Węzły cieplne i mieszkaniowe

Nowe wymagania służą m.in. zintegrowaniu wszystkich instalacji w budynkach, tak aby były one inteligentne i niemal zeroenergetyczne, korzystały z energii odnawialnej i wspierały elektromobilność. Cele te zostały określone m.in. w dyrektywie 2018/844/UE z dnia 30 maja 2018 r. zmieniającej dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków i dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej [1].

Dyrektywa 2018/844 zaleca m.in., aby budynki mieszkalne były wyposażane w system ciągłego monitorowania elektronicznego, dokonujący pomiarów sprawności systemów i informują­cy właścicieli lub zarządców budynków, kiedy następuje jej znaczny spadek i gdy potrzebne jest serwisowanie systemu, oraz w skuteczne funkcje sterowania w celu zapewnienia optymalnego wytwarzania, dystrybucji, magazynowania i wykorzystywania energii.

Z kolei dyrektywa 2018/2002 z 11 grudnia 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej [2] zaleca m.in. zapewnienie od października 2020 r. czę­stych i obszernych informacji zwrotnych dotyczących zużycia energii, tak aby zachęcać odbiorców do świadomego z niej korzystania i jej oszczę­dzania. Dyrektywa zaleca wykorzystywanie do tego m.in. nowych technologii oraz liczników i podzielników kosztów ogrzewania, które po 25 października 2020 r. mają umożliwiać zdalny odczyt. Urządzenia, które zostały zamontowane wcześniej i nie mają tej funkcji, powinny zostać w nią wypo­sażone lub należy je wymienić do 1 stycznia 2027 r.

Dla branży instalacyjnej to żaden problem – odpowiednie technologie i urządzenia są dostępne od wielu lat. W Polsce głównymi źródłami energii dla ogrzewania i przygotowania ciepłej wody w budynkach wielorodzinnych są sieci ciepłownicze lub lokalne kotłownie. Nowe wymagania dotyczące poziomu energii pierwotnej są tak skonstruowane, aby konieczne było korzystanie z energii odnawialnej. To z kolei powoduje, że stosowane będą układy hybrydowe dostarczające ciepło do budynków i tym samym rosnąć będzie znaczenie wymienników ciepła i węzłów cieplnych wraz z ich sterowaniem i automatyką.

Od wielu lat na rynku oferowane są węzły z automatyką i regulacją pozwalające obniżyć zapotrzebowanie na ciepło oraz zapewniające sprawną obsługę i konserwację. Dostępne są węzły do zasilania instalacji c.o., c.w.u. i klimatyzacji wykonywane na indywidualne zamówienie, zgodnie z potrzebami inwestora oraz lokalnymi warunkami techniczno-eksploatacyjnymi, mające budowę modułową i samonośną lekką konstrukcję. Są to nie tylko urządzenia o mocach średnich i dużych, ale także o mocach poniżej 50 kW – oferowane np. jako dwufunkcyjne węzły cieplne c.o./c.w.u. z priorytetem termicznym do bezpośredniego przyłączenia do wysokoparametrowej sieci cieplnej z automatyką pogodową. Urządzenia te mają zastosowanie w nowych budynkach niskoenergetycznych, w których zapotrzebowanie na moc grzewczą jest niewielkie, a c.w.u. jest wytwarzana nie tylko z ciepła sieciowego, ale i w układach hybrydowych z wykorzystaniem energii odnawialnej, którą budynki muszą pozyskiwać z uwagi na wymogi prawne (zawarte zwłaszcza w warunkach technicznych), jakie będą obowiązywać od 2021 roku.

Dostępne są też specjalne węzły do domów jednorodzinnych podłączanych do sieci ciepłowniczej. Są to rozwiązania alternatywne dla kotłów węglowych, olejowych i gazowych w domach jednorodzinnych, zwłaszcza w miejscowościach z siecią ciepłowniczą (miejską lub osiedlową), w których problemem jest niska emisja. Konstrukcja i wyposażenie takich węzłów dostosowane są do montażu w budynkach jednorodzinnych nowych oraz modernizowanych. Posiadają one regulatory elektroniczne dla układów ogrzewania i przygotowania c.w.u. Węzły takie mają konstrukcję modułową i mogą zawierać jeden lub dwa obiegi. Ich standardowa moc dla c.o. wynosi ok. 25 kW, a dla c.w.u. do ok. 40 kW, ale są też wykonania 40 kW do c.o. i 45 kW dla c.w.u. Węzły są wyposażone w moduły przyłączeniowe zawierające m.in. zawory, filtry, regulatory różnicy ciśnień i ciepłomierze. Mogą mieć różne warianty sterowania instalacją c.o. – np. sterowane regulatorem pokojowym lub pogodowym trójstawnym, a c.w.u. sterowana regulatorem temperatury bezpośredniego działania. Węzeł domowy można doposażyć w układ uzupełniania zładu czy układ cyrkulacji. Możliwe jest też wyposażenie węzła w kontrolery z zaawansowanymi możliwościami komunikacji zdalnej.

Dostępna jest też szeroka oferta węzłów mieszkaniowych – stacji mieszkaniowych – do zasilania instalacji zimnej wody, c.o. i c.w.u. Co ważne, zgodnie z przepisami regulującymi ocenę charakterystyki energetycznej mieszkaniowe węzły cieplne mają wysoką sprawność przesyłu wody ciepłej: ηp = 85. Ponadto przepływowe przygotowanie c.w.u. w stacjach mieszkaniowych eliminuje warunki sprzyjające wtórnemu zanieczyszczeniu oraz rozwojowi bakterii Legionella.

Stacje mieszkaniowe

To kompaktowe urządzenia o mocy od kilku do kilkudziesięciu kW na potrzeby zaopatrzenia mieszkań i lokali w ciepłą wodę użytkową i ciepło do centralnego ogrzewania. Czerpią ciepło z wody instalacyjnej (maks. 90°C) dostarczanej z sieci ciepłowniczej po przejściu przez węzeł cieplny lub z kotłowni w budynku, które z kolei mogą być skojarzone z lokalnym źródłem OZE – np. kolektorami słonecznymi czy pompami ciepła zasilanymi z lokalnej instalacji PV. Stacje mieszkaniowe gwarantują indywidualnie określany komfort cieplny i w każdym lokalu lub mieszkaniu można zaprogramować własny harmonogram ogrzewania i indywidualnie ustawić temperaturę w pomieszczeniach oraz temperaturę c.w.u. A to daje spore możliwości oszczędzania energii według uznania odbiorcy ciepła.

Jednoznaczne rozliczenie mediów na podstawie jednego licznika ciepła i wodomierza jest – zgodnie z obserwacjami – jednym z najważniejszych bodźców skłaniających do oszczędzania, na co powołują się też wspomniane powyżej dyrektywy. Możliwość realizowania funkcji c.o. przez cały rok i indywidualnego ustawiania temperatury za pomocą regulatora lub programatora temperatury z automatycznym sterowaniem to kolejna ważna funkcja. Na rynku dostępne są stacje mieszkaniowe ze sterowaniem w wersji podstawowej – czyli wyposażone w regulator naścienny skomunikowany (przewodowo lub bezprzewodowo) ze strefowym zaworem z siłownikiem. Są też wersje ze sterownikiem tygodniowym – regulator pozwala nie tylko na regulację temperatury, ale też tworzenie harmonogramów ogrzewania, i ma tryb przeciwzamrożeniowy oraz zaawansowany algorytm sterujący. Z kolei w wersji ze sterownikiem internetowym wykorzystuje się regulator oraz siłownik, a układ ten pozwala na sterowanie przez internet i bezprzewodową komunikację w celu regulacji temperatury i tworzenia harmonogramów.

W skład typowej stacji mieszkaniowej wchodzi płytowy wymiennik ciepła do przygotowania c.w.u. Wielkość wymiennika jest tak dobierana, aby temperatura c.w.u. była stała niezależnie od pobieranej ilości (można też zastosować zawór do automatycznej regulacji temperatury c.w.u.). W stacji montuje się także zawór trójdrogowy z priorytetem przygotowania c.w.u. i zawór strefowy z siłownikiem do regulacji ogrzewania za pomocą regulatorów mieszkaniowych. Moduły układów pomiarowych, czyli ciepłomierz dla wody grzewczej (c.o. i c.w.u.) oraz wodomierz wody zimnej, mają możliwość zdalnego odczytu i przesyłu danych poprzez M-Bus oraz centralki zbierające dane i przekazujące je do punktów rozliczeń. Instalacje zabezpiecza się przed zanieczyszczeniem filtrami siatkowymi.

Stację mieszkaniową można wyposażyć dodatkowo w: zawór termostatyczny ograniczający temperaturę powrotu c.o., zawór różnicy ciśnień, moduł cyrkulacji c.w.u. (gdy pojemność instalacji do wylewki przekracza 3 dm³ – wymóg WT) czy moduł ogrzewania podłogowego. To, czy stacja ma możliwość dołożenia modułu ogrzewania podłogowego z armaturą, ma znaczenie wtedy, gdy część mieszkań w danym budynku ma mieć ogrzewanie płaszczyznowe lub mieszane. Coraz częściej lokatorzy chcą bowiem wyposażać mieszkania w instalacje podłogowe lub ścienne czy nawet sufitowe. W takich przypadkach na etapie montażu instalacji w części wspólnej i montażu stacji mieszkaniowych jest jeszcze szerokie pole manewru, o ile stacje mają fabryczną możliwość dodawania modułów do obniżenia temperatury i regulacji zasilania obwodu ogrzewania płaszczyznowego. Co więcej, mają one możliwość zasilania dwóch obiegów – grzejnikowego o stałym przepływie i średnich temperaturach oraz podłogowego o zmiennym przepływie i niskich temperaturach. Możliwości układów hydraulicznych takiej stacji ilustruje rys. 2. W stacji bazowej można konfigurować różne wersje poprzez dodawanie modułów i armatury.

Rozwiązanie to ma tę zaletę, że w budynku korzystamy z takich samych stacji, a w mieszkaniach z instalacjami ogrzewania podłogowego lub mieszanych – grzejnikowych i podłogowych – dodajemy moduł. Są też specjalne stacje do lokali o wysokim zapotrzebowaniu na c.w.u. z dwoma wymiennikami – jednym o dużej mocy do c.w.u., powyżej 60 kW oraz drugim do c.o (rys. 3). Oferowane są też stacje do instalacji wysokotemperaturowych – dla temperatury po stronie pierwotnej 80–85°C.

Wybrane zalecenia do projektowania instalacji

W instalacjach z węzłami mieszkaniowymi nie ma tradycyjnych pionów c.o. i c.w.u. oraz instalacji cyrkulacyjnych przechodzących przez mieszkania. Natomiast w częściach wspólnych prowadzone są trzy przewody: zasilanie i powrót wody grzewczej oraz zimna woda. Z węzła wychodzą do mieszkania: dwa przewody instalacji c.o. – zasilanie i powrót, jeden przewód doprowadzenia zimnej wody i jeden przewód wyjścia c.w.u. do mieszkania.

Indywidualna stacja mieszkaniowa jest przeważnie zasilana wodą grzewczą z niskoparametrowej kotłowni lub węzła cieplnego o temperaturze nie niższej niż 65°C, a poza sezonem grzewczym nie niższej niż 60°C. Są też stacje w wersji wysokotemperaturowej – do 85°C. Do obliczenia mocy całkowitej źródła ciepła na potrzeby c.o. i c.w.u. należy posłużyć się wzorem:

gdzie:
Q_co – obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło dla instalacji c.o.,
Q_j – obniżenie zapotrzebowania na ciepło dla instalacji c.o. ze względu na priorytet przygotowania c.w.u.,Q_j = (n · q_co),
q_co – średnie mieszkaniowe zapotrzebowanie na ciepło dla instalacji c.o.,
n – współczynnik jednoczesności,
q_w – średniodobowe zapotrzebowanie na ciepło dla stacji, dla odpowiedniego wymiennika 22/28/31 kW.

Wymuszenie obiegu czynnika grzewczego w części wspólnej odbywa się za pomocą pomp obiegowych ze sterowaniem elektronicznym utrzymujących stałą dyspozycję ciśnienia w instalacji.

Dla zapewnienia odpowiedniej temperatury na całej długości pionu (50–55°C) w najwyższej stacji zaleca się montaż termostatycznego zaworu cyrkulacyjnego TTV (tzw. spinki termicznej). Ma to szczególne znaczenie latem, gdyż skraca czas oczekiwania na podgrzanie c.w.u. Zawór TTV może być również zamontowany bezpośrednio na końcówce pionu poniżej automatycznych odpowietrzników.

W rozbudowanych instalacjach wielopionowych w celu zrównoważenia ciśnień stosuje się podpionowe dynamiczne regulatory różnicy ciśnienia i przepływu dobierane na maksymalne przepływy w pionie. Zawory podpionowe powinny umożliwić regulację ciśnienia i ograniczenie maksymalnego przepływu czynnika grzewczego w pionie. Standardowo powinny one pracować w zakresie 30–50 kPa i 1,5–4,5 m³/h.

Średnicę wewnętrzną przewodów w pionie dobiera się, mając na uwadze m.in. duże wartości przepływów podczas rozbioru c.w.u. i maksymalne przypływy w okresie grzewczym. Należy założyć liczbę jednocześnie pracujących stacji i jednostkowy przepływ dla stacji przygotowujących c.w.u. Trzeba też określić średnie zapotrzebowanie na moc dla c.o. na mieszkanie w danym pionie. Maksymalny przepływ w pionie oblicza się wg wzoru:

gdzie:
n – współczynnik jednoczesności,
m – całkowita liczba mieszkań,
g_w – maksymalny przepływ czynnika grzewczego przez wymiennik,
g_c – średni przepływ czynnika grzewczego dla c.o. na mieszkanie.

Przy projektowaniu przyłącza stacji do pionu grzewczego należy przyjmować maksymalny przepływ na potrzeby przygotowania c.w.u. i zaleca się, aby średnica przyłącza nie była mniejsza niż DN 20. W przypadku gdy długość przyłącza przekracza 6 m, zaleca się dodanie układu cyrkulacji (tzw. mostek cyrkulacyjny) zapewniającego zachowanie wymaganej temperatury na podejściu do stacji.

W instalacjach stosuje się zbiorniki buforujące, aby wspomagały źródło ciepła w szczytowych rozbiorach c.w.u. oraz nie powodowały niepotrzebnych włączeń źródła (taktowania kotła) przy krótkotrwałych rozbiorach poza sezonem grzewczym. Konieczność zastosowania zbiornika i jego wielkość wynikają z liczby stacji mieszkaniowych oraz pojemności instalacji pierwotnej (pionów). Pojemność ta powinna zapewnić zasilanie stacji w czasie uruchamiania źródła ciepła i wyznacza się ją następująco:

gdzie:
n – współczynnik jednoczesności,
g_w – maksymalny przepływ czynnika grzewczego przez wymiennik,
t – czas potrzebny na uruchomienie źródła ciepła, standardowo 3 min.

Jeżeli w ten sposób obliczona pojemność jest większa od objętości wynikającej z obliczeń instalacji c.o., zaleca się zastosowanie zbiornika wody grzewczej.

Wytyczne doboru stacji mieszkaniowych

Przepływ na potrzeby podgrzewu c.w.u. w stacji mieszkaniowej określa się na podstawie zapotrzebowania na c.w.u. w mieszkaniu. Do określenia wydatku c.w.u. przyjmuje się, że mieszkanie wyposażone jest w jedną wannę lub natrysk i dla napełnienia wanny o pojemności 150 l w czasie 15 minut potrzeba wydatku 10 l/min.

Producenci oferują np. tabele doboru, w których znajdują się dane dotyczące przepływu pierwotnego przez wymiennik przy założonym wydatku c.w.u. Przykładowo dla standardowego zapotrzebowania na c.w.u. 10 l/min z wykresu na rys. 5 odczytujemy przepływ pierwotny dla wymiennika o wielkości 650 l/h. W wymienniku następuje oddanie ciepła i tym samym wychłodzenie wody w przepływie pierwotnym (powrotnej do źródła ciepła dla budynku w obiegu pionowym).

Dla przepływów pierwotnych przez przykładowy wymiennik podczas przygotowania c.w.u. w stacji następuje schłodzenie czynnika grzewczego o ok. 45 K. Natomiast w czasie zasilania instalacji wewnętrznej c.o. czynnik grzewczy schładzany jest standardowo o 20 K. Schłodzenie powrotu w trybie pracy mieszanej c.w.u. i c.o., czyli w okresie grzewczym, można obliczyć ze średniej ważonej schłodzenia strumieni przepływów na c.o. i c.w.u.:

gdzie:
∆T_w – schłodzenie czynnika na wymienniku c.w.u.,
G_w – przepływ na potrzeby przygotowania c.w.u.,G_w = n · g_w,
n – współczynnik jednoczesności,
g_w – maksymalny przepływ czynnika grzewczego przez wymiennik,
∆T_o – schłodzenie czynnika w instalacji c.o.,
G_o – przepływ na potrzeby c.o., G_o = G_co – (n · g_o),
G_co – całkowity obliczeniowy przepływ w instalacji c.o.,
g_o – średni przepływ czynnika grzewczego dla c.o. na mieszkanie.

Strata ciśnienia w stacji wyznaczana jest dla maksymalnego przepływu czynnika grzewczego na potrzeby przygotowania c.w.u. Producenci zalecają, aby pomimo różnic oporów pomiędzy ciepłomierzami o różnych przepływach nominalnych stosować ciepłomierze o Q_n < 1 m³/h ze względu na dokładność pomiaru w okresach przejściowych.

Przepływ na potrzeby c.o. ustala się na etapie obliczeń cieplnych budynku i na jego podstawie dobierana jest nastawa zaworu strefowego w stacji. Nastawa ta ma zapewnić ograniczenie maksymalnego przepływu w instalacji wewnętrznej mieszkania przy nadwyżce dyspozycji ciśnienia przed stacją. Przykładowe tabele doboru strumienia przepływu czynnika grzewczego na mieszkanie i nastawy zaworu strefowego przedstawia rys. 6.

Współczynniki jednoczesności pracy stacji przygotowujących c.w.u. wyznaczane są w sposób doświadczalny. Przykład doboru ilustruje rys. 7. Na wykresie pokazano współczynniki jednoczesności n dla stacji przygotowujących c.w.u. decentralnie.

Podsumowanie

Na rynku dostępna jest szeroka oferta kompaktowych węzłów cieplnych i stacji mieszkaniowych. Wśród stacji mieszkaniowych znaleźć można wersje nisko-, średnio- i wysokotemperaturowe, w tym do grzejników naściennych i podłogowych oraz z wysokimi wydatkami c.w.u. Producenci oferują materiały techniczne i wsparcie przy doborze stacji mieszkaniowych oraz projektowaniu instalacji.

1. Literatura
2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/844 z dnia 30 maja 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków i dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej (Dz.Urz. UE L 156/75).
3. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/2002 z dnia 11 grudnia 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej (Dz.Urz. UE L 328/210).
4. Rybka Katarzyna, Węzły cieplne w budynkach nowych i modernizowanych, „Rynek Instalacyjny” 11/2016, www.rynekinstalacyjny.pl.
5. Ryńska Joanna, Mieszkaniowe węzły ciepl­ne, „Rynek Instalacyjny” 10/2017, www.rynekinstalacyjny.pl.
6. Kaczorek Dobrosława, Miejski budynek jutra. Współpraca węzła ciepłowniczego z instalacją kolektorów słonecznych w budynku wielorodzinnym, „Rynek Instalacyjny” 4/2015, www.rynekinstalacyjny.pl.
7. Materiały techniczne firm: Caleffi, Danfoss, Elektrotermex, Herz, Meibes, Oventrop, PHE Technika Cieplna, Thermic, Thermatic, Uponor.

Artykuł pochodzi z magazynu Rynek Instalacyjny - wydanie 6/2020.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!