Pilotażowa instalacja ogrzewania i ciepłej wody wspomagana przez OZE w budynku zabytkowym

Budynek w Chorzowie to czteropiętrowa kamienica wybudowana w 1902 roku, w której znajduje się 12 lokali mieszkalnych oraz 3 lokale usługowe zlokalizowane na parterze. W ramach projektu modernizowana była instalacja grzewcza 11 lokali mieszkalnych w celu utworzenia centralnego systemu ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Całkowita ogrzewana powierzchnia użytkowa lokali mieszkalnych wynosi 988 m². Audyt energetyczny wykonany przed modernizacją określił potrzeby energetyczne budynku na cele grzewcze (c.o. i c.w.u.) na energię końcową na poziomie 208 183 kWh/rok, a głównymi nośnikami energii są w tym wypadku gaz i węgiel. Zapotrzebowanie na energię pierwotną wyniosło 229 001 kWh/rok.W chorzowskim budynku wdrożone zostały trzy technologie Heat4Cool:

• pompa ciepła Veotherm V30 o mocy grzewczej 30 kW – typu powietrze/woda, 3-fazowa, monoblokowa jednostka zewnętrzna;
• instalacja fotowoltaiczna składająca się z 43 paneli LG 340N1K-V5 na ramie montażowej Renusol i 3-fazowego falownika SolarEdge 15 kW z inteligentnym licznikiem energii SolarEdge;
• osiem magazynów ciepła brytyjskiej firmy Sunamp Ltd. – model UniQ 12 o pojemności nominalnej 12 kWh każdy, wykorzystujących materiał zmiennofazowy (ang. PCM – phase-change material) do wstępnego podgrzewu wody użytkowej przez pompę ciepła. Całkowita pojemność magazynów wynosi 96 kWh.

Przed modernizacją w lokalach mieszkalnych stosowane były różnego rodzaju systemy ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Większość lokali miała indywidualny kocioł gazowy pracujący na cele c.o. i c.w.u. Innym popularnym systemem było elektryczne ogrzewanie grzejnikowe i podgrzew c.w.u. w zasobniku. Dwa lokale mieszkalne nie były wyposażone w instalację centralnego ogrzewania wodnego – za ich ogrzewanie odpowiadały piece (paleniska) zlokalizowane w pokojach. Ciepła woda użytkowa przygotowywana była najczęściej za pomocą pojemnościowego podgrzewacza elektrycznego lub małych podgrzewaczy elektrycznych zainstalowanych na poszczególnych punktach poboru wody.

Zmodernizowany system zakładał obecność indywidualnych dwufunkcyjnych kotłów gazowych odpowiedzialnych za ogrzewanie i przepływowy podgrzew ciepłej wody w każdym lokalu jako podstawowego źródła ciepła. Tam, gdzie kotły gazowe były przestarzałe lub wadliwe, zostały one wymienione na nowe kotły kondensacyjne. Powietrzna pompa ciepła zainstalowana na zewnątrz budynku, jak również magazyny ciepła składają się na system wspierający indywidualne kotły gazowe.

Projekt zakładał, aby w jak największym stopniu wykorzystać istniejącą w budynku infrastrukturę, dlatego w mieszkaniach zostawiono system ogrzewania gazowego. Dodatkowo w niektórych lokalach temperatury instalacji c.o. zadane na kotłach gazowych wynoszą ponad 70°C przy dużym spadku temperatur, co jest uzależnione od mieszkańców. Podczas przygotowywania projektu wykonywane były symulacje efektywności instalacji. Optymalny scenariusz zakłada, że pompa ciepła dostarcza do instalacji grzewczej temperaturę wody do 60°C przy umiarkowanym zużyciu energii elektrycznej.

Projekty instalacji ogrzewania i ciepłej wody zostały wykonane przy użyciu oprogramowania AutoCAD oraz Audytor CO i Audytor H₂O.

Ogrzewanie

Zmodernizowana instalacja ogrzewania składa się z dwóch obiegów: centralnego obiegu budynku i indywidualnych mieszkaniowych instalacji grzewczych. Obieg centralny łączy się z mieszkaniową instalacją ogrzewania przez płytowy wymiennik ciepła zlokalizowany w pobliżu kotła gazowego. W systemie ogrzewania woda z pompy ciepła przepływa systemem centralnym do każdego mieszkania, gdzie poprzez wymiennik dostarcza ciepło do instalacji mieszkaniowej. W instalacji grzewczej w mieszkaniu woda powracająca z grzejników przepływa najpierw przez wymiennik ciepła, gdzie odbiera ciepło z pompy ciepła, a następnie przechodzi przez kocioł gazowy, gdzie jest podgrzewana, jeśli jej temperatura jest niższa od nastawy kotła zadanej przez użytkownika.

Aby zapobiec sytuacji, w której instalacja w mieszkaniu podgrzewa wodę w obiegu pompy ciepła, w każdym mieszkaniu zainstalowany jest zawór 3-drogowy Honeywell, podłączony do sterownika Tech i2 zarządzającego zaworem, kotłem i pompą obiegową. Jeżeli woda dopływająca do wymiennika po stronie pompy ciepła ma niższą temperaturę niż woda powracająca z grzejników, to woda z pompy ciepła powraca poprzez by-pass w danym mieszkaniu, a nie przez wymiennik. Gdy woda na zasilaniu po stronie pompy ciepła osiągnie temperaturę wyższą od temperatury wody powracającej z grzejników, zawór otwiera się na wymiennik ciepła, umożliwiając oddawanie ciepła do mieszkania.

Sterownik Tech i2 obsługujący zawór 3-drogowy umożliwił wykorzystanie niezależnego sterowania pompami obiegowymi w kotłach. Modyfikacja została dokonana w celu zminimalizowania zużycia gazu. Pompa obiegowa w kotle gazowym załącza się na podstawie nastawy termostatu pokojowego. W ten sposób woda grzewcza cyrkuluje wewnątrz instalacji w mieszkaniu, gdy jest taka potrzeba. Jeśli temperatura wody po przejściu przez wymiennik płytowy jest wystarczająca, palnik gazowy w kotle się nie uruchamia.

Pompa obiegowa Grundfos Magna 3 w budynkowej instalacji centralnego ogrzewania (umieszczona w piwnicy) może być sterowana zdalnie na dwa sposoby – włącz/wyłącz lub w zależności od temperatury zewnętrznej. Specjalnie stworzona mała stacja pogodowa dostarcza do platformy monitoringowej dane o temperaturze zewnętrznej i wilgotności względnej powietrza oraz o nasłonecznieniu. Panel kontrolny pompy obiegowej w platformie monitoringowej umożliwia ustawienie granicznej temperatury zewnętrznej, poniżej której pompa ma pracować.

Temperatura wody z pompy ciepła na zasileniu instalacji ogrzewania centralnego wynosi ok. 56°C, a ΔT średnio 3,4°C.

Ciepła woda użytkowa

Instalacja podgrzewu ciepłej wody użytkowej również składa się z dwóch części i zbiegają się one w magazynach ciepła PCM. Pierwszą część stanowi obieg ładowania magazynów ciepłem z pompy ciepła. Za cyrkulację wody w obiegu odpowiada druga pompa obiegowa Grundfos Magna 3 zlokalizowana w piwnicy, sterowana przez kontroler Siemens SIMATIC S7-1200. Kontroler na podstawie danych temperaturowych z czujników umieszczonych w magazynach ciepła (na dole, w połowie wysokości i na górze magazynu) określa stopień naładowania magazynów i gdy spadnie on do zadanego minimum, uruchamia pompę obiegową aż do momentu osiągnięcia zadanej temperatury. ΔT po stronie obiegu ładowania magazynów podczas ich ładowania wynosi 3–5°C.

Magazyny UniQ potrzebują mniej miejsca niż wodny zasobnik. Ich całkowita pojemność zależy od użytego PCM i różnic temperatury. Wykorzystując materiał zmiennofazowy P43, można uzyskać stosunek pojemności ok. 4:1 w porównaniu do zbiornika wodnego używanego w podobnych warunkach pracy.

Takie same rodzaje magazynów ciepła (PCM) znajdują się we wnętrzu pompy ciepła. Ten model pompy ma oddzielne magazyny dla ogrzewania, ciepłej wody oraz chłodzenia (jeśli jest wdrażane). Pompa ciepła ma dwa wewnętrzne obiegi z dwiema sprężarkami – główny i poboczny. Ładują one magazyny ciepła wewnątrz urządzenia do zadanej temperatury, po czym pompa ciepła się wyłącza. Pompa obiegowa w instalacji c.o. budynkowego zapewnia obieg wody w tej instalacji na odcinku pompa ciepła–mieszkaniowy wymiennik płytowy. Pompa obiegowa c.w.u. (obieg ładowania magazynów ciepła) zapewnia obieg wody, która odbiera ciepło z magazynu wewnętrznego pompy ciepła, i gdy temperatura PCM spadnie do minimalnego zadanego poziomu, pompa ciepła ponownie zaczyna ładować swoje magazyny wewnętrzne. Ciepło zgromadzone w wewnętrznych magazynach pompy ciepła wykorzystuje ona również do odszraniania. Rozwiązanie to pozwala zaprogramować pracę pompy ciepła w innym czasie niż samych instalacji grzewczych, np. tylko w ciągu dnia, żeby w pełni wykorzystać energię wyprodukowaną z instalacji fotowoltaicznej, gdyż pompa może być również podłączona bezpośrednio do instalacji i pracować na zasileniu DC. Jednak w przypadku urządzenia w Chorzowie zdecydowano się na tradycyjne podłączenie pompy do sieci budynku, gdyż panele nie dostarczyłyby 26 kW energii potrzebnej przez kilka sekund do uruchomienia pompy. Po uruchomieniu w normalnym trybie moc pobierana z sieci wynosi poniżej 10 kW (wartości dla modelu V30).

W obiegu c.w.u. w normalnym trybie zimna woda z przyłącza wodociągowego płynie do magazynów ciepła znajdujących się w piwnicy, a następnie do każdego z 11 lokali mieszkalnych, gdzie wchodzi do przyłącza zimnej wody dwufunkcyjnego kotła gazowego. Woda do tych kotłów może również płynąć by-passem, omijając magazyny w przypadku awarii lub przeprowadzania serwisu. Należy wtedy przełączyć zawór kulowy na przyłączu wody zimnej w piwnicy. Gdy temperatura c.w.u. z magazynów PCM dobiegającej do kotła jest niższa niż zadana na kotle, kocioł załącza się i dogrzewa ją do temperatury zadanej, jest to jednak podgrzew tylko o kilka stopni, a nie o ponad 30°C, jak to ma miejsce w klasycznych instalacjach po zadaniu temperatury c.w.u. 45°C i dopływie wody o temperaturze 8–10°C bezpośrednio z przyłącza wodociągowego. Temperatura wody wypływającej z magazynów PCM po zakończeniu ich ładowania sięga ok. 53°C i spada wraz z ich rozładowywaniem do ok. 29°C. Średnia temperatura wody w cyklu rozładowywania osiąga zatem temperaturę 41°C. Ładowanie magazynów PCM odbywa się średnio raz na dobę i trwa od 2 do 3 godzin. Jednakże liczba cykli ładowania i ich czas zależy od zużycia c.w.u., co zostało zauważone w czasie pandemii, gdy mieszkańcy większość dnia spędzali w mieszkaniach. Były to wtedy przynajmniej dwa cykle ładowania w ciągu doby.

Zarówno po stronie obiegu ładowania magazynów ciepła, jak i instalacji c.w.u. przy połączeniu z magazynami zastosowano system Tichelmanna, co umożliwiło osiągnięcie równomiernych przepływów przez magazyny ciepła. Na każdym podłączeniu zastosowano jedynie zawory kulowe w celu odłączenia danego magazynu podczas ewentualnego serwisu. Magazyny połączone są w cztery pary – z jednego magazynu w parze woda w obu obiegach przepływa do drugiego magazynu i dopiero wraca do pompy ciepła (obieg ładowania) lub płynie do lokali (instalacja wody podgrzanej).

Monitoring

Do monitoringu efektywności pracy instalacji znajdujących się w piwnicy zainstalowano trzy ciepłomierze Apator INVONIC H – jeden dla obiegu c.o., jeden dla obiegu ładowania magazynów (ciepło dostarczone przez pompę ciepła) oraz jeden dla systemu c.w.u. wychodzącej z magazynów PCM. W mieszkaniach zainstalowano również po trzy ciepłomierze Apator ELF – jeden na instalacji c.o. przed kotłem (ciepło wytworzone przez pompę ciepła i dostarczone przez wymiennik z układu centralnego) i jeden za kotłem w instalacji c.o. na ciepło dostarczone przez kocioł gazowy oraz jeden za kotłem na instalacji c.w.u. na ciepło dostarczone przez kocioł. Wszystkie ciepłomierze zostały wyposażone w moduł bezprzewodowy M-Bus. W piwnicy oraz na klatce schodowej na pierwszym i trzecim piętrze zainstalowane zostały koncentratory M-Bus zbierające dane z ciepłomierzy. W piwnicy zainstalowano również oddzielne liczniki energii elektrycznej dla pompy ciepła i każdej z pomp obiegowych.

W lokalach na każdym grzejniku zainstalowano zawory termostatyczne Danfoss RA-N oraz głowice Fibaro Z-Wave. Głowica informuje o temperaturze wewnętrznej i nastawie. W każdym mieszkaniu w salonie lub sypialni zainstalowano czujnik Aeotec Multisensor dostarczający dane o ruchu w pomieszczeniu (obecność mieszkańców w lokalu), temperaturze i wilgotności powietrza oraz o oświetleniu w pomieszczeniu. Na klatce schodowej umieszczono bramki Z-Wave odczytujące dane z czujników (multisensory i głowice termostatyczne), po jednej na każde piętro. Bramki wysyłają dane do serwera, gdzie są one gromadzone, umożliwiają także zdalną kontrolę głowic. Mieszkańcy mają możliwość kontroli nastawy głowic Fibaro oraz nastaw kotłów. Głowice i multisensory są częścią systemu SCI-BEMS. Trafiające do serwera dane z głowic są przypisane do poszczególnych lokali i pomieszczeń (osobnych stref termicznych lokalu). Są one analizowane przez system uwzgledniający zmiany nastaw dokonane przez mieszkańców i na ich podstawie określana jest najbardziej optymalna pod względem wygody i efektywności energetycznej praca głowic.

Instalacja fotowoltaiczna

Na dachu budynku zainstalowane zostały 43 panele fotowoltaiczne LG340N1K-V5. Wytwarzają one maksymalną moc elektryczną 14,62 kWp. Każdy z paneli został wyposażony w optymalizator SolarEdge P370. Panele umieszczone zostały na ramie montażowej Renusol, ich całkowity kąt nachylenia wynosi 36,6°. Ze względu na wiek budynku i jego historyczną fasadę konieczne było wystąpienie do konserwatora zabytków o pozwolenie i warunki montażu paneli. Jedynym wymaganiem ze strony konserwatora było, żeby zamontowane panele fotowoltaiczne nie były widoczne od strony fasady budynku z poziomu ulicy. Na poddaszu zainstalowano 3-fazowy falownik SolarEdge 15 kW, który przekształca wytworzony prąd stały w prąd zmienny. Falownik dostarcza energię do administracyjnego dwukierunkowego licznika energii elektrycznej, obok którego podłączony jest również inteligentny licznik SolarEdge łączący się z falownikiem poprzez złącze ­RS-485. Falownik informuje o produkcji energii z paneli, natomiast inteligentny licznik dostarcza dane o zużyciu, imporcie oraz eksporcie energii do sieci energetycznej. Falownik ma połączenie internetowe, dzięki czemu dane z falownika i licznika wysyłane są do serwera SolarEdge, gdzie możliwy jest ich podgląd w aplikacji monitoringu. W słoneczny letni dzień instalacja jest w stanie wyprodukować ok. 90 kWh energii elektrycznej. Zimą (luty 2021) produkcja dzienna wynosiła nawet ponad 40 kWh.

Aby zabezpieczyć instalację przed uderzeniem pioruna, wykonana została instalacja odgromowa budynku. Na dachu pomiędzy panelami umieszczono 13 masztów odgromowych.

Mikroinstalacja fotowoltaiczna została podłączona do sieci na zasadach obowiązujących prosumentów – 70% energii oddanej do sieci może zostać pobrane bezpłatnie.

Dla budynku została stworzona specjalna platforma monitoringowa. Dane z czujników trafiają do serwera, skąd są pobierane do platformy i prezentowane w postaci wykresów oraz danych tekstowych/liczbowych. Możliwy jest również łatwy eksport danych do pliku .csv w celu indywidualnej analizy.

Efektywność systemu

Celem projektu Heat4Cool było przeprowadzenie modernizacji przynoszącej oszczędności ekonomiczne i energetyczne prowadzące do zwrotu kosztów wdrożonych technologii w okresie poniżej 10 lat. Wykorzystanie pompy o większej mocy, aby całkowicie zrezygnować ze stosowania kotłów gazowych, generowałoby jednak dodatkowy koszt. Nawet w przypadku użytej pompy ciepła 30 kW konieczna była modernizacja całej instalacji elektrycznej oraz zwiększenie mocy przyłączeniowej do 40 kW, by zapewnić moc elektryczną konieczną do uruchomienia pompy. Jednym z celów projektu było wykorzystanie w jak największym stopniu istniejącej infrastruktury budynku. Dodatkowo dostępność dwóch źródeł ciepła daje „back-up” w przypadku awarii jednego z systemów lub gdy moc grzewcza jednego systemu jest niewystarczająca. Dane zebrane w trakcie rocznego monitoringu pokazały, że pompa ciepła dostarczyła w sumie 34 813 kWh energii cieplnej (ok. 16% całości zapotrzebowania), zużywając przy tym 11 674 kWh energii elektrycznej.

W ciągu roku pracy systemu 73% wyprodukowanej w instalacji fotowoltaicznej energii elektrycznej zużyto na autokonsumpcję, a 26% zostało oddane do sieci. Ilość zużywanej energii elektrycznej pokrywanej przez system fotowoltaiczny może sięgnąć 38% przy odpowiednich warunkach nasłonecznienia. Jest to dobry wynik dla budynku pilotażowego w Chorzowie, gdzie technologie Heat4Cool koncentrują się na przekształceniu w system ogrzewania napędzany energią elektryczną, który może być wspierany przez energię odnawialną dostarczaną przez instalację fotowoltaiczną. Dzięki elektrycznie napędzanej pompie ciepła akumulatory ciepła PCM są w stanie zapewnić energię niezbędną do zaspokojenia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową. Na przykładzie pilotażowego obiektu w Chorzowie wykazano, że tego typu zasobniki zajmują mniej miejsca niż typowe zasobniki c.w.u., a jednocześnie są w stanie odpowiednio wspomagać zaopatrzenie w ciepłą wodę użytkową.

Zachęcamy do zapoznania się z pozostałymi systemami, wdrożonymi w Sofii (Bułgaria), Walencji (Hiszpania) i Budapeszcie (Węgry), na stronie projektu www.heat4cool.eu.

Autorzy dziękują Komisji Europejskiej za finansowanie projektu H2020 „Heat4Cool” (ID projektu 723925).