___________________________________________________________________________
Projektowanie wysokowydajnych, trigeneracyjnych
systemów klimatyzacji centralnej kopalń KGHM
Sławomir CYGAN
1), Sławomir FABICH
1), Adam LUDWIG
1)1) KGHM CUPRUM Sp. z o.o. – Centrum Badawczo-Rozwojowe, Wrocław e-mail: s.cygan@cuprum.wroc.pl
Streszczenie
W artykule przedstawiono rozwiązania techniczne i projektowe, zastosowane w zaprojekto-wanym w nowo powstałym w KGHM CUPRUM Zakładzie Budownictwa Przemysłowego i Badań Materiałowych trigeneracyjnym systemie przygotowywania wody lodowej do celów chłodniczych powietrza kopalnianego, bazującym na skojarzonej produkcji energii elektrycz-nej, chłodu i ciepła podczas spalania paliwa gazowego w silnikach gazowych. Drugim istot-nym poruszoistot-nym tu elementem jest ewolucja procesu projektowania obiektów o wysokim stopniu skomplikowania, ze zwróceniem szczególnej uwagi na nowoczesne narzędzia projek-towe, umożliwiające proces projektowania w technologii BIM (Building Information Modeling), w wirtualnej rzeczywistości.
Słowa kluczowe: klimatyzacja centralna kopalń, trigeneracja, wirtualna rzeczywistość, no-woczesne metody projektowe
Design of highly efficient, trigenerative central air-conditioning
systems for KGHM’s mines on the example of the Surface
Air-conditioning Station at the GG-1 shaft
Abstract
The paper presents technical and design solutions applied in the KGHM CUPRUM's Under-ground Construction Engineering and Material Testing Department. Those methods were used for the trigeneration system of chilled water preparation for cooling purposes of mine air based on the combined production of electricity, cold and heat during the combustion of gaseous fuel in gas engines. The second important element raised in this paper is the evolu-tion of the process of designing objects with a high degree of complexity, paying special attention to modern design tools enabling the design process in BIM (Building Information Modeling) technology in virtual reality.
Key words: central air conditioning of mines, trigeneration, virtual reality, modern design methods
Wstęp
W ramach zatwierdzonego przez Zarząd KGHM Polska Miedź S.A. w październiku 2015 r. „Programu udostępnienia złoża”, będącego kontynuacją realizowanego od 2011 r. „Programu Głogów Głęboki-Przemysłowy (GGP)”, przewidziano do realizacji kilka grup projektów. Wśród nich znalazły się te, których celem jest schładzanie powietrza na stanowiskach pracy w wyrobiskach górniczych, tak by zapewnić tam utrzymanie właściwych parametrów klimatycznych, umożliwiając tym samym wyko-nywanie robót górniczych w warunkach zgodnych z obowiązującymi przepisami. Warto w tym miejscu nadmienić, że udostępnianie i eksploatacja złoża rudy miedzi w obszarze górniczym GGP, zalegającego na głębokości poniżej 1200 m, wymaga prowadzenia robót górniczych w ośrodku skalnym, którego temperatura pierwotna przekracza 45 °C. Środowisko to z uwagi na wymagania art. 117 i art. 118 ustawy Prawo geologiczne i górnicze [7] wymusza konieczność zastosowania rozwiązań technicznych, umożliwiających pracę ludzi w warunkach zagrożenia klimatycznego.
Jako najefektywniejszą w istniejących warunkach geologiczno-górniczych obsza-ru górniczego Głogów Głęboki-Przemysłowy uznano technologię schładzania powie-trza na wybranych stanowiskach pracy w wyrobiskach górniczych za pomocą punk-tów klimatyzacyjnych, lokowanych w bezpośrednim sąsiedztwie wykonywanych robót. Do punktów tych jako czynnik chłodzący doprowadzana jest woda o tempera-turze poniżej +4 °C. Ze względów technicznych (zapotrzebowanie mocy elektrycz-nej, ilość oddawanej energii do otoczenia itp.) przyjęto w KGHM Polska Miedź S.A. wytwarzanie chłodu na powierzchni w obiektach powierzchniowych stacji klimatyza-cyjnych (PSK). Aktualnie w spółce tej pracują trzy powierzchniowe stacje klimatyza-cyjne, zlokalizowane przy szybach R-IX, R-XI oraz SG-1.
1. Trigeneracja w istniejących systemach klimatyzacyjnych kopalń
W trakcie rozbudowy systemów klimatyzacji centralnej kopalń KGHM Polska Miedź S.A. podjęto szereg działań, mających na celu podwyższenie sprawności energetycznej produkcji chłodu, wpływających bezpośrednio na obniżenie kosztów jego wytwarzania. Wykorzystanie jako podstawowego źródła energii dla produkcji chłodu energii elektrycznej pobieranej z zewnętrznych systemów jej dystrybucji czy-niło układ mało ekonomicznym. Z tego też względu przy projektowaniu obiektu PSK na terenie placu szybowego R-XI zaproponowano nowatorskie rozwiązanie, zakła-dające zastosowanie energetycznych układów wysoko skojarzonych, w tym przy-padku tzw. trigeneracji, z silnikami gazowymi, sprzężonymi z generatorami prądo-twórczymi. Energia elektryczna z generatorów zasila odbiory własne PSK i inne odbiory energii elektrycznej w rejonie szybu R-XI, zaś ciepło, odzyskiwane ze spala-nia paliwa gazowego, wykorzystywane jest do produkcji chłodu w agregatach ab-sorpcyjnych.Zespolenie w układach technologicznych PSK układu kogeneracyjnego z układem free coolingu dało możliwość jednoczesnej produkcji trzech wspomnia-nych wyżej rodzajów energii. Zastosowanie technologii trigeneracji pozwoliło na osiągnięcie przez stację PSK przy szybie R-XI maksymalnego poziomu mocy chłod-niczej 25 MW przy współczynniku EER (ang. Energy Efficiency Ratio) powyżej 7 (z 1 MW energii elektrycznej wytworzono powyżej 7 MW mocy cieplnej). Ponadto, dzięki produkcji energii elektrycznej z własnego źródła, istotnie zmniejszono ilość energii elektrycznej, pobieranej z zewnętrznych sieci operatorów krajowych.
2. Charakterystyka systemu klimatyzacji centralnej
przy szybie GG-1
Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na chłód dla wyrobisk górniczych KGHM Polska Miedź S.A. podjął decyzję o konieczności budowy kolejnych obiektów systemów klimatyzacji centralnej. W 2017 r. firma KGHM CUPRUM Sp. z o.o. – Centrum Badawczo-Rozwojowe rozpoczęła prace projektowe nad opracowaniem dokumen-tacji technicznej obiektu powierzchniowej sdokumen-tacji klimatyzacyjnej (PSK), zlokalizowa-nej na placu szybowym obecnie głębionego szybu GG-1, oraz systemu przesyłu wody lodowej (SPWL) do układów odbioru chłodu w wyrobiskach górniczych. Oba projekty, aczkolwiek powiązane ze sobą technologicznie, stanowią odrębne przed-sięwzięcie projektowe, z których pierwszy (PSK) realizowany jest w Zakładzie Bu-downictwa Przemysłowego i Badań Materiałowych (NPB), zaś drugi (SPWL) w Zakładzie Inżynierii Mechanicznej i Elektrycznej (NME).
Istotnym rozwinięciem wymagań technologicznych pracy stacji PSK względem układu zrealizowanego przy szybie R-XI był wzrost wymaganej mocy chłodniczej stacji o 5 MW produkcji chłodu (do 30 MW), z jednoczesną produkcją ciepła o mak-symalnej mocy 23 MW, z przeznaczeniem dla funkcji grzewczej obiektów placu szybowego GG-1 (woda kąpielowa dla górników, ogrzewanie pomieszczeń), jak również, ogrzania zimą powietrza wlotowego do szybu w planowanej ilości około 42 tys. m3/min. Dla wymienionych powyżej założeń określono wymagane zdolności produkcyjne projektowanego przedsięwzięcia, produkcję energii oraz parametry dla obiegu wody lodowej, wynoszące:
produkcja energii elektrycznej:
moc 8,8 MW; produkcja do 20,6 GWh/rok; produkcja chłodu:
nominalna moc chłodnicza: 30 MW, produkcja do 263 GWh/rok;
wydajność przepływu wody lodowej: od 200 m3
/h do 1200 m3/h przy ciśnieniu dyspozycyjnym do 25 bar. Zapewnienie możliwości skierowania do jednego podajnika trójkomorowego wody lodowej w ilości do 800 m3
/h;
temperatura wody lodowej na wyjściu z PSK 1,5 ºC;
temperatura wody lodowej powrotnej 23,0 ºC; produkcja ciepła:
maksymalna moc grzewcza 23 MW; produkcja do 71,5 GWh/rok.
Energooszczędność układu produkcji chłodu i ciepła zapewniona będzie przez odzysk ciepła w ilości około 8 MW ze spalania paliwa gazowego w silnikach genera-torów prądotwórczych, około 12 MW z free coolingu oraz wykorzystanie układu pomp ciepła dla odzysku ciepła z wody lodowej powrotnej.
Na początku roku 2018 w Zakładzie NPB opracowano projekt koncepcyjny PSK. Zaproponowane w nim rozwiązania technologiczne zostały poddane niezależnej ocenie zewnętrznej jednostki naukowo-badawczej. Opracowana na Wydziale Insta-lacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej opinia [4] potwierdziła innowacyjność i poprawności zaproponowanych rozwiązań. Zaproponowany i oszacowany przez opiniodawcę wskaźnik efektywności energe-tycznej układu SEER (ang. Seasonal Energy Efficiency Ratio), zdefiniowany jako stosunek efektu, tj. ilości wytworzonego chłodu, ciepła i energii elektrycznej do na-kładu, tj. ilości energii dostarczanej z paliwem gazowym wyniesie ok. 2,48, co od-powiada wskaźnikowi EER na poziomie ok. 6,0. Oszczędność zużycia energii, do-starczanej do instalacji w paliwie gazowym, dzięki zastosowaniu układu trójgenera-cyjnego oszacowano na poziomie ok. 198 000 MWh/rok.
3. Systemy technologiczne obiektu PSK przy szybie GG-1
W celu realizacji założeń inwestora zaprojektowano instalację (rys. 1), w skład której wchodzą następujące systemy technologiczne: system przygotowania wody lodowej, obejmujący: I stopień chłodzenia,
II stopień chłodzenia, free cooling,
system przesyłu wody lodowej do komory startowej SPWL,
system obiegu wody chłodzącej urządzenia chłodnicze,
system obiegu wody gorącej z układu kogeneracji, zasilający agregaty absorp-cyjne lub przekazujący ciepło do układu wody grzewczej,
system obiegu wody grzewczej,
system kondycjonowania wody w systemach jw.Rys. 1. Uproszczony schemat technologiczny PSK przy szybie GG-1
3.1. System przygotowania wody lodowej
Układ przygotowania wody lodowej będzie się składał z 16 urządzeń chłodniczych, zainstalowanych na dwóch stopniach chłodzenia, po sześć bloków chłodniczych, pracujących w układzie równoległym na każdym ze stopni, zaś projektowany prze-pływ wody lodowej przez każdy blok chłodniczy będzie wynosił 200 m3
/h.
Pierwszy stopień chłodzenia ma za zadanie wstępne schładzanie wody lodowej powracającej z wyrobisk górniczych do PSK z temperatury 23 °C do temperatury 12 °C oraz wytwarzanie wody grzewczej na potrzeby obiektów placu szybowego GG-1. Wykorzystywane będą do tego celu dwa agregaty absorpcyjne i osiem agre-gatów sprężarkowych śrubowych (cztery bloki po 2 szt. w każdym) oraz układ free
coolingu. Napędzane silnikami elektrycznymi agregaty sprężarkowe pierwszego stopnia chłodzenia pracować będą w układzie pomp ciepła, dając możliwość pracy w trybie grzania, co w przypadku zapotrzebowania na ciepło umożliwi jego odzysk z wody lodowej i produkcję wody grzewczej o parametrach 40/60 °C, jak również w trybie chłodzenia, w przypadku mniejszego zapotrzebowania na ciepło. General-nie liczba pracujących urządzeń chłodniczych I stopnia zależna będzie od przepływu wody lodowej przez podajniki trójkomorowe oraz temperatury wody lodowej napły-wającej na II stopień chłodzenia. Woda gorąca dla zasilania agregatów absorpcyj-nych będzie dostarczana z systemu chłodzenia układu kogeneracyjnego (system obiegu wody gorącej), opartego na silnikach gazowych, zasilanych gazem ziemnym. Sześć bloków chłodniczych drugiego stopnia chłodzenia oparto na napędzanych silnikami elektrycznymi sprężarkach odśrodkowych, których zadaniem będzie obni-żenie temperatury wody lodowej do około 1,5 °C.
Ciepło ze skraplaczy wszystkich urządzeń chłodniczych będzie odbierane przez system obiegu wody chłodzącej i oddawane do otoczenia w zespole dziesięciu otwartych wież chłodniczych, zlokalizowanych na zewnątrz projektowanego budynku PSK. Ich zadaniem jest obniżenie temperatury wody, wychodzącej ze skraplaczy agregatów do 26 o
C w okresie letnim. W okresie zimowym temperatura uzyskiwana na wieżach może być znacząco niższa, wpływając w ten sposób na zwiększenie efektywności wytwarzania energii chłodniczej w agregatach chłodniczych. W okre-sach niższych temperatur zewnętrznych woda chłodząca wykorzystywana będzie również dla free coolingu.
Mając na względzie aktualnie obowiązujące w ustawodawstwie europejskim przepisy, określające wymagania w zakresie ograniczania emisji gazów cieplarnia-nych [3], jak również powiązane z nim ustawodawstwo krajowe [2, 5], nakładające obowiązek odejścia po roku 2020 od wykorzystywania w urządzeniach chłodniczych czynnika R-134a, dla potrzeb projektowanej stacji PSK dobrane zostały agregaty sprężarkowe, wykorzystujące czynniki chłodnicze R1234ze oraz R1233zd z grupy HFO o zerowym potencjale niszczenia warstwy ozonowej ODP (Ozone Depletion
Potential) i niskim, równym jedności potencjale tworzenia efektu cieplarnianego
GWP (Global Warming Potential). Agregaty absorpcyjne pracować będą na wodnym roztworze bromku litu.
W celu zwiększenia efektywności produkcji chłodu i ciepła stacji, w projekcie za-proponowany został układ free coolingu o mocy 12 MW, oparty na wymiennikach płytowych, zainstalowanych na pierwszym stopniu chłodzenia, pomiędzy systemem wody lodowej a systemem wody chłodzącej. Ma on na celu wstępne schłodzenie wody powracającej z instalacji chłodzenia wyrobisk górniczych, w sytuacji gdy różni-ca temperatur wody chłodzącej i wody lodowej powrotnej pozwolą osiągnąć osz-czędności energetyczne. Układ ten ma również za zadanie przejąć funkcję chłodni-czą agregatów absorpcyjnych przy temperaturze zewnętrznej poniżej 12 o
C, kiedy to dla zapewnienia wymaganego zapotrzebowania energii cieplnej dla ogrzewania powietrza wlotowego do szybu przekierowana zostanie energia cieplna układu wody gorącej (z układów kogeneracyjnych), z agregatów absorpcyjnych na potrzeby ukła-du wody grzewczej obiektów placu GG-1. Rozwiązanie to umożliwi podniesienie parametrów wody grzewczej do wartości 40/72 °C.
3.2. System przesyłu wody lodowej do wyrobisk górniczych
Ruch wody lodowej w systemie przesyłu wody lodowej (SPWL) do wyrobisk górni-czych wymusza zespół pompowy o nominalnej wydajności 1200 m3/h, przy ciśnieniu
wynoszącym około 25 bar.
Woda podawana jest w pierwszej kolejności kolektorem do budynku komory star-towej, a następnie wprowadzana do rurociągu tworzącego system przesyłu wody lodowej (SPWL). W jego skład wchodzi sieć rurociągów przesyłowych wody lodowej i wody powrotnej na powierzchni oraz rurociągi w otworach wiertniczych, łączące powierzchnię z wyrobiskami kopalni. Nominalna wydajność zespołu pomp obiego-wych układu wody lodowej ma zapewnić zasilanie dwóch, zabudowanych w komo-rach, w części podziemnej kopalni podajników trójkomorowych, każdy o wydajności 800 m3/h. Obieg wyposażony zostanie również w układ filtracji na rurociągu powrot-nym wody lodowej na wejściu do stacji PSK i w układ stabilizacji ciśnienia, uzdatnia-nia wody i uzupełuzdatnia-niauzdatnia-nia zładu, zlokalizowany przed głównymi pompami obiegowymi.
3.3. System obiegu wody chłodzącej urządzenia chłodnicze
Głównym zadaniem obiegu technologicznego wody chłodzącej jest odbieranie i zrzut do otoczenia ciepła ze skraplaczy pracujących urządzeń chłodniczych stacji. Dodatkowo przewiduje się wykorzystanie obiegu wody chłodzącej do schładzania w wymiennikach układu free coolingu wody lodowej powrotnej. Dla spełnienia obu ww. zadań zaproponowano układ obiegowy, w skład którego wchodzi 10 otwartych chłodni wentylatorowych, zdolnych odprowadzić do otoczenia do 50,5 MW energii cieplnej. Obieg wody chłodzącej w systemie wymusza zespół pompowy o nominal-nej wydajności 7200 m3/h, składający się z trzech pomp.
Przewiduje się, że chłodnie wentylatorowe przy swojej funkcji energetycznej bę-dą odprowadzały do otoczenia maksymalnie do 75 m3
/h wody z obiegu wody chło-dzącej poprzez jej odparowanie. Oprócz tego, z systemu będzie zrzucana do kanali-zacji deszczowo-przemysłowej woda w ilości 25 m3
/h, dla potrzeb odsalania obiegu. Konieczność uzupełniania tego systemu wodą jest głównym źródłem zapotrzebowa-nia na wodę technologiczną stacji.
3.4. System obiegu wody gorącej
System obiegu wody gorącej stanowi zamknięty obieg wodny, odbierający ciepło odpadowe z bloków silników gazowych oraz ze spalin. Ciepło to, w ilości około 8,38 MW, zależnie od trybu pracy stacji, kierowane będzie do zasilania absorberów dwóch agregatów absorpcyjnych pierwszego stopnia chłodzenia systemu przygoto-wania wody lodowej lub wymienników płytowych dla potrzeb grzewczych placu GG-1, w zależności od potrzeb stacji, wymuszonych bilansem energetycznym w zakresie zapotrzebowania na chłód i ciepło.
Obieg wody gorącej w systemie wymusza zespół pompowy o nominalnej wydaj-ności 300 m3/h, składający się z dwóch pomp.
3.5. System wody grzewczej
Zadaniem tego systemu będzie przejęcie ciepła ze skraplaczy pomp ciepła, pracują-cych na pierwszym stopniu chłodzenia systemu przygotowania wody lodowej oraz z wymienników płytowych systemu obiegu wody gorącej i skierowanie go do celów grzewczych obiektów placu szybowego GG-1. Ciepło z instalacji wody gorącej ukła-du kogeneracji przekazywane będzie do systemu wody grzewczej tylko w sytuacji, gdy praca układu free coolingu doprowadzi do odciążenia agregatów absorpcyjnych, a co za tym idzie, nie będą one wykorzystywały wody gorącej w ogóle lub jedynie w ograniczonym zakresie. Wraz ze spadkiem zapotrzebowania na energię grzewczą poszczególne pompy ciepła będą oddawały niewykorzystany nadmiar ciepła do systemu obiegu wody chłodzącej, a następnie będą przestawiane w tryb chłodzenia, a ciepło skraplania będzie w całości oddawane do tego systemu.
3.6. System kondycjonowania wody
Na potrzeby właściwego przygotowania i uzupełniania wody poszczególnych syste-mów technologicznych zaprojektowany został system uzdatniania, oparty na techno-logii odwróconej osmozy. Układ umożliwia przygotowanie wody osmotycznej (zde-mineralizowanej) w ilości do 130 m3/h, która następnie dla potrzeb poszczególnych
systemów poddawana jest procesom dedykowanej korekty chemicznej. Sprawność przemiany wody osmotycznej w stosunku do ilości wody surowej dostarczanej na wejściu na stację odwróconej osmozy wyniesie 75%.
W skład układu przygotowania wody osmotycznej wchodzą:
instalacja filtracji multimedialnej – o wydajności łącznej 150 m3
/h,
zbiornik magazynowy wody przefiltrowanej – o pojemności roboczej 30 m3
,
instalacja systemu odwróconej osmozy – o wydajności łącznej 108 m3
/h,
instalacji demineralizacji koncentratu – o wydajności 18 m3
/h,
zbiorniki magazynowe wody zdemineralizowanej – o poj. roboczej 2 x 25 m3
,
zbiornik magazynowy koncentratu – o pojemności roboczej 10 m3
,
instalacja dystrybucji wody osmotycznej – o wydajności łącznej 130 m3
/h. Woda zdemineralizowana, uzupełniana w niewielkiej części wodą surową, po-przez zestawy pompowe instalacji dystrybucji zostanie rozdzielona i wprowadzona na poszczególne układy, zgodnie z ich zapotrzebowaniem w następujących ilo-ściach:
system obiegu chłodniczego – do 90 m3
/h,
system obiegu wody lodowej – do 35 m3
/h,
system obiegu wody gorącej – do 5 m3
/h.
Za utrzymanie właściwych parametrów wody w poszczególnych systemach obie-gów technologicznych odpowiedzialne będą dedykowane układy korekty chemicznej jej składu, zabudowane za punktami wpięcia wody osmotycznej.
4.
Układ funkcjonalny obiektów placu PSK
Scharakteryzowany powyżej układ technologiczny obiektu PSK wymagał zaprojek-towania odpowiednich obiektów dla jego zabudowy w obrębie wydzielonego na te-renie placu GG-1 obszaru. Wzajemna lokalizacja obiektów oparta została na
współ-zależnościach technologiczno-funkcjonalnych całego systemu klimatyzacyjnego, jak również wymogi środowiskowe [2] w zakresie poziomów emisji hałasu.
W skład przedsięwzięcia weszły następujące obiekty (rys. 2):
budynek zespołu chłodniczego,
budynek zespołu energetyczno-socjalnego,
zespół kogeneracyjny w zabudowie kontenerowej,
budynek komory startowej z pomieszczeniem magazynowym,
zespół wież chłodniczych wyparnych,
pompownia wody pitnej ze zbiornikiem buforowym (poza zakresem rys. 2),
obiekty towarzyszące – wiata na odpady, konstrukcje inżynierskie.
Rys. 2. Zagospodarowanie terenu placu powierzchniowej stacji klimatyzacyjnej
4.1. Uwarunkowania środowiskowe
Istotnymi czynnikami determinującymi rozwiązania projektowe w zakresie doboru urządzeń, sposobu rozmieszczenia budynków na placu oraz układu urządzeń w obiektach były wymagania ustawy Prawo ochrony środowiska [6] oraz przepisy pokrewne [2], określające normy poziomów hałasu w środowisku.
Z uwagi na bliskie sąsiedztwo terenów zamieszkanych, przynależnych miejsco-wości Kwielice, położonych na południe oraz południowy wschód od terenu placu i innych terenów chronionych (rys. 3), przyjęto, że główne, zewnętrzne emitery hałasu do otoczenia (wieże chłodnicze, układ wentylacji zespołu chłodniczego) zlokalizo-wane zostaną w północno-zachodniej części zagospodarowyzlokalizo-wanego placu szybo-wego. Układ ten ma zapewnić wykorzystanie bariery dźwiękochłonnej, utworzonej poprzez budynki kubaturowe placu GG-1, ograniczające na newralgicznych kierun-kach generowany poziom hałasu, wynikający z pracy urządzeń stacji. Zastosowanie powyższej zasady skutkowało usytuowaniem wież chłodniczych w północno-zachodniej części terenu wyznaczonego dla PSK oraz hali zespołu chłodniczego w jego części zachodniej i centralnej (rys. 2).
W konstrukcji zewnętrznej budynku zespołu chłodniczego i energetyczno-socjalnego zastosowano attyki, ograniczające bezpośrednią ekspozycję terenów chronionych na źródła hałasu zlokalizowane na dachach obiektów, którymi są urzą-dzenia systemu wentylacji i klimatyzacji tych budynków.
Wymagania akustyczne ujęto również w rozwiązaniach układu funkcjonalnego wnętrza hali chłodniczej oraz w rozwiązaniach materiałowych jej konstrukcji. Głów-nymi emiterami hałasu w hali będą zespoły głównych pomp obiegów technologicz-nych. Urządzenia te zaprojektowano w północno zachodniej części hali, w prze-strzeni zdefiniowanej jako obszar urządzeń pomocniczych (rys. 4).
Dodatkowym rozwiązaniem, przyjętym dla ograniczenia emisji hałasu z wnętrza hali, było wykorzystanie w formie ekranu akustycznego budynku zespołu energe-tyczno-socjalnego, zlokalizowanego jako bezpośrednio przylegający od strony połu-dniowej do budynku hali.
Rys. 3. Obszary chronione na tle wyników modelowania równoważnego poziomu hałasu dla pory dnia i nocy (źródło [1])
Budynek hali zaprojektowano w obudowie płyt warstwowych, z rdzeniem z wełny mineralnej, wykończonych od strony wewnętrznej blachą perforowaną dla podwyż-szenia właściwości izolacyjności akustycznej przegrody. Analogiczne rozwiązanie zastosowano w konstrukcji dachu.
We wschodniej przestrzeni placu zlokalizowano dwa układy kogeneracyjne w zabudowie kontenerowej. Sposób zabudowy stanowi rozwiązanie producenckie dostawcy technologii, zapewniające wymagany stopień ograniczeń w emisji hałasu.
Wymagana wysokość konstrukcji kominów układów kogeneracyjnych określona została w oparciu o analizę skumulowanego wpływu produktów spalania paliwa gazowego na stan czystości powietrza, metodą modelowania poziomów substancji w powietrzu.
Dla tak projektowanej inwestycji dokonano analizy sumarycznych poziomów ha-łasu generowanych przez układ, opartej na modelowaniu przestrzennym. Analiza ta (rys. 3) posłużyła do określenia szczegółowych wymagań akustycznych względem dobieranych urządzeń technologicznych.
Dla całości przedsięwzięcia opracowana została karta informacyjna [1], której istotnymi elementami była rozszerzona analiza jego wpływu na środowisko. Stano-wiła ona podstawę do wydania przez właściwy organ administracji publicznej decyzji środowiskowej dla inwestycji.
4.2. Zagospodarowanie placu
Zagospodarowanie obiektów na placu oparto na obwodowym układzie komunikacyj-nym, dając możliwość dojazdu do poszczególnych obiektów z każdej ich strony. Dostęp na teren placu możliwy będzie poprzez dwa niezależne wjazdy, jeden od strony terenu placu szybowego GG-1, drugi – od zewnętrznej drogi obwodowej. Rozwiązania te zapewniają spełnienie wymagań ochrony przeciwpożarowej budyn-ków.
Główny obiekt technologiczny stacji PSK, dedykowany zabudowie urządzeń przygotowania i produkcji wody lodowej i grzewczej, zlokalizowano w zachodniej i centralnej części placu. Jest o jednokondygnacyjna hala o konstrukcji stalowej i wymiarach 73x36 m i wysokości 11 m. Wnętrze hali podzielono na strefy funkcjo-nalne (rys. 4). Wymienić tu należy dwa obszary związane z produkcją chłodu, ujmu-jące dwa stopnie chłodzenia wody lodowej – obszar stacji uzdatniania wody dla wszystkich obiegów technologicznych i przestrzeń dla urządzeń pomocniczych, w zakresie których znajdują się układy stabilizacji ciśnień, układy pomp obiegowych oraz wymienniki płytowe. W hali zaprojektowano również antresolę techniczną, przeznaczoną do zabudowy układów sterowania urządzeń i pomp. Konstrukcja czę-ści czę-ścian bocznych hali umożliwia ich demontaż w celu wyprowadzenia głównych urządzeń chłodniczych, w sytuacji wystąpienia awarii wymuszającej ich wymianę.
Wyjścia układów technologicznych obiegu wody lodowej i chłodzącej z budynku hali zlokalizowano w jej północno-zachodniej części. Układ rurowy obiegu wody chłodzącej, łączący budynek z zespołem wież chłodniczych, wyprowadzono na wy-sokości zapewniającej możliwość prowadzenia ruchu kołowego wokół budynku. Rurociągi wody lodowej, biegnące od budynku hali do budynku komory startowej, wyprowadzono pod powierzchnią terenu.
Obiekt komory startowej, pełniący w poziomie piwnicznym funkcję przyłącza ru-rociągów wody lodowej stacji PSK do systemu jej przesyłu (SPWL) do wyrobisk dołowych, zabudowano w części naziemnej pomieszczeniami magazynowymi, z bezpośrednim dostępem dla pojazdów obsługowych z poziomu placu.
Połączenie rurowe układu wody gorącej, od kogeneracji do hali, zaprojektowano jako podziemne, z wejściem do hali w jej południowo-wschodnim narożu. Tam też przewidziano do zabudowy dwa agregaty absorpcyjne, wchodzące w skład urzą-dzeń pierwszego stopnia chłodzenia wody lodowej.
Budynek hali pozostaje w bezpośrednim połączeniu funkcjonalnym i technolo-gicznym z budynkiem zespołu energetyczno-socjalnego, dlatego oba obiekty zapro-jektowano jako przylegające.
Budynek energetyczno-socjalny zaprojektowano jako dwukondygnacyjny, wyko-nany w konstrukcji żelbetowo-murowanej. W obiekcie przewidziano kompleks po-mieszczeń dla urządzeń zasilających układy technologiczne stacji (2 sekcyjna roz-dzielnia SN, komory transformatorowe, rozdzielnie nn, rozroz-dzielnia potrzeb własnych, akumulatorownia) oraz grupę pomieszczeń przeznaczonych dla pracowników ob-sługi (warsztaty, magazyny, sterownia, węzeł socjalno-sanitarny).
Na terenie placu zlokalizowano również wiatę magazynową odpadów, niepełniącą funkcji technologicznych PSK. Wydzielono również rezerwę terenu, przeznaczoną pod przyszłą rozbudowę układu technologicznego stacji o 5 MW produkcji chłodu.
5.
Wykorzystanie nowoczesnych systemów wspomagania
prac projektowych
Realizacja tak wysoce skomplikowanego przedsięwzięcia inwestycyjnego pociąga za sobą konieczność rozwiązania wielu zagadnień z przestrzeni zarządzania proce-sem projektowym. Do głównych zaliczyć należy prowadzenie projektowej koordyna-cji międzybranżowej. Objęło ono szereg procesów, dla których konieczne było wy-pracowanie i wdrożenie właściwych rozwiązań technicznych i informatycznych.
Jednym z wymogów inwestora w zakresie prowadzenia prac projektowych była ich realizacja w technice 3D. Jako podstawową platformę projektową przyjęto opro-gramowanie Revit 2019 firmy Autodesk. Pozwoliła ona nie tylko zrealizować główny wymóg inwestora, ale umożliwiła także wykorzystanie w procesie projektowym ele-mentów systemu BIM (ang. Building Information Modeling). Zastosowanie oprogra-mowania firmy Autodesk zapewniło pełną kompatybilność standardów wymiany informacji projektowej (dwg, dxf, ifc, rvt) pomiędzy projektantami.
Wspólną realizację prac projektowych pomiędzy branżystami realizowano po-przez znany i powszechnie wykorzystywany przy projektowaniu w oprogramowaniu AutoCad układ plików dołączonych, tzw. Xref. Wykorzystanie tej techniki zespalania różnych źródeł informacji pozwoliło na niezależną pracę poszczególnych grup bran-żowych w oparciu o ich autonomiczny plik projektowy i prostą aktualizację danych w pliku głównym.
Znaczącym rozwinięciem wykorzystanych metod projektowych, wynikającym z zastosowania programu Revit, było wykorzystanie funkcji pracy z plikiem central-nym, umożliwiającej prowadzenie niezależnej synchronizacji i scalania postępów prac każdego z projektantów (z zastrzeżeniem wzajemnej koordynacji tych prac). Dzięki temu rozwiązaniu wyłączono z procesu projektowego konieczność manual-nego scalania informacji projektowej, tworzonej przez grupę wielu osób, oraz zwią-zane z tym procesem możliwe błędy. Dodatkową korzyść stanowiło wyeliminowanie możliwości pracy na nieaktualnym modelu.
Wymianę informacji projektowych pomiędzy grupami branżowymi oparto na pro-stej i uniwersalnej strukturze udostępniania plików, bazującej na serwerze SFTP. Zdecydowano się odejść od stosowania dedykowanego przez Autodesk systemu współpracy wewnątrzprojektowej, z uwagi na obostrzenia bezpieczeństwa w obrębie wewnętrznych sieci informatycznych. W toku działań wypracowana została przez projektantów odpowiednia struktura folderów i nazewnictwo plików. System, z uwagi na jego uniwersalność, wykorzystano również do udostępniania treści projektowych i ich uzgodnień z inwestorem i wykonawcą prac budowlanych.
Wykorzystanie technik projektowych 3D pozwoliło na zmniejszenie wymaganego nakładu czasu pracy dla opracowania dokumentacji budowlanej. Automatyzacja zaimplementowana w oprogramowaniu Revit pozwoliła na swobodne, dynamiczne tworzenie przekrojów, widoków oraz zestawień wchodzących w jej skład. Jednocze-śnie możliwość szybkiej analizy przestrzennej rozwiązań projektowych pozwoliła na prostszą kontrolę ich spójności oraz lokalizowanie kolizji (rys. 5).
Rys. 5. Przykład zobrazowania kolizji, polegającej na przebiegu instalacji technologicznych oraz konstrukcji wsporczych w pionowej przestrzeni transportowej
Jednym z najnowszych światowych rozwiązań technicznych, zastosowanych przy realizacji projektu PSK, było wykorzystanie technik wirtualnej rzeczywistości (VR), bazujących na urządzeniu HTC VIVE VR. Wzajemna współpraca urządzenia ze środowiskiem projektowym Revit jest realizowana w oparciu o zaimplementowane w programie narzędzie. Jednocześnie przy realizacji projektu zastosowano komer-cyjne rozszerzenie Enscape dla oprogramowania Revit, dedykowane technikom wizualizacji w technologii VR. Bazując na zdobytym doświadczeniu, jako jedną
z głównych zalet płynących z zastosowania tego nowoczesnego rozwiązania wy-mienić należy możliwość bezpośredniej oceny skali przyjętych rozwiązań. Umiej-scowienie projektanta bezpośrednio w projektowanej przestrzeni obiektu pozwoliło na kontrolę rozkładu urządzeń technologicznych wraz z ich przyłączami i ocenę przyjętych rozmiarów pomieszczeń, funkcjonalności układów komunikacyjnych czy architektonicznej kompozycji bryły budynków na tle całości inwestycji. Technologia ta została wykorzystana jako rozszerzenie narzędzi kontroli oraz finalnej oceny po-szczególnych etapów prac projektowych, dając fizyczny wgląd projektanta i inwesto-ra w projektowany obiekt na wysoce intuicyjnym poziomie.
Podsumowanie
Konieczność redukcji zagrożenia klimatycznego i poprawy warunków pracy górni-ków staje się w nadchodzących latach istotnym elementem, bezpośrednio związa-nym z opłacalnością wydobycia rud miedzi z głębokich partii złoża, zalegających poniżej głębokości 1200 m. Dlatego też niezbędna staje się budowa wysoce spraw-nych, skojarzonych układów produkcji chłodu i ciepła, pracujących w połączeniu z układami wykorzystującymi naturalne źródła energii odnawialnej.
Przedstawiony w niniejszym artykule układ klimatyzacji centralnej jest jednym z największych na świecie rozwiązań pod względem osiąganych parametrów, kie-rowanych dla procesu wydobywania kopalin, zaprojektowanych dla potrzeb produkcji chłodu i ciepła. Przyjęte przez projektantów nowatorskie rozwiązania układu techno-logicznego stacji pozwoliły na osiągnięcie produkcji chłodu na poziomie 30 MW przy równoczesnej produkcji ciepła 23 MW i wysokiej sprawności układu, określonej wskaźnikiem efektywności energetycznej SEER, równej 2,48.
Opisane zagadnienia ukazują również wielopłaszczyznowość procesu projekto-wego, prowadzonego na potrzeby realizacji zadania inwestycyjnego. Zaprojektowa-na stacja, zarówno w aspekcie stopnia jego skomplikowania, jak i osiąganych para-metrów wydajnościowych i sprawności wymagała zaangażowania doświadczonego zespołu projektowego, z wiedzą nie tylko z zakresu technologii energetycznych oraz budownictwa przemysłowego, lecz również umiejętnością wysokowydajnego korzy-stania z nowoczesnych narzędzi projektowych, umożliwiających projektowanie 3D w technologii BIM.
Bibliografia
[1] Fabich S. i in., 2018,Karta Informacyjna Przedsięwzięcia pn. „Budowa Powierzchniowej Stacji Klimatyzacyjnej (PSK) pracującej w układzie trigeneracji”, oprac. KGHM CUPRUM – CBR., Wrocław.
[2] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14.06.2007 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku (tekst jednolity, DzU 2014, poz. 112).
[3] Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych i uchylenia rozporządzenia (WE) nr 842/2006.
[4] Rubik. M, Ziętek. P, 2018, Opinia w odniesieniu do projektu koncepcyjnego Powierzch-niowej Stacji klimatyzacyjnej (PSK) w zakresie technologicznej i technicznej innowacyj-ności układu produkcji chłodu oraz produkcji/odzysku ciepła na potrzeby szybu GG-1 kopalni KGHM Polska Miedź S.A., Politechnika Warszawska.
[5] Ustawa z dnia 12.07.2017 r. o zmianie ustawy o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych oraz niektórych innych ustaw (DzU 2017, poz. 1567).
[6] Ustawa z dnia 27.04.2014 r. Prawo ochrony środowiska (tekst jednolity, DzU 2018, poz. 799, z późn. zm.).
[7] Ustawa z dnia 9.06.2011 r. Prawo geologiczne i górnicze (DzU z 2011 r, poz. 1169, z późn. zm.).
