Kompleksowa termomodernizacja budynku Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Białostockiej - modernizacja źródła ciepła.

Źródła ciepła przed termomodernizacją

Przed modernizacją ciepło na potrzeby centralnego ogrzewania i wentylacji mechanicznej budynku Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Białostockiej części A i A1 oraz B i B1 (rys. 1) przygotowywane było w dwóch węzłach cieplnych: nr 1 i nr 2, zasilanych z miejskiej sieci ciepłowniczej.

Węzeł nr 1 był węzłem jednofunkcyjnym wyposażonym w dwa wymienniki typu LPM-HL2­-68 o łącznej wydajności 900 kW. Pracował na cele grzewcze i wentylacyjne budynków A i B. Wyposażony został w urządzenia automatycznej regulacji. Do regulacji temperatury wody instalacyjnej w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego służył regulator RVP45.500 wyposażony w czujnik temperatury zewnętrznej QAC32 i czujnik temperatury wody instalacyjnej QAE22.5A.

Regulator współpracował z zaworem regulacyjnym VVF52 o DN 40 i kv = 25 m³/h z siłownikiem, który był zamontowany przed wymiennikiem c.o. W węźle do regulacji różnicy ciśnień i przepływu zamontowany był regulator typu AFPQ o DN 50 i k_v = 32 m³/h. Na fot. 1 pokazano stan techniczny węzła cieplnego dostarczającego ciepło na cele grzewcze i wentylacyjne do części budynku A i B przed modernizacją.

Węzeł nr 2 był również węzłem jednofunkcyjnym, ale dostarczającym ciepło do budynków A1 i B1. Wyposażony został w dwa wymienniki typu LPM-HL2-70 o łącznej wydajności 920 kW. Pracował na cele grzewcze i wentylacyjne i miał regulację pogodową. Wyposażony był w regulator RVP45.500, czujnik temperatury zewnętrznej QAC32, czujnik temperatury wody instalacyjnej QAE22.5A, zawór regulacyjny VVF52 o DN 40 i kv = 25 m³/h z napędem elektrycznym.

W węźle do regulacji różnicy ciśnień i przepływu zamontowany był regulator typu AFPQ o DN 50 i k_v= 32 m³/h [1]. Stan techniczny węzła nr 2 ilustruje fot. 2. Zabezpieczenie instalacji przed nadmiernym wzrostem ciśnienia w obu węzłach stanowiły zamknięte naczynia przeponowe.

Źródła ciepła po modernizacji

Zaproponowano wymianę węzłów cieplnych nr 1 i nr 2 na nowe jednostopniowe, kompaktowe węzły cieplne.

Węzeł nr 1 o mocy cieplnej 125 kW z wymiennikiem płytowym typu XB51-30L pracuje w układzie biwalentnym równoległym z pompami ciepła z pionowym wymiennikiem gruntowym i wymiennikiem z odwiertami skośnymi w systemie GRD. Dostarcza ciepło na potrzeby grzewcze i wentylacyjne do budynku B i B1. Przyjęto maksymalne parametry projektowe wody sieciowej T_z/T_p = 120/55°C, średnie parametry wody sieciowej w okresie grzewczym T_z/T_p = 83,8/45,2°C, parametry instalacji c.o. i wentylacji t_z/t_p = 50/40°C. Nowy węzeł cieplny nr 1 współpracujący z pompami ciepła przedstawiono na fot. 3.

Węzeł nr 2 z wymiennikiem płytowym typu XB70-50L o mocy cieplnej 555 kW będzie pracował na cele grzewcze i wentylacyjne, dostarczając ciepło do budynku A i A1. Przyjęto maksymalne projektowe parametry wody sieciowej T_z/T_p = 120/55°C, średnie parametry wody sieciowej w okresie grzewczym T_z/T_p = 83,8/45,2°C, a parametry instalacji c.o. i wentylacji t_z/t_p = 70/50°C. Nowy jednostopniowy kompaktowy węzeł cieplny nr 2 o mocy 555 kW przedstawiono na fot. 4.

Dla pokrycia zapotrzebowania mocy cieplnej na cele centralnego ogrzewania i wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej w budynku B i B1 zaprojektowano cztery pompy ciepła typu solanka/woda podzielone na dwie kaskady po dwie pompy, współpracujące z węzłem nr 1 w układzie biwalentnym równoległym. Łączna moc cieplna zaprojektowanych pomp ciepła wynosi 276,8 kW, chłodnicza 221,6 kW, a łączna moc elektryczna 57,76 kW.

Zaprojektowane zostały dwie pompy ciepła solanka/woda o mocy 117,2 kW każda, o współczynniku COP 4,80 (dla W35/B0 wg PN-EN 14511), z odwiertami pionowymi jako dolnym źródłem ciepła oraz dwie pompy ciepła o mocy 21,2 kW każda z odwiertami skośnymi GRD, o współczynniku COP 4,73 (wg EN 14511 dla W35/B0) podanym przez producenta dla różnicy 5 K po stronie wtórnej.

Dwie pompy ciepła o mocy 117,2 kW wyposażone są w podwójne sprężarki, które zmniejszają długość cyklu włączania i wyłączania urządzania. Przez większą część roku, gdy do ogrzewania obiektu wystarcza połowa mocy grzewczej, pracuje tylko jedna sprężarka, zwana podstawową. Druga włączana jest automatycznie w okresach niższej temperatury zewnętrznej.

Kaskada pomp ciepła o łącznej mocy grzewczej 234,4 kW zasila instalacje centralnego ogrzewania o parametrach 50/40°C w budynku B i B1 oraz nagrzewnice wentylacyjne w budynku B. Natomiast kaskada dwóch pomp ciepła o łącznej mocy grzewczej 42,4 kW zasilać będzie tylko nagrzewnice wentylacyjne w budynku B1.

W celu optymalizacji długości cyklu pracy pompy ciepła i uzyskania związanego z tym lepszego wskaźnika pracy rocznej zastosowano w instalacji trzy zbiorniki buforowe. Zapewniają one odsprzęglenie hydrauliczne strumieni objętościowych w obiegu pompy ciepła i obiegu grzewczym, a tym samym bardziej wyrównaną pracę pomp ciepła w momentach, gdy ich moce grzewcze nie będą identyczne z chwilowym zapotrzebowaniem. Zapewniają również konieczny minimalny przepływ dla pomp ciepła.

Wizualizację rozmieszczenia urządzeń w pomieszczeniu węzła nr 1 znajdującego się w części budynku A pokazano na rys. 2, a na fot. 5 przedstawiono kaskadę dwóch pomp ciepła o mocy po 117,2 kW podczas ich montażu.

Instalacje dolnego źródła pomp ciepła

Dwie pompy ciepła typu solanka/woda, każda o mocy grzewczej 117,2 kW i chłodniczej 95,9 kW, wykorzystują jako dolne źródło ciepła odwierty pionowe. Obliczenia przeprowadzono, przyjmując, że wydajność dolnego źródła wynosi średnio 35 W na 1 m długości sondy [4]. Zaprojektowano 52 odwierty pionowe o głębokości 100 m każdy, o łącznej mocy 182 kW. Łączna długość odwiertów pionowych to 5200 m, a odstępy pomiędzy nimi 10 m. Dobrano sondy pionowe wykonane z polietylenu sieciowanego PE-Xa o o 40×3,7 mm.

Zaprojektowane zostały także dwie studnie kolektorowe typu SpiderMax po 26 sekcji każda wyposażone w rotametry o zakresie przepływu 8–25 dm³/min. Na podstawie projektu [4] założona różnica temperatur dolnego źródła ciepła wynosi 4°C. Zaprojektowany przepływ na rotametrach przy każdym odwiercie pionowym wynosi ok. 14,2 dm³/min.

Natomiast dwie pompy ciepła typu solanka/woda, każda o mocy grzewczej 21,2 kW i chłodniczej 17 kW, zasilane są ze skośnych sond gruntowych wykonanych w systemie GRD (Geothermal Radial Drilling). System GRD polega na wykonaniu z jednej studni startowej wielu ukośnych odwiertów wokół jej osi. Sondy układane są promieniowo w różnych kierunkach i pod różnymi kątami względem kierunku pionowego, zazwyczaj od 35 do 65°.

Wykonano 20 odwiertów w systemie GRD o długości 50 m każdy, w tym 10 odwiertów pod kątem 45° i 10 odwiertów pod kątem 60°. Sondy skośne dobrano, przyjmując, że wydajność dolnego źródła wynosi średnio 35 W na 1 m długości sondy [4]. Łączna długość sond współosiowych wynosi 1000 m, a moc obliczeniowa 35 kW. Zamontowano też gruntowy wymiennik ciepła wykonany z sondy koaksjalnej o średnicy zewnętrznej 63×3,8 mm i wewnętrznej 32×3,0 mm.

Zastosowano 20 sond skośnych (P1–P20) o długości po 50 m, wykonanych pod kątem 45 i 60°. Prace wiertnicą horyzontalną ilustruje fot. 6. Studnia S1 ma rotametry o zakresie przepływu 2–16 dm³/min do jego regulacji w każdym z obiegów. Na podstawie projektu [4] założona różnica temperatury dolnego źródła ciepła wynosi 4°C. Zaprojektowany przepływ na rotametrach przy każdym odwiercie skośnym to ok. 13 dm³/min.

Sprawność systemu po modernizacji

Po przeprowadzeniu modernizacji dwóch węzłów cieplnych i instalacji centralnego ogrzewania w budynkach WBiIŚ poprawie uległa średnia sezonowa sprawność całkowita systemu grzewczego, która przed modernizacją wynosiła h_{H,tot 0} = 0,5960 [1, 3]. Zestawienie średnich sezonowych sprawności wytwarzania ciepła, jego regulacji i wykorzystania oraz przesyłu i akumulacji przed modernizacją pokazano na rys. 3 i 4.

Średnia sezonowa sprawność systemu grzewczego po modernizacji węzła nr 1 przedstawia się następująco: średnia eksploatacyjna sprawność wytwarzania ciepła wynosi h_H,g1śr = 2,700.

Została ona wyliczona jako średnia ważona przy udziale 69% ciepła uzyskanego z pomp ciepła o mocy 276,8 kW i przyjętej sprawności eksploatacyjnej h_H,g1COP = 3,50 oraz 31% ciepła uzyskanego z kompaktowego węzła cieplnego o mocy 125 kW przy sprawności eksploatacyjnej h_H,g1W = 0,93. Dla przesyłu ciepła sprawność _hH,d1 = 0,90 (nowa instalacja c.o. z zaizolowanymi cieplnie przewodami), a dla regulacji i wykorzystania systemu grzewczego hH,e1 = 0,88 (montaż przygrzejnikowych zaworów termostatycznych, wyregulowanie hydrauliczne instalacji c.o., realizowana regulacja centralna i miejscowa w źródle ciepła).

Sprawność akumulacji ciepła hH,s1 = 0,95 (montaż zbiornika buforowego c.o. w układzie z pompą ciepła). Całkowita średnia sezonowa sprawność systemu grzewczego po przeprowadzeniu modernizacji węzła nr 1 wraz z modernizacją instalacji centralnego ogrzewania [7] wynosi: h_H,tot 1 = h_H,g1śr × h_H,d1 × h_H,e1 × h_H,s1 = 2,700 · 0,90 · 0,88 · 0,95 = 2,0318 [1, 3]. Na rys. 3 przedstawiono sprawności systemu grzewczego przed i po modernizacji węzła 1.

Natomiast całkowita średnia sezonowa sprawność systemu grzewczego po wykonaniu modernizacji węzła nr 2 wraz z mo­dernizacją instalacji centralnego ogrzewania [7] wynosi: h_{H,tot 1} = 5_H,g1 × hH,d1 × h_H,e1 × h_H,s1 = 0,95 × 0,90 × 0,88 × 1,00 = 0,7524 [1, 3]. Na rys. 4 przedstawiono sprawności systemu grzewczego przed i po modernizacji węzła 2. Zwiększenie sprawności tego systemu poprawia efektywność energetyczną budynku.

Podsumowanie

W budynku WBiIŚ oprócz przedstawionego w artykule przedsięwzięcia dotyczącego jedynie źródła ciepła dokonano zmian w instalacji centralnego ogrzewania, instalacji wentylacji mechanicznej oraz w bryle budynku w celu zmniejszenia zapotrzebowania na energię do celow grzewczych i wentylacyjnych. Działania te opisano w poprzednich numerach RI [5, 6, 7].

Modernizacja źródła ciepła poprzedzona kompleksową termomodernizacją budynku spowodowała poprawę stanu środowiska poprzez ograniczenie emisji zanieczyszczeń gazowych i pyłów. Przyczynia się również do promowania na lokalnym rynku nowych technologii pozyskiwania energii na cele grzewcze i wentylacyjne, alternatywnych dla energii pochodzącej ze źródeł nieodnawialnych (węgiel, olej, gaz).

Wykonano w ramach pracy statutowej S/WBIŚ/4/2014 oraz projektu „Badanie skuteczności aktywnych i pasywnych metod poprawy efektywności energetycznej infrastruktury z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii” w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Podlaskiego na lata 2007–2013 Osi Priorytetowej I. Wzrost innowacyjności i wspierania przedsiębiorczości w regionie 1.1 Tworzenie warunków dla rozwoju innowacyjności B-DO-120.362/40/14

Literatura

1. Sadowska B., Piotrowska-Woroniak J., Sarosiek W., Audyt energetyczny budynku Wydziału Budownictwa Politechniki Białostockiej, NAPE S.A., Białystok 2012.
2. Projekt wykonawczy. Zakres: przebudowa węzłów cieplnych, Biuro Projektowe Technika Grzewcza SOLARSYSTEM s.c., mgr inż. M. Łapa, Myślenice 2014.
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 3 czerwca 2014 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2014, poz. 888).
4. Projekt wykonawczy. Przebudowa budynku WBiIŚ Politechniki Białostockiej wraz z budową wewnętrznej instalacji monitoringu w ramach projektu „Poprawa efektywności energetycznej infrastruktury PB z wykorzystaniem odnawialnych źródeł ciepła”. Zakres: budowa instalacji pomp ciepła, Biuro Projektowe Technika Grzewcza SOLAR­SYSTEM s.c., mgr inż. M. Łapa, Myślenice 2014.
5. Sadowska B., Święcicki A., Sarosiek W., Kompleksowa termomodernizacja budynku WBiIŚ. Cz. 1. Stan istniejący na podstawie dokumentacji archiwalnej i pomiarów, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2014.
6. Sadowska B., Święcicki A., Sarosiek W., Kompleksowa termomodernizacja budynku WBiIŚ. Cz. 2. Plan inwestycji z analizą potencjału efektów termomodernizacji, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2014.
7. Gładyszewska-Fiedoruk K., Krawczyk D., Kompleksowa termomodernizacja budynku WBiIŚ. Stan techniczny instalacji grzewczo-wentylacyjnych przed termomodernizacją i możliwości poprawy ich efektywności, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2014.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!