Ogrzewanie i chłodzenie odpowiadają za połowę końcowego zużycia energii w Europie, a większość z nich nadal opiera się na paliwach kopalnych. Efektywność energetyczna jest podstawą dekarbonizacji tego istotnego sektora. Aby tak się stało, potrzebujemy silnych sygnałów politycznych – i to już teraz – mówi Jürgen Fischer, prezes Danfoss Climate Solutions.
To proste, ale efektywność energetyczna wciąż nie jest systematycznie wdrażana – mimo że technologie są na wyciągnięcie ręki. Tak wiele można osiągnąć poprzez “robienie więcej za mniej” na rzecz sprawiedliwej społecznie transformacji energetycznej, która uczyni gospodarkę europejską bardziej odporną i przyniesie korzyści zarówno obywatelom Europy, jak i całej planecie. Doświadczenie pokazuje jednak, że bez silnych sygnałów politycznych to się po prostu nie udaje. Ambitny i jednoznaczny plan REPower EU oraz pakiet Fit-For-55 mogą dokonać tak potrzebnej zmiany. Potrzebujemy pragmatycznych i możliwych do zastosowania środków, takich jak surowe wymagania dotyczące renowacji, szybkie wycofanie kotłów na paliwa kopalne, wymagania dotyczące podstawowych środków efektywności energetycznej w budynkach oraz obowiązkowe planowanie cieplne dla gmin, aby szybko wdrożyć efektywność energetyczną i zmniejszyć naszą zależność od paliw kopalnych.
Efektywność energetyczna jest zdroworozsądkowa i atrakcyjna finansowo, dlatego tym bardziej dziwi nas, że nie widzimy jej systematycznej realizacji w terenie. Weźmy bardzo podstawowy przykład równoważenia hydraulicznego. Dzięki niemu można potencjalnie zaoszczędzić 22,6 Mtoe w krajowych systemach grzewczych w UE, jednocześnie poprawiając komfort cieplny mieszkańców. Jednak w samych Niemczech 80% do 85% systemów grzewczych jest nadal instalowanych bez równoważenia hydraulicznego, mimo że jest to inwestycja niewymagająca dużych nakładów finansowych, a czas jej zwrotu jest zwykle znacznie krótszy niż 4 lata.
I nie jest to wcale skomplikowane. Po prostu zapobiega to sytuacji, w której np. grzejniki na parterze są gorące, a na piętrze zimne, co zmusza kocioł i pompy do zużywania ogromnych ilości energii, aby zaradzić tej sytuacji.
Elektryfikacja ogrzewania za pomocą pomp ciepła to kolejny przykład technologii, która jest bardzo wydajna. Mimo że rozwiązanie to jest dostępne od dziesięcioleci, nadal się nie przyjęło. To ogromna, stracona szansa, zważywszy, że do 2030 r. można by zaoszczędzić 25% obecnego importu gazu kopalnego z Rosji poprzez renowację i elektryfikację samych tylko europejskich budynków mieszkalnych. Pompy ciepła są również najszybszym sposobem dekarbonizacji ogrzewania. Pozbywając się kotłów na paliwa kopalne, mogą one pomóc Europie uniknąć emisji nawet 600 milionów ton CO2 do 2050 roku – to aż 15% wszystkich obecnych emisji gazów cieplarnianych w UE!
Klejnotem w “koronie efektywności energetycznej” jest energetyka komunalna, łącząca budynki z systemem energetycznym i pozwalająca na wykorzystanie wszystkich źródeł energii, w tym niskotemperaturowego ciepła odpadowego, które można następnie wzbogacić za pomocą pomp ciepła. Również w tym przypadku istnieje ogromny niewykorzystany potencjał: do 2050 r. połowa zapotrzebowania na ciepło w Europie może zostać pokryta przez energię lokalną, a niskotemperaturowe ogrzewanie lokalne może przynieść dodatkowe oszczędności energii pierwotnej w wysokości 120 TWh rocznie! Energetyka komunalna przyspiesza również przejście na nieciągłe źródła energii odnawialnej w opłacalny sposób, zapewniając większą elastyczność i możliwość magazynowania ciepła oraz oszczędzania energii w okresach szczytowych, co zmniejsza zapotrzebowanie na dodatkową infrastrukturę.
Czy to wszystko musi odbywać się kosztem konsumenta? Oczywiście, nie może to być celem. Potrzebujemy transformacji sprawiedliwej społecznie, która przyniesie korzyści nam wszystkim jako obywatelom, i jest to całkowicie możliwe. Na przykład modernizacja budynków do standardu energetycznego E do 2033 roku, a następnie D do 2040 roku, może zmniejszyć rachunki za energię w gospodarstwach domowych o niskich dochodach o 19% w 2050 roku. W połączeniu z wycofaniem kotłów na paliwa kopalne, rachunki mogłyby spaść o 30%. Aby to osiągnąć, potrzebne będą środki publiczne i znów mamy doskonałą okazję, aby zapewnić, że na przykład proponowany Społeczny Fundusz Klimatyczny lub finansowanie w ramach nadchodzącego planu REPower EU zostaną skierowane na osiągnięcie tych celów.
Na koniec słowo o kwestii, która jest mi bardzo bliska: nasze społeczeństwo musi poświęcić więcej uwagi ważnemu zawodowi instalatorów. Bez nich ta praca jest niemożliwa. Potrzebujemy ich więcej, a wszyscy oni powinni stać się naszymi “zielonymi inżynierami”, którzy będą mogli doradzać konsumentom najlepsze rozwiązania w danej sytuacji. Również instalatorzy będą musieli posiadać umiejętności pozwalające im dostosować się do naszego coraz bardziej cyfrowego środowiska i być gotowi do instalacji milionów pomp ciepła, które będą potrzebne, oraz do renowacji naszych budynków.
Wykorzystajmy ten wyjątkowy moment, z jego ogromnymi wyzwaniami i możliwościami, do stworzenia właściwych ram i skierowania naszego społeczeństwa na właściwą drogę, uczynienia naszej gospodarki bardziej odporną i osiągnięcia neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla przyszłości.
Szwajcarski koncern technologiczny ABB dostarczy zintegrowaną infrastrukturę elektryczną do budowy morskiej pompy ciepła o mocy 50 MW w Danii. Technologia pomp ciepła zostanie dostarczona przez niemieckiego specjalistę MAN Energy Solutions.
Szwajcarski koncern technologiczny ABB ujawnił, że dostarczy zintegrowaną infrastrukturę elektryczną do budowy morskiej pompy ciepła o mocy 50 MW w duńskim mieście portowym Esbjerg.
Pompa ciepła zostanie dostarczona przez niemiecką firmę MAN Energy Solutions SE – która jest dostawcą wielkogabarytowych silników wysokoprężnych i turbomaszyn do zastosowań morskich i stacjonarnych – i będzie zasilana z pobliskich farm wiatrowych.
Pompa ciepła z elektrotermicznym magazynowaniem energii (ETES) jest wielkoskalową instalacją “trigeneracyjną” do jednoczesnego magazynowania, wykorzystywania i dystrybucji energii elektrycznej, ciepła i chłodu. System wykorzystuje energię elektryczną do produkcji energii cieplnej, która może być następnie wykorzystana do ogrzewania lub chłodzenia albo przekształcona w energię elektryczną. Moc wejściowa i wyjściowa wynosi od 2 do 5o MW, a pojemność magazynowa od 10 do kilkuset MWh.
Dzięki tej technologii pomp ciepła, energia elektryczna, ciepło i chłodzenie nie są już traktowane oddzielnie, ale stają się częścią nadrzędnego systemu zarządzania energią. W tym procesie ETES funkcjonuje jako pomost pomiędzy rynkiem dostaw energii elektrycznej a rynkiem dostaw ciepła i chłodu.
Zgromadzone w ETES chłód i ciepło mogą być dystrybuowane do różnych typów odbiorców. Na przykład, ciepło może być przekazywane do sieci ciepłowniczych, przemysłu spożywczego i pralni. Natomiast zastosowania dla chłodzenia obejmują centra danych, hale hokejowe i łyżwiarskie oraz klimatyzację w wieżowcach.
„ABB wdroży swój kompletny pakiet elektryczny, oprzyrządowania i sterowania (EIC), silniki i napędy o zmiennej prędkości obrotowej dla elektrowni pompy ciepła, która będzie największą na świecie pompą ciepła wykorzystującą wodę morską opartą na CO2 jako czynniku chłodniczym” – poinformowała firma w oświadczeniu. „Mając na uwadze, że Esbjerg stoi przed obszarem światowego dziedzictwa UNESCO, jakim jest Morze Wadden, staranny wybór odpowiedniej pompy był niezbędny”.
„Ten projekt pokazuje, jak energia pozyskiwana z coraz ważniejszego sektora odnawialnych [energii] może być wykorzystywana poza siecią energetyczną i jak istotne dla dekarbonizacji przyszłości energetycznej będzie sprzężenie sektorowe”, powiedział MAN Energy Solutions w oświadczeniu wydanym we wrześniu. „Przy całkowitej mocy grzewczej 50 MW, nadchodząca ciepłownia zaopatrzy około 100.000 lokalnych mieszkańców w około 235.000 MWh ciepła rocznie”.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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:
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.
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.
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).
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].
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