Nowe rozwiązania z zakresu systemów klimatyzacji, ogrzewania i wentylacji w oparciu o gazowe pompy ciepła VRF-GHP firmy Sanyo

System klimatyzacji i ogrzewania zasilany gazem (w skrócie GHP) uniezależnia użytkownika od energii elektrycznej, a dodatkowo powoduje radykalne szenie emisji cO2 oraz nOx. Systemy GHP są przeznaczone nie tylko dla kilku pomieszczeń, ale dla całych budynków biurowych, hoteli, szpitali, szkół, uniwersytetów, budownictwa mieszkaniowego, kościołów oraz wszelkiego rodzaju obiektów przemysłowych.

Technologia VRF-GHP (VRF - Variable Refrigerant Flow - systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego, GHP - Gas Heat Pump – gazowa pompa ciepła) już od wielu lat odnosi duży sukces w Japonii - ok. 53% systemów VRF w Japonii zasilanych jest gazem (dane z roku 2005 - w chwili obecnej udział jest już większy).
Systemy te od kilku lat są również oferowane w Europie. Dużym zainteresowaniem cieszą się one szczególnie we Włoszech, Niemczech, Hiszpanii, Anglii, Rumunii, Francji, Holandii. Od 2006 system dostępny jest też w Polsce. W tym czasie zostało zainstalowanych ponad 45 systemów w całej Polsce, m.in. kilkanaście na terenie PGNiG w Warszawie, Lublinie, Zabrzu, Kielcach czy Krakowie. Na chwilę obecną dostarczane jest 10 systemów na obiekt Hotel Hilton (Zakrzówek) w Krakowie, pracujących w systemie 3-rurowym (z odzyskiem ciepła) i zintegrowanych ze sobą przy pomocy inteligentnego sterownika Sanyo pozwalającego na pełną kontrolę stref, grup, czy indywidualnych jednostek systemu.

Rozwój tej technologii jest wynikiem coraz to większego zapotrzebowania na energię elektryczną przeznaczoną w dużym stopniu na klimatyzację oraz problemów z tym związanych, np. w postaci przeciążenia lokalnych sieci energetycznych i okresowych awarii w dostawie energii elektrycznej zwłaszcza w sezonie letnim, kiedy wszyscy korzystają z urządzeń w tym samym czasie. Według prognoz klimatologów, gorące lata za kilkanaście lat będą normą, a średnia temperatura podniesie się jeszcze o kilka stopni w tym wieku.

Drugim problemem jest emisja do atmosfery dwutlenku węgla oraz tlenków azotu towarzysząca pracy urządzeń zasilanych energią elektryczną. Potęguje to efekt cieplarniany, który z kolei zmienia globalnie klimat, powodując jego ocieplenie i związane z tym awarie sieci energetycznych na skutek obniżania poziomu wód w rzekach, akwenach wodnych oraz podwyższenia ich temperatury, a które stanowią źródło chłodu dla turbin w elektrowniach. Dodatkowo, gwałtownie rosnące zapotrzebowanie na klimatyzację powoduje zwiększone obciążenie sieci energetycznych, które i tak już są przeciążone na skutek nieefektywnego chłodzenia wodą z rzek oraz przegrzewania się kabli energetycznych.

Czym charakteryzuje się GHP?
Wychodząc naprzeciw tym problemom, opracowano system klimatyzacji i ogrzewa- nia zasilany gazem (w skrócie GHP), który po pierwsze, uniezależnia użytkownika od energii elektrycznej, a dodatkowo powoduje radykalne zmniejszenie emisji CO2 oraz NOx. Systemy GHP są przeznaczone nie tylko dla kilku pomieszczeń, ale dla całych budynków biurowych, szpitali, szkół, uni- wersytetów, budownictwa mieszkaniowego, kościołów oraz wszelkiego rodzaju obiektów przemysłowych. W Japonii sporządzono statystyki, które wykazały, że opracowanie tej technologii i wdrożenie w życie łącznie ok. 5,5 GW wydajności chłodniczej/grzewczej, spowodowało zatrzymanie koncepcji budowy elektrowni atomowej o zdolności wytwarzania 2,4 GW energii elektrycznej.



Systemy VRF-GHP charakteryzują się zmiennym przepływem czynnika chłodniczego w systemie klimatyzacyjnym, umożliwiając płynną regulację wydajności chłodniczej/ grzewczej w obrębie każdego pomieszczenia. W praktyce oznacza to, że system może dostosować parametry pracy do poszczególnych jednostek wewnętrznych znajdujących się w różnych pomieszczeniach, np. układ składający się z agregatu o wydajności chłodniczej 90 kW i 40 jednostek wewnętrznych o 2,2 kW każda, może dostosować wydajność agregatu zewnętrznego tylko dla potrzeb jednego urządzenia wewnętrznego pracującego w danym momencie, co oznacza, że układ jest obciążony tylko w 5% w danym momencie, a nie w 100%. Dodatkowo przy jednostce wewnętrznej znajdują się zawory regulujące przepływ czynnika posiadające 420 kroków regulacji, co oznacza, że wydajność każdego urządzenia wewnętrznego możemy dla danego pomieszczenia regulować z dokładnością do 1/420 nominalnej wydajności urządzenia. W konsekwencji powoduje to duże oszczędności w poborze energii elektrycznej dla danego pomieszczenia, a w dalszej dla całego budynku. Jest to duży zysk w porównaniu do systemów zasilanych tradycyjnie ze sprężarkami pracującymi na zasadzie wł./wył., które działają zawsze na 100% swojej wydajności.

GHP a Wentylacja
Od kilku lat Sanyo oferuje na polskim rynku centralki wentylacyjne typu GU dostępne z opcją odzysku ciepła i wilgoci poprzez wymiennik krzyżowy i z możliwością nawilżania. W ubiegłym roku pojawiły się w sprzedaży również większe centrale wentylacyjne z odzyskiem ciepła, które również współpracują z systemem Sanyo VRF oraz VRF-GHP. Opcjonalnie możliwe jest wyposażenie tych central m.in. w nagrzewnicę/chłodnicę wodną, nagrzewnicę elektryczną, by-pass powietrza świeżego czy specjalny system antybakteryjny Bioxigen®.
Dzięki temu możemy projektować i wykonywać kompleksowe systemy klimatyzacji, wentylacji i ogrzewania w budynku w pełni zintegrowane w jednym układzie chłodniczym. Nie musimy wykonywać rozbudowanych szachtów na potrzeby kanałów powietrznych w budynku. Nie potrzebujemy dodatkowych agregatów skraplających do central wentylacyjno-klimatyzacyjnych. W systemie tym mamy również możliwość sterowania dostarczaniem powietrza „świeżego” w różnych strefach budynku w różnym czasie, co znów daje możliwość obniżenia kosztów eksploatacji w porównaniu do systemu wentylacji z jedną centralą w budynku, która pracuje niezależnie od tego czy korzystamy z wybranych pomieszczeń czy nie.

VRF a VRF-GHP
W systemie VRF-GHP oprócz wszystkich zalet systemów VRF dostępnych na rynku, (takich jak wspomniane wcześniej: energooszczędność, bardzo duże możliwości wydłużania instalacji chłodniczych, łatwy montaż dodatkowych jednostek wewnętrznych w ramach rozbudowy systemu, ogólna prostota montażu instalacji, bardzo niskie poziomy głośności, szeroki zakres systemów sterowania włączając w to kompatybilność z protokołami LON czy BACNET, możliwość niezależnych ustawień parametrów klimatycznych w każdym pomieszczeniu, określenie limitów wprowadzanych nastaw jak również możliwość niskich nastaw np.
12^oC, małe średnice rurociągów chłodniczych w porównaniu z systemami wody lodowej oraz bardzo bogaty typoszereg jednostek wewnętrznych), możemy wyróżnić szereg innych zupełnie nowych cech i zalet systemu zasilanego gazem.

Różnica podstawowa sprowadza się do sposobu zasilania sprężarki w agregacie zewnętrznym. W tradycyjnych systemach VRF dostępnych na rynku sprężarka jest zasilana elektrycznie inwerterowo, ale wiąże się to z ryzykiem wytwarzania piątej wyższej fali harmonicznej, która może powodować zakłócenia w niektórych układach elektrycznych. Wymiana ciepła pomiędzy agregatem i jednostkami wewnętrznymi dokonuje się przy pomocy freonowego układu chłodniczego, analogicznego do urządzeń typu split lub multisplit. Oznacza to, że czynnik chłodniczy odparowując pobiera ciepło z pomieszczenia, a skraplając się, oddaje ciepło do pomieszczenia w zależności od ustawionego trybu pracy. W systemie VRF-GHP układ chłodniczy jest prawie taki sam, tzn. składa się z takich samych jednostek wewnętrznych oraz tej samej chłodniczej linii freonowej, ale konstrukcja agregatu i sposób zasilania sprężarki stanowi nowe rozwiązanie, co odkrywa zupełnie nowe możliwości w sensie wymiany ciepła i skuteczności ogrzewania lub chłodzenia.

Przykład:
1 agregat zewnętrzny o mocy chłodniczej/grzewczej 56 / 67 kW typ SGP- EW190M2G2W zużywa 38,3 / 43,0 kW gazu, co przy założeniu dla gazu ziemnego GZ 50 oraz kaloryczności według polskich warunków ok. 34,5 MJ/m³N daje zużycie gazu w przeliczeniu na m³:

38,3 kW . 3.6 / 34.5 MJ/m3N = 3.99 m3/h w trybie chłodzenia
43,0 kW . 3.6 / 34.5 MJ/m3N = 4.48 m3/h w trybie grzania

Z tego wynika, że z 1 m³ gazu otrzymujemy ok. 16 kW ciepła.

Podstawowe różnice w porównaniu do systemów zasilanych elektrycznie są następujące:

• GHP wykorzystuje czynnik chłodniczy typu HFC (R410A) oraz naturalny gaz umożliwiając wydajną pracę i minimali- zując zanieczyszczania środowiska;

• Wydajne i szybkie chłodzenie oraz ogrze- wanie – zachowanie 100% wydajności grzewczej nawet przy -20^oC (również bardzo wysoką wydajność przy temp. zewn. = -30^oC). Nie tylko gaz jest wykorzystywany jako źródło ciepła, ale również ciepło odpadowe z silnika, które wspomaga wydajność systemu i doskonałą technologię klimatyzacji. Dzięki temu wyeliminowano straty energii oraz umożliwiono efektywne i bardzo szybkie grzanie. Dodatkowo system zasilany gazem pracując w trybie grzania nie potrzebuje cyklu odszraniania (dzięki wykorzystaniu ciepła odpadowego z silnika) charakterystycznego dla systemów zasilanych elektrycznie. Dzięki temu nie występuje mało przyjemna przerwa w cyklu grzania i możliwe jest ciągłe w pełni komfortowe ogrzewanie. Pełen zakres cyklu możliwy jest również w ostrych warunkach zimowych przy temperaturze zewnętrznej równej nawet -25°C, zatem system GHP może stanowić również podstawowy system grzewczy w zimie dla budynku w polskich warunkach klimatycznych. Dzięki temu możemy wyeliminować koszty związane z dodatkowo rozbudowaną kotłownią, czy węzłem ciepłowniczym oraz kosztami instalacji C.O. Natomiast pomieszczenia, które potencjalnie pełniłyby funkcję kotłowni, możemy zagospodarować w inny sposób ze względu na kompaktowe wymiary agregatu zewnętrznego GHP.

Dodatkowo uzyskiwana jest dużo większa sprawność w wykorzystaniu gazu w lecie, gdyż w Polsce gaz służy głównie w zimie na potrzeby ogrzewania czy przemysłu. Żaden system klimatyzacyjny zasilany elektrycznie nie jest w stanie zapewnić 100% wydajności grzewczej przy temperaturze zewnętrznej -20°C. Nie może, zatem stanowić podstawowego systemu grzewczego w polskich warunkach klimatycznych. System GHP przy wykorzystaniu dodatkowego ciepła odpadowego daje taką możliwość wykorzystując zarówno do chłodzenia i grzania jedynie jedną cienką instalację chłodniczą;

• Jeżeli system jest zaprojektowany również do pracy z istniejącą instalacją wody lodowej zastosowanie GHP daje możliwość w prosty sposób odnowienia starego systemu klimatyzacji opartego na klimakonwektorach wentylatorowych lub chłodnicach wodnych w centralach klimatyzacyjnych. Odbywa się to poprzez podłączenie do instalacji freonowej - przejściowego wymiennika ciepła freon-woda o wydajności 25kW, 50 kW oraz 70 kW wyposażonego we własną pompę obiegową. Dzięki możliwości podłączania wymiennika w odległości do
120 m od agregatu uzyskujemy naprawdę duże możliwości instalacyjne. Możemy również przystosować system do pracy w chłodnictwie, uzyskując niskie temperatury do -15^oC na potrzeby przechowywania żywności/chłodni przy wykorzystaniu wymienników z glikolem. Równocześnie możliwe jest jednoczesne podłączenie do wymiennika freon-woda standardowego systemu freonowego tak więc nie potrzebujemy czterorurowych klimakonwektorów wentylatorowych lub systemu przełączania i podłączania dodatkowej instalacji na potrzeby ogrzewania, kiedy fancoile mają również pełnić funkcję ogrzewania w zimie, ponieważ 100% wydajność grzewcza jest zawsze zagwarantowana;

• Nieograniczoną możliwość wydłużania całkowitej długości instalacji chłodniczej w systemie chłodniczym, rozumianej jako długość wszystkich działek i odgałęzień chłodniczych (w dostępnych na rynku systemach freonowych zasilanych elektrycznie ta długość jest ograniczona przeważnie do ok. 300 m). Dodatkowo istnieją gotowe rozwiązania umożliwiające dodatkowy odzysk ciepła odpadowego z silnika na potrzeby c.w.u. Przygotowane są gotowe wymienniki ciepła do odzyskiwania ciepła odpadowego o wydajności od 12,5 do 27 kW. W trakcie pracy agregatu o wydajności 71 kW mamy dostępne 27 kW ciepła za darmo na potrzeby c.w.u. o temperaturze 75^oC

• Najbardziej zaawansowaną formą systemu VRF-GHP jest system trzyrurowy umożliwiający równoczesne chłodzenie lub grzanie w obrębie różnych jednostek wewnętrznych, co umożliwia dodatkowe odzyskiwanie ciepła i zwiększenie efektywności energetycznej o dodatkowe 35% w stosunku do systemu dwururowego. Ciepło odbierane z pomieszczeń nie jest oddawane do otoczenia, ale jest przekazywane do pomieszczeń, które w danym momencie wymagają ogrzewania, zatem nie ma wtedy straty energii, a część pomieszczeń jest ogrzewana „za darmo”.

• System GHP z założenia pozwala użytkownikowi praktycznie uniezależnić się od dostaw energii elektrycznej. Dalszym krokiem było wprowadzenie do oferty Sanyo agregatów kogeneracyjnych, które oprócz standardowych możliwości VRF-GHP oferują dodatkowo produkcję energii elektrycznej (do 4kW z jednego urządzenia) co pokrywa zużycie prądu przez układ sterowania i pracę wszystkich jednostek wewnętrznych systemu. W praktyce oznacza to całkowite uniezależnienie się od energii elektrycznej na potrzeby ogrzewania i klimatyzacji w budynku.

Autor: mgr inż. Marcin Przybecki, Warszawa



Źródło: SPS Klima Sp. z o.o.