Instalacje z pompami ciepła – przykłady

IKEA Wrocław

Nowy obiekt IKEA we Wrocławiu wyróżnia się innowacyjnymi i energoefektywnymi oraz ekologicznymi rozwiązaniami. Jest ogrzewany przy użyciu energii odnawialnej czerpanej z pionowego gruntowego wymiennika ciepła, a dzięki odzyskowi ciepła podgrzewana jest ciepła woda użytkowa.

Latem nadmiar ciepła powstający w procesie chłodzenia wykorzystywany jest do regeneracji wymiennika w gruncie.

W nowym budynku zastosowane zostały również tuby solarne doprowadzające światło słoneczne do niższych kondygnacji, co pozwala ograniczyć zużycie energii elektrycznej na oświetlenie.

Wody opadowe są gromadzone i wykorzystywane do spłukiwania toalet oraz podlewania roślin na otwartym parkingu na poziomie parteru, nad którym znajdują się dwie właściwe kondygnacje budynku – hale, magazyny, biura itd. Parking ma 1450 miejsc i stanowiska do bezpłatnego ładowania pojazdów elektrycznych.

Na parterze znajdują się też pomieszczenia techniczne, w tym kotłownia i wieże chłodnicze.

Głównym źródłem ciepła i chłodu dla budynku są dwie pompy ciepła PC1 i PC2 typ FOCS2-W/H/CA o mocy grzewczej 540 kW i chłodniczej 830 kW każda, produkujące ciepło zimą i chłód latem (rys. 1). Urządzenia usytuowano w pomieszczeniu technicznym na parterze. Pompy ciepła wykorzystują energię cieplną z gruntu za pomocą pionowych sond zlokalizowanych pod naziemnym odkrytym parkingiem obok budynku IKEA.

Moc dolnego źródła wynosi 690 kW (3 × 230 kW). Instalacja gruntowego wymiennika składa się ze 120 pionowych odwiertów w sześciu polach po 20 odwiertów o głębokości 133 mb. i średnicy 143 mm każdy, z przewodami z PE100 ø 40 x 3 mm (U-kształtne sondy). Odległość między sondami wynosi 5,3 m. Centralnym elementem każdego pola jest studnia zbiorczo-rozdzielaczowa z rozdzielaczami w układzie Tichelmanna. Następnie instalacja prowadzona jest ze studni do kotłowni i pomp ciepła.

W obiegu między dolnym źródłem (5/0°C) a pompami ciepła zastosowano glikol propylenowy 20%. Z pomp ciepła energia trafia do wodnej instalacji o parametrach 45/40°C. Dla każdej pompy zastosowano oddzielne zestawy pompowe. Szczytowym źródłem ciepła jest gazowy kocioł kondensacyjny SGB400D o mocy 400 kW, który pracuje na parametrach 60/40°C wodnej instalacji c.o.

Pompy ciepła i kocioł gazowy zasilają instalacje wyposażone w grzejniki oraz nagrzewnice wodne i dostarczają ciepło do central wentylacyjnych. Projektowe maksymalne obciążenie cieplne dla budynku wynosi: instalacja c.o. grzejnikowa 77,8 kW, instalacja c.o. z nagrzewnicami wodnymi 385,5 kW, nagrzewnice wodne w centralach wentylacyjnych 1416 kW – razem 1879,3 kW.

Instalacja c.o. pokrywa straty ciepła w pomieszczeniach magazynowych, technicznych, toaletach, WC, zapleczach oraz biurach. Zdecydowaną większość zapotrzebowania na ciepło i chłód pokrywa instalacja wentylacyjna z centralami, w których znajdują się nagrzewnice. W niektórych pomieszczeniach ciepło zapewniają też nagrzewnice wodne i grzejniki.

Są też pomieszczenia, w których zastosowano klimakonwektory grzewczo-chłodzące. Wybór zależy od funkcji pomieszczeń i wymagań komfortu – jak np. łazienki i pomieszczenia dla dzieci czy sale konferencyjne i szkoleniowe.

W okresie letnim pompy ciepła, produkując chłód do chłodzenia pomieszczeń, mogą oddać ciepło od strony skraplacza w 100% do dwóch wież chłodniczych pracujących w układzie zamkniętym o mocy 1000 kW każda. Układ wyposażono także w instalację regeneracji wymiennika gruntowego, która zrzuca ciepło do gruntu w okresie letnim.

Chłód z pomp ciepła w glikolowej instalacji o parametrach 7/12°C trafia na wymiennik o mocy ok. 1660 kW i następnie do obiegu wodnego o parametrach 10/15°C. Natomiast chłód do pomieszczeń jest przekazywany poprzez system wentylacji – za pomocą nagrzewnic w dachowych centralach wentylacyjnych. W obiekcie 1640 kW maksymalnego zapotrzebowania obliczeniowego dostarczają centrale, a 7 kW klimakonwektory.

IKEA Berlin-Lichtenberg

Ten drugi pod względem wielkości obiekt IKEA w Europie wyróżnia się efektywnością energetyczną oraz wykorzystaniem energii odnawialnej (rys. 2). Jako dolne źródło ciepła dla pomp ciepła wykorzystano sieć kanalizacyjną o przepustowości 500–1400 m³/h.

W sieci tej zastosowano rurowy wymiennik ciepła z przewodem wewnętrznym DN 700 i zewnętrznym DN 800 o długości 204 m i przepływie 1 m/s. Spadek temperatury ścieków wynosi 2 K. Dolne źródło wykorzystują trzy pompy przemysłowe o 500 kW mocy grzewczej i 380 kW chłodniczej każda (IWWS 520 ER2, sprężarki śrubowe) do ogrzewania i chłodzenia obiektu.

Zimą pompy ciepła odbierają ciepło z kanalizacji (ok. 10°C) i podgrzewają niskotemperaturową instalację centralnego ogrzewania do 35°C. Latem służą do chłodzenia, w tym transferu ciepła z budynku do kanalizacji. Rozwiązanie takie umożliwia zapewnienie obiektowi 100% zużywanej energii do chłodzenia latem i 70% do ogrzewania zimą.

Szczytowe źródło ciepła stanowią dwa gazowe kotły kondensacyjne o mocy 510 kW każdy.

W obiekcie zastosowano także instalację solarną z kolektorami słonecznymi o łącznej powierzchni czynnej 50 m² do podgrzewu ciepłej wody użytkowej oraz instalację fotowoltaiczną o powierzchni 4000 m² i wydajności 570 000 kWh.

Wody opadowe są zagospodarowywane w podziemnym zbiorniku o pojemności 450 m³ i wykorzystywane do spłukiwania toalet.

W stosunku do tradycyjnego rozwiązania ograniczono emisję CO₂ o ok. 2000 ton rocznie. W celu uzyskania wysokiej efektywności energetycznej systemu zastosowano niskotemperaturowe ogrzewanie płaszczyznowe (podłogowe), a w systemie wentylacji odzysk ciepła i chłodu. Do gromadzenia zapasu energii służy akumulacyjny zasobnik ciepłej wody o pojemności 1250 m³.

Magazyn ciepła w Ząbkach

Ciekawym i innowacyjnym przykładem magazynowania ciepła jest instalacja w Mazowieckim Centrum Psychiatrii „Drewnica” w Ząbkach k. Warszawy [1]. To pierwszy tego typu w Polsce sezonowy magazyn ciepła (tzw. STES – Seasonal Thermal Energy Storage). Powstał w ramach współfinansowanego przez Komisję Europejską projektu EINSTEIN. Ciepło jest magazynowane w wodzie zgromadzonej w zasobniku o pojemności 800 m³, średnicy 14 m i wysokości 8 m, w którym można zgromadzić przed sezonem grzewczym ok. 167,6 GJ energii. Dostarczają ją kolektory słoneczne o łącznej powierzchni 150 m².

Instalację wyróżnia od innych podobnych zbiorników funkcjonujących w UE zastosowanie sprężarkowej pompy ciepła (rys. 3), która zwiększa efektywność energetyczną instalacji i system grzewczy w szpitalu charakteryzuje się bardzo niskim zużyciem energii pierwotnej.

W instalacji zastosowano prototypową pompę ciepła o szczytowej mocy 120 kW wyprodukowaną przez polskiego producenta zgodnie z projektem opracowanym na Uniwersytecie w Ulsterze. O takim wyborze zdecydowała konieczność dostosowania parametrów pracy do wysokotemperaturowej instalacji centralnego ogrzewania w budynku, w którym nie ma możliwości jej modernizacji.

Woda w zasobniku osiąga różną temperaturę i żeby móc zasilać istniejący w szpitalu układ ogrzewania energią słoneczną, trzeba było dostarczyć do instalacji c.o. wodę o temperaturze zasilania 70–80°C – służy do tego właśnie pompa ciepła.

Kolejnym nietypowym wyzwaniem był fakt, że dolne źródło dla tej pompy ciepła ma stosunkowo wysoką temperaturę i żeby jak najefektywniej wykorzystać energię zgromadzoną w zbiorniku z ciepłą wodą, pompa pracuje w zakresie temperatur 30–55°C. To z kolei wymagało zastosowana odpowiedniego czynnika chłodniczego – R245fa.

Układ został tak zaprojektowany, że pompa ciepła może pracować z sezonowym współczynnikiem efektywności SCOP bliskim 5, czyli z jednej jednostki energii elektrycznej zużytej do napędu sprężarki pompy do instalacji wprowadzane jest pięć jednostek ciepła.

Gdy woda w zasobniku osiąga temperaturę powyżej 55°C, kierowana jest bezpośrednio do węzła cieplnego z ominięciem pompy ciepła.

Z kolei gdy temperatura wody w zasobniku spadnie poniżej 30°C, pompa ciepła także przestaje pracować, a energię do instalacji c.o. dostarcza kocioł gazowy.

Energia kierowana do instalacji c.o. bezpośrednio z kolektorów oraz z wykorzystaniem pompy ciepła pokrywa 60% zapotrzebowania obiektu na cele grzewcze, resztę dostarcza kocioł gazowy.

Instalację wykonał Dział Badań i Rozwoju Mostostalu Warszawa SA. Wyposażono ją w system monitoringu, który umożliwia pełną analizę sprawności energetycznej.

Wykorzystanie pompy ciepła w układzie kolektorów słonecznych i dużego zasobnika ciepła ze szczytowym kotłem gazowym powinno zwiększyć efektywność energetyczną o 20% i zmniejszyć zużycie energii pierwotnej o 35%, a koszty ogrzewania o 25% [1].

OZE w kopalni węgla kamiennego

Zarządzana przez Przedsiębiorstwo Górnicze „Demex” dawna kopalnia Concordia w Zabrzu jest obecnie zabytkiem techniki górniczej i atrakcją turystyczną.

Wodę z szybu górniczego wykorzystano jako dolne źródło ciepła dla pomp ciepła (fot. 2), które dostarczają energię na potrzeby ogrzewania, przygotowania ciepłej wody użytkowej i chłodzenia w barze, restauracji i biurach. Natomiast budynki i urządzenia kopalni udostępniono do zwiedzania w ramach Szlaku Zabytków Techniki.

Miejscowy plan zagospodarowania dla celów grzewczych dopuszcza wyłącznie rozwiązania ekologiczne – w tym przypadku w grę wchodziły kotły gazowe lub pompy ciepła.

O wyborze pomp zdecydowała dostępność dużych ilości wypompowywanej wody, która z szybu trafia do dwóch zbiorników retencyjnych. Zimą woda ta jest źródłem ciepła, a latem chłodu – ma stałą temperaturę 8–9°C. W zimie na potrzeby pracy pompy ciepła woda przepompowywana jest przez wymiennik woda/glikol, a latem trafia do drugiego wymiennika woda/woda lodowa. Latem pompa ciepła nie produkuje chłodu, a jedynie steruje procesem i wykorzystuje niską temperaturę wody pozyskiwanej z szybu do chłodzenia pasywnego.

Pompa ciepła współpracuje z ogrzewaniem podłogowym, które jest zainstalowane w całym obiekcie z wyjątkiem ostatniego piętra, a także z klimakonwektorami zamontowanymi w przeszklonej części wejściowej.

Ciepło z pompy ciepła trafia też do central wentylacyjnych wyposażonych w chłodnice i nagrzewnice.

Z centralami współpracują aktywne belki indukcyjne, które są kombinacją systemu powietrznego i wodnego. Belki te w zależności od potrzeb ogrzewają lub chłodzą (woda lodowa), mają też możliwość dostarczania powietrza z centrali wentylacyjnej z wymiennikiem obrotowym. Nie działają na zasadzie nadmuchu, a chłodne powietrze opada z nich powoli i nie powoduje dyskomfortu.

W okresie grzewczym woda lodowa nie krąży i do belek trafia tylko ciepłe powietrze z centrali wentylacyjnej, która energię cieplną czerpie z pompy ciepła poprzez nagrzewnicę wodną centrali oraz korzysta z ciepła odzyskiwanego na wymienniku obrotowym z powietrza wywiewanego.

Wykonawca (firma Ro-Instal) zastosował w układzie dwie gruntowe pompy ciepła DHP-R o mocy 52 kW każda dla temperatury dolnego źródła ok. 8°C.

Pompy te wyposażone są w webserwery, które pozwalają kontrolować i monitorować pracę instalacji grzewczej przez internet. Mają funkcję gazu gorącego (TGG) – pomiędzy sprężarką a skraplaczem znajduje się dodatkowy mały wymiennik, przez który z jednej strony przepuszczany jest czynnik chłodniczy w fazie gorącego gazu (ponad 100°C) ze sprężarki do skraplacza, a z drugiej woda grzewcza.

Zastosowana w pompach DHP-R funkcja przegrzewu chroni zasobniki c.w.u. przed bakteriami Legionella, co ma szczególne znaczenie w obiektach publicznych i komercyjnych.

W układzie zamontowano dwa zasobniki ciepłej wody użytkowej – mniejszy o pojemności 220 l współpracuje bezpośrednio z instalacją gazu gorącego, a w większym (700 l) woda jest podgrzewana tradycyjnie przez pompę ciepła.

Koszty eksploatacyjne układu z pompami ciepła ponoszone na ogrzewanie i c.w.u. są mniejsze o ok. 40% od kosztów układu zasilanego kotłem gazowym. Kolejna korzyść to chłodzenie pasywne, kilkukrotnie tańsze w porównaniu do tradycyjnych klimatyzatorów zasilanych energią elektryczną.

Pompy ciepła w przemyśle i energetyce

Odzysk ciepła odpadowego to najbardziej efektywny sposób wykorzystania technologii pomp ciepła. W wielu procesach w przemyśle, zwłaszcza spożywczym, a także w energetyce powstają duże ilości ciepła odpadowego. Wykorzystanie go poprzez podniesienie temperatury do użytecznego poziomu przy niskim nakładzie energetycznym umożliwiają pompy ciepła, a inwestycje te charakteryzują się krótkimi okresami zwrotu. Dla zastosowań takich produkowane są specjalne typoszeregi pomp ciepła o dużych mocach, nawet do 15 000 kW, i możliwości podnoszenia temperatury wody do 90°C.

W procesach spalania dąży się do tego, by z paliwa pozyskać jak najwięcej energii. W tym celu stosuje się m.in. układy kogeneracyjne, czyli jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła. Jednak instalacje takie nie są standardem i w energetyce zawodowej sprawność wytwarzania energii elektrycznej wynosi tylko 40–50%.

Przy spalaniu takich paliw, jak gaz i olej opałowy, większość ciepła ze spalin (nawet ponad 90%) można odzyskać przez bezpośrednią wymianę z obiegiem wody gorącej. Ze spalania paliw o stosunkowo wysokiej wilgotności, jak np. biomasa czy odpady komunalne, w sposób bezpośredni można odzyskać ze spalin tylko część ciepła, do ok. 80%. Pozostałe 20% ciepła można odzyskać w oczyszczających spaliny mokrych odpylaczach – skruberach [3].

W energetyce zawodowej tkwi też ogromny potencjał stosowania pomp ciepła wykorzystujących ciepło odpadowe w produkcji energii elektrycznej – w klasycznych układach produkcji energii elektrycznej 60% energii jest niewykorzystane i stanowi odpad. Ciepło to może być z powodzeniem wykorzystane jako dolne źródło pomp ciepła.

Przykładem zastosowania pomp ciepła w instalacji przemysłowej jest spalarnia odpadów w Sztokholmie, gdzie zainstalowano w 2013 r. pompę ciepła o mocy 7200 kW. W układzie tym wykorzystano ciepło ze spalin (rys. 4). Woda powrotna z układu ciepłowniczego o średniej temperaturze 60°C podgrzewana jest przez pompę ciepła do 65°C (rys. 5).

I w tym tkwi źródło ekonomicznego sukcesu tej inwestycji, gdyż COP układu przekracza 6,5. Woda w układzie ciepłowniczym podgrzana przez pompę ciepła trafia następnie do kotła, który zapewnia jej parametry wody sieciowej (maks. 120°C), po czym trafia do odbiorców ciepła.

Niepozorne 5°C, o które podgrzewana jest woda w tym układzie, sprawiło, że w spalarni odpadów o mocy 80 MWe i 57 MWc przybyło dodatkowe 7,2 MW z ciepła odzyskiwanego ze spalin, a zysk ekologiczny to mniejsza o 14% emisja CO₂. Prosty okres zwrotu inwestycji w montaż instalacji ze skruberem i pompami ciepła wynosi mniej niż 3 lata [4].

Literatura

1. www.mostostal.waw.pl/zrownowazony-rozwoj/badania-i-rozwoj/aktualnosci/archiwum/energia-cieplna -wprost-z-natury.
2. Szyb M., Odnawialne źródło energii w kopalni węgla kamiennego, Danfoss Engineering Tomorrow, 2014.
3. Hoffmann K., Optimising heat recovery from industrial processes with heat pumps, GEA, Jan. 16, 2015, http://www.ehpa.org/about/news/article/optimising-heat-recovery-from-industrial-processes-with-heat-pumps.
4. Materiały firmy GEA, www.gea.com.
5. Materiały techniczne i informacyjne firm: Danfoss, IKEA, PORT PC, Frapol, Ochsner.