Pompy ciepła – nietypowe realizacje

Budynek usługowo-handlowy w Rybniku

W Rybniku firma projektowo-budowlana Wodmetal zbudowała energooszczędny budynek z funkcją usługowo-handlową o zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania 13 kWh/m²/rok.

Budynek wykorzystuje energię promieniowania słonecznego oraz ciepło użytkowników i urządzeń, a dogrzewany jest jedynie powietrzem wentylacyjnym. Znajdują się w nim: pracownia projektowa, sala konferencyjna, pomieszczenia badawcze oraz część pokazowa z urządzeniami i elementami budownictwa niskoenergetycznego i pasywnego.

W budynku zastosowano pompy ciepła, kolektory słoneczne, centralę wentylacyjną z rekuperatorem oraz gruntowy wymiennik ciepła. Pompy ciepła zamontowano na kanale wylotowym odprowadzającym powietrze z centrali wentylacyjnej z odzyskiem ciepła.

Ten pomysł jest coraz częściej rozważany przez projektantów, gdyż usuwane powietrze po przejściu przez wymienniki centrali może mieć wysoką temperaturę, która w odniesieniu do temperatury zewnętrznej ma stosunkowo niewielkie wahania – od 2°C przy –20°C do 13°C przy 10°C na zewnątrz. Są to zatem temperatury zapewniające efektywną pracę pomp ciepła typu powietrze/woda.

Wentylację, dogrzewanie oraz chłodzenie budynku realizuje instalacja wentylacyjna. Powietrze do układu trafia poprzez gruntowy wymiennik ciepła wykonany z przewodów PP z powłoką antybakteryjną umieszczony w gruncie pod budynkiem na głębokości poniżej 1,5 m. Jego wydajność dobrano tak, by temperatura powietrza wchodzącego do centrali nie spadała poniżej 0°C dla temperatury obliczeniowej –20°C. Zimą powietrze czerpie energię z gruntu, a latem chłód, jednocześnie regenerując wymiennik. Powietrze, zanim trafi do centrali, jest filtrowane.

W instalacji zastosowano centralę wentylacyjną z dwoma wymiennikami krzyżowymi, która może pracować w zakresie całej wydajności ze sprawnością odzysku ciepła 77–91%, co umożliwia podniesienie temperatury powietrza z 0 do 17°C przy temp. zewnętrznej –20°C. W instalacji zastosowano także by-pass pozwalający omijać wymienniki, tak by w okresie letnim chłodzić budynek powietrzem przechodzącym tylko przez wymiennik gruntowy.

Za centralą umieszczono kanałową nagrzewnicę wodną o parametrach pracy 60/45°C, która w razie potrzeby może dogrzewać powietrze energią czerpaną z zasobnika o pojemności 350 l, pełniącego funkcje podgrzewacza ciepłej wody użytkowej i zasobnika buforowego dla potrzeb grzewczych. Jest to dwukomorowy zbiornik biwalentny zasilany przez pompę ciepła i kolektory słoneczne.

Kolektory zasilają − poprzez wężownicę znajdującą się u dołu – część zewnętrzną, a umiejscowiony u góry zbiornik o pojemności 100 l jest podgrzewany na zasadzie zasobnika płaszczowego – przez otaczającą go ciepłą wodę. Z kolei ciepła woda z pompy ciepła trafia do górnej części zasobnika.

W instalacji zastosowano kanałową pompę ciepła powietrze/woda o mocy 3,8 kW, która przeznaczona jest do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Ponieważ budynek ma niskie zapotrzebowanie na energię, pompa może produkować ciepło nie tylko na potrzeby c.w.u., ale też ogrzewania, i stanowić główne źródło energii w okresie zimowym. Kiedy temperatury zewnętrzne są dodatnie, pompa ciepła dostarcza energię na potrzeby c.w.u. razem z kolektorami. W instalacji zamontowano cztery kolektory płaskie, które w okresie zimowym, przy sprzyjających warunkach, wspomagają ogrzewanie powietrza wentylacyjnego, a ich podstawowym zadaniem jest dostarczanie energii dla przygotowywania c.w.u.

Instalacje w budynku zostały opomiarowane, a w internecie znaleźć można aplikację pozwalającą obserwować ich pracę (www.wodmetaldom.pl). Można też na bieżąco śledzić stan licznika energii elektrycznej. Zamontowano dziewięć czujników temperatury, która jest wyświetlana online w czasie rzeczywistym. W ten sposób można sprawdzić, z jaką sprawnością działa np. wymiennik gruntowy lub rekuperator.

Pompy ciepła w domu Galia

W doświadczalnym domu Galia pod Krakowem z inteligentnym systemem zarządzania budynkiem BMS Unihome [2, 3, 4] zastosowano trzy pompy ciepła. Jedna z nich służy do przygotowania c.w.u., druga zaś do podgrzewania lub chłodzenia powietrza wentylacyjnego po przejściu przez wymiennik (rekuperator) w centrali wentylacyjnej.

Ta pierwsza to pompa split typu powietrze/woda. Dolnym źródłem ciepła jest dla niej powietrze wywiewane z budynku, które zanim trafiło do wymiennika pompy, przeszło przez rekuperator w centrali wentylacyjnej, a następnie przez wymiennik stanowiący dolne źródło w pompie ciepła powietrze/powietrze. Górnym źródłem dla pompy powietrze/woda jest buforowy zasobnik c.w.u.

Nawet po przejściu przez rekuperator i wymiennik pompy powietrze ma taką temperaturę, że z powodzeniem może korzystać z niego następna pompa do podgrzewania c.w.u. Woda w zasobniku jest też podgrzewana lub dogrzewana alternatywnie lub jednocześnie przez kolektory albo grzałki elektryczne zasilane z ogniw PV w zależności od tego, co jest w danej chwili najbardziej ekonomiczne. Latem układ korzysta dodatkowo z tego, że jedna pompa schładza powietrze wentylacyjne i ma sporo ciepła do przekazania pompie podgrzewającej c.w.u.

Druga to pompa kanałowa typu powietrze/powietrze, dla której dolnym źródłem jest wywiewane powietrze wentylacyjne, które przeszło przez wymiennik (rekuperator) w centrali, a górnym wymiennik ciepła umieszczony w nawiewnym kanale wentylacyjnym za centralą z rekuperatorem. Zadaniem tego wymiennika jest podgrzewanie lub schładzanie powierza po rekuperacji, w zależności od potrzeb.

Obie pompy mogą być zasilane energią elektryczną produkowaną w ogniwach fotowoltaicznych lub przez przydomowy generator napędzany energią wiatru. O tym, czym są w danej chwili zasilane pompy, decyduje BMS, kierując się ekonomią.

Ponadto w układzie wentylacji powietrze zewnętrzne, zanim trafi do wymiennika (rekuperatora) w centrali, jest – jeśli potrzeba – dogrzewane przez nagrzewnicę kanałową zasilaną ciepłą wodą, pochodzącą np. z systemu paneli solarnych lub kominka. Takie rozwiązanie to o 70% niższy koszt eksploatacyjny niż przy zastosowaniu standardowego układu z grzałką elektryczną chroniącą rekuperator przed zamarzaniem.

System BMS analizuje pracę rekuperatora i w razie potrzeby uruchamia procedurę zapobiegania zamarzaniu. Zautomatyzowanie tego procesu pozwala na wczesne wykrycie i zapobieganie szronieniu.

W okresach przejściowych, gdy nie jest wymagana pełna moc chłodnicza, do obniżenia temperatury w domu Galia BMS nie włącza pompy ciepła do c.w.u., tylko korzysta z możliwości schładzania powietrza wentylacyjnego przez wymiennik kanałowy podłączony do dolnego źródła trzeciej pompy ciepła – typu solanka/woda. Można wówczas uzyskać parametry powietrza i komfort porównywalny z instalacją z centralą klimatyzacyjną.

Koszt eksploatacji takiego systemu chłodzenia latem budynku o kubaturze ok. 1000 m³ wyniósł ok. 35 zł miesięcznie, przy znikomych kosztach inwestycyjnych i eksploatacyjnych w stosunku do kosztu centrali klimatyzacyjnej. Pewnych problemów mogą przysporzyć wymiary wymienników, które montuje się w pomieszczeniach technicznych budynku w pobliżu centrali.

Sterowanie mocą chłodniczą tej instalacji odbywa się w ramach BMS poprzez regulację przepływu czynnika chłodzącego przez pompę obiegową, w połączeniu z regulacją nasłonecznienia pomieszczeń (żaluzje z kontrolą położenia lameli) oraz kontrolą otwarcia okien i drzwi w budynku.

W trakcie eksploatacji okazało się, że dobierając odpowiednie parametry pracy pomp ciepła, nad czym czuwa system zarządzania budynkiem, można bez problemu osiągnąć COP od 2 do 4, w zależności od warunków zewnętrznych. Atutem jest możliwość zasilania układu pomp ciepła z paneli PV, co sprawia, że emisja CO₂ takiego układu spada prawie do zera i czyni pompy rzeczywiście zeroemisyjnymi urządzeniami.

Literatura

1. www.wodmetaldom.pl.
2. 2. Biskupski J., Inteligentny budynek mieszkalny, „Rynek Instalacyjny” nr 1/2009.
3. 3. Biskupski J., Inteligentny system wentylacji z rekuperacją, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2009.
4. 4. Biskupski J., Inteligentny budynek. Zarządzanie wentylacją w domu zautomatyzowanym, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2012.