Tepelná čerpadla v ekologické stavbě roku po 10 letech

O záměru modernizovat a rozšířit výrobní areál společnosti HVM Plasma v pražských Jinonicích bylo rozhodnuto v roce 2007. Realizace byla dokončena v roce 2009 a v roce 2010 byl areál v rámci soutěže vypisované Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR vyhlášen Českou energetickou a ekologickou stavbou roku. To znamená, že instalované zařízení řešící energetické toky v areálu letos oslaví 10 výročí.

Areál společnosti HVM Plasma zahrnuje dva administrativně výrobní objekty. Starší je zmodernizovaná budova bývalé firmy Tresoria, která byla založena v roce 1879 a vyráběla trezory a jiné bezpečnostní prvky. Při modernizaci byl zachován její tradiční vzhled s válcovou střechou. V podstatě je tato budova již jediným svědkem bývalé světové proslulosti strojírenské výroby v areálu jinonické Waltrovky. Druhý objekt byl nově postaven a je s původním propojen. Společnost HVM Plasma se zabývá nanášení speciálních tenkých vrstev na kovové díly a součásti (např. pro automobilový průmysl). V tomto ohledu disponuje jednou z největších produkčních kapacit ve střední Evropě a její výsledky její práce jsou součástí například miliónů vstřikovacích jednotek motorů, a dokonce i kosmických satelitů.

Technologie povlakování, aneb nanášení tenkých vrstev, probíhá ve vakuu a za vysokých teplot. Při povlakování, ale i při výrobě vakua, vznikají velké přebytky tepla, které je nutné odvádět. Přitom je po velkou část roku nutné vnitřní prostory budov vytápět a po celý rok zásobovat teplou vodou. S tím se projekt úprav areálu vypořádal s využitím tepelných čerpadel, akumulační nádoby a adiabatického chlazení. Adiabatické chlazení snižující požadavek na výkony ventilátorů umožnilo splnit zásadní požadavek nezvyšovat imisní hlukovou situaci v blízkém okolí s bytovými a rezidenčními domy.

Obr. Výrobní areál společnosti HWM Plasma se nachází v Praze Jinonicích a svým výrobním zaměřením navazuje na vynikající světovou pověst českého strojírenství bývalé Waltrovky. Těsné sousedství s rezidenčním bydlením si vyžádalo věnovat velkou pozornost i emisím hluku. (Pohled přes železniční trať, Pražský Semmering, zastávka Jinonice)

Obr. Jedno z více vakuových povlakovacích zařízení, jejichž spolehlivý provoz se opírá o činnost souboru tepelných čerpadel Master Therm

Popis projektu

Základem tepelného hospodářství jsou vakuová povlakovací zařízení chlazená cirkulující vodou s potenciálem 400 kW tepelné energie. Chlad, resp. tepelná energie o nízké teplotě, je vyráběna v sestavě tepelných čerpadel voda-voda. Teplo o vyšší teplotě získané z vnitřního chladícího cyklu tepelného čerpadla je podle možností využito pro vytápění objektu, přípravu teplé vody a není-li pro něj využití, je mařeno na adiabatické chladicí věži. Chladicí strana tepelných čerpadel slouží k výrobě chladu pro všechny spotřebiče, které tvoří zejména výrobní vakuová povlakovací zařízení, vzduchotechnické jednotky a klimatizační jednotky (fan coily) v místnostech. Chlad je distribuován prostřednictvím cirkulace vody. Chlazení výrobní technologie pracuje s teplotním spádem 20/30°C.

Obr. Naše spolupráce se společností HVM Plasma neskončila po dodání tepelných čerpadel. Jsme stále v kontaktu a garantujeme jejich provoz. I pro nás je potěšitelné, že za 10 let provozu jsme v podstatě nemuseli nic měnit, “ řekl Ing. Jiří Svoboda, ředitel společnosti Master Therm tepelná čerpadla s.r.o., výrobce a dodavatel tepelných čerpadel.

Maření nevyužitelných energetických zisků z okruhu probíhá prostřednictvím adiabatické chladicí věže odváděním tepla do venkovního vzduchu. Pro minimalizaci hlukové zátěže okolí je podstatné, že věž umožňuje chlazení ve free cooling režimu zkrápěním vstupního chladicího vzduchu vodou a dochlazením teploty teplonosné látky na teplotu vlhkého teploměru do venkovní teploty vzduchu t = 23,4 °C, tzn. minimálně po 2/3 roku. Většina vody použitá pro zkrápění je z velkoobjemové nádrže, kam je ukládána dešťová voda. Z důvodu nutnosti celoročního provozu má věž vlastní okruh s nemrznoucí tekutinou. Pro chlazení mimo období free coolingu pracují tepelná čerpadla při teplotním spádu chladicí vody 34/20°C.

Ve strojovně chlazení jsou instalována tepelná čerpadla i pro režim chlazení 14/8° C, který je nutný pro provoz klimatizačních zařízení.

Všechna tepelná čerpadla jsou na straně kondenzátoru zapojena na stratifikační zásobník se třemi základními teplotními pásmy, který funguje souběžně i jako hydraulický oddělovač. Kondenzátory tepelných čerpadel pracují ve shodném režimu 35/45°C. V případě vytápění pracují při spádu 45/55°C.

Tepelná čerpadla

Úpravu parametrů tepelné energie pro chlazení nebo teplo pro vytápění zajišťuje soubor 8 tepelných čerpadel s konstantním výkonem a jednoho s modulovaným výkonem. Tepelná čerpadla jsou propojena tak, aby se po určitou dobu, například omezením vytápění, dal případný výpadek činnosti i několika z nich snadno zastoupit zbývajícími, aby nebyla ohrožena výroba. „Vzhledem k použití standardních konstrukčních prvků včetně kompresorů můžeme provozovateli garantovat velmi rychlou opravu. Skutečností však je, že za 10 let provozu jsme v podstatě nemuseli nic měnit,“ říká Ing. Jiří Svoboda, ředitel společnosti Master Therm tepelná čerpadla s.r.o. (výrobce a dodavatel tepelných čerpadel)

Český výrobce Master Therm na projektu spolupracoval již od počáteční fáze návrhu. Instalováno je 8 jednotek typu AQ 180.2Z o celkovém chladicím výkonu 660 kW. Jedná se o dvou kompresorová tepelná čerpadla voda-voda, vybavená technologií elektronického expanzního ventilu (EEV) a plně hermetickými scroll kompresory. Pro přesné řízení výroby chladu pro klimatizaci je soubor doplněn o tepelné čerpadlo AQ 90 Inverter s variabilními otáčkami kompresoru a chladicím výkonem 50 kW.

Pro volbu výrobků Master Therm byla určující schopnost jejich výroby na míru pro danou aplikaci, s možností optimalizace účinnosti zařízení v definovaném teplotním režimu, a to jak prostřednictvím zásahu do řídicího algoritmu expanzního ventilu, tak přesnou regulací průtoku a úpravou zapojení výparníku. Tyto skutečnosti se podstatným způsobem podílí na vysoké celkové účinnosti výroby chladu. Přitom se jedná o tepelná čerpadla používající standardní komponenty, tedy komponenty s příznivou cenou na trhu, a hlavně rychle dostupné, pokud by byla nutná jejich výměna. Pro stabilitu výroby je tento fakt zásadní, neboť odstranění poruchy u velkého specializovaného chladicího stroje by si vyžádalo i týdny odstávky a výpadku ve výrobě.

Základní parametry projektu

Kalkulované úspory energie

Opakování projektu

Obr. Nechat si vyvinout a vyrobit některá automatizovaná pracoviště externě by stálo hodně času a peněz. Tak jsme si je navrhli a z průmyslově vyráběných stavebnicových komponentů pro automatizaci vyrobili sami, řekl Ing. Jiří Vyskočil, CSc., ředitel společnosti HVM PLASMA, spol. s r.o. Zde se jedná o zakládání ročně stovek tisíců polotovarů jehel vstřikovacích zařízení motorů do držáků, ve kterých budou jejich aktivní části plasmaticky potaženy vysoce odolnou kovovou vrstvou.

Se spolehlivostí provozu a energetickou účinnosti souboru tepelných čerpadel je Ing. Jiří Vyskočil, CSc., ředitel společnosti HVM PLASMA, spol. s r.o., tedy investor a současně uživatel, velmi spokojen. Navržený systém výroby chladu a využití tepla v návaznost na výrobní technologie prokázal za uplynulých 10 let vynikající spolehlivost a ekonomické parametry. Ing. Vyskočil však není jen vynikajícím manažerem, ale i technikem. V oboru působí přes třicet let. První švýcarské povlakovací zařízení Hauser společnost HVM PLASMA zakoupila před cca třiceti lety. Brzy přišli na to, že zakoupené zařízení je možné zdokonalit. Proto jej začali vylepšovat a nyní se se svými výrobními zkušenosti a know-how významně podílí na jejich konstrukci i pro jiné zákazníky. Znalostní a přísně technický přístup se projevuje i v konceptu energetického hospodářství. Důkazem kvality a ekonomické úspěšnosti zvoleného řešení je záměr společnosti stejný koncept zopakovat i v brněnském povlakovacím středisku společnosti.

Podle slov Ing. Petara Srbljanoviče, specializovaného projektanta průmyslových aplikací, SF Engineers Consulting, o úspěchu rozhodlo především tom, že společnost PWM Plasma požadovala systém vyznačující se technicky vysokými parametry, při tom zohlednila nejen dlouhodobé provozní náklady na energie, ale i pravidelný servis, rychlost a možnost řešení případných krizových situací. A pak to, že všichni zainteresovaní spolupracovali od počátku projektu vedeni společným zájmem. Práce pro zákazníka, který je nejen investor, ale i budoucí provozovatel, mu přinesla velké uspokojení, neboť mohl uplatnit ta nejvhodnější technická řešení z pohledu dlouhodobého provozu, včetně automatických vyvažovacích armatur pro regulaci proudění teplonosných látek.

Obr. Přebytek tepla umožnil jeho ekonomické využití pro odtávání přístupové komunikace.

Obr. Projekt toků tepelné energie, úpravy jejích parametrů tepelnými čerpadly, vytápění, chlazení, výměny vzduchu, přípravy teplé vody atd. zpracoval Ing. Petar Srbljanovič, SF Engineers Consulting.

Obr. Vlevo skládaný deskový výměník odděluje okruh vody nesoucí přebytečné tepla a směsi voda-nemrznoucí tekutina, která vede k adiabatické chladicí věži. Vpravo je zřetelná velkoobjemová akumulační nádoba, ve které jsou 3 teplotně různé vrstvy. Udržení teplotní stratifikace podporují horizontální separátory, které však umožňují, aby nádoba v přípustném rozsahu plnila i funkci vyrovnávače dynamických tlaků (HVDT, anuloid).

Obr. Tepelná čerpadla Master Therm jsou zdrojem chladu pro vzduchotechniku zajišťující výměnu vzduchu v celém areálu a udržování tepelné pohody. Některé používané výrobní technologie vyžadují i superčisté pracovní prostředí.

Obr. Příprava teplé vody vyžaduje vyšší výstupní teplotu z tepelného čerpadla. Proto je řešena samostatným tepelným čerpadlem Master Therm, rovněž typu voda-voda s primárním zdrojem tepelné energie z chlazení výrobních technologií. Teplá voda je připravována ve dvou akumulačních nádobách (mimo obrázek)

Obr. Pro vytápění a přípravu teplé vody původně provozované plynové kotle se i přes jejich vynikající technický stav staly jen pevnou zálohou.

Závěr

Prezentace oceněných technických projektů po jejich uvedení do provozu je vítanou podporou k tomu, aby se o ně zajímala veřejnost. Pokud je možné takový projekt prezentovat i po deseti letech provozu a konstatovat, že slibované cíle byly dodrženy, tak jde o nevyvratitelný důkaz úspěšnosti projektu a oprávněnosti jeho ocenění. V souvislosti s aktuálním cílem České republiky snížit energetickou náročnost o více než 30 % do roku 2030 má takový projekt zásadní význam. Zvláště proto, že podle slov zástupce provozovatele bude s velkou pravděpodobností opakován a tak by přispěl nejen k zvýšení energetické efektivity ve společnosti HVM Plasma, ale i ke splnění závazku České republiky.