Budowa i działanie akumulacyjnego pieca grzewczego
Budowa i działanie akumulacyjnego pieca grzewczego
fot. Adobe Stock
Piec akumulacyjny magazynuje ciepło wytworzone z taniej, nocnej energii elektrycznej, by oddawać je w ciągu dnia, gdy prąd jest droższy. Idea magazynowania ciepła w budynkach sięga dawnych pieców kaflowych opalanych węglem, które pełniły funkcję swoistych magazynów energii cieplnej, działając w sposób scentralizowany lub rozproszony po poszczególnych pomieszczeniach. Współczesne piece akumulacyjne wracają do łask tam, gdzie nie ma dostępu do gazu, a montaż pompy ciepła jest kłopotliwy lub zbyt kosztowny.
Krajowy system elektroenergetyczny musi na bieżąco dopasowywać produkcję prądu do zmiennego zapotrzebowania. Przy niskim poborze część bloków energetycznych pracuje z obniżoną wydajnością, generatory pracują wtedy "na luzie", co niepotrzebnie zużywa paliwo napędzające turbiny i negatywnie wpływa na efektywność produkcji energii. Stąd pomysł na taryfy dwustrefowe. Niższa cena energii w nocy i w weekendy ma zachęcać odbiorców do przesuwania zużycia prądu poza godziny szczytu.
W taryfie G12 tańsza energia obowiązuje zwykle w godzinach 22:00-6:00 oraz dodatkowo 13:00-15:00. Taryfa G12w idzie krok dalej - obejmuje niższą ceną całe soboty, niedziele i dni świąteczne, co sprawdza się u osób dogrzewających mieszkanie w ciągu dnia właśnie w weekendy. Piece akumulacyjne projektuje się tak, by większość energii pobierały właśnie w tych uprzywilejowanych cenowo godzinach.
Urządzeniem służącym do magazynowania ciepła jest przede wszystkim piec akumulacyjny, pracujący w trybie rozładowania statycznego lub dynamicznego. Rzadziej stosuje się wodne zbiorniki akumulacyjne współpracujące z instalacją centralnego ogrzewania. W obu wariantach prąd zamieniany jest w ciepło za pomocą grzałek, jednak komfort użytkowania obu rozwiązań jest inny. W piecach statycznych jedynym sposobem dostosowania mocy grzejnej jest ustawienie stopnia naładowania, co daje mało precyzyjną kontrolę nad temperaturą. Piece dynamiczne pozwalają sterować mocą w szerokim zakresie dzięki nawiewowi powietrza. Zbiornik wodny również zapewnia wygodną regulację, ale ma sens tylko przy istniejącej instalacji grzewczej i sporej przestrzeni na jego montaż.
Magazynowanie energii cieplnej - materiały i ich właściwości
To, ile ciepła zmieści się w danym materiale, zależy od jego ciepła właściwego oraz maksymalnej temperatury, do jakiej można go bezpiecznie nagrzać. W praktyce liczy się zarówno wartość odniesiona do masy, jak i do objętości.
Woda ma najwyższe ciepło właściwe spośród typowych nośników - 4,19 kJ/kg·K. Problem w tym, że jest stosunkowo lekka (ok. 1 kg/dm³), a bez ciśnienia można ją podgrzać maksymalnie do 100°C. W efekcie z kilograma czy litra wody da się odzyskać zaledwie 0,07 kWh energii - zbyt mało, by magazynować duże ilości ciepła bez ogromnych zbiorników.
Dlatego w domowych piecach akumulacyjnych stosuje się materiały ceramiczne i skalne - szamot, magnezyt, oliwin - oraz żeliwo. Ich ciepło właściwe jest niższe niż wody, ale są znacznie cięższe i wytrzymują temperatury rzędu 500-550°C. Dzięki temu pojemność cieplna sięga 0,13-0,15 kWh/kg lub 0,2-0,45 kWh/dm³, czyli kilkukrotnie więcej niż w przypadku wody przy porównywalnej objętości.
Cały proces dzieli się na trzy fazy: ładowanie, przechowywanie i rozładowanie.
Ładowanie polega na nagrzaniu rdzenia akumulacyjnego wbudowanymi grzałkami wysokotemperaturowymi, zasilanymi jedno- lub trójfazowo. Stopniem naładowania zarządza wyłącznik termiczny albo, w bardziej rozbudowanych modelach, programowalny sterownik elektroniczny, który powinien być dobrany do przewidywanego zużycia ciepła między kolejnymi cyklami. Ponieważ piec grzeje pomieszczenie także w trakcie ładowania, jego moc musi pokrywać zarówno bieżące potrzeby cieplne, jak i zapas gromadzony na później.
Przechowywanie powinno wiązać się z jak najmniejszymi stratami. Decyduje o tym jakość izolacji termicznej urządzenia. Zwykle cykl magazynowania zamyka się w ciągu doby, choć stopień naładowania zmienia się w zależności od bieżącego zużycia i nieuniknionych strat cieplnych. W prostszych piecach ten etap praktycznie pokrywa się z rozładowaniem - im wyższa temperatura wsadu na starcie, tym większa moc grzewcza na początku cyklu.
Rozładowanie to oddawanie ciepła do pomieszczenia, samoistne, ze stopniowo malejącą mocą, albo sterowane, dopasowane do aktualnego zapotrzebowania. Po zakończeniu cyklu w piecu powinna zostać jeszcze niewielka rezerwa energii, żeby zapewnić ciągłość ogrzewania do czasu kolejnego ładowania. Przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych zdarza się, że zgromadzonego ciepła zabraknie pod koniec cyklu i konieczne jest chwilowe dogrzanie pomieszczenia innym źródłem.
Zasada działania pieca akumulacyjnego z rozładowaniem dynamicznym, fot. Stiebel Eltron.
Budowa i działanie pieców statycznych i dynamicznych
Piec akumulacyjny z rozładowaniem statycznym to obudowany wkład z kształtek szamotowych z osadzoną w nim grzałką. Ciepło ucieka na zewnątrz przez promieniowanie z powierzchni obudowy, a jego moc zależy wyłącznie od aktualnej temperatury tej powierzchni. Regulacja jest tu praktycznie niemożliwa. Taki piec sprawdzi się raczej w garażu czy pomieszczeniu gospodarczym niż w pokoju, gdzie liczy się komfort cieplny.
Znacznie wygodniejsze w użyciu są piece z rozładowaniem dynamicznym. Rdzeń zbudowany jest z podobnych materiałów co w wersji statycznej, ale dodatkowe podzespoły, wentylator i przepustnica, pozwalają na bieżąco regulować oddawaną moc oraz zaprogramować stopień naładowania. Ciepłe powietrze trafia do pomieszczenia dzięki wymuszonemu nawiewowi, a moc reguluje się dwutorowo: zmieniając prędkość wentylatora i stopień otwarcia przepustnicy w kanale otaczającym rdzeń. Sam rdzeń nagrzewa się nawet powyżej 400°C, ale strumień powietrza miesza się tak, by temperatura nawiewu była bezpieczna dla domowników. Promieniowanie z obudowy odpowiada w tym przypadku tylko za ok. 10% oddawanej energii, resztę przekazuje nawiew.
Wybór i regulacja pieca - moc, umiejscowienie, waga
Dziesięciogodzinowe okno taryfy nocnej zwykle wystarcza na pełne naładowanie pieca, pod warunkiem że moc grzałki jest około dwukrotnie wyższa niż nominalne zapotrzebowanie cieplne pomieszczenia. Nie zawsze trzeba dobierać piec aż tak zapasowo - wystarczy zapewnić możliwość awaryjnego dogrzania, np. termowentylatorem albo dodatkową grzałką bezpośrednią wbudowaną w urządzeniu.
Piece akumulacyjne oferowane są w mocach przyłączeniowych od 2 do 6 kW, co pozwala ogrzać nawet spore pomieszczenie o przeciętnym zapotrzebowaniu jednym urządzeniem. Oprócz klasycznych modeli stojących dostępne są wersje naścienne i niskie, przystosowane do montażu pod parapetem.
Waga urządzenia z wkładem magnezytowym to od 100 do nawet 400 kg, w zależności od mocy. Przed montażem trzeba sprawdzić nośność podłoża, zwłaszcza na adaptowanych poddaszach czy w starszym budownictwie.
Podstawową regulację zapewnia termostat sterujący jednocześnie temperaturą i intensywnością nawiewu, dzięki czemu można utrzymać zadaną temperaturę w pomieszczeniu. Wersje z programatorem pozwalają zmieniać nastawy w ciągu dnia lub tygodnia, a dodatkowy czujnik temperatury zewnętrznej umożliwia korygowanie stopnia naładowania w zależności od prognozowanego zapotrzebowania na ciepło.
Wady i zalety. Co mówią użytkownicy?
Piece statyczne, bez wentylatora, w codziennym użytkowaniu wypadają słabo. Rano bywa w pomieszczeniu za gorąco, bo rdzeń jest świeżo naładowany, a wieczorem robi się chłodno, gdy zapas ciepła się wyczerpuje. Coraz rzadziej poleca się je jako główne źródło ogrzewania. Piece dynamiczne, z wentylatorem i przepustnicą, oceniane są zdecydowanie lepiej. Współpraca z termostatem pokojowym pozwala oddawać ciepło wtedy, kiedy jest naprawdę potrzebne, i to one są dziś rekomendowane jako podstawowe ogrzewanie pomieszczeń mieszkalnych.
Do niewątpliwych plusów należy brak kotłowni, komina, instalacji rurowej, przeglądów kominiarskich i serwisów typowych dla kotłów gazowych czy węglowych. Piec akumulacyjny nie produkuje popiołu, nie niesie ryzyka zaczadzenia, a jego prosta konstrukcja potrafi działać bezawaryjnie przez 20-30 lat. Każde pomieszczenie można wyposażyć w osobny piec z własnym termostatem, co daje niezależną regulację temperatury w poszczególnych pokojach. To dobre rozwiązanie tam, gdzie nie ma dostępu do gazu, a montaż pompy ciepła jest niemożliwy lub nieopłacalny - na przykład w mieszkaniach w kamienicach po likwidacji starego ogrzewania węglowego.
Po stronie minusów trzeba wymienić przede wszystkim sprawność energetyczną równą COP=1 - z 1 kWh prądu otrzymuje się dokładnie 1 kWh ciepła. Orientacyjnie, przy wysokich cenach energii elektrycznej i słabo ocieplonym budynku przekłada się to na wysokie koszty eksploatacji, choć dokładna wysokość rachunków zależy od konkretnej taryfy i stanu izolacji domu. Piece wymagają też sporej mocy przyłączeniowej, często konieczna jest instalacja trójfazowa 400V i zwiększenie mocy przyznanej przez dostawcę energii. Dochodzi do tego znaczna waga urządzeń, wymuszająca sprawdzenie nośności stropu, oraz spore gabaryty w porównaniu z typowym grzejnikiem płytowym. Piec naładowany „pod mróz” bywa zbyt gorący przy nagłym ociepleniu w ciągu dnia. Nowsze modele z czujnikiem temperatury zewnętrznej częściowo niwelują ten problem, ale całkowicie go nie eliminują.
Piec akumulacyjny na tle pompy ciepła i fotowoltaiki
Kluczowa różnica między piecem akumulacyjnym a pompą ciepła dotyczy sprawności. Piec zamienia prąd na ciepło ze sprawnością COP=1, tymczasem pompa ciepła powietrze-woda osiąga sezonowy współczynnik SCOP rzędu 3,0-4,0. Z 1 kWh prądu uzyskuje się w niej nawet 3-4 kWh ciepła. W praktyce oznacza to, że pompa potrzebuje kilkukrotnie mniej energii elektrycznej do ogrzania tego samego domu.
Zupełnie inaczej wygląda natomiast bilans inwestycyjny. Komplet pieców akumulacyjnych na cały dom, wraz ze wzmocnieniem instalacji elektrycznej, to wydatek rzędu kilkunastu-dwudziestu kilku tysięcy złotych. Pompa ciepła powietrze-woda z buforem, zasobnikiem CWU i całym osprzętem kosztuje zwykle kilkadziesiąt tysięcy złotych. Koszt początkowy jest więc wyższy, ale eksploatacja w kolejnych latach wypada znacznie taniej.
Fotowoltaika słabo się sprawdza w bilansowaniu zużycia prądu przez piec akumulacyjny, ponieważ zapotrzebowanie na ciepło jest największe zimą, a właśnie wtedy instalacja PV produkuje najmniej - w miesiącach listopad-luty zwykle tylko 15-20% swojej rocznej produkcji. Żeby realnie zbilansować roczne zużycie prądu przez piec, potrzebna byłaby instalacja rzędu kilkunastu kWp, co trudno zmieścić na typowym dachu domu jednorodzinnego. W przypadku pompy ciepła, ze względu na dużo mniejsze zapotrzebowanie na energię elektryczną, typowa instalacja PV o mocy 5-6 kWp znacznie skuteczniej obniża roczne rachunki.
Na piece akumulacyjne z reguły nie przysługują dotacje. Pompy ciepła mogą być natomiast dofinansowane z programów typu Czyste Powietrze czy Moje Ciepło.
Piec akumulacyjny ma sens tam, gdzie nie ma instalacji wodnej centralnego ogrzewania - na przykład w mieszkaniu w kamienicy po zlikwidowanym piecu węglowym - a budowa pełnej instalacji hydraulicznej pod pompę ciepła byłaby nieopłacalna lub wręcz niemożliwa, zwłaszcza przy ograniczonym budżecie. Przy budowie nowego domu lub większym remoncie systemu grzewczego, zwłaszcza z ogrzewaniem podłogowym, korzystniejszym rozwiązaniem w długim horyzoncie czasowym będzie pompa ciepła, najlepiej wspierana instalacją fotowoltaiczną.
Od 1998 roku Redakcja "Budujemy Dom" tworzy społeczność pasjonatów budownictwa, którzy z chęcią dzielą się swoją wiedzą i doświadczeniem. Nasz zespół to wykwalifikowani redaktorzy, architekci, inżynierowie i specjaliści z różnych dziedzin budownictwa, którzy stale poszerzają swoją wiedzę i śledzą najnowsze trendy.
Skomentuj
