Wykorzystanie ciepła ze spalin promienników do przygotowania ciepłej wody

W  halach wielkokubaturowych ogrzewanych promiennikami gazowymi możliwe jest odzyskanie ciepła ze spalin – zarówno w przypadku promienników rurowych, jak i ceramicznych poprzez zastosowanie odpowiednich wymienników ciepła. Ciepło odpadowe ze spalin można wykorzystać m.in. do przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Ogrzewanie z promiennikami

Systemy ogrzewania przez promieniowanie są w niektórych obiektach jedynym odpowiednim rozwiązaniem. Eliminują bowiem problemy związane z ogrzewaniem konwekcyjnym, gdyż przegrody i ludzie ogrzewani są za pomocą fal elektromagnetycznych, a ciepło do powietrza w pomieszczeniu oddawane jest w sposób pośredni przez otaczające elementy. W ten sposób w strefie przebywania ludzi utrzymuje się odpowiednia temperatura komfortu [1]. Powszechnie znane są następujące systemy ogrzewania przez promieniowanie: płaszczyznowe (sufitowe, podłogowe, ścienne) oraz za pomocą urządzeń promieniujących (promienników). Z kolei promienniki można podzielić na: elektryczne, gazowe i wodne (sufitowe taśmy promieniujące).

W zależności od konstrukcji promienników gazowych dzielą się one na promienniki o wysokiej intensywności (ceramiczne) i niskiej (rurowe) [7]. Zasadnicza różnica w ich budowie wynika ze sposobu spalania mieszanki powietrzno-gazowej. W promiennikach rurowych spalanie następuje wewnątrz rury, powietrze do spalania jest czerpane z zewnątrz, a spaliny usuwane są przez przewody wyprowadzone na zewnątrz budynku.

Do zasysania powietrza wlotowego i wyrzutu spalin muszą być stosowane przewody o odpowiedniej średnicy i długości oraz z właściwego materiału. W promiennikach ceramicznych spalanie następuje na powierzchni ceramicznej płyty. Powietrze do spalania pobierane jest z wnętrza hali, również spaliny pozostają wewnątrz pomieszczenia, generując specyficzny zapach. W pomieszczeniu z promiennikami ceramicznymi wymagana jest właściwa wymiana powietrza, co najmniej 30 m3/h na każdy 1 kW mocy znamionowej urządzenia. Konieczne jest również prawidłowe rozmieszczenie otworów nawiewnych i wywiewnych w zależności od rodzaju dostarczanego gazu [2].

System z promiennikami gazowymi ma małą bezwładność cieplną i nie wymaga ciągłego działania. Źródłem energii cieplnej jest dla promienników gaz ziemny, gaz płynny lub biogaz. Promienniki gazowe mogą być podwieszane do konstrukcji nośnej budynku za pomocą łańcuchów, drutów, linek lub uchwytów z kształtowników stalowych, a ich niewielki ciężar nie stanowi zagrożenia dla obiektu.

Promienniki stosowane są głównie do ogrzewania pomieszczeń wysokich i o dużej kubaturze. Montuje się je w halach produkcyjnych, logistycznych i sportowych, kościołach, hangarach, salonach wystawowych i obiektach produkcji rolniczej, a w Stanach Zjednoczonych również w pływalniach [3]. Dobrze sprawdzają się w budynkach o okresowym działaniu, zróżnicowanym przeznaczeniu lub o słabej izolacji cieplnej. W pomieszczeniach tych zapewniają bardzo dobre, w porównaniu do innych systemów grzewczych, efekty ogrzewania oraz niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Promienniki znajdują również zastosowanie na zewnątrz – ogrzewają trybuny sportowe, perony dworców, a także rozmrażają rampy załadunkowe.

Odzysk ciepła ze spalin

Odzysk ciepła ze spalin to wykorzystanie ciepła odpadowego i ciepła kondensacji. Technika ta znana jest od bardzo dawna, przy czym w ogrzewnictwie wykorzystuje się ją od kilkudziesięciu lat.

Hale wielkokubaturowe mogą mieć różną konstrukcję i izolacyjność cieplną, jednak z racji swoich wymiarów charakteryzują się dość dużym zapotrzebowaniem na ciepło.

Jeśli do ogrzewania wykorzystywane będą promienniki gazowe, urządzenia te będą generowały energię odpadową poprzez emisję gorących spalin, z których ciepło można odzyskiwać. Taką możliwość daje zastosowanie wymiennika ciepła spaliny/woda [4]. Ze względu na dużą moc promienników moc wymiennika ciepła będzie również racjonalnie duża.

W układzie z promiennikami rurowymi spaliny wentylatorem wywiewane są przez izolowany układ przewodów i transportowane przez rekuperacyjny wymiennik ciepła. W wymienniku „hydro” typu spaliny/woda czynnikiem wymiany ciepła jest woda, która podgrzewa wodę gromadzoną w zbiorniku buforowym (rys. 1).

Temperatura wody w zbiorniku może dochodzić do 90°C. Przed jej przegrzaniem chroni by-pass na wymienniku, a w układzie montuje się zawór trójdrogowy, który zabezpiecza wymiennik przed kondensacją. Spaliny odprowadzane są kominem na zewnątrz budynku. Odzyskaną energię cieplną zmagazynowaną w wodzie wypełniającej zbiornik buforowy można przeznaczyć do dalszego użytku, np. do ogrzania pomieszczeń biurowych i łazienek.

Układ można również dostosować na potrzeby przygotowania c.w.u. Zbiornik buforowy zastępowany jest wówczas podgrzewaczem pojemnościowym ciepłej wody użytkowej z dwiema wężownicami.

Rozwiązanie takie wymaga zastosowania dodatkowego źródła ciepła do przygotowania wody użytkowej poza sezonem grzewczym oraz w przypadku niedoboru energii ze źródła odpadowego. Maksymalna moc wymiennika wynosi 27 kW dla systemu grzewczego o mocy 180 kW [4].

Innym rozwiązaniem układu odzysku ciepła ze spalin jest zastosowanie wymiennika typu spaliny/powietrze (rys. 2).

Odzyskana energia może wówczas służyć wstępnemu ogrzaniu powietrza świeżego doprowadzanego do hali. Rozwiązanie to jest szczególnie ciekawe dlatego, że może być wykorzystywane w halach ogrzewanych promiennikami jasnymi. W wymienniku odzyskiwana jest i wykorzystywana energia z gazów odlotowych z promienników gazowych oraz z ciepła odpadowego procesów prowadzonych w hali – ciepło z oświetlenia, maszyn, obróbki.

Przygotowanie ciepłej wody z ciepła odpadowego

Istotnym elementem w projektowaniu instalacji odzysku ciepła ze spalin promienników jest fakt, że ciepło odzyskiwane jest tylko w trakcie pracy systemu grzewczego, czyli mniej więcej w okresie 1 października–31 marca. Moc przekazana przez wymiennik jest proporcjonalna do mocy aktualnie potrzebnej do ogrzania pomieszczenia hali, czyli przekazywanej przez instalację grzewczą.

Wykorzystanie ciepła odpadowego do przygotowania ciepłej wody wymaga dokładnego oszacowania ilości i dynamiki poboru ciepłej wody w obiekcie. Istotnym elementem będzie określenie odpowiedniej pojemności podgrzewacza ciepłej wody i jego zasilania dodatkowym źródłem ciepła.

Wśród obiektów z zamontowanymi promiennikami rurowymi można wyodrębnić grupy odbiorców, dla których charakter rozbioru wody jest podobny.

W halach produkcyjnych, zatrudniających dużą liczbę osób, zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową jest praktycznie jednakowe w ciągu roku. Charakteryzować się będzie okresowym użytkowaniem instalacji wody ciepłej zasilającej natryski i umywalki po zakończeniu każdej zmiany pracy. Instalacja pracuje okresowo, przy czym w całym okresie jej pracy występuje maksymalne zapotrzebowanie na ciepłą wodę [5].

Okresy użytkowania instalacji zależeć będą od liczby zmian pracy i dni roboczych/wolnych. Zazwyczaj po pierwszej zmianie rozbiór wody jest większy niż po zmianie drugiej i trzeciej, co spowodowane jest większa liczbą pracowników zatrudnionych na pierwszej zmianie i pewną liczbą pracowników biurowo-administracyjnych pracujących w tym czasie. Czas trwania okresów rozbioru jest na ogół określony i trwa ok. 20–30 minut. Pomiędzy głównymi okresami rozbiorów występuje zazwyczaj niewielkie zapotrzebowanie na ciepłą wodę spowodowane sporadycznym korzystaniem z instalacji przez niewielką liczbę pracowników hali i biura [5].

W halach sportowych, gimnastycznych i pływalniach rozbiór wody również będzie charakteryzował się okresowym użytkowaniem. Przy czym okresy użytkowania będą występowały po godzinnym treningu lub każdej lekcji wychowania fizycznego, czyli co 45–60 minut. Czas trwania rozbioru będzie wynosił ok. 10–15 minut, a w okresie poboru wody występować będzie maksymalne stałe zapotrzebowanie na ciepłą wodę [5].

W halach magazynowych, naprawczych, hangarach i obiektach produkcji rolniczej liczba zatrudnionych osób nie jest duża, ale mniejsza jest również liczba zainstalowanych promienników. Urządzenia zainstalowane są zazwyczaj nad pojedynczymi stanowiskami pracy bądź ich zadaniem jest utrzymanie temperatury odczuwalnej na poziomie 12°C.

Pobór ciepłej wody będzie okresowy, związany z użytkowaniem instalacji zasilającej umywalki po zakończonej zmianie pracy. Charakter pracy w takich obiektach, o ile nie jest ona silnie brudząca, nie wymaga instalowania natrysków. Opracowanie modelu rozbioru ciepłej wody i wskaźników jej zużycia dla tej grupy obiektów wymaga poznania założeń czasu i trybu pracy, liczby osób oraz wyposażenia sanitarnego i ewentualnie potrzeb technologicznych.

Rozbiór wody w halach wystawowych ma zupełnie inny charakter. Spowodowane jest to użytkowaniem hali, a co za tym idzie pracą promienników i obecnością ludzi w czasie pokazów czy wystaw. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową jest dość nierównomierne w ciągu roku, ale okres pracy promienników i poboru ciepłej wody będą się praktycznie pokrywać z wyjątkiem dni, w których hala będzie przygotowywana i ogrzewana przed otwarciem wystawy.

Brakuje obecnie miarodajnych wyników badań charakteru rozbioru ciepłej wody w obiektach wystawowych, umożliwiających opracowanie typowych wykresów rozbioru. Rozbiór ciepłej wody będzie się prawdopodobnie rozpoczynał na godzinę przed otwarciem wystawy i trwał przez 2–3 godziny po jej zamknięciu ze względu na potrzeby porządkowe. Rozbiór wody powinien być równomierny w czasie trwania wystawy, choć może się na przykład zdarzyć, że znaczna część gości będzie również uczestniczyć w konferencji i rozbiory ciepłej wody będą skorelowane z czasem przerw kawowych. Model rozbioru ciepłej wody wymaga określenia założeń pracy instalacji.

Przykład wykorzystania układu odzysku ciepła ze spalin

Przeprowadzono analizę energetyczną zapotrzebowania na energię oraz ekonomiczną opłacalności inwestycji w hali przemysłowej ogrzewanej promiennikami gazowymi. Do analizy przyjęto halę przemysłową dwunawową o wymiarach 21×35 m i wysokości 11 m. Obliczeniowa temperatura zewnętrzna wynosi –18°C (dla II strefy klimatycznej), założono temperaturę wewnętrzną 16°C. Do ogrzewania hali przyjęto gazowe promienniki rurowe [6]. Praca w hali odbywa się na jedną zmianę – 8 godzin, stąd przyjęto czas pracy promienników w ciągu roku 960 godzin, tj. 120 dni w sezonie grzewczym od 1 października do 31 marca.

Porównano następujące warianty zastosowanych promienników:

• wariant I – wysokosprawne gazowe promienniki rurowe z palnikiem modułowym – 5 sztuk, o łącznej mocy zainstalowanej 250 kW,
• wariant II – wysokosprawne gazowe promienniki rurowe z palnikiem jednostopniowym – 5 sztuk, o łącznej mocy zainstalowanej 250 kW,
• wariant III – niskosprawne gazowe promienniki rurowe z palnikiem jednostopniowym – 6 sztuk, o łącznej mocy zainstalowanej 300 kW.

Dla każdego wariantu wykonano obliczenia zapotrzebowania na energię do ogrzewania hali i przygotowania ciepłej wody w systemie bez odzysku ciepła oraz z zastosowaniem wymiennika „hydro” o mocy 37,5 kW do podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

Przyjęto 100 pracowników hali na jednej zmianie, przy czym każdy z nich zużywa 50 litrów wody o temperaturze 40°C do kąpieli po skończonej pracy. Na koniec zmiany, o godzinie 14.00, w podgrzewaczach musi się znajdować 5000 l ciepłej wody o temperaturze minimum 45°C.

Przyjęto temperaturę wody zimnej 5°C. Jako źródło ciepła do przygotowania ciepłej wody w sezonie letnim i w przypadku niedoboru energii odpadowej przyjęto konwencjonalny kocioł gazowy o mocy 116 kW, który włączy się 2 godziny przed końcem zmiany.

Z przeprowadzonej analizy bilansu ciepła w sezonie zimowym (październik–marzec) wynika, że ilość ciepła pochodząca ze źródła odpadowego jest większa niż zapotrzebowanie na energię do przygotowania ciepłej wody. Nadmiar tej energii musi zostać rozproszony. W tab. 1 przedstawiono wyniki obliczeń średniego rocznego zapotrzebowania na energię do ogrzania hali i przygotowania ciepłej wody oraz udziału energii odpadowej i konwencjonalnej.

Jak wynika z bilansu ciepła pochodzącego ze źródła odpadowego i konwencjonalnego, ilość ciepła z odzysku z wymiennika jest większa niż 50% dla rozpatrywanych systemów ogrzewania z promiennikami o różnej sprawności. Na tej podstawie można stwierdzić, że zastosowanie rozwiązania z odzyskiem ciepła ze spalin jest uzasadnione i korzystne dla inwestora.

Analiza ekonomiczna ma na celu wykazanie efektów ekonomicznych zastosowania układu odzysku ciepła ze spalin przy zastosowaniu systemów ogrzewania hali za pomocą promienników o różnej sprawności.

W celu określenia przewidywanych efektów ekonomicznych związanych z zastosowaniem układu odzysku ciepła ze spalin do podgrzewu ciepłej wody użytkowej w wymienniku „hydro” zastosowano wskaźniki opłacalności inwestycji:

• prosty czas zwrotu nakładów – SPBT,
• wartość zaktualizowaną bieżącą inwestycji netto – NPV,
• wewnętrzną stopę zwrotu – IRR – charakteryzującą stopień rentowności rozpatrywanego przedsięwzięcia.

Prosty czas zwrotu nakładów na przedsięwzięcie termomodernizacyjne (SPBT) to okres, po jakim sumaryczne oszczędności wynikające ze zmniejszenia zużycia energii zrównują się z zainwestowanym kapitałem i zaczynają przynosić inwestorowi zysk w postaci niższych opłat za zużytą energię, przy założeniu stałych cen energii i pominięciu wpływu inflacji. Okres, w którym poniesione nakłady się zwrócą, wyraża się wzorem [7]:

gdzie:

N – nakłady inwestycyjne, zł;

DO – suma rocznych oszczędności, zł/rok.

Wartość bieżąca inwestycji netto NPV to różnica między wpływami w okresie funkcjonowania obiektu i wydatkami. NPV wyraża się wzorem [7]:

gdzie:

CF_t – oczekiwany przepływ środków finansowych związanych z inwestycją w roku t, zł;

R – stopa dyskontowa;N – nakłady inwestycyjne, zł;

n – liczba lat objętych analizą ekonomiczną.

Wewnętrzna stopa zwrotu IRR obliczana jest zgodnie ze wzorem [7]:

Do analizy przyjęto 20-letni okres amortyzacji i 5-proc. stopę dyskonta w rozpatrywanym okresie. Wykorzystano taryfy Operatora Gazociągów Przesyłowych Gaz-System S.A. oraz Operatora Systemu Dystrybucyjnego Dolnośląskiej Spółki Gazownictwa Sp. z o.o., dla których przykładowe przedsiębiorstwo kwalifikuje się do taryfy W5-1. Koszt układu odzysku ciepła ze spalin jest jednakowy dla trzech systemów grzewczych i obejmuje cenę wymiennika oraz kompletną instalację do odzysku ciepła ze spalin.

W tab. 2 zestawiono wskaźniki efektywności inwestycji odzysku ciepła ze spalin dla trzech wariantów zastosowanych urządzeń grzewczych.Dla przyjętych założeń analiza ekonomiczna wykazała, że inwestycja odzysku ciepła ze spalin w okresie 20 lat przy stopie dyskonta 5% będzie nieopłacalna. Suma zdyskontowanych przepływów pieniężnych netto będzie w każdym rozwiązaniu mniejsza od 0.

W sezonie grzewczym ilość energii pochodzącej z ciepła odpadowego nie tylko pokrywa całkowite zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej dla pracowników hali, ale nawet musi być częściowo rozproszona, gdyż jest jej za dużo. Z energetycznego punktu widzenia jest to bardzo niekorzystne, bo jest to ciepło tracone.

Wskazane jest, by przy zastosowaniu instalacji do odzysku ciepła odzyskiwana była całkowita ilość energii odpadowej. Dlatego wykonano analizę przy założeniu, że energia odpadowa będzie wykorzystywana do przygotowania ciepłej wody użytkowej dla 200 osób. Wyniki obliczeń dla zmienionych założeń przedstawiono w tab. 3.

W przypadku zmienionych założeń energia odpadowa pokrywa w mniejszym stopniu całkowite zapotrzebowanie na ciepło na przygotowanie ciepłej wody (34–43%), jednak wykorzystana jest prawie całkowicie. Przeprowadzono więc analizę opłacalności takiej inwestycji. W tab. 4 zestawiono wskaźniki efektywności inwestycji odzysku ciepła ze spalin przy trzech wariantach zastosowanych urządzeń grzewczych dla większego zużycia ciepłej wody użytkowej.

Jak wynika z przeprowadzonej analizy, inwestycja jest opłacalna w przypadku pełnego wykorzystania energii odpadowej dla trzech rozważanych wariantów systemu grzewczego.

Wnioski

Dla opisanych wariantów ogrzewania hali inwestycja w system do odzysku ciepła ze spalin z promienników stanowi 35–70% kosztów całej instalacji grzewczej.

W artykule rozważono dwa przypadki: całkowitego wykorzystania energii odpadowej przy większym zapotrzebowaniu na ciepło na przygotowanie c.w.u. oraz niecałkowitego wykorzystania przy mniejszym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę. Wyniki analizy wskazują, że konieczne jest wykorzystanie energii odpadowej w jak największym stopniu, żeby inwestycja stała się opłacalna. W przypadku niskiego zapotrzebowania na ciepło na przygotowanie ciepłej wody lub jego braku należałoby rozważyć wykorzystanie ciepła ze spalin na przykład do ogrzewania pomieszczeń biurowych lub do celów technologicznych.

Wyniki obliczeń wskazują na konieczność przeprowadzania analizy energetycznej i ekonomicznej przy każdej inwestycji tego typu. Należy mieć na uwadze, że każdą inwestycję należy rozpatrywać indywidualnie, w zależności od zapotrzebowania na ciepło do ogrzania hali i budynków przyległych, zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz ceny paliwa gazowego w danym regionie.

Literatura

1. Dudkiewicz E., Promienniki rurowe w aspekcie wymagań normy PN-EN 416-2, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2014.
2. Dudkiewicz E., Jeżowiecki J., Badania pola cieplnego w halach ogrzewanych promiennikami ceramicznymi, Komitet Inżynierii Środowiska PAN, Lublin 2007.
3. Dudkiewicz E., Jeżowiecki J., Promienniki gazowe w halach basenowych, „Air conditioning protection & district heating 2008” XII International Conference, Wrocław–Szklarska Poręba, 26–29 June 2008, Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych Oddział Dolnośląski, Wrocław 2008.
4. Racjonalne wykorzystanie synergii, www.schwank.pl.
5. Mańkowski S., Projektowanie instalacji ciepłej wody użytkowej, Arkady, Warszawa 1981.
6. Zasada działania promienników rurowych. Innowacyjne i energooszczędne ogrzewanie przemysłowe, www.schwank.pl.7. Koczyk H. red., Ogrzewnictwo praktyczne – projektowanie, montaż, eksploatacja, Systherm, Poznań 2005.Artykuł pochodzi z: miesięcznika Rynek Instalacyjny 7-8/2015

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!