Modernizace plaveckého bazénu St. Michaels Leisure Centre

Veřejné plavecké bazény a volnočasová centra patří mezi energeticky nejnáročnější zařízení v oblasti volnočasových a hotelových služeb.

Výsledné ziskové marže takových zařízení jsou obvykle velmi nízké a provozní náklady bývají zpravidla velmi vysoké. Přesné řízení energií a zdroje tepla schopné vyrábět levné teplo jsou klíčovou součástí obchodního modelu a často hlavním faktorem, který rozhoduje o tom, zda tato zařízení fungují se ziskem, nebo se ztrátou.

Následující řádky nastíní přechod od tradičního fosilního zdroje tepla k systému vytápění z obnovitelných zdrojů; optimalizaci řízení, větrání a systému distribuce tepla, následované měřeními a ověřenou energetickou zprávou a nakonec finančními úsporami dosaženými po dvanácti měsících provozu.

Systém navržený na míru

Původní systém vytápění a větrání sestával z LPG kotlů a jednotky kombinované výroby tepla a elektřiny (CHP), která zajišťovala teplo i elektřinu. Vytápění a větrání bazénové haly bylo řešeno vzduchotechnickými jednotkami s rekuperačními bloky a motory s pevnými otáčkami. Celý systém HVAC byl řízen prostřednictvím systému správy budovy (BMS).

Původní systém měl mnoho pozitivních prvků, avšak celkový návrh postrádal energetickou účinnost, což vedlo k vysoké spotřebě energie a následně i k vysokým nákladům.

Jak bylo v budovách z tohoto období běžné, zdroje tepla byly předimenzovány minimálně dvojnásobně, aby pokryly špičkové požadavky na ohřev bazénové vody, bazénové haly a přípravu teplé vody pro sprchy i vytápění prostor. Tato praxe obvykle vede k nadměrnému spínání zdrojů tepla, vysokým statickým tepelným ztrátám, nadměrným nákladům na údržbu a zkrácené životnosti zařízení.

Vzduchotechnické jednotky pro bazénovou halu a šatny byly dimenzovány na pokrytí maximální potřeby s 50% rezervní kapacitou. Tyto jednotky byly vybaveny elektromotory s pevnými otáčkami.

Plánování a návrh technických zařízení budov (TZB)

Celé plánování bylo provedeno naším interním projekčním MasterTherm Ireland. Vzhledem k tomu, že volnočasová centra jsou obvykle v provozu po celý rok a průměrná roční venkovní teplota činí 11 °C, byl jako nejefektivnější zdroj tepla zvolen kaskádový systém vzduchových tepelných čerpadel s proměnnými otáčkami. Byly zohledněny minimální a maximální tepelné zátěže, aby byl zajištěn dostatečný výkon a schopnost provozu bez cyklování při nízkých tepelných požadavcích.

Optimalizované dimenzování hlavních a bivalentních zdrojů tepla

Každý systém tepelných čerpadel musí být pečlivě vyvážen, aby pokryl průměrnou tepelnou potřebu. Náklady na technologii tepelných čerpadel se obvykle posuzují podle ceny za kW výkonu a pořizovací cena za kW je vyšší než u konvenčních zdrojů tepla, jako jsou kotle. Je proto důležité zajistit, aby většina systému tepelných čerpadel byla využívána při průměrné úrovni tepelné potřeby. Špičková tepelná zátěž je pokryta bivalentními zdroji, například externími kotli. Tento návrh systému a přístup zaručují maximální využití tepelných čerpadel, minimalizují cyklování a zároveň zajišťují co nejkratší možnou dobu návratnosti a nejdelší životnost systému.

Optimalizace systému distribuce tepla

Nízkoteplotní systém distribuce tepla znamená vysokou účinnost systému tepelných čerpadel, a tím i nízké náklady na 1 kW tepla. Všechny otopné prvky, včetně výměníků tepla pro bazén a vířivku, topných registrů ve vzduchotechnických jednotkách a ohřívačů teplé vody, byly navrženy tak, aby pracovaly s co nejnižší možnou teplotou topné vody, čímž se dosáhlo maximální sezónní účinnosti (SCOP) zdrojů tepla.

Řízení strojovny

Řídicí systém je pravděpodobně nejdůležitější částí návrhu každé strojovny s tepelnými čerpadly. Je proto zásadní pečlivě naplánovat strategii řízení tak, aby byly splněny požadavky na komfort, ale zároveň byla vždy zajištěna maximální účinnost systému tepelných čerpadel.

Jednotlivé odběry tepla mají obvykle odlišné teplotní požadavky. Regulace tepelných čerpadel proto rozhoduje, které okruhy je třeba uspokojit a při jaké teplotě, a nastavuje co nejnižší možnou teplotu topné vody tak, aby pokryla potřebu každého okruhu, a zároveň byla zachována co nejvyšší účinnost zdroje tepla. V případě špičkových požadavků na teplo jsou pro pokrytí zátěže využívány bivalentní zdroje.

Inteligentní interní řídicí systém tepelných čerpadel je proto často nejdůležitějším aspektem celého projektu. Pokusy o řízení strojoven tepelných čerpadel výhradně z externího BMS často vedou k nadměrnému využívání bivalentních zdrojů nebo k neefektivnímu provozu tepelných čerpadel.

Realizace projektu

Vzhledem k tomu, že plavecké bazény a volnočasová centra obvykle fungují po celý rok, může být modernizace celého topného systému komplikovaná bez narušení každodenního provozu. Dobře naplánovaný projekt je však možné realizovat bez uzavření zařízení a ztráty příjmů.

Celá modernizace topného systému v tomto konkrétním projektu byla dokončena přibližně za 3 týdny.

• Nejprve byly všechny otopné prvky optimalizovány pro provoz s nižší teplotou otopné vody (LPHW).
• Byla instalována nová technologie včetně potrubí, akumulačních nádrží, tepelných čerpadel a bivalentních zdrojů tepla.
• Byly provedeny veškeré řídicí a elektrické instalace, včetně frekvenčních měničů pro VZT jednotky a nové rozvodnice MCC pro tepelná čerpadla.
• Následovalo spuštění systému, zkušební provoz a napojení na stávající systém řízení Cylon BMS.
• Provedeno uvedení do provozu.
• Probíhalo online ladění a optimalizace pro maximální výkon a účinnost.  

Regulace a výkon

Správné řízení strojovny s tepelnými čerpadly je často nejdůležitější částí každého projektu. Maximální účinnosti a výkonu lze dosáhnout pouze tehdy, jsou-li všechna pravidla důsledně dodržována a je plně využita veškerá regulace systému tepelných čerpadel. To může být jedním z hlavních důvodů, proč mnoho projektů zahrnujících modernizaci s využitím tepelných čerpadel nedosahuje očekávaného úspěchu.

Přístup společnosti Master Therm spočívá v návrhu a výrobě kompletního systému, nikoliv pouze zdroje tepla. Tato strategie je jedinou cestou, jak zaručit, že systém tepelných čerpadel využije svůj plný návrhový potenciál. Zároveň chrání před sníženým výkonem a účinností v důsledku případně nesprávné regulační strategie nebo návrhu ze strany třetích stran.

Sofistikované řídicí systémy tepelných čerpadel dokážou rozpoznat požadavky jednotlivých okruhů a reagovat podle nich – ať už jde o bazén, bazénovou halu, vířivku nebo recepci. Celý systém se časem stává samoučícím. Například v tomto případě je bazén vyhříván na 34 °C. Systém tepelných čerpadel neustále vyhodnocuje, jaká je nejnižší možná teplota v okruhu LPHW, aby byla udržena požadovaná teplota bazénu 34 °C.

Výsledkem může být výroba teploty pouhých 36 °C. Pokud je tato metoda uplatněna na všechny topné okruhy, výrazně se tím zvyšuje sezónní účinnost SCOP celého systému a tím i úspory provozních nákladů.

Řada provedených testů prokázala, že kombinované využití technologie EEV a DC kompresorů zaručuje výrazné zvýšení účinnosti tepelných čerpadel a snížení provozních nákladů. Možnost integrace vysoce účinných zařízení navíc činí naše řešení připraveným na splnění požadavků nové směrnice EU o energetické účinnosti.

Řídicí jednotka BMS, Pco5, je skutečným srdcem celého řešení – načítá vstupy a řídí výstupy. Díky vestavěnému sériovému portu může navíc komunikovat s ostatními akčními členy jednotky (EVD EVO, regulátory ventilátorů, invertory kompresorů apod.), čímž optimalizuje řízení jednotky a její účinnost.

Konkrétně použití pohonu EVD EVO a elektronických expanzních ventilů (zařízení dodávaných standardně v řešení CAREL pro šroubové chladiče/tepelná čerpadla) umožňuje řízení přehřátí sání, což zaručuje energetickou účinnost díky přesné regulaci při různých venkovních a zatěžovacích podmínkách.

End user interface

Řídicí systém nám umožňuje vytvářet různé úrovně přístupu – ať už jde o chladicího odborníka, nebo o obsluhu bazénu. Ovládání teplot může být pro koncového uživatele v aplikaci tak jednoduché, jako stisknutí šipky nahoru nebo dolů pro zvýšení či snížení teploty v jednotlivých okruzích. Na mnohem hlubší úrovni přístupu pak může plně vyškolený profesionál MasterTherm na dálku provádět úkony, jako je například sledování nebo úprava počtu kroků expanzního ventilu (EEV) za sekundu či otáček kompresoru tepelného čerpadla.

Podle potřeb klienta lze také vytvořit vlastní aplikaci, která mu umožní sledovat a ovládat v podstatě jakoukoli část systému. Naše cloudová platforma umožňuje našim technikům pohodlně přepínat mezi různými jednotkami, systémy či lokalitami. Veškerá data ze systému jsou shromažďována na serverech MT a jsou k dispozici kdykoliv. Specifické údaje, jako je například teplota bazénu, mohou být také zaznamenávány a v případě poklesu teploty pod nastavenou hodnotu může systém zaslat upozornění e-mailem na předem definované adresy, aby informoval uživatele nebo konkrétního technika.

Kombinace všech uvedených prvků zajišťuje skutečnou optimalizaci výkonu a účinnosti celého systému vytápění budovy.

Provozní náklady a úspory CO₂

V případě volnočasového centra St. Michaels byla modernizace systému částečně finančně podpořena Irským úřadem pro udržitelnou energii (SEAI). Jednou z podmínek získání této dotace je ověření předpokládaných úspor. Zprávy o měření a ověřování (M&V) jsou vypracovány nezávislými energetickými konzultanty po 12 měsících provozu systému. Důležitou součástí M&V je zaznamenání spotřeby energie před modernizací a po ní, což je jednoduchý způsob, jak porovnat energetické, finanční a emisní (CO₂) úspory dosažené projektem.

Níže jsou uvedena výsledná data poskytnutá nezávislou energetickou konzultační společností.

Finanční úspory – Uvedené zařízení má jako jediný dostupný fosilní zdroj tepla LPG. Pokud porovnáme cenu za kW, zemní plyn je v současnosti nejlevnějším palivem dostupným na irském trhu. Mnohá jiná podobná zařízení mají k dispozici právě zemní plyn. Tabulka níže ukazuje dosažené finanční úspory v případě použití různých paliv.

Shrnutí

S ohledem na „celoročně mírné“ klima Irska a vysokou potřebu tepla ve volnočasových centrech jsou systémy vzduchových tepelných čerpadel s pokročilou strategií řízení bezpochyby nejefektivnějším způsobem, jak zajistit teplo pro tato zařízení – překonávají geotermální tepelná čerpadla, biomasu či jiné alternativní zdroje tepla.

Na rozdíl od jiných typů komerčních budov je optimalizace systému distribuce tepla v těchto objektech poměrně přímočará a lze dosáhnout významných úspor (finančních i environmentálních). Potřeba údržby je minimální a dlouhá životnost systému představuje významný přínos navíc.

Je však naprosto zásadní používat pouze účelově navržené zařízení. Kompletní individuální návrh, který zohledňuje stávající zdroje tepla, otopné prvky, teplotní režimy apod., je kriticky důležitý. Regulace strojoven s tepelnými čerpadly musí být správně navržena a schválena projekčním týmem tepelných čerpadel, aby byl zajištěn maximální výkon technologie. Tento přístup rovněž předchází komplikacím spojeným s nesprávným řízením a provozem systému a zároveň zvyšuje jeho účinnost, prodlužuje životnost a v neposlední řadě maximalizuje návratnost investice.