Pompy ciepła i kogeneracja w Centrum Jana Pawła II w Krakowie

Sanktuarium św. Jana Pawła II w Krakowie

W Krakowie na terenie tzw. białych mórz realizowany jest Kompleks Parkowo-Rekreacyjny – Centrum Jana Pawła II „Nie lękajcie się!”. Rozpoczęcie budowy pierwszego obiektu Centrum miało miejsce w drugiej połowie 2008 r. Wówczas przystąpiono do realizacji etapu I inwestycji, który obejmował: Centrum Szkoleniowe Wolontariatu, Instytut Jana Pawła II oraz kościół (dolny i górny). jako ostatni z tej grupy zakończony został kościół górny, który uzyskał pozwolenie na użytkowanie w marcu 2016 r. Obecnie realizowany jest etap II inwestycji, do którego należą: budynek muzeum (część ekspozycyjna) wraz z instalacjami i infrastrukturą techniczną.

Zespół budynków Centrum Jana Pawła II, stanowiący dziś Sanktuarium św. Jana Pawła II, zlokalizowany jest w południowej części Krakowa, na obszarze dawnych osadników szlamu posodowego byłych Krakowskich Zakładów Sodowych „Solvay”, zlikwidowanych w 1996 r.

Dokładnie w tym miejscu, w fabryce „Solvay”, w czasie II wojny światowej pracował jako robotnik Karol Wojtyła – przyszły papież, a obecnie św. Jan Paweł II.

Plac przed kościołem pw. św. Jana Pawła II z otwarciem w kierunku Sanktuarium Miłosierdzia Bożego (fot. Piotr Sionko CJP2)

Centrum Jana Pawła II zostało zaprojektowane przez uznanego krakowskiego architekta Andrzeja Mikulskiego w kształcie niezależnego miasta zlokalizowanego na szczycie jednego z osadników, które z lotu ptaka wyglądały jak białe morze. Realizacja projektu Centrum Jana Pawła II jest jednocześnie udaną próbą rewitalizacji zdegradowanego terenu poprzemysłowego oraz przywrócenia tego obszaru do świadomości mieszkańców Krakowa poprzez podkreślenie parkowego charakteru tego terenu i powiązanie funkcji rekreacyjnej z miejscem przeznaczonym na potrzeby kultu religijnego i kultury. Centrum powstaje w bliskim sąsiedztwie Sanktuarium Miłosierdzia Bożego w Łagiewnikach.

Sercem całego założenia architektoniczno-urbanistycznego Centrum Jana Pawła II jest plac, wokół którego zlokalizowano najważniejsze budynki, w tym ośmioboczną świątynię – kościół pw. św. Jana Pawła II. Plac ten jest otwarty jedną stroną w kierunku Sanktuarium Miłosierdzia Bożego. Sanktuarium św. Jana Pawła II powstaje dzięki wysiłkowi i współpracy licznego zespołu osób, które od początku budowy pracują z wielkim poświęceniem i zaangażowaniem. Są to osoby duchowne i świeckie – księża, architekci, konstruktorzy, inżynierowie w różnych specjalnościach, a także setki osób z firm wykonawczych.

Fot. 2 Węzeł cieplny z pompami ciepła (fot. autora)

Moja przygoda z Centrum Jana Pawła II

Od początku 2010 r. w tej grupie mam przyjemność pracować i pełnić nieprzerwanie funkcję inspektora nadzoru inwestorskiego w specjalności instalacyjno-inżynieryjnej w zakresie sieci, instalacji i urządzeń cieplnych, wentylacyjnych, gazowych, wodociągowych i kanalizacyjnych. Do pracy na tej budowie skłoniło mnie przede wszystkim miejsce i charakter przedsięwzięcia oraz przyjęte rozwiązania techniczne źródła ciepła i chłodu oparte na wykorzystaniu pomp ciepła oraz układu kogeneracyjnego.

Mając doświadczenie w zakresie współpracy projektowej i nadzoru inwestorskiego z poprzednich, podobnych inwestycji, gdzie jako źródło ciepła do ogrzewania budynków i przygotowania ciepłej wody użytkowej zastosowano pompy ciepła o dużych mocach (w tym m.in.: klasztor Kamedułów w Krakowie, klasztor Karmelitów Bosych w Czernej, klasztor Norbertanek w Imbramowicach k. Skały, Zgromadzenie Sióstr Służek Najświętszej Maryi Panny Niepokalanej w Mariówce k. Przysuchy), na zaproszenie ks. prałata Jana Kabzińskiego, obecnie kustosza Sanktuarium św. Jana Pawła II, podjąłem się tej odpowiedzialnej funkcji.

Zakres robót budowlanych wykonanych w I etapie, dla których pełniłem nadzór inwestorski, obejmował wykonanie:

– kotłowni (węzła cieplnego z pompami ciepła o mocy grzewczej 553,2 kW przy parametrach B0/W50, czyli na wejściu solanka o temp. 0^oC, na wyjściu woda o temp. 50^oC);

– instalacji dolnego źródła ciepła w postaci kolektora gruntowego pionowego opartego na 56 odwiertach pionowych o głębokości 170,0 m każdy;

– instalacji jednostki kogeneracyjnej o mocy grzewczej 258,0 kW (przy parametrach medium grzewczego 90/70°C) z silnikiem spalinowym opalanym gazem ziemnym;

– wewnętrznych instalacji centralnego ogrzewania;

– wewnętrznych instalacji ciepła technologicznego;

– instalacji wentylacji mechanicznej;

– instalacji klimatyzacji;

– instalacji wody zimnej i kanalizacji, ciepłej wody użytkowej z cyrkulacją. Roboty realizowane były w latach

2010-2013 (zakończenie I etapu: 30 grudnia 2013 r).

Wieloletnia praca na tej budowie pozwala mi przedstawić garść informacji na temat zastosowania zaawansowanych technologii w zakresie produkcji ciepła i chłodu dla obiektów Centrum Jana Pawła II.

Dla I etapu przedsięwzięcia zastosowano węzeł cieplny z pompami ciepła z dodatkowym wykorzystaniem kogeneracji. Rozwiązanie to pozwoliło na wyeliminowanie innych konwencjonalnych (tradycyjnych) źródeł ciepła i racjonalizację kosztów eksploatacji obiektów. Pozwoliło również na całkowite wyeliminowanie emisji szkodliwych substancji do atmosfery, co ma szczególne znaczenie w Krakowie, znajdującym się w czołówce polskich miast, w których wielokrotnie przekroczone jest dopuszczalne zanieczyszczenie powietrza.

Fot. 3 Obiegi grzewcze i c.w.u. (fot. autora)

Pierwotna koncepcja projektowa

Zanim inwestor podjął decyzję o zastosowaniu OZE i kogeneracji, dla I etapu przedsięwzięcia obowiązywała pierwotna koncepcja instalacji opracowana przez branżowy zespół projektowy Pracowni Architektonicznej Mikulski z Krakowa. Jako źródło ciepła zaprojektowano wówczas kondensacyjną kotłownię gazową, natomiast jako źródło chłodu – agregaty wody lodowej, czyli rozwiązanie, które można nazwać klasycznym. W zakresie instalacji wewnętrznych zaprojektowano wentylację mechaniczną nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła, klimatyzację z wykorzystaniem podwieszonych klimakonwektorów wspomagających system centralnego chłodzenia i ogrzewania powietrznego oraz instalację ogrzewania z zastosowaniem, tam gdzie to było możliwe, niskoenergetycznego systemu ogrzewania powierzchniowego (ogrzewanie podłogowe) i grzejników płytowych.

Już na tym etapie zaprojektowano system BMS (Building Management System – do zarządzania systemami automatycznego sterowania w budynku) sprzężony ze źródłami ciepła i chłodu, optymalizujący pracę systemu z uwzględnieniem bieżącego zapotrzebowania na media oraz rzeczywistego ich wykorzystania w poszczególnych pomieszczeniach.

Ostateczna koncepcja projektowa

Już po rozpoczęciu budowy inwestor podjął decyzję o zastosowaniu pomp ciepła i jednostki kogeneracyjnej, tym bardziej, że na takie rozwiązanie można było pozyskać dofinansowanie ze środków unijnych z perspektywy finansowej 2007-2013 poprzez Urząd Marszałkowski w ramach Małopolskiego Regionalnego Programu Operacyjnego. Do przetargu przygotowano program funkcjonalno-użytkowy dla zamówienia: „Budowa źródła ciepła i chłodu dla I etapu Kompleksu Parkowo-Rekreacyjnego – Centrum Jana Pawła II «Nie lękajcie się!» w Krakowie z zastosowaniem pomp ciepła oraz układu kogeneracyjnego wraz z urządzeniami towarzyszącymi – projekt i wykonanie”.

W wyniku przeprowadzonego postępowania przetargowego wyłoniono wykonawcę, którym została krakowska firma VATRA S.A., znany producent pomp ciepła. Wykonawca zgodnie z warunkami przetargu przejął na siebie najpierw obowiązek zaprojektowania źródła ciepła i chłodu opartego na pompach ciepła i jednostce kogeneracyjnej, zaprojektowania dolnego źródła ciepła dla pomp ciepła oraz przeprojektowania instalacji wewnętrznych, które musiały być dostosowane do nowych warunków pracy. Przysporzyło to sporo kłopotów zespołowi projektowemu wykonawcy ze względu na trwające bez przerwy roboty budowlane i konieczność przygotowania zamiennych projektów instalacyjnych w krótkim terminie z uwagi na fakt wykonywania koniecznych (zanikających) części robót instalacyjnych. Dużym wyzwaniem projektowym był skomplikowany projekt węzła ciepła i chłodu ze względu na brak odpowiedniego pomieszczenia (na etapie pierwotnego projektu architektonicznego nie przewidziano go). Z trudem w tzw. pomieszczeniu technicznym zlokalizowanym na poziomie -1 między budynkami kościoła Instytutu udało się pomieścić cztery pompy ciepła, zbiorniki buforowe ciepła i chłodu, zasobnik c.w. u., wymienniki ciepła wraz z rurociągami, pompami cyrkulacyjnymi i armaturą, etc. Ponadto w tym pomieszczeniu zamontowano jedną z central wentylacyjnych, która taką lokalizację miała już w pierwotnym projekcie. Fot. 3 obrazuje stopień wykorzystania powierzchni (przestrzeni) pomieszczenia węzła cieplnego.

Fot. 4 Komunikacja technologiczna w węźle cieplnym (fot. autora)

Bilans ciepła i chłodu

Podstawą ustalenia wartości zapotrzebowania na ciepło i chłód dla budynków I etapu był bilans ciepła i chłodu oparty na obliczeniach cieplnych zawartych w projektach instalacji c.o., instalacji wentylacji mechanicznej i klimatyzacji oraz instalacji wodno-kanalizacyjnej (ciepła woda użytkowa). W „Projekcie wykonawczym węzła ciepła i chłodu na potrzeby klimatyzacji i ogrzewania” podano następujące wartości:

– zapotrzebowanie ciepła na centralne ogrzewanie – 166 kW (przy parametrach 40/32°C),

– zapotrzebowanie ciepła na ogrzewanie podłogowe – 117 kW (przy parametrach 35/27°C),

– zapotrzebowanie ciepła na ciepło technologiczne – 378 kW (przy parametrach 55/40°C),

– zapotrzebowanie ciepła na przygotowanie ciepłej wody użytkowej – 19 kW (przy parametrach 55/40°C),

– zapotrzebowanie na chłód do klimatyzacji – 498 kW (przy parametrach 8/13°C).

Łączne zapotrzebowanie na ciepło wraz z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej wynosi 680 kW.

Na poziomie 794 kW określono łączne zapotrzebowanie na ciepło z uwzględnieniem rozruchu instalacji ciepła technologicznego dla ogrzewania kościoła po okresie przestoju z obniżoną temperaturą zewnętrzną. Uwzględniając tak sformułowane potrzeby energetyczne, zaprojektowano i wykonano węzeł cieplny z czterema pompami ciepła „glikol-woda” współpracującymi z kolektorem gruntowym pionowym oraz zabudowano jednostkę kogeneracyjną z silnikiem spalinowym opalanym gazem ziemnym.

Dane charakterystyczne źródła ciepła i chłodu:

– moc grzewcza pomp ciepła – 553,2 kW (przy parametrach B0/W50),

– moc chłodnicza pomp ciepła – 530,8 kW (przy parametrach B10/W50),

– moc grzewcza jednostki kogeneracyjnej (silnik spalinowy opalany gazem ziemnym) – 258 kW (przy parametrach medium grzewczego 90/70°C),

– moc elektryczna jednostki kogeneracyjnej (silnik spalinowy opalany gazem ziemnym) – 180 kW.

Łączna moc grzewcza (szczytowa) zaprojektowanych urządzeń grzewczych wynosi 811,2 kW.

Funkcjonowanie systemu

Pompy ciepła dostarczają ciepło w sezonie grzewczym oraz chłód w okresie letnim. Zaprojektowany i wykonany system pozwala na jednoczesne wytwarzanie ciepła i chłodu. System kogeneracyjny dostarcza natomiast energię elektryczną do napędu pomp ciepła oraz ciepło odpadowe do zasilania systemu grzewczego.

Energia elektryczna z kogeneratora jest wykorzystywana do napędu pomp ciepła z możliwością częściowego zasilania wewnętrznych instalacji elektrycznych. Układ kogeneratora umożliwia również oddawanie nadmiaru energii elektrycznej do systemu elektroenergetycznego (inwestor posiada umowę koncesyjną na wytwarzanie energii elektrycznej). Zgodnie z przyjętymi na etapie projektu założeniami agregat kogeneracyjny jest podstawowym źródłem ciepła dla instalacji ciepła technologicznego, a wspomagającym źródłem ciepła są pompy ciepła. Natomiast podstawowym źródłem ciepła dla instalacji centralnego ogrzewania, w tym ogrzewania podłogowego, są pompy ciepła, a źródłem wspomagającym jest jednostka kogeneracyjna. W okresie grzewczym, w przypadku wystąpienia nadwyżek ciepła z kogeneracji, pompy ciepła „redukują” swoją moc, uzupełniając ciepło do momentu wystąpienia deficytu ciepła w zbiornikach buforowych. Redukcja mocy polega na wyłączeniu kolejnych pomp ciepła.

Zgodnie z projektem w okresie letnim następuje zrzut nadwyżek ciepła do wymiennika gruntowego pionowego (regeneracja dolnego źródła ciepła), a w przypadku występowania nadwyżek, których nie można odprowadzić do wymiennika gruntowego pionowego, zaprojektowano zrzut ciepła do powietrza atmosferycznego przez wentylatorowe chłodnice zrzutowe.

Realizacja projektu – kolektor gruntowy pionowy

Realizacja projektu pn. „Budowa źródła ciepła z zastosowaniem pomp ciepła i układu kogeneracji wraz z urządzeniami towarzyszącymi dla Centrum Jana Pawła II w Krakowie – I Etap” prowadzona była w okresie czerwiec 2010 r. – grudzień 2013 r. W tym zakresie był on częściowo dofinansowany ze środków unijnych w ramach Małopolskiego Regionalnego Programu Operacyjnego przez Urząd Marszałkowski Województwa Małopolskiego.

W pierwszej kolejności rozpoczęto roboty związane z tzw. dolnym źródłem ciepła dla pomp ciepła. Zanim przystąpiono do właściwych robót na terenie budowy, w maju 2010 r. wykonano dwa otwory wiertnicze oznaczone roboczo jako P-1 i P-2 w celu przeprowadzenia testów reakcji termicznej. Badania te zostały przeprowadzone na przełomie czerwca i lipca 2010 r. przez pracowników Wydziału Wiertnictwa, Nafty i Gazu Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie. Celem badań było określenie dla otworowych wymienników ciepła P-1 (z pojedynczą U-rurką) i P-2 (z podwójną U-rurką) takich parametrów, jak: efektywny współczynnik przewodzenia ciepła, oporność cieplna wymiennika otworowego, profil termiczny górotworu, średnia temperatura statyczna górotworu, parametry hydrauliczne cyrkulacji nośnika ciepła.

Wyniki i interpretacja badań zostały zaprezentowane w opracowaniu „Interpretacja testów reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła w Krakowie-Łagiewnikach, Centrum Jana Pawła II Nie lękajcie się” Kraków, 30 lipca 2010 r. Posłużyły do przyjęcia ostatecznych założeń projektowych dla kolektora gruntowego pionowego (pionowego wymiennika gruntowego).

Dla każdej z czterech pomp ciepła wykonano po 14 odwiertów o średniej głębokości 170,0 m (maksymalna głębokość 180 m), razem 56 odwiertów o łącznej głębokości 9520 m.

Konstrukcję pionowego wymiennika gruntowego stanowią sondy wykonane z rur PE – 40×3,7 PN16.

Rury umieszczone w otworach zostały połączone odcinkami poziomymi z rur PE z rozdzielaczami w czterech prefabrykowanych komorach rozdzielczych. Z komór rozdzielczych do pomieszczenia węzła cieplnego poprowadzono zbiorcze przewody z rur PE i rur PE preizolowanych. Czynnikiem roboczym wypełniającym pionowy wymiennik gruntowy jest 33-procentowy wodny roztwór glikolu monopropylenowego, który jest obojętny dla środowiska, nie jest substancją niebezpieczną i łatwo ulega biodegradacji w środowisku wodnym.

W trakcie robót na bieżąco kontrolowano szczelność sond pionowych, ich drożność i losowo głębokość za pomocą specjalistycznego przyrządu pomiarowego. Ponadto w trakcie robót prowadzono inwentaryzacyjne pomiary geodezyjne.

Roboty związane z kolektorem gruntowym pionowym trwały do stycznia 2012 r.

Obecnie na budowie Sanktuarium św. Jana Pawła II realizowany jest II etap inwestycji obejmujący budowę budynku muzeum (część ekspozycyjna), w którym trwają intensywne prace stanu wykończeniowego. Dla tego budynku źródłem ciepła i chłodu będzie także węzeł cieplny ciepła i chłodu z pompami ciepła i kolektorem gruntowym pionowym, który wykonany został na przełomie lat 2015 i 2016. Tym razem wykonano 80 odwiertów o średniej głębokości 156 m (łączna głębokość 12 480 m). Montaż technologii węzła cieplnego wyposażonego w pięć pomp ciepła o mocy grzewczej 784,1 kW (przy parametrach B0/W50) rozpoczęto w listopadzie 2016 r. Jeszcze w grudniu 2016 r., tuż przed nadejściem dni z bardzo niskimi temperaturami zewnętrznymi sięgającymi -24°C, uruchomiono dwie pompy ciepła i rozpoczęto ogrzewanie technologiczne budynku, wykorzystując instalacje ogrzewania podłogowego i grzejnikowego. Tym razem pompy ciepła od razu po uruchomieniu przeszły pozytywnie chrzest bojowy i podobnie jak dla budynków I etapu zdały egzamin mimo ekstremalnych warunków atmosferycznych.

Podstawowe dane projektu

Inwestor: Centrum Jana Pawła II „Nie lękajcie się!”, Kraków

Projekt i wykonawca: VATRA S.A. Zabierzów k. Krakowa

Kierownik budowy: Andrzej Mirek

Inspektor nadzoru: Jerzy Korkowski