Odzysk ciepła polega na powtórnym wykorzystaniu energii cieplnej niesionej przez gazy i powietrze w procesie wentylacji. Dzięki temu można ograniczyć pobór energii z zewnętrznych źródeł oraz emisję ciepła odpadowego do atmosfery.
Dbałość o środowisko naturalne, ciągły wzrost cen energii i paliw oraz wymagane ograniczenia w emisji dwutlenku węgla do atmosfery skłaniają do stosowania energooszczędnych technologii, zwiększania efektywności energetycznej procesów produkcji i przetwarzania w przemyśle oraz odzyskiwania energii z różnych procesów i instalacji. Duży potencjał oszczędności upatruje się w zakładach przemysłowych, wykorzystujących w swoich procesach produkcyjnych duże ilości ciepła, energii elektrycznej i wody. W takich obiektach jak najbardziej uzasadnione jest dążenie do optymalnego wykorzystania pobranej i wytworzonej w procesach technologicznych energii dzięki maksymalizacji stopnia jej odzysku.
W nowoczesnych układach odzysku ciepła, mających na celu wykorzystanie ciepła zawartego w powietrzu wywiewanym do wstępnego podgrzania bądź ochłodzenia powietrza nawiewanego, wykorzystuje się takie rozwiązania, jak regeneratory obrotowe, rekuperatory, wymienniki ciepła z czynnikiem pośredniczącym oraz pompy ciepła.
Dwie grupy instalacji odzysku ciepła
Jak wyjaśnia Mateusz Bartczak, specjalista ds. odzysku ciepła/automatyk w firmie I-SERWIS ASFI, instalacje odzysku ciepła można ogólnie podzielić na dwie grupy. Pierwszą stanowią instalacje, w przypadku których ciepło odzyskiwane jest od wąskiej grupy maszyn ciepłodajnych, natomiast drugą – instalacje pozwalające na odzysk ciepła od technologii produkcyjnej.
Pierwsza grupa to urządzenia typu sprężarki powietrza, zgrzewarki, ciągarki, itp. Mimo zaawansowanej konstrukcji oraz udoskonaleń technologicznych, w rozumieniu energetycznym są bardzo nisko sprawnymi maszynami. Wynikiem niskiej sprawności jest głównie ciepło odpadowe, które często można odzyskać. Idealnym przykładem są sprężarki powietrza. Potencjał energetyczny zawarty w sprężonym powietrzu to 510% energii pobranej z sieci. Pozostałe 9095% to ciepło odpadowe, z czego 5080% energii znamionowej takiej sprężarki jest możliwe do odzyskania. Parametr wyjściowy możliwy do uzyskania może wynosić nawet do 80°C, a czasem i więcej, co zapewnia całoroczne wykorzystanie odpadowej energii do podgrzania c.w.u., technologii, czy też w okresie zimowym do wspomagania c.o. Z praktyki wynika, że 70% zakładów produkcyjnych ma mniejsze zapotrzebowanie na c.w.u. niż możliwa do odzyskania moc cieplna, co ogranicza instalację do wytypowania najbardziej obciążonych i ciepłodajnych maszyn, zapewniając tym samym znakomity okres zwrotu.
Druga grupa to dojrzewalnie, malarnie, piece (suszarnie), sterylizatory (autoklawy). Są to podstawowe technologie i procesy, gdzie tracone jest ciepło. Konieczność utrzymania określonych parametrów produkcji powoduje kuriozalne wręcz sytuacje, kiedy komora technologiczna jest jednocześnie dogrzewana i wietrzona. Jak podkreśla Mateusz Bartczak, najważniejszym aspektem jest określenie miejsca, gdzie można odzyskaną energię skierować, tak by nie zakłóciło to procesu obróbki produktu. Przykładem mogą być sterylizatory, w przypadku których po zakończeniu procesu sterylizacji duża masa gorącej wody (14 m3) kierowana jest na chłodnie kominowe (pobierając energię elektryczną), a następnie wychłodzona woda trafia do kanalizacji. Absurd polega na tym, że 10 minut po zakończeniu opróżniania sterylizatora jest on zalewany na nowo zimną wodą i podgrzewany gazem/prądem do wysokich temperatur. Odpowiednio zautomatyzowany układ odzysku z właściwie dobranym buforem pozwoliłby ograniczyć zużycie zarówno energii cieplnej, jak i elektrycznej przez ograniczenie pracy chłodni kominowej.
Źródłem marnotrawionej energii są np. te kominy, które od wielu lat nieustannie wyrzucają spaliny o potencjale energetycznym wynoszącym nawet 70% mocy znamionowej palnika procesowego. To ogromna strata, zważywszy na to, że można tę energię odzyskać i skierować z powrotem do procesu, zostawiając w firmie setki tysięcy złotych.
Metody odzysku ciepła
Do podstawowych metod odzysku ciepła należą rekuperacja, regeneracja oraz recyrkulacja. Ostatnia z nich jest najprostszą metodą odzysku ciepła w centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Co istotne, recyrkulacja zachodzi wówczas, gdy część powietrza usuwanego z pomieszczenia klimatyzowanego jest zawracana ze strumieniem nawiewanym.
Z kolei rekuperacja ma miejsce wtedy, gdy strumienie powietrza nawiewanego i wywiewanego nie stykają się bezpośrednio z tą samą powierzchnią wymiennika, a proces wymiany ciepła odbywa się przez przeponę oddzielającą oba płyny. Do rekuperatorów zalicza się: wymienniki płytowe oraz rurowe, a także układy z cieczą pośredniczącą (wodne, glikolowe, olejowe), rurki ciepła oraz sprężarkowe pompy ciepła z bezpośrednim odparowaniem.
Natomiast regeneracja zachodzi wtedy, gdy dwa strumienie na przemian omywają tę samą powierzchnię wymiennika, dzięki czemu dochodzi nie tylko do wymiany ciepła, ale także do wymiany masy. Do wymienników regeneracyjnych można zaliczyć wymienniki obrotowe oraz złoża akumulacyjne.
Rekuperacja i wymienniki
Jak już zostało powiedziane, w zakładach przemysłowych wykorzystujących znaczne ilości energii cieplnej oraz elektrycznej niezmiernie istotne jest zastosowanie technologii umożliwiających wykorzystanie energii wytwarzanej podczas procesów technologicznych. Jednym z takich rozwiązań jest zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, powszechnie nazywanej rekuperacją. Zadaniem rekuperacji jest odebranie ciepła z powietrza zużytego – wywiewanego – do ogrzania powietrza nawiewanego, niezbędnego do celów wentylacji. Co istotne, w procesie rekuperacji możliwe jest wykorzystanie ciepła powstającego podczas procesów przemysłowych.
W opinii ekspertów z działu wentylacji Firmy Bartosz, wykorzystanie tego źródła ciepła może być obarczone dodatkowym kosztem związanym z koniecznością uprzedniego przygotowania go do ponownego użycia, np. oczyszczenia z zanieczyszczeń (znaczne zapylenie, zanieczyszczenia gazowe itp.). Pomimo dodatkowych kosztów z tym związanych gra jest warta świeczki, zwłaszcza w obiektach, w których wymagana krotność wymiany powietrza jest znaczna (kilka, kilkanaście wymian na godzinę – np. w drukarniach, lakierniach, malarniach itp.) lub wykorzystywane procesy technologiczne powodują powstawanie ciepła odpadowego o wysokich temperaturach (np. w suszarniach). To wszystko sprawia, że możliwe jest zaprojektowanie powietrznych systemów ogrzewania (np. powierzchni biur) jedynie w oparciu o technologiczne ciepło odpadowe. Oczywiście takie systemy powinny przewidywać możliwości awaryjnego ogrzewania budynku w razie np. przestojów produkcyjnych.
Mówiąc o zdolności do odzysku energii, należy wspomnieć nie tylko o odzysku ciepła, ale również o odzysku chłodu, co umożliwia znaczne obniżenie mocy niezbędnej do efektywnego działania klimatyzacji (np. pomieszczeń biurowych) lub realizacji procesów technologicznych. Analizując dalsze możliwości gruntownego odzysku energii w obiektach przemysłowych, należy podkreślić, że możliwe jest pozyskiwanie ciepła zawartego w gazach spalinowych, co w tej chwili jest obarczone dużym kosztem inwestycyjnym z uwagi na konieczność zastosowania odpowiednio trwałych materiałów. Jednak w dłuższej perspektywie, w związku z ciągłym wzrostem kosztów energii, w niedalekiej przyszłości może stać się to bardzo opłacalnym rozwiązaniem.
Aby proces rekuperacji był możliwy, obiekt musi być wyposażony w centralę wentylacyjną z wymiennikiem ciepła, który umożliwi przekazanie energii cieplnej pomiędzy strumieniami powietrza usuwanego z budynku a strumieniami powietrza dostarczanego do pomieszczeń. Na rynku dostępnych jest kilka modeli wymienników ciepła, różniących się konstrukcją, gabarytami, a także – rzecz jasna – ceną. Od rodzaju zastosowanego wymiennika zależy sprawność odzysku ciepła, która bezpośrednio przekłada się na oszczędności uzyskiwane z zastosowanego systemu.
Za najbardziej efektywne uznaje się wymienniki spiralno-przeciwprądowe oraz przeciwprądowe, które charakteryzują się największą powierzchnią wymiany ciepła i bezawaryjnością. Poza tym wymienniki te nie mieszają powietrza zużytego ze świeżym, a także – co jest bardzo ważne – do pracy nie wymagają doprowadzenia dodatkowej energii (np. do napędu). Oprócz tych dwóch typów wymienników w centralach wentylacyjnych stosowane są również wymienniki obrotowe i krzyżowe. Te ostatnie są najtańsze ze wszystkich dostępnych na rynku, jednak ich sprawność odzysku ciepła jest najsłabsza, w związku z czym okres zwrotu inwestycji będzie znacznie dłuższy niż w przypadku zastosowania wymienników o skuteczniejszej efektywności. Na uwagę zasługuje fakt, że systemy wentylacyjne odzyskujące ciepło z układów o zanieczyszczeniach gazowych lub spalin oparte są na wymiennikach z czynnikiem pośredniczącym (np. glikolem), które w 100% gwarantują szczelność, a tym samym separację od niebezpiecznych i szkodliwych związków.
Warto dodać, że w obiektach handlowych, użyteczności publicznej itp. do odzysku energii wykorzystuje się również pompy ciepła, tym samym obniżając koszty funkcjonowania klimatyzacji. W obiektach rekreacyjno-sportowych, handlowych czy użyteczności publicznej coraz częściej można spotkać również centrale „hybrydowe”, wykorzystujące wymienione sposoby odzysku energii w połączeniu z odwracalnymi pompami ciepła lub centrale w oparciu tylko i wyłącznie o pompy ciepła. Takie rozwiązanie pozwala na bezpośrednie centralne klimatyzowanie pomieszczeń.
Inwestycja w rekuperację, przy założeniu, że została dobrana odpowiednia centrala wentylacyjna oraz instalacja została wykonana poprawnie, jest w stanie zwrócić się w ciągu jednego sezonu grzewczego. Jednak dokonując wyboru centrali wentylacyjnej, należy wziąć pod uwagę, by komponenty zastosowane w urządzeniu były wysokiej jakości. Ważne jest, by centrala była wykonana z najwyższą starannością, spełniała wymagane normy, zawierała elementy zużywające niewielkie ilości prądu (jak np. energooszczędne wentylatory) oraz pozwalała na swobodne dopasowanie parametrów pracy do zmieniających się warunków. W tym celu niezwykle istotny jest dopasowany do obiektu system sterowania, który poza dużą możliwością konfiguracji parametrów prac, będzie prosty w obsłudze i przyjazny użytkownikowi oraz pozwoli na wprowadzanie ewentualnych modyfikacji układu w przyszłości. Obecnie niemalże standardem jest również stosowanie systemów monitoringu pracy central wentylacyjnych, umożliwiających zdalny nadzór nad pracą jednej lub kilku central wentylacyjnych znajdujących się w obiekcie.
Wady i zalety regeneracji
Jeśli chodzi o regeneracyjne wymienniki ciepła, ich działanie opiera się na cyklicznym omywaniu tej samej powierzchni na przemian przez dwa strumienie powietrza o różnym stanie termodynamicznym. Jeden z nich oddaje ciepło do materiału akumulacyjnego regeneratora, co powoduje spadek temperatury powietrza i jednocześnie wzrost temperatury wypełnienia wymiennika. Z kolei drugi strumień powietrza przejmuje to ciepło, w wyniku czego wzrasta jego temperatura, natomiast wypełnienie regeneratora się ochładza.
Z uwagi na to, że oba strumienie powietrza mają kontakt z tą samą powierzchnią wymiany ciepła, możliwe staje się również przekazywanie między nimi wilgoci. W przypadku gdy jeden ze strumieni pozostawi część zawartej w nim pary wodnej na powierzchni wypełnienia regeneratora, drugi strumień może ją przejąć. Warto nadmienić, że do osadzania wilgoci na powierzchni wymiennika może dochodzić na skutek wykraplania, gdy temperatura wypełnienia akumulacyjnego jest niższa od temperatury punktu rosy przepływającego powietrza albo w wyniku absorpcji, w przypadku regeneratorów z pokryciem higroskopijnym.
Obecnie w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych najpopularniejszymi regeneratorami są wymienniki obrotowe. Elementem zasadniczym konstrukcji tego rodzaju wymienników jest wirnik wypełniony odpowiednią masą zdolną
do szybkiego przekazania ciepła bądź ciepła i wilgoci. Wirnik ten obraca się w obudowie podzielonej na część wywiewną i nawiewną, do której przyłączane są kanały wentylacyjne. Powietrze usuwane, które jest cieplejsze niż powietrze świeże, przepływając przez wirnik, ogrzewa masę akumulacyjną wówczas, gdy znajduje się ona w tym strumieniu powietrza. Po obróceniu się wirnika ogrzana powietrzem usuwanym masa akumulacyjna będzie znajdować się w strumieniu powietrza świeżego, chłodniejszego niż wirnik, któremu przekaże zmagazynowane ciepło.
Wymienniki obrotowe, pomimo dość wysokiej sprawności odzysku ciepła (do 80%), dodatkowo umożliwiają odzyskiwanie wilgoci, jednak – jak podkreślają eksperci z Firmy Bartosz – podczas procesu wymiany ciepła występuje przeciek pomiędzy strumieniami powietrza, co dyskwalifikuje ich użycie w obiektach o szczególnych wymaganiach higienicznych, takich jak przemysł spożywczy, farmaceutyczny itp. Kolejną wadą tego rozwiązania jest konieczność doprowadzenia energii elektrycznej do ich zasilania, a także obecność części ruchomych wymiennika, które mogą być przyczyną awarii.
Do wad tego typu regeneratorów można zaliczyć także stosunkowo wysoką cenę oraz konieczność „zblokowania” centrali wywiewnej z nawiewną. Natomiast zaletami tego rozwiązania są: łatwy sposób unikania zjawiska oszraniania powierzchni wymiennika, możliwość uzyskania płynnej regulacji odzysku ciepła, a także szeroki zakres temperatur i rodzajów gazów, z których można odzyskać ciepło.
Natychmiastowe korzyści
Zdaniem Mateusza Bartczaka korzyści wynikające z inwestycji w instalacje odzysku ciepła są niemal natychmiast widoczne, a ściślej – zauważalne finansowo. Energia jest przecież składową ceny produktu, tak samo jak koszty utrzymania stanowisk produkcyjnych i menedżerskich, nakłady na marketing czy opakowanie. Inwestycja w zmniejszenie zużycia energii cieplnej jest właściwie zapłaceniem z góry za określoną ilość MWh energii. W przypadku inwestycji w system – po upłynięciu okresu zwrotu, który można określić, znając ROI (Return On Investment) – stan finansowy wraca do punktu wyjścia, lecz ze zmniejszonymi kosztami produkcyjnymi. Nie podejmując decyzji o modernizacji, po upływie tego samego okresu koszty w wysokości nakładów inwestycyjnych i tak zostaną poniesione.
Problemy w odzysku ciepła
Według eksperta z firmy I-SERWIS ASFI problemy instalacji odzysku ciepła, chociaż takowych ciężko właściwie się doszukiwać z punktu widzenia inwestora, występują w fazie projektowej. Przy odzysku ciepła z procesu technologicznego najtrudniejsze jest określenie miejsca, gdzie można tę energię skierować, aby proces produkcji zachodził w sposób niezmienny. Przy odzysku ciepła od ciepłodajnych maszyn problem związany jest z jego wykorzystaniem. Zimą całe odzyskane ciepło z powodzeniem można wykorzystać do wspomagania c.o. i c.w.u. Latem zazwyczaj pozostaje jedynie przygotowanie c.w.u., co w znaczący sposób pogarsza payback.
Kolejnym czynnikiem mogącym pogorszyć okres zwrotu z inwestycji jest odległość, na jaką trzeba transportować odzyskane ciepło. Wiąże się to często ze zwiększonymi nakładami na instalację hydrauliczną (wydłużone odległości rurociągów czy rozbudowanie grup pompowych). Przy odzysku ciepła z procesu technologicznego taki problem nie występuje, ponieważ energia może być na bieżąco konsumowana przez sam proces.
Na co uważać?
Najważniejszym zadaniem do wykonania przez energetyków jest weryfikacja obietnic oferentów odnośnie osiąganych korzyści energetycznych, a co za tym idzie – również finansowych. Ważne jest sprawdzenie własnego obciążenia maszyn oraz kosztów zakupu MWh czy MJ energii. Obliczenia producentów maszyn często opierają się na 8760 godz. pracy (przez cały rok, 24 godz. dziennie) oraz koszcie MWh w odniesieniu do oleju opałowego w stawkach w euro, co – jak wynika z doświadczenia Mateusza Bartczaka – w żadnym wypadku nie odzwierciedla faktycznych rezultatów. Specjaliści z branży zawsze przeprowadzą wywiad na temat faktycznych obciążeń wytypowanych do odzysku maszyn, a także skorelują otrzymane wyliczenia z realnymi możliwościami zużycia odzyskanego ciepła.
Podsumowanie
Rynek instalacji odzysku ciepła jest dość dobrze rozwinięty. Producenci maszyn czy technologii produkcyjnych, chcąc zaprezentować swój produkt jako energooszczędny, często proponują wykonanie instalacji odzysku jako opcję dodatkową. O ile koszt fabrycznego montażu układu odzysku energii jest znośny, o tyle przerobienie maszyny przez producenta niestety często nie jest w stanie zapewnić akceptowalnego okresu zwrotu z inwestycji wynoszącego 36 miesięcy. W maszynach, dla których przekroczony już został okres gwarancyjny, takie zmiany mogą wprowadzać wyspecjalizowane firmy, które wykonają tę samą pracę zazwyczaj o kilkanaście czy kilkadziesiąt procent taniej, co często bywa kluczowe przy podejmowaniu decyzji o uruchomieniu inwestycji.
Za pomoc w opracowaniu artykułu szczególnie dziękujemy Firmie Bartosz (www.bartosz.com.pl) oraz firmie I-SERWIS ASFI (www.asfi.pl).
Autorka: Agata Abramczyk jest redaktor naczelną magazynu Inteligentny Budynek. Od wielu lat związana jest z branżą dziennikarską i wydawniczą. Jest pasjonatką nowoczesnych technologii.
Tekst pochodzi z nr 5/2016 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
