Obiekty sakralne, podobnie jak te użyteczności publicznej, coraz częściej są wyposażane w zaawansowane technologicznie, przyszłościowe rozwiązania, które pozwalają zracjonalizować koszty ich eksploatacji. Świetnym przykładem takiego przedsięwzięcia jest wykonanie węzła ciepła i chłodu z zastosowaniem kogeneracji – w opcji trigeneracja, w Centrum Jana Pawła II w Krakowie „Nie lękajcie się”.

Moja kilkuletnia przygoda z projektem Centrum Jana Pawła II w Krakowie „Nie lękajcie się” rozpoczęła się trywialnie. Koleżanka, projektantka instalacji sanitarnych, rekomendowała mnie swojemu zaprzyjaźnionemu architektowi jako specjalistę w zakresie branży sanitarnej i osobę godną zaufania. Trudność polegała na tym, że projekt Centrum Jana Pawła II był nie tylko imponujący pod względem wielkości, ale i skomplikowany, ponieważ w założeniu łączył obiekty budowlane z pomieszczeniami o różnorakich funkcjach i wymaganiach. Oczekiwano nowoczesnych rozwiązań, odpowiednich na obecne czasy, które jednocześnie pozwalają kompleksowo racjonalizować koszty eksploatacji, utrzymując je na rozsądnym (czytaj: możliwie niskim) poziomie. Z założenia Centrum nie miało być bowiem drogocenną skarbonką Krakowskiej Kurii, lecz utrzymywać się ze swojej statutowej działalności. Z tego powodu rozwiązania w zakresie instalacji sanitarnych musiały być niskoenergetyczne oraz powiązane z ekologicznymi źródłami ciepła i chłodu w zakresie całej inwestycji. Centrum miało stanowić żywy pomnik papieża Polaka, ukształtowany w betonie, pamięci oraz sercach wiernych i pielgrzymów.

Od złóż mineralnych i kamieniołomów

Lokalizacja Centrum w Krakowie określana jest jako „Białe morza” i związana z historią miejsca. Pod koniec XVIII wieku, podczas budowania przez Austriaków traktu z Wiednia do Lwowa, we wsi Łagiewniki odkryto iły łupkowe i gips. Dało to impuls do rozwoju przemysłu w tym miejscu i produkcji sody kalcynowej i kaustycznej. Jeszcze w latach 90. ubiegłego wieku działały założone w 1906 r. Krakowskie Zakłady Sodowe „Solvay”, które ostatecznie zostały zlikwidowane w 1996 r. Efektem ubocznym produkcji sody była konieczność magazynowania białych odpadów posodowych w stawach osadowych, tzw. osadnikach. W końcu osadniki utworzyły wzgórze, które z lotu ptaka wyglądało jak białe morze. W czasie drugiej wojny światowej fabryka stanowiła schronienie dla części inteligencji krakowskiej przed przymusowymi robotami w Niemczech. Miejsce to ma symboliczny wymiar za sprawą Karola Wojtyły, przyszłego papieża, który w tym czasie pracował w kamieniołomie jako robotnik.

Prace projektowe

Na koncepcję projektową Centrum został rozpisany konkurs, w którym uczestniczyły biura projektowe krajowe i zagraniczne. Ostatecznie konkurs wygrał młody, zdolny, krakowski architekt Andrzej Mikulski. Jego koncepcja architektoniczna okazała się najciekawsza. Nawiązuje ona w stylu i formie do starej części Krakowa (rys.1).
Pierwotnie Centrum miało stanowić kompleks budynków z funkcjami użytkowymi i kościołem dwupoziomowym, takich jak:

• kościół (dolny i gorny),
• Instytut Jana Pawła II,
• centrum szkoleniowe wolontariatu,
• muzeum,
• centrum konferencyjne,
• centrum rekolekcyjne,
• dom pielgrzyma,
• hotel.

Łączna powierzchnia użytkowa wszystkich planowanych budynków wynosiła około 40 tys. m², przy kubaturze około 167 tys. m³. Ze względu na rozmiar przedsięwzięcia, budowa Centrum został podzielona na kilka etapów. W pierwszym etapie rozpoczęto budowę kościoła, Instytutu Jana Pawła II oraz centrum szkoleniowego wolontariatu wraz z sieciami, przyłączami i zapleczem energetycznym dla pierwszego etapu. Następnie miały być budowane kolejne budynki wraz z adekwatną infrastrukturą i wyposażeniem. W trakcie budowy nastąpiły kosmetyczne zmiany, które nie wpłynęły jednak na całość wizji architekta.

Pierwotna koncepcja instalacji

Po długich ustaleniach z inwestorem, konsultacjach w zespołach branżowych i z dostawcami mediów, przede wszystkim energii elektrycznej oraz gazu, przyjęto rozwiązania jedyne możliwe w istniejących wówczas warunkach. Jako źródło ciepła zaprojektowano kondensacyjną kotłownię gazową, natomiast jako źródło zimna – agregaty wody lodowej. Przy wcześniej przyjętych rozwiązaniach zaprojektowano sieci i przyłącza oraz instalacje wewnętrzne, takie jak instalacje wentylacji mechanicznej, klimatyzacji, ogrzewania, wodno-kanalizacyjne, hydranty, instalacje gazowe oraz pozostałe. W celu redukcji zużycia energii cieplnej uwzględniono wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, przy wykorzystaniu urządzeń o możliwie wysokiej sprawności energetycznej. Zaprojektowano zmienno przepływowy system wentylacji mechanicznej, optymalizujący pracę central klimatyzacyjnych, działający w oparciu o czujniki CO₂ w każdym klimatyzowanym pomieszczeniu. Jako ogrzewanie, tam gdzie było to możliwe, zastosowano niskoenergetyczny system ogrzewania powierzchniowego Herz. W systemie klimatyzacyjnym uwzględniono wykorzystanie podwieszanych fancoili niskoprofilowych, wspomagających system centralnego chłodzenia i ogrzewania powietrznego. Całością zawiadywał BMS, sprzężony ze źródłami ciepła i chłodu, optymalizujący pracę systemu z uwzględnieniem bieżącego zapotrzebowania na media oraz rzeczywistego wykorzystania pomieszczeń.

Podnoszenie poprzeczki

Na etapie wyłaniania wykonawcy instalacji wewnętrznych pojawiła się nowa możliwość. Przetarg na wykonanie instalacji wygrał poważny krakowski producent pomp ciepła, który zaangażował się w pozyskanie Śródków zewnętrznych na dofinansowanie instalacji pomp ciepła i kogeneracji. Nowy partner podjął wysiłek kompleksowego wybudowania instalacji pomp ciepła zasilanych przez urządzenie kogeneracyjne wraz z instalacjami wewnętrznymi. Oznaczało to konieczność szybkiego zaprojektowania nowego źródła ciepła i chłodu, dolnego źródła pomp ciepła oraz przeprojektowania instalacji wewnętrznych – dopasowania ich do nowych warunków. Kłopot polegał na tym, że projekty zostały rozpoczęte z niedużym wyprzedzeniem ich realizacji. Pod koniec pierwszego etapu „jeszcze ciepłe” projekty szły na budowę. Poważniejszą rzeczą był jednak brak odpowiedniego miejsca na skomplikowany węzeł ciepła i chłodu, którego nikt nie przewidywał na etapie projektowania części architektonicznej.
W efekcie projekt aranżacji węzła wyglądał jak projektowanie zegarka, czyli każda wolna przestrzeń została skrupulatnie zagospodarowana (rys. 2).

Ostateczna koncepcja projektowa

Rozwiązania techniczne źródła ciepła i chłodu w CJP II ostatecznie oparte są na wykorzystaniu pomp ciepła glikol-woda oraz układu kogeneracyjnego. Pompy ciepła dostarczają ciepło w sezonie grzewczym oraz chłód w okresie letnim, a system pozwala na jednoczesne wytwarzanie ciepła i chłodu. System kogeneracyjny dostarcza energię elektryczną do napędu pomp ciepła oraz ciepło odpadowe do zasilania systemu grzewczego. Zasilany jest paliwem gazowym GZ50, spalanym w silniku spalinowym z obiegiem OTTO. W warunkach projektowych pompy ciepła wytwarzają strumień ciepła wynoszący 553 kW, a silnik spalinowy – strumień ciepła w ilości 258 kW. Łączna, szczytowa wydajność grzewcza systemu wynosi zatem 811 kW.
Instalacje wewnętrzne ogrzewcze i przygotowania ciepłej wody użytkowej zostały zaprojektowane jako nisko- i wysokotemperaturowe. Instalacje o wyższej temperaturze czynnika grzewczego zasilają nagrzewnice central klimatyzacyjnych oraz górne wężownice zasobników ciepłej wody użytkowej. Instalacje o niższej temperaturze – grzejniki podłogowe, płytowe i łazienkowe oraz nagrzewnice powietrzne fancoili.
Ze względu na przyjętą koncepcję zasilania w ciepło i chłód, przeprojektowano instalacje wewnętrzne ogrzewania, klimatyzacji i przygotowania ciepłej wody użytkowej z uwzględnieniem nowego węzła ciepła i chłodu. Złożono, iż jednostka kogeneracji będzie pracowała około 8000 h w ciągu roku, wytwarzając energię elektryczną oraz ciepło na potrzeby obiektu. Energia elektryczna będzie wykorzystywana do napędu pomp ciepła oraz, częściowo, do zasilania instalacji elektrycznej w obiektach Centrum. Zaprojektowany układ umożliwi oddawanie nadmiaru produkowanej energii elektrycznej do systemu elektroenergetycznego.
Nadwyżki energii cieplnej będą przekazywane siecią wewnętrzną do budynków w kolejnych etapach rozbudowy Centrum. Jako dolne źródło ciepła zaprojektowano pionowe wymienniki gruntowe, po 14 odwiertów o głębokości do 170 m, dla każdej z czterech pomp ciepła. W otworach technologicznych zaplanowano umieszczenie wymiennika dwururowego o średnicy 40 mm, zakończonego sondą geotermalną. Odległość między odwiertami wynosi od 12 do 15 m. Jako nośnik ciepła ma być stosowany 30% wodny roztwór glikolu propylenowego. Dolne źródło pomp ciepła będzie pracować przy różnicy temperatury 4°C. Pompy będą współpracować z buforami ciepła, konsolidującymi dodatkowe źródła ciepła i odbiorniki ciepła. Nominalne parametry pracy dla górnego źródła ciepła określono przy różnicy temperatury 8°C. Przewidziano zrzut nadwyżek ciepła do wymiennika gruntowego oraz do atmosfery. Ponadto system produkcji chłodu umożliwia pozyskiwanie chłodu zgromadzonego w ziemi po sezonie grzewczym, tzw. chłodzenie pasywne. Po wyczerpaniu zimna zgromadzonego w gruncie (wstępna regeneracja dolnego źródła ciepła) węzeł będzie wytwarzał chłód z wykorzystaniem pomp ciepła, czyli korzystał z tzw. chłodzenia aktywnego. Przy chłodzeniu aktywnym przewiduje się dalszą regenerację dolnego źródła ciepłem skraplania czynnika ziębniczego.

Obiegi ciepła technologicznego w Centrum Jana Pawła II

Bilans ciepła i warunki obliczeniowe

Bilans ciepła węzła przyjęto zgodnie z projektami instalacji centralnego ogrzewania, instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz ciepła technologicznego do zasilania nagrzewnic central klimatyzacyjnych i wentylacyjnych. Łączne zapotrzebowanie na ciepło dla kościoła, Instytutu Jana Pawła i wolontariatu w warunkach ustalonych wyniosło:

• dla instalacji c.o. – 167 kW, przy parametrach 40/32°C;
• dla instalacji c.o.p. (ogrzewanie powierzchniowe) – 117 kW, przy parametrach 35/27°C;
• dla instalacji c.t. (ciepło technologiczne) – 378 kW, przy parametrach 55/40°C;
• dla instalacji c.w.u. – 19 kW, przy parametrach 55/40°C.

Parametry niskotemperaturowe przyjęto na poziomie 40/32°C, natomiast kwestią umowną jest w tym przypadku określenie „para metry wysokotemperaturowe”, które określono na poziomie 55/40°C. Założono również, że gdyby zaszła taka potrzeba, pompy ciepła muszą dostarczyć czynnik grzewczy dla całego obiektu. Bilans zimna węzła przyjęto zgodnie z projektami instalacji klimatyzacji.
Klimatyzacją objęte są wolontariat i Instytut Jana Pawła oraz częściowo kocioł. System tak zaprojektowano, aby w szczególnych warunkach można było prawie 100% chłodu skierować na schładzanie kościoła, np. w niedziele i święta, kosztem chłodzenia wolontariatu i instytutu w dni wolne od pracy. Zapotrzebowanie łączne na strumień zimna w warunkach ustalonych dla instalacji wody lodowej wynosi 498 kW, przy parametrach 8/13°C.

Dobór podstawowych urządzeń węzła ciepła i chłodu

Tryb chłodzenia. Aby pokryć zapotrzebowanie na chłód (wynoszące 498 kW, przy parametrach 8/13°C), zaprojektowano węzeł cieplny zasilany przez cztery elektryczne pompy ciepła glikol-woda, typu VATRA GIGA 160B, o parametrach pracy przy chłodzeniu B10/W50. Dolnym źródłem ciepła jest dla nich instalacja wody lodowej instalacji klimatyzacji, zaś górnym źródłem ciepła – kolektor gruntowy w okresie regeneracji oraz powietrze zewnętrzne w pozostałym czasie. Moc jednostkowa chłodzenia każdej z pomp ciepła dla warunków B10/W50 wynosi 132,7 kW, czyli łącznie 530,8 kW (co stanowi nadwyżkę nad zapotrzebowanie 498 kW).
W okresie po sezonie grzewczym przewiduje się pracę węzła w trybie chłodzenia pasywnego lub chłodzenia pasywnego wspomaganego chłodzeniem aktywnym, przez włączanie się jednej, dwóch lub trzech pomp ciepła. Po okresie chłodzenia pasywnego przewiduje się tylko chłodzenie aktywne przy pracy maksymalnie czterech pomp ciepła.

Tryb ogrzewania. Ten sam węzeł, zasilany przez elektryczne pompy ciepła glikol-woda, typu VATRA GIGA 160B, zasila również instalację centralnego ogrzewania. Pompy ciepła w trybie grzania będą pracować przy parametrach medium 40/32°C. Dolnym źródłem ciepła jest instalacja gruntowych, pionowych wymienników ciepła, a górnym źródłem – instalacja c.o., c.o.p. oraz częściowo c.t. i c.w.u. Moc jednostkowa grzania każdej z pomp ciepła, dla warunków B0/W50 (w trybie grzania) wynosi 138,3 kW, czyli łączna moc grzania pomp ciepła to 553,2 kW.
W celu pokrycia całkowitego zapotrzebowania na ciepło wykorzystano także ciepło odpadowe z agregatu kogeneracyjnego (rys. 3), wytwarzającego energię elektryczną do napędu pomp ciepła oraz części urządzeń w obiekcie. Jednostkę kogeneracyjną stanowi silnik spalinowy, opalany gazem GZ50, napędzający agregat prądotwórczy. Łączna moc grzewcza ciepła odpadowego to 258 kW, przy parametrach medium grzewczego 90/70°C. Priorytet wykorzystania będzie stanowiło ciepło odpadowe z agregatu kogeneracyjnego, wspomaganego pompami ciepła.

Obieg z kogeneratorem [2]

Literatura:
[1] Wizualizacja wg koncepcji arch. Andrzeja Mikulskiego, źrodło: Pracownia Architektoniczna Mikulski
[2] Materiały techniczne firmy MAN

Autor: Grzegorz Ojczyk