Przyjęcie przez Polskę dyrektyw w zakresie poszanowania energii, a także wprowadzenie krajowych regulacji dotyczących redukcji zużycia paliw pierwotnych i ochrony środowiska [1-4] oraz podwyższenie standardów w budownictwie [5], spowodowało powstanie priorytetów ukierunkowanych na ograniczenie energochłonności nowoprojektowanych budynków oraz podniesienie komfortu i ergonomii przebywających tam osób.

Coraz skuteczniejsza izolacja termiczna budynków powoduje w efekcie znaczne podwyższenie bilansu cieplnego w okresie letnim i wymaga zmiany podejścia projektantów do zagadnień związanych z prawidłową klimatyzacją i wentylacją nowoczesnych obiektów.
Przed projektantami branży HVAC i architektami stanęło nowe wyzwanie związane z projektowaniem i nadzorowaniem wykonania skutecznych układów klimatyzacji i wentylacji. Dodatkowym istotnym aspektem, stało się uwzględnianie ograniczeń, jakie występują w odniesieniu do dostępności energii elektrycznej zasilającej układy klimatyzacyjne. Wymusza to odejście od energochłonnych układów klimatyzacji elektrycznej. Nowoczesne rozwiązania klimatyzacyjno- wentylacyjne proponują wentylację mechaniczną z wykorzystaniem blokowego akumulacyjnego odzysku ciepła, powiązaną z energooszczędną, zcentralizowaną klimatyzacją wielostrefową, wykorzystującą jako źródło energii gaz ziemny (rys. 1).  (...)

Rys. 1. Jedna z największych instalacji gazowych pomp ciepła na świecie – około 3,3 MW mocy chłodniczej i 3,8 MW mocy grzewczej – zainstalowana na jednym z obiektów w Korei Południowej

Klimatyzacja z wykorzystaniem gazu (...)

W wyniku kilkuletnich prac badawczych opracowana została nowa technologia gazowych pomp ciepła (GHP – Gas Heat Pumps), polegająca na wykorzystaniu gazowego silnika spalinowego w układzie pompy ciepła działającej w systemie zmiennego przepływu czynnika chłodniczego (VRF – Variable Refrigerant Flow). Gazowe pompy ciepła umożliwiły realizację funkcji ogrzewania i chłodzenia oraz produkcję ciepłej wody użytkowej w obrębie jednego urządzenia, z wykorzystaniem gazu ziemnego lub LPG. Pozwoliło to na znaczne zmniejszenie zużycia energii elektrycznej w okresach największego zapotrzebowania na energię. Dodatkowo uzyskano zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych oraz obniżenie kosztów projektowania i wykonania instalacji zapewniającej realizację funkcji ogrzewania i klimatyzacji w jednym układzie. Przez kolejne lata technologia GHP była rozwijana i dopracowywana w laboratoriach badawczych AISIN TOYOTA i na przestrzeni dwudziestu lat znalazła zastosowanie w ponad 60% wszystkich obiektów instytucjonalnych i przemysłowych w Japonii.
W roku 2001 rząd japoński udostępnił technologię GHP Europie, gdzie do dnia dzisiejszego zostało zaprojektowanych i wykonanych ponad 2000 instalacji z wykorzystaniem gazowych pomp ciepła GHP. Skuteczność technologii GHP potwierdziła się w Japonii i w Europie, a w chwili obecnej trafia ona także do Polski, gdzie istnieje duży potencjał jej zastosowań zarówno ze względu na możliwości zmniejszenia zużycia energii elektrycznej i redukcji kosztów eksploatacji, jak i na znaczne ograniczenie emisji zanieczyszczeń gazowych do atmosfery.

Zasada działania gazowych pomp ciepła (...)

Współczynniki wydajności układów klimatyzacyjnych (...)

Odbiór energii wytwarzanej w gazowych pompach ciepła
Energia wytwarzana w układzie gazowych pomp ciepła może być przekazywana do pomieszczeń w budynku poprzez układ bezpośredniego odparowania Dx (Direct Expansion), układ wodny AWS (Air-Water System) lub układ powietrzny z wykorzystaniem central wentylacyjnych. Ponadto energia cieplna z silnika spalinowego może być wykorzystywana do produkcji ciepłej wody użytkowej z zastosowaniem układu HWK (Hot Water Kit). Układy Dx, AWS i powietrzny mogą być wykorzystywane niezależnie lub mogą być łączone w zależności od specyfiki projektu.

Rys. 6. Połączenie jednostki zewnętrznej GHP z różnymi typami odbiorników bezpośredniego odparowania Dx

Rys. 7. Dystanse montażowe gazowych pomp ciepła GHP

Rys. 8. Połączenie jednostki zewnętrznej GHP z odbiornikami układu wodnego poprzez jednostkę wymiennikową AWS

Układ bezpośredniego odparowania Dx
W układzie bezpośredniego odparowania gazowa pompa ciepła GHP jest podłączona bezpośrednio do układu wewnętrznych odbiorników ciepła/chłodu za pomocą instalacji z czynnikiem R410A (rys. 6). Czynnik ten transportowany jest na całej długości instalacji do odbiorników wewnętrznych, w których w zależności od wybranego trybu pracy (ogrzewanie lub chłodzenie) następuje odparowanie lub skroplenie czynnika, a tym samym odpowiednia wymiana ciepła. Do jednego urządzenia GHP może być podłączonych do 41 odbiorników wewnętrznych różnego typu (np. jednostki sufitowe, ścienne, przypodłogowe). Każdy z odbiorników może posiadać niezależne zdalne sterowanie, a dodatkowo cały układ może podlegać kontroli i regulacji ze sterownika centralnego sterowania.
Układ rozprowadzenia czynnika R410A do odbiorników wewnętrznych może być realizowany przy użyciu rozgałęźników, kolektorów lub kombinacji tych elementów.
Umiejscowienie jednostek gazowych pomp ciepła względem innych jednostek oraz ścian i innych płaszczyzn wymaga zachowania minimalnych odstępów przedstawionych na rysunku 7.

Układ wodny AWS
W układzie wodnym zewnętrzna jednostka GHP podłączona jest do stacji wymiennikowej AWS, która z kolei połączona jest z układem odbiorników wewnątrz budynku (rys. 8). Przepływ energii pomiędzy jednostką zewnętrzną GHP a wymiennikiem AWS realizowany jest za pomocą obiegu czynnika R410A, natomiast za wymiennikiem AWS następuje przekazanie energii do budynku za pomocą obiegu wody/glikolu. Układ ten, ze względu na temperaturę wylotu/powrotu czynnika w układzie wodnym, idealnie naddaje się do zastosowania w połączeniu z wymiennikami podłogowymi lub konwektorami wentylatorowymi. W trybie ogrzewania wymiennik AWS produkuje wodę gorącą (45,5/40°C), natomiast w trybie chłodzenia wytwarza wodę lodową (7/12°C). Jedna jednostka AWS może być podłączona do jednej jednostki GHP o odpowiedniej mocy.
Na rysunku 9 przedstawiono przykład instalacji standardowej w układzie AWS z jedną pompą ciepła. W systemie tym możliwe jest realizowanie w jednym czasie albo ogrzewania, albo chłodzenia. Zbiornik akumulacyjny równoważy hydraulicznie przepływy.
Na rysunku 10 przedstawiono instalację kaskadową gazowych pomp ciepła. Jest to przykład rozdzielenia obiegu ogrzewania od obiegu chłodzenia, które mogą jednocześnie zasilać różne strefy budynku. Obydwie gazowe pompy ciepła pozwalają dodatkowo w tym układzie na odzysk energii cieplnej z silnika na potrzeby produkcji ciepłej wody użytkowej z użyciem modułu HWK.
Na rysunku 11 przedstawiona została instalacja gazowej pompy ciepła w układzie AWS z równolegle podłączonym zbiornikiem akumulacyjnym oraz szczytowo załączanym źródłem w postaci kotła grzewczego.

Układ powietrzny Moduł ciepłej wody użytkowej HWK (...)

Moduł ciepłej wody użytkowej HWK (...)

AUTORZY: Tomasz WAŁEK – Instytut Inżynierii Produkcji, Politechnika Śląska
Jarosław JUSZCZYK – GHP Poland sp. z o.o.