Ciepłownictwo i węzły cieplne dla budynków, domów jednorodzinnych i poszczególnych mieszkań

Celem europejskiej strategii Zielonego ładu jest całkowita neutralność klimatyczna Unii do 2050 r. Oznacza to odchodzenie od spalania paliw kopalnych i wręcz rewolucyjne zmiany, m.in. w ciepłownictwie i ogrzewaniu budynków. Wiele krajów UE ma programy wsparcia nowych technologii, polskie Narodowe Centrum Badań i Rozwoju oferuje pomoc m.in. przy tworzeniu nowych technologii dla ciepłownictwa oraz budynków efektywnych procesowo i energetycznie, a także magazynów energii elektrycznej, ciepła i chłodu. Wspierane będą technologie mające potencjał masowego wdrożenia.

Przykładowo program „Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym” ma na celu opracowanie innowacyjnej technologii uniwersalnego systemu wytwarzania i magazynowania energii do celów grzewczych w połączeniu z kogeneracją opartą na odnawialnych źródłach energii dla autobilansowania lokalnego systemu elektroenergetycznego.

Również plany i programy dotyczące energetyki wskazują, że na terenach zurbanizowanych rozwijać się będzie miejskie ciepłownictwo systemowe. W Polsce mamy 396 przedsiębiorstw ciepłowniczych, które mają koncesję URE na działalność w zakresie wytwarzania, przesyłania i dystrybucji oraz obrotu ciepłem.

Domki letniskowe – jakie rozwiązania dotyczące ogrzewania warto zastosować?

Ciepłownictwo wymaga transformacji energetycznej (tak jak cała gospodarka) poprzez rozwój kogeneracji, zwiększanie wykorzystania OZE, termiczne przekształcanie odpadów komunalnych, uciepłownienie elektrowni, a także modernizację i rozbudowę systemu dystrybucji ciepła i chłodu, popularyzację magazynów ciepła i inteligentnych sieci. Na te cele przez dekadę trzeba będzie wydać dodatkowo co roku od 5 do 10 mld zł. Środki mają pochodzić z funduszy krajowych i unijnych, m.in. Polityki Spójności, Instrumentu na rzecz Odbudowy i Zwiększania Odporności, Funduszu na rzecz Sprawiedliwej Transformacji, ReactEU oraz pozostałych instrumentów, jak np. programy priorytetowe NFOŚiGW i środki Wspólnej Polityki Rolnej, Fundusz Modernizacyjny czy krajowy fundusz celowy zasilany środkami ze sprzedaży uprawnień do emisji CO₂ (tj. Fundusz Transformacji Energetyki). Dotychczas inwestycje w ciepłownictwie finansowane były głównie ze środków własnych, np. w 2019 r. stanowiły one blisko 80% nakładów całkowitych.

Ciepłownictwo wymaga głębokich przemian zarówno w zakresie efektywności wytwarzania, jak i przesyłu. Do odbiorców przyłączonych do sieci trafia ostatecznie 56,6% ciepła, po uwzględnieniu zużycia na potrzeby własne wytwórcy oraz strat podczas przesyłania.

Tylko niecałe 10% systemów ciepłowniczych w mniejszych miastach spełnia kryteria systemów efektywnych, co jest konieczne dla uzyskania wsparcia na modernizację. W kogeneracji powstaje ok. 65% ciepła, ale w tym modelu produkuje je tylko 33,3% przedsiębiorstw ciepłowniczych.

Dywersyfikacja paliw zużywanych do produkcji ciepła postępuje bardzo powoli. Dominuje węgiel – 71%, w latach 2002–2019 jego udział zmalał o blisko 11%, wzrósł za to o 5,8% udział gazu, a o 6,6% OZE. Ceny ciepła zależą m.in. od ceny paliw oraz kosztów uprawnień do emisji CO₂.

W ostatnich dwóch latach ciepłownictwo miało ujemne wyniki finansowe, głównie z powodu wzrostu kosztów uprawnień do emisji i cen węgla. W ciągu dwóch ostatnich dekad znacznie wzrosła sprawność wytwarzania, spadła emisja szkodliwych substancji (pyłów, SO₂, NO_x) i CO₂ (o ok. 20%), ale sprawność przesyłania praktycznie się nie zmieniła.

Nowe kierunki rozwoju ciepłownictwa

Ciepłownictwo i system elektroenergetyczny będą coraz mocniej ze sobą powiązane, a paliwa kopalne będą zastępowane w pierwszym rzędzie energią elektryczną z wiatru i słońca. Docelowo energetyka ma korzystać ze źródeł odnawialnych, a ciepłownictwo ma być w znacznym stopniu zelektryfikowane. Będzie ono tym samym konkurować z energetyką, która dostarczy energię elektryczną do zasilania pomp ciepła. W tej rywalizacji ważne będą nie tylko kwestie techniczne i uwarunkowania lokalne, ale także to, w jakim stopniu dany nośnik energii – ciepło z sieci i energia elektryczna – jest mniej emisyjny, a z czasem bezemisyjny. Niezależnie od tego, jak będzie wytwarzane ciepło, czy z gazu ziemnego, a następnie z wodoru i OZE, konieczne jest zwiększanie efektywności jego transportu i dystrybucji. Obecne wyniki, poniżej 60%, pokazują, jak wiele trzeba będzie zrobić.

Jednym z koniecznych działań będzie zmniejszanie temperatury medium w ciepłociągach – budynki potrzebują coraz mniej energii na ogrzewanie na jednostkę powierzchni, tym samym można obniżać temperatury zasilania urządzeń grzewczych w budynkach, tym bardziej że coraz częściej stosuje się grzejniki niskotemperaturowe, zarówno ścienne, jak i płaszczyznowe.

Ten kierunek zmian wiąże się z koniecznością rewizji wymagań dotyczących przygotowania c.w.u. zawartych w WT. Otóż § 120 wymaga, aby w budynkach, z wyjątkiem jednorodzinnych, zagrodowych i rekreacji indywidualnej, w instalacji ciepłej wody zapewniony był stały obieg wody, także na odcinkach przewodów o objętości wewnątrz przewodu powyżej 3 dm³, prowadzących do punktów czerpalnych. Ponadto instalacja c.w.u. powinna umożliwiać uzyskanie w punktach czerpalnych wody o temperaturze nie niższej niż 55°C i nie wyższej niż 60°C oraz przeprowadzanie ciągłej lub okresowej dezynfekcji metodą chemiczną lub fizyczną (w praktyce dezynfekcji cieplnej z temperaturą wody w punktach czerpalnych nie mniejszą niż 70°C i nie wyższą niż 80°C).

W przypadku indywidualnych stacji mieszkaniowych uzyskanie na wylewce temperatury min. 55°C będzie trudne, skoro do węzła budynkowego trafi woda z sieci ciepłowniczej o temperaturze 60°C, po nim będzie miała ok. 55°C, a po przejściu przez indywidualną stację mieszkaniową poniżej 50°C. Ponadto indywidualne stacje mieszkaniowe pracują w trybie c.w.u. jak przepływowy podgrzewacz, czyli jak np. gazowy kocioł dwufunkcyjny czy gazowy przepływowy podgrzewacz ciepłej wody, i ryzyko powstania Legionelli na przewodach od stacji do wylewki jest znikome.

Problem ten już jest podnoszony przez niektórych dostawców ciepła, gdyż obawiają się oni, że nawet kiedy podają w sieci latem wodę o temperaturze 65°C, to po przejściu przez dwa wymienniki, czyli w węźle budynkowym i następnie w indywidualnej stacji mieszkaniowej, na wylewce nie będzie temperatury wymaganej przez WT. Trzeba zatem zastosować centralne przygotowanie c.w.u., oczywiście wraz z cyrkulacją, a to rozwiązanie nie redukuje ryzyka Legionelli, ale wręcz je zwiększa i nie jest efektywniejsze energetycznie od układu z indywidualnymi stacjami mieszkaniowymi.

Ważny kierunek działań to izolacje termiczne przewodów oraz stosowanie nowoczesnych węzłów cieplnych budynkowych i stacji mieszkaniowych. Kolejny kierunek zmian w ogrzewaniu budynków na terenach zurbanizowanych z potencjalnym dostępem do sieci cieplnych to odchodzenie od kotłów węglowych m.in. w ramach ograniczania niskiej emisji, a z czasem także gazowych z uwagi na redukcję emisji CO₂.

Modernizacja systemów grzewczych w takich budynkach powinna obejmować całą instalację i wszystkie jej elementy składowe: źródło ciepła dla budynku, czyli montaż węzła cieplnego zasilanego z systemu ciepłowniczego, oraz unowocześnienie samego systemu ogrzewania wewnątrz budynku (sieć przewodów, w tym instalacji i armatury). Oferowane obecnie węzły to kompletne układy wymiennikowe o wysokiej sprawności wymiany ciepła, współpracujące z węzłami mieszkaniowymi (stacjami mieszkaniowymi) oraz tradycyjnymi układami c.o., które wyposaża się w efektywną i automatyczną regulację.

Bardzo ważne są coraz wyższe wymagania dotyczące zużycia energii przez budynki, przygotowywane są zalecenia w zakresie tworzenia w budynkach systemów czyniących z nich obiekty inteligentne, co ma wpływać nie tylko na komfort i bezpieczeństwo mieszkańców, ale zwłaszcza na oszczędne wykorzystanie energii.

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 30 maja 2018 r., zmieniającej dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków i dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej [1]. Oznacza to wyposażanie budynków w układy sterowania w celu zapewnienia optymalnego wytwarzania, dystrybucji, magazynowania i wykorzystywania energii oraz układy pomiarów sprawności systemów informujące o spadkach sprawności i potrzebie serwisowania. Ponadto do 1 stycznia 2027 r. liczniki ciepła i ciepłomierze powinny mieć możliwość zdalnego odczytu i udostępniana powinna być informacja dotycząca 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.

Od wielu lat na rynku oferowane są węzły z automatyką i regulacją, pozwalające obniżyć zapotrzebowanie na ciepło oraz zapewniające sprawną obsługę i konserwację. Dobór węzła zależy od zapotrzebowania na ciepło oraz wymagań technicznych stawianych przez dostawcę ciepła.

Wielu dostawców szczegółowo określa warunki techniczne przyłączenia. Producenci węzłów oferują je w różnych konfiguracjach, w tym na indywidualne zamówienia, w szerokim zakresie mocy – od kilku kilowatów do kilku megawatów. Wśród kompaktowych węzłów cieplnych dostępne są różne konfiguracje węzłów jedno- i dwufunkcyjnych.

Duże węzły cieplne

Jednofunkcyjne węzły cieplne pracujące tylko na potrzeby układu c.o. – to rozwiązanie stosowane w budynkach mieszkalnych, w których użytkownicy mają już ciepłą wodę z innego źródła. Ciepło przekazywane jest przez wymiennik i instalacja w budynku odseparowana jest od zakłóceń hydraulicznych w sieci miejskiej. Węzeł taki składa się m.in. z wymiennika, regulatora pogodowego, pompy obiegowej, układu uzupełniania zładu, filtrów siatkowych po stronie pierwotnej i wtórnej, armatury odcinającej po stronie pierwotnej i instalacji c.o. oraz manometrów. Można go uzupełnić o regulator różnicy ciśnienia z ograniczeniem lub regulacją przepływu, ciepłomierz, zawór STB, odmulacze i filtroodmulniki, stację uzdatniania wody do uzupełnienia zładu, układ ochrony przed korozją oraz układ do pracy z systemem nadrzędnym lub monitoringu pracy węzła przez internet.

Dwufunkcyjny węzeł cieplny pracujący w układzie szeregowo-równoległym dla c.o. z układem przygotowania c.w.u. kieruje wodę sieciową z wymiennika c.o. na wymiennik I st. c.w.u., a zawór regulacyjny c.w.u. znajduje się na wyjściu z wymiennika II stopnia.

To rozwiązanie w przypadku dużej dysproporcji mocy pomiędzy c.o. i c.w.u. wymaga zastosowania regulacji I stopnia za pomocą zaworu 3-drogowego i II stopnia c.w.u. lub zaworu ograniczającego przepływ wody sieciowej z c.o. na I stopień c.w.u. Węzeł taki ma w standardzie wymienniki dla obiegów c.o. i c.w.u., pompy obiegowe, układ uzupełniania zładu, filtry siatkowe, armaturę odcinającą, manometry i regulację pogodową. Może być też wyposażony w opomiarowanie zużycia ciepła oddzielnie dla c.o. i c.w.u., zasobnik ciepłej wody, odmulacze i filtroodmulniki, stację uzdatniania wody do uzupełnienia zładu, układ ochrony instalacji grzewczej przed korozją, a także układ do pracy z systemem nadrzędnym lub monitoringu pracy węzła przez internet.

Dwufunkcyjne węzły cieplne w układzie równoległym pracują całkowicie niezależnie na potrzeby układu c.o. i c.w.u. To rozwiązanie zalecane dla obiektów o dużej różnicy pomiędzy zapotrzebowaniem na moc c.o. i c.w.u. oraz sieci o niskich ciśnieniach dyspozycyjnych. Ich wyposażenie standardowe i dodatkowe jest podobne do węzłów dwufunkcyjnych opisywanych powyżej.

Węzły cieplne dla niewielkich budynków i domów jednorodzinnych

W Polsce dotychczas nie przyłączano do sieci ciepłowniczej wielu budynków jednorodzinnych (tak jak w Szwecji czy Danii), może się to jednak zmienić z uwagi na uchwały antysmogowe.

Domy i małe kamienice będą z czasem przechodziły nie tylko na ogrzewanie gazowe czy pompy ciepła, ale także na ogrzewanie sieciowe. Na rynku od dawna dostępne są kompaktowe węzły o wydajnościach do ok. 40 kW przeznaczone dla takich budynków.

Węzły dla domów jednorodzinnych przystosowane są do centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Oferowane są w wersji do montażu ściennego, co zapewnia oszczędność miejsca potrzebnego na instalację i serwis. Mogą mieć konstrukcję modułową na jeden lub dwa obiegi. Moduły przyłączeniowe strony pierwotnej zawierają zawory kulowe, filtry, regulatory różnicy ciśnień i ciepłomierze i można je podłączać z lewej lub prawej strony bez konieczności jakiejkolwiek modyfikacji konstrukcji. W celu ułatwienia dostępu do komponentów podczas konserwacji i prac serwisowych są one umieszczane z przodu węzła.

Znormalizowany układ węzła pozwala na przygotowanie podejścia rur przed dostawą węzła i jego późniejszy łatwy montaż. Dla takich węzłów oferowane jest wyposażenie dodatkowe, w tym układy kontroli i zdalnej komunikacji.

Oferowane są też kompaktowe węzły o mocach do ok. 150 kW dla niedużych budynków mieszkalnych oraz komercyjnych i przemysłowych do zasilania instalacji c.o. oraz c.w.u., a także niskotemperaturowych płaszczyznowych instalacji ogrzewania oraz układów klimatyzacji. Mają one także budowę modułową, łatwą do zmiany i rozbudowy do trzech obiegów. Oferuje się dla nich m.in. zaawansowaną regulację obiegami grzewczymi i ciepłej wody oraz układy monitorowania i zdalnego sterowania.

Węzły mieszkaniowe – stacje mieszkaniowe

Do zaopatrzenia mieszkań i lokali w ciepłą wodę użytkową i ciepło do centralnego ogrzewania służą stacje mieszkaniowe o mocy od kilku do kilkudziesięciu kW. Czerpią one ciepło z wody instalacyjnej (maks. 90°C) dostarczanej z sieci ciepłowniczej po przejściu przez węzeł cieplny lub z kotłowni w budynku, które mogą być skojarzone z lokalnym źródłem OZE – np. kolektorami słonecznymi czy pompami ciepła zasilanymi z lokalnej instalacji PV.

Stacje mieszkaniowe umożliwiają indywidualne określenie komfortu cieplnego, w każdym lokalu lub mieszkaniu można zaprogramować własny harmonogram ogrzewania i indywidualnie ustawić temperaturę w pomieszczeniach oraz temperaturę c.w.u., co daje spore możliwości oszczędzania energii. Jednoznaczne rozliczenie mediów stymulujące oszczędzanie energii jest też zgodne z kierunkiem zmian dotyczących inteligentnego budownictwa. Stacje mieszkaniowe mają najwyższą średnią roczną sprawność przesyłu ciepła ze źródła do zaworów czerpalnych, wynoszącą 0,85.

Przykładowo w układach z centralnym podgrzewaniem wody, z obiegami cyrkulacyjnymi z ograniczeniem czasu pracy, pionami instalacyjnymi i zaizolowanymi przewodami rozprowadzającymi sprawność przesyłu waha się w zależności od liczby punktów poboru ciepłej wody między 0,60 i 0,80. A w układach centralnego podgrzewania wody z obiegami cyrkulacyjnymi, niezaizolowanymi pionami instalacyjnymi i zaizolowanymi przewodami rozprowadzającymi wynosi ona od 0,40 do 0,60 (patrz tabela 12 w załączniku 1 do rozporządzenia w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku [3]). Unikamy też strat ciepła na zasobniku c.w.u. oraz na przesyle i cyrkulacji, a przepływowe przygotowanie wody użytkowej w stacjach mieszkaniowych eliminuje warunki sprzyjające jej wtórnemu zanieczyszczeniu oraz rozwojowi bakterii Legionella.

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 umożliwia nie tylko regulację temperatury, ale także 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.

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.

Typowa stacja mieszkaniowa zasila układ c.w.u. oraz c.o. z grzejnikami. Towarzyszy im szeroki wybór wyposażenia dodatkowego, jak np. zawór termostatyczny ograniczający temperaturę powrotu c.o., zawór termostatyczny ograniczający temperaturę c.w.u., zawór różnicy ciśnień, moduł cyrkulacji c.w.u. (gdy pojemność instalacji do wylewki przekracza 3 dm³ – wymóg WT) czy moduł ogrzewania podłogowego, ściennego lub sufitowego.

Możliwość dodania do stacji modułu ogrzewania podłogowego z armaturą ma znaczenie wtedy, gdy część mieszkań w danym budynku ma mieć ogrzewanie płaszczyznowe lub mieszane. Daje to szerokie pole manewru na etapie montażu instalacji w części wspólnej oraz montażu stacji mieszkaniowych. W stacji bazowej można konfigurować różne wersje poprzez dodawanie modułów i armatury. Zaletą tego rozwiązania jest fakt, że w budynku można korzystać z takich samych stacji, a w mieszkaniach z instalacjami ogrzewania podłogowego lub mieszanych – grzejnikowych i podłogowych – dodawany jest odpowiedni moduł.

Podsumowanie

Oferowane obecnie na rynku kompaktowe węzły cieplne i stacje mieszkaniowe dają szeroki wybór różnorodnych konfiguracji w zależności od uwarunkowań technicznych i potrzeb użytkowników w zakresie komfortu. Producenci oferują materiały techniczne i wsparcie przy doborze węzłów cieplnych i stacji mieszkaniowych oraz projektowaniu instalacji.

Artykuł pochodzi z numeru 6/2021 miesięcznika „Rynek Instalacyjny”

Literatura

1. 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).
2. 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).
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU z 2015 r., poz. 376, z poźn. zm.).
4. D. Kaczorek, „Miejski budynek jutra. Współpraca węzła ciepłowniczego z instalacją kolektorów słonecznych w budynku wielorodzinnym”, „Rynek Instalacyjny” 4/2015,
www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/id3846,miejski-budynek­‑jutra.-wspolpraca-wezla-cieplowniczego-z-instalacja-kolektorow­‑slonecznych-w-budynku-wielorodzinnym.
5. W. Joniec, „Regulacja hydrauliczna instalacji z indywidualnymi stacjami mieszkaniowymi – rozwiązania”, „Rynek Instalacyjny” 10/2020, www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/
/id5158,regulacja-hydrauliczna­‑instalacji-z-indywidualnymi­‑stacjami-mieszkaniowymi-rozwiazania.
6. Materiały techniczne firm: Caleffi, Danfoss, Elektrotermex, Herz, Meibes, Oventrop, PHE Technika Cieplna, Thermic, Thermatic, Uponor.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!