W systemach HVAC znaczenie klimatyzacji wzrasta bardzo dynamicznie. Prowadzone obserwacje rynkowe wskazują na roczny wzrost udziału w rynku systemów klimatyzacyjnych o 3,75%, a sprzedaży detalicznej o 3%, w tym głównie systemów sprężarkowych.

Zmiany klimatyczne oraz coraz wyższe standardy w budownictwie powodują, że w gorące okresy letnie wzrasta popularność wykorzystania systemów klimatyzacyjnych. Ponieważ są to systemy o dużym zużyciu energii elektrycznej, ich eksploatacja powoduje drastyczne chwilowe zwiększenie zapotrzebowania globalnego na energię elektryczną. Są to bardzo problematyczne zagadnienia dla dostawców energii elektrycznej w aspekcie globalnym. Zgodnie ze wszelkimi oczekiwaniami chłodzenie budynków, czyli pełna klimatyzacja, staje się powoli standardem, również w polskim klimacie. Przy rosnących wymaganiach energetycznych oraz oszczędnościowych szukanie alternatywnych form chłodzenia okaże się niezbędne.

Dokąd zmierzamy?

1. Ogólne kryteria stałości i długoterminowości systemu centralnej dostawy ciepła i chłodu

Wzrost popularności stosowania klimatyzacji w budynkach jest wynikiem:

• rosnących wymagań użytkowników, którzy oczekują klimatyzacji – z tego powodu klimatyzacja mobilna oraz systemy montowane w budynkach bez klimatyzacji w późniejszym czasie (np. rozwiązania sprężarkowe) są coraz bardziej poszukiwane, a ich sprzedaż stale się zwiększa;
• zwiększenia wewnętrznych zysków ciepła pomieszczeń i budynków – jest to związane ze wzrostem liczby urządzeń elektrycznych i elektronicznych w pomieszczeniach;
• przegrzewania się pomieszczeń, co jest wynikiem dużej szczelności termicznej współczesnych budynków, która, owszem, chroni je przed stratami energii zimą, ale latem zyski wewnętrzne przez zbyt szczelne fasady nie wydostają się na zewnątrz. Gdy dodatkowo w budynku fasada jest w dużej części przeszklona, chwilowe wysokie zyski ciepła od nasłonecznienia znacznie pogarszają warunki komfortu termicznego w pomieszczeniach.

W celu spełnienia przyszłych wymagań dotyczących zapotrzebowania budynków na energię chłodniczą przy zachowaniu niskiego zużycia energii elektrycznej potrzebna będzie szeroka oferta różnych technologii. Jedną z możliwości w tym zakresie jest centralna dostawa chłodu z wykorzystaniem istniejących instalacji miejskich – po ich dostosowaniu przez modernizację i adaptację do pracy w trybie grzania i chłodzenia.

Centralna dostawa chłodu

Jest to centralny sposób dostawy chłodu z różnych źródeł przez miejską sieć rurową, którą transportowana jest ciepła albo zimna woda. Centralna dostawa chłodu pozwala na korzystanie z:

• „darmowych” źródeł chłodu w postaci naturalnych i sztucznych zbiorników wodnych, jak morza, jeziora, albo z wód gruntowych, a tym samym na korzystanie z neutralnych pod względem emisji CO₂ źródeł;
• zarówno z ciepłej wody, jak i sieci parowej – jeśli jest wystarczająca ilość ciepła – i wytwarzanie wody lodowej za pomocą absorpcyjnego agregatu;
• ciepła odpadowego z systemów chłodniczych w celu podgrzania wody grzewczej w sieci cieplnej.

Energetyka skojarzona, w której produkowane jest jednocześnie ciepło, chłód i energia elektryczna, wykazuje bardzo wysoką sprawność systemu. W wyniku skojarzenia produkcji tych trzech mediów powstaje niewielka ilość ciepła odpadowego. Systemy skojarzonej produkcji energii elektrycznej oraz ciepła i chłodu mogą pracować z pompą ciepła, która wytwarza energię cieplną i chłodniczą w tym samym procesie (rys.2).

2. Kombinowana pompa ciepła z jednoczesną produkcją ciepła i chłodu		3. Wzrost produkcji centralnej wody lodowej w Sztokholmie w latach 1994-2006

Chłodzenie sieciowe i stabilizacja obciążenia

Produkcja ciepła w instalacjach miejskich skojarzona jest z produkcją energii elektrycznej. W idealnej sytuacji jednocześnie produkowana energia elektryczna i cieplna pokrywają bieżące zapotrzebowanie odbiorców, a powstające w tym procesie produkty energetyczne nie stanowią odpadu produkowanego w nadmiarze. Sytuacja taka zdarza się najczęściej zimą, kiedy to ciepło odbierane jest z maksymalną sprawnością, a energia elektryczna jest odprowadzana do sieci. Jednak latem, kiedy elektrociepłownia pracuje na potrzeby energii elektrycznej, ciepło staje się problematycznym odpadem, gdyż zazwyczaj powstaje go zbyt wiele w stosunku do zapotrzebowania odbiorców na ciepłą wodę użytkową. Pojawia się zatem potrzeba zagospodarowania ciepła odpadowego w okresach letnich. Można je wykorzystać np. do chłodzenia w systemie dostawy magistralnej.

Zasada chłodzenia sieciowego jest podobna do koncepcji dostawy ciepła z miejskich sieci ciepłowniczych, z tym że przewodami transportowana jest woda lodowa, która zasila odbiorniki chłodu u odbiorców.

W konkretach cykl chłodzenia sieciowego wygląda następująco:

• ciepła woda sieciowa wykorzystywana jest jako energia i doprowadzana do central chłodniczych;
• w centralach chłodniczych, przy wykorzystaniu procesów absorpcyjnych, wytwarzana jest z niej woda lodowa, schłodzona np. do temp. 6°C;
• woda lodowa następnie transportowana jest w zaizolowanych przewodach do odbiorców i zasila odbiorniki chłodu (np. klimakonwektory);
• po podgrzaniu do temperatury np. 12°C woda powraca do centrali chłodniczej i znów się ochładza w absorberze. Korzystanie z miejskiej sieci ciepłowniczej w okresie letnim na potrzeby produkcji chłodu niesie ze sobą wiele zalet. Jedną z nich jest korzystniejsze obciążenie podstawowe sieci ciepłowniczej. W okresach letnich często występują znaczne dysproporcje w obciążeniu w ciągu dnia. Stosowanie ciepła sieciowego latem może zapewnić bardziej równomierne obciążenie, a przez zwiększyć sprawność wytwarzania energii w ciepłowniach lub elektrociepłowniach.

Kolejne zalety to redukcja emisji CO₂ – w przypadkach gdy produkcja chłodu będzie się odbywać przy wykorzystaniu konwencjonalnej metody sprężarkowej – a także odciążenie sieci elektrycznej (wysokie skoki poboru prądu wynikają z nagłego uruchomienia dużej liczby agregatów chłodniczych).

Przykładowe realizacje

Sporo przykładów realizacji centralnej miejskiej dostawy chłodu można spotkać w Europie. W Wiedniu powstała i wciąż się rozbudowuje sieć chłodnicza (w najbliższych 10 latach planowana jest jej rozbudowa o 100 MW), która jest przeznaczona dla dostaw w formie district cooling. Instalacja district cooling to rozwiązanie polegające na centralnej dostawie wody lodowej przez sieci rurowe, analogicznie jak w przypadku miejskiej sieci ciepłowniczej. Woda o temperaturze ok. 6°C zasila budynki takie jak szpitale, urzędy, hotele i po ogrzaniu się do ok. 16°C powraca do źródła, gdzie jest ponownie schładzana. Alternatywnym rozwiązaniem technicznym jest dostawa ciepła do agregatów absorpcyjnych znajdujących się u odbiorców. Istnieją również sieci dostarczające wodę lodową w Paryżu, Sztokholmie, Helsinkach, Amsterdamie i Barcelonie – stanowią one w sumie od 2 do 4% rynku produkcji chłodu w krajach Unii Europejskiej. W Sztokholmie już od 1994 r. funkcjonuje sieć chłodnicza. Łącznie zasila ona około 7 mln. m² powierzchni komercyjnej i biurowej, ma zasięg 76 km i dostarcza chłód na potrzeby ponad 500 klientów. Moc całkowita centralnej sieci chłodniczej w Sztokholmie wynosi około 267 MW. W przeliczeniu na jednego mieszkańca przypada 0,34 kW chłodu, natomiast dla porównania w Wiedniu to jedyne 0,016 kW. Różnica w zainstalowanej mocy chłodniczej sieci centralnej w Sztokholmie i Wiedniu wynika z tego, że w Sztokholmie relatywnie wcześnie przedsięwzięte zostały odpowiednie inwestycje w infrastrukturę i moc źródłową. Na rys. 3. przedstawiony został wzrost produkcji centralnej wody lodowej w Sztokholmie w latach 1994-2006 [1]. Centralna sieć chłodnicza w Helsinkach zasilana jest z centralnego źródła ciepła, które stanową pompy ciepła produkujące jednocześnie ciepło i chłód (rys. 4). Sumaryczna moc cieplna pięciu jednostek tworzących źródło ciepło wynosi 90 MW, natomiast ich moc chłodnicza to 60 MW.

4. Pompa ciepła Unitop® 50 zasilająca sieć w Helsinkach		5. Steronik RedDetect™ X3 do kontroli powierzchni i stanu izolacji przewodów sieci chłodniczej

Kontrola stanu izolacji

W sieci centralnej dostawy chłodu istotna jest kontrola powierzchni przewodów i stanu izolacji. Za pomocą kabla 3dc kontrolowana może być impedancja zaizolowanego przewodu takiej sieci. W ten sposób kontrolowane jest wykroplenie wilgoci z powietrza, która penetruje przez nieszczelną izolację lub nieszczelność systemu rurowego. Na rynku dostępny jest przykładowo sterownik RedDetect™ X3 (rys. 5), który służy do kontroli przewodów centralnej dostawy chłodu. Sterownik X3 obserwuje impedancje, a przy uruchamianiu systemu generuje krzywą rozruchową dla celów referencyjnych, która służy jako odniesienie w poszukiwaniu ewentualnych błędów. Każda zmiana poza zdefiniowane wartości graniczne powoduje wyzwolenie alarmu, możliwa jest przy tym lokalizacja usterki.

Autor: Maciej Danielak