Klimatyzacja w obiektach leczniczych

W Polsce od ponad dwudziestu, a w Europie od ponad trzydziestu lat, zapotrzebowanie na chłód do celów klimatyzacyjnych systematycznie rośnie. Kluczowymi odbiorcami są nowe obiekty handlowo – usługowe (m. in. galerie handlowe), biurowe (głównie wielkokubaturowe) oraz obiekty użyteczności publicznej. Wzrost zapotrzebowania na chłód związany jest także z modernizacją wszystkich wyżej wymienionych grup obiektów i podnoszeniem ich standardu. W ostatnich latach eskalacja tej tendencji związana jest w dużej mierze ze wzrostem oczekiwań użytkowników oraz uwarunkowaniami prawnymi narzucającymi konkretne wymagania dotyczące ilości i jakości powietrza, bądź efektywności energetycznej budynków, co także pośrednio wpływa na zastosowanie układów klimatyzacyjnych.

Sytuacja wygląda podobnie dla, szeroko pojętych, obiektów leczniczych, na które dodatkowo Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 26 czerwca 2012 r. w sprawie szczególnych wymagań, jakim powinny odpowiadać pomieszczenia i urządzenia podmiotu wykonującego działalność leczniczą (Dz. U. Z 2012 r. nr 739) narzuca jasny wymóg zastosowania, co najmniej w części powierzchni, klimatyzacji. Jasne jest, że ilość powierzchni klimatyzowanych, nie tylko ze względu na komfort pacjentów, ale także wymogi legislacyjne, będzie w obiektach leczniczych rosła, stawiając przed zarządzającymi takimi obiektami wyzwania techniczne, inwestycyjne i eksploatacyjne mające wpływ na inne systemy obiektu.

W konwencjonalnych układach klimatyzacyjnych zapotrzebowanie na chłód najczęściej jest pokrywane przy pomocy centralnie zainstalowanych sprężarkowych agregatów chłodniczych (S.A.C.) produkujących wodę lodową przesyłaną wewnętrzna instalacją hydrauliczną do odbiorników – głównie central wentylacyjnych bądź klimakonwektorów. W wypadku S.A.C. energią napędową potrzebną do wyprodukowania wody lodowej jest energia elektryczna. Medium, którego cena w ciągu ostatnich lat rośnie, a dostępność, w szczególności w okresie letnim, nie jest w 100% gwarantowana. Prowadzi to, z jednej strony do nieustannego wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną latem, a z drugiej do eskalacji ceny wytworzenia chłodu dla użytkownika końcowego. Oba czynniki mają negatywny wpływ na użytkowanie obiektów. Na poniższym Wykresie 1 przedstawiono przykładowy przebieg zapotrzebowania na energię elektryczną do napędu S.A.C. pracujących na potrzeby klimatyzacyjne w ciągu roku.

Jak widać na wykresie w miesiącach letnich, zaczynając od czerwca, a kończąc na wrześniu, występuje szczytowe zapotrzebowanie na chłód do celów klimatyzacyjnych osiągając maksimum w lipcu i minimum w lutym.

Wykres 1: Zapotrzebowanie na energię elektryczną do zasilania S.A.C.

Wykres 1: Zapotrzebowanie na energię elektryczną do zasilania S.A.C.



Zastosowanie S.A.C. jako źródła chłodu oczywiście jest najpowszechniejszym z rozwiązań dostępnych na rynku. Niestety dla dużych obiektów, w szczególności leczniczych, rodzi szereg dodatkowych problemów. S.A.C. jako energię napędową wykorzystują energię elektryczną w bardzo dużych ilościach – na każde 1000 kW chłodu potrzeba ok. 350 kW energii elektrycznej, co w połączeniu z jednej strony z wymaganymi dużymi mocami chłodniczymi, a z drugiej z dostępnością energii elektrycznej i infrastruktury ją dostarczającej, rodzi nie tylko problemy natury inwestycyjnej (podczas modernizacji należy zainwestować nie tylko w urządzenia chłodnicze, ale także infrastrukturę elektroenergetyczną) czy eksploatacyjnej (opłaty za większą moc zamówioną i oczywiście zużycie energii),  ale także bezpieczeństwa (zapewnienie stałego i pewnego zasilania S.A.C. jak i urządzeń towarzyszących w energię elektryczną). Zarówno wspomniane wcześniej Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 26 czerwca 2012 r. w sprawie szczególnych wymagań, jakim powinny odpowiadać pomieszczenia i urządzenia podmiotu wykonującego działalność leczniczą (Dz. U. Z 2012 r. nr 739) jak i dodatkowo Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z 2002 r. nr 75 poz. 690 z późn. zmian.) wymusza zagwarantowanie nie tylko niezależnych kierunków zasilania, ale także własnego rezerwowego źródła pokrywającego co najmniej 30% mocy szczytowej, która po zastosowaniu układu S.A.C. może ulec zmianie dodatkowo prowadząc do podniesienia nakładów inwestycyjnych.


Proekologiczne i wysokowydajne technologie chłodnicze

Jedną z możliwych alternatyw do zastosowania S.A.C. są Absorpcyjne bądź Adsorpcyjne Agregaty Chłodnicze (A.A.C.). W odróżnieniu od S.A.C. wykorzystujących do produkcji chłodu energię elektryczną, A.A.C. jako energię napędową wykorzystują ciepło w dowolnej postaci, które może pochodzić z wielu różnych źródeł – od lokalnej kotłowni wyposażonej w konwencjonalne układy grzewcze (zarówno wodne jak i parowe), przez Miejską Sieć Ciepłowniczą (M.S.C.)po odzysk ciepła z układów skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła (Kogeneracja).  Zastosowanie A.A.C. zasilanych ciepłem umożliwia z jednej strony odciążenie w okresie letnim infrastruktury elektroenergetycznej (bądź ograniczenie nakładów inwestycyjnych w wypadku nowej inwestycji), a z drugiej dociążenie infrastruktury ciepłowniczej, prowadząc do wzrostu efektywności energetycznej oraz, w wypadku układów kogeneracyjnych, optymalizację czasu zwrotu z inwestycji.

Chłodziarka sorpcyjna wytwarza wodę lodową na potrzeby klimatyzacyjne dzięki krążeniu czynnika chłodniczego, którym jest woda (H2O) między sorberem (jest w nim pochłaniany), a desorberem (generatorem). Energią napędową dla urządzenia może być ciepło w dowolnej postaci – dla urządzeń adsorpcyjnych woda o temperaturze tak niskiej jak nawet 60OC która może pochodzić z M.S.C., a dla urządzeń absorpcyjnych woda od 80OC, para, spaliny. Układ sorbera i desorbera odpowiada, porównując do agregatu konwencjonalnego, sprężarce elektrycznej, z tą różnicą że nie używa jako energii napędowej prądu tylko ciepła. Czynnikiem chłodniczym wykorzystywanym w agregacie sorpcyjnym jest woda, najbardziej ekologiczny z czynników chłodniczych, a sorbentem, w zależności od wybranej technologii bromek litu bądź krzemionka. Stosowane dziś A.A.C. praktycznie nie posiadają części ruchomych, dzięki czemu ich eksploatacja jest możliwa przez wiele lat wydłużając w stosunku do rozwiązań sprężarkowych cykl życia urządzenia.

Na poniższym schemacie pokazano zasadę działania na przykładzie bromolitowego absorpcyjnego agregatu wody lodowej.
 

Schemat 1: Zasada działania bromolitowej chłodziarki absorpcyjnej.

Schemat 1: Zasada działania bromolitowej chłodziarki absorpcyjnej.


W chłodziarce zasilanej gorącą wodą, dzięki ciepłu podanemu do generatora [7] (warnika) [zasilanie 4; powrót 5] z roztworu LiBr, przy bardzo niskim ciśnieniu, odparowuje czysta woda. Para wodna przez separator wędruje do skraplacza w którym dzięki oddaniu ciepła do wody chłodzącej ulega kondensacji [8], aby trafić w celu rozpylenia do parownika [9] i odebrania ciepła podczas wrzenia na powierzchni rurek z wody lodowej [zasilanie 1; powrót 2]. Po odebraniu ciepła para wodna trafia przez separatory do absorbera gdzie jest pochłaniana przez rozpylany stężony roztwór bromku litu pochodzący z generatora. Ciepło absorpcji odprowadzone jest poprzez układ wody chodzącej. Chłodziarka dodatkowo wyposażona jest w systemy zwiększające sprawność poprzez odzysk ciepła [6] oraz automatyczny system utrzymywania próżni [12] i zapobiegania krystalizacji [10].

Korzyści dla klienta

Wykorzystanie A.A.C. zamiast S.A.C. do produkcji chłodu do celów klimatyzacyjnych prowadzi bezpośrednio do znaczącego zwiększenia zapotrzebowania na ciepło w okresie letnim, a co za tym idzie, do optymalizacji wykorzystania mocy zarówno po stronie ciepłowniczej jak i elektroenergetycznej. To ciepło staje się głównym źródłem energii znacząco obniżając bilans zapotrzebowania na energię elektryczną. Należy zaznaczyć, iż w wypadku modernizacji istniejącej maszynowni chłodniczej opartej na S.A.C. na taką opartą na A.A.C. w większości wypadków zmianie ulga tylko źródło wytwarzania chłodu – w instalacji wewnętrznej opartej na wodzie lodowej nie są wymagane żadne zmiany. Powstały w ten sposób węzeł cieplno – chłodniczy dostarcza przez cały rok ciepło na potrzeby C.W.U., w okresie zimowym na cele C.O., a letnim zasilania A.A.C. produkujących chłód na cele klimatyzacyjne. Na poniższym wykresie zaprezentowano przebieg zapotrzebowania na ciepło do zasilania A.A.C.

Na poniższym Wykresie 2 zaprezentowano zapotrzebowanie na ciepło z M.S.C. do zasilania A.A.C. produkujących chłód.

Wykres 2: Zapotrzebowanie na ciepło do produkcji chłodu przy pomocy A.A.C.

Wykres 2: Zapotrzebowanie na ciepło do produkcji chłodu przy pomocy A.A.C.


Zastosowanie A.A.C. do produkcji chłodu na cele klimatyzacyjne niesie za sobą korzyści w obszarach ekonomicznych, niezawodnościowych i środowiskowych. Przede wszystkim wyraźnemu obniżeniu ulega zapotrzebowanie na energię elektryczną, a co za tym idzie w wypadku nowych budynków, ograniczenie nakładów inwestycyjnych na infrastrukturę elektroenergetyczną oraz wykorzystywanie w pełni prośrodowiskowej i ekologicznej technologii wytwarzania chłodu o prawie dwukrotnie dłuższym cyklu życia w stosunku do rozwiązania konwencjonalnego. Głównym źródłem zasilania staje się ciepło optymalizując jednocześnie wykorzystanie węzła cieplnego w okresie letnim oraz infrastruktury elektroenergetycznej budynku przez cały rok ograniczając koszty. Z drugiej strony, w wypadku zastosowania systemów skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła (kogeneracja) stanowiących źródło zasilania w ciepło, dzięki zagospodarowaniu nadmiarowego w okresie letnim ciepła na cele produkcji chłodu, ograniczamy czas zwrotu z inwestycji oraz umożliwiamy produkcję większej ilości energii elektrycznej. Na poniższym Wykresie 3 zaprezentowano przebieg zapotrzebowania na ciepło w wypadku zastosowania A.A.C. produkujących chłód na cele klimatyzacyjne, zapotrzebowanie na ciepło na potrzeby C.O. i C.W.U. oraz na CH.U.


Wykres 3: Zapotrzebowanie na ciepło dla węzła cieplno - chłodniczego.

Jak widać na powyższym wykresie zastosowanie A.A.C. zasilanych ciepłem prowadzi do wykorzystania „zamrożonych” w okresie letnim ciepłowniczych mocy wytwórczych i wykorzystanie ich na potrzeby zasilania A.A.C. Kształt wykresu sugeruje znaczącą optymalizację wykorzystania źródła ciepła, jednocześnie obniżając roczną zmienność zapotrzebowania. Ograniczeniu ulega także  zapotrzebowanie na energię elektryczną dzięki zastąpieniu S.A.C. przez A.A.C. zbliżając bilans energetyczny budynku w okresie letnim do zapotrzebowania średniorocznego.

Przykładowe realizacje

Doskonałym przykładem zastosowania układu urządzeń A.A.C. do pokrycia zapotrzebowania na chłód do celów klimatyzacyjnych Szpitala są zainstalowane na terenie Uniwersyteckiego Szpitala Klinicznego w Białymstoku chłodziarki absorpcyjne. Dwa bliźniacze urządzenia produkują 2320 kW wody lodowej na potrzeby Szpitala wykorzystując jako główne źródło zasilania parę pochodząca z miejskiej sieci parowej. Dzięki zastosowaniu urządzeń A.A.C. moc elektryczna niezbędna do zasilania urządzeń produkujących wodę lodową została ograniczona do 11 kWe z ok. 700 kWe w wypadku zastosowania rozwiązania konwencjonalnego. Dodatkowo, dzięki rozwiązaniom konstrukcyjnym wbudowanym w chłodziarki dostarczone oraz zabudowane przez New Energy Transfer S.A., urządzenia mogą być eksploatowane w sposób w pełni automatyczny przez okres około dwukrotnie dłuższy w stosunku do cyklu życia urządzeń konwencjonalnych zapewniając Uniwersyteckiemu Szpitalowi Klinicznemu w Białymstoku pewne, praktycznie niezależne od energii elektrycznej i proekologiczne, źródło zasilania w chłód.

Na poniższym Rysunku 1 zaprezentowano zdjęcie absorpcyjnej chłodziarki zasilanej parą firmy SL Eco Energy Systems, dostarczonej przez New Energy Transfer S.A. na potrzeby Uniwersyteckiego Szpitala Klinicznego w Białymstoku
 

 Rysunek 1: A.A.C. SL EcoEnergy Systems dostarczony dla USK Białystok.

Rysunek 1: A.A.C. SL EcoEnergy Systems dostarczony dla USK Białystok.

 

Autor: mgr inż. Marcin Malicki, Dyrektor Ds. Technologii w New Energy Transfer S.A., m.malicki@net-sa.eu

New Energy Transfer S.A.
New Energy Transfer S.A.
ul. Wspólna 26, 05-090 Janki
tel: +48 22 7206601
fax: +48 22 7298617
kom: +48 691 999 691
www.net-sa.eu

Referat z XI Seminarium "Nowoczesne techniki instalacyjne w szpitalnictwie", Warszawa, 26.09.2013 r.