Miejski budynek jutra. Współpraca węzła ciepłowniczego z instalacją kolektorów słonecznych w budynku wielorodzinnym

Aspekty techniczno-prawne

W Polsce brakuje uregulowań prawnych dotyczących możliwości przyłączania instalacji wykorzystujących odnawialne źródła energii do węzłów ciepłowniczych.

Interpretacja istniejących przepisów może dawać podstawy do traktowania ograniczenia zużycia ciepła z sieci ciepłowniczej jako zakłócenia funkcjonowania systemu czy też obniżenia standardów zasilania z sieci ciepłowniczej innych odbiorców.

Upowszechnienie stosowania OZE w miejskich budynkach zasilanych ze scentralizowanych źródeł ciepła jest bardzo trudne ze względu na liczne ograniczenia, zarówno prawne, jak i techniczne, których dostawcy ciepła przestrzegają w sposób kategoryczny.

Ograniczenia te wynikają głównie z [3]:

• praw własności węzłów ciepłowniczych w budynkach, których koszty budowy przeważnie ponosił inwestor obiektu, a które często po latach stawały się własnością dostawcy ciepła. Dotyczy to w szczególności nowego budownictwa mieszkaniowego, w którym służby zarządzające, chcąc pozbyć się problemów związanych z bieżącą eksploatacją i konserwacją węzłów ciepłowniczych, przekazywały je na własność miejskim przedsiębiorcom energetyki cieplnej,
• oczywistych interesów właściciela węzła, którym przeważnie jest dostawca ciepła – nie jest on skłonny do udzielania zgody na zmiany układu funkcjonalnego węzła, które ograniczałyby sprzedaż ciepła,
• konieczności – zgodnie z rozporządzeniem Ministra Gospodarki [5] – uzgodnienia z dostawcą ciepła mocy zamówionej na co najmniej 12 miesięcy, z czym związana jest opłata stała. Ogranicza to niestety efekt stosowania kolektorów słonecznych, kiedy w okresach dużego natężenia promieniowania słonecznego uzysk ciepła do celów bytowych mógłby znacznie zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło z sieci ciepłowniczej, a co za tym idzie wpłynąć na odpowiednie ograniczenie mocy zamówionej oraz opłatę z tego tytułu.

Poza tym brak fachowej literatury w tym zakresie oraz konieczność uwzględnienia tzw. specyfiki miejskiej, charakteryzującej się takimi zjawiskami, jak: zacienienie, niekorzystna orientacja przestrzenna czy mała powierzchnia działek, w dużym stopniu przyczyniają się do niewielkiego zainteresowania wspomaganiem zasilania budynków wielorodzinnych ciepłem pozyskiwanym z kolektorów słonecznych.

Ogólne zasady współpracy

W rozwiązaniu funkcjonalnym węzła ciepłowniczego zaprojektowanego na potrzeby zasilania w ciepło budynku mieszkalnego przy ul. Krasińskiego w Warszawie (MBJ 2030) trzeba było uwzględnić następujące założenia:

• węzeł ciepłowniczy zasilany z centralnego źródła ciepła musiał zapewnić pełne pokrycie potrzeb cieplnych dla wszystkich funkcji, natomiast ciepło uzyskiwane ze źródeł odnawialnych wspomagało tylko zasilanie instalacji odbiorczych budynku,
• przy zasilaniu w ciepło węzła z miejskiej sieci ciepłowniczej rozwiązanie funkcjonalne i podstawowe wyposażenie węzła musiało być zgodne z wymaganiami dostawcy ciepła, którego akceptacja jest podstawą dostawy ciepła,
• współpraca z węzłem (dodatkowych) odnawialnych źródeł ciepła mogła być realizowana wyłącznie poprzez czynniki ogrzewcze zasilające wewnętrzne instalacje,
• zasilanie instalacji wewnętrznych ze źródeł niekonwencjonalnych nie mogło zakłócać funkcjonowania podstawowego źródła ciepła (sieci ciepłowniczej), ograniczenie lub odcięcie czynnika grzejnego z podstawowego źródła ciepła w okresach wykorzystywania kolektorów słonecznych nie jest traktowane jako zakłócenie funkcjonowania.

Projekt techniczny „klasycznego” węzła ciepłowniczego został opracowany zgodnie z podstawowymi zasadami i wymaganiami dostawcy ciepła – SPEC S.A. w Warszawie. Natomiast realizacja dodatkowego zasilania w ciepło budynku ze źródeł odnawialnych wymagała opracowania odpowiedniego algorytmu sterowania.

Ze względu na to, że odnawialne źródła energii charakteryzują się dużą zmiennością mocy cieplnej, do maksymalnego wykorzystania ich właściwości niezbędne było zapewnienie automatycznego dostosowania układu funkcjonalnego węzła w możliwie jak najkrótszym czasie do współpracy z kolektorem słonecznym.

Wymagało to zastosowania dodatkowych elementów oraz urządzeń regulacyjno-sterujących.

Jako podstawowe elementy wykonawcze umożliwiające zmianę układu funkcjonalnego węzła zastosowano trójdrogowe zawory regulacyjne, które nie pełnią funkcji regulacyjnej, lecz sterującą, przełączając przepływ do odpowiednich urządzeń węzła w zależności od opcji zasilania w ciepło: z sieci ciepłowniczej czy kolektorów słonecznych.

Ich funkcjonowanie jest dwustawne, tj. jeden z dwóch króćców jest naprzemiennie zamykany.

W zależności od kierunku przepływu przez zawór umożliwia on przepływ jednego z dwóch strumieni dopływających lub wypływ z zaworu jednego strumienia dopływającego jednym z dwóch króćców „zamykanych” [3].

Na schematach funkcjonalnych przedstawionych na rys. 1–4 zróżnicowano kolory rurociągów, przez które w danej opcji nie przepływa czynnik grzejny (kolor czarny) i przez które przepływa czynnik grzejny lub ogrzewany (kolor inny niż czarny).

Węzeł centralnej ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) zaprojektowano jako wymiennikowy, podłączony do węzła c.o. w układzie szeregowo-równoległym, natomiast węzeł ciepła technologicznego (c.t.) włączono jako gałąź równoległą.

Zastosowano płytowe wymienniki ciepła (połączone szeregowo) wraz z elektroniczną pompą obiegową oraz automatyką do regulacji temperatury ciepłej wody. Instalację ciepłej wody zabezpieczono przed przekroczeniem maksymalnego ciśnienia za pomocą zaworu bezpieczeństwa [1].

W celu zapewnienia obliczeniowego przepływu wody użytkowej w obiegu ładowania zasobnika ciepła w przypadkach zasilania węzła c.w.u. ciepłem pozyskiwanym z kolektora słonecznego uwzględniono zastosowanie pompy ładującej, która będzie załączana razem z pompą obiegu solarnego (c.w.u.), dzięki czemu zapewniona zostanie moc wymiennika c.w. (solar) niezależnie od przyszłych rozbiorów [1].

Technologia wykonanego węzła, a co za tym idzie zastosowana automatyka pozwala na realizację pracy w układach funkcjonalnych odpowiadających różnym warunkom zasilania w ciepło. Rys. 1 przedstawia typowy schemat działania dwufunkcyjnego węzła c.o. i c.w.u. zasilanego wyłącznie z sieci ciepłowniczej.

Położenie zwierciadła poszczególnych zaworów trójdrogowych kieruje cały strumień wody wodociągowej przez zawór Z3 do wymiennika c.w. I st., skąd podgrzany wstępnie do temperatury ok. 35°C przez zawór Z4 kierowany jest do wymiennika c.w. II st., a po uzyskaniu temperatury obliczeniowej T₄ = 55–60°C przez zawór Z2 kierowany jest do instalacji c.w.u. w budynku.

Regulację temperatury c.w.u. na wylocie z wymiennika c.w. II st. zapewnia układ regulacyjny z dwudrogowym zaworem Z1 i czujnikiem temperatury T₄ na wyjściu z wymiennika c.w. II st.

Rys. 2 przedstawia układ współpracy węzła c.w.u. z kolektorem słonecznym (włączona pompa PS – c.w.u.) w sytuacji, gdy funkcjonujący kolektor nie zapewnia pełnego zapotrzebowania na ciepło do podgrzewania wody użytkowej, a temperatura wody wypływającej z zasobnika podgrzewania wstępnego nie przekracza T₁ = 35°C.

W tym przypadku układ funkcjonalny powinien zapewnić jej dogrzewanie w wymiennikach c.w. I i II st., co wymaga zmian układu funkcjonalnego w stosunku do schematu przedstawionego na rys. 1 obejmujących:

• skierowanie wody wypływającej z zasobnika podgrzewania wstępnego przez zawór Z3 do wymiennika c.w. I st. (tym samym skierowanie wody zimnej do wymiennika c.w.u. odbierającego energię z kolektorów i przekazującego ją do instalacji c.w.u.),
• skierowanie wody wypływającej z wymiennika c.w. I st. przez zawór Z4 do wymiennika c.w. II st.,
• strumień cyrkulacji z instalacji c.w.u. kierowany jest zaworem Z9 do przewodu zimnej wody dopływającej do zasobnika podgrzewania wstępnego.

Położenie robocze zaworu Z2 i funkcjonowanie układu regulacji temperatury c.w.u. wypływającej z wymiennika c.w. II st. są analogiczne jak na schemacie przedstawionym na rys. 1.

Rys. 3 przedstawia układ współpracy węzła c.w.u. z kolektorem słonecznym (włączona pompa PS – c.w.u.) w sytuacji, gdy funkcjonujący kolektor nie zapewnia pełnego zapotrzebowania na ciepło dla uzyskania obliczeniowej temperatury wody użytkowej wypływającej z zasobnika podgrzewania wstępnego, lecz jej temperatura mieści się w zakresie 35°C < T1 < 55°C.

W tym przypadku układ funkcjonalny powinien umożliwić jej dogrzewanie w wymienniku c.w. II st. poprzez zmianę układu funkcjonalnego obejmującą:

• zamknięcie przepływu strumienia wody z zasobnika podgrzewania wstępnego do instalacji c.w.u. poprzez zmianę przepływu przez zawór Z2 na wpływ c.w.u. z wymiennika c.w. II st. do instalacji c.w.u., co powinno uruchomić zasilanie wymiennika c.w. II st. z sieci ciepłowniczej i funkcjonowanie układu automatycznej regulacji temperatury c.w. z zaworem regulacyjnym Z1 i czujnikiem T₄,
• skierowanie wody wypływającej z zasobnika podgrzewania wstępnego przez zawór Z4 do wymiennika c.w. II st.,
• strumień cyrkulacji z instalacji c.w.u. jest kierowany zaworem Z9 do przewodu zimnej wody dopływającej do zasobnika podgrzewania wstępnego.

Położenie robocze zaworu Z3 nie ma wpływu na funkcjonowanie węzła c.w.u. w tym układzie.

Rys. 4 przedstawia układ współpracy węzła c.w.u. z kolektorem słonecznym w sytuacji, gdy kolektor zabezpiecza pełne zapotrzebowanie na podgrzanie wody użytkowej w zasobniku podgrzewania wstępnego do temperatury obliczeniowej T₁ = T₄ = 55–60°C.

W tym układzie załączona jest pompa obiegu solarnego PS (c.w.u.), a regulacja automatyczna dostosowuje układ funkcjonalny do aktualnych potrzeb poprzez:

• odcięcie dopływu wody grzejnej z sieci ciepłowniczej do wymiennika c.w. II st. (zamknięcie zaworu Z1),
• otwarcie przepływu c.w.u. z zasobnika podgrzewania wstępnego przez zawór Z2, bezpośrednio do instalacji c.w.u.,
• strumień cyrkulacji z instalacji c.w.u. jest kierowany zaworem Z9 do przewodu zimnej wody dopływającej do zasobnika podgrzewania wstępnego.

Położenie robocze zaworów Z3 i Z4 nie ma wpływu na funkcjonowanie węzła c.w.u. w tym układzie.

Sterowanie współpracą dwufunkcyjnego węzła ciepłowniczego z kolektorami słonecznymi

Zaproponowane rozwiązanie współpracy węzła ciepłowniczego z modułami kolektorów słonecznych zakłada, że w zależności od oceny warunków zasilania system automatycznie dostosowuje swój układ funkcjonalny do bieżących możliwości kolektorów i potrzeb budynku oraz reguluje i kontroluje parametry zasilania instalacji odbiorczych c.w.u. i c.o.

Żeby układy funkcjonalne węzła ciepłowniczego przedstawione na rys. 1–4 mogły realizować zaprogramowany algorytm sterowania, wyposażono je w odpowiednią armaturę sterującą oraz układ regulacyjny.

Zaznaczone na schematach czujniki pomiarowe pozwalają na bieżący monitoring, analizę oraz wybór i kontrolę zasilania w ciepło instalacji c.o. oraz c.w.u. w obiekcie.

Poniżej przedstawiono poszczególne punkty pomiarowe wraz z opisem ich funkcji [3, 6]:

• T₁ – pomiar temperatury ciepłej wody użytkowej w podgrzewaczu c.w.u. (w górnej części zbiornika),
• T_1a – pomiar temperatury ciepłej wody użytkowej w dolnej części podgrzewacza c.w.u. (w dolnej części zbiornika),
• T₂ – pomiar temperatury czynnika grzejnego na wyjściu z instalacji kolektorów słonecznych; decyzja o załączeniu lub odłączeniu zasilania z kolektora słonecznego funkcji c.w.u. poprzez załączenie/odłączenie pompy zasilającej zasobniki c.w.u. (PS – c.w.u.). Załączenie zasilania w ciepło może być uwarunkowane większą niż zadana różnicą temperatury między czujnikami: T₂ – T_1a (c.w.u.). Natomiast odłączenie zasilania w ciepło tych funkcji węzła może być uwarunkowane mniejszą niż zadana minimalną różnicą temperatury między czujnikami: T₂ – T₃ (c.w.u.),
• T₃ – pomiar temperatury na powrocie czynnika w obiegu kolektorowym podgrzewacza; decyzja o odł?czeniu zasilania w?ciep?o z?kolektora zasobnik?w c.w.u.,
• Tączeniu zasilania w ciepło z kolektora zasobników c.w.u.,
• T₄ – pomiar temperatury wody na wejściu do instalacji c.w.u. (za wymiennikiem II stopnia i zaworem trójdrogowym; czujnik ten jest elementem układu regulacyjnego zaworem Z1),
• T_4a – pomiar temperatury wody na wejściu instalacji cyrkulacji ciepłej wody użytkowej do węzła (monitorowanie prawidłowości pracy instalacji cyrkulacji),
• T₅ – pomiar temperatury czynnika grzejnego na zasilaniu instalacji centralnego ogrzewania (za wymiennikiem c.o.); razem z czujnikiem temperatury zewnętrznej T_Z i zaworem Z5 są elementami układu regulacji temperatury zasilania instalacji c.o. w funkcji temperatury zewnętrznej wg zaprogramowanej „krzywej grzewczej”,
• T_5a – dodatkowy pomiar temperatury na powrocie wody sieciowej z wymiennika c.o. (niezbędny do utrzymania temperatury na powrocie wody sieciowej, zgodnie z wymaganiami dostawcy ciepła),
• T₆, T₇ – pomiar czynnika grzejnego w indywidualnych obiegach c.o. (za zaworami mieszającymi i pompą),
• T₉ – pomiar temperatury powrotnej z obiegów instalacji c.o. (na kolektorze powrotnym),
• T_Z – pomiar temperatury powietrza zewnętrznego na potrzeby regulacji pogodowej.

W celu opomiarowania zużycia ciepła na cele c.o. oraz c.w.u. w węźle cieplnym zamontowano ciepłomierze. Oprócz rozliczeń kosztów podgrzewania ciepłej wody użytkowej i centralnego ogrzewania pozwalają one na określenie pokrycia przez OZE zapotrzebowania na ciepło w całkowitym bilansie zużycia ciepła w budynku.

Umiejscowione na schematach funkcjonalnych (rys. 1–4) ciepłomierze oznaczono odpowiednio: C1, C2, C3, C4, C5:

• C1 – ciepłomierz główny na wyjściu z węzła ciepłowniczego (na powrocie wody sieciowej),
• C2 – pomiar zużycia ciepła z sieci ciepłowniczej na cele centralnego ogrzewania (na powrocie za wymiennikiem c.o.),
• C3 – pomiar zużycia ciepła na cele c.w.u.,
• C4 – pomiar ilości wody krążącej w instalacji cyrkulacyjnej,
• C5 – pomiar ilości ciepła w kolektorach słonecznych na cele podgrzewania ciepłej wody użytkowej w zasobnikach.

Zainstalowany w węźle moduł sieciowy pozwala na wizualizację pracy sterownika węzła cieplnego. Odpowiednie łącze internetowe umożliwia wyświetlenie w przeglądarce internetowej schematu instalacji, parametrów regulacji i programów sterowania zegarowego podłączonego regulatora.

Moduł sieciowy cyklicznie zapisuje dane podłączonego sterownika i prezentuje tendencje poszczególnych zależności w czasie. W przypadku wystąpienia jakiegokolwiek zakłócenia jest ono opatrywane odpowiednim sygnałem alarmowym, a informacja o jego wystąpieniu jest wysyłana do wybranego odbiorcy.

Moduł sieciowy zapisuje następujące dane węzła:

• stany pracy – stan układów funkcjonalnych – przełączenie węzła,
• wszystkie parametry pracy, temperatury mierzone i zadane,
• ilość energii cieplnej dostarczanej z miejskiej sieci ciepłowniczej,
• ilość energii cieplnej dostarczanej przez kolektory słoneczne,
• wartość promieniowania słonecznego przy kolektorach.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono rozwiązanie dwufunkcyjnego węzła ciepłowniczego współpracującego z instalacją kolektorów słonecznych zrealizowane w wielorodzinnym budynku mieszkalnym będącym obiektem demonstracyjnym projektu celowego Miejski Budynek Jutra 2030. Podano podstawowe zasady współpracy tego typu i omówiono trudności związane z wdrażaniem takich innowacyjnych rozwiązań.

Należy podkreślić, że integracja węzła ciepłowniczego z instalacją kolektorów słonecznych wymaga każdorazowo indywidualnego podejścia do zaprojektowania jego układu funkcjonalnego, jak i wyboru sposobu regulacji i sterowania poszczególnymi elementami układu.

Przedstawione w artykule rozwiązanie w żaden sposób nie ingeruje w układ funkcjonalny sieci ciepłowniczej, a jedynie przyczynia się do ograniczenia zużycia ciepła z sieci ciepłowniczej, jeżeli współpracujące źródło (w tym przypadku instalacja z kolektorami słonecznymi) zapewnia możliwość zasilania w ciepło instalacji odbiorczej c.w.u.

Literatura

1.  Dokumentacja techniczna węzła cieplnego. Budynek mieszkalny ul. Krasińskiego 41, Warszawa, oprac. Drozdowski P., Chrostkowski Z., sierpień 2013.
2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE.
3.  Kozłowski B., Płachta J., Współpraca węzłów ciepłowniczych z odnawialnymi źródłami energii, Instytut Techniki Budowlanej, 2013.
4. Projekt ustawy o odnawialnych źródłach energii z dnia 28.03.2014, wersja 6.3.
5. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 17 września 2010 r. w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń z tytułu zaopatrzenia w ciepło (DzU nr 194/2010, poz. 1291).
6. Ziembicki P., Opomiarowanie węzłów ciepłowniczych współpracujących z instalacjami kolektorów słonecznych, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 4/2012.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!