Ogrzewanie – proces dostarczania
energii termicznej
do ciała, pomieszczenia, w celu podniesienia lub utrzymania jego
temperatury
.
Artykuł ten omawia ogrzewanie w kontekście wszelkiego rodzaju pomieszczeń, budowli i budynków, gdyż takie jest najczęstsze stosowanie tego wyrażenia. Ogrzewanie może dotyczyć również:
Ogrzewanie jest szeroko rozumianym pojęciem, związanym z zapewnieniem odpowiednich warunków temperaturowych, zależnie od charakteru pomieszczenia i z uwzględnieniem zmian potrzeb
klimatycznych
w różnych okresach (czasowych lub funkcjonalnych).
Dostarczanie ciepła do pomieszczeń
Wstęp
Istnieje wiele metod dostarczania ciepła do pomieszczenia. Konkretne rozwiązanie warunkują: rodzaj pomieszczenia (np. pokój dzienny, garaż, łazienka), czas przebywania w nim ludzi (np. cała noc, chwilowo), możliwości techniczne (czyli dostępne źródła energii) i uwarunkowania finansowe.
Centralne ogrzewanie (CO)
Działanie c.o. grawitacyjnego z górnym rozprowadzeniem.
We współczesnym rozumieniu jest to dostarczenie ciepła do elementów grzejnych zlokalizowanych w docelowych pomieszczeniach za pomocą gorącej
wody
. Jednak zakres tego pojęcia jest szerszy – jest to dystrybucja ciepła po budowli, uzyskanego z przetworzenia
paliwa
w jednym, specjalnie przeznaczonym do tego pomieszczeniu,
kotłowni
, w tym przypadku piec nazywany jest kotłem centralnego ogrzewania, a elementy przekazujące ciepło w pomieszczeniach to grzejniki (tzw. potocznie "kaloryfery"). Do rozprowadzania ciepła wykorzystuje się wodę,
parę wodną
lub
powietrze
. Stosuje się systemy obejmujące jedno mieszkanie (centralne ogrzewanie etażowe), jeden budynek, kilka budynków, a nawet całe miasta.
W instalacjach obejmujących jeden budynek woda może krążyć w wyniku zmian
gęstości
przy zmianach temperatury (CO grawitacyjne) lub jej przepływ jest wymuszany
pompą
. W większych instalacjach stosuje się wyłącznie systemy z wymuszonym obiegiem. Z uwagi na to, iż ogrzewanie grawitacyjne wymaga zastosowania rur o większej średnicy i większej powierzchni grzejników (znacznie mniejszy przepływ czynnika grzewczego przez grzejniki), obecnie prawie w ogóle nie jest stosowane. Także w małych budynkach (np. domach jednorodzinnych) stosuje się obieg wymuszony.
Rodzaje grzejników
Grzejniki gazowe
Czerpią energię z gazu. Stosowane są rzadko.
Wady i zalety:
- Znikome zanieczyszczenie powietrza na zewnątrz budynku.
- Dosyć wysoki koszt ogrzewania (ale niższy niż elektryczne).
- Konieczność zapewnienia ciągu kominowego spalinowego.
- Niezły komfort użytkowania.
- Możliwość szybkiego włączenia lub wyłączenia o dowolnej porze.
Grzejniki gazowe metalowe (żeliwne, lub z innego metalu).
Wady i zalety:
- Silne nagrzewanie się powierzchni grzejnika (możliwość poparzenia).
- Szybkie stygnięcie po zgaszeniu gazu.
- Szybkie nagrzewanie się pomieszczeń.
- Nierówna temperatura w pomieszczeniu (przy grzejniku upał, z dala - chłód).
Grzejniki gazowe akumulacyjne.
Może to być piec kaflowy, wyposażony w palnik gazowy zamiast spalania węgla. Także istnieją grzejniki żeliwne wyposażone w cegłę szamotową, która zapewnia właściwości akumulacyjne.
Wady i zalety:
- Powolne nagrzewanie się pomieszczeń.
- Równomierna temperatura w pomieszczeniu.
- Długie utrzymywanie ciepła.
Grzejniki konwekcyjne
Grzejniki
konwekcyjne
ogrzewają pomieszczenie w wyniku
grawitacyjnego
przepływu masy powietrza wewnątrz
radiatora
grzejnika, w wyniku czego następuje jego ogrzanie. Przepływ grawitacyjny wynika z różnicy
gęstości
powietrza ze zmianą jego temperatury. Grzejniki zasilane są
prądem elektrycznym
lub gorącą wodą. Woda dostarczana jest instalacją centralnego ogrzewania (CO).
Wady i zalety:
- "mieszanie" powietrza w pomieszczeniu,
- relatywnie średnia prędkość nagrzewania pomieszczenia,
- łatwość regulacji temperatury,
- stabilność w utrzymaniu temperatury w pomieszczeniu,
- mniejsza powierzchnia grzejnika w stosunku do grzejników radiacyjnych
- (wada) większe nierównomierności w ogrzewaniu powietrza, ciepłe powietrze unosi się do góry.
Grzejniki radiatorowe
Grzejniki radiatorowe są obecnie wypierane przez grzejniki konwekcyjne. Powietrze przepływa na zewnątrz
radiatora
. Radiator ma rozwiniętą powierzchnię zewnętrzną, wykonywaną przez wyprofilowanie, wytłoczenie lub przyspawanie pasów blachy do rury w której płynie czynnik grzejący.
Wady i zalety, porównanie z konwekcyjnymi:
- zajmują większą powierzchnię ściany,
- pomieszczenie jest ogrzane równomierniej,
- łatwiej uzyskać wyższe temperatury w dolnej części pomieszczenia,
- słabo wymuszają obieg powietrza w pomieszczeniu,
- większa część ciepła jest odprowadzana przez
promieniowanie cieplne
.
Promienniki energii cieplnej
Bardzo cenione jako źródło ciepła w wysokich pomieszczeniach z uwagi na bezpośrednie ogrzewanie ciał stałych przez promieniowanie podczerwone a nie przez powietrze, które dopiero wtórnie jest ogrzewane przez ciała stałe, dzięki czemu ciepło ukierunkowane jest do dolnej partii wysokiego obiektu. Systemy grzewcze oparte o promienniki charakteryzują się minimalną bezwładnością, szczególnie oparte o promienniki gazowe i promienniki elektryczne.
Promienniki obecnie należą do najchętniej stosowanych urządzeń grzewczych stosowanych w dużych obiektach przemysłowych, logistycznych i sportowych.
Wady i zalety:
Zalety:
- niższe koszty eksploatacji systemu przy tym samym komforcie cieplnym
- możliwość stosowania pełnej automatyki sterującej
- układ zdecentralizowany przy większych obiektach
- możliwość ogrzewania strefowego
- kontrola komfortu termicznego całej powierzchni ogrzewanej
Wady:
- zależne od rodzaju promienników (gazowe, elektryczne, wodne)
Grzejniki nadmuchowe
Grzejnik nadmuchowy jest połączeniem grzejnika konwektorowego z
wentylatorem
napędzanym energią elektryczną. Źródłem energii cieplnej jest najczęściej prąd elektryczny (sporadycznie woda, zasadniczo stosowana w
samochodach
). W ostatnich latach ciepło wytwarzane jest w nowoczesnych
kominkach
.
Wady i zalety:
- szybkie nagrzewanie pomieszczeń (intensywne mieszanie powietrza),
- występowanie szybkiego ruchu powietrza,
- hałas generowany przez wentylator,
- trudność w stabilizacji temperatury (??),
- możliwość kierunkowego ogrzewania (skierowania strumienia powietrza),
- zimny nawiew (jako inne zastosowanie).
- małe wymiary,
- możliwość umieszczenia z dala od miejsca, które ma być ogrzewane
Ogrzewanie podłogowe
Cechą charakterystyczną ogrzewania podłogowego jest sposób emisji ciepła – jest ono dostarczane całą powierzchnią podłogi poprzez promieniowanie, co zapobiega powstawaniu gorących warstw powietrza w górnej części pomieszczenia. Ogrzewanie podłogowe zapewnia profil temperatury w pomieszczeniu najbardziej zbliżony do teoretycznego profilu idealnego, ponieważ oddaje ciepło przez promieniowanie i nie wywołuje konwekcji. Ogrzewanie wykonuje się jako elektryczne lub wodne. Najczęściej stosowane jest w łazienkach, choć w nowych budynkach coraz częściej jest stosowane na całej powierzchni użytkowej. W ogrzewaniu podłogowym wodnym, woda dostarczana jest instalacją centralnego ogrzewania (CO), przy czym konieczne jest zastosowanie mieszacza do obniżenia temperatury wody w stosunku do temperatury lub (co stosuje się częściej) niskotemperaturowego źródła ciepła, takiego jak pompa ciepła albo kocioł kondensacyjny.
Zalety:
- równomierny rozkład pionowy temperatur w pomieszczeniu
- ciepła ("przyjemna") podłoga
- brak widocznych elementów ogrzewania (np. grzejników)
- akumulacyjność cieplna.
Wady:
- konieczność zniszczenia istniejącej podłogi (przy montażu w użytkowanym budynku)
- ograniczenia sposobu wykonania podłogi i jej nakrycia – należy unikać materiałów izolujących (np. deski na legarkach, grube wykładziny i dywany).
Tradycyjne źródła energii cieplnej
Jako tradycyjne źródła energii cieplnej przyjmuje się takie metody postępowania, w których nie jest brane pod uwagę ewentualne negatywne oddziaływanie na
środowisko
.
Ciepło z elektrociepłowni
Ciepło z
elektrociepłowni
do budynku dostarczane jest rurociągami w postaci gorącej wody. Woda ta nie jest stosowana bezpośrednio do ogrzewania, lecz jej energia cieplna przekazywana jest do wewnętrznego obiegu grzewczego centralnego ogrzewania w
wymienniku ciepła
(rekuperatorze). Dawniej powszechnie stosowano do przesyłu magistrale słabo izolowane, co powodowało duże straty ciepła, a wykonanie instalacji przesyłowej wymagało wysokich nakładów. Obecnie stosowane są powszechnie rury preizolowane, które ograniczają straty ciepła i ułatwiają montaż.
- Wady i zalety
- ciepło jest częściowo odpadem przy produkcji energii elektrycznej,
- są bezobsługowe,
- rozliczanie zużyci energii wymaga stosowania liczników energii cieplnej,
- w przypadku niewielkiej ilości przesyłanej energii wysoki koszt sieci przesyłowej
- niedostępność na żądanie w okresie przejściowym (do momentu włączenia wymiennika ciepła) lub niepotrzebne ogrzewanie przy ciepłej pogodzie (wiosną), przy braku regulacji wewnętrznej, prowadzące do przegrzewania pomieszczeń i marnotrawstwa energii.
- rozwiązanie nie wszędzie dostępne.
Ogrzewanie spalinowe
Ogrzewanie spalinowe polega na dostarczaniu ciepła uzyskanego w wyniku procesu spalania materiału zwanego
paliwem
. W tradycyjnych układach są to:
Piec opalany węglem – izbowy
Piec węglowy w wykonaniu tradycyjnym – tzw. piec izbowy, pozostaje w wielu gospodarstwach domowych głównym źródłem energii cieplnej. Jest kłopotliwy w eksploatacji, ponieważ:
- wymaga dostarczenia ciężkiego paliwa (często po schodach),
- wymaga nadzoru podczas palenia i wygaszania,
- po rozgrzaniu emituje dużo ciepła, które po zgaszeniu paleniska stopniowo się zmniejsza. Po wieczornym "napaleniu" rano w pomieszczeniu jest już zimno. Piec taki zabudowany w kuchni służy jednocześnie do przygotowywania potraw. Budową tradycyjnych pieców zajmuje się
zdun
.
Niekiedy do dawnych pieców zamiast palenisk węglowych montuje się palniki gazowe. Znacznie zwiększa to komfort eksploatacji (eliminuje konieczność noszenia ciężkiego paliwa, nadzoru podczas palenia i wygaszania, zapewnia możliwość ponownego zapalenia w każdej chwili, znacznie zmniejsza zanieczyszczenie powietrza, zapewnia łatwą regulację). Także możliwy jest montaż w takich piecach specjalnych grzałek elektrycznych (ich moc na ogół wymaga zasilania trójfazowego). Zapewnia to wysoki komfort (możliwe jest zastosowanie zegara sterującego, włączania na określony czas, często po taryfie nocnej, możliwa jest regulacja - zwykle 3-stopniowa), chociaż piec rozgrzewa się wolniej niż opalany węglem czy (tym bardziej) gazem.
Kocioł centralnego ogrzewania opalany węglem
Kocioł węglowy centralnego ogrzewania jest również kłopotliwy w eksploatacji (ze względu na charakter materiału), ale posiada możliwość instalacji pewnych system/ów automatyki. Dodatkową zaletą jest możliwość pracy ciągłej oraz kumulacja energii w zbiorniku wodnym (który może posiadać alternatywną metodę podgrzewania – np. elektryczną). System ten łatwo można przystosować do nowoczesnych metod opalania materiałami niewęglowymi. Kocioł centralnego ogrzewania instaluje się w
kotłowni
.
Wady i zalety:
- trudny w sterowaniu (kocioł tradycyjny)
- konieczność wykonania instalacji CO (kocioł centralny),
- konieczność stałego nadzoru człowieka,
- bardzo kłopotliwy nośnik energii.
Kocioł centralnego ogrzewania opalany gazem
Od kotła węglowego różni go znacząco charakter opału, co pozwala w większym stopniu dokonać automatyzacji procesu spalania.
Wady i zalety:
- konieczność wykonania instalacji CO,
- łatwość sterowania,
- czyste spaliny,
- czysta kotłownia.
- wysoka sprawność energetyczna (kotły kondensacyjne)
- możliwa współpraca z systemem solarnym
Kominek
Pod koniec
XX w.
powróciła moda na
kominki
, które są efektownym elementem wystroju wnętrz. Nowoczesne kominki mają niewiele wspólnego z niskosprawnymi poprzednikami, posiadają:
- zamykane palenisko (większa efektywność spalania i bezpieczeństwo) – niejednokrotnie z tzw. "zimną szybą",
- system odprowadzania ciepła (czasami z obiegiem wymuszonym), tak aby jak najmniej energii było oddawane do atmosfery razem ze spalinami.
- system zabezpieczeń,
- regulację płomienia.
Wady i zalety:
- efektowny element wystroju,
- konieczność częstego dokładania paliwa,
- kłopotliwy nośnik energii.
Ogrzewanie elektryczne
Wady i zalety:
- łatwość sterowania,
- niskie koszty instalacji przyłącza,
- wysoka sprawność,
- duży koszt jednostkowy energii.
Alternatywne źródła energii cieplnej
Alternatywne źródła energii charakteryzują się zmniejszonym negatywnym oddziaływaniem (względem tradycyjnych źródeł) na środowisko naturalne, poprzez zmniejszenie emisji szkodliwych substancji, lub wykorzystanie
odnawialnych źródeł energii
.
Możliwe jest wykorzystywanie energii słonecznej do zaspokojenia potrzeb grzewczych budynków. Rozróżnia się pasywne i aktywne systemy ogrzewania słonecznego, w zależności od tego, czy do wykorzystania energii słonecznej konieczne jest zużycie energii z innego źródła. Do systemów
pasywnego ogrzewania
słonecznego zalicza się
kolektory słoneczne
w instalacji grawitacyjnej oraz duże okna w południowej elewacji budynku o dobrych współczynnikach przenikania energii słonecznej. Ponieważ podaż energii słonecznej przypada głównie w ciągu lata oraz wiosną i jesienią a w trakcie sezonu grzewczego ich wydajność znacznie spada, kolektory słoneczne są zazwyczaj stosowane wyłącznie do produkcji ciepłej wody użytkowej. Mogą one również wspomagać niskotemperaturowe systemy centralnego ogrzewania (np. ogrzewanie podłogowe). W polskim klimacie możliwe jest wykorzystanie zysków grzewczych z energii słonecznej jako źródła energii dla
budynków pasywnych
.
Wady i zalety:
- duże uzależnienie od pogody (i rejonu geograficznego),
- bardzo niskie koszty jednostki energii,
- brak negatywnego wpływu na środowisko naturalne,
- łatwy montaż kolektorów słonecznych,
- ograniczenie do instalacji niskotemperaturowych (podłogowych, ściennych),
- wysoki koszt inwestycji.
Pompa ciepła
Energię uzyskuje się stosując
pompę ciepła
, która wymusza obieg energii cieplnej ze źródła zimniejszego (grunt) do ogrzewanego budynku. Zastosowanie tego urządzenia umożliwia korzystanie z energii zmagazynowanej w gruncie, który podgrzewany jest przez
energię słoneczną
. Takie ogrzewanie nie ma nic wspólnego z
gorącymi źródłami
ani z wykorzystaniem
energii geotermalnej
. Nośnikiem energii, który napędza pompę ciepła, w większości wypadków jest
energia elektryczna
. Jedynie w pojedynczych przypadkach pompa ciepła napędzana jest przez
silnik spalinowy
zasilany
gazem ziemnym
[1].
Wady i zalety:
- bardzo niskie koszty jednostki produkowanego ciepła,
- wysoki koszt inwestycyjny, zwłaszcza wykonania wymiennika ciepła w gruncie,
- brak emisji szkodliwych substancji w miejscu stosowania urządzenia.
Biomasa może być wykorzystywana jako paliwo do urządzeń grzewczych. Spalane mogą być między innymi:
Wady i zalety:
- paliwo dostępne jest zazwyczaj w niedużej odległości od miejsca wykorzystania – nie ma konieczności transportu jak w przypadku węgla,
- ceny biomasy, zwłaszcza różnego rodzaju odpadów, jest zazwyczaj niższa od innych paliw,
- emisję
dwutlenku węgla
ze spalania biomasy uważa się za zerową, a zatem nieprzyczyniającą się do
efektu cieplarnianego
.
Ograniczanie zużycia energii
Ograniczenie zużycia energii jest istotnym elementem prawidłowej polityki ogrzewania domu. Zużycie energii powinno się ograniczać ze względu na:
- negatywne oddziaływanie na środowisko naturalne,
- zbędne nakłady finansowe.
Zużycie energii można ograniczyć stosując metody zapobiegawcze:
- aktywne, tzn. bezpośrednio reagujące na zmieniające się warunki (np. regulacja),
- pasywne lub stałe (np. izolacja termiczna).
Regulacja
Regulacja lokalna – zawór (z głowicą termostatyczną)
Regulacja lokalna polega na instalacji zaworu (mechanicznego lub elektronicznego) lub zaworu z głowicą termostatyczną na grzejniku lub na dopływie energii do grzejnika. Zawór z głowicą posiada skalę w stopniach Celsjusza, lub numerację pozwalającą zapamiętać człowiekowi "odpowiednie" położenia dla wymaganych temperatur. Często spotyka się dwa zawory i przełącznik "noc/dzień".
Działanie zaworu z głowicą:
- załączony/wyłączony – odcina dopływ energii (np. ciepłej wody, prądu) w momencie wykrycia temperatury "górnej" w ramach przyjętych widełek dokładności (zależnych od rodzaju grzejnika), a włącza dopływ energii po wykryciu temperatury "dolnej". Dla dobrej jakości elektrycznych grzejników konwekcyjnych widełki (czyli faktycznie wahania temperatury w pomieszczeniu) wynoszą 0,5 st. C.
- płynna regulacja – zmniejszenie przepływu energii (np. wody) do poziomu pozwalającego utrzymać żądaną temperaturę (głowica ogranicza lub zwiększa dopływ czynnika grzejnego w zależności od potrzeby),
- przełączenie pracy grzejnika – np. zmiana liczby elementów grzejnych (najczęściej stosowana w grzejnikach elektrycznych).
- zabezpieczenie przeciw zamarzaniu – przy głowicy termostatycznej ustawionej na pozycji oznaczonej gwiazdką dopływ energii jest całkowicie zamknięty; w razie spadku temperatury w pomieszczeniu poniżej 0 °C głowica otwiera zawór lub włącza grzejnik zapobiegając przemarzaniu pomieszczenia.
Innym przykładem regulacji lokalnej jest układ sterujący systemem grzewczym opartym o rozproszone źródła energii takie jak na przykład promienniki i nagrzewnice gazowe, gdzie na jednej hali kilka lub kilkadziesiąt urządzeń łączone działają w odniesieniu do kilku lub kilkunastu punktów pomiaru temperatury, dzięki czemu każde źródło energii, promiennik czy nagrzewnica, może bezpośrednio reagować na lokalne wahania temperatury. Niestety zawór z głowicą termostatyczną odcina dopływ czynnyka grzewczego wyłącznie do samego grzejnika, natomiast rury instalacji C.O. (piony) pozostaja gorące, przez co często (zwłaszcza wiosną, przy słonecznej pogodzie) dochodzi do przegrzania pomieszczeń mimo zamknięcia zaworów przy grzejnikach.
Regulacja centralna
Regulacją centralną nazywane są mechanizmy pozwalające z jednego punktu domu wpłynąć na zmianę temperatury we wszystkich lub dowolnie wybranych punktach grzewczych poprzez:
- oddziaływanie (
zdalne sterowanie
) urządzeniami do regulacji lokalnej – rozwiązanie to stosowane jest w grzejnikach elektrycznych.
- zmianę ilości dostarczanego ciepła do punktów grzewczych – rozwiązanie stosowane w systemach
centralnego ogrzewania
, w wyniku:
- zmniejszenia temperatury wody,
- cyklicznego włączania i wyłączania dopływu energii (stosowane również w grzejnikach elektrycznych)
Przypisy
Zobacz też
