2020-04-15 09:52:22 
Z artykułu dowiesz się:
- Jak dobrać ogrzewanie do domu?
- Na jakim ogrzewaniu nam zależy?
- Jak wytwarzana i dystrybuowane jest ciepło?
- Jak sterować ciepłem?
- Jak sterować grzejnikami i podłogówką?
- Co łączy ciepłą wodę, kolektory i panele PV?
Jak dobrać ogrzewanie?
Wybór sposobu ogrzewania domu to jedna z najważniejszych i najtrudniejszych decyzji przy jego budowie. Także dla tych, którzy chcą mieć dom w wersji smart. Ale co właściwie ma to oznaczać? Naprawdę inteligentne ogrzewanie nie polega na mnożeniu efektownych gadżetów.
Chodzi o jak najlepszą współpracę wszystkich elementów systemu grzewczego i pełne wykorzystanie jego możliwości. Ostatecznie daje to wyższy komfort i obniżenie kosztów eksploatacji nawet o 20–30%.
Na jakim ogrzewaniu nam zależy?
Każda instalacja grzewcza daje ciepło. Ale tylko dobrze przemyślana, zaprojektowana i wykonana daje je we właściwej ilości, w odpowiednim czasie i miejscu. Niedobór to oczywisty problem, który – zupełnie dosłownie – odczujemy na własnej skórze. Będzie nam po prostu zimno. Z kolei nadmiaru, o ile jest niezbyt duży, bezpośrednio raczej nie odczujemy w postaci przegrzania. Może nawet nie zauważymy go na rachunkach, bo skąd niby mamy wiedzieć, że mogłyby być niższe?
Takie rzeczy widzimy dopiero po dokonaniu jakichś istotnych zmian. Może to być wymiana kotła na nowocześniejszy, dodanie automatyki sterującej, czy wreszcie założenie głowic termostatycznych na grzejnikach. Trzeba przy tym wyjaśnić, że tak podstawowe pojęcie jak, „właściwa temperatura” jest czysto umowne. Mamy wprawdzie normowe regulacje, zgodnie z którymi np. w pokojach powinno być 20°C, zaś w łazienkach 24°C, ale tak naprawdę właściwa temperatura to taka, przy której wszyscy domownicy są zadowoleni.
Dlatego powinniśmy uprzedzić projektanta, jeżeli lubimy mieć ciepło ponad standard. Kolejna kwestia to dostosowanie temperatury do miejsca i czasu. Przecież nie wszędzie musi ona być taka sama. W pomieszczeniu gospodarczym czy spiżarni niższa jest nawet wskazana. Ponadto w wielu domach nie musimy utrzymywać jej stale na tym samym poziomie. Jeżeli w budynku ktoś jest praktycznie przez całą dobę, to sterowanie temperaturą w funkcji czasu niewiele da.
Tak będzie, jeżeli są tam małe dzieci, seniorzy na emeryturze, czy osoby pracujące w domu. Co innego, jeżeli wszyscy domownicy opuszczają go nawet na kilkanaście godzin w ciągu doby, bo spędzają ten czas w pracy, w szkole itd. Obniżenie temperatury np. na 12 godzin dziennie to już bardzo dużo. Jednak pod warunkiem, że faktycznie będziemy w stanie to zrobić.
Trzeba zdawać sobie bowiem sprawę, że samo wyłączenie ogrzewania w murowanym i do tego dobrze izolowanym domu może przełożyć się na niewielki spadek temperatury, wynoszący zaledwie 1–2°C. Wszystko dlatego, że jego konstrukcja to wiele ton murów, stropów, wylewek, które działają jak akumulator ciepła.
Tym bardziej jeżeli mamy jeszcze typową podłogówkę z grubą wylewką. Sama w sobie akumulacja ciepła nie jest niczym złym. Przeciwnie, może być nawet dobrze wykorzystana, ale musimy mieć świadomość, że towarzyszy jej nieunikniona bezwładność w sterowaniu ogrzewaniem. I tego nie zmienią nawet najnowocześniejsze elektroniczne regulatory temperatury, supernowoczesne kotły itd.
Jeżeli chcemy sterować temperaturą w funkcji czasu zastanówmy się raczej nad budową domu o lekkiej konstrukcji (np. szkieletowego) oraz ogrzewaniem działającym w sposób dynamiczny. Mogą to być grzejniki ścienne o odpowiedniej konstrukcji, promienniki ciepła, ogrzewanie powietrzne, a nawet specjalne rodzaje podłogówki oraz ogrzewania ściennego lub sufitowego.
Innymi słowy, najpierw bardzo dobrze przemyślmy, czego tak naprawdę oczekujemy od ogrzewania. Zaniedbań na tym pierwszym etapie nie sposób w pełni nadrobić później. Trzeba uwzględniać nasze preferencje, a z drugiej strony techniczne możliwości i ograniczenia, charakterystyczne dla różnych rozwiązań.
Wytwarzanie i dystrybucja ciepła
Nieco przewrotnie można powiedzieć, że nie ma czegoś takiego, jak niesterowalne źródło ciepła. Bardzo różny jest za to stopień i trudność sprawowania kontroli nad wytwarzaniem ciepła oraz jego dystrybucją w budynku. Zauważmy, że są tu dwa etapy: wytworzenie ciepła – przez kocioł, pompę ciepła, kolektory słoneczne itd.; jego przekazanie – ze źródła do dalszych elementów instalacji i części budynku. Każdy kto myśli o zautomatyzowaniu działania ogrzewania i jego optymalizacji musi zawsze pamiętać o tym podziale.
Niska sprawność całego układu grzewczego i rozmaite kłopoty wynikają tak naprawdę z faktu, że coś „zgrzyta” właśnie pomiędzy wytworzeniem ciepła i jego dystrybucją. Najłatwiej będzie to pokazać na przykładzie. Zwykle mówi się, że moc źródła ciepła powinna odpowiadać jego stratom z budynku. Z zastrzeżeniem, że te nie są przecież stałe.
Przy mrozie wynoszącym -20°C potrzebujemy przecież dwa razy tyle ciepła niż gdy na zewnątrz jest 0°C. Kiedy zaś na dworze będzie +10°C, wystarczy już tylko 1/4 pierwotnej mocy kotła. Jeżeli w naszym domu zaplanujemy więc kocioł gazowy i grzejniki ścienne to wszystko będzie działać prawidłowo pod warunkiem, że kocioł będzie w stanie wystarczająco szybko i w odpowiednio dużym zakresie zmieniać swą moc, tak aby dostosowywać ją do zmiennego zapotrzebowania.
Nowoczesne kotły bardzo dobrze sobie z tym radzą, bo mogą działać z bardzo wysoką sprawnością, nawet wykorzystując zaledwie kilkanaście procent mocy nominalnej. Jeszcze lepsze w takim dopasowywaniu się do potrzeb będą kotły elektryczne. W ich przypadku nawet praca z przerwami praktycznie nie obniża sprawności. Jednak zawsze w układzie, gdzie całe wytworzone ciepło musi od razu zostać przekazane do wnętrz, należy nieustannie monitorować zarówno zapotrzebowanie, jak i działanie źródła ciepła.
Nowoczesna automatyka jest po prostu niezbędna. A teraz wyobraźmy sobie zupełnie inny system grzewczy. Niech naszym źródłem ciepła będzie kocioł zgazowujący drewno (tzw. na holzgas), zasypowy na węgiel, albo kominek z płaszczem wodnym. Oczywiście, nie są to urządzenia kojarzone powszechnie z nowoczesnością. A jeśli już, to w wersji z elektronicznymi sterownikami, nadmuchem powietrza itd. Jednak to rozpowszechnione przekonanie niekoniecznie jest zasadne.
Tego rodzaju urządzenia nie muszą wcale potrzebować tony elektroniki, jeżeli tylko zadbamy o odpowiedni do ich specyfiki sposób odbioru ciepła i jego dalszą dystrybucję na poziomie smart. Generalnie, powinny one działać zawsze z mocą nominalną. W tych warunkach osiągają nieraz bardzo wysoką sprawność i czystość spalania. Z tego względu należy je połączyć z odbiornikiem ciepła, który zawsze będzie w stanie odebrać całe wytworzone ciepło, ale nie będzie musiał od razu przekazywać go dalej.
Taką rolę pełni zwykle duży zbiornik wody grzewczej. Przy pojemności około 1000 l staje się akumulatorem ciepła na potem. Możemy je przekazać do pomieszczeń nie w momencie wytworzenia, lecz później, gdy będzie potrzebne. Rolę akumulatora może też dość dobrze pełnić gruba warstwa jastrychu, jeżeli zdecydujemy się na ogrzewanie podłogowe.
Z zastrzeżeniem, że nad dalszą emisją ciepła nie mamy już kontroli. Podgrzana podłoga będzie je emitować, czy tego chce chce my czy nie. W przypadku wodnego akumulatora ciepła, mamy zaś kontrolę i to w bardzo prosty sposób. Wystarczy żeby regulator dbający o utrzymanie właściwej temperatury we wnętrzach w miarę potrzeby włączał lub wyłączał pompę obiegową c.o.
Ma się rozumieć, że w takim systemie nasze źródło ciepła z założenia nie pracuje stale. Jego moc też nie musi odpowiadać zapotrzebowaniu na ciepło charakteryzującemu budynek. Dopasowuje się je raczej do możliwości akumulacji ciepła w wodzie w zbiorniku, wylewce podłogowej, samej konstrukcji budynku. Mamy więc ostatecznie źródło ciepła, którego moc ma się nijak do chwilowego zapotrzebowania na ciepło w budynku. Jednak całość może działać dobrze, bo faktycznie rozdzieliliśmy wytwarzanie ciepła i jego dalszą dystrybucję.
Jak sterować ciepłem?
Różne urządzenia grzewcze oznaczają zupełnie odmienny stopień kontroli, jaką możemy nad nimi sprawować. Wiąże się z tym również to, na ile absorbującej, codziennej obsługi wymagają. Z oczywistych względów najlepiej do współpracy z wszelkimi rodzajami automatyki budynkowej nadają się urządzenia i systemy, które:
- mogą się w pełni automatycznie włączać i wyłączać;
- są w stanie zmieniać swoją moc bez udziału użytkownika, jedynie reagując na określone sygnały;
- nie wymagają ręcznego uzupełniania paliwa, ani żadnej formy stałego nadzoru.
Jeżeli spełniają wszystkie te warunki, można nazwać je w pełni bezobsługowymi. Żeby działać prawidłowo potrzebują więc jedynie sygnału, czy temperatura w budynku jest taka, jaką ustawiliśmy. Zależnie od potrzeb – uruchomią się, wyłączą albo zmienią intensywność grzania (chwilową moc). Wszystkie te warunki w całej rozciągłości spełniają kotły gazowe, elektryczne, olejowe oraz pompy ciepła. Z zastrzeżeniem, że część pomp ciepła może działać tylko ze stałą mocą.
System grzewczy musi być wówczas tak skonfigurowany, żeby nie oznaczało to częstego włączania się i wyłączania, bo takie krótkie cykle pracy mogą drastycznie obniżyć trwałość sprężarki pompy, a to jej zasadniczy (i kosztowny) element. Taka pompa będzie odpowiednia choćby do budynku z ogrzewaniem podłogowym.
Gruba warstwa jastrychu działa jak akumulator ciepła i powoli nagrzewa się i stygnie, gwarantuje odpowiednio długi, bezpieczny czas pracy. Inne pompy mają za to znaczny zakres regulacji mocy, najczęściej poczynając od 30%. Mogą więc całkiem dobrze dopasowywać się do zmiennego zapotrzebowania. Co przydaje się choćby w układzie, gdy pompa współpracuje z grzejnikami ściennymi. Te przecież charakteryzuje mała bezwładność cieplna.
Jednak trzeba zaznaczyć, że nie zawsze regulacja mocy pompy ciepła będzie nam potrzebna. Jeżeli np. urządzenie działa z założenia tylko w czasie obowiązywania tańszej drugiej taryfy za prąd, to wówczas przez ograniczony czas musi zapewnić stosunkowo dużą ilość ciepła. Najczęściej nagrzewa wówczas wylewkę podłogową, służącą jako akumulator ciepła.
Ograniczony, i to bardzo mocno, zakres obsługi charakteryzuje z kolei kotły z podajnikiem na węgiel (groszek) lub pelety. Wprawdzie to my (użytkownicy) musimy uzupełniać w nich paliwo oraz regularnie czyścić, ale robimy to raz na kilka dni. Niektóre modele mają nawet funkcję automatycznego rozpalania.
Najczęściej są to kotły peletowe, bo w przypadku tego opału znacznie trudniej długotrwale utrzymywać żar. Pamiętajmy jednak, że automatyczne włączenie i wyłączenie to w ich przypadku zupełnie inny proces, niż w kotłach gazowych i elektrycznych. Tego nie zrobimy w ciągu sekund, momentalnie uzyskując wysoką moc. Raczej chodzi o to, żeby kocioł, przy niewielkim zapotrzebowaniu na ciepło, mógł się uruchomić na kilka godzin, a następnie wygasić.
Utrzymywanie żaru przez całą dobę nie ma przecież sensu, jeżeli wystarczająca jest praca np. przez 4 godziny. Trzeba jednak bardzo wyraźnie powiedzieć, że współczesne kotły z podajnikiem to technologicznie zupełnie inny świat niż stare, prymitywne „kopciuchy”. I to pod każdym względem – obsługi, sprawności, czystości spalania. W pełni automatyczna kontrola nad parametrami spalania i mocą to w ich przypadku już norma.
Mogą przy tym pracować z dowolnymi regulatorami temperatury (pokojowymi i pogodowymi), da się nimi sterować zdalnie, np. używając smartfona. Jak najbardziej mogą więc współpracować z automatyką inteligentnego budynku. Kotły zasypowe oraz kominki lub piece, w tym z płaszczem wodnym, wymagają ręcznego uzupełniania paliwa.
I to jest podstawowe ograniczenie odnośnie użyteczności w smart domu. Wprawdzie można nawet zdalnie nadzorować intensywność palenia, poprzez regulację dopływu powietrza, lecz ostatecznie, gdy załadowana porcja opału się wypali, będziemy musieli przyjść i załadować drugą. A to nastąpi w ciągu kilku godzin (maksymalnie kilkunastu).
Dlatego właśnie pisaliśmy wcześniej, że w przypadku takich urządzeń najlepiej sprawdza się układ z akumulatorem ciepła, który ładujemy przez krótki czas i wykorzystując nominalną moc takich urządzeń, po czym możemy już w pełni kontrolować dalszą dystrybucję ciepła – kiedy, gdzie i w jakiej ilości trafi do wnętrz. Ten etap jest łatwy do zautomatyzowania. Efekty są zaś znacznie lepsze od prób sterowania chwilową mocą kotłów zasypowych czy kominków z płaszczem wodnym.
Nieco inna kwestia to kominki i piece, całkiem często spotykane w nowoczesnych domach, lecz działające zupełnie niezależnie od instalacji centralnego ogrzewania. Pełnią one funkcję rekreacyjną, palimy choćby dla przyjemności popatrzenia w ogień. Z drugiej strony bywają też traktowane jako rezerwowe źródło ciepła, na wypadek awarii podstawowego ogrzewania. Chodzi tu zarówno o czasową niesprawność kotła, jak i dłuższą przerwę w dostawie prądu.
Dobrze więc, jeśli mogą działać bez zasilania elektrycznego. Wiadomo, że ogrzewanie nimi nie będzie tak komfortowe jak zwykle. Jednak w naszym, dość chłodnym klimacie, chodzi po prostu o zapewnienie znośnej temperatury, przede wszystkim powyżej 0°C, tak żeby zapobiec choćby zamarznięciu wody w rurach. Piec lub kominek bywa też traktowany jako swoiste uzupełnienie podstawowego ogrzewania.
Tym bardziej, że np. moce grzewcze kominka z DGP (dystrybucją gorącego powietrza) i kotła lub pompy ciepła sumują się. DGP ze swoim szybkim działaniem może też nieco rekompensować bezwładność ogrzewania podłogowego, gdy zechcemy szybko podnieść temperaturę w domu.
Sterowanie grzejnikami i podłogówką
Grzejniki oraz ogrzewanie podłogowe tak naprawdę występują w bardzo wielu wariantach i to różniących się naprawdę zasadniczymi cechami. Oczywiście, nie wszystkie są w równym stopniu podatne na sterowanie przez automatykę budynkową. Jednak nie mniej ważną cechą jest dopasowanie ich charakterystyki do wybranego źródła ciepła oraz cech samego domu.
Bardzo dobrym przykładem będą tu różnice pomiędzy budynkami z ogrzewaniem podłogowym oraz grzejnikami ściennymi. W domach z pompami ciepła najczęściej wykonuje się ogrzewanie podłogowe. Co jest uzasadnione tym, że pompy ciepła najbardziej ekonomicznie pracują przygotowując wodę o niskiej temperaturze (ok. 35°C). Ogrzewanie podłogowe może zaś działać całkiem wydajnie przy takich parametrach zasilania, bo niską temperaturę powierzchni podłogi (poniżej 30°C) rekompensuje jej bardzo duża powierzchnia.
Taki układ ma jednak i swoje słabe strony, jeżeli planujemy zautomatyzowany dom w wersji smart. Ogrzewanie podłogowe w typowej wersji, czyli z rurkami zatopionymi w grubej i ciężkiej warstwie jastrychu bardzo powoli nagrzewa się i stygnie. Po prostu nie da się w krótkim czasie podnieść temperatury we wnętrzach, ani też przerwać dopływu ciepła. Bo co z tego, że woda przestanie płynąć, jeżeli jastrych to kilka ton masy, która już się na grzała?
Dlatego w takich układach popularne są pogodowe regulatory temperatury, które niejako z wyprzedzeniem dają sygnał do uruchomienia lub wyłączenia ogrzewania, na podstawie tego jak zmienia się temperatura na zewnątrz budynku. Ma się rozumieć, że to samo zastrzeżenie co do powolności reakcji dotyczy każdej podłogówki z grubą wylewką, równiej takiej zasilanej przez kocioł albo elektrycznej, w której przewody grzejne zatopione są w głębi jastrychu.
Powtórzmy, taka podłogówka działa jak akumulator ciepła, czy tego chcemy czy nie. Może to być pożądane, kiedy np. zakładamy korzystanie tylko z drugiej (nocnej) taryfy za energię elektryczną. Niesterowalność podłogówki można też obejść, dodając inne źródło ciepła w pomieszczeniach. Może to być chociażby nagrzewnica powietrza w systemie wentylacji mechanicznej, niewielkiej mocy grzejniki promiennikowe lub konwektory.
Ich łączna moc może być znacznie mniejsza niż całkowite zapotrzebowanie na ciepło, ważne zaś żeby działały szybko, dając dodatkowy zastrzyk energii, gdy zechcemy podnieść temperaturę w krótkim czasie. Zupełnie inna szybkość reakcji charakteryzuje grzejniki. W ich przypadku wystarcza zaledwie kilka lub kilkanaście minut, żebyśmy poczuli efekt włączenia ogrzewania lub zmiany jego ustawień.
To samo dotyczy tych rodzajów ogrzewania podłogowego, w przypadku których nie trzeba podgrzewać dużej masy jastrychu. To przede wszystkim elektryczna podłogówka w postaci mat i folii układanych bezpośrednio pod płytkami ceramicznymi lub panelami. Lekki wariant wersji wodnej, w którym rury przykrywa tylko cienka warstwa tzw. suchego jastrychu z płyt cementowo-włóknowowych lub gipsowo-włóknowych, reaguje podobnie.
W tych przypadkach dobrze pomyślane sterowanie powinno wykorzystywać możliwość bardzo szybkiego uruchomienia ogrzewania albo zwiększenia jego intensywności. Najczęściej wystarczają do tego pokojowe regulatory temperatury oraz głowice termostatyczne na grzejnikach. Są one ostatnim elementem korygującym ustawienie ogrzewania, już na poziomie poszczególnych pomieszczeń.
Trzeba jednak zaznaczyć, że dynamiczne sterowanie ilością ciepła oddawanego przez grzejniki musi iść w parze z podobnie szybką możliwością zmiany mocy grzewczej naszego źródła ciepłą. Wyobraźmy sobie, że zastosowaliśmy specjalne grzejniki z wymuszoną wentylatorami konwekcją, które rzeczywiście błyskawicznie mogą zmieniać swą moc oraz bardzo dobrze nadają się do współpracy nawet z niskotemperaturowymi pompami ciepła (mają wysoką moc nawet przy niskiej temperaturze zasilania).
Ale równocześnie kupiliśmy pompę ciepła, która może pracować tylko z pełną mocą albo wcale (bez inwertera)? Będziemy mieli problemy i bardzo możliwe, że pompa będzie włączała się na krótko, co jest dla niej niekorzystne. Wszystko przez opisany wcześniej kłopot z niedopasowaniem mocy źródła ciepła i jego dalszej dystrybucji. Dlatego pamiętajmy, że system grzewczy musi być przemyślany i zaprojektowany jako całość – źródło ciepła, przekazywanie go do pomieszczeń i sterowanie.
Ciepła woda, kolektory i panele PV
Sposób przygotowywania ciepłej wody, zastosowanie kolektorów słonecznych i/lub paneli PV może bardzo wpłynąć na działanie systemu grzewczego. I spowodować sporo zamieszania. Wszystko dlatego, że trzeba uzgodnić działanie układów o bardzo odmiennej charakterystyce. Przede wszystkim, w naprawdę energooszczędnych domach, roczne zapotrzebowanie na energię konieczną do przygotowywania c.w.u. (ciepłej wody użytkowej) może być zbliżone do ilości ciepła, niezbędnego żeby ogrzać wnętrza.
Przy tym potrzebujemy jej mniej więcej tyle samo niezależnie od pory roku. A to z kolei oznacza, że popularne sposoby na przygotowywanie c.w.u. tanio i ekologicznie, czyli wykorzystanie kolektorów słonecznych lub małych pomp ciepła nie wystarczą. Kolektory są np. w stanie niemal w pełni zastąpić konwencjonalne metody w miesiącach letnich, ale przez pozostałą część roku będzie trzeba korzystać również z kotła lub innego źródła ciepła.
Podobnie pompy ciepła przeznaczone tylko do c.w.u. najczęściej nie mogą działać w trakcie większych mrozów. Zaś korzystanie z dwóch lub więcej sposobów podgrzewania wody wymaga już odpowiedniego sterowania. Kiedy np. działanie pompy ciepła jest jeszcze bardziej opłacalne, niż użycie kotła gazowego?Jeżeli mamy panele fotowoltaiczne sprawa dodatkowo się komplikuje.
Lepiej zasilać własnym prądem z ogniw tę pompę ciepła, czy może bardziej opłaci się oddać go do sieci, a teraz niech zadziała kocioł? Na szczęście, w dobrze pomyślanym systemie nie musimy sami tego nieustannie monitorować i ręcznie przełączać urządzeń. Nowoczesne sterowniki wykorzystują informację o kosztach energii elektrycznej i gazu oraz sprawności kotła oraz pompy w danym momencie.
Po takiej analizie same wybierają urządzenie, które sprawdzi się najlepiej, a koszt pozyskania ciepła będzie najniższy. I o to tak naprawdę chodzi w każdym smart domu – to automatyka ma wybierać optymalne rozwiązania, a my nie musimy zaprzątać sobie tym głowy.
Autor: Jarosław Antkiewicz
Zdjęcie otwierające: Kospel
Komentarze