Instalacje pomp ciepła i kolektorów słonecznych w dużych obiektach

Wybór rodzaju instalacji

W Kamieniu Śląskim zastosowano układ solarny i pompy ciepła na potrzeby centralnego ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Wybrano takie rozwiązanie, mimo że dotychczas działające w obiektach kotły opalane olejem opałowym są nadal w pełni sprawne i nowoczesne. Decydującymi czynnikami były względy ekologiczne i ekonomiczne.

Instalacje zastosowano w obiektach zabytkowych, położonych w sąsiedztwie rezerwatu przyrody „Kamień Śląski”, na obszarze objętym programem NATURA 2000, niedaleko tzw. Doliny Odry i w pobliżu parku krajobrazowego „Góra św. Anny”. Kompleks pałacowy pełni funkcję Centrum Kultury i Nauki Wydziału Teologicznego Uniwersytetu Opolskiego oraz Sanktuarium św. Jacka. Znajdują się w nim sale konferencyjne i ponad siedemdziesiąt miejsc noclegowych, a zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową i c.o. wynosi ok. 500 kW.

Drugi kompleks obiektów to Zespół Turystyczno-Wypoczynkowo-Rehabilitacyjny, który dysponuje 144 miejscami noclegowymi, zapleczem rehabilitacyjnym z hydroterapią, kuchnią, dwiema jadalniami na ok. 270 osób oraz krytym basenem z dwiema nieckami basenowymi. Na potrzeby prowadzonej w ośrodku hydroterapii potrzebne są ogromne ilości ciepłej wody – jej przeciętne dzienne zużycie w sanatorium wynosi od 11 do 20 tys. litrów, a przeciętne roczne zużycie oleju opałowego wyniosło ok. 150 tys. litrów.

Wysokie koszty ogrzewania i c.w.u. oraz duża emisja spalin spowodowały, że konieczne stało się znalezienie alternatywnych źródeł energii. Rozważano dwa warianty: zainstalowanie samych kolektorów słonecznych lub kolektorów z pompami ciepła. Po analizie różnych aspektów każdego z tych rozwiązań zdecydowano się na znacznie kosztowniejszy, ale też dużo bardziej efektywny wariant drugi. Instalacje zrealizowano w okresie od maja do sierpnia 2009 r.

Opis zastosowanych rozwiązań

W zespole sanatoryjnym zastosowano specyficzny układ połączenia dwóch źródeł energii odnawialnej, tj. energii słońca i płytkiej geotermii. Głównym źródłem energii jest 60 kolektorów słonecznych typu Vitosol 100 o łącznej powierzchni czynnej absorbera 138 m² (powierzchnia czynna jednego absorbera – 2,3 m²), zamontowanych na dachu budynku hydroterapii od strony południowej.

Zainstalowano ponadto pompy ciepła, których dolnym źródłem są sondy pionowe. Wykonano 48 otworów o głębokości po 125 m.b. (łącznie 6000 m.b.), w siatce o wymiarach 10×10 m.b. Zainstalowano również trzy studzienki zbiorcze z rotametrami, z których każda obsługuje 16 odwiertów. W maszynowni zamontowano kaskadowo pięć pomp ciepła typu Vitocal 300 W o łącznej mocy cieplnej 406 kW oraz pięć zasobników buforowych o pojemności 2 tys. litrów każdy, w tym dwa oddzielne dla układu pomp i trzy dla układu solarnego.

Energia słoneczna gromadzona w kolektorach przekazywana jest za pośrednictwem wymiennika do zasobników buforowych. Gdy ciepło technologiczne w zasobnikach osiągnie odpowiednią temperaturę, przekazywane jest poprzez kolejny wymiennik do zbiorników wody użytkowej o pojemności 2×1 tys. litrów. W trakcie tego procesu jedna z dwóch wyznaczonych pomp ciepła z układu kaskadowego równolegle kontroluje temperaturę ciepłej wody użytkowej w powyższych zbiornikach. Jeśli kolektory słoneczne niewystarczająco dogrzeją ciepłą wodę użytkową, włącza się pompa ciepła i dogrzewa wodę. Po osiągnięciu żądanej temperatury wody użytkowej pompa ciepła wraca do pracy w układzie kaskadowym.

Pompa ciepła zwana wiodącą włącza poszczególne pompy nadążne w zależności od zapotrzebowania na energię potrzebną do załadowania dwóch oddzielnych zbiorników buforowych do zadanej temperatury. Gdy temperatura zostanie osiągnięta, ciepło technologiczne przekazywane jest do rozdzielacza obiegów grzewczych, takich jak: instalacje ogrzewania podłogowego i grzejnikowego, wentylacji mechanicznej oraz basenowych systemów grzewczych. Wykorzystano również kocioł na olej opałowy, który pełni funkcję źródła szczytowego. Jego zadaniem jest kontrola całego układu węzła pomp ciepła i kolektorów słonecznych. Gdyby z jakiejś przyczyny energie słońca i ziemi nie wystarczyły do uzyskania potrzebnego ciepła, włączy się kocioł i dostarczy wszystkim obiegom grzewczym energię potrzebną do osiągnięcia zadanych parametrów.

Budując nową instalację grzewczą w zespole pałacowym, zastosowano podobne, jednak wyraźnie zmodyfikowane i innowacyjne rozwiązania technologiczne. Zespół pałacowy był dotychczas ogrzewany kotłami na olej opałowy o łącznej mocy 450 kW (2×225 kW). Ze względu na szczególne parametry techniczne urządzeń i ich zdecydowanie innowacyjny charakter, aby optymalnie wykorzystać energię odnawialną, zastosowano próżniowe kolektory słoneczne typu Vitosol 200-T o całkowitej powierzchni absorbera 35 m2. Użyto też pięciu najnowocześniejszych pomp ciepła typu Vitocal 300-G (5×80 kW), które zostały wprowadzone na rynek w maju 2010 r.

Analiza ekonomiczna

Budowę pierwszej instalacji zakończono pod koniec sierpnia 2009 r., działa ona zatem już od roku. Umożliwiło to przeprowadzenie dokładnego rachunku zysków i strat (tab. 1 i 2). Koszt energii elektrycznej zużytej na potrzeby układu solarnego i pomp ciepła w okresie lipiec 2009–czerwiec 2010 wyniosła 184 493,28 zł. W tej kwocie 14 295,14 zł to koszt, który należy wyeliminować, a na który składają się energia bierna indukcyjna oraz opłaty za przekroczenie mocy. W marcu 2010 r. zainstalowano układ eliminujący tzw. prądy bierne indukcyjne, ale nie został jeszcze ostatecznie rozwiązany problem przekroczenia mocy. Na podstawie danych z lat poprzednich sporządzono prognozę wydatków na olej opałowy w okresie działania pomp (tab. 3). Koszt oleju opałowego według obowiązujących wtedy cen wyniósłby 305 286,50 zł za 151 tys. litrów.

Zatem dzięki zastosowaniu instalacji solarnej i pomp ciepła koszty ogrzewania wody grzewczej i użytkowej oraz technologicznej obniżyły się z 305 286 zł do 184 493 zł, tj. wyniosły ok. 60% poprzednich wydatków. Kwota oszczędności w wysokości 120 793 zł została uzyskana w sezonie grzewczym z nadzwyczaj niskimi temperaturami i długą zimą, a zatem w kolejnych latach należy oczekiwać dalszych oszczędności, tym bardziej że prognoza zużycia oleju została sporządzona na podstawie danych dotyczących łagodnych zim i nie została skorygowana ze względu na długi sezon grzewczy 2009/2010, w którym panowały bardzo niskie temperatury.

Podsumowanie

Realizacja instalacji pozwoliła znacznie obniżyć emisję zanieczyszczeń, które powstałyby w wyniku produkcji energii cieplnej metodami konwencjonalnymi. Polepszyła także wizerunek ośrodków jako jednostek, które dbają o środowisko naturalne i racjonalnie użytkują energię, czego nie osiągnięto by, modernizując inny system przygotowania ciepłej wody. Wykorzystanie OZE daje największy efekt ekologiczny w porównaniu z każdym innym rozwiązaniem wykorzystującym nawet najnowocześniejszą technologię opartą na paliwach kopalnych. Przedsięwzięcie wpisuje się w politykę ekologiczną państwa i Powiatowy Program Ochrony Środowiska w powiecie krapkowickim w zakresie wykorzystania OZE oraz zmniejszania emisji zanieczyszczeń do atmosfery.

Projekt zrealizowany w zespole sanatoryjnym zyskał najwyższe oceny ekspertów. W krótkim czasie został kilkukrotnie nagrodzony w konkursach ogólnopolskich i wojewódzkich. Jego realizacja była możliwa dzięki wsparciu władz powiatu krapkowickiego oraz Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Opolu, a także EkoFunduszu. Obydwie instalacje wykonała opolska firma ProMont.

Projekt zrealizowany w obiektach zespołu wypoczynkowo-rehabilitacyjnego został kilkukrotnie nagrodzony. Między innymi w konkursie „Terra Sol 2009” ogłoszonym w ramach Europejskiej Akademii Biznesu otrzymał pierwszą nagrodę w kategorii „Innowacyjność”, a w ogólnopolskim konkursie „Ekolaury 2010” organizowanym przez Polską Izbę Ekologii – wyróżnienie specjalne.