Odnawialne źródła energii znajdują obecnie szerokie zastosowanie w domach jednorodzinnych, obiektach użyteczności publicznej oraz budownictwie wielorodzinnym. Wielkość obiektu nie jest tu wielkością kluczową. Wyposażenie oraz funkcja obiektu ma znaczenie, jakie źródła energii odnawialnej warto zastosować. Można jednak wyróżnić grupy obiektów szczególnie predysponowanych do zastosowania odnawianych źródeł energii.

Praktycznie wszystkie typowe obiekty wymagają energii elektrycznej oraz ciepła. Do tej grupy możemy zaliczyć budynki mieszkalne jednorodzinne oraz budynki wielorodzinne. Są także obiekty, które wymagają chłodzenia. Do tej grupy należy zaliczyć hotele, placówki służby zdrowia oraz budynki biurowe.

Jeżeli obiekt wymaga wszystkich trzech źródeł energii wymienionych wcześniej, wówczas warto wziąć po uwagę rozwiązania, które są w stanie spełnić wymagania budynku w całości, czyli odnawialne źródła energii wraz z dodatkowym wyposażeniem. Wszystkie powyższe wymagania spełnia pompa ciepła zasilana przez ko-generator. Ze względu na zmienne zapotrzebowanie na ciepło, chłód oraz energię elektryczną system kogeneracyjny łączony jest z siecią energetyczną, dla zapewnienia optymalnych warunków pracy systemu.
W niniejszym artykule chciałbym opisać założenia oraz system, który zaprojektowałem w Centrum Jana Pawła II-go w Krakowie „Nie lękajcie się" na początku obecnej dekady. Właściwie należy dodać, że centrum CJPII tworzy kilka budynków wielofunkcyjnych o charakterze sakralnym, biurowym i wystawienniczym. Koncepcja projektowa została opracowania przez młodego i ambitnego krakowskiego architekta Andrzeja Mikulskiego i zakładała realizację przedsięwzięcia w kilku etapach. W niniejszym artykule opiszę pierwszy i moim zdaniem najważniejszy etap z punktu widzenia rozwiązań technicznych. Kolejne etapy były rozwinięciem lub powieleniem pierwszej koncepcji projektowej w zakresie HVAC z uwzględnieniem zebranych doświadczeń. Przy opracowaniu miałem zaszczyt uczestniczyć jako projektant instalacji sanitarnych.

Koncepcja architektoniczna
Trudność w realizacji inwestycji polegała na tym, że projekt Centrum Jana Pawła II był ogromny pod względem wielkości oraz skomplikowany, ponieważ w założeniu łączył obiekty budowlane o różnorakich funkcjach i zróżnicowanych wymaganiach. Brane pod uwagę były jedynie nowoczesne rozwiązania, odpowiednie na obecne czasy, które jednocześnie pozwalają kompleksowo i ekonomiczne racjonalizować koszty eksploatacji. Z założenia CJPII miało utrzymywać się ze swojej statutowej działalności. Z tego powodu rozwiązania w zakresie instalacji sanitarnych musiały być niskoenergetyczne, spójne z ekologicznymi źródłami ciepła i chłodu w zakresie całej inwestycji. Centrum Jana Pawała II w Krakowie „Nie lękajcie się" obecnie stanowi żywy pomnik Papieża Polaka ukształtowany w betonie, pamięci oraz sercach wiernych i pielgrzymów. Miejsce budowy CJPII nazywane było w Krakowie jako „Białe morza" (rys. 1.) i ma ono swoją głęboką symbolikę co do lokalizacji oraz osoby białego biskupa – biskupa Rzymu.
Pod koniec XVIII wieku w trakcie budowy 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-tych ubiegłego wieku działy założone w 1906 roku Krakowskie Zakłady Sodowe Solvay, które ostatecznie zostały zlikwidowane w 1996 r. Efektem ubocznym produkcji sody stała się konieczność magazynowanie 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 także drugi symboliczny wymiar za sprawą Karola Wojtyły, przyszłego papieża, który w tym czasie pracował w kamieniołomie jako robotnik. Na koncepcję projektową CJPII został rozpisany konkurs, w którym uczestniczyły biura projektów krajowe i zagraniczne. Zwycięska koncepcja projektowa nawiązywała w stylu i formie do starej części Krakowa (rys. 2.).

 W pierwszym zamierzeniu Centrum miało stanowić kompleks budynków z funkcjami użytkowymi, takimi jak:

• Kościół (dolny i górny);
• Instytut Jana Pawła II;
• Centrum Szkoleniowe Wolontariatu;
• Muzeum;
• Centrum Konferencyjne;
• Centrum Rekolekcyjne;
• Dom Pielgrzyma;
• Hotel.

Łączna powierzchnia użytkowa wszystkich planowanych budynków wynosiła około 40 000 m², przy kubaturze około 167 000 m³. W pierwszym etapie rozpoczęto budowę Kościoła, Instytut Jana Pawła II oraz Centrum Szkoleniowe Wolontariatu wraz z sieciami, przyłączeniami i zapleczem energetycznym dla całości. Następnie miały być budowane kolejne budynki wraz z adekwatną infrastrukturą i wyposażeniem. W trakcie budowy nastąpiły nieznaczne zmiany w zakresie architektury, które nie wpłynęły na całość wizji architekta.



Pierwsza koncepcja w zakresie rozwiązań projektowych branży sanitarnej
Dla redukcji zużycia energii cieplnej i ziębniczej zaprojektowano dla I-go etapu (rys. 3.) wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła i chłodu, 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. Zaprojektowano system klimatyzacyjny z wykorzystaniem podwieszanych fancoili niskoprofilowych, wspomagających system centralnego chłodzenia i ogrzewania powietrznego. Całością zawiadywał BMS, który był sprzężony ze źródłami ciepła i chłodu i który optymalizował pracę systemu z uwzględnieniem bieżącego zapotrzebowania na media oraz rzeczywistego wykorzystania pomieszczeń. Po długich i żmudnych ustaleniach z Inwestorem, konsultacjach w zespołach branżowych i z dostawcami mediów, przede wszystkim energii elektrycznej oraz gazu, przyjęto rozwiązanie jedyne możliwe w tych warunkach technicznych i finansowych. Jako źródło ciepła zaprojektowano kotłownię gazową kondensacyjną, jako źródło zimna zaprojektowano agregaty wody lodowej. Przy wcześniej przyjętych rozwiązaniach zaprojektowano sieci i przyłącza oraz instalacje wewnętrzne, takie jak instalacje wentylacji mechanicznej, klimatyzacji, ogrzewania, wod-kan, hydrantów, gazu oraz pozostałe instalacje.

Druga koncepcja w zakresie źródeł energiiNa etapie wyłonienia wykonawcy instalacji wewnętrznych pojawiła się szansa na drugie otwarcie. Przetarg na wykonanie instalacji wygrał poważny krakowski producent pomp ciepła, firma Vatra, która zaangażowała się w pozyskanie środków zewnętrznych na dofinansowanie instalacji pomp ciepła i kogeneracji. Nowy partner podjął wysiłek kompleksowego wykonania 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 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, każda wolna przestrzeń została skrupulatnie zagospodarowana. Nadano nawet nazwę zastępczą dla węzła ciepła i chłodu z pompami ciepła: „Kursk", nawiązując do rosyjskiej łodzi podwodnej (rys. 4.). I rzeczywiście jest tak jak ciasno jak w łodzi podwodnej.

W projekcie uczestniczyli aktywnie studenci AGH i Politechniki Krakowskiej Wydziału Mechanicznego oraz Inżynierii Środowiska oraz studenci z Hiszpanii. Wykonywali zlecone prace projektowe w ramach praktyk wakacyjnych i staży (rys. 5).
Ostatecznie przyjęto rozwiązania techniczne źródła ciepła i chłodu oparte na pompach ciepła glikol-woda oraz kogeneratorze. Zaprojektowane pompy ciepła (rys. 6.) dostarczają ciepło w sezonie grzewczym oraz chłód w okresie letnim. Zaprojektowany system pozwala na jednoczesne wytwarzanie ciepła i chłodu. System kogeneracyjny dostarcza energię elektryczną do napędu pomp ciepła oraz ciepło odpadowe do zasilenia systemu grzewczego. System kogeneracyjny zasilany jest paliwem gazowym GZ50, które spalane jest w silniku spalinowym z obiegiem OTTO (rys. 7.).
Pompy ciepła dostarczają w warunkach projektowych strumień ciepła wynoszący 553 kW, silnik spalinowy dostarcza strumień ciepła w ilości 258 kW. Łączna, szczytowa wydajność grzewcza systemu wynosi 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 czynnika grzewczego zasilają grzejniki podłogowe, grzejniki 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. Założono, że jednostka kogeneracji będzie pracowała około 8000 h w ciągu roku i wytwarzać będzie energię elektryczną oraz ciepło na potrzeby obiektu (rys. 8.).
Energia elektryczna będzie wykorzystana do napędu pomp ciepła oraz, częściowo, do zasilania instalacji elektrycznej w obiektach CJPII. Zaprojektowany układ będzie umożliwiał oddawanie nadmiaru produkowanej energii elektrycznej do systemu elektroenergetycznego. Wytworzone 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 przyjęto rozwiązanie z wymiennikiem dwururowym o średnicy 40 mm, zakończonym sondą geotermalną. Odległość pomiędzy odwiertami wynosi od 12 do 15 m. Jako nośnik ciepła został zastosowany 30% wodny roztwór glikolu propylenowego. Dolne źródło pomp ciepła pracuje przy różnicy temperatury 4°C. Pompa ciepła współpracuje z buforami ciepła, konsolidującymi dodatkowe źródła ciepła i odbiorniki ciepła. Nominalne parametry pracy dla górnego źródła ciepła przyjęto przy różnicy temperatury 8°C. Zaprojektowano zrzut nadwyżek ciepła do wymiennika gruntowego oraz do atmosfery. System produkcji chłodu umożliwia pozyskanie zgromadzonego chłodu w ziemi po sezonie grzewczym, tzw. chłodzenie pasywne. Po wyczerpaniu zimna zgromadzonego w gruncie (wstępna regeneracja dolnego źródła ciepła), węzeł wytwarza chłód z wykorzystaniem pomp ciepła, tzw. chłodzenie aktywne. Przy chłodzeniu aktywnym realizuje się dalszą regenerację dolnego źródła ciepłem skraplania czynnika ziębniczego.

Bilans ciepła i przyjęte warunki obliczeniowe
Bilans ciepła węzła przyjęto zgodnie z projektami instalacji centralnego ogrzewania, instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz ciepła technologicznego do zasilenia nagrzewnic central klimatyzacyjnych i wentylacyjnych. Łączne zapotrzebowanie na ciepło dla Kościoła, Instytutu i Wolontariatu w warunkach ustalonych wynosi:

• 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. (przygotowania ciepłej wody użytkowej) 19 kW, przy parametrach 55/40°C.

Parametry niskotemperaturowe przyjęto na poziomie 40/32°C. Kwestią umowną jest określenie „parametry wysokotemperaturowe", które są na poziomie 55/40°C. W projekcie przyjęto założenie, 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 oraz częściowo Kościół. 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.

Bilans mediów – chłodzenie
Dla pokrycia zapotrzebowania na chłód, wynoszącego 498 kW, przy parametrach 8/13°C, zaprojektowano węzeł cieplny, zasilany przez cztery pompy ciepła glikol-woda typu VATRA GIGA 160B, o parametrach pracy przy chłodzeniu B10/W50, zasilanych energią elektryczną. Dolnym źródłem ciepła jest instalacja wody lodowej dla klimatyzacji, górnym źródłem ciepła kolektor gruntowy w okresie regeneracji oraz powietrze zewnętrzne w pozostałym okresie.W okresie po sezonie grzewczym przewiduje się prace 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.

Bilans mediów – ogrzewanie
Dla pokrycia zapotrzebowanie na ciepło zaprojektowano pompy ciepła w trybie grzania, przy parametrach 40/32°C. Zaprojektowano węzeł cieplny, zasilany przez cztery pompy ciepła glikol-woda VATRA GIGA 160B, o parametrach pracy B0/W50 przy grzaniu, zasilanych energią elektryczną. Dolnym źródłem ciepła będzie instalacja gruntowych, pionowych wymienników ciepła, górnym źródłem ciepła instalacja c.o., c.o.p. oraz częściowo c.t. i c.w.u.Dla pokrycia całkowitego zapotrzebowania na ciepło, wykorzystano ciepło odpadowe z agregatu kogeneracyjnego, 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 wynosi 258 kW, przy parametrach medium grzewczego 90/70°C. Priorytet wykorzystania będzie stanowiło ciepło odpadowe z agregatu kogeneracyjnego, wspomaganego pompami ciepła.

Literatura
[1] Materiały archiwalne CJPII.
[2] Wizualizacja wg koncepcji arch. Andrzeja Mikulskiego, źródło: Pracownia Architektoniczna Mikulski.
[3] Materiały techniczne formy MAN.
[4] Materiały techniczne firmy Vatra.
[5] Materiały firmy Emerson.

Autor: Grzegorz Ojczyk