Ali se izklapljanje kotla za ogrevanje izplača?

oktober 7, 2008

PRIHRANKI ENERGIJE PRI PREKINJENEM OGREVANJU – IZKLAPLJANJU KOTLA

Regulacijske naprave omogočajo različne ročne nastavitve ogrevalnih režimov, ali programiranja celotnega ogrevalnega sistema (dnevne, tedenske, mesečne). Vendar lahko togo pred programirani izklopi ogrevanja povzročijo več škode kot koristi, predvsem kaj se tiče ogrevalnega udobja. Prihranki, ki nastanejo zaradi prekinjenega ogrevanja so v večini primerov tudi precenjeni. Sestavek obravnava realne možne prihranke in tudi posledice pri prekinjenem ogrevanju.

1. Prihranki energije pri prekinjenem ogrevanju
Kolikšni so prihranki energije pri izklopu energije zavisi od velikosti toplotnih izgub. V primeru prekinjenega ogrevanja moramo pri izračunu prihranka energije upoštevati toplotne izgube ogrevalnega sistema in toplotne izgube objekta. Poenostavljen izračun prihranka energije – goriva znaša eno tretjino v primeru, da v 24 urnem ciklusu kotel za 8 ur izključimo. Takšen izračun pa je daleč od resnice, kajti toplotne izgube kotla se ne končajo v trenutku, ko se kotel izključi, še manj pa to velja za toplotne izgube zgradbe. Tako dolgo, dokler sta kotel in zgradba toplejša od svoje okolice, oddajata toploto (ogrevalni kotel v prostor kjer je instaliran, zgradba pa v okolico). Ohlajevanje kotla in zgradbe traja tako dolgo, dokler ne dosežeta temperature okolice. Ta termodinamičen proces je enak pri kotlu in zgradbi, vendar ga je pri kotlu lažje kvantitativno opredeliti.

1.1. Izračun prihranka energije pri izklopu kotla
Na sliki 1 je prikazano ohlajanje kotla in toplotne izgube dveh ogrevalnih kotlov z različnima toplotnima masama (skupna masa preračuna na kg kotlovne vode), enakimi izgubami toplotnega toka (0,1 kJ/s oz. 0,1 kW) in srednji temperaturi kotlovne vode 40 °C, pri ogrevalnem režimu 45/35 °C.

Kotel z maso 4 kg se po štirih urah ohladi od 40 °C na temperaturo okolice 20 °C in s tem odda toplotni potencial, ki znaša približno 0,10 kWh (Q = m . c . Dt = 4 . 1,16 . 10 –3 . 20 = » 0,10 kWh). Od tu dalje lahko rečemo, da je kotel toplotno neaktiven.

Kotel z maso 40 kg je še po 8 urah topel in toplotno aktiven, saj se je ohladil od 40° C na 28 °C (slika 1). Od svojega toplotnega potenciala je izgubil približno 0,55 kWh (Q = m . c . Dt = 40 . 1, 16 . 10 –3 . 12 = » 0,55 kWh).

ohranjanje kotla in toplotne izgube v odvisnosti od toplotne mase

Na osnovi izgub toplotnega toka pri ohlajanju obeh kotlov, lahko izračunamo prihranke energije v kurilni sezoni pri dnevnem izklopu kotla za 8 ur, preračunane v litre kurilnega olja. Izračun pokaže sledeče:

  • Oba kotla proizvedeta v 8 urah enake izgube toplotnega toka in sicer 0,10 x 8 = 0,80 kWh.
  • Za kotel z maso 4 kg znašajo prihranki pri vsakem izklopu 0,80 – 0,10 = 0,70 kWh, kar znaša za 270 kurilnih dni prihranek 189 kWh ali približno 19 litrov LKO.
  • Za kotel z maso 40 kg znašajo prihranki pri vsakem izklopu 0,80 – 0,55 = 0,25 kWh, kar znaša za 270 kurilnih dni prihranek 67,5 kWh ali približno 7 litrov LKO.

Iz dobljenih rezultatov je razvidno, da prihranki niso veliki. Dejansko so prihranki goriva nekoliko višji, ker moramo upoštevati še izgube cevnega razvoda. Kljub temu lahko zaključimo, da se izklapljanje kotla zaradi majhnih prihrankov goriva finančno ne izplača, ker moramo vzeti v zakup še jezo, glede motene oskrbe s toplo vodo (na primer v primeru, če vodo segrevamo s kotlom centralnega ogrevanja ali če najemniki v več stanovanjskem bloku pričakujejo stalno oskrbo s toplo vodo).

2. Prekinitev ogrevanja zgradbe
Varčevalni učinek zaradi prekinjenega ogrevanja je odvisen od izolacije zunanjega ovoja. Največji učinek bi dosegli pri ogrevanju šotora, najmanjši pa pri zelo dobro izolirani masivni zgradbi in majhnem razmerju A/V (razmerje med površino in prostornino zgradbe). Pri povprečno izolirani zgrabi znaša znižanje temperature v času – 8 urne prekinitve ogrevanje nekaj več kot 1 do 3 K, kar velja tudi za zelo hladne dni.

V času prekinitve ogrevanja je moč ogrevanja zmanjšana na nič. Odvajanje toplote iz stavbe se nadaljuje in je vedno manjše, kar zavisi od temperaturne razlike zraka v prostoru in zunanjega zraka. Za ponovno vzpostavitev izhodiščnega toplotnega stanja je potrebno najprej kompenzirati (nadoknaditi) trenutne toplotne izgube stavbe, da se ustavi nadaljnje ohlajanje, nato pa nadoknaditi še toplotne izgube, ki so nastale zaradi prekinitve ogrevanja. Energijsko bilanco in potrebno toplotno moč pri prekinjenem in neprekinjenem ogrevanju lahko računsko ovrednotimo (izračunamo ali izmerimo) na osnovi vsakokratnih temperaturnih razlik.

2.1. Izračun prihranka
Temperaturna razlika med notranjo površino stene s temperaturo 18° C in zunanjim zrakom s temperaturo – 12 °C znaša 30 K.

Z znižanjem 3 K do konca prekinitve ogrevanja (v povprečju 1,5K) dobimo za 5 % manjšo porabo za obdobje »začetek« prekinitve do izhodiščnega toplotnega stanja (1,5 K /30 K = 5 %). Če za ta čas vzamemo na primer 16 ur in preračunamo na 24 ur znaša prihranek goriva (16 . 0,95 + 8 . 1)/ 24 = 3,3 %.

Izračunani prihranek ni tako velik kot smo pričakovali. Posledice vsake prekinitve ogrevanje je začasno povečanje potrebne toplotne moči za izenačitev nastalega toplotnega primanjkljaja (podobno kot v primeru vožnje z avtom; ko odvzamemo plin, moramo nato še bolj pritisniti na pedal, da dosežemo izhodiščno hitrost). Dodatno potrebno toplotno moč lahko v praksi natančno določimo s faktorjem, ki je odvisen od razmerja med časom trajanja prekinitve ogrevanja in časom ponovnega segrevanja (pri eni prekinitvi ogrevanja, ki ji sledi enako dolga doba segrevanja, potrebujemo 1,5 kratno ogrevalno moč). V primeru, da traja nočna prekinitev ogrevanja osem ur, termično ravnovesje dosežemo do naslednje prekinitve ogrevanja. Za prakso je pomembno, da se povečanje toplotne moči ne zagotavlja samo z ogrevalnim kotlom, ampak toploto vnesemo v prostor tudi drugače (vračanje odpadne toplote, dobitki sončne energije itd). Pri tem ima odločilno vlogo temperatura zraka v prostoru.

3. Regulacija temperature zraka v prostoru kot dinamična veličina
Regulacija temperature zraka v prostoru se običajno obravnava kot statična veličina. Ogrevanje prostorov deluje po časovnem programu, dnevna in nočna temperatura se nastavljata na regulatorju za osrednji bivalni prostor, v ostalih prostorih pa s termostatskimi ventili. Spremembe nastavljene temperature so predvidene na osnovi ročnih korektur in ne na osnovi funkcijskih povezav z ostalimi ogrevalnimi relevantnimi veličinami. Ena od pomembnih relevantnih veličin je temperatura obodnih površin. Skupaj s temperaturo zraka v prostoru je odločilna pri ustvarjanju toplotnega ugodja v bivalnem prostoru. Povezanost je razvidna iz diagrama na sliki 2.

območje toplotnega ugodja (po Fangerju)

Iz diagrama lahko odčitamo, da potrebuje stanovalec, ki se zadržuje v prostoru s temperaturo obodnih površin 16 °C, za ugodno počutje temperatura zraka v prostoru minimalno 22 °C in maksimalno 27 °C. Temperaturni razpon se zdi relativno velik. Če pa izračunamo vrednost »občutene« temperature (aritmetična sredina temperature obodnih površin in temperature zraka v prostoru) dobimo vrednosti 19 °C oziroma 21,5 °C. Če imajo obodne površine zaradi dobre toplotne izolacije ali blagih vremenskih razmer višjo temperaturo, na primer 18 °C, se temperatura zraka, ki jo občutimo kot ugodno, pomakne na 20 do 25 °C, kar da aritmetično srednjo vrednost »občutene» temperature 19 °C oziroma 21,5 °C. Iz navedenega vidimo, da občutena temperatura ni enaka temperaturi zraka v prostoru,. To pomeni, da s celoletno togo pred nastavitvijo sobne temperature, tudi pri ogrevanju brez prekinitev ne bomo dosegli želenega ugodja. To velja zlasti tedaj, če bo nastavitev sobne temperature že pri ugodnem vremenu na minimalni meji.

Na sliki 3 so prikazane izračunane temperaturne krivulje slabo izolirane zgradbe s toplotno prehodnostjo obodnih površin U =1,2 W/m2K. Pri togo nastavljeni sobni temperaturi 20 °C in zunanji temperaturi +15 °C pade temperature obodne površine od 19,3 °C na 14,8 °C (slika 3, krivulja b). Pri sobni temperaturi + 5 °C prične človek čutiti neugodje (krivulja b, ne – korigirana temperatura zraka), ki s padajočo temperaturo narašča. Da dosežemo nivo toplotnega ugodja, moramo temperatur0 zraka v prostoru dvigniti na 22,5 °C. S tem se zviša tudi temperatura obodnih površin, kar izboljša toplotno ugodje (krivulja a, korigirana temperatura zrak, slika 3). Ker klasične regulacijske naprave delujejo na osnovi statično nastavljene vrednosti (na primer termostatski ventili) moramo prilagoditev ustrezne temperature zraka v prostoru opraviti ročno.

korigiranje sobne temeprature v odvisnosti od zunanje temperature

3.1. Temperatura zraka v prostoru pri prekinjenem ogrevanju
V primeru prekinitve ogrevanja se zgradba ohladi. Na temperaturo obodnih površin pa še dodatno vpliva tudi vremenska klima (blaga ali ostra).

Na sliki 4a, b, c je prikazan 8 urni obratovalni ciklus, prekinjen z dvema prekinitvama v trajanju po dve uri. Obarvana površina označuje območje temperaturnega ugodja. Toplotno ugodje je zagotovljeno v primeru, če temperaturna krivulja leži znotraj obarvanega polja. Toplotne ravnovesje je pri sobni temperaturi 21°C in temperaturi obodnih površin 17 °C. Zunanja temperatura znaša + 3 °C, toplotna prehodnost obodnih površin pa znaša U = 1,1 W/m2K.

Na sliki 4a so prikazane temperaturne krivulje, pri ogrevalni moči, ki je enaka dejanskim toplotnim izgubam zgradbe. V točki 0 je zgradba v toplotnem ravnovesju. Temperatura zraka v prostoru leži na spodnji meji toplotnega ugodja. V toku naslednje periode ogrevanja, temperatura zraka ne dosega toplotnega ugodja, prav tako ne po naslednji prekinitvi. Posledica tega je trajno toplotno neugodje.

Na sliki 4 b so prikazane temperaturne krivulji, kjer je ogrevalna moč, enaka dvojnim toplotnim izgubam. Temperatura zraka v prostoru, ki ni omejena, se zaradi povečane toplotne moči dvigne nas nastavljeno vrednost in v nekaj minutah doseže območje toplotnega ugodja. V času dvourne periode ogrevanja se toplotni primanjkljaj popolnoma izenači.

Na sliki 4 c so prikazane temperaturne krivulje, kjer je ogrevalna moč enaka dvojnim toplotnim izgubam. Za primer na sliki 4 c velja omejitev temperature na statičnih 21 °C, zato je potrebno računati s trajnim toplotnim neugodjem.

temperatura zraka in obodnih površin

4. Povzetek
Toplotno ugodje je soodvisno od temperature zraka v prostoru in temperature obodnih površin, zato celoletna konstantna nastavitev sobne temperature ni primerna. To velja za neprekinjeno ogrevanja, prekinjeno ogrevanje pa to problematiko še občutno zaostri. Načeloma pa je možno tudi pri prekinjenem ogrevanju (slik 4 b) zagotoviti toplotno ugodje, če sta izpolnjena dva pogoja:

a) dovedena moč pri ponovnem ogrevanju prostorov moram biti praviloma večja od dejanskih toplotnih izgub,

b) temperatura zraka v prostoru ne sme biti regulacijsko omejena na statično vrednost, temveč je potrebno dopuščati njen dvig v celotnem trajanju toplotnega ravnovesja. Na steno vgrajena sobna tipala, ki sprejemajo sevanje, ki ga oddaja stena, to omogočajo. V nasprotnem primeru se ročnemu prilagajanju sobne temperature ni možno izogniti.