Reklama
Reklama
 
 
 
Systemy WLHP – mity i fakty. Analiza wybranych zagadnień dotyczących systemów pierścieniowych
Ocena użytkowników: / 4
SłabyŚwietny 
Data dodania: 03.09.2009

W niniejszym artykule pragnę nawiązać do zagadnień dotyczących systemów WLHP a w szczególności do tych poruszonych przez jednego z autorów w publikacji, która ukazała się w majowym numerze CH&K [1]. W artykule tym przedstawiono, na przykładzie realizacji jednego z obiektów (Pasaż Grunwaldzki we Wrocławiu), cechy charakteryzujące systemy WLHP wykorzystane w analizowanym obiekcie. Czytając powyższy artykuł można odnieść wrażenie, że WLHP są praktycznie pozbawionymi wad idealnymi systemami klimatyzacyjnymi, zarówno w aspekcie komfortu dla użytkowników pomieszczeń, kosztów inwestycyjnych, ale także pod względem efektywności energetycznej i małego zużycia mediów i energii elektrycznej. Na podstawie omawianego obiektu wskazano wymierne korzyści związane z kosztami ogrzewania całego budynku (pokrycie strat cieplnych przez przegrody konstrukcyjne budynku oraz podgrzanie powietrza świeżego) wynoszące średnio ok. 0,12 PLN/m2 powierzchni użytkowej. Z uwagi na fakt, iż na łamach przytoczonej publikacji powołano się na konkretne rozwiązania jednego z producentów pragnę przedstawić swój punkt widzenia a także dokonać ogólnej analizy i podsumowania poruszanych zagadnień.

 

 

Wspomniany artykuł jest niezmiernie ciekawy i interesujący, bo zawiera informacje dotyczące nowoczesnych rozwiązań, na temat których występuje ciągły deficyt zarówno w literaturze technicznej jak też publikacjach naukowych. Zawiera on jednak pewne braki i uproszczenia, które mają wpływ na ogólne wnioski wyciągnięte przez autora w/w publikacji, co powoduje, że wysunięte wnioski nie mogą być wiarygodne a nawet mogą wprowadzać w błąd czytelnika. Dodatkowo w artykule autor skupił się na ocenie systemów pod kątem ogrzewania a nie pod kątem chłodzenia pomieszczeń, a jak wiadomo najbardziej energochłonnymi systemami są systemy klimatyzacyjne. W związku z powyższym zagadnienia z nimi związane powinny być szczególnie omówione i rozważone. Mój osobisty punkt widzenia zostanie przedstawiony w dalszej części tekstu.

Informacje podstawowe dotyczące systemów WLHP

Systemy pierścieniowe WLHP powoli stają się coraz bardziej popularne w Polsce. Zasada działania, budowa, jak również korzyści płynące z ich zastosowania zostały szczegółowo omówione przeze mnie w artykule [5]. Z uwagi iż przedstawienie własnych przemyśleń wymaga ogólnej prezentacji tego typu systemu, poniżej, w dużym skrócie zostanie omówiona zasada działania systemu WLHP. Niezbędne elementy systemów WLHP przedstawiono na rysunku 1 i opisano poniżej.

 

 

Pompy ciepła z odwracalnym obiegiem chłodniczym i skraplaczem chłodzonym wodą
Pompy ciepła typu powietrze-woda są końcowymi elementami systemu, analogicznie jak indywidualne klimakonwektory wentylatorowe. Główną cechą tego typu urządzeń jest wytwarzanie energii cieplnej lub chłodniczej w miejscu, w którym jest ona wykorzystywana, tym samym możliwe staje się zwiększenie współczynnika efektywności energetycznej pomp ciepła zarówno w trybie chłodzenia jak i grzania, dzięki wyeliminowaniu cieczy pośredniczących, jakimi są woda grzewcza i ziębnicza. Pompy ciepła są umieszczane w poszczególnych, niezależnych termicznie, pomieszczeniach lub strefach budynku. Odwracalny obieg chłodniczy pozwala na utrzymanie wymaganej temperatury w pomieszczeniu lub strefie niezależnie od tego czy pomieszczenie wymaga grzania lub chłodzenia.

Pierścienie wodne z niezbędnymi pompami i zasobnikami ciepła
Poszczególne pompy ciepła są połączone 2-rurowym systemem hydraulicznym, ukształtowanym zazwyczaj w formie „pierścienia”. Woda krążąca w obiegu musi być utrzymywana w zadanym zakresie temperatury. Najczęściej zakres ten wynosi minimalnie od 15 do 35°C. Temperatura taka pozwala na wyeliminowanie izolacji termicznej rurociągów. Cyrkulacja wody w systemie jest wymuszona przez układ pompowy, złożony najczęściej z dwóch lub większej ilości pomp. Natężenie przepływu wody w sieci może być stałe lub zmienne zależnie od zastosowanego układu hydraulicznego. W przypadku zmiennego strumienia objętościowego cieczy, regulacja przepływu odbywa się w zależności od chwilowego zapotrzebowania systemu.

Źródła grzewcze i chłodnicze

W przypadku spadku temperatury w pierścieniu wodnym poniżej zadanej dolnej wartości temperatury uruchamiane jest źródło ciepła, które podgrzewa wodę do żądanej wartości. W miesiącach zimowych powinno ono zapewnić utrzymanie temperatury wody zasilającej wymienniki pomp ciepła w odpowiednim zakresie temperatury. Przy zbyt niskiej temperaturze wody na powierzchni nieizolowanych rurociągów prowadzonych w ogrzewanych pomieszczeniach występowałaby kondensacja wilgoci. W wyższych temperaturach uzyskuje się wyższe efektywności pomp ciepła, ale zbyt wysoka temperatura może spowodować, że dojdzie do przekroczenia maksymalnej, dopuszczalnej przez producentów urządzeń, temperatury odparowania czynnika chłodniczego. Jako źródło ciepła mogą być wykorzystane standardowe źródła grzewcze: kotły gazowe, kotły olejowe, wymiennikownie sieci ciepłowniczej, itp. Jednak, co jest bardzo atrakcyjne z energetycznego punktu widzenia, do podgrzewania wody może być również wykorzystywane w pełni lub częściowo ciepło odpadowe m.in. z rekuperatorów odzyskujących energię cieplną, skraplaczy agregatów chłodniczych, skraplaczy pomp ciepła pracujących w trybie chłodzenia, itp.
Źródło chłodu z kolei stanowić mogą: sprężarkowe agregaty chłodnicze, otwarte i zamknięte wieże chłodnicze ale, co jest bardzo uzasadnione ekonomicznie, istnieje również możliwość wykorzystania wody ze studni w pierwotnym obiegu wymiennika ciepła. Niezbędne jest w takim przypadku sprawdzenie granicznej temperatury wody na skraplaczu gwarantującej poprawność pracy sprężarkowego obiegu chłodniczego.
Doprowadzenie powietrza świeżego jest realizowane poprzez centrale klimatyzacyjne, które mogą choć nie muszą zostać połączone hydraulicznie z obiegiem pierścieniowym.

Efektywność energetyczna systemów WLHP
Patrząc pod kątem efektywności energetycznej systemów WLHP można stwierdzić, iż ogólna efektywność systemów będzie tym większa im wyższą efektywnością będą się cechowały poszczególne elementy całego systemu. Zaproponowany przez autora publikacji (do której odnoszę się we wstępie niniejszego artykułu) system na obiekcie Pasaż Grunwaldzki niestety nie jest systemem optymalnym.

Układ przygotowania powietrza świeżego

Patrząc pod kątem przygotowania powietrza świeżego na obiekcie przewidziano agregaty chłodnicze o efektywności energetycznej ok. 2,7-3,0. Powyższa efektywność układu chłodniczego przeznaczonego do przygotowania powietrza świeżego jest stosunkowo niska. Patrząc na dostępne na rynku centrale klimatyzacyjne można zauważyć, że istnieją bardziej efektywne rozwiązania schładzania powietrza. Tutaj autorowi przychodzą na myśl dwa rozwiązania – pierwsze to możliwość zastosowania central klimatyzacyjnych współpracujących z pierścieniem wodnym WLHP dla których efektywność sprężarkowych układów chłodniczych w tego typu centralach będzie wyższa. Typowe takie rozwiązanie zaprezentowano na przykładzie typoszeregu CRH-XHE jednego z producentów urządzeń klimatyzacyjnych (rys. 2). Podczas pracy urządzenia w trybie chłodzenia ciepło skraplania jest przekazywane do obiegu pierścieniowego. Z uwagi, iż temperatura cieczy chłodzącej skraplacz jest stosunkowo niska (w porównaniu do typowych rozwiązań, w których ciepło skraplania jest przekazywane do atmosfery) uzyskiwane są wysokie efektywności energetyczne. Można zauważyć, że w centrali, w której temperatura powietrza wlatującego na parowacz (może to być zarówno mieszanina powietrza świeżego i recyrkulacyjnego lub 100% udział powietrza świeżego) w okresie letnim wynosi 30/22°C (wg termometru „suchego”/”mokrego”) i przy parametrach wody w pętli wodnej 20/25°C efektywności układów chłodniczych osiągają wartości nawet EER = 8,12! Powyższą wartość można porównać do proponowanego układu schładzania powietrza świeżego o efektywności energetycznej ok. 2,7 do 3,0.

 

 

Drugie rozwiązanie polega na wzbogaceniu powyżej przedstawionego układu technologicznego o odzysk „ciepła”/”zimna” z powietrza usuwanego. Można zauważyć, iż temperatura powietrza usuwanego z pomieszczeń jest szczególnie korzystna, patrząc pod kątem efektywności energetycznej, dla pompy ciepła jako systemu odzysku ciepła z powietrza usuwanego. Zakładając temperaturę powietrza usuwanego z pomieszczeń rzędu ok. 24°C uzyskiwane są bardzo wysokie efektywności energetyczne układu chłodniczego z pompą ciepła pracującej zarówno w okresie letnim jak i zimowym. Można sobie uzmysłowić, iż przy tradycyjnych rozwiązaniach układów schładzania powietrza skraplacze, zarówno w monoblokowych agregatach chłodniczych jak również agregatów skraplających chłodzonych powietrzem lub też innych podobnych rozwiązań, chłodzone są powietrzem wlotowym o temp. zewnętrznej często 32-35°C. Przy proponowanym rozwiązaniu temperatura powietrza wlotowego chłodzącego skraplacz odpowiada temperaturze powietrza usuwanego z pomieszczeń tj. rzędu ok. 24°C w okresie letnim. Dlatego zależnie od przyjętych parametrów cieczy w pętli wodnej (układu hydraulicznego WLHP) może się okazać, że proces schładzania powietrza z przekazywaniem ciepła skraplania do powietrza usuwanego jest bardziej korzystny od analogicznego rozwiązania z przekazywaniem ciepła do układu pierścieniowego WLHP. Przykład takiego rozwiązania zawarto na rysunku 3. Korzyści wynikające z zastosowania takiego systemu odzysku ciepła polegają na tym, że system spełnia wymogi i akty prawne obligujące do stosowania odzysku ciepła i chłodu z powietrza usuwanego. Ponadto zastosowanie takiego systemu znacząco zmniejsza energochłonność klimatyzacji.

 


Podczas pracy w trybie chłodzenia ciepło odprowadzane od powietrza schładzanego na parowaczu jest przekazywane w pierwszej kolejności na skraplaczu umieszczonym w strumieniu powietrza usuwanego, a następnie (jeśli istnieje taka potrzeba) pozostała część ciepła skraplania jest przekazywana do obiegu pierścieniowego. Powoduje to, że źródło chłodu (które najczęściej stanowi wieża chłodnicza) jest wymiarowane na mniejszą wydajność, ponadto w instalacji hydraulicznej jest mniejsza ilość cieczy, co w rezultacie zmniejsza nakłady inwestycyjne na system hydrauliczny i armaturę (pompy, przewody, itp.). Dodatkową korzyścią są: mniejsze koszty eksploatacyjne z uwagi na bardzo wysoką efektywność sprężarkowego układu chłodniczego (nieporównywalnie w stosunku do tradycyjnych układów schładzania powietrza), mniejsze zapotrzebowanie na moc i energię elektryczną do napędu pomp (mniejsze przepływy w instalacji hydraulicznej) a co najważniejsze mniejsze koszty eksploatacyjne na wentylację z uwagi na nieporównywalnie niższe opory na wymienniku odzysku ciepła (pompa ciepła) w stosunku do tradycyjnych rozwiązań odzysku ciepła bazujących na wymienniku płytowo-krzyżowym bądź obrotowym. W znaczny sposób redukuje to zapotrzebowanie na moc i energię elektryczną dla wentylatorów.
Przy opisie zostało przeze mnie podane, iż centrale klimatyzacyjne tego typu nie muszą być podłączone do układu hydraulicznego. Z uwagi na umiejscowienie jednego z wymienników układu pompy ciepła w strumieniu powietrza usuwanego uzyskuje się również wysokie wskaźniki efektywności energetycznej bez potrzeby i konieczności przyłączenia do instalacji hydraulicznej WLHP. Takie rozwiązania są oferowane przez różnych producentów urządzeń.
Do wspomnianych powyżej obydwu układów technologicznych przygotowania powietrza można zastosować również nagrzewnicę wtórną gorącego gazu (rys. 4). Ciepło skraplania, z reguły w okresie letnim, jest wykorzystywane wówczas do podgrzania powietrza po procesie osuszania, tak aby po jego osuszeniu można było uzyskać żądaną temperaturę. Z uwagi na brak cieczy pośredniczących pozwala to na zwiększenie efektywności energetycznej central dachowych. Ten typ nagrzewnicy wtórnej powinien być stosowany tylko w systemach, w których konieczne jest często osuszanie powietrza, w przeciwnym wypadku system będzie generował podwyższone opory wewnętrzne centrali, co wiąże się z większym zapotrzebowaniem na moc i energię elektryczną wentylatorów tłocznych.

 


W niniejszym punkcie pominięto zagadnienie możliwości zastosowania agregatu chłodniczego o wyższej efektywności zarówno dla pełnego jak i częściowego obciążenia cieplnego. Rozwiązania agregatów ze sprężarkami śrubowymi są również bardzo problematyczne w momencie awarii sprężarki. Bardzo duży ciężar i wymiary sprężarek śrubowych powodują, że koszty związane z wymianą sprężarki są wysokie i często stanowią duży problem dla wszystkich stron uczestniczących w danej inwestycji. Zdaniem autora, rozwiązaniem zdecydowanie korzystniejszym jest zastosowanie konstrukcji wielobiegowych i wielosprężarkowych ze sprężarkami spiralnymi tzw. multi-scroll, wraz z elektronicznymi zaworami rozprężnymi cechującymi się szeregiem korzyści w odniesieniu do tych bazujcych na sprężarkach śrubowych.

Indywidualne urządzenia klimatyzacyjne tj. monoblokowe pompy ciepła
(...)

Układ hydrauliczny WLHP
(...)

Koszty eksploatacyjne systemów WLHP
(...)

Koszty inwestycyjne systemów WLHP

(...)

Podsumowanie
Mam nadzieję, że moje subiektywne przemyślenia nie zostaną odebrane niewłaściwie. Zawarte w niniejszym artykule informacje mają tylko na celu przedstawienie własnego punktu widzenia i wynikają one z bieżących przemyśleń związanych z codzienną pracą. Z kilkoma aspektami poruszonymi przez autora jednej z publikacji się nie zgadzam i chciałbym na podstawie niniejszej publikacji wyrazić różnicę poglądów związanych z pracą ciągle jeszcze mało popularnych systemów WLHP. Nie chciałbym faworyzować lub też negować rozwiązań różnych producentów, dla danego obiektu i przyjętych parametrów pracy. Jeden system będzie bardziej efektywniejszy energetycznie a drugi mniej, warto jednak poddać dokładnej analizie, co najmniej kilka rozwiązań, aby wybrać system najbardziej optymalny. Wiele oczywiście również zależy od zaangażowania projektanta. Osobiście jestem dużym zwolennikiem tego typu systemów ale tylko wtedy kiedy zostaną one poddane gruntownej analizie i w szczególności, gdy występują warunki korzystne dla ich pracy.

LITERATURA
[1] JUSZCZYK G.: „WLHP – Water Loop Heat Pumps. Analiza projektu i jego kosztów na podstawie inwestycji Pasaż Grunwaldzki”, Chłodnictwo&Klimatyzacja 5/2009.
[2] ADAMSKI B.: „Produkcja chłodu na potrzeby klimatyzacji obiektów handlowych, cz. 1”, Chłodnictwo&Klimatyzacja 9/2007.
[3] ADAMSKI B.: „Produkcja chłodu na potrzeby klimatyzacji obiektów handlowych, cz. 2”, Chłodnictwo&Klimatyzacja 11/2007.
[4] ADAMSKI B.: „Produkcja chłodu na potrzeby klimatyzacji obiektów handlowych, cz. 3”, Chłodnictwo&Klimatyzacja 3/2008.
[5] ADAMSKI B.: „System z pompami ciepła połączonymi pierścieniem wodnym”, Rynek Instalacyjny 05/2006
[6] Biuletyny techniczne Clivet, Kliweko i innych producentów.

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

  • Pompy ciepła 2018

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2018

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.