Ogrzewanie obiektów produkcyjnych i magazynowych

W kontekście dekarbonizacji gospodarki od kilku lat sygnalizowano, że przewagę na rynku będą miały te podmioty, które zapewnią sobie dostęp do taniej, bezemisyjnej (jądrowej) oraz odnawialnej energii. I to nie tylko z uwagi na koszty produkcji, ale także ograniczenia dotyczące produktów mających wysoki ślad węglowy. Wojna sprawiła, że liczy się również gwarancja dostaw. Wybór jest zatem ograniczony, ale zgodny z wcześniejszymi scenariuszami rozwoju i działań globalnych na rzecz zmniejszania emisji w celu zapobiegania szybkim zmianom klimatu.

Paradoksalnie polityka Rosji wobec UE i wszczęcie wojny z Ukrainą nie spełnią jednego ze swoich zadań, jakim było utrwalenie zależności od rosyjskich paliw kopalnych. Bezpieczniejsze i tańsze jest bowiem korzystanie ze zdywersyfikowanych i pewnych źródeł oraz własnej energii. Jednak czy w przemyśle i obiektach kubaturowych da się w krótkim czasie zastąpić paliwa kopalne energią odnawialną? Wielu ekspertów twierdzi, że przeskok do energetyki odnawialnej i magazynowania energii z pominięciem gazu to prawdopodobne rozwiązanie. Większe pole manewru dotyczy budynków nowo powstających, choć jak na razie nie każdy nowy obiekt może korzystać wyłącznie z energii odnawialnej. W obiektach kubaturowych ogrzewanie i wentylacja mają znaczny wpływ na koszty produkcji i usług. Instalowane urządzenia HVAC powinny się zatem cechować niskimi kosztami eksploatacyjnymi oraz krótkim okresem zwrotu.

Dużego znaczenia nabiera także finansowanie inwestycji. Taksonomia to nowe narzędzie wspierające realizację założeń Europejskiego Zielonego Ładu, służące ukierunkowaniu strumienia środków inwestycyjnych na przedsięwzięcia, które przyczyniają się do dekarbonizacji gospodarki. Taksonomia zrównoważonego finansowania ma być głównym narzędziem wsparcia i oceny inwestycji, w tym przez instytucje finansowe. Ma pomóc oszacować, czy dana inwestycja jest zrównoważona, czy też szkodliwa z punktu widzenia środowiskowego oraz społecznego. Mechanizm ten dotyczy inwestorów korzystających zarówno ze środków publicznych, jak i własnych czy kredytów bankowych.

Na rynku działają już firmy oferujące technologie przeznaczone dla obiektów przemysłowych, wspierające inwestorów w procesie finansowania. W przypadku budynków już istniejących znaczenia nabierają umowy o poprawę efektywności energetycznej. Podobnie jak przy leasingu, dostawca urządzeń i wykonawca modernizacji pozostaje ich właścicielem, a inwestor płaci bieżący, mniejszy rachunek za energię i z oszczędności spłaca przez określony czas wykonawcę modernizacji.

Zobacz także: jak wybrać wózek widłowy >>

Specyfika obiektów produkcyjnych i magazynowych

Obiekty wznoszone dla przemysłu, logistyki i handlu to najczęściej hale o dużej kubaturze i specyficznych wymaganiach dotyczących ogrzewania związanych np. z charakterem prowadzonych w nich procesów. Przed wyborem sposobu ich ogrzewania i wentylacji trzeba uwzględnić wiele czynników, m.in.:

• jakie wymagania dotyczą obszarów i stanowisk pracy, czy konieczne jest ogrzewanie całej hali, czy tylko wybranych stref (system centralny lub zdecentralizowany albo ich połączenie) i jakie są możliwości jej podziału na strefy grzewcze,
• jaka jest izolacyjność przegród zewnętrznych i jak to wpłynie na odczuwanie komfortu cieplnego przez ludzi oraz na ochronę przed przegrzewaniem latem i wyziębieniem w sezonie grzewczym,
• jaka jest wysokość hali, gdyż wiąże się z tym zjawisko swobodnej konwekcji, czyli ucieczki ciepła pod dach, oraz jak tej stratyfikacji zapobiec,
• czy występują bramy i śluzy oraz jak je zabezpieczyć, np. za pomocą kurtyn powietrznych, przed ucieczką ciepła i chłodu,
• jakie zapotrzebowanie na temperaturę i wilgotność występuje w poszczególnych strefach z uwagi na procesy produkcyjne i wymagania pracowników,
• jakie wymagania określono dla czystości powietrza i prędkości jego przepływu (nadmuchu),
• jakiej wentylacji miejscowej i/lub ogólnej wymagają prowadzone procesy i czy można odzyskiwać ciepło lub chłód z powietrza wentylacyjnego,
• czy odpadowe ciepło procesowe można włączyć do systemu ogrzewania i odwrotnie,
• czy konieczne są wysokotemperaturowe urządzenia grzewcze, czy też wystarczą niskotemperaturowe,
• jak wygląda dostępność energii zasilającej urządzenia – np. gaz ziemny, biogaz, energia elektryczna,
• czy i w jakim zakresie można wybrać system nieobarczony przyszłymi opłatami za emisję CO₂,
• czy istnieje możliwość korzystania z własnych źródeł energii słonecznej (ogniw PV i kolektorów słonecznych) oraz turbin wiatrowych,
• czy i gdzie leży granica opłacalności dla magazynów energii elektrycznej i cieplnej,
• jaka jest wiarygodność dostawców technologii i jakość oferowanych przez nich systemów automatyki i sterowania, a także gwarancji i serwisu.

Zobacz także: Ciepło dla budynków XXI wieku

Systemy centralne i zdecentralizowane

Systemy ogrzewania w obiektach produkcyjnych i magazynowych można podzielić na centralne i zdecentralizowane. Dostępna jest też grupa urządzeń przenośnych (mobilnych) do ogrzewania tymczasowego, a nawet stałego.

Systemy scentralizowane dają szersze możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz korzystania z różnych paliw – kopalnych i biomasy oraz biogazu za pomocą kotłów lub gazowych pomp ciepła, kotłów elektrycznych i sprężarkowych pomp ciepła. Umożliwiają także wykorzystanie energii odpadowej z procesów produkcyjnych oraz zasilanie ogrzewania również w częściach magazynowych, spedycyjnych, biurowych czy laboratoryjnych. Z drugiej strony systemy te cechują: konieczność budowania rozległych instalacji i wyposażania w armaturę regulacyjną, wysoka bezwładność, co może mieć istotne znaczenie energetyczne w okresach wolnych od pracy i ogranicza możliwości w przypadku koniecznych zmian temperatury w strefach np. z uwagi na nowe procesy, a także potrzeba ochrony czynnika grzewczego przed zamarzaniem. Systemy scentralizowane wymagają bardzo starannego projektu i wykonania, gdyż są bardziej narażone na ryzyko niewłaściwego doboru i montażu oraz wystąpienia kolizji instalacji.

Z kolei systemy zdecentralizowane mają małą bezwładność i szybko dostosowują się do zadanych zmian temperatur w cyklu dobowym i tygodniowym, są prostsze w projektowaniu i instalacji, dają duże możliwości ogrzewania strefowego i punktowego, są też bardziej elastyczne w przypadku zmiany przeznaczenia hal. Pozwalają uniknąć ogrzewania obszarów, które tego nie wymagają, mogą jednak w mniejszym stopniu korzystać ze źródeł energii odnawialnej i niskotemperaturowej.

Urządzenia mobilne umożliwiają dostarczenie ciepła do konkretnych obszarów, które tego w danej chwili wymagają. Zasilane są energią elektryczną, gazem lub paliwem płynnym – to głównie nagrzewnice nadmuchowe dostępne w różnych rozmiarach i mocach. Ich pracę można zintegrować z istniejącymi systemami stacjonarnymi. Zastosowanie urządzeń mobilnych to skuteczny sposób na zwiększenie wydajności systemów ogrzewania w sytuacjach wymagających szybkiej zmiany warunków lokalnych lub awaryjnych.

Zapobieganie stratyfikacji i ucieczce ciepła

W obiektach z wysokimi pomieszczeniami występuje stratyfikacja powietrza, czyli naturalna ucieczka ciepła pod dach ze strefy przebywania pracowników. Jeśli ściany i dach nie są dobrze izolowane, obiekt traci bardzo dużo energii. Dobra izolacja termiczna dachu nie tylko zapobiega utracie ciepła, ale i pozwala łatwiej go „odzyskiwać”.

Pierwszym sposobem na „odzysk” ciepła spod stropu jest wykorzystanie destratyfikatorów, czyli wentylatorów spychających ciepłe powietrze spod dachu do strefy przebywania ludzi (rys. 1). Można tego dokonać także za pomocą dachowych zdecentralizowanych jednostek grzewczo-wentylacyjnych, służących do wstępnego podgrzania nawiewanego świeżego powietrza zewnętrznego (rys. 2). Zapobieganie stratom ciepła i chłodu przez bramy i śluzy to kolejne działanie zmniejszające zużycie energii – służą do tego kurtyny powietrzne.

Odzysk ciepła z powietrza wentylacyjnego

Dużego znaczenia nabiera odzysk ciepła z powietrza wentylacyjnego, na co wcześniej w obiektach przemysłowych i magazynowych nie zwracano szczególnej uwagi. Zakłady przemysłowe mają duży potencjał zastosowania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, zwłaszcza te, w których występują duże zyski ciepła z prowadzonych procesów. Centrale wentylacyjne z wymiennikami ciepła mogą kierować powietrze do obiektu za pomocą instalacji kanałowych lub bezkanałowo. W zależności od wymagań dotyczących jakości powietrza można użyć wymienników obrotowych dla części magazynowych lub krzyżowych czy przeciwprądowych wraz systemem filtracji na potrzeby biur albo laboratoriów. Dostępne są też urządzenia do bezkanałowej wentylacji zdecentralizowanej z odzyskiem ciepła, montowane na ścianach i pod sufitem (rys. 3). Z powietrza wywiewanego w wysokosprawnym wymienniku ciepła jednostek do wentylacji bezkanałowej można odzyskać ponad 80% ciepła – w obiektach kubaturowych to znacząca ilość energii. Urządzenia wentylacyjne stosowane w obiektach przemysłowych wymagają ścisłego przestrzegania zasad ich serwisowania, zwłaszcza filtrów powietrza. Dostawcy powinni zwracać na to uwagę użytkowników i wyposażać urządzenia w sygnalizatory stanu filtrów.

Optymalizacja pracy systemów ogrzewania i wentylacji

Zużycie energii na ogrzewanie i wentylację można także zmniejszyć, stosując energooszczędne wentylatory, płynną regulację prędkości obrotowej oraz układy sterowania urządzeń grzewczych i wentylacyjnych. Należy również unikać przewymiarowania urządzeń wentylacyjnych. Jako alternatywę dla standardowej klimatyzacji, warto rozpatrzyć zastosowanie free coolingu lub chłodzenia adiabatycznego, zarówno do chłodzenia hali, jak i wsparcia procesów technologicznych. Dostępne są też technologie umożliwiające wykorzystanie niskotemperaturowego ciepła odpadowego do produkcji energii elektrycznej napędzającej systemy grzewcze i wen­tylacyjne.

Zastosowanie systemów niskotemperaturowych

W przypadku hal magazynowych i obiektów logistycznych warto szczególnie rozpatrzyć zastosowanie systemów płaszczyznowego ogrzewania niskotemperaturowego. Przeszkodą może być fakt, że w niektórych halach podłogi są niemal całkowicie zastawione regałami, jednak takie obiekty nie wymagają z kolei wysokich temperatur i dużej wymiany powietrza (intensywnej wentylacji). Systemy niskotemperaturowe mogą z powodzeniem korzystać m.in. ze sprężarkowych pomp ciepła – gruntowych i powietrznych – oraz ciepła odpadowego z procesów produkcyjnych, wspomagając się energią z instalacji PV.

Może Cię zainteresuje: Ogrzewanie obiektów przemysłowych

Wykorzystanie pomp ciepła

Ogrzewanie hal z zastosowaniem pomp ciepła jest możliwe w wielu obiektach. Do dyspozycji są sprężarkowe pompy ciepła zasilane energią elektryczną oraz pompy absorpcyjne zasilane energią cieplną. Urządzenia sprężarkowe wymagają zapewnienia wydajnego dolnego źródła ciepła – z powietrza, gruntu lub ciepła odpadowego, natomiast absorpcyjne czerpią energię ze spalania gazu lub z ciepła odpadowego. Energię z pomp ciepła można przekazywać do wodnej instalacji grzewczej, ciepłej wody użytkowej lub bezpośrednio do nawiewanego powietrza.

Zastosowanie pomp ciepła wymaga wyznaczenia parametrów instalacji odbiorczych, w tym m.in. wartości i zmienności temperatury zasilania, równomierności odbioru ciepła, zmienności mocy odbiornika [3]. Najlepsze odbiorniki to instalacje o niskiej temperaturze zasilania i równomiernym odbiorze ciepła, stabilnej temperaturze pracy i dużej bezwładności. Tym samym pompy ciepła sprawdzają się w niskotemperaturowych instalacjach ogrzewania podłogowego i niskotemperaturowych promiennikach wodnych z buforami ciepła.

Większe możliwości daje współpraca pomp ciepła z instalacjami ciepłej wody na potrzeby technologiczne i przygotowania c.w.u. Warto ją gromadzić, a nie jedynie produkować, gdy jest potrzebna. Pompy ciepła mogą też współpracować z nagrzewnicami wodnymi i aparatami grzewczo-wentylacyjnymi zasilanymi wodą i grzejnikami konwekcyjnymi [3]. Duży potencjał zastosowania mają pompy powietrze/powietrze w zestawieniu z instalacjami PV i przyszłymi tanimi magazynami energii elektrycznej. Do sprawnej dystrybucji ciepłego powietrza wymagają odpowiednich nawiewników – dysz dalekiego zasięgu i zapobiegania stratyfikacji. Pompy ciepła mają także duży potencjał pod kątem chłodzenia hal.

Urządzenia grzewcze

Z uwagi na niską bezwładność cieplną w obiektach przemysłowych często wybierane są takie urządzenia, jak: nagrzewnice wodne, gazowe i olejowe oraz elektryczne, promienniki podczerwieni – gazowe, olejowe i elektryczne podstropowe oraz ścienne płytowe, aparaty grzewczo-­wentylacyjne, a także układy mieszane łączące dwa rozwiązania lub więcej. Każdy system ogrzewania hali ma swoje auty i ograniczenia.

Nagrzewnice wykorzystują powietrze do rozprowadzania ciepła w pomieszczeniu. Mogą korzystać z powietrza wewnętrznego lub świeżego zewnętrznego. Ciepło może być wytwarzane bezpośrednio w urządzeniach gazowych lub elektrycznych (zdecentralizowane) albo dostarczane do ich wodnych wymienników z instalacji centralnej zasilanej urządzeniem grzewczym (np. kotłem, węzłem cieplnym). Zaletami nagrzewnic elektrycznych i gazowych są: niski koszt inwestycyjny, łatwy montaż i eksploatacja oraz mała bezwładność i punktowe działanie. Wodne z kolei mogą korzystać alternatywnie z różnych źródeł zasilania. Do grona powszechnie używanych nagrzewnic wodnych i gazowych dołączyły nagrzewnice elektryczne, o zasięgu i wydajności powietrznej umożliwiającej ogrzewanie średniokubaturowych obiektów komercyjnych i hal przemysłowych. Zasilane są trójfazowo, mają moc nawet 22 kW i wydajność 4250 m³/h. Jak wszystkie urządzenia elektryczne, mogą być wpięte do systemu BMS.

Promienniki podczerwieni ogrzewają powierzchnie, na które pada ich promieniowanie, co ma duże znaczenie, gdy w obiekcie jest wiele stref i punktów o różnym zapotrzebowaniu grzewczym. Gazowe promienniki ceramiczne zasilane są bezpośrednio gazem ziemnym lub płynnym propan-butan (LPG). Reflektory kierują promieniowanie w dół, do strefy przebywania ludzi. Urządzenia te mogą być stosowane w obiektach o wysokości ponad 4 m, wyposażane są w płynną regulację mocy i nie wymagają instalacji bezpośrednich przewodów spalinowych. Mogą być także podłączone do modułu kondensacyjnego służącego do odzysku ciepła ze spalin.

W gazowych promiennikach rurowych paliwo jest spalane wewnątrz rur promieniujących, które emitują ciepło w sposób uporządkowany za pomocą reflektora osłaniającego rurę od góry. Mogą mieć płynną regulację mocy i stosowane są w obiektach o wysokości min. 4 m. Wymagają podłączenia do systemu odprowadzania spalin.

Promienniki wodne sufitowe zasilane są ciepłą wodą z systemów centralnych. Mają wysoką bezwładność. Ich atutem jest możliwość stosowania w niskich pomieszczeniach oraz korzystania z ciepła odpadowego i wytwarzanego w urządzeniach wykorzystujących OZE, a także chłodzenia w przypadku zastosowania np. pomp ciepła. Służą nie jako ogrzewanie punktowe, ale całej zamkniętej strefy lub obiektu.

Wraz z rozwojem fotowoltaiki i zmianami cen paliw popularnym rozwiązaniem ogrzewania punktowego w halach stały się promienniki elektryczne. W dużych obiektach stosuje się promienniki zasilane trójfazowo o mocy 4–6 kW, mogące ogrzewać od ok. 20 do 40 m² powierzchni z wysokości od 3 do 5 m. Ich atutami są: niska cena, łatwy montaż na ścianach i pod sufitem oraz możliwość regulacji mocy i szybkości działania, także na sygnał z czujnika ruchu. Żywotność krótkofalowych lamp kwarcowych wynosi ok. 7000 godz.

Płaszczyznowe ogrzewanie podłogowe ma tę zaletę, że podłoga w zakładzie może być ogrzewana równomiernie. Ciepłą wodę do zasilania instalacji można uzyskać z kotła, węzła cieplnego, pompy ciepła lub ciepła odpadowego. System ten nie powoduje dużej stratyfikacji temperatury powietrza. Ma ograniczone możliwości działania strefowego i dużą bezwładność, co może być też zaletą. Ograniczenia w jego stosowaniu mogą wynikać z maksymalnej nośności podłogi.

Aparaty grzewczo-wentylacyjne to kompletne systemy do ogrzewania i wentylacji powierzchni wielkokubaturowych przy zastosowaniu bezpośredniego nadmuchu ciepła lub wykorzystaniu instalacji kanałowej. Przepływ ciepłego powietrza w wymienniku ogrzewanym palnikiem gazu jest wymuszany przez wentylator, który tłoczy je do wnętrza ogrzewanego pomieszczenia. W wielu urządzeniach wykorzystywana jest recyrkulacja powietrza, czyli wymieszanie w komorze powietrza wywiewanego z nawiewanym zewnętrznym. Są to urządzenia dachowe i ścienne. Mogą być swobodnie konfigurowane w zakresie stopnia filtracji, wydatku powietrza i jego sprężu. Rozkład układów dolotu oraz nawiewu powietrza także może być dowolnie konfigurowany. Urządzenie składa się z centrali z systemem czerpni powietrza, sterowanych przepustnic, komór mieszania oraz filtrów. Ma rozbudowaną automatykę mogącą obsługiwać kilka jednostek, w tym monitorować różnicę temperatur pomiędzy wartością zadaną i rzeczywistą. Można w nich zaprogramować temperatury i czas pracy (w cyklu dobowym i tygodniowym) lub sterować nimi zdalnie. Dostępne są jednostki o wydatku ciepła od 10 do nawet powyżej 300 kW i wydajności powietrza od 2500 do 24 000 m³/h. Urządzenia te mają sprawność od 88 do 94%.

Praktyka zastosowania OZE w obiektach przemysłowych

W Polsce powstają obiekty produkcyjne z bardzo nowoczesnymi rozwiązaniami wykorzystującymi energię odnawialną, odporne na zmiany cen energii. Przykładem może być nowa hala produkcyjna firmy Danfoss w Grodzisku Mazowieckim, w której odbywa się produkcja i magazynowanie armatury regulacyjnej dla instalacji HVAC. Parametry energetycznie hali są znacznie lepsze niż wymagają WT 2021 dla takich obiektów. Ciepło dostarczane jest przez dwie pompy ciepła powietrze/woda (źródło podstawowe) o łącznej mocy 465 kW oraz cztery szczytowe kotły elektryczne o łącznej mocy blisko 800 kW. Energia cieplna pozyskiwana jest także dzięki odzyskowi ciepła ze sprężarek i agregatów wody lodowej oraz rekuperacji. Kolejność wykorzystania źródeł ciepła jest zmienna w zależności od aktualnego zapotrzebowania i podaży. Najwięcej energii daje odzysk ciepła z procesów produkcyjnych – przy temperaturze zewnętrznej na poziomie 5°C wynosi on ok. 70–80%.

Instalację chłodzenia zasilają trzy agregaty wody lodowej woda/woda ze sprężarkami typu Turbocor o mocy 1,1 MW oraz trzy dry coolery o mocy 381 kW pracujące w okresach przejściowych. Instalacja sprężonego powietrza zasilana jest przez dwie sprężarki 7,5 bar, dwie sprężarki 15 bar i doprężacze z 15 na 45 bar, a także dwie sprężarki 180 bar. Z kolei instalacja wentylacji zasilana jest przez siedem central wentylacyjnych wyposażonych w systemy rekuperacji, które wspomagają proces odzysku ciepła. Do sterowania pracą central zastosowano 16 napędów Danfoss Drives, wyposażonych w oprogramowanie analizujące pracę silników i gwarantujące ich 100-proc. bezawaryjność. Całość procesów przebiegających w hali kontrolowana jest przez zaawansowany system zarządzania budynkiem BMS z wykorzystaniem oprogramowania firmy Beckhof. Parking przy hali ma stanowiska do ładowania samochodów elektrycznych, a konstrukcja hali i magazynu została przygotowana na obciążenie instalacją fotowoltaiczną.

Literatura

1. Materiały techniczne firm: Danfoss, Flowair, Hoval, Schwank, Systema, Winterwarm

2. Fidorów-Kaprawy Natalia, Ogrzewanie hali pompą ciepła, https://www.haleprzemyslowe.plus/ogrzewanie-hali-pompa-ciepla/ (dostęp: 28.09.2022)

3. Fidorów-Kaprawy Natalia, Pompy ciepła, „Rozwiązania energooszczędne wykorzystywane w budownictwie wielkopowierzchniowym”, „Nowoczesne Hale”, 2021

4. www.portpc.pl/pdf/9kongres/materialy/2021_Poradnik_POBE_Taksonomia.pdf (dostęp: 28.09.2022)