Jezerní voda zdrojem tepla a chladu pro zimní stadion

Parametry a hlavní požadavky na rekonstrukci

Stávající komplex zimního stadionu měl plochu 2415 m², která již nebyla dostačující pro potřeby města s 63 tisíci obyvateli. Ledová plocha měla rozměry 61×26 m. V rámci rekonstrukce byly dostavěny nové šatny, sněžná jáma a prostor pro rolbu. Nyní má zimní stadion plochu o 186 m² větší a kapacita tribuny pro sedící diváky je 1200 osob. K zimnímu stadionu přiléhá administrativní část s kancelářemi, půjčovnou lyží a wellness centrem. Tyto prostory nebyly rekonstruovány.

Technologie chlazení byla modernizována kompletně, včetně úpravny vody. Původní chladicí systém byl instalován v roce 1964, systém pracoval s v dnešní době nevyhovujícím chladivem R-22. Nově je chladicí systém ledové plochy realizován s nepřímým odparem chladiva a také bylo doplněno temperování podloží pod ledem.

Modernizace zdroje chladu

Nový chladicí systém využívá přilehlou vodní nádrž Lion’s Pond, která je majetkem města stejně jako zimní stadion. Nádrž je využívána jako akumulační zásobník kondenzačního tepla z chlazení a zároveň jako primární zdroj energie pro tepelná čerpadla voda-voda. Nový chladicí systém je tvořen třemi tepelnými čerpadly o chladicím výkonu každého 176 kW při W10/W35, celkový chladicí výkon je 528 kW. Tepelná čerpadla jsou vybavena Scroll kompresory. Nádrž je využívána jako obnovitelný zdroj energie pomocí smyček z vysokohustotního polyetilenu (HDPE), které jsou potopeny u dna jezera v hloubce přibližně 5,4 m. Celková délka potrubí je 9,75 km.

Tepelná čerpadla mají koeficient energetické účinnosti EER (Energy Efficiency Ratio) přibližně na hodnotě 11,0 a topný faktor COP (Coefficient of Performance) mezi 3,4 a 3,8. Voda v nádrži má průměrnou teplotu 21 °C v letních teplých dnech. Tepelná čerpadla dodávají chlad 30% směsí glykolu o teplotě −8,3 °C.

Systém chlazení byl navržen tak, aby bylo získáno zpět co největší množství odpadního tepla z chladicího cyklu a toto teplo mohlo být využito k ohřevu podloží pod ledem, k odtávání ledu ve sněžné jámě a k předehřevu technologické vody pro rolbu.

Chladicí systém ledové plochy byl navržen nepřímý a pracuje s 30% roztokem glykolu na místo původního přímého systému s výparníkem pod ledovou plochou. Výhodou nepřímého systému je nižší množství chladiva v okruhu, které s sebou přináší nižší pořizovací náklady a nižší riziko úniku chladiva.

Modernizace zdroje tepla

Otopná soustava slouží k vytápění administrativní budovy a šaten. Nový otopný systém pracuje s nízkými teplotami otopné vody a zdrojem energie je plynový kondenzační kotel. Návrhová teplota přívodní otopné vody je nyní 49 °C (120 °F), teplota zpětné vody se pohybuje mezi 32° až 38 °C. Kondenzační kotel pracuje s průměrnou účinností 94 %, stávající litinové kotle dosahovaly účinnosti průměrně 75 %.

Sněžná jáma a temperování podloží

Sněžná jáma byla přemístěna blíže k prostoru kluziště tak, aby rolba nemusela přijíždět do haly z venkovního prostředí, jak tomu bylo dosud. Stěny a podlaha sněžné jámy jsou vybaveny stěnovým a podlahovým nízkoteplotním vytápěním. Sněžná jáma je tvořena betonovými stěnami a podlahou tloušťky 203 mm, ve kterých je instalováno 396 m polyethylenového potrubí průměru 19 mm. Pro odtávání ledové tříště je využíváno odpadní teplo z chladicího cyklu. Vzniklá ledová tříšť z jedné úpravy ledové plochy je ve sněžné jámě rozpuštěna za 1 hodinu.

Systém vytápění pod ledovou plochou ochraňuje podloží před promrzáním a udržuje jeho teplotu na hodnotě 1,1 až 1,3 °C.

Modernizace vzduchotechniky

Nově vybudované a stávající modernizované šatny využívají k větrání novou vzduchotechnickou jednotku s regeneračním výměníkem. Regenerační výměník má účinnost 65 % a výkon 76 MJ v letních návrhových podmínkách (teplota suchého teploměru 32 °C, teplota vlhkého teploměru 25 °C) a v zimních návrhových podmínkách 121 MJ (teplota vlhkého teploměru −23 °C). Rekuperace tepla ze vzduchu v šatnách snížila spotřebu energie na úpravu vzduchu. Kvalita vnitřního prostředí v nových i stávajících šatnách byla tímto technickým řešením zásadně zvýšena. Vzduchotechnická jednotka zajišťuje 0,24 l.s⁻¹ přiváděného vzduchu a stejné množství odváděného vzduchu (v souladu s předpisy Ashrae 62.1-2007). Jednotka je vybavena odvlhčovačem, který umožňuje regulovat vlhkost vzduchu v prostoru šaten a zvyšuje tak komfort osob pobývajících v šatnách.

Vzduchotechnika v ostatních stávajících kancelářích, pomocných prostorech a v hale je zachována stávající.

Hodnocení energetických úspor

Modernizace energetických systémů přinesla v roce 2013 úsporu zemního plynu 33,5 % oproti stavu před rekonstrukcí v roce 2010. Spotřeba elektrické energie ve stejném období se zvýšila o 5,5 %, a to ze dvou důvodů. Prvním důvodem je zvětšení osvětlované plochy o 186 m² a rozšíření větrané plochy šaten. Druhým důvodem nárůstu spotřeby elektřiny je zvýšení intenzity osvětlení ledové plochy. Tato opatření navýšila instalovaný příkon o 13 550 W neboli 47 425 kWh při 3500 provozních hodinách v roce. Celková potřeba energie byla snížena z 2664 MJ.m⁻².rok⁻¹ v roce 2010 na 2121 MJ.m⁻².rok⁻¹ v roce 2013, jedná se o snížení o 24,1 %.

Tabulka č. 1: Porovnání spotřeb primárních energií

Rok	Spotřeba zemního plynu [kWh]	Spotřeba elektrické energie [kWh]
2010	1 091 719	696 000
2013	726 347	734 600
Procentuální změna	−33,5	+5,5

Investiční náklady chladicího systému byly o 120 000 $ vyšší ve srovnání s tradičním chladicím systémem s amoniakem. Vyšší investiční náklady vyvážily úspory provozních nákladů při každoročním servisu zařízení, spotřebě energií a spotřebě vody. Celková roční úspora, která byla vypočtena vzhledem k spotřebám energií původního systému, je průměrně 15 625 $. Výsledná prostá doba návratnosti instalace je 7,6 roku.

Přednosti využití nízkopotenciálního tepla z vodních nádrží

Chladicí systém s tepelnými čerpadly voda-voda není ojedinělou instalací v severní Americe. Tento chladicí systém je unikátní tím, že kondenzační teplo je celoročně odevzdáváno do vodní nádrže a v závislosti na jejím objemu a velikosti, je toto teplo rozptylováno do atmosféry. Systém eliminuje riziko vzniku teplotní nerovnováhy v letním a zimním období, která může vzniknout v tradičních vertikálních nebo horizontálních vrtech. Důsledkem nerovnováhy zátěže na tradiční geotermální vrty je nutnost jejich předimenzování a vysoké investiční náklady. Vodní nádrž Lion’s pond, v této aplikaci, má plochu 4,9 ha a téměř neměnnou hloubku 4,6 m. Takto velký objem vody minimalizuje vliv dodávaného tepla z tepelných čerpadel a je možné ho využívat jako kondenzátor tepelného čerpadla bez omezení.

Ekologický přínos

V projektu není využita chladicí věž a není tedy potřeba chemicky upravovat vodu do systému a spotřeba vody je tudíž snížena.

Tepelná čerpadla systému voda-voda, využívají chladivo R-410A, které neobsahuje bróm ani chlór a je zařazeno do skupiny chladiv, která nemají vliv na ozonovou vrstvu. Organizace EPA (United States Environmental Protection Agency) uznává geotermální tepelná čerpadla jako efektivní způsob redukce kysličníku uhelnatého, oxidu uhličitého a dalších skleníkových plynů.

Využitím tepla, které vzniká při chlazení, je redukována spotřebu energie na vytápění a přípravu TV a je tak snížena doba provozu kondenzačních kotlů a jsou redukovány emise uhlíku do ovzduší. Nové plynové kondenzační kotle mají vyšší účinnost spalování než stávající kotle a tím také přispívají ke snížení ekologické zátěže.

Použitá literatura

• [1] Larosh, Jason. Pond Loop for Ice Refrigration. Ashrae Journal. September 2015.
• [2] Nelesen, Marcia. Renovated Ice Arena, Innovative Ice System Near Completion. Cit. 26. 12. 2015. Dostupné z: http://www.gazettextra.com/news/2012/sep/05/renovated-ice-arena-innovative-ice-system-near-com/