Jak dobrać system odzysku ciepła z instalacji chłodniczych do potrzeb przedsiębiorstwa?

Instalacje chłodnicze stosuje się zarówno w wielu gałęziach przemysłu, na przykład spożywczym, produkcyjnym, metalurgicznym, farmaceutycznym czy przetwórstwie tworzyw sztucznych, jak i w magazynach czy hipermarketach. Podstawowym zadaniem tych systemów jest utrzymywanie odpowiednio niskiej temperatury. Przez lata nikt nie przejmował się dużymi ilościami ciepła odprowadzanymi przez instalacje chłodnicze na zewnątrz. Jednak obecnie, w dobie oszczędzania energii i działań na rzecz środowiska naturalnego, sytuacja uległa zmianie. Współczesne instalacje chłodnicze są nie tylko energooszczędne, ale i wyposażane w systemy odzysku ciepła odpadowego. Jest to bardzo ważne dla przedsiębiorstwa, ponieważ koszty eksploatacji urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych pochłaniają bardzo znaczącą część jego budżetu.

Dlaczego można odzyskiwać ciepło z instalacji chłodniczych?

Każdy obiekt, taki jak zakład przemysłowy czy magazyn, który wykorzystuje urządzenia chłodnicze w procesie produkcyjnym lub do przechowywania produktów (szczególnie spożywczych), produkuje też ciepło. Wynika to z zasady działania instalacji chłodniczych i klimatyzacyjnych. Ich głównymi elementami są: sprężarka (kompresor), skraplacz (chłodnica), zawór rozprężny i parownik. Czynnik chłodniczy, czyli specjalny gaz, zostaje sprężony w kompresorze i pod wysokim ciśnieniem płynie do skraplacza. Tam przechodzi w stan ciekły, oddając ciepło na zewnątrz. Następnie płynie do zaworu rozprężnego, który obniża jego ciśnienie i temperaturę. Taki rozprężony czynnik chłodniczy w stanie ciekłym płynie do parownika, gdzie odbiera ciepło - z powietrza w pomieszczeniu czy komorze chłodniczej - i przechodzi w rozprężony stan gazowy. Następnie zostaje zassany do sprężarki i cały cykl chłodniczy rozpoczyna się od początku. Dawniej ciepło pobrane przez czynnik chłodniczy było emitowane do atmosfery (tak jak dzieje się to zresztą i obecnie w systemach klimatyzacji domowej czy samochodowej). Jednak w przemyśle oznacza to obecnie marnotrawstwo energii. Takie ciepło można przecież wykorzystać, np. do ogrzania wody dla celów produkcyjnych, instalacji centralnego ogrzewania czy produkcji c.w.u. Tego typu wykorzystanie energii przypomina trochę wentylację z rekuperacją w domach jednorodzinnych, gdzie wykorzystuje się ciepło odebrane przez powietrze z pomieszczeń. Natomiast w przemyśle jest to nazywane odzyskiem ciepła odpadowego (ang. WHR). Temperatura w instalacjach chłodniczych wynosi około od -25°C do +15°C. System chłodniczy na każdy 1 kW pobieranej mocy elektrycznej generuje ok. 4 kW mocy cieplnej. Jest to bardzo dużo i w dzisiejszych czasach nie można zmarnować tak cennej energii.

Jak działa system odzysku ciepła z systemów chłodniczych?

Ciepło odpadowe w instalacjach chłodniczych pochodzi głównie z chłodzonych produktów (np. spożywczych) oraz z samych sprężarek. Odzysk ciepła z powietrza w komorze chłodniczej następuje za pomocą wymienników ciepła. Są one umieszczane szeregowo pomiędzy sprężarką, a punktem tradycyjnego emitowania pobranego ciepła do atmosfery, czyli skraplaczem, bądź też równolegle do skraplacza. System pozwala na odzysk większości ciepła odpadowego i wykorzystanie go do podgrzania wody. Typowo temperatura sprężonego czynnika chłodniczego (źródła ciepła) wynosi około 90°C. Wspomniana moc 4 kW pozwala na wyprodukowanie 80 litrów gorącej wody na godzinę. Wykorzystywane są dwa podstawowe typy wymienników ciepła: przepływowe i zasobnikowe (zbiornikowe). Zasada działania pierwszego z nich opiera się na przepływie wody przez wymiennik ciepła w tym samym czasie, gdy gorący czynnik chłodniczy przepływa w przeciwnym kierunku. Ciepło z czynnika przepływa przez powierzchnie płyt, ogrzewając wodę nawet do 60°C. Natomiast wymiennik zasobnikowy to izolowany zbiornik na wodę z wbudowanym wymiennikiem ciepła: płytowym lub z wężownicą. W przypadku tego typu systemu wymiana ciepła ma miejsce zawsze, gdy sprężarka pracuje, a temperatura wody w zbiorniki jest niższa od temperatury czynnika chłodniczego. Sprawność odzysku ciepła wynosi od 10% do 30% mocy cieplnej urządzenia chłodniczego.

Dobór systemu odzysku ciepła

O parametrach technicznych systemu odzysku ciepła decydują takie czynniki, jak: profil działalności danego przedsiębiorstwa, specyfika i parametry pracujących w nim urządzeń chłodniczych oraz zapotrzebowanie na ciepłą wodę w danym obiekcie. Inaczej sytuacja wygląda w masarni czy mleczarni, inaczej w magazynie, a jeszcze inaczej w dużym markecie. Uzyskane oszczędności zależą od wielu czynników, takich jak: rodzaj instalacji chłodniczej, sposób wykorzystania ciepła odpadowego (np. c.o. czy c.w.u.), czas pracy instalacji (np. ciągła, okresowa czy sezonowa), wymagane parametry techniczne (np. temperatura źródła ciepła odzyskowego) oraz system automatyki sterującej. Jednakże system odzysku ciepła nie może mieć negatywnego wpływu na efektywność energetyczną sprężarkowego agregatu chłodniczego. Musi on nadal zapewniać wymagane chłodzenie w instalacji. Warto wiedzieć, że większość ciepła odpadowego można uzyskać, gdy agregaty chłodnicze pracują z najwyższą wydajnością, czyli w okresie letnim, natomiast największe zapotrzebowanie na to ciepło występuje niestety zimą. Dlatego system odzysku ciepła odpadowego powinien być odpowiednio zaprojektowany, po dokładnej analizie danego obiektu (fabryki czy magazynu) a następnie odpowiednio dobrany z portfolio producenta lub nawet wykonany na zamówienie.

Przykładowy system odzysku ciepła w mleczarni

Tam, gdzie mleko musi być chłodzone a woda podgrzewana, istnieje oczywisty potencjał uzyskania oszczędności dzięki wymianie energii cieplnej między tymi dwoma systemami. W tym celu w zbiorniku wody lub w rurze doprowadzającej wodę do zbiornika montowany jest wymiennik ciepła. Dzięki niemu można uzyskać wodę o temperaturze do 60°C, oszczędzając od 30% do 70% kosztów jej podgrzewania. Pozostałe ciepło pochodzi od elektrycznej grzałki zanurzeniowej lub bojlera. Wymiennik ciepła, niezależnie od typu (przepływowy czy zbiornikowy), jest instalowany w linii czynnika chłodniczego między sprężarką a agregatem skraplającym, gdzie czynnik chłodniczy ma najwyższą temperaturę, zwykle 70-80°C. 

Realne korzyści z systemu odzysku ciepła 

Moc odzysku ciepła w obiekcie przemysłowym może wynosić nawet 100 kW. Przekłada się to na oszczędność nawet 255 000 kWh energii elektrycznej lub prawie 30 000 m³ gazu rocznie. Przy obecnych cenach prądu i paliw jest to naprawdę bardzo dużo dla przedsiębiorstwa. Zwrot w z inwestycji może nastąpić nawet już po kilku miesiącach. Jednocześnie zainwestowanie w system odzysku ciepła z instalacji chłodniczych jest działaniem proekologicznym.

Odzysk ciepła z innych systemów

Ciepło może być odzyskane nie tylko z urządzeń chłodniczych, ale także i systemów wentylacji (rekuperacja) klimatyzacji oraz chłodzenia serwerowni. W budynkach o dużej powierzchni, takich jak biura, hotele, restauracje, stosuje się systemy klimatyzacyjne VRF (ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego) z funkcją odzysku ciepła. Odzysk ciepła z systemu wentylacji, czyli rekuperacja, jest powszechnie stosowany nawet w domach jednorodzinnych, szczególnie pasywnych. Osobnym tematem jest odzysk ciepła z serwerowni, których liczba ciągle wzrasta. Tworzone są także wielkie centra przetwarzania danych, należące do znanych światowych gigantów z branży informatycznej. Według prognoz do 2030 roku łączna moc centrów danych w naszym kraju może osiągnąć ponad 500 MW. Serwerownie muszą być chłodzone, generują zatem duże ilości ciepła odpadowego. Jest ono odbierane przez pompy ciepła i wykorzystane do ogrzewania budynku oraz produkcji ciepłej wody użytkowej. Wielkie centra danych mogą nawet współpracować z sieciami ciepłowniczymi, co przypomina przekazywanie nadmiaru energii elektrycznej z domowych instalacji fotowoltaicznych do sieci energetycznej.

Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki

Opracowanie redakcja : (T.H.)

Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.klimatyzacja.pl