Case Study: Zespół Szkolno-Przedszkolny w Przybysławicach z ogrzewaniem hybrydowym
Czym wyróżnia się nowoczesna szkoła? Obok innowacyjnego podejścia do nauki, powinna zapewniać zaplecze techniczne umożliwiające kompleksowy rozwój zainteresowań uczniów. Bezawaryjny system ogrzewania, który zapewni komfort termiczny, a przy tym ciepłą wodę w basenie, również jest nie do przecenienia. Zobaczmy, jak sprawdza się ogrzewanie hybrydowe złożone z kaskady pomp ciepła, połączonej z kaskadą kotłów gazowych oraz kolektorami słonecznymi!
Zespół Szkolno-Przedszkolny w Przybysławicach (woj. małopolskie), położony na wzniesieniu, otoczony jest wzgórzami i domami jednorodzinnymi. Swoją architekturą ściśle nawiązuje do krajobrazu Jury Krakowsko-Częstochowskiej. Nowoczesny budynek, w którym mieści się placówka oświatowa, wyposażony jest w otwarty dziedziniec, który może pełnić funkcję sali lekcyjnej na świeżym powietrzu, basen z dużymi oknami wychodzącymi na zachód oraz pobliski sad, mediatekę i pełnowymiarowe boisko do piłki ręcznej.
Placówka usytuowana jest jednak na trudnym, nachylonym terenie, co stanowiło wyzwanie dla projektantów z Autorskiej Pracowni Projektowej Manecki. Ich głównym celem było wkomponowanie budynku w otaczający krajobraz, zarówno pod względem architektonicznym, jak i funkcjonalnym. Oprócz zewnętrznych boisk, basenu i wielofunkcyjnej sali gimnastycznej, istotne było również dopasowanie dachu oraz elewacji budynku, nawiązujących do lokalnej zabudowy i wzgórz. Ale to nie wszystko – podczas projektowania nowoczesnej placówki oświatowej, dużo czasu poświęcono na zaplanowanie systemu grzewczego.
Zdecydowano się na hybrydowy system ogrzewania, składający się z trzech pomp ciepła połączonych z trzema kotłami gazowymi i kolektorami słonecznymi. – Decyzja o hybrydowym systemie ogrzewania wynikała z sugestii inwestora, ponieważ okazuje się, że większe szanse na pozyskanie środków z dofinansowania możliwe jest na rozwiązania tego typu. My, jako projektanci, uznaliśmy natomiast tę propozycję za dobrą, zarówno pod względem technicznym, jak i ekologicznym – wspominają Bogdan Miszczyszyn i Janusz Targoński z ARP Manecki Architekci sp. z o.o.
Kaskada kotłów gazowych połączona z kaskadą pomp ciepła
W efekcie projektanci zaproponowali rozwiązanie oparte na urządzeniach marki De Dietrich, tworząc kaskadę złożoną z trzech pomp ciepła HPI S (27 kW) oraz kaskadę trzech kotłów gazowych Evodens PRO AMC (115 kW), które sterowane są zewnętrzną automatyką opartą na sterownikach PLC. Do całego systemu przyłączono natomiast kolektory słoneczne. – Moc całego systemu grzewczego wynikała z obliczeń strat ciepła na cele c.o., zapotrzebowania ciepła technologicznego na wentylację, podgrzewanie basenu i przygotowanie c.w.u. Pełną moc kotłowni, czyli ok. 450 KW zapewniają gazowe kotły kondensacyjne. Pompy ciepła wspomagają system grzewczy w okresie wiosennym, letnim i jesiennym, dla wstępnego podgrzewania ciepłej wody i wspomagania systemu grzewczego (bufor grzewczy). Układ solarny pracuje tylko dla podgrzewania wody basenowej. Z uwagi na koszty ograniczono się do trzech pomp ciepła, każda o mocy 24,4 kW (przy temperaturze zewnętrznej 7st.C) – opowiadają Bogdan Miszczyszyn i Janusz Targoński.
Zainstalowane w jednostce oświaty pompy ciepła HPI S w kaskadzie zapewniają wysoką efektywność energetyczną dzięki współczynnikowi COP do 5,11, co pozwala znacząco obniżyć koszty eksploatacji. Dzięki systemowi Inverter, pompy dostosowują swoją moc do bieżącego zapotrzebowania, co optymalizuje zużycie energii i poprawia wydajność całego systemu. Ponadto, możliwość pracy przy temperaturach zewnętrznych do -20°C i elastyczność instalacji sprawiają, że są idealnym rozwiązaniem w systemach grzewczych o zmiennym obciążeniu. Natomiast wykorzystanie kotłów Evodens Pro AMC w kaskadzie, pozwala na elastyczne dostosowanie mocy grzewczej do aktualnego zapotrzebowania, co zwiększa efektywność energetyczną systemu. Wspomniane kotły charakteryzują się wysoką sprawnością (do 108,9% przy częściowym obciążeniu) oraz niską emisją zanieczyszczeń, co czyni je ekologicznym i ekonomicznym wyborem. Dodatkowo, dzięki kaskadzie możliwe jest optymalne zarządzanie obciążeniem i zapewnienie ciągłości pracy nawet w przypadku serwisowania jednego z urządzeń.
Projektanci zdecydowali się na urządzenia marki De Dietrich z uwagi na wcześniejsze pozytywne doświadczenia oraz zadowalającą jakość produktów. – Ważny też był fakt, że jednostki wewnętrzne i zewnętrzne pompy ciepła połączone są przewodami freonowymi czynnika chłodniczego, a nie wodnymi, które zagrożone są zamarzaniem. – tłumaczą Bogdan Miszczyszyn i Janusz Targoński z ARP Manecki Architekci sp. z o.o.
Jak się okazuje, połączenie jednostek wewnętrznej i zewnętrznej pompy ciepła przewodami freonowymi czynnika chłodniczego ma kilka istotnych zalet. Przede wszystkim, zastosowanie freonu (czynnika chłodniczego) eliminuje ryzyko zamarznięcia czynnika roboczego w niskich temperaturach, co mogłoby wystąpić przy połączeniach wodnych, zwłaszcza w zimowych warunkach. Czynnik chłodniczy pobiera ciepło podczas odparowania w niskiej temperaturze i przy niskim ciśnieniu, a oddaje ciepło podczas skraplania w wyższej temperaturze i wyższym ciśnieniu. Jest to związek chemiczny, który ze względu na wysoką lotność łatwo przechodzi ze stanu ciekłego w parę i odwrotnie, zatem może pracować w szerokim zakresie temperatur. Zapewnia to stabilną i bezpieczną pracę pompy ciepła, szczególnie w regionach o surowych zimach.
Jak działa układ hybrydowy złożony z kaskady pomp ciepła i kotłów gazowych?
System grzewczy w Zespole Szkolno-Przedszkolnym w Przybysławicach łączy w sobie zalety pomp ciepła HPI S i kotłów Evodens Pro AMC, co pozwala na optymalne wykorzystanie energii przez cały rok. Jak już wspomnieliśmy, pompy ciepła są używane głównie w okresach wiosennym, letnim i jesiennym do wstępnego podgrzewania wody i wspomagania systemu grzewczego. W tych okresach system działa bardziej oszczędnie, redukując koszty ogrzewania. Natomiast kotły gazowe kondensacyjne przejmują pełne obciążenie grzewcze w chłodniejszych miesiącach, gdy zapotrzebowanie na ciepło wzrasta. Są one szczególnie wydajne dzięki możliwości pracy w kaskadzie, co zapewnia elastyczność i niezawodność systemu. Dodatkowo, kolektory słoneczne wspomagają system, dostarczając energię do podgrzewania wody w basenie. To rozwiązanie pozwala na maksymalne wykorzystanie odnawialnych źródeł energii i uzyskanie możliwie jak najmniejszych kosztów eksploatacji.
Według projektantów, główną trudnością w trakcie projektowania okazało się połączenie dwóch źródeł ciepła, tj. pomp ciepła i kotłów gazowych w jeden sprawnie działający system. Istotą rzeczy okazał się stosowny dobór automatyki, która zapewni właściwą współpracę obu źródeł ciepła. – Rzecz powinna być starannie przemyślana, aby rzeczywiście osiągnąć efekt niezawodnej pracy, a przy tym stać się beneficjentem korzyści ekonomicznych i ekologicznych tj. zmniejszenia emisji CO2 – tłumaczą Bogdan Miszczyszyn i Janusz Targoński.
Aby cały układ działał bez zarzutu, niezbędne jest odpowiednie sterowanie zewnętrzną automatyką, co jest oparte o sterowniki PLC. Jak to funkcjonuje na co dzień? Sterownik PLC (Programmable Logic Controller) działa jako centralny układ zarządzający pracą wszystkich urządzeń grzewczych, zapewniając optymalne działanie systemu, automatyczne sterowanie i integrację pomiędzy różnymi źródłami energii. Kontroluje on system grzewczy, wykonując zaprogramowany algorytm, który dostosowuje działanie pomp ciepła i kotłów kondensacyjnych do aktualnych potrzeb energetycznych budynku. Działa w pętli programowej, co oznacza, że cyklicznie odczytuje dane z czujników i wejść (np. temperatura, zapotrzebowanie na ciepło), analizuje je, a następnie wysyła odpowiednie sygnały sterujące do urządzeń (pomp i kotłów).
Po uruchomieniu, sterownik PLC sprawdza, czy wszystkie urządzenia działają poprawnie i czy są prawidłowo podłączone do systemu. Odczytuje on informacje z różnych czujników, takich jak czujniki temperatury wody, zewnętrzne czujniki pogodowe, czujniki zapotrzebowania na ciepło czy poziomy ciepłej wody użytkowej. Te dane są potrzebne do oceny, które źródło ciepła powinno być aktywne w danym momencie. Na podstawie zaprogramowanych logik, sterownik decyduje, czy w danej chwili uruchomić pompy ciepła, kotły gazowe, czy wykorzystać energię z kolektorów słonecznych. Przykładowo, w okresie wiosennym lub letnim, sterownik może aktywować pompy ciepła HPI S, które mają wysoką sprawność przy niższych temperaturach, co pozwala na efektywne wykorzystanie energii elektrycznej.
Natomiast w przypadku wykrycia awarii, błąd zostaje natychmiast zarejestrowany, a sterownik może automatycznie zatrzymać działanie problematycznych urządzeń, aby zapobiec dalszym uszkodzeniom. Dzięki PLC cały system działa automatycznie, co redukuje potrzebę ręcznej obsługi. System sam decyduje, które źródło ciepła uruchomić w zależności od bieżących warunków i potrzeb energetycznych. Poprzez efektywne sterowanie urządzeniami, PLC zapewnia, że pompy ciepła są wykorzystywane, gdy ich efektywność jest najwyższa (w cieplejszych okresach), a kotły gazowe są włączane tylko w okresie największego zapotrzebowania. Dzięki temu system maksymalnie optymalizuje zużycie energii.
Innowacyjne rozwiązania muszą iść w parze z zapleczem serwisowym
Wykorzystywanie układów hybrydowych, które łączą różne źródła ciepła w jeden sprawnie działający system sprawdzi się w każdym rodzaju nieruchomości – od niewielkich, po duże powierzchnie, zarówno w nowo projektowanych, jak i remontowanych systemach grzewczych. – Uważamy, że instalowanie układów hybrydowych jest dobrym rozwiązaniem dla inwestycji nowych i modernizowanych. Większe nakłady inwestycyjne na etapie realizacji przyczynią się zmniejszenia kosztów eksploatacyjnych kotłowni i zapewnią dobry efekt ekologiczny – wyjaśniają projektanci z ARP Manecki Architekci sp. z o.o.
Choć początkowe koszty instalacji mogą być wyższe, takie systemy zapewniają znaczne oszczędności w dłuższej perspektywie dzięki niższym kosztom eksploatacji – pompy ciepła mogą efektywnie działać w okresach łagodnych temperatur, zmniejszając zużycie paliwa i obciążenie kotłów gazowych w bardziej wymagających warunkach. Dodatkowo, układy hybrydowe przyczyniają się do lepszej ochrony środowiska, ponieważ zmniejszają emisję CO2 i innych zanieczyszczeń, co jest szczególnie istotne w kontekście rosnących wymagań dotyczących zrównoważonego rozwoju i efektywności energetycznej budynków.
Ważnym aspektem przy wyborze technologii grzewczych jest współpraca z renomowanymi producentami, którzy oferują niezawodny serwis, szeroką dostępność części zamiennych oraz wsparcie techniczne. – Należy wybierać urządzenia firmy, która od dłuższego czasu jest obecna na polskim rynku, posiada dobry system dystrybucyjny urządzeń i części zamiennych, a także sprawny serwis – dodają projektanci z ARP Manecki Architekci sp. z o.o. Zalecają oni także zwrócenie uwagi na dane techniczne urządzeń, ich sprawność czy zużycie energii. – Dla projektanta ważne jest, aby dokumentacja techniczna urządzeń (wytyczne projektowe, instrukcje serwisowe, obsługowe, bloki DWG) była pełna i dobrze opracowana – tłumaczą. Sprawi to, że cały system będzie działał sprawnie i zgodnie z projektem, zapewniając inwestorowi pełen komfort użytkowania. Tak, jak to ma miejsce w przypadku Zespołu Szkolno-Przedszkolnego w Przybysławicach.
Przeczytaj także:
- – Instalacja kaskady pomp ciepła De Dietrich w Szkole Podstawowej w Lasecznie
- – Instalacja kaskady kotłów De Dietrich w Szkole Podstawowej w Kamieńsku
- – Instalacja kaskady pomp ciepła i kotła olejowego w Szkole Podstawowej w Dębie
- – Instalacja kaskady kotłów De Dietrich w zajezdni MZK w Pabianicach
- – Instalacja kaskady pomp ciepła Alezio S w Urzędzie Miejskim w Węgrowie
- – Ogrzewanie hybrydowe w Infores Business Park
- – Sanktuarium w Kałkowie-Godowie korzysta z hybrydowych rozwiązań grzewczych
- – ToruÅ„ski DPS ogrzewany kotÅ‚em gazowym De Dietrich
- – Zielony Kompleks Dwór Ostoya z kaskadą pomp ciepła HPI S
- – Szpital w Starachowicach po gruntownej termomodernizacji z kaskadą pomp ciepła
- – Modułowy blok w Toruniu z pompą ciepła De Dietrich
- – PaÅ‚ac Radziwiłłów w Balicach z kaskadÄ… kotłów De Dietrich
