Odzysk ciepła w agregatach wody lodowej - darmowa gorąca woda sanitarna

Najczęściej instalowane agregaty wody lodowej w Polsce dla systemów klimatyzacyjnych, to urządzenia w wersji tylko chłodzącej. Na obiektach sporadycznie występują agregaty w wersji pompy ciepła, a o montażu agregatów z funkcją całkowitego lub częściowego odzysku ciepła skraplania prawie w ogóle się nie słyszy. Priorytet niskich kosztów inwestycyjnych sprowadził do projektowania najprostszych układów wody lodowej, dających niskie koszty zakupu urządzeń i wysokie koszty eksploatacyjne. Projektując układ chłodzenia i ogrzewania budynku zapomina się o dziesiątkach, a nawet setkach kilowat ciepła oddawanych do atmosfery przez skraplacz agregatu wody lodowej. Energia ta może być z powodzeniem wykorzystana do ogrzewania wody sanitarnej, za podgrzanie której podczas eksploatacji budynku trzeba dodatkowo zapłacić.

W niedużych projektowanych obiektach do 400 m², takie jak małe biura, małe hotele, pensjonaty, domy jedno lub wielorodzinne, małe obiekty służby zdrowia, restauracje, zawsze zadawane jest pytanie jaki system klimatyzacji zamontować? Który będzie lepszy, czy: system klimatyzatorów split, bardziej zaawansowany system VRF, system kanałów powietrznych z centralą klimatyzacyjną, czy system wody lodowej z klimakonwektorami? Tak naprawdę ten jest lepszy, który bardziej spełnia oczekiwania finansowe i eksploatacyjne inwestora. A oczekiwania inwestora z reguły są takie, na ile posiada on wiedzę o możliwościach rozwiązania technicznego instalacji w obiekcie.

Rys. 1. Schemat systemu wodnego z produkcją gorącej wody sanitarnej
Do tych wszystkich rozwiązań warto zaproponować dodatkową propozycję kompletnego systemu klimatyzacji z czynnikiem pośrednim jako woda firmy Climaveneta-De’Longhi dla małych obiektów, oparty o agregat ERAN/P SHW wody lodowej chłodzący i grzejący oraz produkujący gorącą wodę sanitarną z odpadowego ciepła skraplania freonu. Proponowane agregaty ERAN/P SHW występują w zakresie wydajności chłodniczej od 8,5 do 35 kW i grzewczej od 9,6 do 36 kW. Agregaty te ogrzewają wodę o 30°C z wydajnością dla najmniejszego modelu 4,5 litr/min. do dla największego 16,7 litr/min. Agregaty te mogą pracować w pojedynczym cyklu pracy: chłodzenie, grzanie i produkcja gorącej wody sanitarnej lub kombinowanym cyklu pracy: chłodzenie lub grzanie z produkcją gorącej wody sanitarnej.

Rys. 2. Bojler ogrzewający i magazynujący gorącą wodę
Kompletny system składa się z:
- agregatu wodnego ERAN/P SHW w wersji pompy ciepła i produkującego gorącą wodę sanitarną. W standardzie wyposażony jest w wbudowane do środka dwa układy pompowe z pompami o płynnej regulacji wydajności: pierwszy dla wymiennika produkującego zimną/ciepłą wodę na potrzeby klimatyzacji i drugi dla wymiennika produkującego gorącą wodę sanitarną;
- bojlera 100 lub/i 180 litrowego z wężownicą. montowanego w budynku, mającego za zadnie ogrzewanie i magazynowanie wody. W standardzie wyposażony jest w zbiornik wyrównawczy, zawór mieszający z termostatem, automatyczny zawór odpowietrzający i termometr;
- odbiorniki zimnej lub ciepłej wody np. klimakonwektory z zaworami i automatyką dla potrzeb klimatyzacji pomieszczeń.
Jak to działa? Gdzie tkwi sekret? Agregat wody lodowej z systemem produkcji gorącej wody sanitarnej SHW (eng. Sanitary Hot Water) zawiera najnowszy elektroniczny system sterowania, który w pełni kontroluje i przełącza tryby pracy. Urządzenie pracuje przez cały rok w dowolnym trybie pracy, w cyklu pojedynczym (chłodzenie, grzanie lub ciepła woda) lub kombinowanym cyklu (gorąca woda sanitarna plus chłodzenie – rys. 3 – lub grzanie – rys. 4), zapewniając w drugim przypadku maksymalne oszczędności energii (przez odzysk ciepła w trybie chłodzenia). Poszczególne czujniki temperatury, umiejscowione na wymiennikach ciepła, na zbiorniku (bojlerze) magazynującym gorącą wodę, stale kontrolują status systemu, by zapewnić warunki aby spełnić żądanie produkcji ciepłej wody. Wymiennik ciepła do produkcji ciepłej wody jest umiejscowiony bezpośrednio za sprężarką i dlatego jest stale zasilany gorącym gazem freonu. W zależności od trybu pracy gaz ten jest schładzany i skraplany, a całe ciepło przeznaczone jest do produkcji gorącej wody lub jako częściowy odzysk ciepła, przegrzane pary gazu oddają częściowo ciepło. Pozostałe ciepło skraplania oddawane jest w drugim wymienniku pracują- cym na potrzeby ogrzewania budynku. Drugi wymiennik w zależności od trybu pracy spełnia także funkcję produkcji zimniej wody. W trybie pracy zimą czy latem odzyskana energia jest przechowywana w płaszczu wodnym bojlera wokół wężownicy (pojemność bojlerów 100 i 180 litrów). System magazynowania wody może być rozbudowany o dodatkową ilość wody (dodatkowy bojler), gdy jest taka konieczność, w zależności od możliwości technicznych stosowanego agregatu.

Rys. 3. Gorąca woda sanitarna (darmowe ciepło)

Rys. 4. Gorąca woda sanitarna (częściowy odzysk ciepła)
Wymiana ciepła w bojlerze pomiędzy gorącą wodą z agregatu, a ogrzewaną i magazynowaną wodą odbywa się za pośrednictwem wysokosprawnej, miedzianej, zanurzonej wężownicy. Podczas okresu zimowego agregat produkuje gorącą wodę dla systemu ogrzewania budynku (temp. wyjściowa wody 51°C), a także odzyskuje ciepło z kompresora jako częściowy odzysk ciepła, ogrzewając wodę sanitarną w bojlerze w zależności od modelu agregatu do około 90°C w ciągu kilku godzin pracy. Kiedy czujnik temperatury na bojlerze pokaże znaczny spadek temperatury po użyciu większej ilości wody, sterownie mikroprocesorowe zadecyduje o zmianie priorytetu funkcji grzania, dając maksymalną moc na grzanie wody sanitarnej. Po szybkim podgrzaniu wody wraca do poprzednich ustawień tj. przekazuje mocy na ogrzewanie budynku. Podczas okresu letniego w standardowym agregacie wody lodowej ciepło kondensacji par freonu jest oddawane do atmosfery, zamiast je odzyskiwać, przekształcać i magazynować w bojlerach. Ta energia jest za darmo! Kiedy nie ma potrzeby chłodzenia w chłodniejsze okresy lata, jak i grzania w cieplejszych dniach w okresach przejściowych, agregat automatycznie zacznie produkować gorącą wodę, wykorzystując wysoką temperaturę zewnętrzną. Podczas pracy w takich warunkach COP jest bardzo wysokie.

Rys. 5. Układ chłodniczy agregatu HRAN/P SHW: 1 – sprężarka typu Scroll, 2 – lamelowy wymiennik powietrzny, 3 – płytowy wymiennik do produkcji wody sanitarnej, 4 – płytowy wymiennik dla potrzeb klimatyzacji (chłodzenie/grzanie), 5 – zawór rewersyjny, 6 – termostatyczny zawór elektroniczny, 7 – by-pass’owy zawór elektroniczny, 8 – odbiornik cieczy, 9 – grzałka karteru sprężarki, 10 – grzałka antyzamrożeniowa wymiennika, 11 – wyłącznik wysokiego ciśnienia, 12 – przetwornik sygnału wysokiego ciśnienia, 13 – przetwornik sygnału niskiego ciśnienia, 14 – króciec pomiarowy, 15 – czujnik temp. powietrza zewnętrznego, 16 – czujnik temp. dla regulacji termostatu, 17 – czujnik temp. wody wchodzącej – produkcja gorącej wody, 18 – czujnik temp. wody wychodzącej – produkcja gorącej wody, 19 – czujnik temp. wody wchodzącej – system chłodzeni/grzania, 20 – czujnik temp. wody wychodzącej – system chłodzeni/grzania, 21 – wentylator wymiennika powietrznego

Rys. 6. Przyłącza wodne agregatu HRAN/P SHW: 1 – pompa wodna – system chłodzenie/grzanie, 2 – pompa wodna – produkcja gorącej wody, 3 – czujniki temp. wody, 4 – manometry, 5 – zawór spustowy, 6 – ręczy zawór odpowietrzający, 7 – zawór bezpieczeństwa, 8 – zawór spustowy, 9 – filtr, 10 – elastyczne przyłącze wodne, 11 – zawór odcinający, 12 – zawór regulacyjny, 13 – termometr, 14 – zbiornik wyrównawczy, 15 – czujnik przepływu, 16 – automatyczny zawór odpowietrzający, 17 – termostat, 18 – zawór mieszający
Układ chłodniczy agregatu jest odpowiednio dobrany do zapewnienie wysokiej wydajności we wszystkich warunkach pracy. Takie elementy jak: przetworniki sygnału, elektroniczne termostatyczne zawory rozprężne (podobne agregaty mają mechaniczne) i dużą ilość czujników temperatury, przyczyniaj ą się do osiągnięcia najlepszych warunków pracy układu chłodniczego, przez co gwarantować najlepszą termodynamiczną sprawność układu. Ostatecznie, do przezwyciężenia problemów z procesem rozmrażania powietrz powietrznego wymiennika zewnętrznego, zastosowano precyzyjny układ logicznego zarządzania (AirSensor), przez krzyżową kontrolę procesu odparowania i temperatury zewnętrznej. Sterowanie tym procesem charakteryzuje się dużą precyzją, ponieważ analizuje wszystkie parametry w układzie chłodniczym i wodnym, aby uniknąć kontynuowania odmrażania przy zbyt niskiej temperaturze parowania, a stosować odmrażanie jedynie wtedy, kiedy jest ono niezbędne. Uzyskana dzięki temu średnia wartość COP jest znacznie wyższa. Powszechnie używane agregaty wody lodowej borykają się z problemem niestabilnych parametrów wody na wejściu i wyjściu z wymiennika w procesie schłodzenia lub podgrzania wody. Parametry te w mniejszy, czy większym stopniu ulegają procesowi fluktuacji. Zjawisko to powstaje na skutek cykli włącz/wyłącz sprężarki i pracy pompy wodnej ze stałą wydajnością. W przedstawionych agregatach ERAN/P SHW w wyniku kontroli dużej ilości parametrów na układzie chłodniczym i wodnym oraz zastosowaniu elektronicznego, termostatycznego zaworu rozprężnego i pomp wodnych z mikroprocesorowym nadzorem zmiennej wydajności, proces fluktuacji parametrów wody został sprowadzony do marginesu błędu pomiarowego. Wydajność pompy wodnej z płynną regulacją wydajności jest przez układ logiczny regulowana tak, aby utrzymywać parametry wody na stałym poziomie i ograniczyć do minimum cykle włączania i wyłączania sprężarki. Różnicę parametrów wody pokazują wykresy na rysunkach 7, 8, 9, 10 z pomiarów laboratoryjnych.

Rys. 7. Tradycyjny agregat w funkcji chłodzenia. Parametry wyjście/wejście wody na wymiennik i delta T

Rys. 8. ERAN/P SHW agregat w funkcji chłodzenia. Parametry wyjście/wejście wody na wymiennik i delta T

Rys. 9. Tradycyjny agregat w funkcji grzania. Parametry wyjście/ wejście wody na wymiennik i delta T

Rys. 10. ERAN/P SHW agregat w funkcji grzania. Parametry wyjoecie/wejoecie wody na wymiennik i delta T
Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne systemu klimatyzacji z produkcją gorącej wody sanitarnej Dla zobrazowania poziomu kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych poszczególnych rozwiązań ogrzewania, została załączona tabela pokazująca je w sposób uporządkowany. Mimo, że analiza jest przeprowadzona na rynek włoski, pokazuje ona wzajemną relację różnych rozwiązań ogrzewania budynku (tabela kosztów wykonania i eksploatacji instalacji grzewczych była stworzona w oparciu o analizę mieszkania w Rzymie o powierzchni 150 m² z zamontowanym piecem grzewczym o wydajności grzewczej 24 kW lub agregatem ERAN-P 51 SHW w wersji pompy ciepła i produkcją wody sanitarnej. Wyznaczone wartości były dane zakładając zużycie 6 kW energii elektrycznej). Z danych tych wynika, że agregat w wersji pompa ciepła z produkcją gorącej wody sanitarnej wraz z układem klimakonwektorów jest najbardziej ekologicznym i ekonomicznym rozwiązaniem, jeżeli chodzi o koszty eksploatacji. Zwiększony koszt inwestycyjny w niedługim okresie się zwraca, a dodatkowo ten sam układ latem klimatyzuje pomieszczenia i daje darmową ciepłą wodę. Pozostałe rozwiązania, oprócz z dodatkowym klimatyzatorem split, nie dają takiej możliwości, a na pewno nie dają darmowej gorącej wody, za podgrzanie której trzeba wydać kolejne pieniądze. Mam nadzieję, że tym artykułem przybliżyłem zalety systemów z możliwością uzyskania darmowej gorącej wody sanitarnej z ciepła powszechnie niewykorzystywanego. Świadomość możliwości zbudowania takiego układu pozwoli przedstawić go przyszłemu inwestorowi, który inwestując na początku niewiele więcej, w przyszłej eksploatacji budynku otrzyma zwrot nadpłaconej kwoty w dość krótkim czasie. Autor: Mgr inż. Andrzej DĄBROWSKI – Kierownik Sieci Dealerskiej firmy A.C. Refrigeration Sp. z o.o. Źródło: