Wstęp
Ogrzewanie budynków pochłania ogromne ilości energii. W gospodarkach państw OECD ogrzewanie pomieszczeń oraz przygotowanie ciepłej wody użytkowej, pochłania łącznie aż ok. 80% całkowitej energii zużywanej w domach. Wynika to z modelu termodynamicznego budynku, który traktuje obiekt jako otwarty układ wymiany ciepła. Budynek nieustannie rozprasza energię przez tzw. przegrody (ściany, dach, okna, itd.) oraz wentylację. Aby utrzymać stałą, zadaną temperaturę wewnętrzną, system grzewczy musi ciągle i precyzyjnie dostarczać strumienie ciepła w strefach grzewczych (pomieszczeniach), odpowiadające sumarycznie tym stratom.
Niestety w większości stosowanych, hydraulicznych systemach centralnego ogrzewania występuje problem braku efektywnego sterowania mocą grzewczą w poszczególnych strefach, zwłaszcza jeśli profile użytkowania budynku są dynamiczne, czyli okresowe (np. obniżenia nocne, hotele, urzędy, szkoły, itp.). Dlatego m.in. moce tych systemów grzewczych projektuje się z pewnym nadmiarem, który ostatecznie obniża efektywność kosztową tych systemów. Dużo lepiej w tym zakresie prezentują się rozwiązania elektrycznych systemów grzewczych, gdzie ich załączenie może odbywać się strefowo z regulacją mocy cieplnej. Jednak ich konstrukcja najczęściej wprowadza dużą bezwładność cieplną (ogrzewanie podłogowe, akumulacyjne) lub stratność wynikającą z ich zabudowy pod warstwą podłogi (ogrzewanie podłogowe). Dodatkowo są one uważane za systemy mocno obciążające sieć elektryczną budynku oraz drogie w użytkowaniu ze względu na ceny energii elektrycznej.
System grzewczy HexR to całkowicie nowe, kompleksowe i zorientowane dziedzinowo podejście do ogrzewania, umożliwiające osiągnięcie pełnej efektywności i funkcjonalności systemu z optymalizacją na wielu poziomach — od generacji i dystrybucji ciepła po sterowanie i analizę danych — w podejściu typu full tech stack. Odnosi się ono bezpośrednio do całego zestawu narzędzi na wielu poziomach (generacja ciepła, jego dystrybucja w obiekcie, sterowanie oraz analityka i optymalizacja efektywności energetycznej), umożliwiających najbardziej efektywne wykorzystanie każdego wata mocy cieplnej dla zapewnienia komfortu termicznego w obiekcie.
Generacja ciepła
Na poziomie generacji ciepła w systemie HexR, uwagę zwraca unikatowa konstrukcja grafitowego elementu grzejnego. Posiada ona niespotykanie dużą powierzchnię czynnej wymiany ciepła. Jej hexagonalno-fraktalny kształt wspomaga konwekcję (rys. 1.), a równomierny rozkład gęstości prądu w całej strukturze, powoduje jednorodność rozkładu temperatury w całej objętości elementu grzejnego (rys. 2.). Przekłada się to na jego zwiększoną możliwość oddawania ciepła do otoczenia i istotną redukcję energochłonności tego rozwiązania (rys. 3.). Wysoka rezystancja pozwala natomiast na ograniczenie prądu w obwodzie roboczym, co skutkuje ograniczeniem strat przesyłu energii w instalacji elektrycznej oraz pozostałych elementach obwodu grzejnego. Badania sprawności elektrotermicznej elementów HexR zostały przeprowadzone we współpracy z Politechniką Warszawską [1] i wykazały nawet kilkudziesięcioprocentowy wzrost sprawności elektrotermicznej (całkowitej) w stosunku do innych elementów grzejnych. Wykazuje to istotną eliminację dysfunkcji innych rozwiązań w obszarze elektrycznych systemów grzewczych.
Dystrybucja ciepła
Na poziomie dystrybucji ciepła w systemie HexR, zastosowano grzejniki przyokienne serii G3 (rys. 4.). Smukłe, designerskie w formie urządzenia, z frontami ze specjalnie wyselekcjonowanego, bezpiecznego szkła hartowanego o niskiej zawartości tlenków żelaza (Glass Ultra-Clear), pozwalającego uzyskać wysoką przejrzystość, neutralność kolorystyczną i dopasowanie do nowoczesnych wnętrz. Zostały one wyposażone w kierunkowo ukształtowany dyfuzor (rys. 5.), kierujący strumień ciepłego powietrza na powierzchnię okna lub ściany. Rozwiązanie takie częściowo nawiązuje do technologii określanej jako: baseboard heating system (ogrzewanie pętlowe/cokołowe/listwowe), ale dodatkowo w systemie HexR został wykorzystany tzw. efekt Coandy, czyli zjawisko fizyczne, w którym strumień powietrza „przykleja się” do najbliższej powierzchni i porusza się wzdłuż niej. Efekt ten odgrywa kluczową rolę w optymalizacji przepływu ciepła przy oknach lub ścianach, powiększając powierzchnię oddawania ciepła do pomieszczenia. Rozwiązanie to można także definiować jako „aktywny radiator”, w którym źródła ciepła występują w całej strukturze intensyfikującej wymianę ciepła z przepływającym powietrzem.
Mechanizmy dystrybucji ciepła przy ścianie i oknie w systemie HexR są następujące:
- przyleganie strumienia ciepła: ciepłe powietrze unosi się z listwy grzewczej w grzejniku i zamiast od razu rozproszyć się w strefie grzewczej, „przykleja się” do pionowej powierzchni ściany lub szyby,
- pionowy ekran termiczny: powietrze wędruje laminarnie w górę wzdłuż okna lub ściany, tworząc niewidzialną, ciepłą kurtynę,
- blokada zimna: w przypadku umieszczenia grzejnika przy oknie, strumień ciepłego powietrza może ograniczać dyskomfort cieplny, związany z chłodną powierzchnią szyby oraz opadaniem chłodniejszego powietrza.
W konsekwencji rozwiązanie to przedstawia szereg wymiernych i praktycznych korzyści, takich jak:
- równomierny rozkład temperatury w pomieszczeniu: okno lub ściana działa jak wielki radiator płaszczyznowy; w opcji ściennej akumuluje ciepło i oddaje je do wnętrza przez promieniowanie, co likwiduje efekt „zimnych stóp i gorącej głowy”,
- wysoka estetyka: efekt Coandy pozwala zrezygnować z tradycyjnych, masywnych grzejników na rzecz dyskretnych,
- oszczędności: pozwala obniżyć temperaturę w pomieszczeniu o 1 ÷ 2 °C przy zachowaniu tego samego komfortu termicznego, co generuje ok. 10 ÷ 15 % oszczędności energii w porównaniu do klasycznych grzejników,
- ochrona przed wilgocią: stały ruch ciepłego powietrza osusza powierzchnię szyb i narożniki ścian; może ograniczać ryzyko kondensacji pary wodnej na chłodnych powierzchniach, a tym samym warunki sprzyjające rozwojowi pleśni.
Sterowanie
Niezwykle ważnym elementem każdego systemu grzewczego jest jego system sterowania. W rozwiązaniach hydraulicznych regulacja jest bardzo utrudniona i zawodna, natomiast w grzejnikach elektrycznych najczęściej realizowana jest ona w postaci bimetalicznego regulatora mocy grzewczej, co zupełnie nie przekłada się na regulację temperatury pomieszczenia. W grzejnikach HexR serii G3 zastosowano autorski, adaptacyjny regulator temperatury (rys. 6.) strefy grzewczej (o zakresie regulacji: 16 ÷ 24 °C), który dokonuje pomiaru i płynnie w sposób automatyczny dopasowuje moc grzewczą grzejnika do zapotrzebowania. Posiada również opcję tzw. obniżenia nocnego, które cyklicznie, dobowo obniża temperaturę w pomieszczeniu (np. sypialni lub biurze) oraz wskaźniki diodowe służące intuicyjnej interakcji z użytkownikiem.
To zupełnie nowe podejście, pozwalające dopasować moc grzewczą systemu do rzeczywistego zapotrzebowania budynku, które zawsze w warunkach projektowych jest estymowane zgrubnie i później zawyżane „w górę”.
Interfejs i optymalizacja
Architektura systemu HexR została zaprojektowana w ten sposób, aby umożliwić integrację z aplikacją klasy Smart Home oraz opcjonalnie z innymi systemami sterowania nadrzędnego (rys. 7.). Zawiera ona rozbudowany interfejs UX systemu, pozwalający na: zdalną kontrolę i wizualizację jego statusu pracy, mierzonych temperatur w pomieszczeniach oraz zarządzanie harmonogramami. W dłuższej perspektywie (po zebraniu odpowiedniej ilości danych) pozwala to na weryfikację efektywności energetycznej systemu HexR (raporty, wskaźniki zużycia i wypracowane oszczędności w kWh oraz PLN). Prezentowana funkcjonalność analityki systemowej została zbudowana na bazie najlepszych, stosowanych praktyk branży HVAC: benchmarking budynków, KPI’e, M&V, baseline’y, interfejsy wspomagające użytkownika końcowego, raporty. Daje to unikalną na rynku możliwość identyfikacji anomaliów: mostków termicznych w budynku, nieszczelnych okien, itp.
Podsumowanie
Ogrzewanie budynków należy do najbardziej energochłonnych procesów, a w obliczu rosnących cen energii i ogromnych kosztów inwestycyjnych, poszukiwane są nowe rozwiązania.
Równocześnie rynek energii w Europie przechodzi rewolucję. Komisja Europejska ogłosiła unijny Plan Działań na rzecz Elektryfikacji [2] (EU Electrification Action Plan). Zakłada on wzrost udziału energii elektrycznej w gospodarce z 23% obecnie, do 46% w 2040 roku. Transformacja obejmuje przemysł, transport oraz budynki. Dokument kładzie nacisk na szybką rozbudowę sieci przesyłowych. Planuje też obniżenie podatków nakładanych na „prąd”, aby stał się on tańszy od gazu. Według prognoz pozwoli to zaoszczędzić aż 260 miliardów euro rocznie na imporcie paliw kopalnych.
Równolegle rozwija się dynamiczny rynek energii (np. TGE). Cechuje go wysokie wykorzystanie różnych technologii generacyjnych oraz elastyczność cen. Nowe regulacje wprowadzają taryfy dynamiczne dla konsumentów. Ceny energii elektrycznej zmieniają się tam w zależności od bieżącej produkcji. Daje to unikalną możliwość optymalizacji kosztowej i redukcji zużycia energii dla efektywnych rozwiązań wraz z elastycznymi systemami EMS (ang.: Energy Management System).
Najważniejsze cechy systemu HexR:
- najwyższa sprawność elektrotermiczna elementu grzejnego,
- kierunkowa dystrybucja ciepła w pomieszczeniu,
- pomiar i kontrola temperatury strefy grzewczej,
- możliwość dopasowania rozwiązania do specyfiki obiektu i profilu jego użytkowania,
- uwzględnienie rzeczywistych parametrów termicznych budynku oraz dodatkowych źródeł ciepła,
- możliwość integracji systemu z rozwiązaniami pozwalającymi zarządzać zużyciem energii oraz optymalizować koszty zakupu energii,
- smukła, szklana forma grzejników z możliwością zastosowania dedykowanych nadruków.
DOWIEDZ SIĘ WIĘCEJ: http://qr-dafi.pl/hexr/
