Pełny artykuł dostępny dla abonentów!

Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii do ogrzewania budynków

1.3.2007, , Źródło: Wydawnictwo Verlag Dashofer Sp. z o.o.

PRZYKŁAD 1

Zastosowanie pomp ciepła

Rozbudowując w 2003 r. swój magazyn w Piotrkowie Trybunalskim (przestrzeń magazynową powiększono z 62 000m2/108 000 miejsc paletowych do 94 000 m2/153 000 miejsc paletowych, co uczyniło go największym magazynem w Polsce o łącznej kubaturze 1 335 000 m3), firma IKEA postanowiła wykorzystać do jego ogrzania odnawialne źródła energii. Analiza potrzeb energetycznych budynku skłoniła projektantów (MAB Anlagenbau Polonia) do zwrócenia uwagi na energię geotermalną ziemi. Ostatecznie zdecydowano o zastosowaniu pomp ciepła zasilanych wodą ze studni głębinowych.

Na schemacie pominięto pewne elementy instalacji hydraulicznej (zawory odcinające, zawory nastawczo-pomiarowe, klapy zwrotne, manometry, termometry itp.) zbędne przy analizie sposobu działania instalacji.

Projektowane zapotrzebowanie budynku o pow. 32 000 m2 na ciepło wynosi 1216 kW przy temperaturze zewnętrznej -20°C i temperaturze wewnątrz +12°C. Zdecydowano, że ok. 75% (ok. 920 kW) energii zostanie dostarczone przez pompy ciepła. Około 35% produkcji całego ciepła dla IKEA. Pozostała część przez kocioł gazowy. Kocioł gazowy o mocy 895 kW będzie jednocześnie awaryjnym źródłem ciepła na wypadek awarii układu z pompami ciepła (kocioł będzie w stanie zapewnić temperaturę +8°C w magazynie przy temperaturze zewnętrznej -20°C).

Rys. 6.4.4/1. Instalacja grzewcza – układ dostarczania wody gruntowej

Rys. 6.4.4/2. Instalacja grzewcza – pompy ciepła i kocioł

Rys. 6.4.4/3. Instalacja grzewcza – ogrzewanie magazynu

Układ dostarczania wody gruntowej (rys. 6.4.4/1)

Układ dostarczania wody gruntowej tworzą dwie studnie głębinowe (czerpne) oraz jedna studnia chłonna. Studnie głębinowe są w stanie dostarczyć do 2x130 m3/h wody na godzinę. Ich wydajność ściśle zależy od ilości ciepła potrzebnego do ogrzania magazynu.

Studnie głębinowe czerpalne oddalone są od siebie o około 500 mb a promień oddziaływania R dla każdej ze studni wynosi 400 mb. Ze względu na dużą twardość wody zdecydowano, że w studni zrzutowej instalacja rurowa zostanie wpuszczona poniżej lustra wody, tak by uniemożliwić przedostawanie się powietrza do instalacji. Poza tym w okresie letnim układ dolnego źródła jest raz w tygodniu uruchamiany na okres 10 min.

Aby obliczyć potrzebną wydajność pomp głębinowych, należało uwzględnić moc wyjściową pomp ciepła, ich sprawność, ciepło właściwe wody oraz różnicę temperatur wody na wejściu i wyjściu wymiennika ciepła pompy ciepła. Dodatkowo wydajność pomp głębinowych zwiększono ze względu na ich wykorzystanie przy uzupełnianiu ubytków wody w zbiornikach przeciwpożarowych.

Pompy w studniach sterowane są z szafy sterującej SA1 zaprojektowanej i wykonanej przez firmę ENEL.

Każda z pomp może być zasilona bezpośrednio z sieci lub poprzez przemiennik częstotliwości, umożliwiający płynną regulację wydajności pompy.

Algorytm załączania pomp.

Najpierw zostaje uruchomiona pompa nr 1. Jest ona zasilana z przemiennika częstotliwości, który zwiększając częstotliwość napięcia zasilającego silnik pompy, zwiększa jej wydajność do wartości nominalnej pompy. Następnie pompa zostaje podłączona bezpośrednio do sieci dzięki układowi styczników (jeden stycznik odłącza przemiennik częstotliwości, drugi podłącza pompę do sieci). Po pompie nr 1 startuje pompa nr 2 – w sposób identyczny jak pompa nr 1 (rozpędzanie przemiennikiem częstotliwości i podłączenie bezpośrednio do sieci).

Wydajnością pomp steruje regulator cyfrowy w oparciu o pomiar ciśnienia w kolektorze zasilającym pompy ciepła (przetwornik ciśnienia PC01 (rys. 6.4.4/1). Wartość zadana ciśnienia to ok. 2,1 bara.

Płynna regulacja wydajności pomp głębinowych jest potrzebna ze względu na sposób, w jaki pompy ciepła korzystają z wody gruntowej. Jeżeli pompa ciepła jest wyłączona, to zamknięta jest zasuwa (MK) odcinająca do niej dopływ wody gruntowej. Uruchomienie pompy ciepła poprzedzone jest otwarciem zasuwy, co powoduje spadek ciśnienia wody w kolektorze zasilającym pompy ciepła. Płynna regulacja wydajności pomp głębinowych pozwala na stabilizację ciśnienia w kolektorze zasilającym.

Pompy ciepła (rys. 6.4.4/2)

W opisywanej instalacji zastosowano cztery pompy ciepła firmy Carrier, model 30 RW: trzy o mocy 204 kW oraz jedną o mocy 317 kW.

Podstawowe cechy zastosowanych pomp to:

  • urządzenie może pracować przy temperaturach zewnętrznych do -20°C,

  • pulpit operatora sterowania Pro-Dialog Plus,

  • zintegrowane moduły hydrauliczne parownika i skraplacza upraszczają i ułatwiają instalację,

  • „inteligentne” sterowanie obrotami pompy skraplacza zapewnia niezawodną i ekonomiczną pracę,

  • pompa skraplacza z falownikiem o płynnie regulowanej wydajności automatycznie dostosowuje przepływ wody tak, aby zapewnić optymalną temperaturę skraplania,

  • wymienniki płytowe w optymalny sposób wykorzystują własności czynnika chłodniczego,

  • konstrukcja zapewniająca oszczędność miejsca na instalację.

  • nie jest konieczna maszynownia chłodnicza. Urządzenie może zostać zamontowane w ogólnie dostępnym miejscu jeżeli przepisy na to zezwalają,

  • układ chłodniczy w pełni zabezpieczony przed wyciekami.

Każda z pomp ma cztery sprężarki. Pompy ciepła pracują niezależnie. Po otrzymaniu sygnału zezwolenia na start sterownik pompy sprawdza, czy spełnione są warunki niezbędne do prawidłowej pracy – przepływ wody w obu obiegach: pierwotnym – woda gruntowa oraz wtórnym – woda grzewcza. Sterownik pompy w taki sposób dobiera liczba pracujących sprężarek, aby uzyskać na wyjściu pompy zadaną wartość temperatury dla obiegu wtórnego: 49°C.

Pompy ciepła sterowane są z szafy SA2 zaprojektowanej przez firmę Johnson Controls Int. Poland, a wykonanej i oprogramowanej przez firmę Pro-Ster Sp. j.

Załączanie pomp ciepła przebiega w niżej opisany sposób.

Najpierw otwierana jest zasuwa na wodzie gruntowej i jednocześnie uruchamiana pompa obiegu wtórnego. Po pełnym otwarciu zasuwy (potwierdzonym sygnałem ze styku krańcowego) pompa ciepła otrzymuje sygnał zezwolenia na start. Jeżeli w przewidzianym czasie (150 sek) zasuwa nie otworzy się (np. na skutek zablokowania lub ustawienia jej w tryb sterowania ręcznego), sygnał otwierający zasuwę zostanie wyłączony, pompa obiegu wtórnego zostanie wyłączona i pompa ciepła nie otrzyma zezwolenia na start. Ponowna próba uruchomienia pompy nastąpi dopiero po ręcznym otwarciu zasuwy.

Wyłączanie pompy ciepła przebiega w następujący sposób: najpierw wyłączany jest sygnał zezwolenia na start pompy. Ponieważ pompa ciepła wymaga kilkunastu sekund na wyłączenie się (zatrzymanie sprężarek), zasuwa zamyka się oraz pompa obiegu wtórnego jest wyłączona po 60 sekundach.

Kocioł (rys. 6.4.4/2)

Zastosowany w układzie kocioł gazowy Viessman z palnikiem Weishaupt o mocy 895 kW ma za zadanie wspierać lub zastępować pompy ciepła. O jego załączeniu i aktualnej mocy decyduje sterownik szafy SA2. Zamontowany w obiegu kotła zawór rozdzielający CV01 ma dwa zadania. Po pierwsze utrzymywać minimalną temperaturę wody powracającej do kotła na poziomie 55°C – by nie występowało wykraplanie pary wodnej ze spalin. Po drugie, ponieważ temperatura zasilania aparatów grzewczych jest niższa od minimalnej temperatury pracy kotła, zawór pozwala dopasować oba te obiegi i wpuszczać do instalacji tylko tyle ciepła, ile potrzeba na utrzymanie temperatury wody zasilającej obieg aparatów grzewczych na poziomie wynikającym z krzywej grzewczej (rys. 6.4.4/1). W tym celu zamontowany jest przetwornik temperatury TC02.

Standardowo sterowanie kotła uwzględnia sygnał z układu wczesnego wykrywania wycieku gazu, układu monitorującego poziom wody w instalacji oraz układów zabezpieczających kocioł przed przekroczeniem temperatury dopuszczalnej.

Ogrzewanie magazynu (rys. 6.4.4/3)

Do ogrzania magazynu wykorzystywane są aparaty grzewczo-wenytylacyjne GEA umieszczone pod dachem budynku. Magazyn umownie podzielony został na dwie strefy. W strefie pierwszej zamontowano 28 aparatów grzewczych obiegowych (bez udziału powietrza świeżego) o łącznej mocy 595 kW oraz cztery aparaty o mocy 244 kW z możliwością pracy na powietrzu świeżym lub obiegowym. Wyboru dokonuje się przestawiając działające przeciwsobnie przepustnice, napędzane siłownikiem elektrycznym. W strefie 2 zamontowano 19 aparatów grzewczych o łącznej mocy 396 kW oraz 2 aparaty z wyborem powietrze świeże/obiegowe o łącznej mocy 122 kW.

Aparaty grzewcze zasilane są z czterech szaf zasilająco-sterujących. Aparaty są sterowane termostatami pomieszczeniowymi, załączającymi grupy aparatów.

Zastosowania aparatów grzewczych z możliwością nawiewu powietrza świeżego miało za zadanie umożliwienie przewietrzania magazynu. Przewietrzanie jest stosowane głównie ze względu na właściwości przechowywanego w magazynie towaru. Przeważająca część składowanych rzeczy jest opakowana w drewno, tekturę, płytę pilśniową. Powoduje to, że przyjeżdżający do magazynu w wilgotny dzień produkt znacznie podnosi w nim wilgotność, co ma niekorzystny wpływ na warunki przechowywania.

Przewietrzanie jest aktywne wtedy, gdy spełnione są następujące warunki: temperatura zewnętrzna jest wyższa od -10°C oraz wilgotność zewnętrzna jest mniejsza od wewnętrznej.

Aby można było kontrolować temperaturę i wilgotność w magazynie, w każdej ze stref zamontowano podłączony do sterownika przetwornik temperatury i wilgotności.

By mieć możliwość sprawdzenia sprawności energetycznej całego systemu i określenia, ile ciepła dostarczają pompy ciepła, w wybranych punktach układu zamontowano liczniki ciepła (oznaczone na rysunkach WQ). Mamy więc po jednym liczniku po stronie wtórnej każdej z pomp ciepła, jeden w obiegu kotła oraz jeden w obiegu wody gruntowej. Liczniki dają możliwość odczytania m.in. energii całkowitej, temperatury zasilania, temperatury powrotu, objętości całkowitej, mocy chwilowej, przepływu chwilowego. Poza tym każda z pomp ciepła jest indywidualnie opomiarowana, tak by można było porównać i obliczyć sprawność po stronie zużycia energii elektrycznej.

Regulacja temperatury zasilania obiegu grzewczego

Przyjęto, że obliczeniowa temperatura powietrza dla hali magazynowej wynosi 12°C. Dla takiej wartości temperatury, po uwzględnieniu strat cieplnych budynku oraz zapewnieniu niewielkiego marginesu bezpieczeństwa, opracowano krzywą, uzależniającą wartość temperatury zasilania obiegów ogrzewania hali magazynowej od temperatury zewnętrznej. Krzywą przedstawiono poniżej.

Źródłem ciepła dla magazynu są cztery pompy ciepła: HP01, HP02, HP03, HP04 oraz kocioł BO01. Regulator cyfrowy, sterujący pracą kotłowni, porównuje wartość temperatury zasilania z wartością zadaną i wysyła sygnały załączające do pomp ciepła oraz kotła.

Sterowanie pompami ciepła oraz kotłem zrealizowane jest w oparciu o tabelę 6.4.4/1. Przedstawia ona moc, jaka jest potrzebna, by uzyskać założoną wartość temperatury zasilania, oraz ilość urządzeń, jaką należy załączyć, aby osiągnąć potrzebną moc.

Tabela 6.4.4/1 stanowi punkt wyjścia dla regulatora cyfrowego przy określaniu, ile urządzeń należy w danym momencie włączyć. Nie oznacza to jednak, że w danym zakresie temperatur zewnętrznych zawsze będzie pracować tyle urządzeń, ile określono w tabeli. Opisano to na przykładzie.

Załóżmy, że temperatura zewnętrzna ma wartość +3°C i układ automatycznego sterowania pracą kotłowni był wyłączony. Po ustawieniu przełącznika START AUTOMATYKI, TRYB PRACY w pozycji ZIMA, z zaprogramowanej krzywej grzewczej regulator cyfrowy odczytuje, że dla temperatury zewnętrznej +3°C, temperatura zasilania obiegu grzewczego hali magazynowej powinna mieć wartość ~34°C. Aby uzyskać taką temperaturę, należy załączyć trzy „małe” pompy ciepła. Regulator cyfrowy, po spełnieniu odpowiednich warunków, włącza pompy ciepła.

Po pewnym czasie od chwili uruchomienia może zaistnieć sytuacja, kiedy temperatura zasilania obiegu grzewczego będzie wyższa od zadanej (w naszym przykładzie, trzy pracujące „małe” pompy ciepła są w stanie podgrzać wodę do temp 38°C, ewentualnie zapotrzebowanie

 

Używamy plików cookie, żeby ciągle poprawiać jakość witryny.
Dowiedz się więcej.