Pompy ciepła w pętli wodnej – przykład realizacji obiektu z systemem WLHP

W „Rynku Instalacyjnym” nr 7–8/2018 opisano układy grzewczo/chłodzące wykorzystujące pompy ciepła WLHP wpięte w pętlę wodną [1]. Omówiono zasadę działania, przedstawiono podstawowe założenia, tryby pracy oraz zalecane temperatury pracy po stronie pętli wodnej. Kontynuacją rozważań o technologii WLHP jest przedstawienie procesu projektowego. W poniższym artykule przedstawiono zasady projektowania układów z pompami ciepła dla budynku o łącznej powierzchni 7500 m². Zasady projektowe opisano na przykładzie reprezentatywnego piętra budynku.

Budynek – założenia projektowe

Prezentowany budynek to zrealizowana inwestycja zlokalizowana w centralnej Polsce, co determinuje założenia dotyczące parametrów powietrza zewnętrznego:

LATO: T_zew = 32°C, ϕ = 45%; 

ZIMA: T_zew = –20°C, ϕ = 100%.

Przyjęto następujące parametry powietrza dla pomieszczeń biurowych: 

LATO: T_wew = 24°C ±1°C; ϕ = 50% ±10%;

ZIMA: T_wew = 20°C ±1°C; ϕ = 50% ±10%.

Założenia projektowe dotyczące wentylacji zastosowanej w budynku opierają się na tym, że powietrze świeże jest dostarczane przez centrale wentylacyjne. Natomiast pompy ciepła będą pracować na powietrzu obiegowym, odprowadzając zyski ciepła lub doprowadzając ciepło do pomieszczeń. Zapotrzebowanie na moc cieplną i chłodniczą dla poszczególnych pomieszczeń na reprezentatywnej kondygnacji przedstawia tabela 1. 

Wybór metody obliczeń zapotrzebowania na moc jest decyzją projektanta. Na podstawie przedstawionego zestawienia zapotrzebowania na moc (grzanie/chłodzenie) dobrano pompy ciepła.

Dobór odpowiednich modeli pomp ciepła dla pomieszczeń

W poprzednim artykule opisywano ideę pracy pomp ciepła WLHP, która zapewnia dostarczenie ciepła lub chłodu do pomieszczenia przez tę samą jednostkę [1]. 

Z uwagi na wyższe zapotrzebowanie budynku na chłód przyjmuje się, że czynnikiem determinującym wybór wielkości pompy ciepła jest tryb chłodzenia. 

Warto przypomnieć rekomendowany obszar pracy dla pomp ciepła (rys. 1), który określa dopuszczalny zakres temperatur wody w pętli wodnej, zapewniający pracę pomp ciepła w obu trybach – grzania lub chłodzenia – przy zasilaniu wodą o identycznej temperaturze.

Zgodnie z powyższym wykresem można przyjąć zakres 18–32°C, gdzie temperatura 18°C jest wartością wody wlotowej dla trybu grzania, a 32°C dla trybu chłodzenia. Jest to zakres maksymalny umożliwiający największe akumulowanie energii w pętli wodnej. Praca jednostki poza tym zakresem spowoduje ograniczenie funkcjonalności pomp ciepła do jednego trybu pracy (poniżej 18°C – grzania, powyżej 32°C – chłodzenia). Zakres ten może być przez projektanta modyfikowany. Ważne jest, żeby pozwalał na pracę w obu trybach (np. 20–30°C). Do zilustrowania doboru jednostek wybrano dwa przykładowe pomieszczenia:

• pokój Manager 2 (lp. 22 w tabeli 1) o powierzchni 14 m² – pomieszczenie „jednoosobowe”,
• open space (lp. 15 w tabeli 1) o powierzchni 465 m² – pomieszczenie „wieloosobowe”.

Pokój managera 

W bilansie energetycznym dla tego pomieszczenia poszczególne wartości prezentują się następująco: 

• zapotrzebowanie na chłód: 2 kW, 
• zapotrzebowanie na ciepło: 1,5 kW.

Tryb chłodzenia – zgodnie z założeniami wybór modelu pompy ciepła rozpoczynamy, odnosząc się do zapotrzebowania na moc chłodniczą. Producenci pomp ciepła udostępniają tabele wydajności w zależności od parametrów wejściowych, tj. przepływu powietrza, temperatury wody wlotowej, przepływu wody oraz parametrów powietrza na wlocie. Niektórzy producenci pomp WLHP również dysponują programami doborowymi. Z uwagi na fakt, że programy doborowe nie zawsze są ogólnodostępne, do określenia wydajności wykorzystane zostaną ustandaryzowane tabele wydajności. Producenci pomp ciepła mają zwykle w swojej ofercie urządzenia o szerokim zakresie wydajności. Żeby przyspieszyć wybór odpowiedniego modelu, można skorzystać z danych katalogowych – znajdziemy w nich nominalne moce chłodnicze. Dla przykładu na rys. 2 pokazano szybki dobór pomp ciepła na podstawie materiałów technicznych producenta.

Dwie jednostki mają moc zbliżoną do zapotrzebowania (2,1 kW): FT2000 oraz CW-AR09. Koncepcja projektu zakłada, że wykorzystane mają być jednostki kanałowe do montażu w suficie podwieszanym, dlatego do szczegółowych analiz wybrano FT2000 (modele ­CW-AR są jednostkami do montażu pionowego). Parametrami „wejściowymi” dla modelu FT2000 są:

• przepływ powietrza: 450 m³/h,
• przepływ wody: 419 l/h (0,12 l/s),
• temperatura wody zasilającej: 32°C,
• temperatura powietrza w pomieszczeniu LATO: T_wew = 24°C ±1°C; ϕ = 50% ±10%.

W oparciu o powyższe parametry możemy oszacować wydajność urządzenia w projektowym punkcie pracy.

Parametry doborowe w trybie chłodzenia:

• TSE – temperatura wody wylotowej: 37°C, 
• Pt – całkowita moc chłodnicza: 1,92 kW,
• Ps – jawna moc chłodnicza: 1,6 kW,
• Pabs – pobór mocy przez sprężarki: 0,54 kW,
• CR – ciepło oddawane do pętli wodnej: 2,46 kW,
• EER – sprawność w punkcie pracy: 3,59.

W trybie grzania parametry wejściowe dla pompy pozostają niezmienne, poza temperaturą zasilania, która wynosi 18°C, oraz parametrami powietrza w pomieszczeniu T_wew = 20°C ±1°C; ϕ = 50% ± 10%. 

Parametry wynikowe w trybie grzania: 

• Pc – całkowita moc grzewcza: 2,4 kW,
• Pabs – pobór mocy przez sprężarki: 0,64 kW,
• CR – ciepło pobierane z pętli wodnej: 1,76 kW,
• COP – sprawność w punkcie pracy: 3,85,
• temperatura wody wylotowej: 14,5°C.

Open space 

W bilansie energetycznym dla tego pomieszczenia poszczególne wartości prezentują się następująco: 

• zapotrzebowanie na chłód: 69,75 kW,
• zapotrzebowanie na ciepło: 51,25 kW.

W pomieszczeniach typu open space najczęściej wykorzystuje się wiele urządzeń, aby sprawnie zapewnić komfort termiczny w klimatyzowanej przestrzeni. Dla analizowanej powierzchni wybrano jednostki EFTYS 3000 w liczbie 25 sztuk. Dane wejściowe:

• przepływ powietrza: 600 m3/h, 
• przepływ wody: 623 l/h (0,17 l/s).

Parametry projektowe dla trybu chłodzenia:

• TSE – temperatura wody wylotowej: 37°C,
• Pt – całkowita moc chłodnicza: 2,8 kW,
• Ps – jawna moc chłodnicza: 2,2 kW,
• Pabs – pobór mocy przez sprężarki: 0,78 kW,
• CR – ciepło oddawane do pętli wodnej: 3,6 kW,
• EER – sprawność w punkcie pracy: 3,56.

Sumaryczna moc chłodnicza 25 jednostek wynosi 70 kW. Parametry projektowe dla trybu grzania:

• Pc – całkowita moc grzewcza: 3,5 kW,
• Pabs – pobór mocy przez sprężarki: 0,83 kW,
• CR – ciepło pobierane z pętli wodnej: 2,6 kW,
• COP – sprawność w punkcie pracy: 4,4,   
• temperatura wody wylotowej: 14,5°C.

W trybie grzania można zredukować liczbę pracujących pomp ciepła w celu dostosowania ilości ciepła dostarczanego do pomieszczenia. W pomieszczeniu open space w trybie grzania aktywnych będzie 15 jednostek.

System dystrybucji powietrza

Kolejnym etapem projektowym jest strona dystrybucji powietrza. Z uwagi na fakt, że każda pompa ciepła to mały układ chłodniczy mający określony zakres parametrów pracy po stronie powietrza, który należy wziąć pod uwagę, projekt instalacji wentylacji jest bardzo ważnym elementem w układach z pompami WLHP. 

Producenci pomp ciepła podają w dokumentacji technicznej dopuszczalne obszary pracy dla swoich jednostek. Ważne, żeby projektować układ wentylacyjny pozwalający pompie ciepła na pracę w granicach obszaru rekomendowanego przez producenta. 

Dla modelu EFTYS 3000 zalecane zakresy przepływu powietrza wynoszą od 450 do 600 m³/h dla obu trybów pracy (grzanie/chłodzenie). Wyjście poza ten obszar może prowadzić do występowania alarmów ciśnienia, a w konsekwencji zatrzymania pracy urządzenia. Wymiarując instalację dystrybucji powietrza, należy zapewnić właściwe wartości przepływu powietrza przy niskich oporach hydraulicznych. Praktykuje się projektowanie instalacji niskooporowych, gdzie opór instalacji wynosi 50 Pa dla przepływu nominalnego. 

Warto wykorzystywać pompy WLHP wyposażone w wentylatory, które pozwalają na płynną regulację prędkości obrotowej (np. EC), co zapewni dostosowanie przepływu powietrza do wymagań projektowych podczas uruchomienia jednostek. 

Dystrybucja powietrza – dobór nawiewników

Oprócz właściwego przepływu powietrza równie ważne jest zapewnienie skutecznej cyrkulacji powietrza w pomieszczeniu. Dla pomp ciepła wartości graniczne temperatur wlotowych do urządzenia wynoszą odpowiednio dla trybu grzania 15–26°C, dla chłodzenia 21–32°C. Największe wyzwanie stojące przed projektantami to dostarczenie ciepłego powietrza z pompy ciepła do strefy przebywania ludzi. W obliczeniach inżynierskich pomocnym narzędziem jest program doborowy symulujący pracę wybranych nawiewników i kratek wyciągowych w projektowanych pomieszczeniach. Programy symulacyjne pozwalają na weryfikację poprawności parametrów powietrza nawiewanego wpadającego do strefy przebywania ludzi. Przykład procesu doboru i symulacji przepływu powietrza dla pomieszczenia open space z zastosowaniem nawiewników szczelinowych ilustrują rys. 3, 4, 5 i 6.

Instalacja wodna 

Zadaniem instalacji wodnej jest dostarczanie lub odbieranie energii od poszczególnych pomp ciepła. Jednocześnie dzięki szerokiemu dopuszczalnemu zakresowi wartości temperatur wody w pętli (18–32°C) pełni ona również funkcję akumulatora energii. Ponieważ pętla wodna stanowi dolne/górne źródło dla każdej pompy ciepła, musi zostać bezwzględnie zapewniony właściwy przepływ cieczy przez wymiennik, który wynika z zakresu przepływów podawanych przez producentów. Główna instalacja wody technologicznej może zostać zaprojektowana jako zmienno- lub stałoprzepływowa. Zaleca się, aby pompy ciepła pracowały ze stałym przepływem przez wymiennik czynnik chłodniczy/woda. 

Dla modelu EFTYS 3000 przy założonych temperaturach wody jej rekomendowany zakres przepływu waha się od 425 l/h (0,12 l/s) do 620 l/h (0,17 l/s). Przepływ wody poza zalecanym obszarem może prowadzić do występowania alarmów i w konsekwencji blokady pracy pomp ciepła. Instalacja wody technologicznej zasilająca pompy ciepła WLHP powinna zapewniać wymagany przepływ na potrzeby szczytu letniego. Przykładowy schemat podłączenia pompy ciepła pokazano na rys. 7.

Na instalacji zasilającej pompy ciepła warto przewidzieć montaż zaworów odcinających, zaworów regulacyjno-równoważących, zaworów zwrotnych i spustowych oraz filtrów, odpowietrzników, manometrów, termometrów itp. Rurociągi powinny być montowane ze spadkiem 0,2–0,3% w kierunku pionów, co umożliwi odpowietrzenie instalacji i spust wody.

W projektowanym budynku dystrybucja wody odbywa się w oparciu o układ dwururowy – magistrale zasilające oraz powrotne. Zaletą tego układu jest fakt, że wszystkie pompy są zasilane tą samą temperaturą. 

Alternatywą dla instalacji dwururowej jest układ jednorurowy. Przy instalacji jednorurowej temperatura wody w instalacji jest zmienna. Zasilanie pomp ciepła realizowane jest w systemie dwururowym ze stałym, wymuszonym pompowo wydatkiem (pompa obiegowa pracuje zawsze podczas pracy pompy ciepła). Wadą tego rozwiązania jest fakt, że ostatnia jednostka w danej nitce może mieć najbardziej niekorzystną temperaturę wody (w przypadku pracy wszystkich pomp w jednym trybie). W tym rozwiązaniu wymagana jest również pompa krótkiego obiegu.

Dobór źródeł ciepła i chłodu

Wieża chłodnicza Dobór źródła chłodu wynika z sumy jednostek pracujących w budynku. Finalna moc źródła chłodu jest wyższa niż moc chłodnicza dobranych pomp ciepła. Wynika to z faktu, że do pętli wodnej oddawana jest moc chłodnicza oraz moc od sprężarek (wartość CR podana przy parametrach dobranych pomp ciepła).

Zsumowana moc chłodnicza dla wszystkich jednostek w budynku wynosi 900 kW, a moc przekazywana do pętli 1200 kW. Najpopularniejszym typem urządzenia do oddawania nadmiaru ciepła są wieże chłodnicze, które mogą być typu otwartego lub zamkniętego. Przy doborze wieży należy wziąć pod uwagę projektowane temperatury pętli wodnej. Natomiast parametry doborowe dla powietrza zewnętrznego odnoszą się do wartości temperatury wilgotnego termometru (Wet Bulb). 

Moc wieży chłodniczej można obliczyć z poniższego wzoru:

gdzie:

• Qcr – moc cieplna oddawana do pętli wodnej w trybie chłodzenia;
• i = 1...n – liczba pomp ciepła.

W celu optymalizacji, znając przeznaczenie pomieszczeń i ich charakterystykę wykorzystania, przy doborze wieży chłodniczej należy zastosować współczynnik niejednoczesności. Pozwoli to dobrać właściwy model i uniknąć zbędnego przewymiarowania źródła chłodu.

Ciepło sieciowe

Przy wymiarowaniu źródła dostarczającego ciepło do budynku należy rozpocząć od zapotrzebowania na ciepło wynikającego z bilansu energetycznego.

W analizowanym budynku sumaryczne zapotrzebowanie na ciepło wyniosło 781 kW. Jednak dzięki charakterystyce systemów WLHP źródło ciepła będzie mogło mieć mniejszą moc, niż to wynika z bilansu. Wpływają na to dwa aspekty. 

Pierwszym jest możliwość transportowania energii w obrębie budynku. Na piętrach znajdują się pomieszczenia, które wymagają chłodzenia przez cały rok (np. pokoje techniczne, pomieszczenia z UPS czy urządzeniami IT). Jednostki pracujące w takich pomieszczeniach zmniejszają zapotrzebowanie na moc źródła ciepła o wartość ciepła oddawanego do pętli. W analizowanym przypadku na piętrze można obniżyć zapotrzebowanie na ciepło o 15 kW dzięki pomieszczeniom: pokój UPS, magazyn, pokój IT i pokój techniczny. 

Drugi aspekt wynika z podstawowych założeń pracy pomp ciepła. Znając sprawność transportowania energii układów chłodniczych, można obliczyć zapotrzebowanie na ciepło ze źródła ciepła, uwzględniając ciepło generowane przez sprężarki. Bilans zapotrzebowania na moc grzewczą dla pojedynczego piętra ilustruje rys. 10.

Wracając do analizowanego budynku: zastosowanie się do powyższych prawidłowości pozwala na zaprojektowanie źródła ciepła o mocy 610 kW, a więc o 170 kW mniejszej, niż wynika z bilansu energetycznego wynoszącego 780 kW. Jest to zmniejszenie mocy źródła ciepła o 22%, co bezpośrednio przekłada się na niższe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Źródłem ciepła w opisywanym budynku biurowym jest węzeł cieplny z ciepłem sieciowym.

Regulacja układu pętli wodnej – kontrola temperatur

W układzie sterowania należy przewidzieć sposób regulacji doprowadzania/odprowadzania ciepła do pętli w oparciu o założenia projektowe dotyczące limitów temperatur w pętli. W przypadku przekroczenia temperatury 32°C układ sterujący powinien uruchomić źródło chłodu (wieżę chłodniczą), wykorzystując dostępne stopnie regulacji dobranego urządzenia (np. prędkości wentylatorów, włączenie zraszania, praca na sucho). Praca z pełnym obciążeniem powinna zostać osiągnięta przy temperaturze pętli 37°C (temperatura wody wylotowej z pompy ciepła w trybie chłodzenia). W momencie spadku temperatury poniżej 18°C system automatyki powinien załączyć źródło ciepła. Pełna moc źródła ciepła powinna zostać osiągnięta przy temperaturze 14°C (temperatura wylotowa z pompy ciepła w trybie grzania). Gdy temperatura w pętli wodnej zawiera się w przedziale 18–32°C, układ osiąga równowagę termiczną i nie ma potrzeby dostarczania/odprowadzania ciepła z pętli wodnej.

Podsumowanie 

Układy pomp ciepła WLHP stają się coraz chętniej stosowanym systemem do zapewnienia komfortu cieplnego w budynkach biurowych i komercyjnych. Ten autonomiczny system grzewczo-chłodzący to optymalne rozwiązanie dla budynków o zróżnicowanych obciążeniach cieplnych. Dzięki swej charakterystyce oraz elastyczności w okresach przejściowych budynek będzie generował niskie koszty zapewnienia odpowiedniego komfortu cieplnego.

Zasady projektowania wodnej pętli technologicznej z wykorzystaniem pomp ciepła są w wielu obszarach zbieżne z klasycznymi systemami w technologii wody lodowej. Różnice pojawiają się w bilansie energetycznym przy wymiarowaniu źródeł ciepła/chłodu, gdzie trzeba pamiętać o uwzględnieniu poboru mocy przez sprężarki w zaprojektowanych pompach ciepła. Z uwagi na fakt, że każda pompa ciepła to mały układ chłodniczy, bardzo ważnym aspektem jest zaprojektowanie właściwych przepływów powietrza i wody w urządzeniu zgodnie z wymaganiami producenta. Niniejszy artykuł ma być w założeniu przyczynkiem do analizy układów WLHP jako efektywnego i ekologicznego systemu zapewniającego komfort cieplny w budynku przy niskich kosztach eksploatacyjnych. Ma to szczególne znaczenie w dobie rosnących cen energii elektrycznej, gdy inwestorzy kładą nacisk na projektowanie rozwiązań efektywnych energetycznie.

Literatura

1. Sosnowski R., Pompy ciepła w pętli wodnej – opis systemu WLHP, „Rynek Instalacyjny” nr 7-8/2018.
2. Materiały techniczne firmy Systemair.
3. Technical Development Program, Water Source Heat Pumps System, Carrier.
4. HVAC Systems and Equipment, ASHRAE Handbook, 2008, p. 8.14–8.18.
5. Montgomery R., McDowall R., Engineering – Fundamentals of HVAC Control Systems, ASHRAE Elsevier, 2008, p. 247–249.
6. The benefits of using water-source heat pumps, https://www.csemag.com/single-article/the-benefits-of-using-water-source-heat-pumps/8bfa42b6392f343f15b66b996f350bab.html.
7. Evans J.A. (ed.), Foster A.M. (ed.), Sustainable Retail Refrigeration, 10.3.4. Heat recovery with water loop heat pumps (WLHPs).