Wykorzystanie ciepła odpadowego ze spalin rurowych

dr inż. Edyta Dudkiewicz
Wydział Inżynierii Środowiska
Politechnika Wrocławska
Wykorzystanie ciepła odpadowego ze spalin rurowych promienników
gazowych
Harnessing waste heat from gas tube heaters
Streszczenie:. W artykule scharakteryzowano promienniki gazowe, stosowane do
ogrzewania hal wielkokubaturowych, w szczególności o dużej wysokości. Omówiono
sprawność promienników jako parametr decydujący przy doborze urządzeń. Przedstawiono
nowoczesne rozwiązania technologiczne do odzysku ciepła z promienników gazowych.
Obliczono i porównano zapotrzebowanie na paliwo gazowe dla systemów radiacyjnego z
odzyskiem ciepła odpadowego i konwekcyjnego. Przeprowadzono analizę ekonomiczną w celu
określenia opłacalności przedsięwzięcia związanego z odzyskiem ciepła ze spalin.
Abstract: In the article gas infrared heaters are characterized, which are used for heating
large-space buildings, especially in high facilities. The article discusses the efficiency of the
infrared heaters as a determinative parameter for selection of the devices. Technological
solution of the recover waste heat from gas radiant heaters is presented. Gas consumption for
radiant heating system with recover waste heat and convection heating was calculated and
compared. The economic analysis was performed to determine the profitability of the heat
recovery system.
Sprawność promienników gazowych
W halach wielkokubaturowych tradycyjne ogrzewanie konwekcyjne jest
nieekonomiczne i stwarza trudności eksploatacyjne [1]. Dlatego do ogrzewania budynków
wielkokubaturowych, w szczególności wysokich, właściwym rozwiązaniem jest stosowane
systemów z gazowymi promiennikami podczerwieni. Urządzenia te dzielą się ze względu na
sposób spalania mieszanki powietrzno-gazowej na promienniki o wysokiej intensywności
(ceramiczne) i o niskiej intensywności (rurowe). Oba rodzaje urządzeń zaliczane są do
systemów radiacyjnych [1, 2]. Należy jednak zauważyć, że zarówno promienniki jak i
tradycyjne urządzenia konwekcyjne tzn. grzejniki, oddają ciepło do przestrzeni zarówno przez
promieniowanie (radiację) jak i konwekcję. Jeżeli udział ciepła oddawanego przez
promieniowanie jest większy niż przez konwekcję, wówczas mówimy o ogrzewaniu przez
promieniowanie. Bilans mocy dla gazowego promiennika podczerwieni i jego sprawność
zostały omówione w publikacjach [3, 4].
Promienniki oddają ciepło do otoczenia w większej części przez promieniowanie.
Jednak znaczna liczba urządzeń dostępnych na rynku przekazuje do otoczenia aż 55% całego
ciepła przez konwekcję. Ciepło to w bilansie grzewczym budynku jest właściwie ciepłem
traconym, bowiem gromadzi się w przestrzeni pod stropem hali [5]. Tak więc przy doborze
ilości i mocy promienników należy się kierować sprawnością radiacyjną (kierunkową)
promienników ηR, obliczaną ze wzoru:
𝜂𝑅 =
𝑄𝑅
𝑄𝑐
∙ 100
(1)
w którym:
ηR – sprawność radiacyjna (kierunkowa), %;
QR – moc promieniowania wysyłana w żądanym kierunku, kW;
Qc – moc całkowita promiennika, kW.
Na sprawność radiacyjną promienników ηR wpływa jakość materiałów konstrukcyjnych
wykorzystanych do budowy reflektora i jego izolacji, konstrukcja palnika i ukształtowanie
płomienia wewnątrz rur promieniujących [3, 4]. Promienniki rurowe wysokosprawne mogą
osiągać sprawność radiacyjną do 72%, zaś wysokosprawne promienniki ceramiczne do 80%.
Sprawność cieplna (moc cieplna) podawana w kartach katalogowych promienników
gazowych na poziomie 95%, to w rzeczywistości moc palników. Rzeczywista sprawność
radiacyjna promienników nie jest podawana przez wielu producentów ze względu na
kosztowny sposób jej pomiaru zgodnie z normą PN-EN 419-2 [6] dla promienników
ceramicznych (jasnych) i zgodnie z PN-EN 416-2:2010 [7] dla promienników rurowych
(ciemnych). Badania te jak dotąd nie są wykonywane w Polsce [4].
Odzysk ciepła z promienników rurowych
W rurowych promiennikach gazowych spalanie mieszanki gazowo-powietrznej odbywa
się wewnątrz rury, a spaliny zostają odprowadzone kanałami spalinowymi na zewnętrz
pomieszczenia. Istnieje możliwość odzysku i wykorzystania ciepła z gorących spalin przez
zastosowanie odpowiedniego wymiennika ciepła. W systemach grzewczych z gazowymi
promiennikami dostępne są już na rynku różne rozwiązania technologiczne odzysku ciepła
oparte o wymienniki [8, 9, 10]. W rozwiązaniach układu odzysku ciepła odpadowego z
wymiennikiem typu spaliny/woda czynnikiem wymiany ciepła jest woda, która podgrzewa
zapas wody gromadzony w zbiorniku buforowym, będącym akumulatorem ciepła (rys. 1).
Rys. 1. Schemat instalacji odzysku ciepła z wykorzystaniem wymiennika ciepła typu
spaliny/woda [8].
Odzyskana energia cieplna zmagazynowana w wodzie wypełniającej zbiornik
buforowy, może być przeznaczona np. do ogrzania pomieszczeń biurowych. Taki układ
odzysku ciepła można również wykorzystać do przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Zbiornik buforowy zastępowany jest wówczas podgrzewaczem pojemnościowym ciepłej wody
użytkowej z dwiema wężownicami. Rozwiązanie to wymaga zastosowania dodatkowego
źródła ciepła do przygotowania wody użytkowej poza sezonem grzewczym oraz w przypadku
niewystarczalności energii ze źródła odpadowego. Układ wraz z analizą ekonomiczną
omówiono w [10].
Innym rozwiązaniem jest zastosowanie w układzie odzysku ciepła ze spalin
wymiennika typu spaliny/powietrze. Na konstrukcję wymiennika składa się stalowa rura w
rurze o długości 4 m, w której dochodzi do schłodzenia spalin do temperatury punktu rosy
(poniżej 57˚C) i kondensacji pary wodnej przy przepływie przeciwprądowym
powietrze/spaliny. Ogrzane powietrze doprowadzane jest do strefy przebywania ludzi za
pomocą wentylatora, montowanego najczęściej po zimnej stronie wymiennika. Schemat układu
pokazano na rys. 2 [9].
Temperatura spalin na wylocie z rury promiennika zależy od rodzaju i sprawności
promiennika. Dla wysokosprawnych promienników rurowych (ηR = 72%) temperatura spalin
na wyjściu z promiennika to niemal 200C, zaś dla promienników o sprawności niższej (ηR =
52-59%) temperatura spalin wynosi około 350C. Za wymiennikiem ciepła temperatura spalin
wynosi około 45C (rys. 3). Temperatura powietrza obiegowego przy przepływie przez
wymiennik wzrasta o około 15K [9].
Rys. 2. Budowa układu odzysku ciepła ze spalin promiennika rurowego z
wymiennikiem spaliny/powietrze [9].
Rys. 3. Temperatura spalin na wylocie
z wysokosprawnego promiennika rurowego i za wymiennikiem ciepła.
Układ odzysku ciepła można zbudować z każdym promiennikiem rurowym o mocy
niższej niż 40 kW. Ograniczenie mocy promiennika wynika z dużych rozmiarów (powyżej 9 m
długości) urządzeń o mocy wyższej niż 40 kW i bardzo dużych oporów ciśnienia przy
przepływie spalin. Zamontowane palniki w takich promiennikach nie są w stanie pokonać strat
ciśnienia powstałych przy przepływie spalin przez urządzenie i wymiennik ciepła.
Rys. 4. Bilans sprawności dla rurowego gazowego promiennika podczerwieni
z odzyskiem ciepła [9].
W wyniku zastosowania układu do odzysku ciepła ze spalin i kondensacji uzyskujemy
wzrost sprawności cieplnej układu do 110% (rys. 4) [9, 11]. Odzysk ciepła z wymiennika
szacuje się na poziomie 15-20%, co oznacza, że dla promiennika o mocy 40 kW można
odzyskać do 6-8 kW ciepła. Większy odzysk ciepła uzyskuje się, gdy do wymiennika
doprowadzane jest powietrze z zewnątrz hali o niższej temperaturze, niż gdy do wymiennika
doprowadzane jest powietrze obiegowe z wnętrza hali. Możliwe jest bowiem rozwiązanie
układu na dwa sposoby:
1 – do wymiennika doprowadzane jest wewnętrzne powietrze obiegowe, a kominem
koncentrycznym doprowadzane jest powietrze do promiennika do spalania gazu oraz usuwane
są spaliny; w stropodachu wykonuje się wówczas jeden otwór dla jednego promiennika;
2 - kominem koncentrycznym dostarczane jest do wymiennika zewnętrzne powietrze
oraz usuwane są spaliny; zaś osobnym przewodem doprowadzane jest powietrze do palnika
promiennika do spalania gazu; w stropodachu wykonywane są dwa otwory dla jednego
promiennika.
Układ odzysku ciepła buduje się indywidualnie dla każdego promiennika, nie łączy się
promienników we wspólny układ odprowadzenia spalin. Wymiennik montuje się na
przedłużeniu promiennika w linii prostej lub równolegle do promiennika. Równoległe
umieszczenie promiennika i wymiennika ułatwia wykonanie rozwiązania odprowadzenia
spalin przez przewód koncentryczny i doprowadzenia z zewnątrz powietrza do ogrzania w
wymienniku lub do spalania.
Kondensat z wymiennika, przykładowo w ilości około 25 l/h dla promiennika o mocy
40 kW, zbierany jest przewodami z tworzywa sztucznego o średnicy 18 mm i grawitacyjnie
odprowadzany przez neutralizator do sieci kanalizacyjnej. Przewód musi być podłączony przez
zasyfonowanie.
Dobór promienników i układu odzysku ciepła
Przy doborze systemu ogrzewania z rurowymi promiennikami gazowymi i układem
odzysku ciepła ze spalin należy kolejno:
 obliczyć zapotrzebowanie na ciepło budynku zgodnie z PN-EN 12831 [12]; przy
czym literatura [5, 10, 13] podaje, że obliczone na podstawie normy [12]
zapotrzebowanie na ciepło, należy obniżyć o około 20-30% przy zastosowaniu
systemu grzewczego z wykorzystaniem promienników gazowych podczerwieni;
 dobór urządzeń z uwzględnieniem sprawności radiacyjnej promienników;
podanie typu i mocy urządzeń, miejsca i wysokości montażu, kąta nachylenia i
rozstawu między nimi, określenia zasięgu promieniowania na powierzchni
podłogi;
 określenie temperatury odczuwalnej, promieniowania oraz intensywności
promieniowania i mocy zainstalowanych urządzeń w przeliczeniu na m2
powierzchni podłogi.
W bilansie ciepła budynku i przy doborze mocy i ilości urządzeń nie uwzględnia się
dodatkowej energii z układu odzysku ciepła. Efekty z wykorzystania energii odpadowej będą
widoczne w kosztach eksploatacyjnych.
Komfort cieplny w pomieszczeniach ogrzewanych przez promieniowanie
Na rys. 5 pokazano opracowany przez Bedforda i Lise [14, 15] diagram zależności
temperatury powietrza wewnętrznego i temperatury ścian na komfort cieplny człowieka w
pomieszczeniu w zależności od sytemu ogrzewania przez promieniowanie lub konwekcję. Jak
wynika z wykresu im wyższa jest temperatura ścian, tym niższa może być temperatura
powietrza dla zapewnienia komfortu cieplnego. Dlatego w pomieszczeniach ogrzewanych
przez promieniowanie, gdy temperatura przegród jest wyższa niż powietrza wewnętrznego, a
komfort cieplny człowieka osiągany jest przy niższych temperaturach powietrza niż przy
ogrzewaniu konwekcyjnym, można uzyskać większe oszczędności energii - nawet do 6% [16].
Należy jednak zauważyć, że specyfiką ogrzewania za pomocą promienników gazowych w
halach jest takie rozmieszczenie urządzeń, aby zapewnić równomierne pokrycie powierzchni
podłogi zakresem działania promienników i ogrzanie ścian do wysokości do 2 m w celu
eliminacji zjawiska asymetrycznego pola promieniowania cieplnego [13]. Diagram na rys. 5
nie będzie więc miał bezpośredniego zastosowania przy projektowaniu ogrzewania za pomocą
promienników gazowych, jednak pokazuje jak istotny jest wpływ rodzaju systemu grzewczego
na komfortu cieplnego człowieka.
Rys. 5. Diagram zależności temperatury powietrza wewnętrznego i temperatury ścian
na komfort cieplny człowieka w zależności od sytemu ogrzewania
przez promieniowanie lub konwekcję [14].
Prawidłowo zaprojektowane ogrzewanie przez promieniowanie ma zapewnić
osiągnięcie w pomieszczeniu żądanej temperatury odczuwalnej to [2, 13]. Zależność na tę
temperaturę wyraża wzór:
𝑡𝑜 = 𝑡𝑝 + 𝑓𝐼 (2)
w którym:
tp – temperatura powietrza, C,
f - współczynnik Bedforda; f = 0,072 według metody pomiarowej A, bądź f = 0,24 według
metody pomiarowej B, zgodnie z [13, 17];
I – intensywność promieniowania, czyli moc przenoszona przez falę lub strumień cząstek, która
przechodzi przez jednostkowy element powierzchni, W/m².
Analiza systemu z promiennikami i odzyskiem ciepła
Przeprowadzono obliczenia sezonowego zapotrzebowanie na gaz i energię cieplną dla
dwóch systemów ogrzewania radiacyjnego i konwekcyjnego dla hali o powierzchni posadzki
A = 6300 m2 i wysokości 8,4 m. Założono czas pracy pracowników w hali 8 godz./dobę i
dodatkowo uwzględniono nadwyżkę energii do ogrzania wyziębionej hali. Zapotrzebowanie na
ciepło, obliczone zgodnie z PN-EN 12831 [12], wynosi 340 kW. Wymagana temperatura
odczuwalna w hali wynosi 20C. Zgodnie z wytycznymi producenta promienników gazowych,
z uwzględnieniem sprawności urządzenia, dobrano 10 sztuk promienników rurowych o mocy
29 kW każdy. Intensywność promieniowania wyznaczona zgodnie z metodą A [17] wynosi 11
W/m2, co pozwala wyznaczyć na podstawie formuły (2) wymaganą temperaturę powietrza w
hali 19,2C.
Tab. 1. Obliczeniowe zapotrzebowanie na paliwo dla systemów grzewczych.
Symbol
Q
Wd
Wt
Std
moc zainstalowana [kW],
współczynnik uwzględniający przerwy w
ogrzewaniu w okresie doby [-],
współczynnik uwzględniający przerwy w
ogrzewaniu w okresie tygodnia [-],
liczba stopniodni okresu ogrzewania dla
założonej temperatury wewnętrznej
[°C·doba],
System
radiacyjny
System
radiacyjny z
odzyskiem
ciepła
System
konwekcyjny
290,0
290,0
340,0
0,75
0,75
0,75
0,75
0,75
0,75
3443
3443
3623
86400
liczba sekund na dobę [s/doba],
86 400
86 400
86 400
wu
wartość opałowa gazu [kJ/m ],
34 430
34 430
34 430
hr
sprawność regulacji systemu [-],
0,98
0,98
0,98
hw
sprawność wytworzenia ciepła [-],
-
-
0,96
hp
sprawność przesyłu ciepła [-],
-
-
0,97
19,2
19,2
20
-18
-18
-18
38 660
30 928
50 141
379 644
303 715
492 386
23%
38%
-
ti
teobl
B
E
3
temperatura powietrza w pomieszczeniu
[°C],
obliczeniowa temperatura zewnętrzna
[°C],
sezonowe zapotrzebowanie paliwa
[m3/rok]
sezonowe zapotrzebowanie na energię
[kWh/rok]
oszczędności w porównaniu do systemu
konwekcyjnego
Bazując na zmodyfikowanym wzorze Hottingera [18], obliczono sezonowe
zapotrzebowanie na gaz i energię cieplną dla systemu radiacyjnego i konwekcyjnego (tab. 1).
Obliczono również i pokazano na rys. 6 zapotrzebowanie na paliwo dla systemu radiacyjnego
z odzyskiem ciepła odpadowego z wymiennikiem spaliny/powietrze – kolumna po prawej.
Koszty inwestycyjne układu odzysku ciepła ze spalin mogą stanowić nawet do 70 %
całkowitych kosztów systemu grzewczego [10]. Dla przykładowo przedstawionej hali układ
odzysku ciepła, czyli 10 sztuk wymienników ciepła z wentylatorami do obiegu powietrza
wewnętrznego, kominy i odpowiednia automatyka to koszt 13 500 €. Do oceny efektów
ekonomicznych wynikających z zastosowania układu odzysku ciepła ze spalin zastosowano
wskaźniki opłacalności inwestycji [10]:
- prosty czas zwrotu nakładów – SPBT,
- wartość zaktualizowana netto – NPV,
- wewnętrzna stopa zwrotu – IRR – charakteryzującą stopień rentowności rozpatrywanego
przedsięwzięcia.
Założono 10-letni okres amortyzacji i 5-proc. stopę dyskonta w rozpatrywanym okresie.
Przedstawiona hala kwalifikuje się do taryfy W5-1 zgodnie z taryfikatorem dostawców gazu.
Ceny gazu dla odbiorców końcowych w Polsce są zatwierdzane urzędowo przez prezesa URE.
Jednakże, sprzedawcy mogą dawać rabaty od cen taryfowych, co oznacza możliwość
osiągnięcia istotnych korzyści wynikających ze zmiany sprzedawcy gazu [19]. Obecnie w
Polsce jest 8 głównych sprzedawców gazu, co daje możliwość znalezienia oferty niższej o 510% od urzędowej taryfy PGNiG [19].
W tabeli 2 zestawiono wskaźniki opłacalności dla przedstawionej inwestycji odzysku
ciepła ze spalin promienników rurowych przy założeniu dwóch różnych cen za paliwo gazowe:
11 gr/kWh i 13 gr/kWh. Dla przyjętych założeń analiza ekonomiczna wykazała, że inwestycja
odzysku ciepła ze spalin w okresie 10 lat przy stopie dyskonta 5% będzie opłacalna. Suma
zdyskontowanych przepływów pieniężnych netto będzie w każdym rozwiązaniu cenowym
większa od zera, czas zwrotu inwestycji wyniesie 6-7 lat, również wskaźnik IRR planowego
przedsięwzięcia wskazuje na opłacalność inwestycji.
60000
50141
50000
B, [m3/rok]
40000
38660
30928
30000
20000
10000
0
System radiacyjny
System konwekcyjny
Rys. 6. Prognozy rocznego zużycia gazu dla systemów ogrzewania hali.
Tab. 2. Ocena efektywności ekonomicznej inwestycji odzysku ciepła z promienników
Cena netto w taryfie W-5 za paliwo gazowe [zł/kWh] 0,11
0,13
Wartość inwestycji odzysku ciepła netto [zł]
59 000 59 000
Oszczędność roczna netto [zł]
8 352 9 870
Prosty czas zwrotu nakładów SPBT [lata]
7,06
5,98
Wartość zaktualizowana netto NPV [zł]
5 493 17 219
Wewnętrzna stopa zwrotu IRR [%]
6,9
10,6
Cena za paliwo gazowe na cele grzewcze [zł/rok]
33 409 39 483
Podsumowanie
Nowoczesne rozwiązania technologiczne pozwalają odzyskiwać ciepło odpadowe z
systemów grzewczych z użyciem promienników gazowych, stosowanych w halach
wielkokubaturowych. Odzyskaną energię można wykorzystać w zależności od potrzeb
budynku na inne cele dzięki różnym konstrukcjom wymienników ciepła i mediów
transportujących ciepło.
Sezonowe zapotrzebowaniem na paliwo w obiektach wielkokubaturowych jest tak duże,
że odzysk ciepła wydaje się właściwym i rozsądnym rozwiązaniem. Ale przede wszystkim
odpowiedni system grzewczy w takim budynku jest nie bez znaczenia. Jak wykazała prosta
analiza, zastosowanie systemu radiacyjnego powoduje roczne oszczędności ilości energii na
poziomie 23% w porównaniu do systemu konwekcyjnego, a zastosowanie system radiacyjnego
z odzyskiem ciepła odpadowego to 38% oszczędzonej rocznie energii w porównaniu do
systemu konwekcyjnego. Analiza ekonomiczna również wykazała, że inwestycja w odzysk
ciepła z promienników okazuje się opłacalna, bowiem czas zwrotu nakładów jest relatywnie
krótki, a wskaźniki efektywności ekonomicznej wskazują na zyskowność inwestycji. Należy
jednak mieć na uwadze, że każdą inwestycję należy rozpatrywać indywidualnie, bowiem wiele
czynników wpływa na opłacalność przedsięwzięcia związanego z odzyskiem ciepła, m.in. cena
paliwa gazowego w danym regionie.
Literatura
1.
Kosieradzki J., Ogrzewanie hal przemysłowych – konwekcja czy promieniowanie?,
Rynek Instalacyjny, 4/2012.
2.
Dörholt M., Eppe K., Wer die Wahl hat, hat die Qual, Moderne Gebäudetechnik
10/2008 s. 20-23.
3.
Dudkiewicz E., Fidorów N., Jeżowiecki J., Wpływ sprawności promienników
podczerwieni na koszt zużycia energii, Rocznik Ochrona Środowiska. 2013, t. 15, cz.
2, s. 1804-1817.
4.
Dudkiewicz E., Promienniki rurowe w aspekcie wymagań normy PN-EN 416-2 Rynek
Instalacyjny, 2014, R. 22, nr 5, s. 82-85.
5.
Cihelka J., Ogrzewanie przez promieniowanie, Arkady, Warszawa 1965.
6.
PN-EN 419-2:2012 Gazowe promienniki wysokotemperaturowe do stosowania w
pomieszczeniach niemieszkalnych – Część 2: Racjonalne zużycie energii.
7.
PN-EN 416-2:2010 Gazowe jednopalnikowe promienniki niskotemperaturowe do
stosowania w pomieszczeniach niemieszkalnych -- Część 2: Racjonalne zużycie
energii.
8.
http://www.kuebler-ogrzewanie-hal.pl/produkte.php, 16.09.2016.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
http://www.schwank.pl/fileadmin/00_customer/pl/pdf/tetraSchwank_PL.pdf,
17.06.2016.
Dudkiewicz E., Fidorów N., Wykorzystanie ciepła ze spalin promienników do
przygotowania ciepłej wody, Rynek Instalacyjny, 2015, R. 23, nr 6, s. 18-22.
Żuchowski S., Technika kondensacyjna. Korzyści płynące z zastosowania kotłów
kondensacyjnych cz.1. Rynek Instalacyjny 11/2009.
PN-EN 12831 Instalacje ogrzewcze w budynkach – Metoda obliczania projektowego
obciążenia cieplnego.
Dudkiewicz E., Jeżowiecki J., Badania pola cieplnego w halach ogrzewanych
promiennikami ceramicznymi, Komitet Inżynierii Środowiska PAN, Lublin 2007.
Global Scaling: Basis eines neuen wissenschaftlichen Weltbildes BoD – Books on
Demand, 2009 München November 2009.
http://vidrocerto.org.br/o-isolante-termico-translucido/, 8.09.2016.
http://www.solandheat.com/english/faq-infrared/, 9.09.2016.
Heizungsanlagen mit Dunkelstrahlern. Planung – Installation – Betrieb, DVGWArbeitsblatt G 638/II, 03/1991.
Dudkiewicz E. Fidorów N., Jeżowiecki J.. Analiza zużycia energii dla grzewczych
systemów promieniujących, Rocznik Ochrona Środowiska. 2013, t. 15, cz. 3, s. 22932308.
https://enerad.pl/rynek-energii/rynek-gazu/gaz-dla-firmy/ 23.09.2016.