Rozwiązania stosowane w ogrzewaniu obiektów magazynowych

Koncepcja ogrzewania budynków magazynowych wymaga uwzględnienia wielu czynników. Dostawa nośnika energii lub ciepła musi być niezawodna, ponieważ każdy przestój w pracy magazynów oznacza duże straty ekonomiczne, a w przypadku niektórych przechowywanych towarów także zagrożenie dla ich jakości i bezpieczeństwa. Dlatego szczególnie w przypadku większych magazynów inwestorzy wybierają rozwiązania z dywersyfikacją źródeł ciepła i energii.

Magazyny wymagają także często strefowania i zróżnicowania warunków temperaturowych w poszczególnych strefach czy punktach – wiąże się to z charakterem przechowywanych towarów, a także z koniecznością zapewnienia odpowiednich warunków na stanowiskach pracy (np. siedzącej dla pracowników biurowych). Wiele magazynów nie wymaga ciągłego ogrzewania, dodatkowo ważna jest możliwość jego szybkiego, łatwego i bezpiecznego wyłączenia, jak i ponownego uruchomienia. Dlatego zastosowana instalacja ogrzewcza powinna cechować się niską bezwładnością cieplną oraz odpornością na przestoje (np. musi być chroniona przed zamarzaniem medium grzewczego).

Obiekty magazynowe mają określoną konstrukcję i wyposażenie (wysokość, rozmieszczenie słupów, obecność suwnic i innych instalacji, takich jak tryskacze czy klapy dymowe), mogą się także cechować zmiennością przeznaczenia (szczególnie obiekty przeznaczone na wynajem). Oznacza to, że najlepiej do ich ogrzewania nadają się rozwiązania zdecentralizowane, które można łatwo zamocować do konstrukcji (strop, ściany, słupy) bez jej obciążania, a w razie potrzeby zmienić aranżację, zachowując efektywność pracy.

Ważnym czynnikiem są także kwestie ekonomiczne i niezależności energetycznej – inwestorzy dążą do maksymalnego obniżenia kosztów operacyjnych (w tym wydatków ponoszonych na ogrzewanie) i coraz częściej chcą, by ich obiekt ogrzewany był odnawialnym źródłem energii. Istotne jest również zrównoważenie środowiskowe, na które wpływ ma zarówno źródło ciepła, jak i instalacja grzewcza – magazyny należące do dużych sieci operatorów logistycznych lub do dużych inwestorów muszą być projektowane i budowane zgodnie z polityką środowiskową przedsiębiorstwa, dodatkowo coraz popularniejsza jest certyfikacja wielokryterialna w systemie BREEAM lub LEED. Dla uzyskania punktów w tych systemach ważne jest zastosowanie źródeł ciepła wykorzystujących OZE oraz efektywność energetyczna ogrzewania.

Dlatego inwestorzy i projektanci często decydują się na zdecentralizowane instalacje grzewcze (spełniające wymogi użytkowe), zasilane ze źródeł ciepła lub nośników energii wykorzystujących OZE. Instalacje grzewcze bazują zwykle na nagrzewnicach i promiennikach, a po stronie źródeł i nośników energii wykorzystuje się pompy ciepła, prąd produkowany w instalacjach PV (własny – pochodzący z instalacji budynkowej lub kupowany od zawodowego dostawcy z farmy PV) i w miarę możliwości technicznych ciepło odpadowe.

Ogrzewanie nadmuchowe magazynów – nagrzewnice

Nagrzewnice powietrza (aparaty grzewczo-wentylacyjne) są nadmuchowymi urządzeniami ogrzewania miejscowego montowanymi pod stropem lub do ścian albo słupów konstrukcyjnych. Zapewniają nawiew do pomieszczenia nagrzanego powietrza, pracując na powietrzu wewnętrznym, zewnętrznym lub mieszanym, w niektórych rozwiązaniach także z odzyskiem ciepła. W takim przypadku komora mieszania umożliwia recyrkulację części powietrza z pomieszczenia i wymieszanie strumieni powietrza zewnętrznego i wewnętrznego, co zwiększa efektywność energetyczną procesu. Wskaźnikiem efektywności energetycznej nagrzewnicy jest minimalna sezonowa efektywność energetyczna ogrzewania pomieszczeń η_s,h, która zgodnie z rozporządzeniem KE 2015/1188 [1] wynosi (obecnie na rynku dostępne są wyłącznie nagrzewnice spełniające te wymagania):

• 72% – dla nagrzewnic z wyjątkiem urządzeń B1 o znamionowej mocy cieplnej poniżej 10 kW oraz urządzeń C2 i C4 o znamionowej mocy cieplnej poniżej 15 kW;
• 68% – dla nagrzewnic B1 (do podłączenia do komina z ciągiem naturalnym wyprowadzającym spaliny poza pomieszczenie i wykorzystujących powietrze z pomieszczenia do spalania) o znamionowej mocy cieplnej poniżej 10 kW i nagrzew­nic C2 i C4 (pobierających powietrze do spalania ze wspólnego systemu przewodów i odprowadzających spaliny do systemu przewodów) o znamionowej mocy cieplnej poniżej 15 kW;
• 30% – dla nagrzewnic elektrycznych [1].

W budynkach przemysłowych stosuje się najczęściej nagrzewnice wodne lub gazowe – rodzaj urządzenia wybierany jest w pierwszej kolejności zależnie od możliwości doprowadzenia czynnika grzewczego. Dodatkowo w przypadku nagrzewnic wodnych należy zwrócić uwagę na ryzyko zamarzania przy okresowym wyłączeniu instalacji grzewczej (zamarzająca woda może rozsadzić wymiennik i zniszczyć urządzenie). Jedną z możliwości efektywnej ochrony jest zastosowanie medium grzewczego o niskiej temperaturze zamarzania (np. roztwór glikolu etylenowego), co jednak wymaga uwzględnienia większych oporów w instalacji i mniejszej sprawności wymiany ciepła. Z kolei nagrzewnice gazowe wymagają skutecznego odprowadzenia spalin: w przypadku urządzeń z zamkniętą komorą spalania – przewodów powietrzno-spalinowych przechodzących przez ścianę zewnętrzną, a w przypadku komory otwartej – zapewnienia odpowiedniej wentylacji hali. Jeśli łączna nominalna moc cieplna urządzeń zainstalowanych w pomieszczeniu przekracza 60 kW, należy zgodnie z § 158 WT zastosować urządzenia sygnalizacyjno-odcinające dopływ gazu [2]. Dodatkowe wymagania formalne czy techniczne może postawić także firma ubezpieczeniowa.

Nagrzewnice są urządzeniami prostymi pod względem zasady działania, jednak konstrukcja i jakość wykonania każdego z elementów ma duży wpływ na ich trwałość, prawidłową pracę, sprawność i efektywność energetyczną. Obudowa może być wykonana ze stali (która jednak wymaga zabezpieczenia antykorozyjnego) lub z tworzywa sztucznego zapewniającego nie tylko izolacyjność i małą masę, ale też wytrzymałość mechaniczną – ABS i EPP (polipropylen spieniony). Wymienniki ciepła muszą gwarantować efektywną wymianę ciepła, a także odporność na środowiskowe czynniki korozyjne (tj. zapylenie, wilgotność i wysokie stężenie związków korozyjnych, np. amoniaku). Producenci oferują rozwiązania wymienników o konstrukcji specjalnie przystosowanej do współpracy z niskotemperaturowymi źródłami ciepła, w tym z urządzeniami OZE, takimi jak pompy ciepła. W takim przypadku wymiennik nagrzewnicy jest dwu- lub trzyrzędowy, co zapewnia zwiększenie powierzchni wymiany ciepła, dzięki czemu jej sprawność pozostaje wysoka nawet przy niższej temperaturze medium grzewczego. Trzyrzędowa konstrukcja wymiennika może spowodować większe opory przepływu niż w przypadku nagrzewnic o tradycyjnej konstrukcji, co powinno się przełożyć na zastosowanie odpowiednio energooszczędnego wentylatora, np. z silnikiem EC.

Ważnym elementem efektywnej pracy nagrzewnic jest także sterowanie i automatyczna regulacja. Sterowanie może obejmować różne rozwiązania – od prostej regulacji dwupołożeniowej (włącz/wyłącz) czy trzybiegowej, poprzez sterowniki 0–10 V i regulatory PWM (pulse-width modulation) umożliwiające zoptymalizowanie ilości ciepła dostarczanego do pomieszczenia i szybką reakcję urządzeń na zmienność warunków pracy, po zaawansowane wielozadaniowe sterowniki inteligentne i moduły pozwalające na wpięcie nagrzewnic do systemu BMS (Building Management System).

Zobacz także: Ogrzewanie i wentylacja budynków wielorodzinnych

Promienniki podczerwieni

Jako rozwiązanie liniowe lub punktowe sprawdzą się także promienniki wykorzystujące promieniowanie podczerwone krótkofalowe (IR-A). Ogrzewany jest bezpośrednio obiekt, do którego dociera promieniowanie cieplne – w odbiorze człowieka oznacza to szybkie uzyskanie komfortu cieplnego. Dlatego promienniki dobrze sprawdzają się jako ogrzewanie punktowe (np. skierowane na stanowiska pracowników wykonujących pracę siedzącą na terenie fabryki czy hali magazynowej), obejmujące powierzchnię ok. 25–35 m². Dostępne są także rozwiązania liniowe obsługujące większe strefy.

Promienniki mogą być zasilane gazem (ziemnym lub płynnym) albo energią elektryczną. Urządzenia gazowe wymagają zapewnienia instalacji gazowej i systemu odprowadzenia spalin. Promienniki elektryczne ze względu na brak dodatkowych instalacji rurowych dobrze sprawdzą się w budynkach modernizowanych. Sezonową efektywność energetyczną ogrzewania pomieszczeń (η_S) dla promienników określono w rozporządzeniu KE 2015/1188 [1] (patrz tabela).

Ogrzewanie przez promieniowanie jest efektywne ze względu na małe straty ciepła oraz możliwość wykorzystania zdolności akumulacyjnych budynku, np. przegród i materiałów, które najpierw pochłaniają, a następnie oddają do otoczenia pochodzące z promienników ciepło. O efektywności jego pracy mówi współczynnik promieniowania Rf – stosunek ilości ciepła emitowanego z urządzenia do dostarczonej do niego energii (pozostała energia tracona jest na straty radiacyjne i konwekcyjne). Współczynnik promieniowania nie powinien być niższy niż 0,4 – dla urządzeń dostępnych na rynku wynosi on zwykle 60,6–83,4% (promienniki ceramiczne) lub 55–83% (promienniki rurowe), przy czym zwyczajowo określenie „wysokosprawny promiennik gazowy” odnoszone jest do urządzeń o R_f powyżej 70%, a za promiennik o niskiej sprawności uważa się urządzenie o R_f poniżej 65% [3]. Na wartość współczynnika R_f wpływają elementy konstrukcyjne zapewniające „szczelność” w kontekście strat energii i nadanie właściwego kierunku strumieniowi ciepła. Promienniki takie są zwykle droższe w zakupie, jednak może się okazać, że do osiągnięcia takiego samego efektu grzewczego potrzeba mniejszej liczby urządzeń wysokosprawnych niż promienników o niskiej sprawności.

Powierzchnią emitującą promieniowanie może być żarnik kwarcowo-halogenowy (promienniki ceramiczne) lub rury stalowe uzupełnione o deflektory kierunkujące fale (promienniki rurowe). Ogrzewanie takie jest bezpieczne pod względem zdrowotnym, nie należy jednak narażać oczu na przewlekłą ekspozycję na bezpośrednie źródło promieniowania (np. żarnik). Przed przypadkowym dotknięciem źródła (które ma wysoką temperaturę) chronią odpowiednie osłony. W projektowaniu trzeba zwrócić uwagę na właściwą wysokość zamontowania promiennika – intensywność promieniowania [W/m²] powinna być bowiem taka, aby temperatura odczuwalna na wysokości głowy użytkownika (1,8 m nad posadzką) wynosiła maks. 25°C. Żeby osiągnąć ten efekt, intensywność promieniowania nie powinna przekraczać 300 W/m² na wysokości 1,8 m nad posadzką bądź 200 W/m² na wysokości 1,5 m [3].

Konstrukcje promienników są lekkie, a jednocześnie nie pojawia się zjawisko konwekcji, można je zatem zamocować pod stropem – im większa wysokość hali, tym wyraźniej widać przewagę promienników nad ogrzewaniem konwekcyjnym pod względem sprawności [4].

Pompy ciepła i instalacje PV w magazynach

Połączenie komfortu termicznego użytkowników budynku magazynowego, prawidłowych warunków temperaturowych oraz racjonalnie niskiego zużycia energii można uzyskać dzięki zastosowaniu pomp ciepła – sprężarkowych (zasilanych energią elektryczną) lub absorpcyjnych (zasilanych energią cieplną pochodzącą np. ze spalania gazu ziemnego lub z ciepła odpadowego). Przemysłowe pompy ciepła powinny być także przygotowane do dużej zmienności zapotrzebowania na moc instalacji grzewczej zarówno w skali doby, jak i roku, co oznacza konieczność zastosowania pomp ciepła wyposażonych w sprężarki inwerterowe (płynna regulacja obrotów w szerokim zakresie modulacji) i funkcje zapewniające tzw. miękki rozruch (soft start). Ważne jest również odpowiednie sterowanie pracą pomp ciepła, szczególnie w przypadku urządzeń pracujących w kaskadzie. W takim przypadku należy dobrze zaplanować harmonogram pracy poszczególnych urządzeń – równomierne wykorzystanie zwiększa ich żywotność.

Na rynku dostępne są także pompy ciepła do zastosowań przemysłowych, które m.in. dzięki odpowiednim czynnikom chłodniczym (np. R744 – dwutlenek węgla) lub zastosowaniu sprężarek z wtryskiem par czynnika (EVI) mogą zapewnić wysoką temperaturę wody grzewczej, co umożliwia ich wykorzystanie zarówno do systemów ogrzewania wodnego (np. nagrzewnice), jak i produkcji c.w.u. Rozwiązania z czynnikiem chłodniczym R744 mogą wytwarzać wodę o temperaturze nawet do 90°C, a wtrysk par zapewnia uzyskanie temperatury wody grzewczej do 65–70°C.

Instalację sprężarkowych pomp ciepła warto połączyć z wykonaniem instalacji fotowoltaicznych, które mogą zapewnić zmniejszenie zużycia energii elektrycznej nawet o 50%. Zainteresowanie tymi rozwiązaniami dla magazynów znacznie wzrosło w 2022 r. po dużej podwyżce cen prądu i nawet po ich zamrożeniu w 2023 r. czas zwrotu z inwestycji wynosi ok. 3 lat. Instalacja PV dla nowego magazynu wymaga przygotowania dachu o wzmocnionej konstrukcji, a dla magazynów istniejących – przeprowadzenia audytów pod tym kątem. Magazyny mają zwykle dużą wolną powierzchnię dachu płaskiego, co umożliwia im produkcję istotnych (odpowiednio do wielkości magazynu) ilości energii z PV. Duże centra logistyczno-dystrybucyjne dysponują ogromnymi instalacjami, np. panele fotowoltaiczne o mocy 1,8 MW pracują na dachu centrum Amazon w Świebodzinie, a LPP na dachu swojego centrum w Brześciu Kujawskim ma 4 tys. paneli PV o łącznej mocy 1,5 MW i powierzchni ponad 7 tys. m². Jednak nawet jeśli wytrzymałość dachu jest niewystarczająca do montażu paneli wraz z odpowiednią konstrukcją wsporczą (niezbędną w przypadku dachu płaskiego), nadal możliwe jest korzystanie z energii produkowanej z OZE. Można zainwestować we własną konstrukcję naziemną, jak np. farma o mocy do 50 MWp powstała w 2021 r. w Żernikach pod Poznaniem dla obiektu BTS DHL Supply Chain i Zalando, lub kupować energię z zawodowej farmy fotowoltaicznej – robi tak np. Amazon, od 2022 r. kupujący energię z farmy w Miłkowicach w powiecie legnickim.

Odzysk ciepła odpadowego dla magazynu

W budynkach magazynowo-produkcyjnych, ale także w magazynach z atmosferą kontrolowaną (chłodnie i mroźnie) wytwarzane są duże ilości ciepła odpadowego. Jak wskazuje cytowany w raporcie poświęconym ciepłu odpadowemu Dariusz Koc, dyrektor zarządzający Krajowej Agencji Poszanowania Energii (KAPE), ciepło odpadowe to energia, która została już wyprodukowana [5]. Warto więc jej nie tracić.

Do odzysku ciepła odpadowego mogą być przystosowane układy technologicznej wody chłodzącej, a także układy chłodnicze – szczególnie rozwiązania nadkrytyczne oparte na czynniku chłodniczym R744 (dwutlenek węgla). Najczęściej ciepło odpadowe wykorzystywane jest do przygotowania ciepłej wody użytkowej w danym obiekcie, w niektórych sytuacjach ekonomiczne jest również wykorzystanie go do ogrzewania. Zadania związane z wymianą ciepła między układem chłodzenia lub układem technologicznym a instalacją przygotowania c.w.u. pełnią zwykle płytowe lutowane wymienniki ciepła (BPHE). Ciepło odpadowe może też stanowić dolne źródło dla pompy ciepła stosowanej do ogrzewania obiektu – np. w zakładzie produkcyjnym w Oleśnicy wykorzystano ciepło pochodzące z procesów technologicznych (woda z instalacji chłodzenia wtryskarek) jako dolne źródło dla kaskady dwóch gruntowych pomp ciepła. Wbudowany system transferu ciepła z gazu gorącego (na wymienniku przeciwprądowym o mocy 51 kW) pozwala natomiast na przygotowanie c.w.u. dla obiektu [6].

Rozwiązaniem bardziej zaawansowanym pod względem organizacyjnym i stanowiącym większe wyzwanie inwestycyjne może być sprzedaż ciepła odpadowego odbiorcom zewnętrznym, np. do komunalnych sieci ciepłowniczych. Jak wskazuje w raporcie Danfoss, ciepło odpadowe z trzech największych źródeł Warszawy to 3,3 TWh – wielkość ta pozwoliłaby zapewnić ciepło sieciowe dla ok. 380 tys. gospodarstw domowych [5].

Inaczej rozumiane ciepło odpadowe – i na mniejszą skalę – mogą wykorzystywać także gazowe promienniki podczerwieni. W tym przypadku za transfer ciepła odpowiadają wymienniki gaz/gaz – ciepło może być odzyskiwane z gorących spalin w systemie ich odprowadzania, z mieszaniny spaliny-powietrze oraz z gorącego powietrza znajdującego się bezpośrednio w otoczeniu promienników [3, 4]. Potencjał tak rozumianego odzysku ciepła jest wyższy dla urządzeń o niższej sprawności radiacji R. Wynika to z faktu, że temperatura spalin dla modeli o wysokiej sprawności radiacji (R = 72%) wynosi na wyjściu ok. 200°C, a w przypadku niższej sprawności (R = 52–59%) jest to ok. 350°C. Dzięki tak rozumianemu odzyskowi ciepła można wyraźnie ograniczyć zużycie gazu w obiekcie.

W promiennikach przeznaczonych do obiektów inwentarskich palniki, ścieżki gazowe i emitery wykonuje się ze stali nierdzewnej, a deflektor zwiększający sprawność radiacyjną – z aluminium. Takie rozwiązania zapewniają odporność np. na amoniak i związki siarki i sprawdzą się także w budynkach magazynowych, w których przechowuje się produkty wydzielające te substancje.

Literatura

1. Rozporządzenie Komisji (UE) 2015/1188 z dnia 28 kwietnia 2015 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla miejscowych ogrzewaczy pomieszczeń (Dz.Urz. L 193/76 z 21.07.2015)

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2019, poz. 1065, z późn. zm.)

3. Dudkiewicz Edyta, Wymagania dotyczące ekoprojektu dla gazowych promienników podczerwieni, „Rynek Instalacyjny” 9/2018, www.rynekinstalacyjny.pl

4. Dudkiewicz Edyta, Fidorów Natalia, Jeżowiecki Janusz, Wpływ sprawności promienników podczerwieni na koszt zużycia energii, „Rocznik Ochrony Środowiska” 1/2013 (t. 15)

5. Vad Sørensen Sara, Największe na świecie niewykorzystane źródło energii. Ciepło odpadowe, Danfoss, 2023

6. Zmiana źródła ciepła budynku przemysłowego w Oleśnicy – Deklaracja do CEEB, https://dimen.pl/zmiana-zrodla-ciepla-budynku-przemyslowego-w-olesnicy/ (dostęp: 10.10.2023)