Wykorzystanie ciepła odpadowego ze spalin rurowych promienników gazowych

Sprawność promienników gazowych

W halach wielkokubaturowych tradycyjne ogrzewanie konwekcyjne jest nieekonomiczne i stwarza trudności eksploatacyjne [1]. Dlatego do ogrzewania takich budynków, w szczególności wysokich, właściwym rozwiązaniem jest stosowanie systemów z gazowymi promiennikami podczerwieni. Urządzenia te dzielą się ze względu na sposób spalania mieszanki powietrzno-gazowej na promienniki o wysokiej intensywności (promienniki ceramiczne) i promienniki o niskiej intensywności (promienniki rurowe).

Oba rodzaje urządzeń zaliczane są do systemów radiacyjnych [1,2]. Należy jednak zauważyć, że zarówno promienniki, jak i tradycyjne urządzenia konwekcyjne, tzn. grzejniki, oddają ciepło do otoczenia i przez promieniowanie (radiację), i konwekcję.

Jeżeli udział ciepła oddawanego przez promieniowanie jest większy niż przez konwekcję, mówimy wówczas o ogrzewaniu przez promieniowanie. Bilans mocy dla gazowego promiennika podczerwieni i jego sprawność zostały omówione w publikacjach [3,4].

Promienniki oddają ciepło do otoczenia w większej części przez promieniowanie. Jednak znaczna liczba urządzeń dostępnych na rynku przekazuje aż 55% całego ciepła przez konwekcję. Ciepło to w bilansie grzewczym budynku jest właściwie ciepłem traconym, gromadzi się bowiem w przestrzeni pod stropem hali [5].

Zatem przy doborze liczby i mocy promienników należy kierować się ich sprawnością radiacyjną (kierunkową) η_R, obliczaną ze wzoru:

 (1)

w którym:

η_R – sprawność radiacyjna (kierunkowa), %;

Q_R – moc promieniowania wysyłana w żądanym kierunku, kW;

Q_c – moc całkowita promiennika, kW.

Na sprawność radiacyjną promienników η_R wpływa jakość materiałów konstrukcyjnych wykorzystanych do budowy reflektora i jego izolacji, konstrukcja palnika i ukształtowanie płomienia wewnątrz rur promieniujących [3,4]. Promienniki rurowe wysokosprawne mogą osiągać sprawność radiacyjną do 72%, a wysokosprawne promienniki ceramiczne do 80%.

Sprawność cieplna (moc cieplna) podawana w kartach katalogowych promienników gazowych na poziomie 95%, to w rzeczywistości moc palników. Sprawność radiacyjna promienników nie jest podawana przez wielu producentów ze względu na kosztowny sposób jej pomiaru zgodnie z normą PN-EN 419-2 [6] dla promienników ceramicznych (jasnych) i PN-EN 416-2:2010 [7] dla promienników rurowych (ciemnych). Badania te jak dotąd nie są wykonywane w Polsce [4].

Czytaj też: Wpływ warunków klimatycznych i obciążenia cieplnego budynku na efektywność energetyczną pomp ciepła powietrze/woda z płynną regulacją mocy >>>

Odzysk ciepła z promienników rurowych

W rurowych promiennikach gazowych spalanie mieszanki gazowo-powietrznej odbywa się wewnątrz rury, a spaliny są odprowadzane kanałami spalinowymi na zewnątrz pomieszczenia.

Istnieje możliwość odzysku i wykorzystania ciepła z gorących spalin poprzez zastosowanie odpowiedniego wymiennika ciepła. W systemach grzewczych z promiennikami gazowymi dostępne są już różne rozwiązania technologiczne odzysku ciepła oparte na wymiennikach [8, 9, 10].

W rozwiązaniach układu odzysku ciepła odpadowego z wymiennikiem typu spaliny/woda czynnikiem wymiany ciepła jest woda, która podgrzewa zapas wody gromadzony w zbiorniku buforowym będącym akumulatorem ciepła (rys. 1 - zobacz: zdjęcie główne)

Odzyskana energia cieplna zmagazynowana w wodzie wypełniającej zbiornik buforowy może być przeznaczona np. do ogrzania pomieszczeń biurowych.

Taki układ odzysku ciepła można również wykorzystać do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Zbiornik buforowy zastępowany jest wówczas podgrzewaczem pojemnościowym ciepłej wody użytkowej z dwiema wężownicami.

Rozwiązanie to wymaga zastosowania dodatkowego źródła ciepła do przygotowania wody użytkowej poza sezonem grzewczym oraz w przypadku niewystarczającej energii ze źródła odpadowego. Układ wraz z analizą ekonomiczną omówiono w [10].

Innym rozwiązaniem jest zastosowanie w układzie odzysku ciepła ze spalin wymiennika typu spaliny/powietrze.

Na konstrukcję wymiennika składa się stalowa rura w rurze o długości 4 m, w której dochodzi do schłodzenia spalin do temperatury punktu rosy (poniżej 57°C) i kondensacji pary wodnej przy przepływie przeciwprądowym powietrze/spaliny. Ogrzane powietrze doprowadzane jest do strefy przebywania ludzi za pomocą wentylatora, montowanego najczęściej po zimnej stronie wymiennika.

Schemat układu pokazano na rys. 2 [9].

Temperatura spalin na wylocie z rury promiennika zależy od rodzaju i sprawności promiennika. Dla wysokosprawnych promienników rurowych (η_R = 72%) temperatura spalin na wyjściu z urządzenia wynosi niemal 200°C, a dla promienników o sprawności niższej (η_R = 52–59%) ok. 350°C.

Za wymiennikiem ciepła temperatura spalin wynosi ok. 45°C (rys. 3). Temperatura powietrza obiegowego przy przepływie przez wymiennik wzrasta o ok. 15 K [9].

Układ odzysku ciepła można zbudować z każdym promiennikiem rurowym o mocy niższej niż 40 kW. Ograniczenie mocy promiennika wynika z dużych rozmiarów (powyżej 9 m długości) urządzeń o mocy wyższej niż 40 kW i bardzo dużych oporów ciśnienia przy przepływie spalin. Zamontowane w takich promiennikach palniki nie są w stanie pokonać strat ciśnienia powstałych przy przepływie spalin przez urządzenie i wymiennik ciepła.

W wyniku zastosowania układu do odzysku ciepła ze spalin i kondensacji uzyskujemy wzrost sprawności cieplnej układu do 110% (rys. 4) [9,11].

Odzysk ciepła z wymiennika szacuje się na poziomie 15–20%, co oznacza, że dla promiennika o mocy 40 kW można odzyskać do 6–8 kW ciepła. Większy odzysk ciepła uzyskuje się, gdy do wymiennika doprowadzane jest powietrze z zewnątrz hali o niższej temperaturze niż przy doprowadzeniu powietrza obiegowego z wnętrza hali. Możliwe jest bowiem rozwiązanie układu na dwa sposoby:

1 – do wymiennika doprowadzane jest wewnętrzne powietrze obiegowe, a kominem koncentrycznym doprowadzane powietrze do promiennika do spalania gazu oraz usuwane są spaliny; w stropodachu wykonuje się wówczas jeden otwór dla jednego promiennika;

2 – kominem koncentrycznym dostarczane jest do wymiennika zewnętrzne powietrze oraz usuwane są spaliny; osobnym przewodem doprowadzane jest powietrze do palnika promiennika do spalania gazu; w stropodachu wykonywane są dwa otwory dla jednego promiennika.

Ten rodzaj układu odzysku ciepła buduje się indywidualnie dla każdego promiennika, nie łączy się promienników we wspólny układ odprowadzenia spalin.

Wymiennik montuje się na przedłużeniu promiennika w linii prostej lub równolegle do promiennika.

Równoległe umieszczenie promiennika i wymiennika ułatwia wykonanie odprowadzenia spalin przez przewód koncentryczny i doprowadzenie z zewnątrz powietrza do ogrzania w wymienniku lub do spalania.

Kondensat z wymiennika, przykładowo w ilości ok. 25 l/h dla promiennika o mocy 40 kW, zbierany jest przewodami z tworzywa sztucznego o średnicy ø 18 mm i grawitacyjnie odprowadzany przez neutralizator do sieci kanalizacyjnej. Przewód musi być podłączony przez zasyfonowanie.

Czytaj też: Zapotrzebowanie na energię cieplną do przygotowania c.w.u. w budynku mieszkalnym >>>

Dobór promienników i układu odzysku ciepła

Przy doborze systemu ogrzewania z rurowymi promiennikami gazowymi i układem odzysku ciepła ze spalin należy kolejno:

• obliczyć zapotrzebowanie na ciepło budynku zgodnie z PN-EN 12831 [12], przy czym literatura [5, 10, 13] podaje, że obliczone na podstawie normy [12] zapotrzebowanie na ciepło należy obniżyć o ok. 20–30% przy zastosowaniu systemu grzewczego z wykorzystaniem promienników gazowych podczerwieni;
• dobrać urządzenia z uwzględnieniem sprawności radiacyjnej promienników:
  - podanie typu i mocy urządzeń,
  - miejsca i wysokości montażu,
  - kąta nachylenia i rozstawu między nimi,
  - określenie zasięgu promieniowania na powierzchni podłogi;
• określić temperaturę odczuwalną, promieniowania oraz intensywność promieniowania i mocy zainstalowanych urządzeń w przeliczeniu na m² powierzchni podłogi.

W bilansie ciepła budynku i przy doborze mocy i liczby urządzeń nie uwzględnia się dodatkowej energii z układu odzysku ciepła. Efekty wykorzystania energii odpadowej będą widoczne w kosztach eksploatacyjnych.

Komfort cieplny w pomieszczeniach ogrzewanych przez promieniowanie

Na rys. 5 pokazano opracowany przez Bedforda i Lise [14,15] diagram wpływu temperatury powietrza wewnętrznego i temperatury ścian na komfort cieplny człowieka w pomieszczeniu w zależności od systemu ogrzewania przez promieniowanie lub konwekcję.

Jak wynika z wykresu, im wyższa temperatura ścian, tym niższa może być temperatura powietrza konieczna do zapewnienia komfortu cieplnego. Dlatego w pomieszczeniach ogrzewanych przez promieniowanie, gdy temperatura przegród jest wyższa niż powietrza wewnętrznego, a komfort cieplny człowieka osiągany przy niższych temperaturach powietrza niż przy ogrzewaniu konwekcyjnym, można uzyskać większe oszczędności energii – nawet do 6% [16].

Należy jednak zauważyć, że specyfiką ogrzewania za pomocą promienników gazowych hal o wymaganej jednakowej temperaturze w strefie przebywania ludzi jest takie rozmieszczenie urządzeń, które pozwoli zapewnić równomierne pokrycie powierzchni podłogi zakresem działania promienników i ogrzanie ścian do wysokości maks. 2 m w celu eliminacji zjawiska asymetrycznego pola promieniowania cieplnego [13].

Diagram na rys. 5 nie będzie więc miał bezpośredniego zastosowania przy projektowaniu ogrzewania za pomocą promienników gazowych, ale pokazuje, jak istotny jest wpływ rodzaju systemu grzewczego na komfort cieplny człowieka.

Prawidłowo zaprojektowane ogrzewanie przez promieniowanie ma umożliwić osiągnięcie w pomieszczeniu żądanej temperatury odczuwalnej to [2,13]. Temperaturę tę wyraża wzór:

    (2)

w którym:

t_p – temperatura powietrza, °C,

f – współczynnik Bedforda; f = 0,072 według metody pomiarowej A, bądź f = 0,24 według metody pomiarowej B, zgodnie z [13,17];

I – intensywność promieniowania, czyli moc przenoszona przez falę lub strumień cząstek, która przechodzi przez jednostkowy element powierzchni, W/m².

Czytaj też: Węzły cieplne w budynkach nowych i modernizowanych >>>

Analiza systemu z promiennikami i odzyskiem ciepła

Przeprowadzono obliczenia sezonowego zapotrzebowania na gaz i energię cieplną dla dwóch systemów ogrzewania, radiacyjnego i konwekcyjnego, dla hali o powierzchni posadzki A = 6300 m² i wysokości 8,4 m.

Założono czas pracy pracowników w hali 8 godz./dobę i dodatkowo uwzględniono nadwyżkę energii do ogrzania wyziębionej hali. Zapotrzebowanie na ciepło, obliczone zgodnie z PN-EN 12831 [12], wynosi 340 kW. Wymagana temperatura odczuwalna w hali to 20°C.

Zgodnie z wytycznymi producenta promienników gazowych, z uwzględnieniem sprawności urządzenia, dobrano 10 sztuk promienników rurowych o mocy 29 kW każdy.

Intensywność promieniowania wyznaczona zgodnie z metodą A [17] wynosi 11 W/m², co pozwala wyznaczyć na podstawie formuły (2) wymaganą temperaturę powietrza w hali 19,2°C.

Bazując na zmodyfikowanym wzorze Hottingera [18], obliczono sezonowe zapotrzebowanie na gaz i energię cieplną dla systemu radiacyjnego i konwekcyjnego (tab. 1).

Obliczono również i pokazano na rys. 6 zapotrzebowanie na paliwo dla systemu radiacyjnego z odzyskiem ciepła odpadowego z wymiennikiem spaliny/powietrze – kolumna po prawej.

Koszty inwestycyjne układu odzysku ciepła ze spalin mogą stanowić nawet do 70% całkowitych kosztów systemu grzewczego [10].

Dla przykładowej hali koszt układu odzysku ciepła, czyli 10 sztuk wymienników ciepła z wentylatorami do obiegu powietrza wewnętrznego, kominów i odpowiedniej automatyki, wynosi 13 500 euro.

Do oceny efektów ekonomicznych wynikających z zastosowania układu odzysku ciepła ze spalin zastosowano następujące wskaźniki opłacalności inwestycji [10]:

• prosty czas zwrotu nakładów – SPBT,
• wartość zaktualizowana netto – NPV,
• wewnętrzna stopa zwrotu – IRR – charakteryzująca stopień rentowności rozpatrywanego przedsięwzięcia.

Założono 10-letni okres amortyzacji i 5-proc. stopę dyskonta w rozpatrywanym okresie.

Przedstawiona hala kwalifikuje się do taryfy W‑5-1 zgodnie z taryfikatorem dostawców gazu.

Ceny gazu dla odbiorców końcowych w Polsce są zatwierdzane urzędowo przez prezesa URE. Jednakże sprzedawcy mogą oferować rabaty od cen taryfowych, co oznacza możliwość osiągnięcia istotnych korzyści wynikających ze zmiany sprzedawcy gazu [19].

Obecnie w Polsce jest ośmiu głównych sprzedawców gazu, co daje możliwość znalezienia oferty niższej o 5–10% od urzędowej taryfy PGNiG [19].

W tab. 2 zestawiono wskaźniki opłacalności dla przedstawionej inwestycji odzysku ciepła ze spalin promienników rurowych przy założeniu dwóch różnych cen paliwa gazowego: 11 gr/kWh i 13 gr/kWh.

Dla przyjętych założeń analiza ekonomiczna wykazała, że inwestycja odzysku ciepła ze spalin w okresie 10 lat przy stopie dyskonta 5% będzie opłacalna.

Suma zdyskontowanych przepływów pieniężnych netto będzie w każdym rozwiązaniu cenowym większa od zera, czas zwrotu inwestycji wyniesie 6–7 lat, również wskaźnik IRR planowego przedsięwzięcia wskazuje na opłacalność inwestycji.

Czytaj też: Wpływ prędkości przepływu wody na pracę miedzianej instalacji wody ciepłej i zimnej >>>

Podsumowanie

Nowoczesne rozwiązania technologiczne pozwalają odzyskiwać ciepło odpadowe z systemów grzewczych z użyciem promienników gazowych stosowanych w halach wielkokubaturowych.

Odzyskaną energię można wykorzystać w zależności od potrzeb budynku na inne cele dzięki różnym konstrukcjom wymienników ciepła i mediom transportujących ciepło.

Sezonowe zapotrzebowanie na paliwo w obiektach wielkokubaturowych jest tak duże, że odzysk ciepła wydaje się właściwym rozwiązaniem. Jednak zasadnicze znaczenie ma wybór odpowiedniego systemu grzewczego w takich budynkach.

Jak wykazała prosta analiza, zastosowanie systemu radiacyjnego powoduje roczne oszczędności energii na poziomie 23% w porównaniu do systemu konwekcyjnego, a zastosowanie systemu radiacyjnego z odzyskiem ciepła odpadowego to 38% zaoszczędzonej rocznie energii w porównaniu do systemu konwekcyjnego.

Analiza ekonomiczna również wykazała, że inwestycja w odzysk ciepła z promienników jest opłacalna, czas zwrotu nakładów jest bowiem relatywnie krótki, a wskaźniki efektywności ekonomicznej wskazują na zyskowność inwestycji. Należy jednak mieć na uwadze fakt, że każdą inwestycję trzeba rozpatrywać indywidualnie, gdyż na opłacalność przedsięwzięcia związanego z odzyskiem ciepła wpływa wiele czynników, m.in. cena paliwa gazowego w danym regionie.

Literatura

1. Kosieradzki J., Ogrzewanie hal przemysłowych – konwekcja czy promieniowanie?, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2012.
2. Dörholt M., Eppe K., Wer die Wahl hat, hat die Qual, „Moderne Gebäudetechnik“ No. 10/2008, p. 20–23.
3. Dudkiewicz E., Fidorów N., Jeżowiecki J., Wpływ sprawności promienników podczerwieni na koszt zużycia energii, „Rocznik Ochrona Środowiska”, 2013, t. 15, cz. 2, s. 1804–1817.
4. Dudkiewicz E., Promienniki rurowe w aspekcie wymagań normy PN-EN 416-2, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2014, s. 82–85.
5. Cihelka J., Ogrzewanie przez promieniowanie, Arkady, Warszawa 1965.
6. PN-EN 419-2:2012 Gazowe promienniki wysokotemperaturowe do stosowania w pomieszczeniach niemieszkalnych. Część 2: Racjonalne zużycie energii.
7. PN-EN 416-2:2010 Gazowe jednopalnikowe promienniki niskotemperaturowe do stosowania w pomieszczeniach niemieszkalnych. Część 2: Racjonalne zużycie energii.
8. www.kuebler-ogrzewanie-hal.pl/produkte.php, 16.09.2016.
9. www.schwank.pl/fileadmin/00_customer/pl/pdf/tetraSchwank_PL.pdf, 17.06.2016.
10. Dudkiewicz E., Fidorów N., Wykorzystanie ciepła ze spalin promienników do przygotowania ciepłej wody, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2015, s. 18–22.
11. Żuchowski S., Technika kondensacyjna. Korzyści płynące z zastosowania kotłów kondensacyjnych. Cz. 1, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2009.
12. PN-EN 12831 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.
13. Dudkiewicz E., Jeżowiecki J., Badania pola cieplnego w halach ogrzewanych promiennikami ceramicznymi, Komitet Inżynierii Środowiska PAN, Lublin 2007.
14. Global Scaling: Basis eines neuen wissenschaftlichen, Weltbildes BoD – Books on Demand, München, November 2009.
15. vidrocerto.org.br/o-isolante-termico-translucido, 8.09.2016.
16. www.solandheat.com/english/faq-infrared, 9.09.2016.
17. Heizungsanlagen mit Dunkelstrahlern. Planung – Installation – Betrieb, DVGW-Arbeitsblatt G 638/II, 03/1991.
18. Dudkiewicz E., Fidorów N., Jeżowiecki J., Analiza zużycia energii dla grzewczych systemów promieniujących, „Rocznik Ochrona Środowiska”, 2013, t. 15, cz. 3, s. 2293–2308.
19. enerad.pl/rynek-energii/rynek-gazu/gaz-dla-firmy, 23.09.2016.

Czytaj też: Analiza pracy sieci ciepłowniczej po termomodernizacji odbiorów ciepła >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!