Trochę teorii

Aby spróbować wyjaśnić wpływ temperatury zewnętrznej (i nie tylko jej) na wielkość strat ciepła w szklarni lub tunelu foliowym, muszę podać kilka wzorów i wyjaśnić, jak się wylicza zapotrzebowanie na ciepło dla nowych obiektów. Ze starymi sprawa jest nieco prostsza, gdyż możemy posłużyć się danymi z lat poprzednich.

Wzór na liczenie strat ciepła:

Q = F x Δt x U — powierzchnia przeszklenia;

F – powierzchnia przeszklenia

Δt – różnica temperatury zewnętrznej i wewnętrznej (dla Mazowsza — w tabeli 1., dane dla innych regionów kraju można pobrać ze stron internetowych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej);

U (dawniej oznaczane literą „k”) — współczynnik przenikania ciepła, który dla szkła pojedynczego wynosi 7,5 W/m²K, dla dwuwarstwowej płyty PC o grubości 10 mm — 3,5 W/m²K.

Wpływ na straty ciepła powierzchni F i różnicy między temperaturą wewnętrzną i zewnętrzną (tzw. obliczeniową, ustaloną normą dla stref klimatycznych) nie sprawia żadnych problemów w zrozumieniu. Gorzej jest ze współczynnikiem przenikania ciepła U, obliczanym według wzoru U = 1/R, gdzie R to opór cieplny przegrody (R = d/λ, gdzie d oznacza grubość warstwy, a λ – współczynnik przewodzenia ciepła, który można znaleźć w odpowiednich tabelach). W wymianie ciepła bardzo ważną rolę — najważniejszą w przypadku cienkich przegród jednowarstwowych, jakimi są szkło lub folia — odgrywa współczynnik przejmowania ciepła h (dawniej α). Współczynnik ten określa, jak szybko ciepło jest przejmowane przez przegrodę (h_w) lub jak szybko jest oddawane na zewnątrz (h_z). Ilość przejmowanego lub oddawanego ciepła można wyliczyć ze wzoru:

Q = F x Δt x h

W tym wzorze Δt to różnica temperatury powietrza wewnętrznego (lub zewnętrznego) i temperatury na powierzchni przegrody, a nie różnica temperatury powietrza po obu stronach przegrody.

Wzór na współczynnik przenikania ciepła wygląda tak:

1/U = 1/h_w + d/λ +1/h_z

Słownie współczynnik ten można określić jako sumę oporu przejmowania ciepła przez przegrodę, oporu cieplnego w samej przegrodzie (w wielowarstwowej jest to suma oporów w każdej warstwie) i oporu cieplnego przy oddawaniu ciepła przez przegrodę.

Poświęciłem trochę więcej miejsca na wyjaśnienie wpływu współczynnika przejmowania ciepła h_z, gdyż to on decyduje o zmianach strat ciepła, w zależności od warunków zewnętrznych. Jest to widoczne, gdy porównamy wpływ wiatru na wymianę ciepła. Przy wietrze o prędkości 1 m/s opór przejmowania ciepła wynosi 0,08 m²K/W, ale przy 5 m/s jest to 0,04 m²K/W, a przy 10 m/s dochodzi do 0,02 m²K/W. Współczynnik h_w (dotyczący wnętrza szklarni) jest mniej więcej stały, bez względu na zmianę warunków zewnętrznych.

Warunki zewnętrzne

Popatrzmy teraz na dane dotyczące średniej temperatury na Mazowszu w ostatnich latach: 1^oC w grudniu 2003 roku, –5^oC w styczniu 2004 r., 2^oC w grudniu 2004 r., 0^oC w styczniu 2005 r., –1^oC w grudniu 2005 r. W styczniu 2006 r. średnia temperatura na Mazowszu wyniosła natomiast –8,3^oC. Nie ma więc wątpliwości, że ogrzewanie w styczniu br. kosztowało więcej niż w tym samym miesiącu rok wcześniej. Tylko o ile?

Mazowsze to III strefa klimatyczna z temperaturą obliczeniową powietrza zewnętrznego wynoszącą –20^oC (nie mylić ze średnią temperaturą miesiąca). Temperatura obliczeniowa jest bowiem temperaturą, przy której zaprojektowana instalacja grzewcza ma zapewnić przyjętą temperaturę wewnętrzną, np. w szklarni 12^oC.

Straty ciepła pod osłonami

W szklarni czy tunelu foliowym straty ciepła są głównie efektem przenikania. Gdy projektuje się nowy obiekt, należy uwzględnić także straty ciepła do gruntu (w obiekcie są dwie strefy — zewnętrzna — o szerokości 1,5 m od ścian zewnętrznych — oraz wewnętrzna — pozostała). Gdy chcemy zająć się porównaniem kosztów ogrzewania w różnych miesiącach, te straty można pominąć, gdyż ich zmiana nie jest aż tak duża, jak w przypadku strat ciepła przez przegrody. We wzorze na obliczenie strat ciepła

Q = F x (t_w – t_z) x U

powierzchnia przegrody (osłony) pozostaje bez zmian, zmienia się temperatura zewnętrzna, natomiast współczynnik przenikania ciepła może ulec zmianie, jeżeli prędkość wiatru na zewnątrz będzie większa niż 5 m/s (taką wartość przyjmuje się za standardową).

Aby określić, czy koszt ogrzewania będzie większy lub mniejszy, nikt nie będzie jednak dokonywał skomplikowanych obliczeń, bo i tak nie możemy określić rzeczywistych strat ciepła. Każdy dzień, a nawet często poszczególne godziny, różnią się od siebie pod względem warunków wymiany ciepła.

Porównajmy styczeń w latach 2004, 2005 oraz 2006. Odpowiednio, ^oC, 12^oC i 20,3^oC. Gdy przyjmiemy za podstawę do porównania rok 2004, dowiemy się, że w 2005 r. zużyliśmy o 29,4% mniej paliwa, ale w 2006 r. już o 19,4% więcej. Gdy porównamy styczeń 2005 r. ze styczniem 2006 r., zauważymy, że straty ciepła wzrosły aż o 69,2%.

Jeden z moich kolegów, który buduje kotłownie i instaluje systemy ogrzewania w szklarniach, powiedział mi, że wbrew przypuszczeniom, wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej straty ciepła (co zaobserwował po zużyciu paliwa przez kotły) nie rosną proporcjonalnie, ale zatrzymują się na poziomie mniej więcej –10^oC. Uzasadnieniem jest fakt, że mróz „uszczelnia” nieszczelności, przez które powietrze z zewnątrz może wnikać do wnętrza obiektu. Trudno mi powiedzieć, jak się to ma w przypadku różnych konstrukcji szklarni, ale polecam użytkownikom zwrócenie uwagi na ten fakt.

Jeżeli chcielibyśmy przejść z informacji o wzroście lub spadku kosztów ogrzewania na konkretne wielkości zużycia paliwa, możemy skorzystać ze wzoru:

Q = F x (t_w - t_z) x U

Gdy mamy wyliczoną ilość ciepła, która jest potrzebna do ogrzania szklarni, możemy wyliczyć, ile potrzeba paliwa (więcej na ten temat napiszę w kolejnym numerze „Hasła Ogrodniczego”) lub jaki będzie koszt ogrzewania. Można przyjąć wartości podane w tabeli 2, choć od podanego w niej czasu niektóre paliwa zdrożały. Trudno też ocenić, jak zmienią się koszty transportu, które (np. przy miale węglowym) mają duży udział w kosztach energii cieplnej.

Ceny paliw mogą być różne w poszczególnych regionach, dotyczy to zwłaszcza gazu płynnego. Ceny paliw podawane przez różnych dostawców różnią się nawet do 15%. W podsumowaniach dotyczących 2005 roku znalazłem informacje, że gaz płynny zdrożał o ponad 7%, ziemny — o 30%, olej opałowy lekki — o 27–31% (zależnie od dostawcy). Nie są to informacje zbyt optymistyczne. Energia elektryczna (I taryfa) kosztuje już prawie tyle samo, co gaz płynny.

Jak zabezpieczyć się na przyszłość?

Odpowiedź na to pytanie jest bardzo trudna, bo nikt nie wie, co się będzie działo na Bliskim Wschodzie. Na pewno trzeba brać pod uwagę także komplikacje na linii Rosja — Polska. Przypuszczam, że krajowe paliwa (węgiel kamienny, drewno) powinny drożeć wolniej niż pozostałe. W gospodarstwach ogrodniczych nie wchodzi w grę wykorzystywanie pompy ciepła, która pozwala obniżać koszt energii elektrycznej do 1/3, gdyż przy dużych mocach, jakie są w tych gospodarstwach potrzebne, koszty inwestycyjne byłyby zbyt wysokie.

Na pewno będzie wzrastało znaczenie drewna jako paliwa. Obecnie około 90% produkowanych w Polsce peletów (granulatu drewnianego) jest eksportowane, bo krajowe zapotrzebowanie na to paliwo jest zbyt małe, aby móc zorganizować tanią dostawę do odbiorców. Jeżeli weźmiemy jednak pod uwagę, że zwiększa się zainteresowanie uruchomieniem produkcji peletów i brykietu drewnianego na Ukrainie, to z dużym prawdopodobieństwem można przyjąć, że wraz z zaostrzającymi się przepisami dotyczącymi usuwania spalin do atmosfery, zainteresowanie drewnem jako paliwem w gospodarstwach ogrodniczych będzie rosło. W styczniu, w czasie największych mrozów, oglądałem kotłownię z kotłami 2 x 180 kW, w której paliwem były brykiety drewniane. Zamiana paliwa z oleju na brykiety zmniejszyła koszt ogrzewania o 50%. Myślę, że było to nawet więcej, bo użytkownik porównywał koszty ze stycznia 2005 r., a wtedy średnia temperatura miesięczna była dużo wyższa niż w tym roku. Innym sposobem oszczędzania na ogrzewaniu jest poprawienie izolacji ogrzewanych obiektów, ale to zupełnie inny problem.

Tabela 1. Średnia temperatura grudnia i stycznia w ostatnich latach

Tabela 2. Koszty uzyskania energii w 2006 r. oraz porównanie cen czynników energetycznych w 2005 r. i 2006 r.
* średnia wartość podawana przez przedsiębiorstwa energetyki cieplnej