Zestaw Panasonic PACi jako alternatywa w ogrzewaniu hal magazynowych i produkcyjnych

Czy pompa ciepła powietrze/powietrze w postaci zestawu SPLIT klimatyzacji kanałowej wysokiego sprężu Panasonic Big PACi może być alternatywą dla tradycyjnych źródeł ogrzewania w tego rodzaju budynkach?

Aby udzielić odpowiedzi na to pytanie, niezbędne jest przybliżenie tego sposobu ogrzewania oraz przeprowadzenie analizy porównawczej kilku wybranych systemów grzewczych — na przykładzie hali magazynowej o określonych założeniach projektowych.

W poniższym artykule przedstawimy:

• Specyfikę ogrzewania hal magazynowych i produkcyjnych;
• Metody ogrzewania stosowane w tego typu budynkach;
• Porównanie wybranych systemów na przykładzie określonej hali:
• Założenia projektowe;
•  Proponowane rozwiązanie w oparciu o klimatyzatory kanałowe wysokiego sprężu;
• Korekta wydajności;
• Dobór jednostek i propozycja rozmieszczenia;
• Przebieg montażu;
• Porównanie kosztów inwestycyjnych;
• Porównanie kosztów eksploatacyjnych;
• Okres zwrotu;
• Zalety i wady porównywanych rozwiązań;

Specyfika ogrzewania hal magazynowych i produkcyjnych

Dokonując wyboru odpowiedniej instalacji grzewczej dla hali magazynowej lub produkcyjnej, należy wziąć pod uwagę poniższe czynniki:

• Sposób minimalizowania zjawiska rozwarstwienia temperaturowego - w halach, czyli obiektach o dużej powierzchni oraz wysokości, pojawia się zjawisko rozwarstwienia temperaturowego, czyli uciekanie ciepłego powietrza w najwyższe partie pomieszczenia. Wybrany system ogrzewania powinien w jak największym stopniu zminimalizować to zjawisko. W przypadku ogrzewania powietrznego możemy skorzystać z odpowiednich nawiewników, dysz dalekiego zasięgu, a dodatkowo możemy wspomóc się urządzeniami typu destryfikator, które kierują ogrzane powietrze z powrotem w dół i przez to wspomagają system ogrzewania, aby był bardziej skuteczny i ekonomiczny.
• Szybkość reakcji na nagłe zmiany temperatury - w halach często dochodzi również do otwierania niemałych bram, co skutkuje nagłymi dużymi stratami ciepła, których nie jesteśmy w stanie uwzględnić podczas obliczania zapotrzebowania na ciepło. Dlatego wybrany system powinien mieć małą bezwładność cieplną – czyli powinien móc szybko zareagować na nagłe zmiany temperatury. W tym przypadku system ogrzewania mogą dodatkowo wspomóc kurtyny powietrzne, które skutecznie zapobiegają wychładzaniu przy częstym otwieraniu bram i drzwi.
• Przystosowanie do indywidualnych potrzeb pomieszczenia - wybierając ogrzewanie, należy też zwrócić uwagę na zaprojektowane strefy funkcjonalne i ich wymagania co do parametrów temperatury. Na przykład strefa magazynowa może wymagać utrzymywania poziomu 12^OC, a strefa przebywania ludzi na przykład 16^OC. System powinien umożliwiać dopasowywanie parametrów do wymagań konkretnej strefy.
• Okresowość użytkowania - ważnym aspektem jest także okresowość użytkowania hali – na przykład nieobecność użytkowników w porze nocnej i związana z tym zmiana wymaganych parametrów w tym okresie. Przy wyborze systemu ogrzewania należy zatem uwzględnić w jego automatyce możliwość czasowego obniżenia temperatury lub jej całkowitego wyłączenia. Jednocześnie warto przeprowadzić analizę, co będzie bardziej opłacane eksploatacyjnie dla inwestora.
• Jakość dostarczanego powietrza - przy wyborze systemu ogrzewania należy również uwzględnić straty ciepła związane z koniecznością dostarczenia świeżego powietrza do hali przez system wentylacji. Będą one zależne od tego czy zapewniamy tylko minimalną ilość świeżego powietrza ze względów higienicznych, czy istnieją jakieś bardziej restrykcyjne wymagania w tym zakresie (związane na przykład z zastosowaną technologią produkcyjną, czy magazynową na hali). W zależności od wielkości strat ciepła musimy rozważyć możliwość ich kompensacji poprzez zaproponowany przez nas system ogrzewania lub uwzględnić je w systemie centrali wentylacyjnej przez zastosowanie odpowiednich nagrzewnic i odzysk ciepła.

Metody ogrzewania stosowane w halach

• Do ogrzewania hal możemy zastosować: ogrzewanie powietrzne, promiennikowe, konwekcyjne czy płaszczyznowe. Ogrzewanie powietrzne - najczęściej wykorzystywanym sposobem ogrzewania hal jest ogrzewanie powietrzne. W tym systemie obieg powietrza jest wymuszany przez wentylator: ochłodzone powietrze z hali jest zasysane, następnie trafia na wymiennik ciepła urządzenia grzewczego i dalej po ogrzaniu nawiewane jest z powrotem do pomieszczenia. Ogrzewanie powietrzne może być realizowane przez nagrzewnice wodne, gazowe, czy aparaty grzewczo-wentylacyjne, do których należą również pompy ciepła powietrze/powietrze, czyli klimatyzatory.
• Ogrzewanie promiennikowe - w przypadku hal magazynowych i produkcyjnych możemy zastosować także ogrzewanie promiennikowe. Takie rozwiązanie jest często spotykane w halach o bardzo dużej powierzchni, w których nie jest konieczne ogrzanie całej kubatury pomieszczenia, a ciepło może być przekazywane bezpośrednio do ogrzewanych powierzchni (ludzi, produktów lub przedmiotów) dzięki zjawisku promieniowania (bez konieczności podgrzewania powietrza). Ogrzewanie to może być realizowane poprzez promienniki podczerwieni gazowe, elektryczne lub wodne.
• Ogrzewanie konwekcyjne - dużo rzadziej spotykanym sposobem ogrzewania hali jest ogrzewanie konwekcyjne wykorzystujące na przykład grzejniki wodne. Takie rozwiązanie może sprawdzić się w przypadku niskich i długich pomieszczeń. Natomiast przy dużej wysokości i kubaturze jest nieekonomiczne i mało komfortowe, ponieważ ciepłe powietrze w wyniku konwekcji ucieka do góry pomieszczenia, zamiast trafiać bezpośrednio do strefy przebywania ludzi.
• Ogrzewanie płaszczyznowe - do ogrzania hal możemy również wykorzystać ogrzewanie płaszczyznowe, którego sposób działania polega na przekazywaniu ciepła do pomieszczenia przez otaczające przegrody. Realizowane jest najczęściej przez ogrzewanie wodne podłogowe. W tym przypadku należy zwiększyć wytrzymałość posadzki, ponieważ do hal magazynowych czy produkcyjnych mogą wjeżdżać cięższe pojazdy, co może uszkodzić instalację.

Porównanie systemów ogrzewania na przykładzie hali magazynowej

Poniżej przedstawiamy, alternatywne dla gazu, rozwiązanie ogrzewania hali z wykorzystaniem pompy ciepła powietrze/powietrze (A2A). W kolejnym kroku porównamy to rozwiązanie z innymi rodzajami ogrzewania powietrznego: z nagrzewnicami gazowymi wodnymi. Klimatyzator kanałowy (pompę ciepła powietrze/powietrze) dobieramy jako system jednego źródła ciepła, z uwzględnieniem temperatury projektowej i określeniem wydajności urządzenia przy danej temperaturze.

a) Założenia projektowe

Na potrzeby tego porównania przyjęto następujące założenia:

• rodzaj budynku: hala magazynowa z częścią biurową
• powierzchnia magazynowa: ok 1000 m2 (Rys. 1)
•  wysokość: 5 m

• założona temperatura wewnątrz budynku: 16^OC utrzymywana na całej powierzchni hali
• lokalizacja – III strefa klimatyczna, w której zgodnie z Rys.2 zewnętrzna temperatura projektowa, dla której musimy dobrać nasze urządzenie to - 20^OC

• wyliczone zapotrzebowanie na moc cieplną: 60 kW
• zapotrzebowanie na ciepło: 93 000 kWh/rok.

b) Klimatyzatory kanałowe jako źródło ogrzewania powietrznego hali

Klimatyzator kanałowy (pompę ciepła powietrze/powietrze) dobieramy jako system jednego źródła ciepła — powietrza, z uwzględnieniem temperatury projektowej i określeniem wydajności urządzenia przy danej temperaturze.

W przypadku naszej hali zaproponowany został zestaw SPLIT klimatyzacji kanałowej wysokiego sprężu Panasonic Big PACi.

Na zestaw składa się:

• jednostka wewnętrzna kanałowa o wysokim sprężu,
• jednostka zewnętrzna,
• sterownik umożliwiający kontrolę pracy układu.

Zastosowana automatyka pozwala na zmiany trybów pracy czy nastawy temperatury, a także ustawienie harmonogramu pracy (uwzględniającego okresowość użytkowania przestrzeni). Jednostki połączone są między sobą instalacją freonową oraz elektryczną.

Na poniższym rysunku przedstawiony jest wycinek karty katalogowej dla wybranego zestawu klimatyzacji kanałowej dużego sprężu (Rys. 3).

Warto przy tym zwrócić uwagę na to, że podane w karcie katalogowej wartości: wydajności chłodniczej i wydajności grzewczej podawane są dla ściśle określonych warunków, i tak:

• w przypadku chłodzenia wydajność chłodnicza wynosi 23 kW dla:
• temperatury zewnętrznej 35^OC
• temperatury wewnętrznej 27^OC
• w przypadku ogrzewania wydajność grzewcza wynosi 29 kW dla:
• temperatury zewnętrznej 7^OC
• temperatury wewnętrznej 20^OC

c) Korekta wydajności

Wartości wydajności podane w kartach katalogowych należy dodatkowo skorygować o poniższe współczynniki.

Współczynnik korekcyjny ze względu na temperaturę

Jeżeli chcemy dobrać urządzenie pod inne temperatury, musimy oszacować jego wydajność dla tych właśnie temperatur. W tym celu należy określić wartość współczynnika korekcyjnego (oddzielnego dla grzania i oddzielnego dla chłodzenia), których wartości możemy odczytać z tabeli (Rys 4) lub wykresów (Rys 5) podanych w dokumentacji serwisowej danego urządzenia.

Z powyższego wykresu wynika, że dla naszych warunków projektowych, tj. temperatury zewnętrznej -20^OC i temperatury wewnętrznej 16^OC współczynnik korekcyjny wyniesie 65%. Do określenia skorygowanej wydajności urządzeń PANASONIC można użyć specjalnych programów, w których po podaniu parametrów temperatury zewnętrznej i wewnętrznej otrzymamy poziom wydajności, dla konkretnego modelu.

Współczynnik korekcyjny ze względu na defrost

Podczas odbierania ciepła z powietrza otaczającego agregat może co jakiś czas dochodzić do zjawiska zalodzenia wymiennika jednostki zewnętrznej. Aby temu zapobiec, stosowany jest proces defrost, czyli odwrócenia pracy układu na czas jego odlodzenia. Dlatego przy obliczeniu wydajności układu należy uwzględnić współczynnik korekcyjny ze względu na defrost. Współczynnik ten odczytujemy z poniższej tabeli (Rys. 6).

Wartość współczynnika korekcyjnego ze względu na defrost odczytujemy dla temperatury zewnętrznej wskazanej dla danej strefy klimatycznej, w której znajduje się hala. Również i w tym przypadku bierzemy pod uwagę temperaturę zewnętrzną -20^OC, dla której współczynnik korekcyjny będzie wynosił 0,88.

Współczynnik korekcyjny ze względu na długość instalacji

Kolejnym współczynnikiem, który powinniśmy uwzględnić, szacując wydajność urządzeń, jest współczynnik korekcyjny zależny od długości instalacji oraz różnicy wysokości między jednostką zewnętrzną i wewnętrzną. Uwzględniamy tu również to, czy montaż jednostki zewnętrznej jest powyżej jednostki wewnętrznej, czy poniżej. Wartość współczynnika możemy odczytać z przedstawionych wykresów dla chłodzenia i dla grzania (Rys.7)

W przypadku naszej hali pod uwagę bierzemy maksymalną możliwą długość instalacji przy napełnieniu fabrycznym, czyli 30 m i dla tej wartości współczynnik korekcyjny ze względu na długość instalacji będzie wynosił 0,97.

d) Dobór jednostek i propozycja rozmieszczenia

Przy doborze jednostek klimatyzacji kanałowej wysokiego sprężu należy uwzględnić wszystkie powyższe współczynniki korekcyjne. Poniżej przedstawiamy sposób przeprowadzania wyliczeń wartości wydajności grzewczej urządzenia dla zadanych warunków projektowych (Rys. 8).

Otrzymany wynik — 16 kW — określa moc grzewczą pojedynczego układu. A skoro nasze zapotrzebowanie na moc cieplną wynosi 60 kW, potrzebujemy aż 4 kompletów takich jednostek kanałowych, co przy temperaturze obliczeniowej dla naszego budynku zapewni nam łącznie 64 kW mocy grzewczej. Tu warto podkreślić, że wspomniany powyżej agregat zewnętrzny o mocy 25 kW ma również możliwość pracy w układach symultanicznych co oznacza, że może pracować z innymi, mniejszymi jednostkami wewnętrznymi na przykład w układzie 2 x 12,5 kW lub 4 x 6,0 kW. Na poniższym rysunku (Rys.9) przedstawiony jest przykładowy schemat rozmieszczenia 4 jednostek kanałowych, uzbrojonych w 4 nawiewniki dalekiego zasięgu każda.

System działa w oparciu o powietrze obiegowe, które zasysane jest przez otwór wlotowy jednostki kanałowej, następnie ogrzewane przez wymiennik ciepła i poprzez wentylator transportowane do pomieszczenia. Takie rozłożenie zapewnia dotarcie ciepłego powietrza do strefy przebywania ludzi i jego równomierne rozprowadzenie.

e) Przebieg montażu

Montaż takiego układu nie wymaga wykonania instalacji hydraulicznej, więc nie jest skomplikowany, a cały proces można opisać w poniższych punktach:

Wybór miejsca montażu jednostki wewnętrznej i zewnętrznej

• jednostki zewnętrzne należy rozmieścić z uwzględnieniem zalecanych odległości od przeszkód, czy wysokości montażu nad powierzchniami. Pod uwagę należy również wziąć kierunek przeważających wiatrów (nie ustawiamy urządzeń pod wiatr);
• jednostki wewnętrzne rozmieszczamy tak, aby zapewnić zarówno łatwe rozprowadzenie instalacji wentylacyjnej, jak i możliwie najlepszy dostęp do samego urządzenia, które będzie podlegało serwisom i przeglądom;

Połączenie między jednostkami instalacją freonową

W przypadku wybranych wydajności rura cieczowa ma średnicę 12 cali i wykonujemy połączenie kielichowe, a rura gazowa ma średnicę 25 cali i dla niej wykonujemy połączenia lutowane. Średnica rur freonowych: cieczowej i gazowej zależą od wydajności układu, zatem im mniejsza moc tym średnice rury są mniejsze;

Podłączenie zasilania elektrycznego

Dla wybranych wydajności zarówno jednostka zewnętrzna, jak i wewnętrzna mają indywidualnie doprowadzone zasilenie, a między jednostkami poprowadzony jest przewód komunikacyjny. Przy mniejszych wydajnościach urządzeń zasilenie jest doprowadzone tylko do agregatu, a między jednostkami jest poprowadzony przewód komunikacyjno – zasilający;

Instalacja odprowadzenia skroplin

Jako, że jednostki kanałowe mogą być wykorzystywane do chłodzenia pomieszczeń, co skutkuje wykropleniem wilgoci z powietrza i powstaniem kondensatu. Dlatego niezbędne jest wykonanie instalacji odprowadzenia skroplin. Zaleca się wykonanie jej w sposób grawitacyjny;

Instalacja wentylacji

Do poprawnej pracy systemu klimatyzacji kanałowej niezbędne jest rozprowadzanie od jednostki wewnętrznej przewodów wentylacyjnych z elementami nawiewnymi takimi jak: dysze dalekiego zasięgu lub nawiewniki szczelinowe. Wybór akcesoriów powinien być dostosowany do potrzeb budynku. Tu warto wspomnieć o ułatwieniach montażowych dotyczących jednostek wewnętrznych kanałowych wysokiego sprężu Panasonic Big PACi, w których jednostkę wewnętrzną można na czas montażu podzielić na 3 oddzielne elementy, z których najcięższy waży tylko 48 kg (Rys. 10).

Pozwala to na wykonanie montażu nawet w ograniczonej przestrzeni i usprawnienie całego procesu.

Ograniczenia w montażu ze względu na czynnik R32

W omawianym przypadku system klimatyzacyjny działa w oparciu o czynnik chłodniczy R32. I mimo tego, że jest on sklasyfikowany jako czynnik o niskim stopniu palności, to jego wykorzystanie niesie za sobą ograniczenie w minimalnej powierzchni pomieszczenia, w którym zamontowana jest jednostka wewnętrzna. Dlatego w dokumentacji serwisowej, w instrukcji instalacji, znajdziemy wykres zależności minimalnej powierzchni pomieszczeń od poziomu napełnienia układu czynnikiem R32 (Rys.11).

W naszym przypadku przy napełnieniu fabrycznym 5,2 kg (które pozwala na wykonanie instalacji o długości do 30 m) minimalna powierzchnia pomieszczenia to około 15 m².

f) Porównanie kosztów inwestycyjnych

Poniżej przestawiamy porównanie kosztów inwestycyjnych czterech alternatywnych systemów ogrzewania dla omawianej hali (Rys 12):

• pierwszy, wykorzystujący pompy ciepła powietrze – powietrze, czyli 4 jednostki kanałowe PANASONIC Big PACi;
• drugi, zakładający zastosowanie pompy ciepła powietrze - woda PANASONIC Aquarea T-CAP z osprzętem i 6 nagrzewnicami wodnymi;
• trzeci, zbudowany z 4 nagrzewnic gazowych;
• czwarty, na który składają się 2 kotły gazowe, kondensacyjne, zainstalowane w kaskadzie oraz 6 nagrzewnic wodnych.

Zestawienie opiera się na cenach katalogowych wybranych urządzeń (stan na sierpień 2022) oraz szacunkowych kosztach ich instalacji. Wynika z niego, że pod kątem inwestycyjnym najtańszym rozwiązaniem jest zastosowanie nagrzewnic gazowych, ale różnice mogą być nieco mniejsze po uwzględnieniu ewentualnych rabatów od cen katalogowych.

g) Porównanie kosztów eksploatacyjnych

W poniższej tabeli (Rys.13) porównane zostały przybliżone koszty eksploatacyjne wybranych systemów dla przyjętego zapotrzebowania na ciepło wynoszącego 93 000 kWh. Roczne zużycie nośników energii dla każdego z rozwiązań zostało wyliczone przy zastosowaniu poniższych założeń:

• w przypadku pomp ciepła powietrze/powietrze i powietrze/woda zostały uwzględnione współczynniki SCOP (sezonowe współczynniki efektywności energetycznej);
• w rozwiązaniach gazowych przyjęto sprawność urządzeń na poziomie 100%;
• dla systemu kotłów uwzględniono straty na instalacji wodnej;
• szacunkowe koszty energii elektrycznej i gazu zostały określone bez uwzględnienia opłat handlowych, przesyłowych, transportowych i tym podobnych.

Możemy zauważyć, że koszty eksploatacyjne systemów wykorzystujących pompy ciepła są znacznie mniejsze niż tych zasilanych gazem, co w pewnej części wynika z obecnych cen nośnika energii, jakim jest gaz.

h) Okres zwrotu inwestycji

Na podstawie wyliczonych wcześniej kosztów inwestycji i kosztów eksploatacji, określono okres zwrotu inwestycji w ogrzewanie przy wykorzystaniu pomp ciepła powietrze/powietrze (A2A) oraz powietrze/woda (A2W). (Rys 14).

Z wyliczeń wynika, że w przypadku pomp ciepła powietrze/powietrze (A2A) na zwrot kosztów inwestycji możemy liczyć 2-3 lata wcześniej w porównaniu z tradycyjnymi sposobami ogrzewania powietrznego jak: nagrzewnice wodne i gazowe. Natomiast w przypadku pomp ciepła powietrze/woda (A2W) na zwrot kosztów inwestycji możemy liczyć o 5-6 lat wcześniej, niż z analogicznych sposobów ogrzewania powietrznego.

Jednocześnie trzeba podkreślić, że wyliczone koszty eksploatacyjne, a co za tym idzie okres zwrotu inwestycji, będą zależeć od aktualnych poziomów kosztów nośników energii.

i) Zalety i wady zaproponowanych rozwiązań

W poniższej tabeli (Rys.15) zebrane zostały zalety i wady wszystkich zaproponowanych rozwiązań.

Podsumowanie

Warto wiedzieć o możliwości wykorzystania systemu klimatyzacji do ogrzewania hal produkcyjnych czy magazynowych. Wybór powinna poprzedzić dokładna analiza wymagań, jakie są stawiane systemom ogrzewania ze względu na różną specyfikę i przeznaczenie tego typu budynków. Jak wynika z powyższych ustaleń w pewnych przypadkach pompa ciepła powietrze/powietrze, w postaci zestawu SPLIT klimatyzacji kanałowej wysokiego sprężu Panasonic Big PACi, może stanowić korzystniejszą alternatywę dla tradycyjnie stosowanych rozwiązań.

Zainteresował cię temat?

Skontaktuj się z Panem Krzysztofem Kleszczem - Sales Engineer A2A PANASONIC, tel: 880 529 275, mail: krzysztof.kleszcz@eu.panasonic.com