Ogrzewanie powietrzne pomieszczeń
Ogrzewanie powietrzne w ostatnich czasach jest coraz częściej stosowane w budynkach. W porównaniu do ogrzewań tradycyjnych (wodnych), wymaga trochę innego podejścia technicznego.
Dopiero w latach 90. na naszym rynku pojawiły się urządzenia umożliwiające wykonanie ogrzewań powietrznych (piece, wentylatory).
Jerzy R. Adamczyk
Piotr Surmacz
Nośnikiem ciepła jest powietrze, podgrzewane w piecu i rozprowadzane kanałami do pomieszczenia lub grupy pomieszczeń (dom); powietrze po ochłodzeniu powraca kanałem do pieca, gdzie ponownie jest ogrzewane.
W zależności od sposobu podgrzewania powietrza, możemy podzielić je na:
- ogrzewanie bezpośrednie (podgrzewanie w piecach) – w części górnej pieca system rur tworzy wymiennik ciepła, przez który przepływa powietrze oraz spaliny (przeważnie w układzie krzyżowym);
- ogrzewanie pośrednie – czynnikiem pośrednim jest para wodna lub woda.
W zależności od siły napędowej, powodującej przepływ (ruch) powietrza w kanałach, ogrzewanie to możemy podzielić na:
- grawitacyjne (najstarsze);
- wentylatorowe (wentylator może być instalowany w przewodzie nawiewnym i wywiewnym).
Instalacja ogrzewania powietrznego składa się z:
- źródła ciepła (piec, nagrzewnica);
- sieci przewodów (kanałów rozprowadzających i powrotnych);
- kratek nawiewnych i wywiewnych (z termoregulatorami lub bez).
Piece stosowane mogą być na paliwo:
- stałe (najstarsze rozwiązanie);
- ciekłe;
- gazowe.
Piece na paliwo stałe (spalanie różnego rodzaju paliw – drewno, węgiel kamienny lub koks) oprócz zalet mają kilka wad:
- utrudnioną regulację wydajności pieca i dostosowania jej do zapotrzebowania chwilowego na energię obiektu (grupy pomieszczeń i domu lub obiektu sakralnego);
- trudności w utrzymaniu czystości pomieszczenia, w którym się znajduje;
- ciągły nadzór i obsługa pieca (dostarczanie paliwa, usunięcie produktów spalania).
Takich wad nie mają piece na paliwo ciekłe i gazowe. Wadą tych pieców jest to, że nakłady inwestycyjne są wyższe niż w przypadku pieca na paliwo stałe. Niezbędna jest instalacja dostarczająca paliwo do palników oraz automatyka i zabezpieczenia wymagane dla tego typu instalacji (zagrożenie pożarowe). W przypadku paliwa ciekłego należy wydzielić odpowiednie pomieszczenie do jego magazynowania (zbiorniki, instalację do ich napełniania, zabezpieczenie środowiska przed skażeniem). W przypadku, gdy w budynku (np. kościoły) występują trudności z lokalizacją przewodu do odprowadzania spalin (komina), można jako źródło ciepła zastosować elektryczne piece akumulacyjne.
Przewody
Przewody rozprowadzające powietrze najczęściej wykonuje się jako murowane (pojedyncze pomieszczenia, domki jednorodzinne) lub z blachy stalowej ocynkowanej. W przypadku, gdy przewody są zamurowywane i dostęp lub ich wymiana jest niemożliwa, zalecane jest wykonywanie przewodów z blachy stalowej nierdzewnej. Przy przewodach z blachy stalowej (dobrze przewodzących ciepło) należy je zawsze starannie zaizolować (wełna mineralna, pianka polietylenowa, o odporności temperaturowej minimum 90 °C). Wynika to z temperatur powietrza opuszczającego źródło ciepła – 50÷80 °C. Tak wysoka temperatura powodowana jest zmniejszeniem ilości powietrza przepływającego przez kanały rozprowadzające.
Układ przewodów może być promieniowy, obwodowy (w dół pomieszczenia lub budynku). W przypadku ogrzewania powietrznego grawitacyjnego, przy zmianie kierunku należy stosować łagodne łuki (o dużym promieniu R > 2 d – w kanałach prostokątnych ostre załamania zastąpić łukami – nie kolanami). Przewody można prowadzić w podłodze (posadzce) kanałami murowanymi wzdłuż ścian, w przestrzeni stropowej – przy ogrzewaniu wentylatorowym.
Kratki nawiewne
Otwory wylotowe ciepłego powietrza zaleca się lokalizować (w ogrzewaniu grawitacyjnym) przy ścianach zewnętrznych pod oknami – dolna krawędź otworu na wysokości 30÷50 cm.
Otwory wyposaża się najczęściej w kratki z blachy perforowanej w płaszczyźnie wylotu (blachy wykonuje się w postaci ozdobników stanowiących uzupełnienie wystroju wnętrza pomieszczenia). W ogrzewaniu wentylatorowym otwory wywiewne nie muszą być lokalizowane na wyżej podanej wysokości. Można wykorzystać ciśnienie wytwarzane przez wentylator do nawiewu powietrza na okna przez specjalne nawiewniki szczelinowe lub nawiew do przestrzeni międzyszybowej. Dzięki temu ogranicza się wpływ okna (niskie temperatury powierzchni szyb od strony pomieszczeń) na odczuwanie komfortu cieplnego użytkowników pomieszczenia. Zastosowanie kratek wentylacyjny (w otworach nawiewnych) z termoregulatorami pozwala na sterowanie ilością energii cieplnej dostarczanej z powietrzem do pomieszczenia, a tym samym utrzymanie w pomieszczeniu temperatury na żądanym poziomie.
Wywiew powietrza z pomieszczenia następuje przez:
- szczeliny w drzwiach tych pomieszczeń;
- otwory wywiewne i sieć kanałów.
W pierwszym przypadku powietrze przez korytarz i klatkę schodowa dopływa do pomieszczenia (piwnicy), gdzie zlokalizowany jest piec. Zostaje zassane do otworu wlotowego wymiennika w piecu i w nim podgrzane. W małych instalacjach rzadko były stosowane składy umożliwiające wymianę powietrza krążącego w instalacji. Układy takie (zamknięte) miały tę wadę, że roznosiły zapachy do wszystkich pomieszczeń. Wymiana powietrza (dostarczanie świeżego – zewnętrznego) zmniejszyła tę uciążliwość, lecz zwiększyła zużycie energii cieplnej (paliwa). W ogrzewaniach wentylatorowych należy się liczyć ze zużyciem energii elektrycznej do napędu wentylatora (wentylatorów), lecz można zmniejszyć zużycie energii cieplnej stosując systemy z wymiennikami (rekuperatorami) do odzysku ciepła z powietrza wyrzucanego. Układy takie są inwestycyjnie droższe od prostych grawitacyjnych – lecz eksploatacyjnie tańsze (oszczędniejsze) oraz zapewniają lepszy komfort cieplnym w obsługiwanych pomieszczeniach.
W przypadku, gdy energia cieplna tracona przez przewody rozprowadzające nie „przepływa” do obsługiwanych przez instalację pomieszczeń (jest tracona poza układem), należy również uwzględnić ją w doborze pieca (nagrzewnicy). Wymiarowanie kanałów rozprowadzających powietrze przeprowadza się w analogiczny sposób, jak dla instalacji wentylacji mechanicznej. W ogrzewaniu grawitacyjnym należy dokładnie wykonać obliczenia hydrauliczne całej sieci (część nawiewną i wywiewną). W przeciwnym przypadku należy liczyć się z dużymi trudnościami eksploatacyjnymi (inny niż zakładany przepływ powietrza i temperatury w pomieszczeniach).
Instalacje ogrzewania wentylatorowego można rozbudować montując chłodnicę powietrza. W okresie letnim instalacja taka pracować będzie jako instalacja wentylacyjna z normowaniem temperatury w okresie letnim – zwiększając komfort w pomieszczeniach. Zastosowanie – zamiast agregatu chłodniczego – pompy ciepła (np. powietrze – powietrze) umożliwia ogrzewanie pomieszczenia nawet wtedy, gdy temperatura powietrza zewnętrznego spadnie do –10 °C bez uruchamiania kotła.
Reasumując można stwierdzić, że:
- ogrzewania powietrzne z powodzeniem mogą być stosowane w budynkach o okresowej używalności (nie zamarznie woda w grzejnikach) i uruchamiane w czasie pobytu ludzi (oszczędność energii – tańsza eksploatacja);
- znaczne efekty ekonomiczne uzyskamy w połączeniu z wentylacją nawiewno-wywiewną z wymiennikami rekuperatorowymi;
- wymaga dokładnego zaprojektowania i starannego wykonania.
Dystrybucja ciepłego powietrza
Zasady działania
Palenisko wydziela duże ilości ciepła. Dzięki jednostkom wentylacyjnym istnieje możliwość podwyższenia komfortu użytkowania przez podłączenie instalacji rozprowadzania ciepłego powietrza w okapie kominka lub do przewidzianych do tego celu wylotów ciepłego powietrza w kasetonie.
Dystrybucja ciepłego powietrza polega na pompowaniu ciepłego powietrza znajdującego się w okapie lub w kasetonie, zasilając usytuowany na strychu mocny wentylator (1) izolowany termicznie i fonicznie, i przekazywaniu powietrza przez regulowane anemostaty (2) do wszystkich pomieszczeń.
Działanie tego systemu jest efektywniejsze dzięki podłączeniu wentylatora z bypassem (3), co pozwala na zwiększenie przepływu w sieci izolowanych rur (4) i zmniejsza straty kaloryczne. Sonda termiczna (5) zainstalowana w aparacie włącza i wyłącza automatycznie wentylator, w zależności od temperatury. Izolowany moduł rozprowadzający (6) zmniejsza straty dynamiczne i pozwala na lepsze rozłożenie strumienia ciepłego powietrza. Wylot bezpieczeństwa (7) zamontowany na okapie zapewnia upływ zgromadzonego ciepłego powietrza w wypadku awarii elektrycznej. Zamknięcie obiegu jest zapewnione przez powrót powietrza pod drzwiami (8), gwarantując tym samym odnawiany przepływ ciepłego powietrza. (Algreg Pol)
1. Wylot ciepłego powietrza w okapie.
2. Wlot powietrza do ogrzania między frontonem a aparatem.
3. Wlot powietrza wtórnego. Zabezpiecza przepływ fali powietrza w celu utrzymania szyby w czystości.
4. Wlot powietrza pierwotnego do regulacji spalania.
5. Wlot powietrza do ogrzania w podwójnym płaszczu aparatu.
6. Wlot powietrza do ogrzania pod podstawą.
7. Odprowadzenie dymu.
8. Obieg ciepłego powietrza.
Obliczanie zapotrzebowania ciepła przez pomieszczenie (budynek) wykonuje się w podobny sposób, jak dla ogrzewania wodnego. Ilość powietrza dopływającego do pomieszczenia określa się z zależności:
gdzie:
Qip – strata cieplna pomieszczenia w kW,
ρp – średnia gęstość powietrza nawiewanego (w sezonie grzewczym),
cp – ciepło właściwe powietrza = 1 kJ/(kgK),
tn – maksymalna temperatura powietrza nawiewnego w sezonie grzewczym (40÷45 °C),
tp – temperatura powietrza w pomieszczeniu (zależy od przeznaczenia pomieszczenia).
Przy doborze mocy pieca (nagrzewnicy) należy do całkowitego zapotrzebowania energii cieplnej pomieszczeń doliczyć niezbędną moc cieplną na podgrzanie powietrza świeżego (zewnętrznego). W przypadku odzysku ciepła z powietrza wyrzucanego na zewnątrz uwzględnić odzyskaną moc cieplną w mocy pieca. Niezbędną moc pieca (nagrzewnicy) można wyznaczyć z zależności:
gdzie:
Qip – strata mocy cieplnej i tego pomieszczenia [kW],
n – liczba pomieszczeń obsługiwanych przez instalację,
Qpz – moc cieplna potrzebna do ogrzania powietrza zewnętrznego (wymienianego) [kW],
Qod – moc cieplna odzyskana w wymienniku (rekuperatorze) [kW].