji grzewczej:

  ^C

t t t

t t t

t t t

t

_{P COSR} ^{Z P}



_WEW ^{Z P} _WEW



^{n Z}



^P

 

^o



 



 



  





 



 ' 2 2 2

'

_, ¹

φ – względne obciążenie cieplne

cp – ciepło właściwe czynnika grzewczego, kJ/(kgK) m – strumień masowy czynnika grzewczego, kg/s

tZ – obliczeniowa temperatura czynnika na zasilaniu instalacji grzewczej, °C tP – obliczeniowa temperatura czynnika na powrocie instalacji grzewczej, °C tZ’ – chwilowa temperatura czynnika na zasilaniu instalacji grzewczej, °C tP’ – chwilowa temperatura czynnika na powrocie instalacji grzewczej, °C tWEW – obliczeniowa temperatura pomieszczenia, ^oC

ΔtCO – obliczeniowa różnica pomiędzy średnią temperaturą czynnika w instalacji grzewczej a temperaturą pomieszczenia, °C

tCO,SR’ – średnia chwilowa temperatura czynnika w instalacji grzewczej, °C tZEW,OBL – obliczeniowa temperatura powietrza zewnętrznego, °C

tZEW’ – chwilowa temperatura powietrza zewnętrznego, °C QCOOBL – obliczeniowa moc grzewcza, kW

QCO’ – chwilowa moc grzewcza, kW

A – powierzchnia przegród w budynku, m²

U – współczynnik przenikania ciepła przegród w budynku, W/(m²K)

n - wykładnik charakterystyki cieplnej grzejnika; typowe wartości tego wykładnika:

radiatory n=1,3

grzejniki płytowe n=1,2 – 1,3

konwektory n=1,25-1,45

ogrzewanie podłogowe n=1,1

Zadanie 7

Wykonać zadania 4 i 5, dla temperatury końca sezonu grzewczego, np. dla tzew’=12°C

Zadanie 8

Policzyć strumień podmieszania gorącego dla następujących danych: QK=100kW, TZK=80°C, TPI=35°C, wymagana temperatura przed kotłem TPK=53°C.

Pompy ciepła

Bilans mocy dla PC:

CWU

CO

Q

Q f

Q    



QCO - moc obliczeniowa c.o. (uwaga: doboru pomp powietrze/woda dokonuje się na moc przyjmowaną w punkcie biwalentnym a nie w punkcie obliczeniowej temperatury powietrza zewnętrznego)

QCWU – dodatek mocy na cele układu przygotowania c.w.u.:

- może być pomijany w układach o większej mocy na cele c.o. niż na c.w.u., - może być określany szacunkowo, jako 0,2kW/osobę,

- może wynikać z założonego czasu pracy PC na cele c.w.u..

f – współczynnik korekcyjny wynikający z ewentualnych planowych (zawartych w umowie) przerw w dostawie energii elektrycznej

f = 24 / (24 - czas przerwy) Bilans energii PC:

Zadanie 1

Dobrać pompę ciepła solanka-woda dla domu jednorodzinnego uwzględniając poniższe informacje:

 moc obliczeniowa na c.o. QCO = 7 kW,

 pompa ciepła pracuje ze stałą temperaturą zasilania na c.o. wynoszącą 35^oC i stałą temperaturą zasilania na c.w.u. wynoszącą 55^oC,

 maksymalny godzinowy rozbiór ciepłej wody 160 litrów (4 kolejne kąpiele),

 całkowite dobowe zużycie c.w.u. wynosi 250 litrów,

 oczekiwany maksymalny czas pracy pompy ciepła na c.w.u. 1 godzina,

 obliczeniowa temperatura powietrza zewnętrznego Tzew,obl=-18^oC,

 temperatura średnia sezonu grzewczego: Tzew,śr=3,5^oC,

 czas trwania sezonu grzewczego 5300 h.

Zadanie 2

Ocenić poprawność doboru pompy ciepła powietrze-woda dla domu jednorodzinnego.

 Moc obliczeniowa na cele ogrzewania wynosi QCO = 7 kW (dla Tzew,obl=-18^oC).

 Dobrano pompę ciepła powietrze/woda WPL 10 firmy Stiebel Eltron.

tzew oC

Qpc

kW

φ -

Qco

kW

czas h

Qpc

kW

QBUD

kWh

Qel,grzałaka

kWh

COP -

Qel.

kWh

< -18 3

-15 (-13 do -17) 19

-10 (-12 do -8) 158

-5 (-7 do -3) 549

0 (-2 do +2) 1522

5 (+3 do +7) 1769

10 (+8 do +12) 1325

15 (+13 do +17) 716

> 18 2699

8 760

Wybrane dane z katalogu pompy ciepła glikol / woda WPF Stiebel Eltron