Pompy ciepła – przegląd innowacyjnych rozwiązań

Europejskie zagłębie pomp ciepła z olbrzymim potencjałem to Norwegia. Kraj ten ma możliwości szerokiego zastosowania pomp ciepła dla większych instalacji – jako serca komunalnych sieci ciepłowniczych. Większość przytoczonych norweskich przykładów opiera się na jednym źródle dolnym. Rosnąca skala zastosowania pokazuje, jak ważny dla rozwoju wielkopowierzchniowych instalacji z pompami ciepła jest dobry wybór dolnych źródeł.

Z kolei przykłady z Ameryki i Niemiec wskazują, jak zagospodarować posiadane zasoby, traktowane często po macoszemu. W technice pomp ciepła bardzo ważne jest także stosowanie alternatywnych czynników chłodniczych – dobre przykłady płyną znów z Norwegii, wspieranej przez uznanych producentów pomp ciepła ze Szwajcarii i Wielkiej Brytanii.

Przegląd ciekawych rozwiązań pomp ciepła zamyka (nieprzypadkowo) nieco mniej spektakularny przykład norweskiego kampusu studenckiego, obrazujący, jakie miejsce zajmują pompy ciepła w tzw. zrównoważonym projektowaniu.

Fiordy – symbol Norwegii i dolnego źródła

Eid to gmina w południowo-wschodniej Norwegii położona nad malowniczym fiordem Nordfjorden, który wcina się w ląd niemal na granicy Morza Norweskiego i Morza Północnego. Szósty pod względem długości (106 km) norweski fiord ma w okolicy Eid głębokość ok. 50 m. Woda zachowuje całoroczną temperaturę 4–12°C. Dzięki temu Nordfjorden zapewnia potencjał ok. 5 TWh energii, które można za pomocą pomp ciepła z zyskiem wydobyć.

Pierwsza taka pełnowymiarowa instalacja działa właśnie w Eid – w 2018 roku obchodzi 12. rocznicę powstania. Z dna fiordu woda pobierana jest za pomocą węża PVC o średnicy 600 mm z wydatkiem 546 m³/h do niewielkiej (50 m²) maszynowni na brzegu, skrywającej wymiennik ciepła. W wymienniku tym ciepło z wody morskiej przekazywane jest do zamkniętej pętli wody słodkiej, a stamtąd do odbiorców, wśród których są gospodarstwa domowe, firmy i organizacje.

Woda kierowana z morza do wymiennika ma 8°C. Przekazuje ciepło do zamkniętego obiegu wody słodkiej (rury o maksymalnej średnicy 315 mm), a cyrkulacja w dużym stopniu odbywa się grawitacyjnie.

Woda płynąca z wymiennika do odbiorców ma 6,5°C – dzięki temu rury nie są izolowane (m.in. dlatego, że część z nich położona jest 1 m pod ziemią). Każdy odbiorca ma zamontowaną pompę ciepła (woda/woda lub woda/powietrze). Po oddaniu energii w pompie ciepła schłodzona woda kierowana jest na powrót do centralnego wymiennika – ma wówczas temperaturę 1,5°C (rys. 1).

Ponad dekada doświadczeń pozwala wyciągnąć wiele wniosków na temat opłacalności tego systemu. Szczególnie korzystna jest stała temperatura wody w fiordzie – pozwala to oszacować koszt produkcji energii z bardzo małym błędem.

Obecnie w sieci wykorzystującej ok. 63% wstępnie zaprojektowanej wydajności znajduje się 90 tys. m² budynków, wyposażonych łącznie w 53 pompy: opera, szkoła średnia, łaźnia przyhotelowa oraz budynki mieszkalne.

System pokrywa ok. 90% zapotrzebowania odbiorców na energię cieplną i chłód. Oszczędności energii u użytkowników sięgają 30–50% w porównaniu do energii pozyskiwanej tradycyjnie.

Dwóch największych odbiorców, opera i szkoła średnia, zużywa rocznie na 1 m² ok. 98 kWh pochodzących z systemu miejskiego (średnia dla podobnych budynków w Norwegii to 140 kWh/m²). Miejscowy szpital przez wiele lat był najbardziej efektywną energetycznie placówką tego typu w Norwegii.

Komunalna sieć ciepłownicza Eid stała się wzorem dla innych gmin leżących nad fiordami. Z doświadczeń tych skorzystano m.in. w Songdal. W instalacji powstałej w 2017 roku zdecydowano się wykorzystać pompy ciepła umieszczone centralnie w maszynowni, zamiast u każdego odbiorcy – do nich trafia już przygotowana woda grzewcza (do instalacji grzejnikowych i do podgrzania powietrza w instalacjach ogrzewania nadmuchowego) i c.w.u (rys. 2).

Rozwiązanie takie obniża jednostkowy koszt wytworzenia energii dla odbiorcy. Doświadczenia z Eid wskazują jednak także, że nie wszyscy odbiorcy potrafią optymalnie wykorzystać swoją pompę ciepła.

Od fiordu do nowych czynników

Pozostając w Norwegii, przenieśmy się na półwysep Fornebu (na zachód od Oslo), na osiedle Rolfsbukta. Tereny te, traktowane m.in. jako zaplecze mieszkaniowe stolicy Norwegii, rozwijają się bardzo szybko, co przekłada się na wzrost zapotrzebowania na moc grzewczą i chłodniczą dostarczaną przez sieć komunalną. Jest ona oparta na pompach ciepła, włączanych kolejno w 1998, 2001 i 2006 roku.

W 2012 roku w sieci pojawiły się urządzenia (fot. 1 zob. fotografia przy tytule), dla których dolnym źródłem jest woda z fiordu Lysakerfjorden, pobierana z głębokości ok. 30 m, w odległości 400 m od brzegu. Najciekawsze jest rozwiązanie techniczne samych pomp – jest to pierwsza na świecie instalacja pomp ciepła z zastosowaniem czynnika R1234ze.

Data rozpoczęcia prac jest o tyle ważna, że czynniki z grupy HFO były wtedy jeszcze raczej ciekawostką techniczną niż pełnoprawnym rozwiązaniem. Formalnie nie istniała jeszcze klasa palności A2L (czynniki chłodnicze lekko palne). Inwestor, Oslofjord Varme, poprosił o oszacowanie ryzyka w znanej jednostce certyfikacyjnej Det Norske Veritas (dziś część DNV GL). Ostateczną decyzję podjęto po pięciu miesiącach badań poza obiektem.

Stwierdzono, że konieczne są dodatkowe środki ostrożności – wentylacja pożarowa maszynowni musiała spełnić wymogi ATEX 94/9/CE, zainstalowano też automatyczne odcinanie zasilania w przypadku wycieku czynnika chłodniczego. Sama pompa ciepła została przygotowana na zamówienie przez szwajcarską firmę Friotherm. W projekcie uwzględniono fakt, że jeśli Norske Veritas zakwestionuje użycie czynnika R1234ze, konieczna będzie wymiana na R134a. Projekt obejmował więc zarówno wyższe ciśnienia robocze (zapas na ewentualną wymianę na czynnik R134a), jak i wyższy przepływ objętościowy (odpowiedni dla R1234ze).

Maszynownia zlokalizowana jest w samodzielnym pomieszczeniu o wymiarach 60×12 m na poziomie –2 (z dostępem z hotelowego parkingu). Pracują tu dwie pompy Unitop 43/28, każda o wydajności 8 (grzanie) i 10 (chłodzenie) MW. W trybie zimowym przygotowywana jest woda grzewcza o temperaturze 75°C (COP = 4,4), a jednocześnie na potrzeby chłodzenia miejskiego woda lodowa. Przy niskim zapotrzebowaniu na chłód ciepło niskotemperaturowe pozyskiwane jest z wody morskiej poprzez pośrednie wymienniki ciepła. W trybie letnim sprężarki pracują równolegle, z wykorzystaniem chłodzenia pośredniego wodą morską, wytwarzając wodę lodową o temperaturze 2,5°C.

Uzupełniająco w maszynowni znajdują się dwa kotły na biopaliwo (olej) o całkowitej wydajności 20 MW – ich zadaniem jest pokrycie mocy szczytowej, służą też jako urządzenia zapasowe. Zatem maksymalna wydajność instalacji to 36 MW ciepła i 20 MW chłodu. 35 km na południowy zachód od Fornebu znajduje się miejscowość Drammen. W 2010 roku tamtejsze miejskie przedsiębiorstwo cieplne stanęło przed wyzwaniem zwiększenia wydajności sieci – postawiono na rozwiązania zrównoważone. Zaplanowano zastosowanie pomp ciepła z wodą z fiordu (8°C), ale również eliminację czynników z grupy HFC. W trakcie przetargu wyłoniono brytyjską firmę Star Renewable Energy (znaną m.in. z dostaw dla sieci marketów Tesco i Asda), która zaproponowała zastosowanie jako czynnika chłodniczego amoniaku.

Nie tylko to wyróżnia sieć komunalną w Drammen. Otóż przygotowuje się w niej wodę grzewczą o temperaturze 90°C, co umożliwia zasilanie budynków zarówno nowych, jak i starszych, np. korzystających z wysokotemperaturowych kotłów gazowych. Uzyskano COP 3,05 – wartość wyższą, niż wcześniej zakładano.

W pompie ciepła zastosowany został dwustopniowy system amoniakalny. Woda pochodząca z fiordu podgrzewa ciekły amoniak pod ciśnieniem 4 barów do 2°C. Po przejściu w stan gazowy ciśnienie zwiększa się do 50 barów, dzięki czemu gazowy amoniak podgrzewa się do 120°C, oddając ciepło wodzie sieciowej, która na wejściu do instalacji ma 90°C. Amoniak na skutek schłodzenia przechodzi ponownie w stan ciekły i proces wymiany ciepła rozpoczyna się ponownie.

Wydajność grzewcza układu pomp ciepła (w jego skład wchodzą trzy urządzenia) wynosi 13,2 MW. Ciepło wytwarzane dzięki pompom ciepła pokrywa ok. 75% rocznego zapotrzebowania miasta. Co ważne, w Norwegii energia elektryczna jest tania, szczególnie w porównaniu do wytwarzania ciepła z biomasy czy gazu. Zastosowanie pomp ciepła jest więc tam rozwiązaniem opłacalnym, o wysokim zwrocie z inwestycji – omawiana sieć już po czterech latach przynosi oszczędności, zarówno finansowe, jak i emisji węgla.

Wykorzystać to, co mamy

Norwegia jest krajem naturalnie predysponowanym do korzystania z pomp ciepła, choćby dzięki ogólnej dostępności dolnego źródła ciepła i niskim cenom energii elektrycznej. Nie wszyscy jednak mają takie szczęście – ale są inwestorzy i projektanci, którzy umieją korzystać z tego, co mają na miejscu.

Kierującemu się takim podejściem amerykańskiemu konsorcjum Bosch Thermotechnology i American Water Company udało się w pilotażowym (2014–2015) projekcie pomp ciepła dla szkoły podstawowej Williama L. Bucka w Valley Stream (stan Nowy Jork) zaoszczędzić ok. 600 tys. dol. na kosztach inwestycyjnych. Było to możliwe dzięki wyeliminowaniu kosztów przygotowania ponad 100 odwiertów, z których miałaby pochodzić woda gruntowa do obsługi pomp ciepła. Jednocześnie w pełni wykorzystano dobrodziejstwa pompy ciepła woda/powietrze (w tym przypadku 40 tys. dol. rocznych oszczędności na ogrzewaniu i zwiększenie komfortu pracy dzięki chłodzeniu latem i w okresach przejściowych).

Partnerzy stworzyli unikatowy w odniesieniu do ponad 1000 szkolnych instalacji pomp ciepła na terenie USA system, oparty na pompach ciepła typu woda/powietrze (rys. 3).

Odwierty wyeliminowano dzięki zastosowaniu innowacyjnego wymiennika ciepła. Konstrukcja wymiennika, odpowiednia dla przemysłu spożywczego (m.in. podwójna ścianka), zapewnia brak kontaktu między wodą użytkową a pętlą geotermalną. Pozyskuje on energię na cele grzewcze z wody użytkowej pochodzącej z instalacji wodociągowo-kanalizacyjnej obsługującej szkołę (w trybie chłodzenia woda użytkowa jest nośnikiem ciepła odprowadzanego z klas).

Dzięki recyrkulacji wody użytkowej wykorzystanie zakumulowanej w niej energii może być jeszcze bardziej efektywne.

W trybie grzewczym woda użytkowa o temperaturze zbliżonej do wody gruntowej kierowana jest do mieszczącej się w piwnicach szkolnych pompowni. Tam ciepło przekazywane jest na wymienniku płytowym do pętli geotermalnej zawierającej roztwór woda/glikol. Pętla ta stanowi dolne źródło dla ok. 40 pomp woda/powietrze, pracujących w urządzeniach ogrzewania/chłodzenia nadmuchowego zlokalizowanych w klasach. W każdej klasie mieści się konsola typu Bosch CA (fot. 2) z własnym wentylatorem o regulowanej prędkości, natomiast większe powierzchnie otwarte (stołówka, sala gimnastyczna) są klimatyzowane za pomocą jednostek sufitowych woda/powietrze EC Large Capacity. W trybie chłodzenia do pętli geotermalnej przekazywane są zyski ciepła z pomieszczeń szkolnych. Zakumulowane ciepło jest następnie przekazywane na wymienniku ciepła do instalacji wody użytkowej.

Jako ciekawostkę warto dodać, że prace instalacyjne trwały około pół roku – większość z nich prowadzono nocami, żeby nie przeszkadzać uczniom.

Współpraca różnych instytucji zaowocowała ciekawym rozwiązaniem także w Niemczech. Uniwersytet w Monachium i niemieckie Ministerstwo Środowiska wsparły firmę Laumer Bautechnik Massing (Bawaria) w stworzeniu energooszczędnej instalacji grzewczej dla nowego zakładu prefabrykowanych konstrukcji betonowych. Rozwiązanie to jest oparte na pompie ciepła woda/woda na czynnik R407C, która w miesiącach zimowych jako dolne źródło wykorzystuje podziemny magazyn energii.

Energia jest gromadzona przez cały rok, a jej zbiornikiem jest praktycznie cała zewnętrzna powłoka budynku (14 000 m² powierzchni zewnętrznej) – prefabrykowane ściany betonowe z zatopionymi rurami, pomalowane na czarno, by dodatkowo zwiększyć absorpcję ciepła (fot. 3).

Ciepło zakumulowane przez zbiornik przekazywane jest do podziemnego magazynu energii o kubaturze 5000 m³. W magazynie tym ciepło przechowywane jest do zimy, czyli okresu zwiększonego zapotrzebowania na nie. Wówczas pompa ciepła woda/woda o wydajności grzewczej 198 kW marki Viessmann (fot. 4) korzysta z podziemnego zbiornika (alternatywnie do ciepła z gruntu) jako dolnego źródła.

Pompa ciepła z dwoma obwodami chłodniczymi zasila przemysłowy system ogrzewania podłogowego obsługującego warsztat o powierzchni 4,5 tys. m² (rys. 4).

Temperatura wody grzewczej wynosi 37°C i zapewnia utrzymanie w warsztacie stałej temperatury wynoszącej 15°C.

Dzięki włączeniu magazynowania energii COP wynosi 4,8, a pompa ciepła może występować jako rozwiązanie samodzielne, zdolne pokryć także szczytowe zapotrzebowanie na ciepło.

Kampus politechniki w Trondheim

Moholt 50|50 to miasteczko studenckie politechniki (NTNU – Norwegian University of Science and Technology) w norweskim mieście Trondheim. Nazwa nawiązuje do połączenia w obszarze jednego kampusu budynków mających 50 lat z obiektami nowymi, zaprojektowanymi na kolejne 50 lat. Nowa część, zakończona w 2017 roku, składa się z sześciu wieżowców mieszkalnych (632 mieszkania studenckie), przedszkola dla dzieci studentów i kadry (1200 m²) oraz budynku rekreacyjnego.

Nowe budynki to także największa europejska inwestycja z drewna kaszerowanego poprzecznie (cross laminated timber – CLT). Zastosowana technologia Kebony^® umożliwiła wykorzystanie drewna drzew iglastych (miękkiego), które poddane działaniu alkoholu furfurylowego, zostało uszlachetnione, zyskując trwałość, twardość i stabilność wymiarową. CLT umożliwiło obniżenie emisji CO₂ o ponad połowę w porównaniu do tradycyjnej konstrukcji ze stali i betonu, a drewno Kebony^® zamiast drewna z drzew tropikalnych pozwoliło zmniejszyć tzw. ślad węglowy o 15–30 razy. W to prośrodowiskowe myślenie wpisuje się także zastosowane ogrzewanie.

System grzewczy dla kampusu to scentralizowana instalacja pomp ciepła przygotowująca ciepło dla wszystkich nowych budynków. Takie rozwiązanie zapewnia niższe koszty instalacji i łatwiejszą konserwację niż w przypadku systemu rozproszonego. Pełni ono także funkcję edukacyjną (mówimy w końcu o kampusie politechniki) – w centrum miasteczka studenckiego postawiono oszkloną z trzech stron maszynownię, wyposażoną dodatkowo w ekran telewizyjny prezentujący bieżące dane dotyczące produkcji energii (fot. 5).

Za produkcję ciepła na potrzeby systemu HVAC (centrale wentylacyjno-klimatyzacyjne w każdym budynku) oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej odpowiadają trzy pompy ciepła solanka/woda, po 84 kW każda, oraz elektryczny kocioł grzewczy traktowany jako źródło uzupełniające.

Zastosowane rozwiązanie – gruntowe pompy ciepła (solanka/woda) – jest w krajach nordyckich bardzo popularne. W miasteczku Moholt 50|50 jako źródło dolne wykorzystywana jest solanka z 23 otworów, z głębokości ok. 250 m. Temperatura skał macierzystych jest w przybliżeniu równa średniej temperaturze nad gruntem w danej porze roku. Wykorzystywane jest także ciepło odzyskiwane w centralach wentylacyjno-klimatyzacyjnych mieszczących się w poszczególnych budynkach, ciepło pochodzące z kolektora słonecznego na dachu przedszkola (75 m²) oraz ciepło odpadowe odzyskiwane w gruntowym wymienniku ciepła, a także pochodzące ze ścieków z natrysków i pralni.

Temperatura projektowa wody grzewczej wynosi 55°C. System przygotowania c.w.u. wyposażony jest w instalację dezynfekcyjną, która ma zabezpieczać głównie przed bakteriami Legionella. Zastosowano rozwiązanie firmy Apurgo – do wody wprowadza się mikroskopijne ilości jonów srebra i miedzi, dzięki czemu bakterie obecne w wodzie są unieszkodliwiane. Jony te stanowią też barierę dla dalszego wzrostu bakterii, niezależnie od temperatury magazynowanej c.w.u. – temperatura ta może być więc niższa niż próg rozwoju bakterii Legionella.

Literatura

1. Anderson R., Heat pumps extract warmth from ice cold water, BBC News Business, 10 marca 2015, https://www.bbc.com/news/business-31506073 (dostęp: 15.11.2018).
2. Bosch, Case Study – William L. Buck Elementary School, https://www.bosch-climate.us/about-bosch-thermotechnology/case-studies/ (dostęp: 15.11.2018).
3. EHPA, Large scale heat pumps in Europe. 16 examples of realized and successful projects, Bruksela, 22.10.2018, https://www.ehpa.org (dostęp: 15.11.2018).
4. EHPA, Trondheim Moholt 50|50, Heat Pump City of The Year 2017, https://www.ehpa.org/projects/heat-pump-city-of-the-year/heat-pump-city-of-the-year-2017/ (dostęp: 15.11.2018).
5. Friotherm, Company presentation,https://www.friotherm.com (dostęp: 15.11.2018).
6. Friotherm, Oslo–Fornebu: Sustainable development with a district heating/cooling system using a Unitop® 28/22CY, https://www.friotherm.com (dostęp: 15.11.2018).
7. Friotherm, Rolfsbukta – Heating and cooling with seawater and 2x Unitop 43/28, https://www.friotherm.com (dostęp: 15.11.2018).
8. Idsø J., Torbjørn Å., Water-Thermal Energy Production System: A Case Study from Norway „Sustainability” 2017, 9(9), 1665, https://www.mdpi.com/2071-1050/9/9/1665 (dostęp: 15.11.2018).
9. Viessmann, Storing heat underground. Innovative energy concept with heat pump and concrete collectors, „aktuell. The Viessmann magazine” 2/2014.
10. Walnum H.T., Fredriksen E. (SINTEF Building and Infrastructure), THERMAL ENERGY SYSTEMS IN ZEN. Review of technologies relevant for ZEN pilots, ZEN Report No. 3 – 2018, Wyd. SINTEF, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim 2018.
11. Wojtan L., Burkhalter F. (Friotherm), Challenges and recent developments in applications with large scale heat pumps, 11th IEA Heat Pump Conference 2014, Montréal, 12-16.05.2014.
12. https://www.laumer.de/fileadmin/user_upload/Unternehmen/Service/Downloads/Bescheinigungen/Leitfaden_Massivabsorber.pdf.