W odróżnieniu od znanych w Europie pomp ciepła napędzanych gazem, przeznaczonych wyłącznie do ogrzewania lub przygotowania ciepłej wody użytkowej, japońscy producenci, jak np. AISIN i SANYO, wprowadzili pompę ciepła jako istotny element składowy instalacji schładzających i osuszających powietrze w pomieszczeniach. Jest ona zastosowana w układzie powietrze-czynnik chłodniczy (VRF w układzie powietrze-powietrze) i/lub powietrze-woda (pompa ciepła powietrze-woda) do przygotowania wody gorącej lub lodowej. Poniżej przedstawiono zalety tego rozwiązania i zakres zastosowań. Wprowadzenie tych systemów na rynek niemiecki bądź europejski miało miejsce w latach 2003/2004. Od tego czasu zainstalowano w Europie około 2500 jednostek zewnętrznych, z czego w Niemczech ok. 250÷280 sztuk. Dla porównania, na całym świecie w ten sposób pracujących instalacji jest ok. 600 tys. (stan na rok 2009).

Instalacje klimatyzacyjne napędzane gazem, przyporządkowane do systemu powietrze-czynnik chłodniczy, są szczególnie przydatne w nowych obiektach, a także przy rozbudowie klimatyzacji powierzchni handlowych, budynków biurowych, salonów samochodowych, hoteli, banków i szkół. Dalsze obszary zastosowań, to szpitale oraz przemysł. Zapotrzebowanie na chłód i ciepło, również dla przygotowania wody ciepłej lub zimnej, zostaje pokryte przez cały rok. Napęd sprężarek za pomocą silnika gazowego umożliwia w układach chłodniczych oraz grzejnych bardzo dobre wykorzystanie energii pierwotnej dzięki sprzężeniu odprowadzania ciepła odpadowego z układem wysokotemperaturowym. Równocześnie koszty energii i emisja CO2, w porównaniu z instalacjami konwencjonalnymi, zostają znacznie zredukowane.

Aktualny program produkcyjny obejmuje systemy 2- i 3-rurowe o zakresie mocy nominalnej od 22 do 142 kW. Dla mocy powyżej 70 kW stosuje się połączenia zespolone. Ponadto po raz pierwszy w świecie dostępne są jednostki zewnętrzne z generatorem o zakresie mocy nominalnej chłodniczej od 56 do 127 kW oraz nominalnej mocy grzejnej od 63 do 143 kW. Moc elektryczna generatora stałoprądowego wynosi przy tym od 2 do 3,5 kW. Istnieją także starania, aby pompa ciepła w tym trybie pracy, oprócz źródła ciepła, mogła wykorzystywać także ciepło gruntu do podgrzewania powietrza zewnętrznego poprzez specjalne sondy. Kolejne wersje wykonania można znaleźć w katalogach producenta lub w źródle literaturowym [3].

Zasada działania (...)

Rys. 1. Napędzana gazem klimatyzacja/pompa ciepła, czynnik chłodniczy – woda lodowa, w trybie ogrzewania [1]

Gazowa pompa ciepła (jednostka zewnętrzna) (...)

System ogrzewania w budynku (jednostki wewnętrzne)

W standardowych rozwiązaniach systemów VRF, do jednego obiegu chłodniczego można podłączyć do 63 jednostek wewnętrznych dla potrzeb podgrzewania i/ lub chłodzenia powietrza. Ponadto, istnieje możliwość zasilania wodnego wymiennika ciepła bądź też wymiennika wodnopowietrznego.

Szczególnego znaczenia, dla efektywności energetycznej napędzanej gazem instalacji klimatyzacyjnej lub pompy ciepła, nabiera podczas całego cyklu eksploatacyjnego możliwość wykorzystania ciepła odpadowego z silnika lub ze spalin. W tabeli 1 pokazano tę możliwość, przy uwzględnieniu rocznych wskaźników roboczych w różnych systemach instalacyjnych.

Objaśnienia: Według Normy DIN 15599, dla energetycznej oceny wytwarzania chłodu należy stosować Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER), a dla pomp ciepła Seasonal Power Factor (SPF), jako wskaźniki robocze. Dla układów napędzanych gazem jest na ogół podawany stopień wykorzystania energii końcowej lub pierwotnej. Dzięki temu możliwe jest bezpośrednie porównanie rocznego stopnia wykorzystania energii. Poprzez sprawność zakładu energetycznego otrzymuje się wartości porównawcze dla systemów napędzanych elektrycznością.

Wykorzystanie ciepła odpadowego powoduje znaczne podwyższenie efektywności energetycznej układu i przez to zwiększenie atrakcyjności systemu.

Dalszą poprawę stopnia wykorzystania energii pierwotnej uzyskuje się poprzez sprzężenie klimatyzacji i produkcji prądu elektrycznego. W tym celu napędzane gazem jednostki zewnętrzne zostają wyposażone w generator, który może dostarczyć ok. 4 kW mocy elektrycznej (rys. 2).

Warianty rozwiązań

Na schemacie na rysunku 3 pokazano przegląd możliwych zakresów zastosowań klimatyzatorów napędzanych gazem. Oprócz rozwiązań standardowych systemów VRF, istnieją także inne interesujące koncepcje instalacji.

A zatem dzięki sprzężeniu jednostki zewnętrznej napędzanej gazem z wodnym wymiennikiem ciepła, równolegle do układu powietrze-woda może pracować system powietrze-czynnik chłodniczy (VRF) (rys. 4). Takiemu „systemowi mieszanemu” można przede wszystkim zawdzięczać możliwość modernizacji różnorodnych rozwiązań.

Za pomocą węzła hydraulicznego można realizować także system powietrznowodny, a zatem agregat wody lodowej do chłodzenia i ogrzewania (m. in. z solanką przy temperaturze zewnętrznej do -15°C. Zakres mocy nominalnych urządzenia dyspozycyjnego zawiera się w przedziale od 22 do 68 kW (chłodzenie) i od 25 do 80 kW (ogrzewanie). Dołączony jest przy tym zewnętrzny wymiennik do ochładzania lub podgrzewania powietrza z centrali wentylacyjnej. (...)

Rys. 5. Instalacja powietrze-woda [1]

Rys. 6. Napędzana gazem instalacja powietrze-czynnik chłodniczy, zasilająca centralę wentylacyjną [1]

Podsumowanie

Instalacja klimatyzacyjna napędzana gazem nadaje się do ogrzewania, chłodzenia z osuszaniem oraz do przygotowania ciepłej wody użytkowej dla średnich i dużych budynków. Umożliwia ona odciążenie sieci elektrycznej w budynku i zapewnia stałą wydajność cieplną, przy niskich temperaturach zewnętrznych. Nowsze rozwiązania z generatorem lub z wykorzystaniem węgla brunatnego poszerzają pole zastosowań. Przy tym instalacje klimatyzacyjne i pompy ciepła napędzane gazem odróżniają się korzystnie od wszystkich systemów napędzanych energią elektryczną.

Przy pracy w trybie ogrzewania osiąga się lepsze wykorzystanie energii pierwotnej niż przy zwykłym spalaniu gazu ziemnego, a także uzyskuje się znaczną redukcję emisji substancji szkodliwych. Wiele urządzeń napędzanych dotychczas elektrycznością może wykorzystywać również gaz.

LITERATURA

[1] Werksunterlagen Eschenfelder KKU GmbH, Marl.
[2] Werksunterlagen Kaut GmbH + Co., Wuppertal.
[3] TROGISH A.: Planungshilfen Lüftungstechnik, 3. Auflage, C. F. Müller Verlag, Heidelberg 2009.