Efektywna dystrybucja ciepła i chłodu w dużych obiektach. Opis przypadku

Futurystyczna budowla The Squaire będąca wizytówką lotniska we Frankfurcie nad Menem wzniesiona została na 86 słupach, bezpośrednio nad dachem dworca kolejowego ICE, na długości ponad 660 m. Podzielono ją na sześć dużych części – na dziewięciu poziomach znajdują się biura, hotel i infrastruktura dla podróżujących i pracowników (m.in. gastronomia, sklepy i usługi).

Budynek ma 143 tys. m² powierzchni przeznaczonej do wynajmu, a jego masa całkowita to 350 tys. ton. Opływowa szklana fasada o łącznej powierzchni 145 tys. m² sprawia, że budowla należy do największych wielokątnych budynków na świecie.

Rozbudowany system hydrauliczny

W przypadku tego obiektu konieczne było niestandardowe zaprojektowanie sposobu zaopatrywania poszczególnych dużych części budynku w media, zwłaszcza systemu ogrzewania i chłodzenia. Wymagało to stworzenia odpowiedniej infrastruktury z kilkoma centralami technicznymi.

Rozbudowana sieć rozciąga się na jedenaście poziomów użytkowych i technicznych i stawia wysokie wymagania hydrauliczne, szczególnie podczas częściowego obciążenia instalacji oraz przy występujących zmianach obciążeń.

Do rozprowadzenia wody grzewczej i lodowej na dziewięciu kondygnacjach wykorzystano wielostopniowe rozdzielacze Zortström (w budynku zainstalowano ich łącznie 24).

Zapotrzebowanie na ciepło jest pokrywane w całości przez lokalną sieć ciepłowniczą. Natomiast chłód niezbędny do klimatyzowania dużego i przeszklonego budynku dostarczany jest za pomocą swobodnego chłodzenia (free cooling) oraz agregatów chłodniczych.

Trójstopniowe rozdzielacze

W przypadku pierwszej części budynku droga do centrali technicznej prowadzi przez dużą powierzchnię parkingową. Na suficie dostrzec można wiele instalacji, co wskazuje, że do zaopatrzenia systemów ogrzewania i chłodzenia konieczna jest dobrze działająca hydraulika.

Do centrali technicznej ogrzewania prowadzi przewód przekazujący medium z sieci ciepłowniczej do wymiennika ciepła, skąd pięć pomp o regulowanej wydajności przekierowuje wodę grzewczą do trójstopniowego rozdzielacza. Zaopatruje on obiegi grzewcze w dwóch systemach ogrzewania:

• wysokotemperaturowym – obiegi z nagrzewnicami powietrza pracujące na parametrach 85/45°C,
• niskotemperaturowym – obiegi ogrzewania płaszczyznowego podłogowego i sufitowego (grzewczo-chłodzące) pracujące na parametrach 45/35°C.

Rozdzielacz podzielony został poziomo na trzy przedziały temperaturowe. Części te są oddzielone przegrodami, ale podział umożliwia przepływ wody, a zarazem wyrównanie ciśnienia wewnątrz rozdzielacza. Z takiego połączenia wynikają następujące korzyści:

• zapewnienie zasilania dla systemów wysoko- i niskotemperaturowych bez dodatkowej kontroli i systemowego oddzielenia,
• średni poziom centrali, do którego włączone zostały powroty z wysokotemperaturowych obiegów, zasilają dodatkowo obiegi niskotemperaturowe,
• energia cieplna z obiegów wysokotemperaturowych (85/45°C), która nie została wykorzystana, zasila dodatkowo obiegi niskotemperaturowe (45/35°C).

Zoptymalizowanie pracy pomp

Zastosowane w budynku rozdzielacze wielostopniowe tworzą hydrauliczny punkt zerowy. Troszczą się nie tylko o zrównoważoną hydraulikę, przyczyniają się też do zmniejszenia poboru energii elektrycznej przez pompy, co łatwo można zaobserwować m.in. w wypadku pomp z automatyczną kontrolą obrotów. Obserwacje i pomiary wykazały, że w wielu instalacjach pomimo zastosowania pomp nowej generacji pobór mocy przez te urządzenia jest nawet pięciokrotnie większy niż w wypadku technologii rozdzielaczy wielostopniowych.

Przyczyną tak wysokiego poboru energii elektrycznej są właściwości hydrauliczne klasycznego rozdzielacza, w którym mają miejsce zaburzenia przepływu powstałe przez wzajemnie oddziałujące na siebie pompy.

Urządzenia z regulacją prędkości dążą do zrekompensowania powstałych różnic ciśnienia, co prowadzi do znacznego wzrostu zużycia energii elektrycznej i skrócenia czasu ich żywotności. W przypadku pomp z cyfrowym wyświetlaczem można łatwo odczytać dokładny pobór mocy.

Natomiast w rozdzielaczach wielostopniowych pompy cyrkulacyjne (z regulowaną prędkością) pompują tylko do takiej wartości przepływu do rozdzielacza, jaka jest wymagana do zaopatrzenia danego obiegu. Obserwacje pracy takich instalacji potwierdzają, że nie zachodzi w nich zjawisko wyrównywania różnicy ciśnień przez sąsiednie obiegi.

Równomierne zaopatrzenie obiegów grzewczych i chłodzących

Pomimo dużego zapotrzebowania na ciepło i chłód na wszystkich dziewięciu kondygnacjach budynku woda grzewcza i lodowa rozprowadzane są precyzyjnie. Odpowiednie dozowanie ilości oraz dobór temperatury są szczególnie istotne przy tak wrażliwych systemach, jakimi są m.in. sufity grzewczo-chłodzące.

Pomimo dużej powierzchni przeszklonej w budynku przy temperaturze zewnętrznej 10°C całkowite zapotrzebowanie na chłód zostaje pokryte przez free cooling, bez konieczności uruchamiania agregatów chłodniczych. Zasada działania sprzęgła hydraulicznego umożliwia pracę przy małych obciążeniach i niewielkich przepływach ogólnych, gdy inny obieg chłodniczy podłączony do centrali jest maksymalnie obciążony.

Raporty grzewcze budynku wskazują, że cały system może zostać szybko przełączony z chłodzenia na ogrzewanie i to bez wytrącania układu z równowagi hydraulicznej.