Nowoczesne rodzaje ogrzewania budynków

Ogrzewanie akumulacyjne

Elektryczne piece akumulacyjne są stacjonarnymi urządzeniami grzewczymi przeznaczonymi do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych i innych z wyjątkiem pomieszczeń niebezpiecznych pod względem pożarowym i wybuchowym.

Piece akumulacyjne są przystosowane do pobierania energii pozaszczytowej (licznik dwutaryfowy). Zadaniem tego typu urządzeń jest przetwarzanie energii elektrycznej na energię cieplną, akumulowanie jej oraz oddawanie do ogrzewanych pomieszczeń. Wiele zalet przemawia więc za ogrzewaniem elektrycznym, a ponieważ prąd w nocy jest tańszy niż w ciągu dnia, piec akumulacyjny pracujący w nocy nie pociąga za sobą dużych kosztów.

Przy korzystnych taryfach można zapewnić odpowiednią temperaturę w pomieszczeniu, nawet w najbardziej mroźną zimę, nie obciążając zbytnio portfela. Ładowanie pieca odbywa się przeważnie w nocy, gdy nie pracują inne urządzenia elektryczne, co zmniejsza ryzyko przeciążenia sieci. Wysokiej jakości cegły magnetytowe magazynują ciepło we wnętrzu pieca.

Do regulacji temperatury służy łatwy w obsłudze termostat. Sterowane mikroprocesorem regulatory ładowania zapewniają optymalne zmagazynowanie energii cieplnej. Maksymalna moc urządzeń akumulacyjnych wynosi kilka kW. Do dogrzewania pomieszczeń można wykorzystać piec akumulacyjny niewielkiej mocy (do około 2 kW), pracujący na napięcie jednofazowe 230 V.

Może być on podłączony do instalacji elektrycznej bez jej przebudowy. Piece większej mocy wymagają dostosowania instalacji (dodatkowy przydział mocy i założenie dwutaryfowego licznika energii elektrycznej - umożliwiającego korzystanie z tańszej taryfy nocnej i popołudniowej). Może się też okazać konieczne przystosowanie istniejącej instalacji elektrycznej wewnętrznej (na przykład wymiana przewodów).

Piece akumulacyjne pracują w dwóch fazach: ładowania i rozładowywania. Podczas ładowania pobierają energię elektryczną, która jest częściowo od razu oddawana w postaci ciepła, a częściowo kumulowana i oddawana później podczas procesu rozładowywania. Rozładowanie pieca (oddawanie ciepła) może być statyczne lub dynamiczne.

Rozładowanie statyczne następuje przez stalową obudowę, czasami dodatkowo przez kanał powietrzny biegnący przez cały piec, którego wlot znajduje się w części dolnej, a wylot - w części górnej. Przepływ powietrza jest grawitacyjny. W piecach z rozładowaniem dynamicznym przepływ powietrza jest wymuszony przez wentylator, który współpracuje z termostatem, zapewniając odpowiednią temperaturę przez regulację napływu ogrzanego powietrza.

Termostat może być dodatkowo wyposażony w programator. Poziom naładowania pieca reguluje się ręcznie lub automatycznie. Zależnie od pory roku i temperatury na zewnątrz można ustawić wyższy lub niższy poziom naładowania. Niektóre modele są wyposażone w dodatkowy element grzejny (np. grzałkę rurkową), który ogrzewa pomieszczenie, gdy piec jest rozładowany.

Główną zaletą pieców akumulacyjnych jest możliwość ładowania w nocy, przy tańszej taryfie. Wadą jest duży ciężar (75-300 kg). Piece umieszcza się zwykle pod oknami. Mogą być ustawione na podłodze lub zawieszone. W przypadku ustawienia na stropie trzeba się upewnić, czy jego nośność jest dostateczna.

Piece dostępne są też w wersji obniżonej (o wysokości 48 cm) lub płaskiej (o głębokości 16-22 cm). Można kupić piece w obudowie przystosowanej do pokrycia kaflami; są jednak o wiele droższe. Wszystkie piece powinny mieć atest energetyczny oraz znak bezpieczeństwa „B”.

Nowoczesne piece akumulacyjne powinny charakteryzować się następującymi cechami użytkowymi:

• możliwość kilkustopniowej regulacji mocy znamionowej,
• prosta konstrukcja, estetyczna i bezpieczna obudowa,
• wysokiej jakości materiał termoizolacyjny przyjazny dla środowiska,
• nie wydzielają przykrego zapachu przy włączeniu,
• przepływ powietrza odbywa się równomiernie na całej długości pieca,
• wlot powietrza zabezpieczony jest odpowiednim filtrem przeciwpyłowym,
• konserwacja jest ograniczona do kilku prostych czynności.

Wybór odpowiedniego (najbardziej ekonomicznego) urządzenia powinien być więc uwarunkowany mocą grzewczą i kosztami zakupu.

Ogrzewanie powietrzem

System ogrzewania powietrznego składa się z:

• nadmuchowego kotła grzewczego - w którym wytwarzane jest ciepłe powietrze. Jako paliwo może być wykorzystywany gaz ziemny, gaz płynny, olej opałowy lub energia elektryczna. Ciepłe powietrze potrzebne do ogrzewania obiektu uzyskuje się dzięki wymianie ciepła pomiędzy spalinami a czystym powietrzem, za pośrednictwem wymiennika ciepła.
  
  Paliwo pobierane jest przez palnik (olejowy lub gazowy), a następnie spalone w komorze spalania. Spalaniu mieszaniny paliwowo-powietrznej towarzyszy powstanie dużej ilości gorących spalin, które przepływając przez kanały wymiennika powodują jego ogrzewanie. Spaliny wydmuchiwane są poprzez przewód kominowy do atmosfery. Wentylator promieniowy zasysa z zewnątrz zimne powietrze, które pod ciśnieniem tłoczone jest do sekcji grzewczej.
  
  Powietrze opływa rozgrzaną komorę spalania i kanały wymiennika. Na drodze przepływu następuje intensywna wymiana ciepła, przy czym spaliny nie mają bezpośredniej styczności z ogrzewanym powietrzem. Ciepłe czyste powietrze wydmuchiwane jest bezpośrednio do pomieszczenia poprzez głowice swobodnego nadmuchu bądź system kanałów nawiewnych. Powietrze może być dodatkowo oczyszczane przez odpowiednie filtry.
  
  Dzięki małej bezwładności cieplnej, prawie natychmiast po uruchomieniu urządzenia powietrze osiąga wymaganą temperaturę, która utrzymywana jest automatycznie przez termostat. Jedną z możliwości jest również zastosowanie kotła kondensacyjnego lub pompy ciepła typu powietrze-powietrze. Źródłem ciepła może też być kominek - system ogrzewania powietrzem nagrzewanym przez kominek nosi nazwę DGP - Dystrybucja Gorącego Powietrza;
• kanałów rozprowadzających - ciepłe powietrze doprowadzane jest kanałami do konkretnych pomieszczeń. Kanały prowadzi się najłatwiej w budynkach o konstrukcji szkieletowej. W domu murowanym jest to również możliwe, ale warto zaplanować ich rozmieszczenie w momencie wykonywania projektu domu. Kanały instalowane są na poddaszach nieużytkowych, w podłodze, nad sufitami podwieszonymi;
• kratek nadmuchowych - które stanowią zakończenie kanałów rozprowadzających, wyposażone są one w przepustnice umożliwiające ręczną regulację ilości dopływającego ciepła do pomieszczenia;
• czerpni zewnętrznej - dostarczającej świeże powietrze do systemu, umieszczonej w zewnętrznej ścianie budynku;
• czerpni wewnętrznej - zbierającej ochłodzone powietrze z pomieszczeń i odprowadzającej je do pieca; najlepiej zamontować ją w kanale centralnej części domu;
• automatyki - proces ogrzewania powietrzem może być sterowany za pomocą mikroprocesora, a poszczególne funkcje wyświetlane na prostym w obsłudze panelu. Sterownik umożliwia regulację temperatury nadmuchu powietrza, stabilizuje temperaturę w pomieszczeniu oraz steruje procesem spalania paliwa. Parametry regulacji można dostosowywać do aktualnych warunków pracy (np. programy dobowe, tygodniowe).
• włókninowego filtra powietrza - montowanego na wlocie powietrza do kotła wyłapującego zanieczyszczenia mechaniczne z powietrza.

Dodatkowymi elementami systemu mogą być:

• filtr elektrostatyczny, który zapobiega rozprzestrzenianiu się drobnoustrojów i wyłapuje zapachy,
• centralny nawilżacz gwarantujący automatyczną kontrolę wilgotności powietrza,
• klimatyzator.

Pompy ciepła

Pompa ciepła to urządzenie grzewcze, które umożliwia wykorzystywanie zasobów energii naturalnej. Ciepło może być pobierane z powietrza, gruntu, wody powierzchniowej lub podziemnej, czyli z tzw. dolnego źródła, a następnie przekazywane do górnego źródła. Źródło górne to m.in. system ogrzewania grzejnikowego, podłogowego, przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Główne elementy pompy to: parownik, skraplacz, sprężarka, zawór rozprężny. Proces transportu ciepła odbywa się za pomocą czynnika roboczego, który krążąc w obiegu zmienia stan skupienia (z gazowego na ciekły i odwrotnie), dzięki czemu pobiera i oddaje energię. Cały proces jest możliwy dzięki dostarczeniu do układu (tj. do napędu sprężarki) z zewnątrz energii elektrycznej.

Najczęściej wykorzystywane źródła ciepła to:

• grunt - system przewodów (kolektorów) ułożonych w gruncie poniżej strefy przemarzania. W zależności od wielkości działki, na której stoi dom przewody układane są: poziomo - kolektor płaski, pionowo - kolektor pionowy, w kształcie spirali - kolektor spiralny. Zaletą tego układu są przewody ukryte pod ziemią. Teren znajdujący się nad nimi można zagospodarować. Nie należy natomiast stawiać stałych budowli np. garażu, gdyż w razie awarii przewodów, trzeba by go rozebrać;
• woda - w systemie tym pompa czerpie ciepło z wody powierzchniowej lub podziemnej i przekazuje je wodzie znajdującej się w przewodach grzewczych. Często stosowanym rozwiązaniem jest układ studni czerpalnej i zrzutowej. Wybierając ten system należy zwrócić uwagę na wydajność studni czerpalnej - dla domu jednorodzinnego nie powinna być mniejsza niż 1,5-3 m³/h oraz na odpowiedni skład chemiczny wody - nie może być twarda ani zawierać zbyt dużych ilości żelaza i manganu, aby nie zniszczyć pompy ciepła i urządzeń czerpalnych;
• powietrze atmosferyczne - wciąż rzadko stosowane rozwiązanie, choć nie wymaga ono takich nakładów inwestycyjnych na wykonanie instalacji jak inne systemy. Wynika to m.in. z dość wysokiego kosztu zakupu tego typu pompy. Ponadto tylko urządzenia wyposażone w układ rozmrażania parownika dobrze pracują w niskiej temperaturze np. -18°C. Pozostałe wymagają regularnego odszraniania.

Kolektory słoneczne

Kolektor słoneczny pochłania promieniowanie słoneczne i zamienia je na energię cieplną. Energia ta może być wykorzystywana do przygotowania ciepłej wody użytkowej, podgrzewania wody w instalacjach basenowych lub do wspomagania centralnego ogrzewania. Kolektory słoneczne pozyskują energię słoneczną, która jest magazynowana w zasobnikach, a następnie oddawana w postaci ciepła.

Energia może być wykorzystana do ogrzewania mieszkań, ciepłej wody użytkowej, wody w basenie. W Polsce kolektory słoneczne są najczęściej wykorzystywane do podgrzewania wody. W polskim klimacie kolektor słoneczny nie może być jedynym źródłem energii cieplnej dla budynku.

Kolektor może pokryć do 60% zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową i ogrzewanie. W okresie niedoboru energii słonecznej woda jest dogrzewana grzałką elektryczną, zainstalowaną w zbiorniku. Do ogrzewania budynków wykorzystuje się kolektory głównie w tak zwanym okresie przejściowym, kiedy temperatura zewnętrzna nie jest jeszcze tak niska jak zimą.

W miesiącach wiosenno-letnich może powstać nadmiar energii, którą można wykorzystać np. do podgrzewania wody w basenie. Jednak kolektory powinny być tak dobrane, aby nawet w okresie maksymalnego nasłonecznienia podaż energii nie była dużo wyższa od zapotrzebowania. Zbyt duża powierzchnia kolektora prowadzi do niewykorzystania nadwyżek.

Istnieje także problem ze zmagazynowaniem pozyskanej energii cieplnej na wystarczająco długi okres (konieczne byłyby ogromne zbiorniki np. z wodą). Kolektory w zależności od czynnika pośredniczącego w wymianie ciepła mogą być powietrzne i cieczowe. Powietrzne są rzadko stosowane, gdyż mają małą sprawność (zaledwie 30-60%). Bardziej popularne są kolektory cieczowe, które ze względu na różnicę w budowie dzielimy na: płaskie i rurowo-próżniowe.

Kolektor płaski składa się z absorbera, czyli prostokątnej, płaskiej płyty pochłaniającej promieniowanie słoneczne. Wykonuje się ją ze stali, miedzi, aluminium lub tworzyw sztucznych. Z płytą scalone są miedziane rury, w których przepływa ciecz (woda lub płyn niezamarzający), która odbiera ciepło od absorbera.

W celu zwiększenia sprawności układu płyty pokrywa się warstwami selektywnymi - przepuszczającymi promieniowanie słoneczne, ale uniemożliwiającymi wydostawanie się na zewnątrz promieniowania cieplnego. Kolektory rurowo-próżniowe zbudowane są ze szklanych rur, w których znajduje się absorber oraz rurka z cieczą, a wewnątrz rur wytworzona jest próżnia.

Odmianą tego urządzenia jest kolektor ze zwierciadłem parabolicznym (absorbuje promieniowanie rozproszone, więc dostarcza ciepło również w pochmurne dni) oraz typu HEATPIPE (poszczególne rury zamocowane są obrotowo, by lepiej wykorzystać promieniowanie słoneczne).

Ciekawym rozwiązaniem charakteryzują się kolektory nadążne. Mogą one zmieniać swoje położenie zarówno w płaszczyźnie poziomej, jak i pionowej. Ruchoma czasza w kształcie zwierciadła parabolicznego zamontowana jest na specjalnym stelażu, dzięki czemu dostosowuje swoje położenie do położenia słońca.

Gdzie i jak montować kolektory?

Najbardziej istotną sprawą przy montażu jest ustawienie kolektora pod odpowiednim kątem do powierzchni Ziemi, zapewniające maksymalne pochłanianie energii słonecznej, co najmniej 6 godzin w ciągu dnia. Najczęściej kolektory instaluje się na południowej połaci dachu lub jako wolno stojące ustawia na ziemi na południowej stronie działki.

Produkowane są również kolektory przystosowane do montażu na dachach płaskich. Należy pamiętać, że ze względu na ciężar urządzenia (ok. 30-40 kg/m²) konstrukcja dachu musi mieć odpowiednią wytrzymałość. Aby w razie awarii móc go naprawić trzeba zapewnić do niego swobodny dostęp.