Home Archive by category Technologie

Technologie

BRYTYJSKI EKSPERYMENT KLUCZOWY DLA NEUTRALNOŚCI KLIMATYCZNEJ UE

Eksperyment uczelni wyższej z Wielkiej Brytanii może okazać się kluczowy dla przyszłości wodoru w Unii Europejskiej. Skuteczne mieszanie tego gazu z tradycyjnym paliwem może stanowić najważniejszy pomost dla wdrażania celu neutralności klimatycznej do 2050 r.

Brytyjski Keele University był jedną z pierwszych uczelni, które przestrzegały przed kryzysem klimatycznym. Z tego względu warto dziś przyglądać się inicjatywom jakie są tam podejmowane. W ostatnim czasie władze tej szkoły wyższej zdecydowały o rozpoczęciu bardzo ciekawego eksperymentu. Ponad sto budynków będzie ogrzewanych gazem ziemnym z 20 proc. domieszką wodoru wytwarzanego przez elektrolizer. Równie istotne wydaje się to, że energii elektrycznej do podziału wody na m.in. wodór dostarczą lokalne turbiny wiatrowe. W założeniu eksperyment powinien pokazać efektywny sposób uzyskiwania ciepła, a cały proces będzie miało dużo mniejszą emisję CO2 aniżeli w przypadku wykorzystania tradycyjnego paliwa w postaci gazu ziemnego.

Dlaczego prace badawcze Keele University są takie ważne? Oczywiście ze względu na kontekst celu osiągnięcia naturalności klimatycznej przez Unię Europejską do 2050 r. To proces, w którym emisje CO2 zbilansują się z ich naturalnym pochłanianiem przez lasy bądź pochłanianiem przez nowe technologie. Ta szeroka transformacja gospodarek Starego Kontynentu ma umożliwić skuteczną walkę ze zmianami klimatu oraz uzyskanie przewag konkurencyjnych w skali globalnej.

Wizja przemian jakie dotkną Europę dopiero się kształtuje, ale już wiadomo, że głębokie zmiany będą potrzebowały paliwa przejściowego, które pozwoli bez zbędnych wstrząsów przejść na nowe technologie. Do tej pory sądzono, że będzie to gaz ziemny spalany w turbinach elektrowni, które w dalszej perspektywie zostaną zmodernizowane do wykorzystywania wodoru. Badania prowadzone w Keele University być może pokażą, że efektywne będzie mieszanie obu gazów dzięki czemu zostanie istotnie zmniejszona emisyjność procesu technologicznego. To ważne także pod kątem infrastrukturalnym np. wykorzystywania gazociągów, które powinny tolerować wodór w niewielkich proporcjach wewnątrz przesyłanej mieszanki.

Docelowo eksperyment prowadzony w Keele University rozwiązałby także kwestię taniego kredytowania nowych inwestycji opartych o gaz w Europie. Przypomnijmy, że Europejski Bank Inwestycyjny uzależnił swoją pomoc inwestycyjną od spełnienia normy 250 g/KWh. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że instalacje spalające docelowo gaz z wodorem będą spełniać ten wymóg.

Fot. Wikipedia

SPALANIE WĘGLA: 20 MLN TON PRODUKTÓW UBOCZNYCH

Zagospodarowanie produktów ubocznych powstających podczas spalania węgla pozwoli Polsce ograniczyć emisję CO2. 

Popioły, żużel, gips i inne substancje, które powstają jako produkt uboczny spalania węgla kamiennego i brunatnego (UPS-y), mogą być cennym surowcem dla innych gałęzi przemysłu. Produkuje się z nich m.in. podbudowy, spoiwa czy elementy hydrauliczne, wykorzystywane przy inwestycjach infrastrukturalnych. Zagospodarowanie tych produktów ubocznych, których rocznie powstaje w Polsce ok. 20 mln ton, pozwala też znacznie ograniczyć emisję dwutlenku węgla, przez co stało się szczególnie ważne w kontekście polityki ochrony klimatu.

Tak zwane UPS-y to uboczne produkty spalania – popioły, żużel, gips i inne substancje, które powstają elektrowniach czy elektrociepłowniach w tracie procesu spalania węgla kamiennego i brunatnego.

– Popioły, gipsy i żużel mają rejestrację w systemie REACH, czyli są bezpieczne do wykorzystania w przemyśle, bezpieczne dla środowiska, ludzi i technologii budowlanych. Bardzo dużym klientem jest dla nas przemysł cementowy, który wykorzystuje je do produkcji betonu, oraz budownictwo infrastrukturalne – wymienia w rozmowie z agencją Newseria Biznes Lech Sekyra, członek zarządu Polskiej Unii Ubocznych Produktów Spalania i prezes zarządu spółki PGE Ekoserwis, należącej do PGE Energia Ciepła z Grupy kapitałowej PGE.

Tylko w ramach PGE EC powstaje rocznie prawie 6 mln ton popiołów wapiennych z węgla brunatnego, ponad 2 mln ton gipsu i około 3 mln ton popiołu i żużla z węgla kamiennego. Ich przetwarzaniem w pełnowartościowe surowce dla innych gałęzi przemysłu zajmuje się spółka PGE Ekoserwis.

– Dysponujemy własnymi zakładami produkcji, mamy własne mieszalnie. Produkujemy m.in. spoiwa górnicze, hydrauliczne i hydrotechniczne. Spore wolumeny są dedykowane budownictwu infrastrukturalnemu – mówi Lech Sekyra.

Przetwarzanie UPS-ów w pełnowartościowe i bezpieczne produkty – które mogą następnie zostać wykorzystane w innych gałęziach przemysłu – stało się ważnym elementem wdrażanej właśnie na poziomie ogólnoeuropejskim gospodarki o obiegu zamkniętym (GOZ). Ma również kluczowe znaczenie w kontekście europejskiej polityki klimatycznej i środowiskowej, nastawionej na maksymalne ograniczanie emisji dwutlenku węgla.

– Przykładowo, wykorzystując popioły, ograniczamy zużycie cementu, który jest produktem wysokoemisyjnym. Na jedną tonę popiołu, co zostało potwierdzone przez Organizację Narodów Zjednoczonych ds. Klimatu, przypada około 600 kg mniej emisji dwutlenku węgla niż w przypadku cementu. Dlatego przy obecnej skali jego wykorzystania mówimy o bardzo dużym ograniczeniu emisji – mówi Lech Sekyra. – UPS-y zastępują także surowce naturalne, dzięki czemu ograniczane jest ich wydobycie. Wykorzystanie popiołów czy żużli jako surowców wtórnych pozwala zachować pokłady naturalnych surowców dla przyszłych pokoleń.

Jak podkreśla, pod względem zagospodarowania UPS-ów w Polsce wciąż pozostaje wiele do zrobienia. Największym wyzwaniem pozostaje przetworzenie popiołów wapiennych z węgla brunatnego, ale te są jednocześnie najbardziej korzystne i bezpieczne jako materiał do wykorzystania w wielu gałęziach przemysłu.

– Cały czas mamy duże możliwości w zakresie zmian systemowych w Polsce. Nie ma u nas takich regulacji jak w Europie Zachodniej, gdzie przy inwestycjach infrastrukturalnych trzeba obligatoryjnie wykorzystać określony odsetek surowców wtórnych. Polski rząd przyjął we wrześniu mapę wdrażania gospodarki obiegu zamkniętego, gdzie pierwsze dwa punkty są dedykowane właśnie bezodpadowej energetyce węglowej oraz symbiozie pomiędzy górnictwem a energetyką i budownictwem. Wykorzystanie surowców wtórnych powinno być zdecydowanie większe i rekomendowane przy inwestycjach budowlanych, dzięki czemu byłaby większa możliwość ich upłynnienia – podkreśla Lech Sekyra.

Prezes PGE Ekoserwis ocenia też, że – w porównaniu z innymi krajami jak Indie czy Indonezja, gdzie energetyka węglowa ma cały czas bardzo wysoki udział w miksie energetycznym – Polska jest pozytywnym przykładem i realizuje wiele inwestycji w zakresie zagospodarowania UPS-ów.

– Przez najbliższą dekadę musimy jak najlepiej wykorzystywać tę wartość, jaką stwarzają UPS-y. Na naszym krajowym podwórku istotne jest to, żeby wprowadzony został ten współczynnik antropogeniczności, czyli współczynnik wykorzystania surowców wtórnych przy inwestycjach, i aby zminimalizować wydobywanie surowców naturalnych. Równie ważna jest rekultywacja terenów zdegradowanych działalnością wydobywczą i wykorzystanie materiału, który jest nagromadzony na hałdach. Jeszcze niedawno mówiliśmy o składowiskach odpadów, teraz mówimy już, że są to magazyny z surowcami, które będzie można wykorzystać w przyszłości. W USA i Europie Zachodniej proces wykorzystywania UPS-ów jest na to silnie ukierunkowany – mówi Lech Sekyra.

Prezes spółki PGE Ekoserwis, należącej do PGE EC, wygłosił wystąpienie w drugim dniu konferencji klimatycznej COP 25, na spotkaniu poświęconym wyzwaniom i szansom na osiągnięcie zerowej emisji dwutlenku węgla netto. Przybliżył rozwiązania, jakie realizowane są w polskiej energetyce węglowej w ramach zarządzania UPS-ami, oraz podkreślił znaczenie symbiozy energetyki, górnictwa i budownictwa infrastrukturalnego, która umożliwia gospodarcze wykorzystanie ubocznych produktów spalania i odpadów wydobywczych – zarówno z bieżących procesów produkcyjnych, jak i z zasobów zgromadzonych na składowiskach i hałdach.

Szczyt klimatyczny ONZ COP25 odbywa się od 2 do 13 grudnia w Madrycie. Uczestniczą w nim przedstawiciele blisko 200 państw świata. Tegoroczny szczyt ma na celu sfinalizowanie zasad wdrażania paktu klimatycznego, podpisanego w Paryżu w 2015 roku.

Źródło: Newseria

Fot. Pixabay

KAPLAR: DIGITALIZACJA MOCNO DOTKNIE CIEPŁOWNICTWO

Zdaniem Artura Kaplara, prezesa Samson Sp. z o. o. digitalizacja to trend, który w nadchodzących latach bardzo mocno dotnie branżę ciepłowniczą.

„Digitalizacja to temat, nad którym pracujemy od dawna. Prowadzimy szerokie działania w tym zakresie. Ta tematyka wiąże się głównie z monitoringiem węzłów cieplnych – czyli z transmisją danych i możliwością zdalnego sterowania węzłami tak aby ich eksploatacja była optymalna. Pozwala to zużywać dokładnie tyle energii cieplnej ile jest potrzebne, oszczędzać ją” – stwierdził Artur Kaplar, prezes Samson Sp. z o. o.

„Digitalizacja to element, który będzie decydować czy przedsiębiorstwa ciepłownicze będą pracować efektywnie. Zapewni ona ekonomiczność dostarczania ciepła. Dzięki temu odbiorcy otrzymają dokładnie tyle ciepła ile potrzebują i za rozsądne pieniądze” – dodał menadżer.

POLSCY NAUKOWCY KONTRA SMOG I LOTNE POPIOŁY

Naukowcy z Krakowa, Lublina i Warszawy pracują nad technologią przetworzenia lotnych popiołów powstających podczas spalania węgla w materiały przydatne do konserwacji zabytków, oczyszczania ścieków lub nawożenia gleb. Popioły lotne powstające podczas spalania węgla m.in. potęgują zjawisko smogu.

Prace są realizowane przez konsorcjum FUNash, w ramach którego siły połączyli naukowcy z Politechniki Lubelskiej, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie i Uniwersytetu Warszawskiego. Na projekt otrzymali ponad 21 mln zł od Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu TEAM-NET – poinformowała PAP.

– Zamierzamy wykorzystać otrzymane materiały do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych na ciepło oraz betonów samonaprawiających. Całkowitą nowością będzie technologia produkcji biocementów w konsolidacji gleb piaszczystych i rewitalizacji uszkodzeń powierzchni kamiennych, w tym zabytków kultury – powiedział PAP prof. dr hab. inż. Wojciech Franus z Wydziału Budownictwa i Architektury Politechniki Lubelskiej, która jest liderem projektu FUNash.



MIĘDZYJEDNOSTKOWA FEDERACJA EKSPERTÓW
Prace badawcze w projekcie FUNash będą prowadzone przez sześć niezależnych zespołów badawczych. Będą one ściśle ze sobą współpracować i wymieniać się uzyskiwanymi wynikami – co zdaniem kierownika projektu może zaowocować powstaniem nieoczywistych i unikatowych rozwiązań technologicznych. Federacja PL, AGH i UW będzie świadczyła usługi oraz dostarczy nowych technologii i produktów wytworzonych na bazie popiołów lotnych. Takie portfolio będzie oferowane różnym gałęziom gospodarki.

Naukowcy opracują technologie dla wielu dziedzin gospodarki, m.in. budownictwa, rolnictwa czy inżynierii środowiska. Szacują, że dzięki tak szerokiej gamie produktów i technologii, zagospodarowanie popiołów lotnych w Polsce zwiększy się o 3 do 5 proc.

To istotne – zaznaczają, ponieważ co roku w polskich elektrowniach i elektrociepłowniach powstaje około 4 mln ton popiołów lotnych. Około 60 proc. tych odpadów wykorzystuje się do produkcji betonu i cementu, do stabilizacji gruntów przy budowie dróg oraz jako materiał podsadzkowy i do likwidacji otworów wiertniczych w kopalniach.

– Nie zmienia to faktu, że wciąż ogromne ilości popiołów są składowane i zanieczyszczają środowisko. Część z nich, jako materiał drobnoziarnisty, jest wywiewana, co potęguje zjawisko smogu. Ponadto składowiska odpadów zajmują przestrzeń, którą można wykorzystać do innych celów. Do tego dochodzą wysokie koszty składowania i tzw. opłaty środowiskowe, którymi obciążeni są producenci. Korzystniejsza jest zatem utylizacja popiołów, niż ich składowanie – przekonuje prof. Franus.

Popioły z energetyki mogą służyć jako biocement do konserwacji zabytków. Nowe technologie pozwolą przygotować podłoża mineralne o specyficznych właściwościach fizyczno-chemicznych. Następnie zostaną one zaszczepione odpowiednimi bakteriami, np. produkującymi węglan wapnia. Jak wskazuje prof. Franus, taki modyfikowany mikrobiologicznie cement będzie się nadawał do rewitalizacji uszkodzeń na zabytkach kultury. Aby móc wykorzystać biocement na szerszą skalę, najpierw trzeba opracować wydajne technologie syntezy materiałów funkcjonalizowanych na bazie popiołów. Tym właśnie zajmie się w ramach konsorcjum FUNash jeden z zespołów z Politechniki Lubelskiej. Kolejny zespół z tej uczelni będzie tworzyć hybrydy mineralno-mikrobiologiczne i testować możliwości ich wykorzystania w budownictwie

Innym nowatorskim rozwiązaniem będzie zamiana popiołów w sorbenty, przeznaczone do usuwania zanieczyszczeń z wód, ścieków i gleb. Oczyszczą one środowisko z metali, antybiotyków, pestycydów i herbicydów

Innym nowatorskim rozwiązaniem będzie zamiana popiołów w sorbenty, przeznaczone do usuwania zanieczyszczeń z wód, ścieków i gleb. Oczyszczą one środowisko z metali, antybiotyków, pestycydów i herbicydów. To zadanie stoi przed grupą badawczą z Wydziału Geologii, Geozyki i Ochrony Środowiska Akademii Górniczo-Hutniczej.

Nad eliminacją zanieczyszczeń ze środowiska będzie też pracować zespół z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego. Naukowcy wzbogacą materiały otrzymane z popiołów substancjami organicznymi (np. serwatką lub melasą), a następnie osadzą na nich bakterie przeprowadzające proces bioremediacji wody, gleby lub powietrza.

– Dzięki takiemu połączeniu bakterie będą działały stabilniej i efektywniej, a proces bioltracji będzie miał większe szanse powodzenia. Analogiczną metodą będzie zastosowanie w oczyszczalniach ścieków bakterii denitrykacyjnych osadzonych na materiałach funkcjonalizowanych, pochodzących od popiołów lotnych” – mówi prof. Wojciech Franus.

W ramach projektu powstanie technologia produkcji nawozów mineralno-organicznych z dodatkiem węgla brunatnego, przeznaczonych dla gatunków roślin dominujących w Europie. Ten etapu prac przeprowadzą badacze z Akademii Górniczo-Hutniczej.

Biolodzy z Uniwersytetu Warszawskiego zamierzają wykorzystać materiały wytworzone z popiołów jako podłoża dla mikroorganizmów stymulujących wzrost roślin, przyspieszających proces kompostowania lub hamujących rozwój patogenów roślinnych. To ostatnie zastosowanie pozwoli na naturalne wyeliminowanie topatogenów, bez konieczności używania groźnych dla środowiska pestycydów. Naukowcom udało się już wyselekcjonować i przetestować szczepy bakterii i grzybów, nadające się do wykorzystania w zaproponowanych bionawozach. Szczepy zimnolubne można stosować w naszej strefie klimatycznej.
Fot. Pixabay

SEZON NA MAGAZYNY

Malownicza miejscowość Gram w południowej Jutlandii znana jest w Danii nie tylko z powodu szkieletu wieloryba przechowywanego w muzeum mieszczącym się na tamtejszym zamku. To tam wykorzystywane są magazyny sezonowe ciepła.

Przedsiębiorstwo ciepłownicze w Gram jeszcze w 2009 roku produkowało ciepło w oparciu o jednostkę kogeneracyjną (CHP) zasilaną gazem ziemnym, a także dwa kotły wodne także opalane gazem ziemnym. Moc jednostki CHP wynosiła 6,5 MWth, a moc kotłów – 5,0 MWth każdy, tymczasem roczne zapotrzebowanie na ciepło wynosi w Gram około 30 000 MWth. W 2009 roku zbudowano więc pierwszą instalację słoneczną o wielkości ponad 10 tys. m kw. i mocy 6,5 MWth. Instalacja kolektorów słonecznych pokryła wówczas ok. 15 proc. zapotrzebowania na ciepło została podłączona do istniejącego zasobnika zbudowanego ze stali
o pojemności 2,3 tys. m sześc. Sześć lat później postanowiono powiększyć instalację o następną złożoną z kolektorów słonecznych, tym razem o powierzchni 35 tys. m kw. (wówczas moc instalacji wzrosła do 31 MWth). Według przeprowadzonych symulacji, system w takim kształcie może pokryć ok. 60 proc. zapotrzebowania na ciepło. Maksymalne wykorzystanie tak wyprodukowanego ciepła wymagało wcześniejszego przeprowadzenie dokładnych symulacji i analiz zapotrzebowania na ciepło oraz zastosowania sezonowego magazynu ciepła o pojemności 122 tys. m sześc. i pomp ciepła, które pozwalają kolektorom działać przy niższej temperaturze. Bo co robić, aby wykorzystać ciepło wyprodukowane w cieplejszych miesiącach w czasie jesiennych i zimowych chłodów? Odpowiedź jest prosta – zamagazynować  je.

Magazyny ciepła to zaizolowane termicznie stalowe zbiorniki z wymiennikami jedno- dwuwężownicowymi, o odpowiedniej pojemności. Praca w niższej temperaturze zwiększa wydajność pomp. Wykorzystują one niskotemperaturowe ciepło z dna sezonowego magazynu ciepła.

Instalacje magazynów sezonowych ciepła to drogie inwestycje, nawet jak na duńskie warunki. Ale koszty inwestycyjne poważnie spadają wraz ze wzrostem pojemności magazynu. Aby więc uzyskać odpowiedni efekt skali i maksymalizować korzyści płynące z zastosowania tego typu magazynów, trzeba je wprowadzać tam, gdzie rozbiór energii jest odpowiednio duży (np. osiedle domów wielorodzinnych). W przypadku najmniejszych systemów warto wybrać zdecentralizowaną koncepcję wprowadzania ciepła słonecznego.

Czekamy na magazyny
W Polsce magazyny dobowe nie mają jak dotąd zastosowania, a szkoda, bo to dobre rozwiązanie. Działające instalacje grzewcze z OZE wykorzystują tzw. krótko- i średniookresowe magazynowanie ciepła w postaci zbiorników, przez okres od jednego do trzech dni. Zbiorniki takie mają pojemność od kilkuset litrów (dla małych instalacji grzewczych) do 5 m sześc. (dla bardzo dużych instalacji) i są łączone zwykle szeregowo. Jeśli chodzi o ciepło pozyskane ze źródeł konwencjonalnych, które zasilają systemy ciepłownicze, magazynowanie krótkookresowe wykorzystywane jest przede wszystkim w przypadku kogeneracji, w celu wyrównania dobowych dysproporcji między zapotrzebowaniem na ciepło i zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Jednakże w przypadku zastosowania OZE w systemach ciepłowniczych kluczowym aspektem przemawiającym za zastosowaniem magazynu ciepła jest sezonowa dysproporcja w podaży ciepła z OZE (szczególnie ciepła słonecznego) i zapotrzebowaniu na ciepło.

Rodzaje magazynów
Magazyny sezonowe dzielą się na kilka rodzajów: wodny naziemny, żwirowo–wodny zagłębiony w grunt, magazyn w warstwie wodonośnej, magazyn typu „sonda ziemna”. Magazyn naziemny (TTES) to najczęściej zbiornik wykonany z żelbetu, stali nierdzewnej, czasem szkła wzmocnionego tworzywem sztucznym napełniany wodą, o pojemnościach od kilku do kilku tys. metrów sześciennych. Zastosowanie ciepłej wody, jako sposobu na zgromadzenie ciepła, wymaga zastosowania właściwego uszczelnienia – musi być ono odporne na temperatury do ok. 80°C. W magazynie żwirowo-wodnym (PTES) do magazynowania ciepła wykorzystywana jest mieszanka ziemi lub żwiru z wodą. Z kolei w magazynach „wodonośnych” (ATES) do gromadzenia ciepła wykorzystuje się naturalne, zamknięte, podziemne zbiorniki wodne. 

Procesy magazynowania energii są jednym z istotnych czynników pozwalających na osiągnięcie celów, jakie stawia się przed efektywną gospodarką niskoemisyjną i prosumencką. Wykorzystują je z powodzeniem Brytyjczycy i Skandynawowie. Czy przyjmą się w Polsce? Czas pokaże.
Fot. Pixabay

OBNIŻENIE PARAMETRÓW TEMPERATUROWYCH MIEJSKIEJ SIECI CIEPŁOWNICZEJ

prof. dr hab. inż. Robert Sekret, Wydział Inżynierii Środowiska i Biotechnologii; Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji, Politechnika Częstochowska

Streszczenie
W pracy przedstawiono efekty energetyczne, ekologiczne i ekonomiczne usprawnienia miejskiej sieci ciepłowniczej poprzez wprowadzenie nowych tabel regulacyjnych dostosowujących parametry pracy systemu ciepłowniczego do aktualnych potrzeb użytkowników, tj. dostosowania systemu do pracy w warunkach dynamicznie przebiegających procesów termomodernizacyjnych w budownictwie oraz wprowadzania indywidualnych systemów rozliczeń za zużyte ciepło. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono m.in., że obniżenie temperatury zasilania z 135 do 120oC oraz powrotu z 70 do 60oC pozwala na obniżenie mocy zamówionej i rocznego zużycia nieodnawialnej energii pierwotnej pokrywających straty ciepła na przesyle nośnika ciepła o 12 proc. Zakładając, że prace związane z obniżaniem parametrów temperaturowych sieci ciepłowniczych nie wymuszają wykonania prac skutkujących dodatkową emisją to wraz z efektem energetycznym uzyskany zostaje również efekt obniżenia emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Łączna kwota szacowanych oszczędności z tytułu obniżenia strat ciepła sieci ciepłowniczych, poprzez obniżenie temperatur wody sieciowej, może wynieść w tym przypadku 3146 PLN/MW dla standardowego sezonu grzewczego.

1. Wprowadzenie
Udział strat ciepła w sieciach ciepłowniczych w Polsce wynosi od 5 proc. do 15 proc. w okresie sezonu zimowego oraz od 20 proc. do 30 proc. w czasie sezonu letniego [1]. Jednym z parametrów determinujących straty ciepła na przesyle jest temperatura czynnika grzewczego. Wraz z jej wzrostem zwiększa się udział strat, co z kolei pociąga za sobą większe koszty wytworzenia i dostarczenia zamówionej mocy cieplnej przez odbiorców. Tak jak przedstawiono w pracy [2], można wyróżnić dwa zasadnicze kierunki prac zmierzających do obniżenia strat ciepła w sieci ciepłowniczej. Pierwszy kierunek to wzrost oporu przenikania ciepła przez ściankę przewodów ciepłowniczych. Proces ten realizowany jest w trakcie wymian wyeksploatowanych sieci ciepłowniczych wykonanych w technologii kanałowej na sieć preizolowaną, przy czym są to procesy wymuszone koniecznością bieżącej eksploatacji sieci i często obarczone wysokimi kosztami inwestycyjnymi.

Z drugiej strony straty ciepła w sieci ciepłowniczej są wprost proporcjonalne do różnicy temperatury wody sieciowej i powietrza zewnętrznego. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy rozkład temperatur wody sieciowej w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego dla systemu ciepłowniczego pracującego w warunkach braku dostosowania temperatur wody sieciowej do bieżącego zapotrzebowania na ciepło. Jak wynika z danych przedstawionych na rysunku 1 ilość zdarzeń, w których temperatury wody sieciowej są wyższe od wartości założonych w tabelach regulacyjnych jest znacząca. Każdy tego typu stan pracy sieci przyczynia się do wzrostu nieuzasadnionych strat ciepła. Z drugiej strony wyniki pomiarów przedstawione na rysunku wskazują, że eksploatacja prezentowanej sieci ciepłowniczej przy wymuszonej pracy z temperaturami wody zasilającej nie przekraczających 120oC, a więc niższymi w porównaniu do temperatur zgodnych z tabelą regulacyjną, nie spowodowała żadnych problemów z dostawą ciepła do odbiorców końcowych i kolizji z wymaganymi minimalnymi spadkami temperatur w węzłach cieplnych. Kolejnym problemem dotyczącym pracy sieci ciepłowniczych jest występowanie znacznej rozbieżności pomiędzy projektowym a rzeczywistym zapotrzebowaniem na moc cieplną u odbiorców końcowych.

Na rysunku 2 przedstawiono wyniki badań przeprowadzonych na 50-ciu budynkach edukacyjnych na terenie Częstochowy. Jak wskazują badania [3, 4] oraz dane przedstawione na rysunku 2 rozbieżności te mogą wynosić nawet do 60 proc. Dlatego też, modernizacja sieci ciepłowniczych obejmować powinna opracowanie metod określania czynników kształtujących zapotrzebowanie na ciepło przez odbiorców komunalnych w nowych warunkach ich eksploatacji oraz zagadnienia dotyczące optymalizacji obliczeniowych temperatur wody sieciowej.

Rys. 1. Temperatura wody sieciowej w zależności od temperatury zewnętrznej
dla przykładowego systemu ciepłowniczego
Rys. 2. Rozbieżność pomiędzy teoretycznym zapotrzebowaniem na ciepło a rzeczywistym zużyciem ciepła dla 50 budynków edukacyjnych w Częstochowie

Wyniki tych prac pozwolą na uzyskanie najkorzystniejszego cieplnego i hydraulicznego stanu pracy centrali, sieci cieplnej oraz podłączonych do niej węzłów cieplnych, a co za tym idzie dostawę wymaganej przez użytkownika ilości ciepła przy zwiększonej efektywności systemu ciepłowniczego.

2. Zmienność temperatur powietrza zewnętrznego
Zapotrzebowanie na moc cieplną silnie uzależnione jest m.in. od warunków atmosferycznych występujących w danym sezonie grzewczym. Stąd też, w celu określenia właściwych parametrów wody sieciowej wyznacza się wykres regulacyjny, czyli zależność regulowanego parametru (temperatury wody sieciowej, strumienia masy wody sieciowej) od temperatury zewnętrznej. Ocenę sezonów grzewczych dokonać można na podstawie porównania trzech zasadniczych wielkości: długości trwania sezonu, średniej temperatury otoczenia tego okresu, względnie liczby stopniodni ogrzewania. W zależności od przyjętej wielkości sezon może być: długi lub krótki, o wysokiej lub niskiej temperaturze, mniej lub bardziej energochłonny. Stosując więc do oceny minionych sezonów metodę stopniodni w tabeli 1 zestawiono kolejne sezony grzewcze od 1963/1964 do 2009/2010 dla Częstochowy [5] oraz niezbędne dane w postaci: długości sezonu, sezonowej temperatury otoczenia oraz liczby stopniodni sezonu.

Tabela 1. Zestawienie sezonów grzewczych [5]

Wielkości te uzupełniono względną liczbą stopniodni, wyznaczoną jako iloraz aktualnej liczby stopniodni do średniej liczby stopniodni obliczonej dla wszystkich sezonów. Takie ujęcie liczby stopniodni umożliwiło wyznaczenie względnych wartości ekstremalnych. Odczytana wartość maksymalna względnej liczby stopniodni wynosi 1,16, zaś minimalna osiągnęła poziom 0,78. Na podstawie zestawionych danych liczbowych stwierdzić można, iż kryterium energochłonności jest wskaźnikiem uniwersalnym pozwalającym jednoznacznie ocenić analizowany sezon grzewczy. Uzasadnieniem tego stwierdzenia są dane zawarte w tabeli 2, gdzie przedstawiono sezony o małej (2006/2007) i dużej (1978/1979) energochłonności. Sezon 2006/2007 spełniał również kryterium wysokiej temperatury otoczenia, zaś sezon 1978/1979 kryterium długości, sezon długi. Nadmienić należy, że w analizowanych sezonach występował również sezon krótki (1991/1992) o liczbie dni 194, lecz niższej średniej temperaturze powietrza zewnętrznego.

Tabela 2. Porównanie sezonów grzewczych w latach 1963/1964 – 2009/2010 [5]

Można więc przyjąć, zachowując pewien margines dokładności, i pomijając sezony najcieplejsze, że liczba stopniodni, w porównaniu do wartości średniej, zmienia się dla analizowanych sezonów (sezony od 1963/1964 do 2009/2010) o ± 15 proc. Na rysunku 3 zamieszczono przebieg zmian liczby dni ogrzewania, sezonowej temperatury otoczenia oraz, wyrażonej w tysiącach, liczby stopniodni w kolejnych sezonach grzewczych od 1963/1964 do 2009/2010. Dane te ilustrują wzajemną zależność tych trzech parametrów w analizowanym przedziale czasu, jednak trudnym jest określenie systematycznej zależności pomiędzy nimi. Jak przedstawiono na rysunku 3, obserwowany jest trend wzrostu wartości sezonowej temperatury otoczenia wraz z kolejnymi sezonami grzewczymi. Przebieg zmian względnej wartości stopniodni w kolejnych sezonach grzewczych zamieszczono na rysunku 4, który zawiera dwa zestawy krzywych.

Rys. 3. Rozkład liczby dni ogrzewania, liczby stopniodni oraz średniej temperatury otoczenia dla sezonów grzewczych od 1963/1964 do 2009/2010 [5]

Pierwszy z nich reprezentuje względną liczbę stopniodni występującą w poszczególnych sezonach grzewczych, natomiast zestaw drugi przedstawia przebieg tego parametru, uporządkowany malejąco, uzupełniony udziałem procentowym sezonów grzewczych dla założonych przedziałów względnej liczby stopniodni. Przedstawione wyniki analiz wskazują na obniżanie się wartości względnej liczby stopniodni wraz z kolejnymi sezonami grzewczymi. Z analizy zebranych danych wynika, że w rozpatrywanych sezonach grzewczych wystąpiło osiem sezonów o średniej dobowej temperaturze otoczenia niższej od te = -18oC, jednak występowanie minimalnych dobowych temperatur, na poziomie niższym niż te = – 20oC, dotyczy tylko pięciu z nich. Wyznaczone średnie pięciodobowe temperatury otoczenia dla tych sezonów grzewczych wykazały, że w żadnym przypadku nie przekroczona została temperatura obliczeniowa III strefy klimatycznej (te = – 20oC). Przeprowadzona analiza wykazała dodatkowo, że największą różnicę pomiędzy temperaturami maksymalnymi i minimalnymi zaobserwowano dla miesiąca stycznia na poziomie Δt = 13,6oC oraz lutego Δt = 13,5oC, najniższą różnicą na poziomie Δt = 7,1oC charakteryzował się miesiąc wrzesień. Po odrzuceniu dwóch sezonów z minimalną oraz dwóch sezonów z maksymalną wartością względnej liczby stopniodni, przedział wartości tej wielkości mieści się pomiędzy 0,9 a 1,1, tj. odchylenie od wartości średniej wynosi ± 10 proc. Dokonane oceny wskazały także wyraźną tendencję wzrostu wartości sezonowej temperatury otoczenia oraz tendencje obniżania się wartości względnej liczby stopniodni wraz z kolejnymi sezonami grzewczymi.

Rys. 4. Względna liczba stopniodni:
a) w bieżących sezonach grzewczych, b) uporządkowana malejąco [5]

3. Efekty aktualizacji tabel regulacyjnych
Optymalizację temperatur wody sieciowej prowadzi się poprzez obliczenia zdążające do utworzenia nowych tabel regulacyjnych dla źródeł, sieci i użytkowników systemów ciepłowniczych, umożliwiających ich dostosowanie do aktualnych potrzeb odbiorców przy jednoczesnym zagwarantowaniu niezawodności dostaw ciepła. Właściwie ustalona temperatura wody sieciowej, w zależności od parametrów powietrza zewnętrznego, jest zatem bardzo istotnym parametrem decydującym o możliwościach zwiększania efektywności energetycznej systemów ciepłowniczych. Umożliwia ona bowiem, przy jednoczesnym zapewnieniu komfortu cieplnego odbiorców, minimalizację strat ciepła, oszczędność surowców energetycznych, jak i również poprawę wskaźników ekologicznych. Tabele regulacyjne wody sieciowej dla sieci ciepłowniczej przy regulacji centralno-jakościowej systemu ciepłowniczego opracowywane były na podstawie wytycznych ministerialnych [6]. Zgodnie z tymi wytycznymi temperatury wody sieciowej w źródle ciepła były zależne od obliczeniowej wartości współczynnika obciążenia cieplnego i udziału ciepłej wody użytkowej Ucw. Tabele posiadały dziewięć kolumn i uwzględniały temperaturę powietrza zewnętrznego, nasłonecznienie i prędkość wiatru. Ta podstawowa metoda ustalania parametrów wody sieciowej wykorzystywana przy regulacji systemu ciepłowniczego jest powszechnie stosowana dla sieci ciepłowniczych obecnie pracujących, gdzie jak wcześniej stwierdzono występują znaczące rozbieżności pomiędzy projektowym a rzeczywistym zapotrzebowaniem na ciepło. Należy dodać, że z uwagi na zastosowanie w szerokim zakresie automatyzacji węzłów cieplnych, wykres centralnej regulacji ma w rzeczywistości charakter ilościowo – jakościowy, gdyż zmiany zapotrzebowania na moc cieplną w poszczególnych węzłach ciepłowniczych kompensowane są poprzez zmianę przepływu wody sieciowej.

Dlatego też, dla potrzeb poprawy efektywności energetycznej systemu ciepłowniczego coraz częściej w źródłach tych systemów stosuje się regulacje parametrów sieci w oparciu o prognozowane zapotrzebowanie na ciepło. W tym celu wykorzystuje się rozkład parametrów pracy sieci uzyskany z pomiarów przeprowadzonych we wcześniejszych sezonach grzewczych w funkcji temperatury radiacyjno-efektywnej (TRE)1.. W przypadku regulacji jakościowej dostosowanie mocy cieplej do zapotrzebowania przy zmiennych warunkach atmosferycznych, przy stałym przepływie wody sieciowej w ciągu całego sezonu grzewczego, osiągane jest poprzez odpowiednio dostosowane temperatury na zasilaniu (wyjściu ze źródła ciepła). Natomiast temperatura wody sieciowej na powrocie jest wynikiem ilości odebranego ciepła przez użytkowników.

Obecnie brak jest jasnych metod określania temperatur wody sieciowej. Nowe koncepcje sterowania siecią realizowane są w oparciu o indywidualne modele matematyczne opisujące pracę sieci w rzeczywistych warunkach pogodowych na danym terenie, tzn. powstałe modele uwzględniają specyfikę zachowania się odbiorców końcowych dla danej sieci ciepłowniczej, dając tym samym podwaliny pod inteligentne sieci ciepłownicze. Obecnie dąży się do pełnej automatyzacji węzłów, według planu lub idei pracy sieci. W dostępnej literaturze naukowo-technicznej nie proponuje się żadnych jasnych i precyzyjnych metod tworzenia nowych tabel regulacyjnych wody sieciowej w systemach ciepłowniczych pracujących w obecnych realiach rynku ciepła. Dlatego też, w bieżącej pracy zaproponowano zestaw zależności, które można stosować w rozwiązywaniu problematyki aktualizacji tabel regulacyjnych. Rozkład temperatur wody sieciowej opisany zależnościami 1-6 opracowano w oparciu o pracę [7] oraz analizę rozkładu rzeczywistych temperatur wody sieciowej w funkcji TRE dla kliku krajowych systemów ciepłowniczych. Podstawowe dane wymagane do przeprowadzenia obliczeń rozkładu temperatur wody sieciowej przedstawiono na rysunku 5.

gdzie:

gdzie:

tws.z – temperatura wody w rurociągu zasilającym w źródle ciepła, oC,
tws.p – temperatura wody w rurociągu powrotnym w źródle ciepła, oC,
twi.z.obl – obliczeniowa temperatura wody instalacyjnej na zasilaniu w węźle cieplnym, oC,
twi.p.obl – obliczeniowa temperatura wody instalacyjnej na powrocie w węźle cieplnym, oC,
tws.z.obl – obliczeniowa temperatura wody sieciowej na zasilaniu w węźle cieplnym, oC,
tws.p.obl – obliczeniowa temperatura wody sieciowej na powrocie w węźle cieplnym, oC,
tw – temperatura wewnętrzna w pomieszczeniach ogrzewanych, oC,

u – współczynnik redukcji temperatury w węźle cieplnym, -,
αo – względny przepływ wody sieciowej, -,
δtobl – obliczeniowa różnica temperatur zasilania i powrotu instalacji centralnego ogrzewania w węźle cieplnym, K,
∆tobl – obliczeniowy spadek temperatury w instalacji centralnego ogrzewania, oC,
∆tws,z – obniżenie temperatury wody sieciowej dostarczanej ze źródła do danego przyłącza wskutek strat ciepła podczas przesyłania, K,
∆tws,p – obniżenie temperatury wody sieciowej dostarczanej od danego przyłącza do źródła ciepła wskutek strat ciepła podczas przesyłania, K, ∆tw,p – różnica temperatur wody sieciowej i instalacyjnej na powrocie wymagana warunkami techniczno-eksploatacyjnymi wymiennika ciepła, K,
φo – względne zapotrzebowanie na ciepło, -,

Rys. 5. Podstawowe dane wymagane do obliczeń rozkładu temperatur czynnika grzewczego dla sieci ciepłowniczej

Poniżej przedstawiono możliwe do uzyskania efekty energetyczne, ekologiczne i ekonomiczne obniżenia temperatur wody sieciowej na zasilaniu i powrocie dla wybranego systemu ciepłowniczego o mocy cieplnej 340 MW oraz długości łącznej magistral 28 km. Na rysunku 6 przedstawiono uzyskany efekt energetyczny i ekonomiczny. Na podstawie badań stwierdzono, że:
• obniżenie temperatury zasilania z 135 do 120oC oraz powrotu z 70 do 60oC pozwala na obniżenie mocy zamówionej i rocznego zużycia nieodnawialnej energii pierwotnej pokrywających straty ciepła na przesyle nośnika ciepła o 12 proc.,
• łączna kwota szacowanych oszczędności z tytułu obniżenia strat ciepła sieci ciepłowniczych, poprzez obniżenie temperatur wody sieciowej, może wynieść w tym przypadku 3146 PLN/MW dla standardowego sezonu grzewczego.

Na rysunku 7 przedstawiono jednostkowy efekt ekologiczny2 obniżenia strat przesyłu sieci ciepłowniczej pracującej przy temperaturach 135/70oC oraz wyjściowych stratach ciepła na przesyle wynoszących 8 proc. i 15 proc. W obliczeniach jednostkowego efektu ekologicznego przyjęto emisje jednostkowe, które przedstawiono w tabeli 3. Szacowany jednostkowy efekt ekologiczny przedstawiony jako emisja równoważna3 wynikający z obniżenia temperatury zasilania z 135 do 130oC oraz temperatur powrotu z 70do 65oC wyniósł 5,7 kg/MW mocy zainstalowanej oraz przy obniżeniu temperatury zasilania z 135 do 120oC oraz powrotu z 70 do 60oC wyniósł 14,7 kg/MW mocy zainstalowanej dla standardowego sezonu grzewczego oraz stratach wyjściowych sieci na poziomie 8 proc.



Rys. 6. Efekt energetyczny i ekonomiczny obniżenia strat przesyłu sieci ciepłowniczej:
a) Nominalne parametry sieci: 135/70
oC, straty na przesyle 8 proc;
b) Nominalne parametry sieci: 135/70
oC, straty na przesyle 15 proc.
Tabela 3. Emisje jednostkowe przyjęte do obliczeń efektu ekologicznego

W przypadku strat sieci wynoszących 15 proc. emisja równoważna wyniosła odpowiednio 10,7 kg/MW oraz 27,5 kg/MW. Zmiana rzeczywistych warunków pracy sieci ciepłowniczej po procesach termomodernizacji budynków przyłączonych do niej prowadzi także do możliwości obniżenia emisji ditlenku węgla. Zakładając, że prace związane z obniżaniem parametrów temperaturowych sieci ciepłowniczych nie wymuszają w większości przypadków wykonania prac skutkujących dodatkową emisją CO2, to uzyskany efekt redukcji emisji ditlenku węgla jest też wskaźnikiem poprawy efektywności energetycznej sieci ciepłowniczej.

W analizowanym przypadku (rysunek 7) uzyskano obniżenie emisji CO2 odpowiednio od 3,4 do 8,7 kg/MW dla strat ciepła w sieci 8 proc. oraz od 6,4 do 16,4 kg/MW dla strat ciepła w sieci 15 proc. w standardowym sezonie grzewczym.



Rys. 7. Efekt ekologiczny obniżenia strat przesyłu sieci ciepłowniczej;
a) Nominalne parametry sieci: 135/70
oC, straty na przesyle 8 proc.;
b) Nominalne parametry sieci: 135/70
oC, straty na przesyle 15 proc.

4. Podsumowanie
Poprawa efektywności energetycznej powinna być realizowana na każdym etapie systemu, przy czym należy pamiętać aby te działania były bezwzględnie ze sobą skoordynowane. Przykładowo rozpoczynając proces modernizacji źródeł wytwarzania należy brać pod uwagę również kierunki rozwoju technologii w sektorze użytkowników.
Zwiększenie efektywności energetycznej sieci ciepłowniczej można zrealizować poprzez procesy, które nie wymagają znacznych kosztów inwestycyjnych, z jednej strony, i są wymuszane bieżącą eksploatacją sieci, z drugiej strony. Wraz z dynamicznym rozwojem budownictwa energooszczędengo (procesy termomodernizacyjne istniejących budynków oraz nowe standardy energetyczne dla budynków nowych) istnieje pilna potrzeba obniżania temperatur pracy sieci ciepłowniczych, dostosowując je w ten sposób do aktualnych potrzeb użytkowników.
Należy jednak podkreślić, że charakter prac optymalizacyjnych jest zależny od indywidualnych cech systemu ciepłowniczego. Dlatego też, działań tych nie można uogólniać podając rozwiązania, które można zastosować w wielu systemach ciepłowniczych. Są to rozwiązania adekwatne do danej specyfiki systemu ciepłowniczego. Ponadto, obniżenie temperatury wody sieciowej może powodować konieczność wprowadzenia zmian w układach pompowych w ciepłowniach i przepompowniach sieciowych, czy konieczność doregulowania strumienia czynnika grzejnego w węzłach u użytkowników.

PRZYPISY:
1TRE – temperatura efektywno-radiacyjna. Wskaźnik uwzględniający wpływ natężenia całkowitego promieniowaniasłonecznego oraz temperaturę, wilgotność względną powietrza i prędkość wiatru.
2Jednostkowy efekt ekologiczny – różnica emisji zanieczyszczeń przed i po usprawnieniu odniesiona do jednostki mocy zainstalowanej.
3Emisja równoważna – emisja zastępcza, która wynika z zsumowania rzeczywistych emisji poszczególnych rodzajów zanieczyszczeń pochodzących z danego źródła pomnożonych przez ich współczynniki toksyczności.

LITERATURA:
1. JURKIEWICZ A.: Decentralizacja systemów ciepłowniczych, jako metoda na obniżanie kosztów produkcji i dostawy ciepła i możliwość zastosowania odnawialnych źródeł energii i urządzeń rozproszonej energetyki (OZE/URE). XV Forum Ciepłowników Polskich, 18-21 września 2011, Międzyzdroje, 2011
2. KOPICA J., SEKRET R.: Efektywność energetyczna miejskich sieci ciepłowniczych. Rynek ciepła 2011. Materiały i studia, Wydawnictwo KAPRINT, Lublin, 2011
3. LIS P., SEKRET R.: Analiza porównawcza sezonowego zużycia ciepła do ogrzewania budynków edukacyjnych. Budownictwo niskoenergetyczne, IX Międzynarodowe Seminarium Naukowo-Techniczne. Problemy projektowania, realizacji i eksploatacji budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię ENERGODOM’2008, str. 305-312, Kraków, 2008
4. LIS P., SEKRET R.: Analiza porównawcza sezonowego zużycia ciepła do ogrzewania budynków edukacyjnych. Czasopismo Techniczne – Budownictwo, nr 1-B/2009 Zeszyt 5, str. 167-174, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków, 2009
5. SEKRET R., WILCZYŃSKI W.: Analiza zmian temperatury powietrza zewnętrznego oraz długości sezonu grzewczego na liczbę stopniodni na przykładzie miasta Częstochowa. Rynek Energii, Nr 4 (95), str. 58-63, 2011
6. DECYZJA Nr 4 Ministra Gospodarki Materiałowej i Paliwowej z dnia 4 czerwca 1987 r. w sprawie ustalenia temperatury wody sieciowej w źródłach ciepła i systemach ciepłowniczych.
7. SZKARKOWSKI A., ŁATKOWSKI L.: Ciepłownictwo. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2006
Fot. Pixabay



PRODUKCJA CHŁODU

Produkcja chłodu, trójgeneracja – koncentruje się na tematyce wykorzystywania wytwarzanego dla potrzeb systemów ciepłowniczych ciepła dla produkcji chłodu, dla istniejących i planowanych systemów klimatyzacji i chłodzenia, w szczególności przy pomocy agregatów zasilanych ciepłem sieciowym przy pomocy agregatów sorpcyjnych.

  • Trójgeneracja
  • Techniki sorpcyjne, agregaty chemiczne
  • Konwencjonalne metody produkcji chłodu

Agregaty sorpcyjne to urządzenia wykorzystujące szeroko rozumianą energię cieplną do produkcji chłodu. Energią zasilającą agregaty absorpcyjne może być ciepło pochodzące z dowolnego źródła np. odpadowe ciepło technologiczne, ciepło z miejskiej sieci ciepłowniczej, ciepło ze spalania gazu lub biomasy, ciepło z kolektorów słonecznych, z modułu kogeneracyjnego, odzysk ciepła z silników spalinowych, ze spalin i korpusów.

W przypadku agregatów sorpcyjnych zasilanych gazem ziemnym, energia cieplna pochodzi bezpośrednio ze spalania gazu, energia pierwotna jest przetwarzana bezpośrednio na energię chłodniczą. Agregaty sorpcyjne wymagają zasilania elektrycznego jedynie do podłączenia automatyki oraz systemu sterowania, jednak są to minimalne moce w porównaniu z wydajnością, (~0,8 proc. pobranej mocy elektrycznej w przeliczeniu na uzyskaną moc chłodniczą ).

Agregaty sorpcyjne są idealnym, ekonomicznym rozwiązaniem przy niezagospodarowanej nadwyżce ciepła technologicznego lub odpadowego.
Sprawdzają się również wszędzie tam, gdzie występuje deficyt energii elektrycznej. Urządzenia te znajdują także zastosowanie w systemach trójgeneracyjnych. Ze względów ekonomicznych na całym świecie wzrasta znaczenie technologii sorpcyjnej w optymalizacji zużycia energii pierwotnej.

Fot Pixabay

CIEPŁO ZE ŚCIEKÓW

W związku z intensywną rozbudową infrastruktury służącej odprowadzaniu oraz oczyszczaniu ścieków w Polsce na przestrzeni ostatnich lat, na oczyszczalniach ścieków komunalnych powstaje coraz więcej odpadów w postaci komunalnych osadów ściekowych.

W roku 2010 – ok. 624 tys. ton suchej masy (s.m.) osadów, co stanowi znaczny wzrost w porównaniu do 582 tys. ton s.m. osadów wytworzonych w 2009 r. oraz dla porównania 359 tys. ton s.m. w 2000 r. Wzrost ilości wytwarzanych osadów powodowany jest zwiększającą się przepustowością komunalnych oczyszczalni ścieków oraz stosowania na nich pogłębionego usuwania biogenów. Można wstępnie założyć, że ich ilość wzrośnie do 754 tys. ton s.m. w 2015 roku. W oparciu o powyższe założenie można oszacować, że w roku 2020 może powstawać około 850 – 900 tys. ton s.m. osadu/rok.


Energia dla środowiska
Żródło: YouTube

Wyzwaniem w kolejnych latach będzie więc efektywne zagospodarowanie przyrastającej masy osadów, inne niż składowanie, które od 1 stycznia 2016 r. będzie ograniczone. Konieczna więc będzie zmiana kierunków zagospodarowania osadów ściekowych w Polsce, w celu ograniczenia składowania oraz wprowadzenie nowoczesnych metod przetwarzania osadów ściekowych i ich optymalnego zagospodarowania. Biorąc pod uwagę prognozowany wzrost ilości osadów ściekowych, dominującym kierunkiem ich zagospodarowania w kolejnych latach powinno być ich termiczne przekształcanie. Metody termiczne pozwalają na przekształcanie dużych ilości osadów, znaczną redukcję masy i objętości oraz odzysk zawartej w nich energii, a także rozwiązanie problemu osadów, które w myśl obowiązujących przepisów nie mogą być wykorzystywane w rolnictwie. Wskazane jest więc podejmowanie działań umożliwiających powstanie nowych i modernizację istniejących instalacji przetwarzania komunalnych osadów ściekowych: – instalacji do termicznego przekształcania (spalarnie); – suszarni, umożliwiające dalsze zagospodarowanie komunalnych osadów ściekowych poprzez spalanie, czy, przy zachowaniu odpowiednich parametrów, współspalaniem.

Pożądane będzie również zwiększenie wykorzystywania komunalnych osadów ściekowych w biogazowniach. Zastosowanie instalacji umożliwiających odzysk powstającego biogazu pozwoli na jego wykorzystanie do produkcji energii elektrycznej i cieplnej na potrzeby oczyszczalni ścieków, obniżając tym samym jej koszty eksploatacyjne. Nierozwiązanym do końca problemem pozostaje także oczyszczanie ścieków przemysłowych.


Przeciętny Polak wytwarza w ciągu roku 300-500 kg śmieci

Unia Europejska od roku 2013 nakłada na Polskę obowiązek odpowiedniego zagospodarowania odpadów, tak aby zapewnić, że do 2020 roku minimum 50 proc. masy odpadów tj.: papier, metal, plastik, szkło oraz 70 proc. odpadów budowlanych będzie poddawane przygotowaniu do ponownego wykorzystania, recyklingowi oraz innym metodom odzysku. Jak się okazuje w praktyce, odpady są znaczącym źródłem energii. Przeciętny Polak wytwarza w ciągu roku 300-500 kg śmieci. Wszystko to stwarza możliwości dla przedsiębiorstw energetyki cieplnej w dziedzinie nowatorskich metod pozyskania paliw i energii.
Fot. Pixabay

MODELOWANIE PRACY AKUMULATORA CIEPŁA

Prof. dr hab. inż Tadeusz Orzechowski, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach

Rzeczywiste procesy w układach zmiennofazowych są bardzo skomplikowane. Z tego względu modelowanie zachowania się takich układów wymaga indywidualnego opisu uwzględniającego właściwości PCM, geometrię układu oraz usytuowanie zasobnika w instalacji.

Celem niniejszej pracy jest propozycja prostego modelu obliczeniowego, który przy pewnych założeniach ma rozwiązanie analityczne, co ma szczególnie znaczenie w praktyce inżynierskiej. Przedmiotem rozważań jest modelowanie pracy zasobnika zmiennofazowego do współpracy ze źródłem lub odbiornikiem energii cieplnej. Geometrię zasobnika przedstawiono na rysunku 1. Zakłada się, że jest on dobrze izolowany od otoczenia tak, że straty ciepła do otoczenia są pomijalnie małe. Ze względu na niską przewodność PCM oraz odpowiednio gęsty rozstaw kanałów, którymi płynie nośnik ciepła, pomija się strumień ciepła wzdłuż długości, którą dla wygody zastąpiono powierzchnią bieżącą wymiennika F. Wymiana ciepła pomiędzy nośnikiem, a materiałem akumulującym zachodzi jedynie na powierzchni ich rozdziału, gdzie znany jest współczynnik przenikania ciepła U.

Rys. 1. Schemat zasobnika magazynującego

Z bilansu ciepła dla elementarnej objętości układu przedstawionego na rysunku 1 wynikają następujące równania opisujące rozkład temperatury nośnika ciepła T1 oraz PCM T2. Obydwie wielkości są funkcją czasu t i powierzchni F.

gdzie wskaźniki 1, 2 odnoszą się odpowiednio do nośnika ciepła i zmiennofazowego materiału akumulującego, Ft – jest całkowitą powierzchnią wymiany ciepła, M1 – masa PCM w zasobniku, m1 – strumień masy nośnika ciepła, Cp – ciepło właściwe.

Dodatkowo założono, że wymiana ciepła towarzysząca procesom konwekcji swobodnej występująca przy niejednorodnym rozkładzie temperatury wzdłuż wysokości zasobnika jest pomijalnie mała w porównaniu z ciepłem wymienianym pomiędzy obydwiema substancjami, tj. materiałem akumulacyjnym i przepływającym nośnikiem ciepła.

W ogólnym przypadku powyższy układ równań jest nieliniowy, który – po zadaniu warunków początkowych i brzegowego – może być efektywnie rozwiązany numerycznie. Warto zaważyć, że ich prawe strony mają taką samą postać liniowej zależności od różnicy temperatury pomiędzy przepływającym nośnikiem ciepła i materiałem akumulacyjnym. Po sprowadzeniu tego układu do postaci bezwymiarowej można wykazać następującą relację:

W takim przypadku pochodna temperatury nośnika ciepła po czasie w pierwszym równaniu może być pominięta, a równanie (1) przyjmie poniższą postać:

Zależności (2) i (4) stanowią układ równań opisujących niestacjonarny rozkład temperatury w zasobniku. Ilustrację przykładowego procesu ładowania zasobnika z parafiną ze źródła o stałej w czasie temperaturze T1=T10=90oC pokazano na rysunku 2.

Rys. 2. Rozkład temperatury w zasobniku z wypełnieniem parafinowym w przypadku bez uproszczeń (linia ciągła) i po uproszczeniach (linia przerywana)

Dla zasobnika o masie PCM (parafina) M2=50 kg i początkowej temperaturze T20=20o C, przy pojemności wewnętrznej nośnika ciepła (woda) w ilości M1=1 kg i strumieniu masowym m1=0.02 kg/s stwierdzono, że błąd względny wynikający z poczynionych uproszczeń wynosi około 1,65 proc. dla bezwymiarowej temperatury T1/T20 i odpowiednio 2,6 proc. dla T2/T20. Obliczenia te pokazują, że już przy stosunku mas M2/M1=50 można pominąć pochodną lokalną w równaniu opisującym rozkład temperatury nośnika ciepła, a poczyniony błąd w obliczeniach w takim przypadku jest stosunkowo niewielki.

Ładowanie zasobnika z wkładem PCM o dużej masie
Zastosowanie zbiornika akumulującego ciepło pracującego przy zmianie fazy czynnika wymaga ograniczenia negatywnego wpływu niskiej przewodności substancji zmiennofazowej. Można to osiągnąć poprzez dobre rozwiniecie powierzchni biorących udział w wymianie ciepła, co – przy odpowiedniej konstrukcji zasobnika – skutkuje jednakową temperaturą w całej objętości zasobnika. Przyjęcie jednakowej temperatury w całej objętości zbiornika nie wprowadza znaczących błędów w obliczeniach wtedy, kiedy liczba Biota jest mała. Dla obliczeń inżynierskich wystarczy Bi<0,1 [1].

Przy przyjętych założeniach lokalny bilans ciepła prowadzi do następującej zależności:

które opisuje zmianę temperatury wewnątrz zasobnika w funkcji czasu T2=T2(t). Prawa strona tego równania jest ciepłem wymienianym pomiędzy nośnikiem, a PCM w zasobniku i jest proporcjonalna do różnicy temperatury nośnika ciepła na wejściu do T1(t,0)=T10 i wyjściu z zasobnika T1(t,Ft).

W przypadku odpowiednio dużego stosunku M2/M1 równanie na rozkład temperatury wzdłuż długości zasobnika można – jak pokazano wyżej – w postaci (4), tj.:

Przy przyjętych założeniach, w powyższym równaniu czas t jest parametrem, a temperatura zbiornika T2= T2(t) i nie zależy od powierzchni F, zależność (4) można łatwo scałkować. Przyjmując, że na wlocie do zbiornika jest dana temperatura czynnika zasilającego T10 otrzymujemy:

Warto zwrócić uwagę, że zależność temperatury nośnika T1 od czasu jest zależnością pośrednią poprzez T2(t). Wykorzystując powyższe w równaniu (3) otrzymujemy następujące jego rozwiązanie:

gdzie E jest stałą określaną wzorem:

Przy całkowaniu wykorzystano warunek początkowy, przyjmując, że znana jest temperatura zbiornika na starcie procesu ładowania T2(t=0)=T20.


Rys. 3. Zmiana temperatury zbiornika z PCM
oraz nośnika ciepła na wypływie w funkcji czasu

Widoczna na rysunku 3 niewielka różnica pomiędzy temperaturą T2 w zbiorniku z PCM a temperaturą T1(t,Ft) na wylocie ze zbiornika świadczy o poprawnym doborze strumienia cieczy zasilającej (tutaj m1=0,02 kg/s). Jego zwiększenie skutkuje zwiększeniem różnicy tych temperatur, a więc i dłuższym czasem nagrzewania przy zwiększonych oporach przepływu, co jest zjawiskiem niekorzystnym.


Rys. 4. Rozkład temperatury cieczy grzewczej w zasobniku dla różnych czasów
w początkowym okresie akumulacji

Podsumowanie i wnioski
Zapoczątkowane działania ograniczenia zużycia nieodnawialnych nośników energii o przynajmniej 20% w najbliższych latach wymagają wielu technologicznie nowatorskich rozwiązań. Jednym z możliwych jest szersze zastosowanie akumulacji energii, w tym cieplnej niskotemperaturowej. Jej zasób jest ogromny, lecz jej efektywne wykorzystanie jest ograniczone okresową dostępnością: krótkoterminową i długoterminową. W pracy wprowadzono prosty układ równań, który opisuje proces ładowania lub rozładowania zasobnika z wypełnieniem PCM w przypadku niestacjonarnym i jednowymiarowym. Omówiono możliwe uproszczenia tak, aby otrzymać zależności do wykorzystania w praktyce inżynierskiej. Wskazano również na błędy czynionych założeń upraszczających, które zależne są od stosunku masy substancji akumulującej do masy czynnika grzewczego pozostającego w zasobniku.

Modelowanie procesów ładowania i rozładowania zasobnika akumulującego z materiałem zmiennofazowym w instalacjach ze źródłem o okresowej dostępności zezwala na poszukiwanie optymalnych parametrów pracy i dobór charakterystyk sterowania [2].
Fot. Pixabay

Literatura:
[1] Incropera F.P. at al. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. John Wiley & Sons. 2007
[2] Orzechowski T., Stokowiec K.: Heat storage tank operation with a phase change bed –numerical calculations. The 15th Conference for Junior Researches Science for Future. Engineering Systems for Building. 12-13 April 2012. Vilniaus Gedimino technikos universitetas. 93-97.

MOŻLIWOŚĆ MODERNIZACJI SPRĘŻARKOWEJ MASZYNOWNI CHŁODNICZEJ NA ABSORPCYJNĄ

Ryszard Zwierzchowski, Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych, Politechnika Warszawska, Marcin Malicki, doktorant w Zakładzie Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych, Politechnika Warszawska

W artykule przedstawiono możliwości zamiany konwencjonalnej maszynowni sprężarkowej, wykorzystującej chillery elektryczne, zainstalowanej w budynku biurowym na maszynownie opartą na agregatach absorpcyjnych zasilanych przy pomocy węzła cieplnego podłączonego do miejskiej sieci ciepłowniczej.

Jako dane źródłowe wykorzystano rzeczywiste zużycia energii oraz parametry urządzeń zainstalowanych w węzłach cieplnych i chłodniczych eksploatowanych budynków biurowych, na podstawie których przeprowadzono dobór agregatów absorpcyjnych. W celu optymalizacji pracy powstałego węzła cieplno – chłodniczego, system wzbogacono o zbiornik buforowy (akumulator ciepła) wody gorącej.

Zasadność stosowania technologii absorpcyjnej
W ciągu ostatniej dekady zapotrzebowanie na energię elektryczną w Polsce systematycznie wzrasta [12]. Jej głównymi odbiorcami są duże aglomeracje miejskie takie jak Warszawa, Łódź, Poznań czy Wrocław. W ich przypadku szczyt zapotrzebowania przypada na okres letni i związany jest w dużej mierze z zasilaniem konwencjonalnych tj. wykorzystujących energię elektryczną urządzeń chłodniczych, pracujących na potrzeby centralnego wytwarzania energii chłodniczej np. dla biur, szpitali, hoteli czy supermarketów [1]. Właśnie w tym okresie na terenie Warszawy w przeciągu ostatnich lat doszło do dwóch poważnych awarii systemu elektroenergetycznego, w trakcie których zabrakło energii m.in. dla tramwajów i metra. W dużych aglomeracjach miejskich tempo wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną jest znacząco większe niż na obszarach mniej zurbanizowanych, co bezpośrednio przekłada się na stałą tendencję wzrostową ceny energii chłodniczej pochodzącej z konwencjonalnych urządzeń sprężarkowych [7]. Dla aglomeracji Warszawskiej tempo wzrostu cen energii elektrycznej jest dwukrotnie większe niż na innych obszarach, a jej cena w przeciągu ostatnich siedemnastu lat wzrosła siedmiokrotnie i należy przyjąć, że energia elektryczna będzie stawała się coraz droższa. Jednocześnie w okresie letnim znacznemu ograniczeniu ulega zapotrzebowanie na ciepło. Sieci wykorzystywane są tylko do pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową co prowadzi do ograniczenia wykorzystania mocy wytwórczych oraz zwiększenia strat energii podczas przesyłu ciepła. Zwiększone koszty eksploatacyjne w stosunku do ograniczenia przychodów prowadzą do zwiększenia średniej całorocznej ceny ciepła dla odbiorców końcowych.

Na terenie Warszawy przewidywany jest 25 proc. wzrost powierzchni klimatyzowanej do 2020 roku [8]. Podobny trend można zauważyć w wielu miastach europejskich [3]. Większa część nowopowstających powierzchni klimatyzowanych będzie zlokalizowana w ścisłym centrum miasta, co w wypadku zastosowania konwencjonalnych urządzeń klimatyzacyjnych, dodatkowo pogłębi lokalny deficyt energii elektrycznej, narażając także istniejącą infrastrukturę elektroenergetyczną na dalsze przeciążenie. Zwiększenie powierzchni klimatyzowanej spowodowane powstawaniem nowych powierzchni np. biurowych to nie jedyny powód wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną. W ostatnich latach można zauważyć wyraźny trend modernizacji istniejących obiektów poprzez zainstalowanie układów klimatyzacyjnych. Dodatkowo, ze względu na uwarunkowania techniczne i środowiskowe, cykl życia klasycznych maszynowni chłodniczych opartych na urządzeniach sprężarkowych produkujących energię chłodniczą dla powstałych dekadę bądź dwie temu obiektów dobiega końca, wymuszając odtworzenie mocy chłodniczych, co w połączeniu z prawodawstwem promującym zwiększanie efektywności energetycznej u użytkowników końcowych [13], stwarza szanse zastosowania innej niż konwencjonalna technologii wytwarzania chłodu. Doskonałym rozwiązaniem problemu powstającego deficytu energii elektrycznej związanego ze zwiększaniem powierzchni klimatyzowanych jest zastosowanie chłodziarek absorpcyjnych zasilanych z miejskiej sieci ciepłowniczej. Stanowi to jednocześnie rozwiązanie problemu dociążenia sieci ciepłowniczych w sezonie letnim. Urządzenia absorpcyjne, w odróżnieniu od klasycznych urządzeń sprężarkowych napędzanych energią elektryczną, wykorzystują do produkcji energii chłodniczej gorącą wodę, która mogłaby pochodzić z miejskiej sieci ciepłowniczej. W wypadku zastosowania takiego rozwiązania istniejąca sieć ciepłownicza, wykorzystywana głównie w okresie zimowym na potrzeby ogrzewania, w okresie letnim, poza przygotowaniem ciepłej wody użytkowej, zasilałaby chłodziarki absorpcyjne produkujące wodę lodową na potrzeby klimatyzacyjne budynku. Wykorzystanie chłodziarek absorpcyjnych zasilanych z miejskiej sieci ciepłowniczej nie wiąże się z żadnymi zmianami w istniejącej instalacji klimatyzacyjnej budynku – zmianie ulega tylko źródło energii chłodniczej z wykorzystującego do napędu energię elektryczną na używające energię cieplną. Dzięki dociążeniu sieci ciepłowniczej w sezonie letnim, dla wielu rodzajów stosowanych źródeł skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej, pojawi się możliwość wyprodukowania dodatkowej ilości energii elektrycznej co w połączeniu z ograniczeniem zapotrzebowania na cele zasilania konwencjonalnych urządzeń klimatyzacyjnych doprowadzi do odciążenia krajowego systemu elektroenergetycznego nawet o 3000 – 4000 MW [11]. Powyższa wartość powinna być brana pod uwagę, szczególnie w aktualnej sytuacji kiedy to ze względu na opóźniający się proces odtwarzania mocy jak i przymus przeprowadzania remontów w okresie letnim już latem 2013 roku może pojawić się deficyt energii elektrycznej [9]. W wypadku projektowania nowych źródeł kogeneracyjnych, dzięki wzięciu pod uwagę letniego zapotrzebowania na ciepło na potrzeby zasilania urządzeń chłodniczych, istnieje możliwość zainstalowania większej mocy wytwórczej. Powstałe źródło trójgeneracyjne będzie produkowało w pełnym skojarzeniu energię elektryczną, cieplną i chłodniczą.

Schemat 1: Możliwość wykorzystania sieci ciepłowniczej do zasilania chłodziarek
absorpcyjnych.

W miastach najbardziej efektywną metodą zaspokojenia zapotrzebowania na energię cieplną są sieci ciepłownicze. Energia dostarczana w ten sposób pochodzi najczęściej z dużych źródeł charakteryzujących się wzorowymi wskaźnikami sprawności i ekologii skojarzonej produkcji energii cieplnej i elektrycznej. Dzięki temu w Polskich miastach scentralizowane systemy ciepłownicze pokrywają średnio 72 proc. zapotrzebowania na ciepło [14], a w Europie dostarczają ciepło dla ponad 100 milionów mieszkańców [4]. Stołeczna infrastruktura ciepłownicza należy do jednej z najbardziej rozwiniętych na terenie Europy, szczelnie pokrywając całą stolicę i umożliwiając dostęp do ciepła praktycznie każdemu jej mieszkańcowi. Zastosowanie tej samej sieci ciepłowniczej do zasilania gorącą wodą chłodziarek absorpcyjnych działających na potrzeby klimatyzacyjne budynków zdaje się być doskonałym rozwiązaniem. W celu przeanalizowania technicznych aspektów modernizacji istniejącej maszynowni sprężarkowej na absorpcyjną, wykorzystującą istniejącą infrastrukturę dostawy ciepła oraz rozprowadzenia chłodu, posłużono się przykładem istniejącego budynku biurowego zlokalizowanego na terenie Warszawy.

Studium przypadku
Analizowany przykład opiera się na danych historycznych z eksploatacji budynków przekazanych dzięki uprzejmości Skanska Property S.A [2] dla dwóch bliźniaczych budynków biurowych znajdujących się na terenie stolicy. W obu budynkach zainstalowano identyczny system wytwarzania energii chłodniczej i cieplnej opierający się na konwencjonalnym, szeregowo – równoległym, węźle cieplnym oraz maszynowni chłodniczej składającej się z konwencjonalnych agregatów chłodniczych. Ze względu na bliźniaczą konstrukcję budynków oraz niewielkie różnice w powierzchni, na potrzeby obliczeniowe wprowadzono pojęcie „Budynku 12” dla którego dane zostały przygotowane z uśrednienia danych rzeczywistych pochodzących z Budynku 1 oraz Budynku 2. W celu ułatwienia obliczeń oraz uśrednienia wyników, Budynek 12 w dalszym toku rozważań traktowany jest jako budynek referencyjny.
Energia chłodnicza na potrzeby obu obiektów produkowana jest przez zespół dwóch konwencjonalnych agregatów sprężarkowych o mocach dla Budynku 1 QCH1A = 761 kW oraz QCH1B = 761 kW a dla Budynku 2 QCH2A = 703 kW i QCH2B = 601 kW. Agregaty napędzane są energią elektryczną i produkują wodę lodową ze współczynnikiem ESEER – 4,33. W przypadku każdego z budynków zestaw dwóch agregatów połączony jest z zewnętrznym systemem freecoolingu realizowanym przez chłodnicę wentylatorową o mocy QCHW = 500 kW przy temperaturze zewnętrznej 3oC. Dostępna moc chłodnicza dla Budynku 1 to QCH1 = 1522 kW oraz dla Budynku 2 QCH2 = 1304 kW. Zespół agregatów wraz z drycoolerem połączony jest z instalacją chłodniczą budynku przez zbiornik buforowy wody lodowej. System działa przez cały rok pokrywając zapotrzebowanie na wodę lodową każdego z budynków. Poniżej przedstawiono zestawienie mocy maszynowni chłodniczych Budynku 1, 2 oraz 12 wraz ze schematem instalacji.

Tabela 1: Zestawienie mocy maszynowni chłodniczych dla budynków 1,2 i 12.
Schemat 2: Źródło energii chłodniczej budynków 1, 2 i 12.

Energia cieplna w obu przypadkach dostarczana jest z miejskiej sieci ciepłowniczej przy pomocy węzła szeregowo równoległego. Zainstalowana moc cieplna na potrzeby ogrzewania to dla Budynku 1QCO1= 420 kW oraz dla Budynku 2 QCO2 = 389 kW. Dodatkowo, ze względu na konstrukcję systemu wentylacyjnego, który w okresie zimowym służy także do ogrzewania powierzchni moc cieplna na potrzeby ciepła technologicznego to dla Budynku 1 QCT1 = 1657 kW oraz Budynku 2 QCT2 = 1029 kW. W każdym z budynków występuje także zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową jednakowe dla obu budynków QCWUMAX = 150 kW. W związku powyższym można przyjąć, że sumaryczna moc węzłów to dla Budynku 1 QW1= 2227 kW oraz Budynku 2 QW2 = 1568 kW. Poniżej przedstawiono zestawienie mocy węzłów Budynku 1, 2 oraz 12.

Tabela 2: Zestawienie mocy węzłów cieplnych dla budynków 1,2 i 12.

Z danych eksploatacyjnych, przekazanych dzięki uprzejmości Skanska Property S.A. wynika, że budynek referencyjny w ciągu roku zużywa 2002 MWh energii cieplnej, a szczyt zapotrzebowania występuje w styczniu. Jest to spodziewana tendencja wynikająca z użytkowania węzła głównie na potrzeby ogrzewania budynku. Poniżej przedstawiono tabele danych prezentującą zużycie energii dla poszczególnych miesięcy:

Tabela 3:Zestawienie zużycia ciepła dla budynku 12.

W związku z brakiem danych rzeczywistych z zakresu produkcji i zużycia chłodu w źródle wytwarzania, a dostępnych tylko danych dotyczących zużycia energii elektrycznej przez źródło, przeliczono na podstawie wskaźnika ESEER spodziewaną miesięczną produkcję energii chłodniczej w postaci wody lodowej z zainstalowanej maszynowni. Wykorzystano do tego celu wskaźnik ESEER (European Sesonal Energy Efficency Ratio) wyliczony przez Eurovent Certification Company ponieważ jest to jeden ze wskaźników uwzględniających obciążenie częściowe agregatu i od 2006 roku jest standardem obejmującym wszystkich producentów agregatów wody lodowej poddających swoje urządzenia certyfikacji Eurovent [5]. Wskaźnik uwzględnia zmienne w ciągu roku warunki pracy urządzeń chłodniczych i zastał opracowany jako element programu „SAVE” po pięcioletnich badaniach współfinansowanych przez Unię Europejską. Geneza opracowania wskaźnika leży w nieadekwatności stosowania do zmiennych obciążeń układu chłodniczego, oraz temperatur w ciągu roku, wartości wskaźnika COP, nie uwzględniającego obciążenia częściowego urządzeń chłodniczych pracujących na potrzeby klimatyzacji. Tabela poniżej prezentuje parametry przyjęte do obliczenia wskaźnika ESEER dla agregatu.

Tabela 4: Parametry obliczania wskaźnika ESEER.

Wskaźnik obliczamy poprzez dodanie wartości EER pomnożonych przez ich wagę: 0,03EER100% + 0,33EER75% + 0,41EER25% + 0,23EER25% = ESEER

Po przeliczeniu produkcji wody lodowej na podstawie zużycie energii elektrycznej oraz wskaźnika ESEER otrzymujemy następujące wartości produkcji wody lodowej przez źródło budynku referencyjnego:

Tabela 4: Parametry obliczania wskaźnika ESEER.

Z danych wynika, że roczne zużycie energii chłodniczej na potrzeby klimatyzacji kształtuje się na poziomie 1206 MWh, na wyprodukowanie której potrzeba 278 MWh energii elektrycznej, a jego szczyt przypada w miesiącu lipcu. W zakresie zapotrzebowania na chłód jest to tendencja spodziewana ze względu na specyfikę wykorzystywania urządzeń chłodniczych budynku referencyjnego głównie do celów klimatyzacyjnych.

Jak widać możemy wyróżnić dwa szczytowe okresy zapotrzebowania na energię dla budynku – w styczniu kiedy to budynek potrzebuje najwięcej energii z węzła cieplnego na potrzeby ogrzewania, oraz w lipcu, kiedy to obciążenie instalacji elektrycznej budynku, związane z produkcją największej ilości energii chłodniczej osiąga wartości szczytowe. Dzięki odwrotnej korelacji zapotrzebowania na energię cieplną na potrzeby ogrzewania i elektryczną na potrzeby chłodzenia, istnieje możliwość optymalizacji wykorzystania energii cieplnej z sieci ciepłowniczej poprzez instalację bromolitowych chłodziarek absorpcyjnych produkujących wodę lodową na potrzeby klimatyzacyjne budynku. Dzięki swojej budowie oraz specyfice pracy bromolitowe chłodziarki absorpcyjne doskonale spełniają wymagania stawiane przed urządzeniami działającymi na potrzeby klimatyzacji tj. zaspokajającymi zapotrzebowanie na energię chłodniczą przy zmiennych obciążeniach i w zmiennych temperaturach zewnętrznych. Zarówno zakres regulacji (od 30 proc. do ponad 100 proc. mocy nominalnej) jak i sprawność produkcji chłodu (która przy obciążeniach częściowych jest większa od nominalnej) są w stanie sprostać zmieniającemu się zapotrzebowaniu. Producenci chłodziarek sprężarkowych niejednokrotnie podają wartości współczynnika COP na poziomie znacząco wyższym od chłodziarek absorpcyjnych, dochodzącym niejednokrotnie do 4 czy 5, jednak biorąc pod uwagę pracę tych urządzeń w warunkach rzeczywistych, uwzględnionych przez wskaźnik ESEER, oraz fakt iż do zasilania używają energii silnie przetworzonej tj. elektrycznej, której największy deficyt pojawia się właśnie w miesiącach letnich, zużycie energii pierwotnej chłodziarek absorpcyjnych zasilanych z miejskiej sieci ciepłowniczej w której ciepło pochodzi ze źródeł wysokosprawnych i niejednokrotnie proekologicznych może być niższe. Bromolitowa chłodziarka absorpcyjna wytwarza wodę lodową na potrzeby klimatyzacyjne dzięki krążeniu czynnika chłodniczego między absorberem (jest w nim pochłaniany), a desorberem (generatorem). Energią napędową dla urządzenia jest, w tym wypadku, gorąca woda z miejskiej sieci ciepłowniczej. Charakterystykę i zasadę działania bromolitowego absorpcyjnego agregatu wody lodowej przedstawiono w [16]. W związku z tym, że chłodziarki absorpcyjne wykorzystują ciepło jako energię napędową, przeliczono zapotrzebowanie na gorącą wodę z węzła cieplnego do produkcji energii chłodniczej dla budynku referencyjnego. Zapotrzebowanie na ciepło na potrzeby chłodzenia zostało wyliczone przy użyciu wskaźnika ESEER dla dobranej wielkością do instalacji chłodniczej bromolitowej chłodziarki absorpcyjnej [6] oraz wyliczonego wcześniej zapotrzebowania na energię chłodniczą budynku referencyjnego.

Tabela 6: Zapotrzebowanie na ciepło na potrzeby zasilania chłodziarek absorpcyjnych.

Jak wynika z powyższej tabeli szczyt zapotrzebowania na energię cieplną na potrzeby chłodu przypada na miesiące letnie, kiedy to zapotrzebowanie na energię chłodniczą jest największe. Energia cieplna do napędu chłodziarek absorpcyjnych może pochodzić z węzła cieplnego już zainstalowanego w budynku, dzięki czemu ograniczona zostanie ingerencja w istniejącą infrastrukturę ciepłowniczą i nakłady inwestycyjne na planowaną modernizację.

Po zsumowaniu zapotrzebowania na ciepło na potrzeby CWU, CO oraz chłodnicze możemy zauważyć, że w miesiącach w których dotąd węzeł był eksploatowany z minimalną mocą (kwiecień –październik) znacząco wzrasta zapotrzebowanie na moc cieplną prowadząc do optymalizacji pracy węzła oraz, dzięki wyłączeniu urządzeń sprężarkowych, ograniczenia zużycie energii elektrycznej przez budynek. Należy dodatkowo zauważyć, że w wypadku zastosowania chłodziarek absorpcyjnych zasilanych z miejskiej sieci ciepłowniczej znaczącemu ograniczeniu ulegnie zapotrzebowanie na moc elektryczną, której szczyt występował dotąd właśnie w miesiącach letnich ze względu na wymóg zasilania chłodziarek sprężarkowych, co doprowadzi do optymalizacji eksploatacji infrastruktury elektroenergetycznej budynku. Na poniższym wykresie zaprezentowano roczny przebieg zapotrzebowania na energię cieplną na potrzeby ogrzewania, chłodniczą, cieplną na potrzeby chłodu wraz z wymaganą mocą węzła cieplno – chłodniczego dla budynku referencyjnego.

Wykres 1: Zestawienie zapotrzebowania na energię cieplną, chłodniczą, cieplną na potrzeby produkcji chłodu oraz wymaganej mocy węzła cieplnego.

Zastosowanie chłodziarek absorpcyjnych zasilanych z miejskiej sieci ciepłowniczej w istniejących budynkach jest możliwe i prowadzi do optymalizacji wykorzystania węzła cieplnego w budynku referencyjnym (dotąd w miesiącach letnich węzeł użytkowany był z mocą minimalną) oraz ograniczenia zużycia energii elektrycznej. Jak widać na poniższym wykresie moc węzła cieplnego w ciągu roku utrzymywana jest na zbliżonym poziomie, a wartości maksymalne osiągane są tylko w momencie pojawiania się szczytowego zapotrzebowania na moc cieplną na potrzeby ogrzewania (styczeń) oraz produkcji chłodu (lipiec).

Wykres 2: Zapotrzebowanie na energię z węzła cieplnego z podziałem na ogrzewanie i
chłodzenie.

Przeprowadzona modernizacja prowadzi do wykorzystywania jako głównego źródła zasilania budynku referencyjnego energii cieplnej z miejskiej sieci ciepłowniczej, której pewność dostawy jest na co najmniej takim samym poziomie jak energii elektrycznej, przy o wiele niższej dynamice wzrostu cen. W analizowanym przykładzie nie wzięto pod uwagę fizycznych ograniczeń zamiany maszynowni sprężarkowej na absorpcyjną. Chłodziarki absorpcyjne są, zarówno w zakresie wymiarów jak i wagi, urządzeniami większymi od dopowiadających mocą urządzeń sprężarkowych, dlatego też przed każdorazową modyfikacją należy uwzględnić wymiary i wagi planowanych urządzeń. Należy jednak zauważyć, że dzięki zastosowaniu zbiornika buforowego wody lodowej istnieje możliwość odtworzenia tylko części mocy projektowej co ograniczyłoby zarówno nakłady inwestycyjne jak i miejsce potrzebne do przeprowadzenia opisanej modyfikacji. Absorpcyjna Centrala Chłodu (AAC) może być zasilana z Elektrociepłowni (EC), bądź z ciepłowni. Schemat układu trójgeneracyjnego z akumulatorem ciepła zasilanego z EC podano w [16], zaś zasilanego z ciepłowni komunalnej podano poniżej na schemacie 3. Wykresy 1 i 2 wyraźnie wskazują na potrzebę zastosowania akumulatora ciepła w przypadku zasilania przez system ciepłowniczy AAC, co znacząco poprawia warunki eksploatacyjne i ekonomiczne tego typu układów trójgeneracyjnych [16].

Schemat 3: Układ trójgeneracyjny z akumulatorem ciepła zasilany z ciepłowni komunalnej.

Oznaczenia: AAC – absorpcyjna centrala chłodu, AK – akumulator ciepła, C – odbiorcy chłodu, H – odbiorcy ciepła (c.w.u. + c.t.), K1 i K2 – kotły, Odm – odmulacz sieciowy, PK – pompy kotłowe, PS – pompy sieciowe, PU-S – pompy uzupełniająco-stabilizujące, PZz – pompy zmieszania zimnego, RT – zawór trójdrogowy zmieszania gorącego, Tpc – temperatura wody powrotnej z AAC, tz – temperatura wody lodowej zasilającej, tp – temperatura wody lodowej powrotnej.

Podsumowanie
Działania modernizacyjne prowadzone przez szereg ostatnich lat doprowadziły do spadku zapotrzebowania na energię cieplną, w szczególności w okresie letnim [10]. Zastosowanie chłodziarek absorpcyjnych zasilanych z miejskiej sieci ciepłowniczej w istniejących obiektach jest możliwe oraz, ze względu na potencjał rynku zapotrzebowania na chłód w aglomeracjach miejskich, mogłoby doprowadzić do znaczącego zwiększenia sprzedaży ciepła w okresie letnim i uwolnienia znaczącej mocy eklektycznej [16]. Ze względu na specyfikę pracy obiektów wytwórczych w dużych aglomeracjach miejskich, cena energii cieplnej w okresie letnim, może prowadzić do pojawienia się cenowej przewagi konkurencyjnej kosztu wyprodukowania energii chłodniczej z rozwiązań absorpcyjnych oraz umożliwić zwiększenie produkcji energii elektrycznej prowadząc do zysku zarówno po stronie sprzedającego energię cieplną jak i produkującego energię chłodniczą. Ze względu na istotny wpływ temperatury wody zasilającej chłodziarkę i wymóg podwyższenia temperatury wody zasilającej chłodziarki absorpcyjne w okresie letnim kwestię tą należy dokładnie przeanalizować dla konkretnego systemu ciepłowniczego. Dostawę chłodu przy pomocy chłodziarek absorpcyjnych zasilanych z miejskiej sieci ciepłowniczej należy traktować jako alternatywę w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych. Rosnący udział skojarzonej produkcji energii elektrycznej i cieplnej w źródłach zachęca do zwiększania odbioru ciepła w okresie letnim umożliwiając produkcję dodatkowej ilości energii elektrycznej. Przy opracowywaniu koncepcji nowych, szczególnie rozproszonych, źródeł kogeneracyjnych należy brać pod uwagę możliwość zainstalowanie chłodziarek absorpcyjnych ponieważ może to doprowadzić do zwiększenia zapotrzebowania na ciepło w okresie letnim, a co za tym idzie możliwości zwiększenia produkcji energii elektrycznej.

Literatura:
[1] Adnot J.: Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners (EECCAC), Final Raport, 2008.
[2] Dane ruchowe dla 2 budynków biurowych, Skanska Property S.A. 2012.
[3] Day A.R., Jones P.G., Maidment G.G. Forecasting future cooling demand in London, Energy And Building 41, 2009.
[4] District heating and cooling country by country – 2005 Survey, Euroheat & Power, Brussels 2005.
[5] Eurovent Certification Company: Eurovent Standard 6-C003-2006.
[6] Instrukcja obsługi bromolitowego agregatu absorpcyjnego zasilanego gorącą wodą, Shuangliang Eco Energy Systems 2012.
[7] Kobyliński K., A., Smyk: Doświadczenia firmy Vattenfall w wykorzystaniu ciepła do produkcji chłodu w Europie oraz plany wdrożenia tej technologii w Warszawie, Warsztaty projektu Polysmart, 2010.
[8] Malicki M.: Potencjał rynku dostawy energii chłodniczej produkowanej przy pomocy chłodziarek absorpcyjnych zasilanych ciepłem sieciowym na ternie Warszawy, Opracowanie na potrzeby Uczelnianego Centrum Badawczego Energetyki i Ochrony Środowiska, Warszawa 2011
[9] Penwell Global Power Review 2012.
[10] Pietrzyk Z., Skowroński P., Smyk A.: Możliwości dostarczania ciepła na potrzeby uzyskiwania chłodu na przykładzie doświadczeń warszawskich. Materiały z konferencji „Ciepło skojarzone, komfort zimą i latem – trój generacja”, 2005.
[11] Pietrzyk Z., Smyk A.: Czy w Polsce istnieje realna szansa na chłód z central zasilanych ciepłem systemowym, XIV Forum Ciepłowników Polskich, str. 139-150, Międzyzdroje, 12-15 Września 2010
[12] Strategia „Bezpieczeństwo Energetyczne i Środowisko” Perspektywa 2020 r. Ministerstwo Gospodarki, 2011.
[13] Ustawa z dnia 15 Kwietnia 2011 r. o efektywności energetycznej (Dz.U. 2011 nr 94 poz. 551)
[14] Wojdyga K.: Prognozowanie zapotrzebowania na ciepło, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007.
[15] Zwierzchowski R.: Zastosowanie akumulatorów ciepła w miejskich systemach ciepłowniczych szansą na zwiększenie efektywności i pewności zasilania odbiorców w energię cieplną i elektryczną, XIV Forum Ciepłowników Polskich, str. 199-206, Międzyzdroje, 12-15 Września 2010 [16] Zwierzchowski R., Malicki M: Produkcja chłodu w miejskich systemach ciepłowniczych z akumulatorem ciepła, XV Forum Ciepłowników Polskich, str. 241-252, Międzyzdroje, 18-21 Września 2011
fot. Pixabay