envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement











węzły ciepła w CJP rys. 1We wrześniowym wydaniu Polskiego Instalatora (PI 6/2016) przedstawiłem ogólne informacje o unikatowej inwestycji w Centrum Jana Pawła II w Krakowie, w której zastosowano pompy ciepła i układ kogeneracyjny wraz z opcją trójgeneracji. Warto bliżej przyjrzeć się pracy pomp ciepła, które stanowią źródło ciepła i chłodu na potrzeby tego obiektu oraz są sercem jego systemu energetycznego.

Przypomnę, że w Centrum Jana Pawła II rozwiązania techniczne źródła ciepła i chłodu oparte są na wykorzystaniu czterech pomp ciepła glikol-woda (tabela 1, rys. 1), wspomaganych przez ciepło odpadowe z systemu kogeneracyjnego. Pompy ciepła dostarczają ciepło w sezonie grzewczym oraz chłód w okresie letnim. System pozwala także na jednoczesne wytwarzanie ciepła i chłodu.

Dane techniczne pomp ciepła zastosowanych w CJP II w Krakowie
węzły ciepła w CJP tab. 1

węzły ciepła w CJP rys. 1
1. Pompa ciepła VATRA GIGA 160B [1]

Krótka charakterystyka układu

Każda z zastosowanych w tej inwestycji pomp ciepła wyposażona jest w dwie hermetyczne sprężarki typu scroll. Każda ma zwartą obudowę, z tłumieniem drgań układu sprężarkowego oraz izolacją akustyczną. Obieg termodynamiczny realizowany jest przy wykorzystaniu czynnika ziębniczego R407C. Parowniki i skraplacze to wymienniki płytowe lutowane miedzią, wykonane z płyt ze stali stopowej AISI316. Regulację pracy układu ziębniczego zapewnia elektroniczny zawór rozprężny. Całością steruje natomiast układ automatyki VATRA Logic® z graficznym panelem sterującym.
W standardowych warunkach pracy, dla każdej z czterech pomp ciepła, zaprojektowano jako dolne źródło ciepła pionowe wymienniki gruntowe, po 14 odwiertów o głębokości do 170 m. W otworach technologicznych zabudowano wymienniki dwururowe o średnicy 40 mm, zakończone sondami geotermalnymi. Odległość między odwiertami wynosi od 12 m do 15 m. Jako nośnik ciepła dolnego źródła zastosowano 30% wodny roztwór glikolu propylenowego. Dolne źródło pomp ciepła pracuje przy nominalnej różnicy temperatury powrotu i zasilania 4°C. Jako nośnik ciepła górnego źródła ciepła wykorzystano natomiast wodę uzdatnioną. Górne źródło ciepła pracuje przy różnicy temperatury zasilania i powrotu 8°C.
Pompy ciepła współpracują z buforami ciepła, konsolidującymi dodatkowe źródła ciepła i odbiorniki ciepła. Analogicznie połączone są bufory zimna z pompą ciepła, które konsolidują odbiorniki chłodu. Zaprojektowano również zrzut nadwyżek ciepła do wymiennika gruntowego. Po jego zregenerowaniu i podgrzaniu do około 20°C nadwyżka ciepła odprowadzana jest do atmosfery.
Warto zaznaczyć, że zrealizowany na potrzeby inwestycji węzeł ciepła i chłodu z pompami ciepła umożliwia wykorzystanie zimna zgromadzonego w ziemi po sezonie grzewczym do chłodzenia pasywnego. Po wyczerpaniu zimna zgromadzonego w gruncie (wstępna regeneracja DZC) węzeł będzie wytwarzał chłód z wykorzystaniem pomp ciepła (do tzw. chłodzenia aktywnego). Przy chłodzeniu aktywnym przewiduje się dalszą regenerację dolnego źródła – ciepłem skraplania czynnika ziębniczego.

Tryby pracy pomp ciepła

Jak wspomniałem, węzeł z pompami ciepła pracuje w kilku podstawowych trybach pracy takich, jak:

  • ogrzewanie,
  • chłodzenie pasywne,
  • chłodzenie aktywne.

Sporadycznie mogą mieć miejsce także inne tryby pracy, które generowane są przez nadrzędny układ automatyki. Dlatego wyżej wymienione tryby należy rozumieć jako podstawowe, z punktu widzenia obiegów hydraulicznych górnego i dolnego źródła ciepła. Każdemu trybowi odpowiadają określone stany obiegów grzewczych, chłodzących, ładowania zasobników ciepłej wody użytkowej oraz zasilania buforów ciepła i chłodu. Standardowym i najdłużej występującym trybem pracy jest tryb
ogrzewania.

Tryb ogrzewania, nazywany także trybem 1. Praca pomp ciepła w trybie ogrzewania jest pokazana na schemacie na rys. 2. W celu pokrycia zapotrzebowania na strumień ciepła obiektu, pompy ciepła pracują w tym trybie przy parametrach B0/W50. Moc jednostkowa ogrzewania każdej pompy ciepła dla powyższych warunków wynosi 138,3 kW, przy mocy chłodzenia 91,1 kW. Powyższe parametry przyjęto dla zimowych warunków obliczeniowych III strefy klimatycznej, zgodnie z PN-EN 12831 [2].
Warto nadmienić, że równocześnie z pracą pomp ciepła, ciepło odpadowe dostarcza system kogeneracyjny, dlatego też zimą, w warunkach obliczeniowych, pompy ciepła mogą pracować przy niższej temperaturze górnego źródła ciepła. Warunki B0/W50 przyjęto przy doborze systemu hydraulicznego instalacji węzła z pompami ciepła.
Praca pomp ciepła w trybie 1 występuje tylko wtedy, gdy nie ma zapotrzebowania na zimno. Generuje ją automatyka węzła, która analizuje bieżące zapotrzebowanie na ciepło oraz temperaturę w buforach ciepła instalacji centralnego ogrzewania (c.o., c.o.p.) i ciepła technologicznego c.t.). Potrzeba utrzymywania odpowiednich parametrów temperaturowych w buforach ciepła może wynikać także z kalendarza pracy buforów ciepła lub potrzeb obiegów grzewczych, takich jak:

  • „najwyższa” krzywa pogodowa obiegu c.o. lub c.o.p.;
  • minimalna temperatura czynnika grzewczego dla ciepła technologicznego;
  • minimalna temperatura czynnika grzewczego dla przygotowania c.w.u.

Rzeczywista wartość temperatury czynnika grzewczego w buforach jest przekazywana do zintegrowanej automatyki węzła pomp ciepła i na tej bazie pompy ciepła przygotowują czynnik grzewczy o odpowiedniej temperaturze. Nie należy wytwarzać czynnika grzewczego o wyższej temperaturze niż potrzeby buforów ciepła, ze względu na efektywność energetyczną pomp ciepła.

węzły ciepła w CJP rys. 2
2. Praca pompy ciepła w trybie ogrzewania. Kolorem żółtym i czerwonym zaznaczona jest droga (i temperatura) czynnika powracającego i wychodzącego z pompy ciepła po stronie górnego źródła ciepła, a kolorem niebieskim i granatowym – droga (i temperatura) czynnika powracającego i wychodzącego z pompy ciepła po stronie dolnego źródła ciepła

Tryby chłodzenia oraz stany pracy górnego i dolnego źródła ciepła. Dolne źródło ciepła może dostarczać zimno do buforów zimna na początku sezonu letniego (tzw. chłodzenie pasywne). Jest to jednocześnie pierwsza faza regeneracji dolnego źródła ciepła. Gdy zasoby zimna z dolnego źródła ciepła zostaną wyczerpane pompy ciepła powinny kolejno przechodzić do chłodzenia aktywnego.
W trybie chłodzenia aktywnego mogą wystąpić stany proste oraz kombinowane górnego źródła ciepła, a konkretnie:

  • pierwszym stanem prostym pracy pomp ciepła w trybie chłodzenia aktywnego jest wykorzystanie sond pionowych jako górnego źródła ciepła – jest to jednocześnie druga faza regeneracji gruntu przy sondach pionowych (następuje akumulacja ciepła w dolnym źródle);
  • drugi stan prosty w trybie chłodzenia aktywnego to wykorzystanie powietrza zewnętrznego jako górnego źródła ciepła;
  • trzeci stan prosty występuje, gdy jako górne źródło ciepła wykorzystywane są bufory ciepła.

Jeśli natomiast chodzi o stany kombinowane, to:

  • pierwszy ma miejsce, gdy jednocześnie jako górne źródło ciepła zostają wykorzystane grunt i powietrze zewnętrzne;
  • drugi – gdy jako górne źródło wykorzystywane są bufory ciepła i powietrze zewnętrzne.

Kolejność stanów górnego źródła będzie wynikać przede wszystkim z potrzeb, jakie będą generowane przez automatykę węzła przy uwzględnieniu informacji z buforów ciepła i zimna, a następnie – z optymalizacji pracy pomp ciepła.
Po sezonie grzewczym przewiduje się pracę węzła w trybie chłodzenia pasywnego lub chłodzenia pasywnego wspomaganego chłodzeniem aktywnym, przez włączenie się jednej, dwóch lub trzech pomp ciepła. Po okresie chłodzenia pasywnego przewiduje się tylko chłodzenie aktywne przy pracy maksymalnie czterech pomp ciepła.

Tryb chłodzenia pasywnego, nazywany trybem 2. Tryb chłodzenia pasywnego realizowany jest bez udziału pomp ciepła (rys. 3). Jest to szczególny stan pracy węzła. Występuje on zawsze w okresie przejściowym, na wiosnę, gdy grunt jest maksymalnie wychłodzony, zaś potrzeby w zakresie chłodzenia są stosunkowo małe. Okres ten kończy się, gdy dolne źródło ciepła nie jest w stanie dostarczyć czynnika chłodzącego w wymaganej ilości lub odpowiedniej jakości.
Rozpoczęcie trybu chłodzenia pasywnego następuje na pierwsze żądanie automatyki węzła, ze względu na potrzebę chłodzenia i rzeczywistą temperaturę wody lodowej w buforach zimna. Potrzeba utrzymywania odpowiednich parametrów temperaturowych w buforach zimna może wynikać z kalendarza buforów zimna lub potrzeb obiegów chłodzących, takich jak „najniższa” krzywa pogodowa obiegu wody lodowej czy zapewnienie minimalnej temperatury czynnika chłodzącego.
Wartość temperatury czynnika chłodzącego w buforach zimna jest porównywalna z temperaturą czynnika pochodzącego z dolnego źródła. Gdy wymagana temperatura w buforach jest wyższa niż temperatura na powrocie z dolnego źródła ciepła, wówczas węzeł może rozpocząć pracę w trybie chłodzenia pasywnego. Aby nie „wytwarzać” czynnika chłodzącego o niższej temperaturze niż potrzeby buforów zimna (ze względu na ekonomię eksploatacji dolnego źródła), zastosowano pompy obiegowe o zmiennej wydajności.
W trakcie pracy węzła w trybie chłodzenia pasywnego część chłodząca węzła nie dostarcza ciepła (jako efektu ubocznego). W razie wystąpienia zapotrzebowania na ciepło, jego dostawa będzie możliwa tylko przez system kogeneracji. Gdy zapotrzebowanie na ciepło będzie większe niż możliwości kogeneracji, należy przejść z trybu chłodzenia pasywnego w chłodzenie aktywne.

węzły ciepła w CJP rys. 3
3. Praca pompy ciepła w trybie chłodzenia pasywnego

Tryb chłodzenia aktywnego, nazywany trybem 3. Aby pokryć zapotrzebowanie na strumień zimna obiektu, pompy ciepła pracują w trybie odwróconym. Węzeł z pompami ciepła wytwarza wodę lodową o parametrach 8/13°C (rys. 4, linie koloru niebieskiego i granatowego). Zapotrzebowanie na zimno oraz temperaturę wody lodowej przyjęto dla zewnętrznych, letnich warunków obliczeniowych dla II strefy klimatycznej, zgodnie z PN-76/B-03420 [3].
Dolnym źródłem ciepła jest instalacja wody lodowej instalacji klimatyzacji, zaś górnym – bufory ciepła, kolektory gruntowe (regeneracja gruntu) wraz z odwiertami pionowymi, a także atmosfera (rys. 4, linie koloru żółtego i czerwonego). Wykorzystanie ciepła ze skraplaczy do celów grzewczych w okresie chłodzenia aktywnego jest ograniczone małymi potrzebami obiektu w tym zakresie. Dominujący jest zrzut ciepła do ziemi.
Pompa ciepła pracuje przy parametrach B10/W35 w przypadku regeneracji gruntu ciepłem ze skraplacza. Jednostkowa moc chłodzenia każdej pompy ciepła dla tych warunków wynosi 160 kW, przy mocy ogrzewania 196 kW. W przypadku zrzutu ciepła z górnego źródła pompy ciepła do atmosfery, pompy ciepła pracują przy parametrach B10/W50, przy jednostkowej mocy chłodzenia 132 kW i jednostkowej mocy ogrzewania 180 kW.

węzły ciepła w CJP rys. 4
4. Praca pompy ciepła w trybie chłodzenia aktywnego, wariant 3a

Ciepło ze skraplacza pompy ciepła jest produktem ubocznym i jest wykorzystywane do regeneracji
gruntowego wymiennika ciepła, tzw. wariant pracy 3a (rys. 4).
Po regeneracji gruntowego wymiennika ciepła następuje jego dalsze wygrzanie czynnikiem grzewczym o maksymalnej temperaturze 20°C. Jednocześnie pompa ciepła może zasilać bufory ciepła czynnikiem grzewczym o temperaturze 35°C. Wygrzanie gruntu pozwala na podniesienie efektywności energetycznej pompy ciepła w sezonie grzewczym. W przypadku wygrzania gruntu lub pojawienia się jednoczesnego zapotrzebowania na czynnik grzewczy o wyższej temperaturze, pompa ciepła przechodzi do pracy przy parametrach B10/W50. Nadwyżki ciepła skraplacza dysponowane są do powietrza zewnętrznego.
Stan chłodzenia aktywnego występuje zawsze po chłodzeniu pasywnym (tryb 2). Wyjątek stanowi sytuacja, gdy pojawia się zapotrzebowanie na ciepło przy niewydolności kogeneracji w tym zakresie. Rozpoczęcie trybu chłodzenia aktywnego odbywa się na żądanie automatyki przy niewydolności trybu chłodzenia pasywnego. Podobnie jak poprzednio potrzeba utrzymywania odpowiednich parametrów temperaturowych w buforach zimna może wynikać z kalendarza buforów zimna lub potrzeb obiegów chłodzących, takich jak „najniższa” krzywa pogodowa obiegu wody lodowej lub zapewnienie minimalnej temperatury czynnika chłodzącego.*
Wartość wymaganej temperatury czynnika chłodzącego w buforach zimna determinuje temperaturę pracy dolnego źródła pompy ciepła. Jednostka centralna automatyki przekazuje informację do pomp ciepła o wymaganej temperaturze dolnego źródła pompy ciepła. W tym przypadku również obowiązuje zasada, że nie należy wytwarzać czynnika chłodzącego o niższej temperaturze niż potrzeby buforów zimna ze względu na efektywność pomp ciepła.
Węzeł ciepła i chłodu z pompami ciepła jest skomplikowany hydraulicznie oraz ma wiele wariantów pracy, które uzależnione są od różnych czynników. Powyżej przedstawiłem jedynie kilka podstawowych wariantów pracy obiegów wodnych skraplaczy, parowaczy, sond pionowych, buforów ciepła i chłodu. Nawet określenia „górne” i „dolne” źródło ciepła są niejednoznaczne. W przypadku sond pionowych, w efekcie hydraulicznego połączenia ich ze skraplaczem i parowaczem pomp ciepła, pełnią one funkcję albo dolnego, albo górnego źródła ciepła w zależności od potrzeby.

Literatura:
[1] Materiały techniczne firmy Vatra
[2] PN-EN 12831: Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego
[3] PN-76/B-03420 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego

Autor: Grzegorz Ojczyk


 

pi