W 2010 r. firma Ensol przedstawiła SM „Nowoczesna” w Raciborzu pomysł wykorzystania OZE do przygotowania c.w.u. w zarządzanych przez spółdzielnię budynkach wielorodzinnych, w tym 11-piętrowych, oraz modernizacji znajdujących się w nich mało wydajnych instalacji grzewczych. W 2011 r. w ramach tego pomysłu została zaprojektowana i wykonana pierwsza w Polsce pilotażowa instalacja c.w.u. z wykorzystaniem kolektorów słonecznych i pomp ciepła dla budynku 11-kondygnacyjnego.

Głównym założeniem projektu przedstawionego przez firmę Ensol było istotne ograniczenie zużycia energii cieplnej kupowanej od PEC-u na potrzeby przygotowania c.w.u. dla kilkudziesięciu budynków wielorodzinnych SM „Nowoczesna”. Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w tym przypadku pozwalało obniżyć koszty eksploatacji dwutorowo. Z jednej strony zapewniało bezpośrednie obniżenie kosztów przez mniejsze zużycie ciepła z PEC-u, z drugiej strony – obniżenie kosztów stałych związanych z opłatami za moc zarezerwowaną dla poszczególnych budynków. Firma Ensol zadeklarowała w formie gwarancji zawartej w umowie wykonawczej ze spółdzielnią, że minimalna średnioroczna oszczędność w przygotowaniu c.w.u. przy zastosowaniu OZE wyniesie minimum 40%!

Nowe wyzwania – nowe pomysły

Podczas projektowania instalacji solarnej w budownictwie wielorodzinnym należy wziąć pod uwagę wiele aspektów różniących je od małych, przydomowych instalacji solarnych. Zasadniczo małe instalacje wykonywane są w taki sposób, że ciepło z układu solarnego jest przekazywane bezpośrednio do c.w.u. W dużych instalacjach nie jest to możliwe przede wszystkim z dwóch powodów:

• gromadzenie dużej ilości c.w.u. wymaga okresowego podgrzewania wody do temperatury 70°C celem likwidacji legionelli – powoduje to dodatkowe straty ciepła układu;
• maksymalna temperatura c.w.u. jest ograniczona do 55°C – w przypadku dużej instalacji solarnej i przy braku odbioru c.w.u. (wyjazd urlopowy części mieszkańców) może wtedy następować szybkie ogrzewanie zasobników nawet do 90°C. Z tego względu w dużych instalacjach stosowane są zasobniki buforu ciepła, czyli glikol przekazuje ciepło z kolektorów do wody grzewczej bufora ciepła, a dopiero przy wykorzystaniu wody grzewczej z bufora przygotowywana jest c.w.u według bieżących potrzeb.

Jak wpisać się w istniejące warunki

Podczas projektowania instalacji OZE przy uwzględnieniu istniejących rozwiązań w budynkach SM Nowoczesna pojawiło się wiele nowych aspektów.

Przede wszystkim konieczne było połączenie trzech źródeł ciepła w jednej instalacji z zachowaniem następujących priorytetów: kolektory słoneczne, pompy ciepła i PEC. Należało więc stworzyć taki schemat instalacji oraz specjalnych zbiorników buforowych, który by uwzględniał odpowiednio dostosowaną do tego pracę węzła. Wyzwaniem było też zamocowanie kolektorów na dachu budynku (w tym na 11-piętrowcu). Budynki SM „Nowoczesna” mają lekkie dachy z płyt korytkowych. Aby konstrukcja stalowa nie była zbyt kosztowna, a jednocześnie miała odpowiednią odporność na napór wiatru występujący na wysokości 11 piętra, trzeba było zaprojektować i skonstruować właściwy sposób mocowania podpór kolektorów do dachu.

Należało także zaprojektować i wykonać specjalne konstrukcje wsporcze do pomp ciepła, redukujące drgania i wibracje wynikające z pracy pomp ze zmienną prędkością obrotową wentylatorów. W tym przypadku wykorzystano najnowsze rozwiązania z zakresu wibroizolacji i ekranów akustycznych, eliminując drgania i hałas do absolutnego minimum. Obie konstrukcje są przedstawione w dalszej części artykułu.

Ze względu na bardzo dużą stratę cyrkulacji w budynkach (piony c.w.u. i cyrkulacji bez izolacji, prowadzone w wentylowanych szachtach instalacyjnych) dobór liczby i powierzchni kolektorów przeprowadzono w oparciu o rzeczywiste, a nie normowe zużycie ciepła dla potrzeb c.w.u., uwzględniające również straty cyrkulacji.

2. Instalacja solarna na budynku 11-kondygnacyjnym

Autorski system monitoringu

Podczas planowania instalacji solarnych w kilkudziesięciu budynkach spółdzielni mieszkaniowej pojawił się również problem zapewnienia stałej kontroli nad prawidłową pracą poszczególnych instalacji. Rozwiązano go przez zaprojektowanie i wykonanie autorskiego systemu monitoringu (opisanego dalej), umożliwiającego stałą kontrolę najważniejszych parametrów pracy instalacji, włącznie z możliwością raportowania w określonym okresie.

Pilotaż ujawnia problemy

Wykonanie instalacji pilotażowych ujawniło pewne problemy, które trzeba było dodatkowo rozwiązać. Po uruchomieniu pierwszych węzłów okazało się, że prowadzenie cyrkulacji w budynku zakłóca warstwowy rozkład temperatury w buforach. W związku z tym dla następnych węzłów poprawiono schemat hydrauliczny. W nowych schematach ciepło z buforów podgrzewa wstępnie c.w.u., a dogrzewanie do właściwej temperatury odbywa się w odrębnym zasobniku mniejszej pojemności.

Kolejnym problemem była charakterystyka wibracji generowanych przez pompy ciepła jednego z producentów na konstrukcje wsporcze. Była ona niekorzystna dla mieszkańców w godzinach nocnych, przy czym praca pomp powodowała drgania lub wibracje przegród w budynku. W związku z tym trzeba było pod pompami zastosować specjalne wibroizolatory tłumiące drgania, a same pompy dodatkowo obudować osłonami dźwiękochłonnymi.

Układy pracy instalacji wspomagającej

W instalacji kolektorów słonecznych i pomp ciepła zaprojektowanej do wspomagania przygotowania c.w.u. na potrzeby mieszkańców można wyróżnić następujące układy pracy:

• układ kolektorów słonecznych – paneli montowanych na dachu budynku (rys. 3), połączony z układem odbioru ciepła z kolektorów, składającym się z solarnej grupy pompowej (rys. 4), wymiennika ciepła i pompy obiegu zasobnika ciepła (rys. 5);
• układ dwóch pomp ciepła, składających się z jednostek zewnętrznych (rys. 6) zamontowanych na dachu i jednostek wewnętrznych (bloków wodnych) zamontowanych w węźle ciepła;
• układ zasobników ciepła – systemowych zbiorników wody gorącej, ładowanych warstwowo i zamontowanych w węźle ciepła (rys. 7);
• układ modułów świeżej wody (rys. 8), służących do wstępnego podgrzania ciepłej wody przy wykorzystaniu ciepła pozyskanego z zasobników ciepła;
• układ ciepłej wody, składający się zasobnikowego podgrzewacza ciepłej wody (rys. 9),
• wymiennika cyrkulacji z pompami oraz orurowania i armatury (rys. 10) dostarczającej do zasobnikowego podgrzewacza ciepło „wysokiego parametru”

3. Bateria kolektorów DIS50

Układ kolektorów słonecznych i układ odbioru ciepła

4. Solarna grupa pompowa

Dla celów inwestycji dobrano kolektory płaskie typu DIS50 o powierzchni każdego z nich 5,23 m2. Praca układu kolektorów słonecznych zabudowanych na dachu budynku (rys. 3), możliwa jest tylko w okresie ich nasłonecznienia. Odbiór ciepła z układu następuje w momencie, gdy temperatura płynu solarnego osiąga temperaturę wyższą od temperatury wody w zasobnikach o co najmniej 5-7°C.

Uruchomiona zostaje wówczas pompa w solarnej grupie pompowej (rys. 4) oraz pompa systemowych zbiorników ciepła (rys. 5). Wymiana ciepła pomiędzy płynem solarnym a wodą gromadzoną w buforach ciepła trwa do chwili, gdy temperatura wody w zasobnikach ciepła osiągnie wartość t = 90°C.

Układ dwóch pomp ciepła

Układ ten składa się z jednostek zewnętrznych (rys. 6) zamontowanych na dachu oraz jednostek wewnętrznych (bloków wodnych) zamontowanych w węźle ciepła. Praca pomp ciepła zależna jest od temperatury powietrza zewnętrznego oraz temperatury wody w systemowych zbiornikach ciepła.

Temperatura wody podgrzewanej przez pompy ciepła winna być wyższa od wody gromadzonej w zasobnikach ciepła. Ponadto, przy temperaturze zewnętrznej niższej od t = -7°C praca pomp jest nieopłacalna i zostaje zaniechana przez automatyczną blokadę.

Założono, że pompy ciepła będą pracowały tylko w okresie "taryfy nocnej", tj. w godzinach od 22 do 6 rano oraz od 13 do 15. Ciepło pobrane przez jednostki zewnętrzne powietrznych pomp ciepła z powietrza zewnętrznego przekazywane jest jednostkom wewnętrznym. Przewody freonowe łączące obie jednostki wykonane są z rur miedzianych. Natomiast za pomocą przewodów stalowych woda podgrzana w wewnętrznych jednostkach pomp ciepła doprowadzana jest do systemowych zbiorników ciepła.

Układ zasobników ciepła

Funkcją układu systemowych zasobników ciepła ładowanych warstwowo, zamontowanych w węźle ciepła (rys. 7), jest gromadzenie nadwyżek energii cieplnej pozyskanej za pomocą kolektorów słonecznych i pomp ciepła, a następnie przekazanie ciepła do układu modułów świeżej wody użytkowej.

Układ modułów świeżej wody

W modułach świeżej wody użytkowej (rys. 8) dochodzi do wstępnego podgrzania zimnej wody dostarczanej do węzła z instalacji wodociągowej w budynku – przy wykorzystaniu ciepła pozyskanego z systemowych zbiorników ciepła (buforów). Tak przygotowana ciepła woda zasila ostatni dwuwężownicowy, zasobnikowy podgrzewacz ciepłej wody oraz płytowy wymiennik ciepła wody cyrkulacyjnej.

W momencie, gdy w obiekcie pojawia się zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową (np. odkręcony zostanie kran), przez moduły świeżej wody zaczyna płynąć woda zimna. Przepływ wody przez moduł powoduje uruchomienie zabudowanej w module pompy obiegowej, pobierającej z systemowego zasobnika ciepła wodę gorącą. W module następuje wymiana ciepła. Temperatura wstępnie podgrzanej wody w module jest uzależniona od temperatury wody w zasobnikach ciepła (buforach), jednak nie powinna przekroczyć zadanej temperatury maksymalnej t = 55°C.

5. Wymiennik i pompy pozostałych układów	6. Jednostki zewnętrzne pomp ciepła
7. Układ zasobników ciepła

Układ ciepłej wody

Układ ten składa się z zasobnikowego podgrzewacza ciepłej wody (rys. 9), wymiennika cyrkulacji z pompami oraz orurowania i armatury (rys. 10) dostarczającej do zasobnikowego podgrzewacza ciepło „wysokiego parametru”. Zadaniem zasobnikowego podgrzewacza jest ewentualne podgrzanie wody do temperatury oczekiwanej t = 55°C. Jeżeli woda dostarczona z modułów ciepłej wody nie osiągnie takiej temperatury, otwarty zostanie zawór na dopływie wody „wysokiego parametru” z PEC do wężownicy podgrzewacza ciepłej wody. Wówczas woda będzie podgrzewana ciepłem dostarczanym z sieci ciepłowniczej. Przewody „wysokiego parametru” oznaczono na schemacie liniami przerywaną i ciągłą w kolorze czarnym. Natomiast woda cyrkulacyjna będzie podgrzewana w płytowym wymienniku ciepła za pomocą ciepła pozyskanego z systemowych zbiorników. Tak, wstępnie podgrzana woda cyrkulacyjna, skierowana zostanie do zasobnikowego podgrzewacza ciepłej wody.

8. Układ modułów świeżej wody	9. Podgrzewacz ciepłej wody	10. Wymiennik cyrkulacji z pompami

Konstrukcje wsporcze kolektorów i pomp ciepła

Projektowane kolektory słoneczne posadowione zostały na stalowych, cynkowanych ogniowo podporach mocowanych do dachu (rys. 11). Podpory te wykonano z ocynkowanych blach stalowych, kształtowników i prętów stalowych łączonych przez spawanie. Takie rozwiązanie systemów mocowań umożliwiło zabudowę kolektorów niezależnie od usytuowania budynków względem stron świata. Podpory wsporcze utrzymują stałe nachylenie kolektorów do poziomu dachu budynku równe 45º. Jeśli chodzi o jednostki zewnętrzne pomp ciepła, to zostały one posadowione na dachu budynku, na stalowej konstrukcji wsporczej, ocynkowanej (rys. 12).

Całość prac na dachu budynku przeprowadzono z zabezpieczeniem istniejącego pokrycia bitumicznego. Blachy podpór zostały zamontowane na dachu na warstwie uszczelniacza bitumicznego. Po zamontowaniu podpór pokryto je trzema warstwami papy termozgrzewalnej zachodzącej na połać dachu. Miejsca przejść elementów konstrukcyjnych przez papę (śruby, pręty mocujące itp.) zabezpieczono przed przenikaniem wody.

11. Specjalna konstrukcja wsporcza kolektorów słonecznych

12. Specjalna konstrukcja wsporcza zewnętrznych jednostek pomp ciepła

13. System monitoringu przykładowej instalacji

System monitoringu oraz raportowania uzysków

14. Wykres wartości historycznej pomiaru temperatury

15. Logowanie do systemu monitoringu

Instalacja przygotowania ciepłej wody w budynkach zgodnie z projektem jest wyposażana w system monitoringu parametrów pracy. W systemie tym pokazywane są i archiwizowane dane dotyczące pomiarów:

• temperatury w punktach charakterystycznych instalacji, a w szczególności temperatury: kolektorów, zasobników ciepła, zasobnikowego podgrzewacza wody, zasilania i powrotu układu pomp ciepła, ciepłej wody użytkowej podawanej na budynek;
• wartości przepływu płynów w zintegrowanych obiegach instalacji, takich jak płyn solarny do kolektorów słonecznych, woda w układzie pompy ciepła, woda w układzie "wysokiego parametru", ciepła woda użytkowa podawana na budynek;
• ilości ciepła produkowanego w systemie kolektorów słonecznych i w systemie pomp ciepła oraz ilości zużywanego ciepła „wysokoparametrowego”;
• ilości zużywanej energii elektrycznej w węźle ciepła.

System monitoringu umożliwia śledzenie informacji o stanach awaryjnych urządzeń pompowych zabudowanych w poszczególnych węzłach cieplnych z podziałem na sytuacje awaryjne bieżące i historyczne. 

Wszystkie wartości pomiarowe i komunikaty awaryjne gromadzone są i zapisywane w specjalnym archiwum, które umożliwia obserwację tych stanów w okresie późniejszym. Wartości pomiarów mogą być obserwowane na polach numerycznych (rys. 13) oraz na wykresach przedstawiających wartość bieżącą i historyczną (rys. 14). W celu analizy uzysków zaimplementowano również system raportów, którego format graficzny przedstawiony jest na rys. 17 mały wycinek rzeczywistego raportu.

Monitoring węzłów cieplnych jest możliwy przy użyciu przeglądarki internetowej. Specjalny serwer zapewnia połączenie z poszczególnymi węzłami cieplnymi i śledzenie układu z dowolnego miejsca z dostępem do internetu – po zalogowaniu się do systemu za pomocą przydzielonego hasła dostępowego dla wcześniej zdefiniowanego użytkownika (rys. 16). Funkcjonalność ta w znacznym stopniu poprawia możliwość analizy i dostrojenia układu do optymalnej pracy.

Dodatkową funkcją systemu monitoringu jest możliwość analizowania pracy układów grzewczych przez aplikację trendów, które mogą być dowolnie konfigurowane (rys. 16). Trendy pokazywane są w odpowiedniej skali oraz za dowolny czas pracy systemu monitoringu.

16. Konfi gurowalne trendy monitoringu

17. Przykładowy raport uzysków instalacji

System monitoringu jest konfigurowalny i może być rozbudowany o dodatkowe funkcje, takie jak:

• dodatkowe punkty pomiarowe,
• rozbudowane i specjalizowane raporty,
• rozszerzona diagnostyka poprawności działania,
• archiwizacja danych pomiarowych w bazach danych SQL.

Do naśladowania

Dążenie SM „Nowoczesna” w Raciborzu do obniżania kosztów przygotowania c.w.u. i i wynikająca z tego decyzja o podjęciu inwestycji spotkały się z dużym zainteresowaniem systemem wielkopowierzchniowych kolektorów słonecznych firmy Ensol przez wspólnoty i spółdzielnie mieszkaniowe w całej Polsce. Najlepszą rekomendacją dla przyszłych inwestorów myślących o zastosowaniu kolektorów słonecznych w budownictwie wielorodzinnym jest to, że w SM „Nowoczesna” zostało już wykonanych 16 instalacji, w trakcie jest 11, a projektuje się kolejne 43 instalacje. Tak duże zadanie związane z zastosowaniem instalacji OZE na budynkach spółdzielczych świadczy o wymiernych korzyściach z ich stosowania. Gwarantowane średnioroczne finansowe oszczędności z wykorzystania OZE wynoszą minimum 40%. Biorąc jednak pod uwagę wyniki pracujących już instalacji, większość z nich zapewnia znacznie większe oszczędności, powyżej gwarantowanych 40%.

Krzysztof Sadlok