Využití tepelných čerpadel Master Therm pro chlazení a zpětné získávání technologického tepla
Projekt vytápění a chlazení v multifunkčním objektu HVM Plasma se vedle požadavků na zajištění komfortního pracovního prostředí zaměřil na co nejefektivnější způsob výroby chladu pro účinné chlazení výrobní technologie a na využití odpadního technologického tepla pro vytápění a ohřev TUV. Za tímto účelem bylo zvoleno řešení s využitím tepelných čerpadel.
Úvod
V rámci soutěže vypisované Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR byl vyhlášen Českou energetickou a ekologickou stavbou roku objekt společnosti HVM Plasma v pražských Jinonicích. Stavba je koncipována jako multifunkční budova pro rozvoj aktivit této společnosti v oblasti high-tech vakuových technologií. Za oceněním stojí celá řada zajímavých architektonických a konstrukčních řešení, z nichž mezi zásadní patří unikátní systém nakládání s energií.
Objekt společnosti, severní část budovy
Největší zdroj energetické zátěže budovy tvoří vakuová zařízení pro nanášení speciálních tenkých vrstev na kovové díly a součásti (např. pro automobilový průmysl). Společnost v tomto ohledu disponuje jednou z největších produkčních kapacit ve střední Evropě. Projekt vytápění a chlazení se proto vedle požadavků na zajištění komfortního pracovního prostředí zaměřil na co nejefektivnější způsob výroby chladu pro účinné chlazení výrobní technologie a na využití odpadního technologického tepla pro vytápění a ohřev TUV. Za tímto účelem bylo zvoleno řešení s využitím tepelných čerpadel.
Popis technického řešení
Projekt byl vypracován na základě podkladů od technologického zařízení, požadavků profesí (vytápění, vzduchotechnika, zdravotechnika) a podle podkladů od stavební části nového objektu. Nově navrhované zařízení je současně propojeno se stávajícími rozvody a zdroji v původním objektu firmy, na který nová budova navazuje.
Popis původního stavu
Zdroje chladící vody pro technologické chlazení byly plně využity a neměly výkonovou rezervu pro napojení nových technologických odběrů. Stávající zdroj topné vody – plynový kotel – o teplotním spádu 80/60 °C měl výkonovou kapacitu pro pokrytí požadavků na vytápění a dodávku topné vody pro VZT zařízení nové části závodu. Současně tento zdroj zajišťoval ohřev TUV.
Technické řešení chladícího okruhu
Chlad, resp. tepelná energie o nízkém potenciálu, je vyráběna v sestavě tepelných čerpadel voda–voda. Teplo odvedené z vnitřního chladícího cyklu tepelného čerpadla je využito pro vytápění objektu nebo mařeno na adiabatické věži. Výparník tepelného čerpadla slouží k výrobě chladu pro všechny spotřebiče, které jsou určeny k odvádění tepelné energie z míst jejího vzniku nebo k ochlazování venkovního vzduchu určeného k větrání. Chlad je distribuován ve formě studené vody, která je cirkulačními okruhy přiváděna k jednotlivým spotřebičům. Spotřebiči jsou zejména vakuová povlakovací zařízení (výrobní technologie), vzduchotechnické jednotky ve strojovnách a klimatizační jednotky (fan coily) v místnostech, např. v kancelářích.
Pohled do strojovny s výměníkem a stratifikační nádobou
Detail stratifikační nádoby s objemem 3 m³
Adiabatický suchý chladič s EC ventilátory
Pro zajištění požadavků na chlazení nově instalované technologie byl vybudován nový chladící okruh o teplotním spádu 20/30 °C. Tento okruh zajišťuje odvod tepelné zátěže od výrobní technologie. Pro zajištění odvodu energetických zisků z okruhu povlakovacích strojů je továrna nově vybavena adiabatickou chladící věží. Tato věž z důvodu konstrukčních řešení umožňuje provoz chlazení vody ve free cooling režimu do venkovní teploty vzduchu t = 23,4 °C (min. 2/3 ročního období), kdy z důvodu potřeby dochlazení na požadovanou teplotu bude vstupní vzduch do chladicí věže zkrápěný. V letních extrémech se tedy docílí dochlazení teploty media na teplotu vlhkého teploměru. Věž je z důvodu celoročního provozu hydraulicky oddělena vlastním glykolovým okruhem a samotný přenos energie je zprostředkován deskovým výměníkem nemrznoucí směs / voda.
Zbytek dochlazení zajišťují tepelná čerpadla na vyšším teplotním potenciálu chladicí vody na straně výparníků tj. v režimu 34/20 °C.
Ve strojovně chlazení je také instalován potřebný počet tepelných čerpadel v režimu 14/8 °C, která zajišťují přípravu ledové vody pro provoz klimatizačních zařízení budovy.
Všechna tepelná čerpadla jsou na straně kondenzátorového okruhu zapojena přes okruh stratifikační, který funguje jako hydraulický oddělovač. Kondenzátory agregátů pracují ve shodném režimu 35/45 °C nebo 45/55 °C v případě, že pracují jako vytápěcí jednotky.
Takové zapojení řeší úsporné využití nízkopotenciální odpadní energie z povlakovacích zařízení, která je tepelnými čerpadly přeměněna na vyšší teplotní potenciál 45 až 55 °C. Odpadní energie se využívá pro ohřev TUV a provoz klimatizačních a topných systémů nově postavené budovy a stavajicího výrobně kancelářského objektu továrny podle potřeby. Přepnutí zajišťují třícestné ventily.
Strojovna tepelných čerpadel Master Therm
Kaskáda tepelných čerpadel AQ180.2Z
Detail tepelného čerpadla
Soubor tepelných čerpadel
Jako subdodavatel tepelných čerpadel byl vybrán český výrobce Master Therm, který na projektu spolupracoval již v jeho počáteční fázi. Soubor tepelných čerpadel je tvořen celkem 12 jednotkami voda-voda typu AquaMaster 180.2Z o celkovém chladícím výkonu 980 kW. Jde o dvoukompresorová tepelná čerpadla vybavená technologií elektronického expanzního ventilu (EEV), scroll kompresorem a chladivem 407c. Podstatnou výhodou se ukázala možnost výroby agregátů na míru pro danou aplikaci, s možností optimalizace účinnosti zařízení v určeném teplotním režimu, a to jak prostřednictvím úprav řídícího programu expanzního ventilu, tak výběrem nejvhodnějších výměníků a jejich zapojení. Tato skutečnost se podstatným způsobem podílí na vysoké celkové účinnosti výroby chladu.
Základní číselné údaje
| Výkon chlazení budovy max. | 370 kW |
| Výkon chlazení technologie max. | 490 kW |
| Instalovaný příkon pro chlazení a klimatizaci | 430 kW |
| Vypočítaná tepelná ztráta | 80 kW |
| Odhad spotřeby energie na vytápění a ohřev TUV | 100 MWh/rok |
| Odhad roční spotřeby energie na provoz technologie a osvětlení | 700 MWh/rok |
| Odhad spotřeby energie na výrobu chladu pro technologii a objekt | 550 MWh/rok |
| Celková spotřeba chladu na chlazení technologie a objektu | 3 530 MWh/rok |
| Celková roční průměrná účinnost výroby chladu | 6,4 |
Vzniklé úspory energie
Úspory energie jsou generovány následujícími hlavními faktory:
- použitím špičkových chladících agregátů s optimalizovanou funkcí 240 000 kWh
- využitím adiabatické věže s volným chlazením a frekvenčním řízením 480 000 kWh
- zpětným získáváním technologického tepla pro vytápění a ohřev TUV 220 000 kWh
Doba návratnosti vložených investic je kalkulována na 4,5 roku.
Závěr
Prostřednictvím sofistikovaného technického řešení s využitím tepelných čerpadel s optimalizovanou funkcí a adiabatického suchého chladiče byly dosaženy základní cíle projektu:
- maximální účinnost výroby chladu pro provozovanou technologii
- zpětné využití odpadního technologického tepla pro vytápění a ohřev TUV
- dosažení vysoké stability a bezpečnosti high-tech výrobního procesu
- výrazné snížení energetické náročnosti technologie a objektu
Master Therm je český výrobce tepelných čerpadel vzduch-voda, země-voda, voda-voda s certifikací EHPA a registrací pro dotace. Tepelná čerpadla s tradicí od roku 1994 pro rodinné i bytové domy a průmyslové objekty všech velikostí. Výroba, projekt, ...