1. FŰTÉSI RENDSZEREK ÜZEMELTETÉSE ÉS DIAGNOSZTIKÁJA
1.7 K ÖZPONTI FŰTÉS ÉS HASZNÁLATI MELEGVÍZ ‐ TERMELÉS
1.7.3 A folyamat elemzése egy épület esetében
A következőkben vizsgáljuk meg, hogyan változik a minimális belső hőmérséklet és a felfűtési idő a melegvíz-tároló előfűtési idejének függvényében. Az elemzést egy 42 lakásos társasház esetében végeztem el. Felújítás előtt az épület hőigénye 195,3 kW. A legnagyobb veszteségtényezővel rendelkező helyiség az utolsó emeleti sarokhelyiség.
Ennek időállandója T=11,6 h. A 8.1 ábra alapján megállapítható, hogy a HMV-fogyasztás
Qw /Q=0,3
1.44 ábra: A kazánteljesítmény százalékos csökkentése [1.1]
20 és 22 óra között. Az egyenetlenségi együttható az első esetben 2,5, a második esetben 4,5. A melegvíztárolót az esti csúcsra kell méretezni, azonban a belső hőmérsékletváltozásra kihat az első csúcs is. Az előfűtési idő függvényében a szükséges teljesítményt az 1.45 ábra mutatja be. Ugyanazokhoz a felfűtési idő értékekre vonatkoztatva (tehát a megfelelő teljesítmény mellett) a tároló térfogatának változását az 1.46 ábra illusztrálja.
100 125 150 175 200 225 250 275 300
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 tfw , [h]
Qwh, [kW]
1.45 ábra: A teljesítmény igény az előfűtési idő függvényében [1.1]
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 tfw , [h]
V, [m3]
1.46 ábra: A tároló szükséges térfogata az előfűtési idő függvényében [1.1]
Ha a használati meleg víz előfűtésére az időszak 1 óra akkor a szükséges teljesítmény 192,84 kW, a tároló térfogata, pedig 3,34 m3. Ha a kazán/kazántelep összteljesítményét úgy méretezzük, hogy az a fűtési hőszükségletnél 50%-kal legyen nagyobb (m=1,5) akkor az előfűtési időszakban a fűtési rendszer rendelkezésre álló teljesítménye, csaknem a felére csökken. Adott tároló térfogat és kazán teljesítmény mellett az előfűtési idő csökkenhet, ha nagyobb teljesítmény rész jut a HMV előállításra és nőhet, ha kevesebb az erre fordított teljesítmény. A kérdés az, hogy a hőérzet és az energiafelhasználás szempontjából melyik megoldás a megfelelőbb. Az 1.38 ábra alapján megállapítható, hogy az esetleges belső hőmérséklet csökkenés és az utána következő felfűtési időszak az esti csúcs után az éjszaka óráiba nyúlik, tehát hőérzeti szempontból kevésbé igényes időszakra.
1.7.3.1 A belső hőfokingadozás
Ha a fűtési rendszer és a melegvíz-előállítás az előbbi pontban összefoglalt paraméterek szerint működik, a belső hőmérséklet lengésének amplitúdója a reggeli melegvíz-fogyasztási csúcs ideje alatt 0,15 oC, ha a külső hőmérséklet –15 oC. Ezért csak az esti melegvíz-fogyasztási csúcs ideje alatt vizsgáljuk meg a belső hőfokingadozást (1.47 ábra).
1.47 ábra: A belső hőfokingadozás a melegvíz-előállítás miatt [1.1]
Az ábrából kitűnik, hogy csak a –10 oC alatti külső hőmérsékletek mellett adódnak 19 o C-nál kisebb belső hőmérsékletértékek. Ezeknek száma pedig, a hőfokgyakorisági görbe alapján 3…5 nap. Ugyanakkor a nap folyamán is ingadozik a hőmérséklet és az alacsonyabb hőfokok inkább az éjszakai és kora reggeli órákban tapasztalhatók.
A kazán összteljesítményének függvényében változik a belső hőmérséklet minimális értéke. Az adott feltételek mellett a 1.48 ábra mutatja be a minimális belső hőmérséklet értékeinek változását a külső hőmérséklet függvényében, különböző m értékek mellett.
fw =1 h
1.48 ábra: A belső hőmérséklet minimális értékei a teljesítménytényező függvényében [1.1]
Az ábra alapján megállapítható, hogy a belső minimális hőmérsékletek értékeinek változása a külső hőmérséklet függvényében lineáris. Ugyanakkor kisebb m értékek mellett nő az az időszak, amikor a HMV-előállítás belső hőfokingadozást okoz. Ha az m értéke 1,5-ről 1,4-re majd 1,3-ra csökken, a HMV-előállítás hatása a belső hőfokra 65 napról 105-re, majd 160-ra nő. Az 1.49 ábra a felfűtési idő változását szemlélteti a külső hőmérséklet függvényében.
1.49 ábra: A felfűtési idő a teljesítménytényező függvényében [1.1]
Az 1.47 és 1.49 ábrák alapján megállapítható, hogy az elemzett esetekben a felfűtési idő kisebb 1 óránál, ha a külső hőmérséklet nagyobb –5…–8 oC-nál. Ugyanakkor a belső hőmérséklet minimuma nagyobb 19 oC-nál. Vagyis ez az idő is használati időnek tekinthető. Adott túlteljesítmény tényező mellett a belső hőmérséklet minimális értékeit, különböző előfűtési időt véve figyelembe, az 1.50 ábra mutatja be.
m=1,5
1.50 ábra: A belső hőmérséklet minimális értékei az előfűtési idő függvényében [1.1]
Összehasonlítva az 1.49 és az 1.50 ábrákat megfigyelhető, hogy míg a többletteljesítmény változása csaknem párhuzamos eltolódását eredményezi a belső hőmérsékletek minimális értékeinek, az előfűtési
idő növekedése konkurens vonalakat eredményez. Ugyanakkor megállapítható, hogy a nagyobb előfűtési idő
(tehát alacsonyabb teljesítmény mellett) nagyobb belső minimális hőmérsékleteket eredményez, illetve csökkenti a HMV és a fűtés interferencia-időszakát. Ha az előfűtési időt 1 óráról 1,5 órára, majd 2 órára növeljük az interferencia-időszak 60 napról 15 napra, illetve 6 napra csökken (a hőfokgyakorisági görbe alapján). Vagyis adott m érték mellett, ha az előfűtési időt nagyobb értékre választjuk, a fűtési rendszer nagyobb biztonsággal fogja ellátni feladatát, ami nem más, mint a belső hőfoknak a tervezési értéken való tartása. A belső hőmérséklet magasabb minimális értékei miatt a helyiségek felfűtési ideje csökken. A felfűtési idő változását a külső hőmérséklet függvényében az 1.51 ábra szemlélteti.
Mindezek alapján megállapítható, hogy a fogyasztók hőérzetének szempontjából, jobb eredményeket kapunk, abban az esetben, ha adott tárolótérfogat mellett az előfűtési időt növeljük, kisebb kazánteljesítményt fordítva hosszabb idő alatt a tárolóban levő víz megfelelő hőmérsékletre való felfűtésére. Ugyanis hosszabb idő alatt, de nagyobb radiátorteljesítmény mellett a helyiségekben hosszabb ideig tudjuk biztosítani a megfelelő hőérzetet (1.52 ábra).
18,4
1.52 ábra: A belső hőmérséklet ingadozása különböző előfűtési idő mellett [1.1]
m=1,5
1.51 ábra: A felfűtési idő az előfűtési idő függvényében [1.1]
Az ábra alapján megállapítható, hogy az összes energiafelhasználás értéke nem változik, hiszen a HMV-előállításra fordított energia konstans és a fűtési energiafelhasználás sem változik azonos interferencia-időszak mellett. Vagyis azonos energiafelhasználás mellett nagyobb hőkomfortot érhetünk el, nagyobb előfűtési idő mellett.
1.7.3.2 Az utólagos hőszigetelés hatása
Ha az elemzett épületet utólagosan hőszigetelik, az 1. fejezet szerint számított optimális hőszigetelés vastagsággal, a szükséges használati melegvíz-mennyiség nem változik, azonban a fűtési hőszükséglet csökken. Ugyanakkor azonos előfűtési idő mellett nagyobb lesz a belső hőmérséklet minimális értéke, a kisebb hőveszteségi tényező miatt. A felfűtés során pedig, nagyobb lehet a felfűtésre fordított többlet teljesítmény, mivel a teljesítménytényező nagyobb lesz. A következőkben azt feltételezzük, hogy a helyiségekben a fűtőtestek teljesítménye az új, kisebb hőigényhez van illesztve.
Ha az utólagos hőszigetelés vastagsága 12 cm, akkor a kazán teljesítmény-tényezőjének értéke 1,5-ről 2,11-re, 1,4 ről 1,97-re, és 1,3 ról 1,83-ra nő. Az 1.53 ábra a belső hőmérséklet minimális értékeit mutatja be a szigetelés előtti állapottal együtt. Az ábra alapján megállapítható, hogy a belső hőmérséklet minimális értékei –15 oC külső hőmérséklet mellett 0,9 oC-al nagyobbak az utólagos hőszigetelés után.
fw =1 h
1.53 ábra: A belső hőmérséklet minimális értékei utólagos hőszigetelés után [1.1]
Ez a különbség a külső hőmérséklet növekedésével csökken. Azonban az eltolódás miatt a fűtés és a melegvíz-előállítás interferencia-időszaka csökken: 45, 65 illetve 68 nappal az m függvényében.
A tároló előfűtési idejének függvényében a belső minimális hőmérsékletértékek változását az 1.54 ábra mutatja be. Az ábrán látható, hogy a felújítás előtti állapothoz viszonyítva, ahol a kétórás előfűtési idő adta a legjobb eredményt, felújítás után, már az egy óráselőfűtési idő is jobb eredményt nyújt a hőérzet szempontjából. Az 1,5 illetve 2 órás előfűtés mellett a fűtési rendszer és a HMV-előállítás üzeme között nem lép fel interferencia.
m=1,5
1.54 ábra: A belső minimális hőmérséklet utólagos hőszigetelés után [1.1]
A felfűtési idő a nagyobb időállandó miatt nő (1.55 ábra) és ez kisebb hőmérsékletváltozás gradiens értéket eredményez a felújítás után.
Az ábra alapján megfigyelhető, hogy azoknak a napoknak az átlagos hőmérséklete, amelyeken a felfűtési idő meghaladja az 1…1,5 órát –6 és –11 oC között van a vizsgált esetekben. A hőfokgyakorisági görbe alapján megállapítható, hogy ezen napok száma nem éri el a 10-et.
1.55 ábra: A felfűtési idő értéke felújítás után [1.1]
A belső hőmérséklet lengését, ha a teljesítménytényező m=2,11, az 1.56 ábra mutatja be.
19,4 19,5 19,6 19,7 19,8 19,9 20
20 21 22 23 24 1 2 3
idő, [h]
ti, [oC]
-15 oC -10 oC
1.56 ábra: A belső hőmérséklet ingadozása utólagos hőszigetelés után [1.1]
Az ábra alapján megállapítható, hogy a belső hőmérsékletcsökkenés maximum 0,55 oC, de ebben az esetben a nagy időállandó miatt nagy lesz a felfűtési idő. A –10 oC-nál nagyobb külső átlagos hőmérsékleteknél a hőmérséklet lengésének amplitúdója 0,25 o C-nál kisebb, a felfűtési idő, pedig kisebb 48 percnél. Az ábrából kitűnik, hogy, ha az éjszaka folyamán szakaszos fűtést alkalmazunk, figyelembe kell venni a melegvíz előállítása miatti hőmérsékletlengést, mivel lehetséges, hogy a belső hőmérséklet nem éri el a tervezési értéket a szakaszos fűtés kezdetére. Ha az épület felújítás, a fűtési rendszer felújításával egy időben történik, nagyon fontos az új kazán teljesítményének a meghatározása, mert az épület hőszükséglete ugyan csökken, de a HMV előállítására szükséges hőteljesítmény nem. Az 1.57 ábra a fűtési rendszer teljesítményét mutatja be a kazán teljesítmény-tényezőjének a függvényében felújítás előtt és után. Az ábra alapján megállapítható, hogy a felújítás után, ha a HMV-tároló előfűtési ideje alatt a fűtési rendszer a maximális hőszükségletnek legalább 50%-át kapja, a beépített teljesítmény a maximális hőszükségletnél 1,9-szer kell nagyobb legyen. Ugyanez az érték a felújítás előtt 1,5 volt. Vagyis, bár az épület hőszükséglete 56,5 kW-al csökken (28,9%), a kazán beépített teljesítménye, előnykapcsolásos melegvíz-előállítás esetében, csak 29,23 kW-tal (10%) csökkenhet.
0 20 40 60 80 100
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4
, [%]
felújítás előtt felújítás után