České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní Ústav techniky prostředí Technická 4, 166 07 Praha 6, tel. 22435 2586 e-mail: Milos.Lain@fs.cvut.cz POSOUZENÍ NÁVRHU A PROVOZU TEPLENÝCH ČERPADEL PRO ZÁKLADNÍ ŠKOLU T.G. MASARYKA PRAHA 7 Objednal: Městská část Praha 7 Úřad městské části Praha 7 nábř. Kpt. Jaroše 1000 170 00 Praha 7 Vypracoval: Ing. Miloš Lain, Ph.D. Rozsah: Stran 7 přílohy 4 strany Datum: Prosinec 2016
1. Úvod Posudek zabývá posouzením návrhu a provozu tepelných čerpadel v Základní škole T.G. Masaryka Praha 7. V rámci posudku proběhla dvě místní šetření (28.7.2016 a 19.8.2016), byla prostudována projektová dokumentace a problematika konzultována s výrobcem tepelných čerpadel a provozovatelem systému měření a regulace. 2. Projekt Projekt rekonstrukce a rozšíření tepelných zdrojů objektu ZŠ Ortenovo náměstí, Ortenovo náměstí 1275/34, 107 00 PRAHA 7- Holešovice byl zpracován firmou Stabro v roce 2009. V části vytápění je uvedeno: Na základě výpočtů od předpokládaného dodavatele vlastních tepelných čerpadel STIEBEL ELTRON je pro tento objekt navrženo osazení příslušného počtu tepelných čerpadel vzduchvoda.tepelná čerpadla jsou osazena na střechu objektu a budou odebírat teplo z okolního vzduchu. Odebírané teplo se přivede do samostatné místnosti v suterénu objektu (technologická místnost tepelných čerpadel). Zde se bude teplo předávat dále přes výměník tepla do stávajícího teplovodního systému objektu a přes další výměník tepla bude přednostním způsobem předehřívat TUV. Tepelná čerpadla jsou využívána pro vytápění objektu a pro předehřev TUV. Předpokládá se jejich provoz do venkovní teploty vzduchu cca +0 OC. Pod tuto hodnotu se pro vytápění objektu využije stávající zdroj tepla - parní přípojka z rozvodu teplárenské společnosti. Předpokládá se v malé oblasti kolem venkovní teploty cca +0 C kvůli omezené výstupní teplotě topné vody od tepelných čerpadel současný provoz tepelných čerpadel s přimícháváním topné vody od výměníkové stanice. Výměníková stanice dále zůstává jako vysokoteplotní zdroj tepla pro potřeby vzduchotechnických okruhů a pro případný dohřev TUV.Hydraulické zapojení v předávací stanici je navrženo tak, aby minimálně zasahovalo do stávajícího zapojení a aby v podstatě neměnilo stávající hydraulické poměry v teplovodní síti. Je konzultováno se specialisty na hydraulické vyvažování. Stávající výměníková stanice (především zapojení jednotlivých topných okruhů) je ponecháno beze změny s uvedením doporučení na její modernizaci. V suterénu objektu se navrhuje místnost technologie tepelných čerpadel. Je navržena v sousedství stávající místnosti výměníkové stanice. Její řešení respektuje budoucí eventuální využití ostatních prostor pro jiné účely (např. bazén). V místnosti technologie tepelných čerpadel se umístí zařízení nutné pro provoz tepelných čerpadel (výměníky tepla pro předávání tepla ze samostatného okruhu teplonosného média 2
tepelných čerpadel, expanzní nádoby, akumulační nádoby, sestava pro doplňování média do okruhu tepelných čerpadel, apod.). Předpokládá se před uvedením do provozu hydraulické vyvážení celého zapojení. Regulaci nového zdroje tepla - tepelných čerpadel - s jeho připojováním a odpojováním od stávajícího zdroje tepla výměníkové stanice - automaticky zajistí profese MaR (viz samostatný projekt). Vytápění jednotlivých místností se nezmění - do otopných těles bude dodávána ekvitermně regulovaná topná voda a doregulace tepelné pohody v místnosti se zajistí ovládacím prvkem na otopném tělese (termostatická hlavice, ruční hlavice). Navržené schéma je uvedeno v příloze 1 a specifikace v následující tabulce. Navržené schéma zapojení i dimenzování jednotlivých prvků nevykazuje zásadní problémy. 3
3. Stávající stav Realizace rekonstrukce a rozšíření tepelných zdrojů objektu ZŠ Ortenovo náměstí proběhla pravděpodobně v souladu s projektem. Na střeše budovy je osazeno 16 tepelných čerpadel Stiebel Eltron WPL 33které kromě poničené tepelné izolace připojení nevykazují žádné zjevné vady. Většina rozvodů a zařízení ve strojovně je v souladu s projektovou dokumentací, a to akumulační nádoby, oběhová čerpadla, regulační armatury a některé výměníky. Stávající stav zařízení se od projektovaného odchyluje ve dvou základních bodech. Na místo navrženého a pravděpodobně i původně namontovaného výměníku pro předehřev teplé vody Reflex RHC 150/50 s výkonem 140 kw o rozměrech 269x529x81 a připojení 4x 6/4 je osazen výrazně menší deskový výměník připojený pružným potrubím jehož parametry se nepodařilo bez deformace izolace zjistit, ale z rozměrů jak vnějších tak připojovacích je pravděpodobné, že se jedná o výměník výrazně menšího výkonu. Druhým základním nedostatkem je to, že regulační ventil (pozice 9), který má zajistit přepínání zdroje tepla mezi tepelným čerpadlem a horkovodním výměníkem není osazen el. pohonem a automatické přepínání je tím naprosto nefunkční. Nevíme, kdy došlo k těmto změnám, ale charakter připojení ukazuje, že pravděpodobně výměny výměníku byla provedena dodatečně. Z dostupných podkladů provozovatele vyplývá, že v roce 2014 byl servopohon nefunkční a jako takový byl odstraněn. 4
4. Provoz a měření Dle informací provozovatele systému měření a regulace vyplývá, že nefunkční servopohon byl řešen, spolu s dalšími opatřeními na zlepšení provozu systému při převzetí systému v dubnu 2015, ale nedošlo k realizaci opravy ani dalších opatření. V strojovně jsou v souladu s projektem osazeny kalorimetrické měřiče tepla s manuálním odečtem. Pro roky 2012 až 2013 byly nalezeny ruční záznamy stavu meřidla měsíční hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce Měsíc Stav Náměr červen.12 1 037 36.28 GJ červenec.12 1 071 33.55 GJ srpen.12 1 084 13.3 GJ září.12 1 156 71.6 GJ říjen.12 1 357 201.82 GJ listopad.12 1 429 71.58 GJ prosinec.12 1 475 45.58 GJ leden.13 1 520 44.97 GJ únor.13 1 536 16.69 GJ březen.13 1 582 45.95 GJ duben.13 1 643 60.81 GJ květen.13 1 697 53.8 GJ červen.13 1 736 39.38 GJ červenec.13 1 753 16.49 GJ září.13 1 795 42.03 GJ říjen.13 1 957 162.21 GJ Další data pro období 2014 až 2016 byla zpracována provozovatelem a jsou uvedena v příloze 2. Během místního šetření 28.7.2016 byl stav měřidla 2440,4 GJ. Z naměřených měsíčních spotřeb energie vyplývá, že v letech 2012 a 2014 bylo tepelnými čerpadly dodáváno poměrně značné množství tepla, což by odpovídalo očekávanému provozu kdy v přechodovém období (říjen) dodá tepelné čerpadlo většinu tepla pro budovu. V roce 2014 a začátkem roku 2015 už nebylo tepelných čerpadel vůbec využíváno. Dále v měsících červnu, září a říjnu 2015 je dodávka tepla ze systému tepelných čerpadel vyšší, k tomu došlo dle informací provozovatele měření a regulace, díky manuálnímu ovládání a přepínání. Od listopadu 2015 potom zajištují tepelná čerpadla jen minimální dodávku energie, která odpovídá předehřevu teplé vody. Pro vytápění, pravděpodobně díky nefunkčnímu servopohonu, nejsou tepelná čerpadla vůbec používána. 5
Stav tepelných čerpadel byl dle informace výrobce dobrý a při kontrolách v roce 2014 nebyly zjištěny žádné nedostatky ve vlastním provozu tepelných čerpadel, čerpadla byla v dobrém stavu s minimem provozních hodin. Výrobce přislíbil provedení místního šetření a ověření stávajícího stavu a doporučuje pravidelný servis a testování. Otopná soustava Dle dostupných informací je dalším problémem nedostatečné zregulování a vyvážení otopné soustavy. Pro maximální využitelnost tepelných čerpadle je třeba, aby otopná soustava pracovala s co nejnižší teplotou topné vody. Při správně zregulované a vyvážené otopné soustavě je v přechodovém období dostatečná výrazně nižší teplota vody nežli projektovaná a i v zimních měsících, díky obvyklému předimenzování otopných ploch lze často zajistit vytápění i s výrazně nižší teplotou topné vody než byla původně uvažována. Je-li však soustava nevyvážená mají některá otopná tělesa výrazně nižší průtoky vody a tím i výkon než jiná. Pro zajištění tepelné pohody je díky těmto tělesům (místnostem) třeba udržovat vyšší teploty topné vody, což není vhodné pro použití teplených čerpadel. Další problémy nastávají při rekonstrukcích a doplnění (dle informací nová větev pro vytápění auly). Když není zohledněn požadavek na nízkoteplotní vytápění dané zdrojem tepla tepelným čerpadlem, a nové otopné plochy jsou přesně navrženy pro vysokoteplotní vytápění nedokáží potom zajistit vytápění při nižší teplotě topné vody než na jakou byla navržena, na rozdíl od často předimenzovaných původních otopných ploch. Další změnou, ke které došlo po instalaci tepelných čerpadel byl přechod z parního na horkovodní zásobování teplem. Tato změna by neměla mít vliv na použití tepelných čerpadel, ale nelze vyloučit manipulace s komponentami během rekonstrukce. 6
5. Závěr Tato zpráva prokázala, že hlavní příčinou minimálního provozu tepelných čerpadel a tím i minimálních úspor tepla a provozních nákladů je nefunkční regulace díky absenci akčního členu servopohonu u přepínacího ventilu. Projekt a realizace instalace tepelných čerpadel nevykazuje zásadní pochybení. Pro optimální provozování je však klíčová správná funkce regulace a otopné soustavy, zaregulování systému a optimalizace regulačních algoritmů. Doporučuji proto: Osazení nového servopohonu případně servopohonů. Zaregulování a vyvážení otopné soustavy Natavení takových regulačních algoritmů, které maximalizují využitelnost tepelných čerpadel. Použité podklady: Dokumentace z roku 2009: REKONSTRUKCE A ROZŠÍŘENÍ TEPELNÝCH ZDROJŮ OBJEKTU ZŠ ORTENOVO NÁMĚSTÍ Ortenovo náměstí 1275/34, 107 00 PRAHA 7- Holešovice Přílohy: Příloha 1. Schéma Příloha 2. Spotřeby energie - měření Příloha 3. Fotodokumentace 7
Příloha 1. schéma 8
Příloha 2. Spotřeby energie - měření r. 2014 MT vstup VS vodoměr TV MT vstup TČ el.měr Vs Měsíc stav náměr jednostav náměr jednostav náměr jednostav náměr jednotka 8 0 GJ 3616 m3 GJ kwh 9 26 26 GJ 3654 38 m3 GJ kwh 10 173 147 GJ 3691 37 m3 GJ kwh 11 463 290 GJ 3725 34 m3 GJ 6892 kwh 12 1045 582 GJ 3764 39 m3 GJ 8177 1285 kwh r. 2015 MT vstup VS vodoměr TV MT vstup TČ el.měr Vs Měsíc stav náměr jednostav náměr jednostav náměr jednostav náměr jednotka 1 1563 518 GJ 3800 36 m3 0 GJ 9155 978 kwh 2 2082 519 GJ 3838 38 m3 0 GJ 10091 936 kwh 3 2535 453 GJ 3881 43 m3 0 GJ 11264 1173 kwh 4 2681 146 GJ 3915 34 m3 0 GJ 12038 774 kwh 5 2703 22 GJ 3942 27 m3 2296 0 GJ 12231 193 kwh 6 2711 8 3972 30 m3 2317 21 GJ 12371 140 kwh 7 2712 1 3975 3 m3 2317 0 GJ 12381 10 kwh 8 2713 1 3985 10 m3 2325 8 GJ 12502 121 kwh 9 2721 8 4022 37 m3 2345 20 GJ 12633 131 kwh 10 2960 239 4064 42 m3 2387 42 GJ 13567 934 kwh 11 3225 265 4099 35 m3 2392 5 GJ 14287 720 kwh 12 3714 489 4144 45 m3 2399 7 GJ 15544 1257 kwh r. 2016 MT vstup VS vodoměr TV MT vstup TČ el.měr Vs Měsíc stav náměr jednostav náměr jednostav náměr jednostav náměr jednotka 1 4314 600 GJ 4181 37 m3 2403 4 GJ 16583 1039 kwh 2 4765 451 GJ 4223 42 m3 2410 7 GJ 17699 1116 kwh 3 5165 400 GJ 4260 37 m3 2417 7 GJ 18577 878 kwh 4 5371 206 GJ 4304 44 m3 2424 7 GJ 19354 777 kwh 5 5465 94 GJ 4347 43 m3 2432 8 GJ 19767 413 kwh 6 5487 22 GJ 4389 42 m3 2438 6 GJ 19930 163 kwh 7 5506 19 GJ 4397 8 m3 2440 2 GJ 20094 164 kwh 8 0 0 0 GJ 0 kwh 9 0 0 0 GJ 0 kwh 10 0 0 0 GJ 0 kwh 11 0 0 0 GJ 0 kwh 12 0 0 0 GJ 0 kwh 9
Příloha 3. Fotodokumentace Teplená čerpadla na střeše objektu 10
Příloha 2. Fotodokumentace Strojovna 11