Podstawowe jednostki
Zacznę od przypomnienia wzajemnych zależności między poszczególnymi wartościami, bo w branży ciepłowniczej używa się dżuli (J), watów (W) oraz — coraz rzadziej — kalorii (cal). Często w tych samych materiałach technicznych można napotkać wiele różnych jednostek, co nie ułatwia zrozumienia problemu. Czasami podejrzewam nawet, że może to być robione celowo, aby klient nie mógł samodzielnie porównać różnych urządzeń.
Zacznę od pojęć podstawowych (jednostek). Siła jednego niutona (N) to siła, która masie 1 kg nadaje przyspieszenie 1 m/s2.Gdy wiemy już, czym jest niuton, możemy przejść do energii i pracy, bo dżul (J) to energia równa pracy wykonanej na drodze 1 m przez siłę 1 N. Z kolei 1 wat (W), to praca 1 J wykonana w ciągu 1 sekundy (W = J/s). Chciałbym zwrócić uwagę na różnicę pomiędzy dżulem a watem. Od kiedy w jednym z poradników znalazłem „W/s” jako jednostkę mocy kotła, jestem bowiem na tym punkcie uczulony. Pisząc o czymś w watach należy pamiętać, że w tej jednostce jest już uwzględniony czas, gdyż jest to dżul na sekundę i błędem jest pisanie W/s lub kW/h.
Czy rzeczywiście takie przypomnienie i zawracanie głowy fizyką jest konieczne? Myślę, że tak. Wątpiącym proponuję wejść do internetu i popatrzyć, jakie teorie można przeczytać na temat energii cieplnej i ogrzewania. Dla niektórych kojarzenie kWh z ciepłem jest w dalszym ciągu nie do przyjęcia. Jako uzupełnienie tematu przypomnę, co oznaczają niektóre litery, gdy rozmawiamy o energii cieplnej (są powszechnie używane, nie tylko w ogrzewnictwie). Przez dodanie odpowiednich liter z jednostek podstawowych tworzymy większe, i tak k (kilo) to 1000 razy więcej (103), mega (M) — milion razy (106), giga (G) — miliard (109). Wspominam o tym, gdyż często (nawet w jednym katalogu) możemy napotkać wielkości odniesione do kg lub tony paliwa, co może prowadzić do nieporozumień (MJ/kg i GJ/t są taką samą wartością).
Zużycie ciepła
Aby podać, ile ciepła zostało zużyte, np. w tygodniu, miesiącu lub roku, moc w watach (W) należy pomnożyć przez czas (a nie podzielić), aby otrzymać liczbę kWh (proszę popatrzyć na swój rachunek za energię elektryczną, bo tam płacimy za 1 kWh), co można obrazowo określić jako odpowiedź na pytanie „ile godzin pracowało urządzenie o mocy 1 kW?” Dżul (J) jest sam jednostką energii (pracy) i nie wymaga dodatkowych określeń.
Chciałbym teraz pokazać, jak porównać wat (dokładniej Ws) z dżulem. Zauważyłem bowiem, że takie przeliczenie sprawia wiele kłopotów, nie tylko klientom, ale także sprzedawcom kotłów i grzejników. W tym celu musimy wrócić na chwilę do definicji wata.
1 W = 1 J/s, inaczej 1 J = 1 Ws. Jeżeli mamy więc wartość podaną w kWh, a chcemy mieć ją w dżulach (np. aby porównać z inną wartością), to należy pomnożyć tę wartość przez 3600 (godzina zamieniona na sekundy) i uporządkować liczbę zer, czyli doprowadzić do zgodności liczby watów z liczbą dżuli. Na przykład 1 kW pomnożony przez 3600 to 3,6 MJ (1000 W x 3600 s = 3 600 000 J).
Gdy mamy sytuację odwrotną, tzn. gdy ilość zużytego ciepła wynosi np. 18 GJ, to porządkując liczbę zer i dzieląc to wszystko przez 3600 (3600 s = 1 h) otrzymamy wynik w Wh (18 000 000 000 J : 3600 s = 5 000 000 Wh = 5000 kWh).
Nie wiem, czy opisane obliczenia są dla wszystkich proste, ale radzę zapamiętać przeliczniki, które pozwalają na uniknięcie błędów przy przeliczaniu. Otóż 1 J = 1 Ws, godzina to 3600 sekund, a 1000 W to 1 kW. Reszta polega tylko na odpowiednim przekształceniu tych równań.
Ciepło spalania i wartość grzewcza
Teraz możemy przejść do praktycznego zastosowania przypomnianych jednostek. Ciepło spalania i wartość grzewcza paliwa określane są tymi samymi jednostkami — kWh/kg lub MJ/kg. Ciepło spalania informuje, ile ciepła można otrzymać z 1 kg paliwa (odebrane ciepło i ciepło zawarte w parze wodnej, która podczas spalania powstała), a wartość grzewcza ogranicza się tylko do ilości ciepła, które możemy ze spalin odebrać (pomija się tak zwane ciepło utajone, czyli zawarte w parze wodnej).
To dogodny moment, aby wyjaśnić, dlaczego sprawność kotłów kondensacyjnych przekracza 100% (tak podają producenci tych kotłów), chociaż z fizyki wiadomo, że sprawność 100% to „perpetuum mobile” (urządzenie niemające strat i raz poruszone nigdy się niezatrzymujące). Producenci kotłów, odnosząc sprawność kotła kondensacyjnego do wartości grzewczej paliwa, w kotłach tych uzyskują tego ciepła więcej niżby to wynikało z wartości grzewczej paliwa (część ciepła zawartego w parze wodnej jest odzyskiwana) i dlatego otrzymują sprawność ponad 100%. Ja określam, że jest to sprawność statystyczna, a nie fizyczna.
W ten sposób dotarliśmy do sprawności urządzeń grzewczych. Wiedza o sprawności urządzenia pozwala określić koszt energii cieplnej w nim uzyskiwanej. Mając koszt jednostki paliwa i sprawność możemy obliczyć, ile kosztuje jednostka ciepła z tego urządzenia i porównać je z innymi urządzeniami. Ułatwia to podjęcie decyzji, jakie źródło ciepła zastosować w obiekcie. Piszę ułatwia, bo przy decyzji o zakupie kotła lub zastosowaniu innego źródła ciepła (np. pompy ciepła) powinniśmy wziąć pod uwagę także nakłady inwestycyjne oraz koszt eksploatacji. Dopiero to wszystko razem powie nam, z czym musimy się liczyć instalując określone urządzenie.
Jak obliczyć zapotrzebowanie na paliwo?
Zacznijmy od tego, że trzeba wiedzieć, o jaki okres nam chodzi — zapotrzebowanie roczne (np. nie tylko do ogrzewania, ale także do przygotowania ciepłej wody), sezonowe (okres grzewczy) czy miesięczne. Każdy z tych okresów wymaga odrębnego potraktowania.
Inaczej wygląda sytuacja, gdy obiekt jest projektowany, a inaczej — gdy jest już kilka lat eksploatowany. Skąd ta różnica? Otóż dla obiektu już ogrzewanego mamy dane o wcześniejszym zużyciu ciepła, dla obiektu nowego — to zapotrzebowanie jest obliczone (przynajmniej powinno być). Na zużycie paliwa wpływają: sposób zaizolowania budynku, temperatura zewnętrzna i okres, w jakim się ona utrzymuje, oraz ilość ciepła potrzebnego na cele inne niż ogrzewanie. Dopiero mając te dane uwzględniamy sprawność źródła ciepła.
Na podstawie regionalnych danych meteorologicznych z poprzednich lat można przewidywać liczbę dni z określoną temperaturą, a to z kolei pozwala określić straty ciepła i dobowe zapotrzebowanie na ciepło. Z dobowego zapotrzebowania wylicza się natomiast miesięczne. Mając zestawienia miesięczne można z kolei dokonać podsumowania sezonu grzewczego lub całego roku. Przejście z bilansu rocznego na ilość paliwa jest już operacją czysto rachunkową, gdyż okresowe zapotrzebowanie na ciepło dzieli się przez wartość grzewczą używanego paliwa (przykład 1. — poniżej), uwzględnia sprawność źródła ciepła i wynik gotowy.
A ile to będzie kosztować? Pisałem o tym w „Haśle Ogrodniczym” 11/2005. Jako uzupełnienie tamtego artykułu, przedstawiam też (przykład 2.) sposób przeliczania wartości energii cieplnej, gdy jest ona podana w innych jednostkach niż te, z którymi chcemy ją porównać.
1. Przykład obliczenia potrzebnej ilości paliwa
Roczne zapotrzebowanie budynku na ciepło to 200 000 MJ. Wartość opałowa węgla wynosi 23 MJ/kg, a oleju opałowego 43 MJ/kg.
200 000 MJ : 23 MJ/kg = 8696 kg węgla. 200 000 MJ: 43 MJ/kg = 4651 kg oleju.
2. Przykład przeliczania wartości energii cieplnej
Cena energii cieplnej z jakiegoś źródła wynosi 38 zł/GJ, a chcemy ją porównać z ceną 0,15 zł/kWh i sprawdzić, które źródło jest tańsze? 1 kWh to 0,0036 GJ (lub 3,6 MJ), stąd 1 GJ to 277,78 kWh (1 podzielone przez 0,0036 daje 277,78), dlatego możemy napisać, że 277,78 kWh kosztuje 38 zł (38 zł/GJ). Dzieląc 38 przez 277,78 (chcemy wiedzieć, ile kosztuje 1 kWh) otrzymujemy 0,1368, a to oznacza, że 1 kWh kosztuje 0,1368 zł. Porównanie tej wartości z 0,15 zł/kWh pokazuje, że pierwsze źródło ciepła jest tańsze. Proponuję zapamiętać, że 1 kWh to 0,0036 GJ, 1 GJ to 277,78 kWh i, według potrzeb, mnożyć lub dzielić odpowiednie ceny.
