Urządzenia gazowe w technice klimatyzacyjnej

Przy chłodzeniu powietrza w układach wentylacji i klimatyzacji do niedawna korzystano głównie z energii elektrycznej. Jednak aspekty ekologiczne i ekonomiczne sprawiają, że szukamy też energii z innych źródeł – gazu z sieci gazowej, a także ciepła z sieci ciepłownicznej. Problemy z zasilaniem w energię elektryczną w miastach w okresie wysokich temperatur oraz trudności z uzyskaniem odpowiedniej mocy elektrycznej z sieci dla nowych i modernizowanych obiektów także skłaniają do poszukiwania nowych rozwiązań. 

Prognozy wzrostu cen energii elektrycznej wywołały ponowne zainteresowanie urządzeniami na gaz, zwłaszcza pompami ciepła zasilanymi silnikami gazowymi oraz układami trójgeneracyjnymi. Opłacalność inwestycji rośnie wraz ze wzrostem cen energii elektrycznej i stabilizacją cen gazu i inwestycje takie będą alternatywą dla standardowego zaopatrywania obiektów w chłód, ciepło do ogrzewania i c.w.u., a nawet w energię elektryczną.

VRF z GHP

Pompy ciepła napędzane silnikiem spalinowym zasilanym gazem ziemnym to technologia znana od lat. Główna różnica w stosunku do elektrycznych sprężarkowych pomp ciepła polega na tym, że kompresor napędzany jest przez silnik gazowy o wysokiej trwałości i niskiej emisji CO2 i NOx. Są wśród nich także urządzenia z generatorem energii elektrycznej zużywanej na własne potrzeby. Funkcje sterowania momentem obrotowym i prędkością obrotową silników gazowych pomp ciepła są kompatybilne z funkcjami sterowania elektrycznych inwerterowych systemów VRF. Z tego powodu gazowe pompy ciepła umożliwiają indywidualne i efektywne sterowanie oraz zapewniają takie same osiągi, jakich oczekuje się od elektrycznych systemów VRF.

Czytaj też: Analiza opłacalności systemu trójgeneracji w budynku sanatoryjnym >>

Zaawansowane systemy VRF zasilane gazem ziemnym umożliwiają podłączenie do 48 jednostek wewnętrznych. GHP zyskują też coraz większą wydajność przy niepełnym obciążeniu, co powoduje zmniejszenie zużycia gazu. Zużywają także coraz mniej energii elektrycznej dzięki zastosowaniu silników wentylatorów na prąd stały.

Sprężarkowa gazowa pompa ciepła pobiera wielokrotnie mniej energii elektrycznej niż elektryczna sprężarkowa pompa ciepła o porównywalnej mocy chłodniczej i jest to główny atut tam, gdzie brakuje mocy elektrycznych. Na przykład elektryczna sprężarkowa pompa ciepła o mocy chłodniczej 70 kW w systemie VRF potrzebuje ok. 25 kW energii elektrycznej, a gazowa pompa ciepła w tym samym systemie zużywa ok. 1–1,5 kW energii z sieci. Urządzenia GHP z produkcją energii na własne potrzeby wymagają jedynie ok. 100 W z systemu energetycznego. Dlatego pozwalają uniknąć problemów z dostarczeniem odpowiedniej mocy oraz kosztów rozbudowy sieci i stacji transformatorowych, zwłaszcza w gęstej zabudowie miejskiej. Gazownicy postrzegają GHP pozytywnie, gdyż takie pompy ciepła najwięcej gazu zużywają na chłodzenie – czyli latem, gdy nie ma dużych poborów gazu sieciowego. 

Kolejny atut gazowych pomp ciepła to koszty eksploatacyjne. W tym aspekcie istotna jest też różnica w parametrach pracy w trybie grzania – gazowe osiągają zadane parametry dla zapewniania komfortu kilkukrotnie szybciej niż układy VRF z pompami elektrycznymi. W układach ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego ciepło powstające podczas pracy silnika wykorzystywane jest bowiem w trybie ogrzewania jako źródło ciepła zasilającego obieg pompy ciepła. GHP nie mają problemu z utrzymaniem wysokiej sprawności pracy przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych, nawet –20ºC, gdyż ciepło z silnika umożliwia także wyeliminowanie strat związanych z procesem odszraniania parownika. Tym samym oprócz klimatyzacji VRF GHP może stanowić podstawowy system grzewczy budynku. Z kolei w trybie chłodzenia ciepło w całości może być wykorzystywane do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Dostępne są systemy dostarczające do 30 kW mocy do podgrzewania wody do temperatury 75ºC. Jeżeli temperatura zewnętrzna jest wyższa niż 7ºC, podgrzewanie c.w.u. jest możliwe również w trybie ogrzewania.

W celu zagwarantowania wysokiej niezawodności systemów chłodzenia i wydłużenia cyklu serwisowego stosuje się układy z dwoma agregatami GHP połączone w jeden układ chłodniczy zasilający instalację. Daje to znaczne oszczędności zużycia energii i wydłuża przynajmniej o 40% cykl serwisowy, gdyż agregaty są równomiernie obciążone i mogą pracować na częściowych obciążeniach, dzięki czemu osiągają wyższą sprawność.

Oferowane na rynku GHP to głównie urządzenia średniej mocy przeznaczone do obiektów komercyjnych. W przypadku dużego zapotrzebowania na moc chłodniczą i grzewczą montuje się kilkanaście urządzeń, co daje efekt skali w obniżeniu zapotrzebowania na moc elektryczną, z czym problem mają często duże obiekty biurowe.

Kolejne atuty powietrznych GHP to łatwy montaż agregatów bez potrzeby wykonywania kosztownych odwiertów w gruncie i wydzielania dużych powierzchni w budynku na pomieszczenia techniczne. Dają też możliwość dostarczania wody lodowej lub ciepła technologicznego poprzez wymiennik wodny. Wodny wymiennik ciepła umożliwia dostarczanie ciepła i chłodu do ogrzewania płaszczyznowego (podłogowego), belek chłodzących, klimakonwektorów i central wentylacyjnych. Układ może być sterowany za pomocą systemu BMS lub dostarczanego przez producenta urządzenia. Do zasilania GHP i współpracujących z nimi jednostek wewnętrznych wystarcza instalacja jednofazowa. Co więcej, na rynku są GHP z generatorami energii elektrycznej mocy rzędu kilku kilowatów, co zapewnia ciągłość pracy nawet podczas awarii sieci elektrycznej. Jest to wystarczająca ilość energii elektrycznej do zasilania nawet 40 jednostek wewnętrznych.

VRF hybrydowe – GHP + EHP

Kolejnym krokiem w rozwoju systemów VRF są urządzenia hybrydowe łączące elektryczną i gazową pompę ciepła. Układ taki automatycznie wybiera technologię GHP lub EHP albo ich jednoczesną pracę w zależności od tego, co w danej chwili jest najkorzystniejsze pod względem optymalizacji efektywności produkcji ciepła lub chłodu i tym samym kosztów eksploatacyjnych, a także redukcji zużycia energii elektrycznej w okresach, gdy jest na nią największe zapotrzebowanie. Tak samo jak klasyczne GHP, zapewnia produkcję c.w.u. po niskich kosztach dzięki wykorzystaniu ciepła odpadowego z silnika spalinowego GHP. Pracą systemu hybrydowego steruje zaawansowany sterownik, który monitoruje zużycie i zapotrzebowanie na energię oraz obciążenie systemu i stale oblicza, który wariant zapewni największe oszczędności.

Oprac. red. na podst. mat. firm: Art-Klima, Klima-Therm, Panasonic, Toyota, Yanmar