Pompy ciepła w pętli wodnej – opis systemu WLHP

Unia Europejska stawia sobie bardzo ambitne cele dotyczące poprawienia efektywności energetycznej. Zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej [1] państwa europejskie powinny obniżyć zużycie energii pierwotnej o 20% do roku 2020. Jednocześnie dyrektywa ta ma na celu dalsze zwiększenie efektywności energetycznej po 2020 r. dzięki wspólnym działaniom na rzecz promowania energooszczędnych rozwiązań w różnych dziedzinach. Producenci urządzeń HVAC chcący pozostać aktywnymi graczami na rynkach krajów UE muszą spełnić wysokie wymagania dla produktów, określone w rozporządzeniach wykonawczych do dyrektywy ustanawiającej wymagania dla produktów związanych z energią (Ecodesign) [2].

Obecne trendy w budownictwie wskazują, że inwestorzy poszukują rozwiązań z obszaru HVAC o niskich rocznych kosztach eksploatacji i jednocześnie zapewniających wymagany komfort termiczny użytkownikom. W analizach układów klimatyzacji i ogrzewania coraz częściej brane są pod uwagę m.in. systemy oparte na pompach ciepła wpiętych w pętlę wodną (WLHP), które charakteryzują się dużą efektywnością energetyczną.

WLHP – Water Loop Heat Pump

Technologia WLHP (Water Loop Heat Pump) jest znana od lat 50. ubiegłego wieku. W literaturze można się też spotkać z inną nazwą opisywanych systemów – WSHP (Water Source Heat Pump). Obecnie największym rynkiem pomp WLHP są Stany Zjednoczone, skąd pochodzi większość dostępnej literatury i materiałów.

System WLHP jest układem wielu pomp ciepła typu woda/powietrze połączonych instalacją hydrauliczną. Pojedyncza pompa ciepła jest niezależnym układem chłodniczym składającym się ze sprężarki, wymienników powietrze/czynnik chłodniczy oraz woda/czynnik chłodniczy, a także elementów armatury chłodniczej (rys. 1).

Układ taki pozwala na transport energii pomiędzy powietrzem a wodą z wykorzystaniem sprężarkowego obiegu chłodniczego. W przypadku pracy w trybie chłodzenia energia pobrana z pomieszczenia przekazywana jest do wody krążącej w pętli wodnej. Tryb grzania „odwraca” kierunek przepływu energii – w tym przypadku ciepło jest pobierane z wody i przekazywane do powietrza ogrzewającego pomieszczenie. Systemy WLHP są systemami zdecentralizowanymi, gdyż wytwarzanie mocy chłodniczej lub cieplnej odbywa się w miejscu instalacji. Jest to idea przeciwna do tradycyjnych systemów opartych na klimakonwektorach, gdzie ciepło/chłód jest wytwarzane centralnie. W układach WLHP musi zostać przewidziane źródło ciepła i chłodu. Źródło chłodu mogą zapewniać agregaty chłodnicze, dry coolery lub, najczęściej, wieże chłodnicze. Jako źródło ciepła mogą zostać wykorzystane najbardziej popularne urządzenia grzewcze, takie jak kotły olejowe i gazowe, albo ciepło sieciowe. Bardzo dobrym rozwiązaniem jest wykorzystywanie ciepła odpadowego pochodzącego ze skraplaczy agregatów chłodniczych czy skraplaczy pomp ciepła pracujących w trybie chłodzenia.

Istnieje wiele możliwości wykorzystania pomp ciepła w układzie WLHP. Najczęstszym rozwiązaniem są układy oparte na zamkniętych pętlach wodnych prowadzonych wewnątrz budynku. System taki składa się z wielu pomp ciepła WLHP, źródła ciepła, wieży chłodniczej oraz pomp wody (rys. 2).

Inny typ aplikacji może wykorzystywać jako źródło ciepła zasoby geotermalne. Układy te mogą pobierać i oddawać ciepło nie tylko z gruntu, ale także z wód w rzekach i jeziorach.

Budynek

Większość budynków ma stałą energię własną, która przy zastosowaniu systemów konwencjonalnych jest bezpowrotnie tracona poprzez odprowadzanie na zewnątrz do atmosfery. W systemach WLHP stosujących pompy ciepła typu woda/powietrze energia własna budynku jest przechwytywana i akumulowana w zamkniętym obiegu wodnym, który jest aktywnym czynnikiem (medium) wymiany energii cieplnej. W systemie takim cała energia będzie pobierana z pomieszczeń wymagających chłodzenia i przetransferowana do pomieszczeń potrzebujących ogrzania.

Pętla wodna

Jaka jest funkcja pętli wodnej w układach WLHP? Układ hydrauliczny gra rolę akumulatora energii. Woda krążąca w obiegu spełnia funkcję czynnika transportującego energię pomiędzy strefami/pomieszczeniami w budynku. Jest górnym lub dolnym źródłem ciepła dla zainstalowanych pomp ciepła – w zależności od trybu pracy. W dokumentacji producentów pomp ciepła określone są „koperty pracy” dla trybów grzania oraz chłodzenia. Ważne, żeby utrzymywana temperatura w pętli wodnej pozwalała na pracę w wymaganym trybie w danym pomieszczeniu. Przykładowy rekomendowany obszar pracy dla pomp ciepła pokazano na rys. 3.

Zgodnie z tym wykresem utrzymanie temperatury w zakresie 18–32°C pozwala pracować pompom ciepła w obu trybach – grzania lub chłodzenia – przy zasilaniu wodą o identycznej temperaturze. Powyższy zakres temperaturowy bezpośrednio wpływa na możliwości akumulacyjne energii. Ilość energii zakumulowanej w pętli wodnej opisuje się prostym wzorem. Dla zobrazowania potencjału magazynowania energii w pętli wodnej przeprowadzono stosowne obliczenia. Przy cieple właściwym wody (4,2 kJ/(kg · K), różnicy temperatur wynoszącej 14 K oraz pojemności pętli wodnej 10 m³ w pętli może zostać zakumulowane 588 MJ energii. Energia ta może zostać swobodnie wykorzystana przez każdą z pomp ciepła.

W momencie gdy temperatura w pętli wodnej mieści się w powyższych wartościach (18–32°C), układ budynku znajduje się w równowadze termodynamicznej. Oznacza to, że nie ma potrzeby dostarczania lub odbierania energii z pętli wodnej przy wykorzystaniu źródeł ciepła (np. kotły lub ciepło sieciowe) oraz chłodu (np. wieże chłodnicze), dlatego że pompy ciepła zasilane wodą w tym zakresie temperatur mogą pracować w obu trybach w zależności od potrzeb pomieszczenia. Brak potrzeby pracy centralnych źródeł ciepła/chłodu, gdy budynek znajduje się w równowadze termodynamicznej, znacząco obniża koszty eksploatacyjne funkcjonowania systemów grzewczo-chłodzących w budynku. Warto nadmienić, że występujące w pętli wodnej temperatury sprawiają, iż takich rurociągów nie trzeba izolować (niższe koszty instalacji), nie ma bowiem obawy osiągnięcia punktu rosy i wykroplenia się wilgoci.

Czytaj też: Wpływ doboru pompy ciepła powietrze/woda na koszty eksploatacyjne instalacji grzewczej >>>

Tryby pracy pomp ciepła – zachowanie budynku

Rozpatrując typowy budynek ze strefą wewnętrzną i pomieszczeniami przylegającymi do ścian zewnętrznych można wyodrębnić trzy podstawowe fazy jego zachowania: tryb grzania, tryb chłodzenia oraz tryb grzania i chłodzenia (rys. 4).

Z analiz rzeczywistego obciążenia cieplnego budynków wynika, że zapotrzebowanie na jednoczesne grzanie i chłodzenie jest trybem przeważającym. Nawet podczas występowania niskich temperatur zewnętrznych pomieszczenia zlokalizowane wewnątrz budynku wymagają chłodzenia. Wynika to z faktu występowania przez cały rok dużych zysków ciepła od ludzi, oświetlenia czy urządzeń elektrycznych. Tryb „tylko grzanie” występuje najkrócej w ciągu roku. Dla zobrazowania pracy systemu WLHP na rys. 5 zaprezentowano wykres trybów pracy pomp ciepła w kwietniu dla jednego piętra budynku biurowego zlokalizowanego w centralnej Polsce.

Można zauważyć, że tryby grzania i chłodzenia występowały jednocześnie każdego dnia. Widoczne są okresy, w których liczby pomp ciepła pracujących w trybie grzania oraz chłodzenia były zbliżone (np. 3–5 kwietnia, 10 kwietnia i 22–27 kwietnia). Budynek nie potrzebował wówczas doprowadzenia energii z zewnątrz (oszczędności finansowe), znajdował się bowiem w równowadze termodynamicznej.

Regulacje F-gazowe – wymóg rejestracji urządzeń w CRO

Zgodnie z rozporządzeniem UE nr 517/2014 [5] oraz ustawą o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych [3] wymagana jest ewidencja urządzeń zawierających substancje kontrolowane. Obowiązek ten ciąży na prawnych operatorach stacjonarnych urządzeń chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła zawierających czynniki chłodnicze w postaci fluorowanych gazów cieplarnianych. W przypadku spełnienia określonych warunków są oni zobligowani do rejestracji i założenia kart dla urządzeń. W praktyce „operatorem” jest użytkownik, właściciel urządzenia lub podmiot zarządzający obiektem, w którym urządzenie się znajduje. Operator jest zobowiązany do sprawowania faktycznej kontroli nad technicznym działaniem urządzenia zdefiniowanej w art. 4 ustawy o substancjach zubożających warstwę ozonową [3], w tym do podejmowania decyzji w kwestiach finansowych i technicznych dotyczących urządzenia. Zakłada się obecnie karty dla urządzeń zawierających 3 kg lub więcej substancji kontrolowanych, zdefiniowanych w art. 3 pkt 4 rozporządzenia 1005/2009 [4], lub 5 ton CO2-eq lub więcej F-gazów, zdefiniowanych w art. 2 pkt 1 rozporządzenia 517/2014 [5].

Dla najpopularniejszych czynników R410A i R407C obowiązek rejestracji powstaje w momencie, gdy przekroczone zostaną następujące limity:

Warto wspomnieć, że w artykule 4 rozporządzenia UE nr 517/2014 znajdziemy zapis o wyłączeniu z obowiązku rejestracji urządzeń hermetycznie zamkniętych, które zawierają mniej niż 10 ton ekwiwalentu CO2. Pompy ciepła, które spełniają warunek „urządzeń hermetycznie zamkniętych”, zgodnie z powyższym rozporządzeniem nie podlegają rejestracji oraz obowiązkowej kontroli szczelności aż do mocy ok. 25–30 kW. Sprawia to, że systemy klimatyzacyjne oparte na pompach ciepła WLHP, w przeciwieństwie do systemów VRF czy z wodą lodową, nie będą podlegać rejestracji w CRO, co odejmuje operatorom wiele obowiązków, takich jak prowadzenie kart jednostek czy okresowych kontroli szczelności.

Obszary zastosowań

Układy wodne z pompami ciepła WLHP wykorzystuje się najczęściej w: centrach handlowych, obiektach biurowych i hotelach. Sprzyja temu charakterystyka pracy tych budynków w ciągu roku oraz posiadanie stref wymagających ogrzewania lub chłodzenia w tym samym czasie.

Ciekawym przykładem jest zastosowanie układów WLHP w hotelach, gdzie liczba gości, a zarazem zajętość pokoi znacząco się zmieniają każdego dnia. Hotele, zapewniając komfort cieplny dostosowany do preferencji gości, muszą do każdego pokoju dostarczyć ciepło lub chłód. Wysokie koszty ogrzewania i chłodzenia są zatem dla wielu właścicieli obiektów hotelowych sporym wyzwaniem.

Przykładowo w systemach opartych na klimakonwektorach czterorurowych należy utrzymywać właściwe parametry wody do chłodzenia (np. temperatury 6/12°C) oraz grzania (np. 80/60°C) w celu zapewnienia gościom komfortu nawet przy małym obłożeniu hotelu. Jednoczesna praca źródła ciepła i chłodu generuje wysokie koszty eksploatacyjne, gdyż w całym budynku odpowiednia temperatura medium grzewczego/chłodzącego musi być utrzymywana permanentnie. W przypadku układów WLHP energia zakumulowana w pętli wodnej umożliwia dużą bezwładność systemu. Kilka pracujących pomp ciepła w pokojach gości nie ma znaczącego wpływu na temperaturę w pętli wodnej (ze względu na duży zład wody), która pozostaje w równowadze termicznej (18–32°C). Sprawia to, że budynek nie wymaga pracy źródeł ciepła/chłodu, jednocześnie zapewniając komfort termiczny gościom hotelowym zgodnie z ich preferencjami.

Podsumowanie

Różne zapotrzebowanie na energię do chłodzenia i ogrzewania występuje w wielu budynkach. Układy WLHP pozwalają odbierać ciepło z obszarów, które mają je w nadmiarze, i w prosty sposób przetransportować i wykorzystać w innym miejscu. Wykorzystując wodę, która jest tanim, a zarazem bardzo dobrym medium do transportu energii, opisywane systemy zapewniają komfort cieplny przy niskich kosztach eksploatacyjnych. Systemy oparte na pompach ciepła w pętli wodnej mogą z powodzeniem stanowić alternatywę dla konwencjonalnych układów klimatyzacyjno-grzewczych. Ich zalety to m.in.:

• łatwy transport energii pomiędzy pomieszczeniami,
• zdecentralizowany układ,
• wysokie sprawności energetyczne pomp ciepła,
• długi okres pracy budynku ze zbalansowanym układem,
• niższe koszty eksploatacyjne budynku,
• brak izolacji instalacji wodnej,
• niepodleganie rejestracji w CRO i konieczności sprawdzania szczelności zgodnie z ustawą F-gazową (w przypadku najczęściej dobieranych jednostek).

Do wad zaliczyć można m.in.:

• wysoki koszt uzdatniania wody w wieżach chłodniczych,
• głośną pracę w przypadku użytkowania poza rekomendowaną kopertą pracy pompy ciepła,
• większą wrażliwość na błędy projektowe po stronie dystrybucji wody/powietrza.

Warto rozważyć przeprowadzenie analizy TCO dla projektów HVAC. Może ona dostarczyć inwestorom i projektantom ciekawych wniosków i zwrócić ich uwagę na kolejny system klimatyzacji/ogrzewania możliwy do zastosowania przy tworzeniu nowych budynków.

W kolejnym artykule przedstawione zostaną zasady projektowania systemów WLHP

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2012/27/UE z dnia 25 października 2012 r. w sprawie efektywności energetycznej, zmiany dyrektyw 2009/125/WE i 2010/30/UE oraz uchylenia dyrektyw 2004/8/WE i 2006/32/WE Tekst mający znaczenie dla EOG (Dz.Urz. UE L 315/1).
2. Rozporządzenie Komisji (UE) 2016/2281 z dnia 30 listopada 2016 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE ustanawiającej ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów do ogrzewania powietrznego, produktów chłodzących, wysokotemperaturowych agregatów chłodniczych i klimakonwektorów wentylatorowych (Dz.Urz. UE L 346/1).
3. Ustawa z dnia 15 maja 2015 r. o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych (DzU 2015, poz. 881).
4. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1005/2009 z dnia 16 września 2009 r. w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową (Dz.Urz. UE L 286/1).
5. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych i uchylenia rozporządzenia (WE) nr 842/2006 (Dz.Urz. UE L 150/195).
6. Juszczyk G., WLHP – Water Loop Heat Pumps, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 6/2009, s. 24–28.
7. Adamski B., Monoblokowe centrale dachowe typu rooftop – zasada działania i nowe konstrukcje (cz. 2), „Rynek Instalacyjny” nr 9/2010, s. 106–112.
8. Adamski B., Systemy WLHP – mity i fakty, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 8/2009, s. 61–67.
9. Adamski B., Galerie handlowe. Czy warto zastosować system WLHP, „Chłodnictwo i Klimatyzacja” nr 7/2011, s. 42–46.
10. Materiały techniczne firmy Systemair.
11. 2008 ASHRAE Handbook, HVAC Systems and Equipment, p. 8.14–8.18.
12. Montgomery R., McDowall R., Fundamentals Of HVAC Control Systems IP Edition, ASHRAE Elsevier 2008, p. 247–249.
13. The benefits of using water-source heat pumps, https://www.csemag.com/single-article/the-benefits-of-using-water-source-heat-pumps/8bfa42b6392f343f15b66b996f350bab.html.
14. Evans J.A. (ed.), Foster A.M. (ed.), Sustainable Retail Refrigeration, 10.3.4. Heat recovery with water loop heat pumps (WLHPs).

Czytaj też: Metody wyznaczania parametrów gruntu do projektowania pionowych wymienników dla pomp ciepła solanka/woda >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!