Pompy ciepła – przykłady pozyskiwania ciepła odpadowego
Schemat ideowy odzysku ciepła ze ścieków ((wg Müller E., Schmid F., Stodtmeister W., Kobel B., Heizen und Kühlen mit Abwasser, w: „Ratgeber für Bauherrn und Kommunen“, 2005)
arch. Eksperta Budowlanego
Według ekspertów w połowie tego stulecia głównym nośnikiem energii dla ogrzewania budynków i napędu samochodów osobowych będzie energia elektryczna uzyskiwana w znacznej mierze ze źródeł odnawialnych. Wraz z rozwojem tego kierunku wzrastać będzie też zainteresowanie pozyskiwaniem ciepła odpadowego w różnych procesach. Spory potencjał w tej dziedzinie mają pompy ciepła. W artykule zaprezentowano przykłady niestandardowych instalacji z pompami ciepła w górnictwie i rolnictwie oraz gospodarce komunalnej.
Zobacz także
Gaspol S.A. Układ hybrydowy: pompa ciepła i gaz płynny
Przy wyborze rozwiązań grzewczych wiele osób coraz częściej zwraca uwagę nie tylko na ich efektywność, ale i potencjalny wpływ na środowisko. Najbardziej poszukiwane są technologie zapewniające optymalne...
Przy wyborze rozwiązań grzewczych wiele osób coraz częściej zwraca uwagę nie tylko na ich efektywność, ale i potencjalny wpływ na środowisko. Najbardziej poszukiwane są technologie zapewniające optymalne ciepło, a jednocześnie gwarantujące minimalną lub zerową emisję CO2 czy szkodliwych substancji. Jednym z takich innowacyjnych rozwiązań jest połączenie pompy ciepła z instalacją gazową, które łączy w sobie zalety obu technologii, tworząc elastyczny, efektywny i zrównoważony system ogrzewania.
Barbara Jurek (Specjalista ds. techniczno-handlowych Caleffi Poland), Calefii Poland Sp. z o.o. Co warto wiedzieć o zaworze antyzamarzaniowym z serii 108 marki Caleffi
Wraz ze wzrastającą popularnością pomp ciepła, w tym pomp ciepła typu monoblok, dużym zainteresowaniem cieszy się również zawór antyzamarzaniowy Caleffi z serii 108. Jego zadaniem jest ochrona pompy ciepła...
Wraz ze wzrastającą popularnością pomp ciepła, w tym pomp ciepła typu monoblok, dużym zainteresowaniem cieszy się również zawór antyzamarzaniowy Caleffi z serii 108. Jego zadaniem jest ochrona pompy ciepła typu monoblok przed zamarznięciem w sytuacji wystąpienia awarii zasilania elektrycznego.
FRAPOL Sp. z o.o. Jak zaprojektować wydajny system grzewczy z pompą ciepła Frapol PRIME?
PRIME – monoblokowa pompa ciepła na R290 – powstała w odpowiedzi na potrzeby projektantów, instalatorów i inwestorów, zmieniające się wraz z dynamiką rozwoju europejskiego rynku HVACR. To rozwiązanie perspektywiczne,...
PRIME – monoblokowa pompa ciepła na R290 – powstała w odpowiedzi na potrzeby projektantów, instalatorów i inwestorów, zmieniające się wraz z dynamiką rozwoju europejskiego rynku HVACR. To rozwiązanie perspektywiczne, zgodne z coraz bardziej restrykcyjnym prawem europejskim i energooszczędne. Temperatura zasilania na poziomie ponad 60°C umożliwia stabilną produkcję ciepła technologicznego oraz ciepłej wody użytkowej w różnych warunkach otoczenia, a także współpracę z różnymi instalacjami grzewczymi....
Odzysk ciepła ze ścieków
Sprawność pompy ciepła wzrasta, jeśli różnica temperatury pomiędzy zasilaniem instalacji grzewczej a dolnym źródłem jest jak najmniejsza. Ścieki, które zimą mają temperaturę od 6 do 18°C, mogą z powodzeniem stanowić dolne źródło dla pompy ciepła.
Żeby przyjąć ilość ciepła, jaką można pobrać w dolnym źródle, w pierwszej kolejności należy skalkulować średni przepływ ścieków w kanalizacji oraz ich temperaturę, a następnie porównać te dane z wymaganą minimalną temperaturą ścieków w zależności od lokalizacji instalacji w gruncie.
Utrzymanie pewnej minimalnej temperatury ścieków jest konieczne ze względu na zachodzenie procesów biologicznych. Mając pełen pakiet informacji, można wyliczyć, ile rzeczywiście ciepła odpadowego można pobrać.
Instalacje z pompami ciepła zasilanymi z dolnego źródła przez ścieki były realizowane w budownictwie mieszkalnym w Osace. Dla pensjonatów (90 pokoi) oraz kompleksu 60 domów jednorodzinnych dobrano zestaw pomp ciepła do ogrzewania i c.w.u.
W zależności od potrzeb poszczególnych obiektów zastosowano różne układy działania pomp ciepła. Przybliżona temperatura ścieków to 18°C, temperatura wody na cele c.o. 35°C, a na c.w.u. 65°C. Dzięki wykorzystaniu ścieków jako dolnego źródła maksymalna wartość współczynnika COP dla pompy na potrzeby c.o. wynosiła 6,91, a na c.w.u. 4,01.
Na rys. 1a, rys. 1b, rys. 1c i rys. 1d zaprezentowano różne schematy podłączeń.
Rys. 1a. Schemat rozwiązania dla c.w.u. i ogrzewania z pompą ciepła. Dostarczanie c.w.u. realizowane w wariancie kocioł kondensacyjny jako wsparcie dla instalacji z pompą ciepła, załączający się jeśli pobór energii ze ścieków będzie niewystarczający [8];
źródło: Mitsubishi Heavy Industries
Rys. 1b. Schemat rozwiązania dla c.w.u. i ogrzewania z pompą ciepła. Dostarczanie c.w.u. realizowane w wariancie kocioł kondensacyjny działający w kaskadzie z pompą ciepła, która wstępnie podgrzewa wodę do 40°C [8];
źródło: Mitsubishi Heavy Industries
Rys. 1c. Schemat rozwiązania dla c.w.u. i ogrzewania z pompą ciepła. Do ogrzewania w części obiektów wykorzystano dodatkową pompę ciepła typu powietrze/woda [8];
źródło: Mitsubishi Heavy Industries
Rys. 1d. Schemat rozwiązania dla c.w.u. i ogrzewania z pompą ciepła. Wykorzystanie dodatkowego zasobnika akumulacyjnego, z którego ciepło pobierane jest do zasilania fancoili (klimakonwektorów)[8]
Dostarczanie c.w.u. realizowane jest w zależności od budynków w dwóch wariantach: kocioł kondensacyjny jako wsparcie dla instalacji z pompą ciepła, załączający się jeśli pobór energii ze ścieków będzie niewystarczający (rys. 1a), oraz kocioł kondensacyjny działający w kaskadzie z pompą ciepła, która wstępnie podgrzewa wodę do 40°C (rys. 1b). W eksploatacji bardziej efektywne okazało się rozwiązanie pierwsze, które pozwoliło obniżyć koszty zużycia energii o 69%.
Do ogrzewania w części obiektów wykorzystano dodatkową pompę ciepła typu powietrze/woda (rys. 1c). Jednak najlepszym rozwiązaniem okazało się wykorzystanie dodatkowego zasobnika akumulacyjnego, z którego ciepło pobierane jest do zasilania fancoili (rys. 1d). Pozwoliło to obniżyć koszty zużycia energii o 41%.
Wody z czynnych kopalni
Wody pompowane z czynnych kopalni węgla kamiennego zlokalizowane w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym są dużym rezerwuarem energii do tworzenia dolnych źródeł ciepła dla pomp ciepła. W ciągu doby pompują one ponad 0,5 mln m3 wód dołowych o temperaturze powyżej 13°C. Są to niskotemperaturowe zasoby energii geotermalnej oceniane na 83 MWt.
W wielu kopalniach zasoby te są wystarczające dla zaspokojenia potrzeb własnych, a nawet obiektów sąsiadujących, jednak ich stopień wykorzystania nadal jest niewielki. Powstał nawet specjalistyczny atlas zasobów energii geotermalnej w regionie górnośląskim obrazujący możliwości jej wykorzystania.
Nie każde wody opłaca się ujmować jako dolne źródło dla pomp ciepła. Musi występować odpowiednio duża ilość wód o podwyższonej temperaturze oraz sprzyjające ujmowaniu warunki techniczno-ruchowe w kopalni [2].
Przykładem pozyskiwania energii z pompowanych wód kopalnianych jest szyb III w Zakładzie Górniczym „Sobieski” w Jaworznie (rys. 2).
Zastosowano tam pięć pomp ciepła typu woda/woda NIBE AP-BW 30-85H pracujących w układzie kaskadowym o łącznej mocy 420 kW. Minimalny przepływ wody w dolnym źródle ciepła to 80 m3/godz. Wody o temperaturze 12–14°C są pompowane z głębokości 500 m za pomocą dwóch pomp obiegowych i jednej pompy zatapialnej.
Instalacja służy do przygotowania c.w.u. i pompy podgrzewają wodę do temperatury 55°C w dwóch niezależnych, rozdzielnych hydraulicznie kaskadach. Ciepła woda jest magazynowana w zasobnikach o łącznej poj. 63 000 litrów i wykorzystywana do celów sanitarnych w łaźniach górniczych. Zwrot inwestycji w instalacje z pompami ciepła nastąpi po sześciu latach, a jej żywotność zaplanowana jest na lat 18.
Rys. 2. Schemat ideowy instalacji w Zakładzie Górniczym Sobieski w Jaworznie [6];
źródło: Geo-Term Polska
Potencjał wód nieczynnych kopalni
Powołany przez Spółkę Restrukturyzacji Kopalń S.A. Centralny Zakład Odwadniania Kopalń (CZOK) odwadnia 15 zlikwidowanych kopalni węgla kamiennego.
Zadaniem CZOK jest zabezpieczenie kopalni czynnych przed zagrożeniem wodnym poprzez odwadnianie zlikwidowanych kopalni węgla kamiennego z zastosowaniem pompowni stacjonarnych lub głębinowych.
Rocznie CZOK pompuje ponad 70 mln m3 wody (ok. 191 tys. m3 na dobę) o temperaturze ok. 13°C. Pompowane wody w 95% zrzucane są bez wykorzystania do wód powierzchniowych, a reszta jest sprzedawana i wykorzystywana w procesach przemysłowych i technologicznych. Jakość pompowanych wód jest różna, ale ok. 25% z nich ma parametry zbliżone do parametrów wód pitnych [1].
Z uwagi na wysokie koszty odwadniania CZOK stale poszukuje sposobów ich obniżania. Tereny aglomeracji śląskiej mają spory potencjał stosowania innowacyjnych i ekologicznych rozwiązań, w tym ograniczających niską emisję.
Pompowana przez CZOK woda może być wykorzystywana m.in. do celów grzewczych, przemysłowych oraz socjalno-bytowych. Zakład już od wielu lat prowadzi badania pozyskiwania części energii zawartej w wodach kopalnianych. W ramach tych prac powstały innowacyjne instalacje z pompami ciepła, m.in. w ramach termomodernizacji budynku administracyjnego CZOK (2012).
Rolnictwo
To gałąź gospodarki, w której pompy ciepła mogą znaleźć szerokie zastosowanie do celów grzewczych i chłodniczych.
Spory potencjał mają instalacje z pompami ciepła korzystającymi z ciepła odpadowego – np. ciepłe i wilgotne powietrze opuszczające suszarnie, ciepło ze sprężarek do schładzania produktów rolniczych (mleko, owoce, warzywa), ciepło z powietrza wentylacyjnego z obiektów hodowlanych i ogrodniczych. Ciepło to można wykorzystywać na miejscu do wspomagania podgrzewania wody wykorzystywanej w procesach produkcyjnych lub do celów sanitarnych, do podgrzewania i osuszania powietrza w suszarniach, do ogrzewania powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniach produkcyjnych, do bezpośredniego ogrzewania obiektów produkcyjnych (szklarnie, tunele foliowe) i procesów w przemyśle przetwórczym.
Przykładem zastosowania pomp ciepła w procesie produkcji mleka może być odzysk ciepła odpadowego ze schładzanego mleka w schładzarkach (dolne źródło ciepła) i jego wykorzystanie do ogrzania wody technologicznej lub użytkowej.
Schładzanie mleka o temperaturze początkowej 35°C do 5°C, przy jednorazowym udoju 1000 l mleka w instalacji z pompą ciepła o mocy grzewczej 12,2 kW i poborze mocy przez silnik sprężarki 2,7 kW, pozwala na osiągnięcie współczynnika COP na poziomie 4,5 [4]. Energia odzyskana z 1000 litrów mleka każdego dnia przez rok daje 13 100 kWh energii elektrycznej lub 1900 litrów oleju albo 1650 m³ gazu [5].
W rozwiązaniach takich przyjmuje się średni uzysk 0,5–0,8 l wody podgrzanej do 45–50°C na każdy litr schładzanego mleka [4]. Wodę tę można następnie dogrzewać do temperatury ok. 70°C, jaka jest wymagana do mycia instalacji udoju.
Praktyka wskazuje, że progiem opłacalności jest jednorazowy udój 150 l mleka schładzanego w chłodni o pojemności 500–600 l i środki wsparcia finansowego (preferencyjne kredyty, dotacje) na budowę takich instalacji [4].
O ile od wielu lat znane są i dostępne systemy do odzysku energii cieplnej odbieranej od chłodzonego mleka do przygotowania c.w.u. na potrzeby procesów produkcyjnych w oborze lub w gospodarstwie domowym, to brakuje przykładów wykorzystania ciepła odpadowego ze schładzania mleka w instalacjach centralnego ogrzewania w budynkach mieszkalnych.
Interesujące obliczenia dla takich instalacji przeprowadzono w artykule pt. Wykorzystanie ciepła odpadowego ze schładzania mleka do ogrzewania wiejskiego budynku mieszkalnego [7].
Przy odpowiednio dużej liczbie krów dojnych ciepło odpadowe może być atrakcyjne, zwłaszcza w nowych, niskoenergetycznych budynkach, z instalacjami ogrzewania płaszczyznowego i zasobnikami akumulacyjnymi. Ciepło ze schładzania jest bowiem dostępne przez parę godzin na dobę.
Przeprowadzone przez autorów [7] obliczenia dla budynku o pow. 130 m2 zakładały wartość wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło równą 140 kWh/(m2 rok), tj. średnią dla budynków wybudowanych w latach 1993–2007 i dla stada 80 krów dojnych. Przy takich założeniach inwestycja jest atrakcyjna ekonomicznie dla układu c.o. i c.w.u. zasilanego olejem opałowym lub gazem płynnym, ale nie zwraca się w przypadku innych paliw. Warto jednak przeprowadzić obliczenia dla wymagań wobec nowych budynków zgodnie z WT 2017 i 2021 – wówczas atrakcyjność ekonomiczna takich instalacji może być duża także w stosunku do innych paliw, jak np. gaz ziemny sieciowy, czy pelety.
Schemat ideowy takiej instalacji przedstawia rys. 3.
Rys. 3. Schemat rozwiązania dla wykorzystania ciepła odpadowego ze schładzania mleka do ogrzewania wiejskiego budynku mieszkalnego [7]
Literatura
- http://srk.com.pl/wp-content/uploads/2015/10/SRK_ODDZIAL_CZOK.pdf, 15.03.2016.
- „Biuletyn Górniczy” nr 7–8/2008, http://www.giph.com.pl/archiwum/157_4.html, 31.03.2016.
- Tokarz M., Mucha W., Wykorzystanie energii geotermalnej pochodzącej z odwadniania zakładów górniczych, na przykładzie rozwiązań zastosowanych w SRK S.A. Zakładzie CZOK w Czeladzi, „Technika Poszukiwań Geologicznych Geotermia, Zrównoważony Rozwój” nr 1/2013.
- Kurpaska S., Wykorzystanie niskotemperaturowego ciepła za pomocą pomp grzejnych w rolnictwie – stan obecny i perspektywy, Uniwersytet Rolniczy im. H. Kołłątaja, Kraków 2009, http://www.agengpol.pl/LinkClick.aspx?fileticket=Kv7Hp%2FWXLeo%3D&tabid=144, 31.03.2016.
- http://www.delaval.pl/-/Product-Information1/Milk-cooling--storage/Systems/Heat-recovery/, 31.03.2016.
- Dubaj B., Zagospodarowanie ciepła odpadowego, http://www.inno-kongres.pl/users/media/a_baran/Bogdan_Dubaj_-_Zagospodarowanie_ciepa_odpadowego.pdf, 30.03.2016.
- Olkowski T., Koniecko A., Przybylski Ł., Wykorzystanie ciepła odpadowego ze schładzania mleka do ogrzewania wiejskiego budynku mieszkalnego, „Inżynieria Rolnicza” nr 2/2013, s. 245–252.
- Advanced Heat Pump Systems Using Urban Waste Heat Sewage Heat, „Mitsubishi Heavy Industries Technical Review” Vol. 52, No. 4/2015, https://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/e524/e524080.pdf, 31.03.2016.