Trendy w efektywności energetycznej: kogeneracja

DORADCA ENERGETYCZNY
Trendy w efektywności energetycznej:
kogeneracja i trigeneracja
Marcin Malicki
Dużo można by mówić o zaletach układów kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych, jednak
zdecydowanie większą uwagę warto poświęcić analizie zasadności takiej inwestycji i jej
uwarunkowaniom. I choć w Polsce coraz więcej jest podobnych realizacji, z pewnością
nie może być mowy o kopiowaniu przykładów. Każda nowa inwestycja wymusza indywidualne podejście projektowe.
N
a wstępie przypomnę tylko, że układy kogeneracyjne mają dziś bardzo szerokie zastosowanie, zarówno przy produkcji energii bezpośrednio w miejscu jej wykorzystania, jak też
pracując na potrzeby miejskich systemów ciepłowniczych. W obu przypadkach potwierdzają
swoją przewagę nad systemami rozdzielonymi, ponieważ gwarantują szereg korzyści ekologicznych (oszczędność energii pierwotnej oraz
redukcji CO2 o 33% dla rozwiązań opartych
na węglu kamiennym i 66% w wypadku rozwiązań opartych na gazie) oraz ekonomicznych.
W układach rozdzielonych energia elektryczna
i ciepło wytwarzane są w osobnych instalacjach oraz dostarczane do finalnego odbiorcy
za pomocą sieci elektroenergetycznej i ciepłowniczej. Osobne procesy produkcji energii elektrycznej i ciepła, ale też ich transfer na większe
odległości generują straty, których częściowo
udaje się uniknąć dzięki połączeniu tych procesów i zlokalizowaniu ich blisko odbiorcy. Efektywność energetyczna układu skojarzonego jest
aż o 40% wyższa niż układu rozdzielonego,
co zapewnia o 30% mniejsze zużycie paliwa
do wyprodukowania takiej samej ilości energii
elektrycznej i ciepła. To właśnie skojarzona produkcja energii umożliwia osiągnięcie najwyższej
sprawności jej wytwarzania, a przez to ograniczenie zużycia energii pierwotnej i emisji zanieczyszczeń do atmosfery.
Chłodziarki absorpcyjne
W ostatniej dekadzie – ze względu na jednoczesne oddziaływanie różnych czynników, jak: podwyżki cen nośników energii, wzrost świadomości
środowiskowej, wprowadzenie zakazu używania
10 fluorowęglowodorowych i chlorofluorowęglowodorowych czynników chłodniczych, a także
wzmożony nacisk na efektywność energetyczną
procesów i ograniczanie emisji – technologia
chłodziarek absorpcyjnych wróciła do dynamicznego rozwoju zatrzymanego w poprzednich
latach przez niskie ceny energii elektrycznej.
W odróżnieniu od urządzeń sprężarkowych,
urządzenia absorpcyjne mogą być zasilane energią niższej jakości, która może być pozyskiwana
także ze źródeł odnawialnych, np. promieniowania słonecznego, geotermii czy ciepła odpadowego bądź nieużytecznego. Dodatkowo,
czynniki wykorzystywane w agregatach absorpcyjnych zostały uznane za przyjazne środowisku, w odróżnieniu od tych wykorzystywanych
w agregatach sprężarkowych.
!
Co prawda sprawność urządzeń absorpcyjnych, rozumiana jako stosunek użytecznego efektu chłodzenia do energii zasilającej urządzenie, jest niższa niż urządzeń
sprężarkowych, jednak możliwość ich zasilania ciepłem nieużytecznym bądź odpadowym w miejscu jego powstawania sprawia,
że niejednokrotnie zużycie energii pierwotnej na wyprodukowaną jednostkę chłodu
jest niższe od rozwiązań konwencjonalnych.
W absorpcyjnych agregatach chłodniczych energia może być doprowadzana w postaci:
⚫⚫ciepła pochodzącego ze spalania paliwa,
np. gazu, biogazu, oleju;
⚫⚫ciepłej wody, np. z sieci ciepłowniczej jako
ciepło nieużyteczne z urządzenia kogeneracyjnego bądź procesu technologicznego,
kolektorów słonecznych;
⚫⚫pary, np. para nieużyteczna z procesów technologicznych albo produkowana specjalnie
na potrzeby zasilania urządzenia;
⚫⚫energii elektrycznej, np. za pomocą grzałki.
Chłodzonym czynnikiem najczęściej jest woda
bądź jej niezamarzająca mieszanina, powietrze
lub inny czynnik pośredniczący w wymianie
ciepła.
Absorpcyjny agregat chłodniczy działa na zasadzie wykorzystania efektu absorpcji (pochłaniania czynnika chłodniczego) i desorpcji (wydzielania czynnika chłodniczego z roztworu). Wrzenie
czynnika chłodniczego pochłania ciepło, zapewniając użyteczny efekt chłodzenia. Układ absorbera i desorbera w agregatach absorpcyjnych
nazywany jest sprężarką chemiczną i odpowiada funkcjonalnością sprężarce zasilanej energią
elektryczną w konwencjonalnych agregatach
chłodniczych. Schemat pracy absorpcyjnego
agregatu chłodniczego, na przykładzie urządzenia SL Eco – Energy Systems, opartego na wodnym roztworze bromku litu, przedstawia rys. 1.
Zgodnie z tym schematem, praca urządzenia
przebiega następująco:
⚫⚫ciepło (w postaci gorącej wody, pary, spalin,
energii elektrycznej itd.) jest doprowadzane
do warnika w celu odparowania wody z rozcieńczonego roztworu bromku litu;
⚫⚫powstały stężony roztwór bromku litu kierowany jest do absorbera, a para wodna pod
wysokim ciśnieniem do skraplacza;
⚫⚫w skraplaczu para wodna ulega skropleniu na ściankach miedzianych rur bądź płyt
wymiennika, w którym płynie ciecz chłodząca
(pochodząca najczęściej z wieży chłodniczej,
źródła gruntowego, chłodnicy wentylatorowej itp.), odprowadzająca ciepło skraplania;
Polski Instalator 6/2016
DORADCA ENERGETYCZNY
Woda gorąca
– wyjście
Zawór regulacyjny
Woda gorąca
– wejście
Warnik
Skraplacz
Woda chłodząca
– wyjście
Wymiennik
ciepła
Woda chłodzona
– wyjście
Gorąca woda (wysoka temp.)
Gorąca woda (niska temp.)
Woda chłodząca
Woda chłodzona
Roztwór stężony
Roztwór rozcieńczony
Czynnik chłodniczy ciekły
Czynnik chłodniczy para
1 Temp. wody chłodzonej wlot (I)
2 Temp. wody chłodzonej wylot (I,C,A) 3 Temp. wody chłodzącej wlot (I,C,A)
Wylot
System
dekrystalizacji
Zawór
kontrolny
Absorber
Parownik
Absorber
Woda chłodzona
– wejście
System
próżniowy
Woda chłodząca
– wejście
4 Temp. wody gorącej wlot
5 Temp. wody gorącej wylot (I)
6 Temp. zraszania roztworem (I,C)
7 Temp. wylotowa roztworu stężonego
8 Temp. skraplania (I,C,A)
9 Temp. wrzenia (I,A)
10 Temp. dekrystalizacji (I,A)
11 Przepływ wody chłodzonej
12 Poziom próżni (I)
C – Kontrola
A – Alarm
I – Wskazanie
1. Schemat absorpcyjnego agregatu chłodniczego opartego na wodnym roztworze bromku litu na przykładzie urządzenia SL Eco – Energy Systems
⚫⚫powstały kondensat zasila parownik;
⚫⚫do parownika rurami wpływa woda przeznaczona do schłodzenia;
⚫⚫rury wymiennika zraszane są czynnikiem
chłodniczym, czyli skroploną wcześniej
wodą, która, parując dzięki obniżeniu ciśnienia w parowniku, odbiera ciepło i w postaci zimnej pary wodnej trafia do absorbera,
gdzie stężony wcześniej w warniku roztwór
ją absorbuje.
Dzięki ciągłemu przebiegowi procesu absorpcji
i desorpcji ciśnienie w absorberze i parowniku utrzymywane jest na stale niskim poziomie,
a w warniku i skraplaczu – na stale wysokim.
Co wybrać? Wybór konkretnego rozwiązania
w zakresie agregatów absorpcyjnych zależy
głównie od wymaganej temperatury czynnika
chłodniczego oraz jakości dostępnego ciepła.
I tak, wszędzie tam, gdzie potrzebny jest czynnik
chłodniczy o temperaturze:
⚫⚫nie niższej niż 4°C (głównie klimatyzacja
oraz chłodzenie procesów technologicznych
i przemysłowych) – wykorzystywany jest
wodny roztwór bromku litu;
⚫⚫niższej niż 4°C (nawet do -50°C) – używany
jest roztwór amoniak/woda.
Ogromną zaletą agregatów absorpcyjnych opartych na mieszaninie bromku litu (LiBr) z wodą
www.polskiinstalator.com.pl
(H2O) jest praca z w pełni ekologicznym czynnikiem chłodniczym i roboczym o długiej żywotności oraz wykorzystanie stosunkowo niskiej
temperatury ciepła zasilającego – może to być
nawet gorąca woda o temperaturze około 85°C.
LiBr jest solą, dzięki czemu nie odparowuje
w generatorze i jego ciśnienie cząstkowe w parze
czynnika chłodniczego jest tak małe, że można
je uznać za pomijalne, zatem desorber (warnik)
opuszcza czysta para wodna, która nie wymaga procesu rektyfikacji, tak jak jest to wymagane w urządzeniach opartych na mieszaninie
woda/amoniak. Oczywiście, sole charakteryzują
się znaczącymi właściwościami korozyjnymi, ale
– dzięki stosowaniu odpowiednich inhibitorów
korozji (najczęściej chromianu litu bądź molibdenu litu) oraz działaniu urządzenia przy ciśnieniu
bliskim próżni – są one ograniczone do minimum i w wieloletnim cyklu życia urządzenia ich
wpływ na jego pracę jest marginalny. W razie
awarii prowadzącej do wycieku, roztwór roboczy
nie stanowi zagrożenia dla ludzi bądź środowiska naturalnego. Istnieje możliwość jego regeneracji, ewentualnie uzupełnienia (urządzenia tego
typu pracują przy ciśnieniu niższym od atmosferycznego, więc straty czynnika są praktycznie
zerowe), jeśli ze względu na nieprawidłową eksploatację, np. zasilanie urządzenia ciepłem o zbyt
wysokiej temperaturze, zajdzie taka potrzeba.
Zaletą tego typu agregatów absorpcyjnych jest
także zminimalizowanie liczby części ruchomych
(np. zastąpienie zaworu rozprężnego kapilarą), co znacząco ogranicza wpływ pracy i czasu
na ich zużywanie się.
Oczywiście, agregaty absorpcyjne oparte
na wodnym roztworze bromku litu nie są pozbawione wad. W stosunku do układów sprężarkowych są znacząco większe i cięższe, a więc
nakłady inwestycyjne i zapotrzebowanie miejsca
na nie są wyższe. Ponadto roztwór bromku litu
po przekroczeniu stężenia granicznego dla danej
temperatury może się krystalizować, jednak
zaawansowane układy sterowania oraz zabezpieczenia mechaniczne i elektroniczne skutecznie zapobiegają takiej sytuacji.
Technologia trójgeneracyjna
Jednoczesne występowanie zapotrzebowania
na energię elektryczną, ciepło i chłód umożliwia
instalację źródła trójgeneracyjnego składającego się z układu kogeneracyjnego produkującego ciepło i energię elektryczną oraz chłodziarki
absorpcyjnej wykorzystującej ciepło do produkcji chłodu. Trójgeneracja (CCHP – Combined
Cooling Heating and Power) definiowana jest
jako układ skojarzonego wytwarzania energii
elektrycznej, ciepła i chłodu.
11
DORADCA ENERGETYCZNY
Energia elektryczna
Ciepło
CHP
Chłód
WI
ABS
2. Podstawowe elementy źródła trójgeneracyjnego: CHP – układ kogeneracyjny, ABS – układ absorpcyjny, WI – wieża chłodnicza
!
Instalacja urządzenia zamieniającego
energię w danym momencie nieużyteczną (ciepło) na użyteczną (chłód) pozwala znacząco wydłużyć czas pracy układów
kogeneracyjnych z mocą nominalną, poprawiając ich eksploatacyjną efektywność
energetyczną. Zawsze należy jednak indywidualnie rozważać zasadność stosowania
tej technologii, precyzyjnie dobierać urządzenia z dostępnych na rynku rozwiązań
oraz szczegółowo projektować instalację
źródła i strategię jego pracy.
Obecnie najbardziej rozpowszechniony model
instalacji trójgeneracyjnej składa się z układu
skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej
i ciepła – kogeneratora oraz układu wykorzystania ciepła do produkcji chłodu – chłodziarki absorpcyjnej, które mogą być rozbudowane o źródła szczytowe bądź awaryjne w celu
poprawy wskaźników ekonomicznych inwestycji (rys. 2). Popularność takiego zestawu
potwierdzają w szczególności eksploatowane
od wielu lat w kraju i za granicą instalacje oparte właśnie na silnikach tłokowych z zapłonem
iskrowym oraz bromolitowych chłodziarkach
absorpcyjnych, produkujące energię na potrzeby wszelkiego rodzaju odbiorców. Tego typu
układy zawdzięczają swoją popularność m.in.
szerokiemu zakresowi dostępnych mocy produkcyjnych, np. począwszy od tak małych urządzeń jak 30 kWe, do tak dużych jak 9 MWe
na jedną jednostkę. W połączeniu z dostępnymi
na rynku krajowym chłodziarkami absorpcyjnymi dają one możliwość produkcji zarówno
energii elektrycznej, jak i ciepła oraz chłodu,
zaspokajając potrzeby energetyczne większości
lokalnych odbiorców.
Potrzeby i uwarunkowania. Rola układów trójgeneracyjnych obecnie wyraźnie wzrasta w kontekście rosnącego zapotrzebowania na energię
12 elektryczną do celów klimatyzacyjnych latem,
dochodzącego w budynkach biurowych nawet
do 85% całej zużywanej energii. Na korzyść rozwiązań trójgeneracyjnych działają także zmiany w sektorze ciepłowniczym – poszukiwanie
nowych odbiorców ciepła, szczególnie w okresie letnim, w celu zwiększenia ilości możliwej
do wyprodukowania w skojarzeniu energii elektrycznej, oraz otwieranie się na nowe rodzaje
usług dla odbiorców.
Źródło trójgeneracyjne stwarza możliwość produkcji mediów (ciepła, chłodu, energii elektrycznej) w sposób niezawodny, przyjazny środowisku oraz ekonomiczny. Trudno więc się
dziwić, że w ostatnich latach na krajowym
rynku pojawiło się wiele instalacji trójgeneracyjnych działających na potrzeby odbiorców
komercyjnych (centra handlowe, biurowce),
przemysłowych (różnego rodzaju zakłady produkcyjne) i użyteczności publicznej (szpitale).
Istotnym argumentem jest przy tym fakt produkcji chłodu praktycznie bez wykorzystania
energii elektrycznej, gdy z jednej strony znaj-
duje się zapotrzebowanie na ciepło, a z drugiej – ogranicza zużycie energii elektrycznej
na cele chłodzenia, odciążając system elektroenergetyczny, którego szczyt zapotrzebowania
w okresie letnim zdefiniowany jest przez zapotrzebowanie energetyczne konwencjonalnych
układów chłodniczych.
Strategie pracy źródeł
trójgeneracyjnych
Jak wspomniałem, podstawowym zadaniem
źródła trójgeneracyjnego jest efektywne wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła oraz chłodu. Niestety, najpopularniejsze źródła trójgeneracyjne oparte na układach kogeneracyjnych
wykorzystujących silniki tłokowe mają stały
współczynnik skojarzenia, który określa ilość
ciepła możliwego do odzyskania w zależności
od wyprodukowanej ilości energii elektrycznej.
W dostępnych na rynku układach kogeneracyjnych współczynnik skojarzenia nie jest równy
jedności, co oznacza, że na każdą jednostkę
wyprodukowanej energii elektrycznej powstaje (w zależności od rodzaju zastosowanego
układu) stosunkowo większa bądź mniejsza
ilość ciepła. W połączeniu z niekorzystnymi rozbieżnościami w parametrach deklarowanych
przez producentów układów z danymi rzeczywistymi, sięgającymi nawet 9%, wymusza
to późniejszą częstą regulację i optymalizację pracy układu w możliwym do osiągnięcia
zakresie. Sytuację dodatkowo komplikuje fakt,
że sprawność produkcji chłodu za pomocą bromolitowej chłodziarki absorpcyjnej zależy m.in.
Zasadność inwestycji i czynniki kształtujące projekt
Bardzo ważne jest, aby proces inwestycji w źródło trójgeneracyjne rozpocząć od analizy
zasadności zastosowania technologii CCHP w obszarze technicznym, finansowym, środowiskowym oraz socjalnym. Na ostateczny kształt systemu, a w szczególności mocy szczytowej,
mają wpływ m.in. takie czynniki, jak:
⚫⚫dostępność paliwa do układu;
⚫⚫zapotrzebowanie na energię elektryczną o zadanej mocy i jej zmienności;
⚫⚫zapotrzebowanie na ciepło oraz chłód o zadanej mocy i jej zmienności;
⚫⚫korelacja zapotrzebowania między energią elektryczną, ciepłem oraz chłodem;
⚫⚫parametry techniczne dostępnych na rynku urządzeń;
⚫⚫stan istniejących instalacji (jeśli występują);
⚫⚫nakłady inwestycyjne na źródło;
⚫⚫nakłady eksploatacyjne (w szczególności koszt paliwa i mediów);
⚫⚫wymagana niezawodność instalacji;
⚫⚫wymagane w projekcie założone parametry mediów.
Polski Instalator 6/2016
DORADCA ENERGETYCZNY
Zapotrzebowanie na wodę grzewczą [t/h]
70
60
50
40
30
20
10
0
Styczeń Luty Marzec Kwiecień Maj Czerwiec Lipiec Sierpień Wrzesień Październik Listopad Grudzień
3. Wykres zapotrzebowania na gorącą wodę bromolitowego agregatu absorpcyjnego SL Eco – Energy Systems typu HSB-413
o mocy 1100 kW pracującego na potrzeby budynku biurowego
od temperatury zasilania ciepłem oraz medium
zasilającego, temperatury odbierania ciepła
skraplania i absorpcji oraz wymaganej temperatury produkowanej wody lodowej. Przykładowo, średnia sprawność produkcji chłodu
(rozumiana jako stosunek mocy chłodniczej
do dostarczonego ciepła) dla urządzeń zasilanych gorącą wodą dostępnych na krajowym
rynku kształtuje się na poziomie 0,8, a zasilanych parą – 1,4, co przy zmiennym obciążeniu
chłodniczym ma swoje bezpośrednie odzwierciedlenie w zapotrzebowaniu na ciepło z układu kogeneracyjnego. Skomplikowanie techniczne źródła produkującego jednocześnie trzy
różne media, przy zmiennym zapotrzebowaniu
na energię, dodatkowo utrudnia proces zarządzania i eksploatacji całego systemu.
Zgodnie z prowadzonymi na całym świecie badaniami, aby osiągnąć podstawowy cel
eksploatacji źródła CCHP, jakim jest efektywne
wytwarzanie energii, stosuje się dwie główne
strategie produkcji mediów:
⚫⚫pokrycia zapotrzebowania elektrycznego
(PZE) – strategia, w której priorytetem pracy
źródła jest pokrycie zapotrzebowania na energię elektryczną. Gdy występuje zapotrzebowanie mniejsze od nominalnego, źródło ogranicza
produkcję energii elektrycznej (ograniczając
także produkcję ciepła), co oznacza, że pojawiające się niedobory ciepła muszą być pokryte przez dodatkowe elementy źródła (np. kotły
szczytowe) bądź źródło zewnętrzne (np. miejską sieć ciepłowniczą). Jeśli zapotrzebowanie
jest większe od nominalnego, niedobory energii elektrycznej muszą zostać pokryte przez źródło zewnętrzne (np. sieć elektroenergetyczną);
⚫⚫pokrycia zapotrzebowania cieplnego (PZC)
– strategia, w której priorytetem pracy źródła jest pokrywanie zapotrzebowania cieplnego, zarówno na potrzeby ogrzewania, jak
i zasilania chłodziarek absorpcyjnych. Produkcja energii elektrycznej jest wynikowa, a jej
nadwyżki są gromadzone bądź sprzedawane
do sieci. W razie niedoborów energii elektrycz-
100%
80%
60%
40%
20%
0%
0
1
2
3
Poniedziałek
4
5
6
7
Wtorek
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Godzina
Środa
Czwartek
Piątek
Sobota
Niedziela
4. Wykres rozkładu godzinowego zapotrzebowania na chłód do celów klimatyzacyjnych dla budynku biurowego w warunkach
krajowych – dane rzeczywiste
www.polskiinstalator.com.pl
nej musi ona zostać zakupiona z sieci. Jeśli
zapotrzebowanie na ciepło będzie mniejsze
od nominalnego, źródło ogranicza swoją moc,
dążąc do minimum technologicznego.
Wybór strategii pracy źródła zależy od kilku istotnych czynników, w tym:
⚫⚫założonych priorytetów technologicznych,
⚫⚫analizy ekonomicznej,
⚫⚫konstrukcji układu,
⚫⚫dostępności mediów zewnętrznych.
Praca źródła trójgeneracyjnego bez opracowanej
strategii prowadzi do strat w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych.
W krajowych warunkach, w większości lokalizacji,
istnieje możliwość sprzedaży energii elektrycznej do sieci elektroenergetycznej, co umożliwia
uzyskiwanie dodatkowych przychodów. Jednocześnie sprzedaż ciepła bądź chłodu jest bardziej problematyczna ze względu na ograniczenia
przesyłowe związane ze specyfiką tych mediów.
W związku z tym dąży się do maksymalizacji wykorzystania ciepła powstającego w układzie kogeneracyjnym. Dobrą praktyką jest wyposażanie źródła trójgeneracyjnego w zbiorniki akumulacyjne
wody gorącej i zimnej, mogące przejąć chwilowe
zmiany zapotrzebowania na ciepło bądź chłód
i prowadzące do faktycznego zmniejszenia mocy
nominalnej źródła oraz skrócenia czasu pracy
szczytowych urządzeń pomocniczych.
Zawór wody gorącej chłodziarki
absorpcyjnej
Aby zapewnić prawidłowe działanie i regulację
chłodziarki absorpcyjnej, niezbędna jest dostawa ciepła o stałej temperaturze zasilającej oraz
w ilości zgodnej z zapotrzebowaniem generatora. Z tego powodu komercyjnie dostępne urządzenia samodzielnie sterują, najczęściej
za pomocą sygnału 0-10V bądź 4-20 mA, pracą
zaworu regulacyjnego wody gorącej bądź pary.
W wypadku urządzeń parowych wybór zaworu regulacyjnego jest zadaniem stosunkowo
prostym. Staje się on skomplikowany w odniesieniu do urządzeń zasilanych gorącą wodą,
w szczególności – z układów kogeneracyjnych.
Możliwe jest wówczas zastosowanie albo zaworu dwudrogowego, albo trójdrogowego. Waga
podjętej decyzji projektowej i instalacyjnej jest
tutaj duża. Przykładowe urządzenie absorpcyjne
o mocy 1100 kW, zasilane gorącą wodą z układu
kogeneracyjnego, w rocznym cyklu pracy zaspokajającym zapotrzebowanie na chłód układu
klimatyzacyjnego budynku biurowego zużywa około 57 665 t wody gorącej (dla wartości
13
DORADCA ENERGETYCZNY
Zawór trójdrogowy
Zawór dwudrogowy
CHP
ABS
5. Przykładowy schemat ideowy zastosowania zaworu trójdrogowego. Objaśnienia:
CHP – układ kogeneracyjny, ABS – chłodziarka absorpcyjna
temperatury 90/70°C). Rozkład zapotrzebowania
wody gorącej przez taką chłodziarkę zaprezentowano na rysunku 3.
Specyfika pracy większości dostępnych na rynku
układów kogeneracyjnych opartych na silnikach
tłokowych zasilanych gazem bądź biogazem
wymusza temperaturę powracającej wody gorącej na poziomie zbliżonym do 70°C. Dostępne
są rozwiązania o nieznacznie obniżonej bądź
podniesionej, możliwej do zaakceptowania
temperaturze wody powrotnej, jednak zakres
tych zmian w celu osiągnięcia maksymalnych
sprawności sumarycznych nie jest zbyt szeroki.
Możliwa do pojawienia się zmienność temperatury powracającej wody gorącej, spowodowana np. nagłym zmniejszeniem zapotrzebowania na ciepło odbiorcy, wymusza także taką
regulację awaryjnych układów chłodzenia systemu kogeneracyjnego, aby temperatura wody
powracającej na wymienniki odzyskujące ciepło
nie przekroczyła ustalonej wartości. Realizowane
jest to najczęściej za pomocą zaworu kierującego nadmiar ciepła na zewnętrzną chłodnicę
wentylatorową, przez co zapewniającego stałą
temperaturę powracającej wody gorącej. Prawidłowy dobór chłodziarki absorpcyjnych współpracującej z układem kogeneracyjnym zakłada
więc wykorzystanie całości dostępnego strumienia masy wody gorącej zgodnie z przyjętymi
temperaturami wody dostępnej z wymienników
odzysku ciepła. Tego rodzaju zestaw kogenerator
+ chłodziarka, pracując w warunkach nominalnego zapotrzebowania na chłód, osiąga maksymalną możliwą sprawność sumaryczną. Niestety,
zapotrzebowanie na chłód, szczególnie w zastosowaniach klimatyzacyjnych, zmienia się w bardzo szerokim zakresie. Zmiany te mają miejsce nie tylko sezonowo, ale przede wszystkim
w cyklu godzinowym, co widać na rys. 4 (dane
rzeczywiste). Oznacza to, że o każdej godzinie zapotrzebowanie chłodziarki absorpcyjnej
na wodę gorącą dla celów klimatyzacyjnych
14 CHP
ABS
6. Przykładowy schemat ideowy zastosowania zaworu trójdrogowego. Objaśnienia:
CHP – układ kogeneracyjny, ABS – chłodziarka absorpcyjna
ulega znaczącym zmianom, a nadmiar wody
gorącej, w wypadku braku dodatkowego zapotrzebowania na ciepło, musi zostać odprowadzony przez awaryjne układy chłodzące, co obniża sprawność sumaryczną układu.
!
Rozwiązaniem problemu ze zmiennym
zapotrzebowaniem na chłód jest dobór
prawidłowego typu zaworu w zależności
od kształtu instalacji wody gorącej, mocy
układu kogeneracyjnego w stosunku do za­potrzebowania na ciepło układu absorpcyjnego oraz profilu dodatkowego zapotrzebowania na ciepło odbiorcy (jeśli występuje).
Zastosowanie zaworu trójdrogowego. Schematycznie przedstawia to rys. 5 – w celu uproszczenia, pominięto na nim pozostałe systemy.
Układ CHP jest wyposażony w pompę, a zawór
trójdrogowy sterowany sygnałem z chłodziarki absorpcyjnej. System wyposażony w zawór
trójdrogowy pracuje w optymalnych warunkach
hydraulicznych, jednak z punktu widzenia energetycznego znacząca ilość ciepła może być marnowana, szczególnie przy obciążeniach częściowych.
Rozważając scenariusz zapotrzebowania na chłód
na poziomie 50% zapotrzebowania nominalnego, sterownik chłodziarki absorpcyjnej będzie
potrzebował tylko około 50% ciepła, a więc wyśle
odpowiedni sygnał do zaworu trójdrogowego.
Nadmiar ciepła zostanie skierowany by-passem
do instalacji powrotnej, podnosząc temperaturę
gorącej wody wchodzącej na układ kogeneracyjny, który, w celu zabezpieczenia wymaganej temperatury wody powracającej, uaktywni awaryjny
obieg chłodniczy. Wyprodukowane wcześniej ciepło zostanie rozproszone w atmosferze, obniżając
sprawność sumaryczną układu CHP.
Zastosowanie zaworu dwudrogowego. To rozwiązanie schematycznie przedstawia rys. 6 (dla
uproszczenia pominięto pozostałe systemy).
Podobnie jak poprzednio układ CHP jest wyposażony w pompę, a zawór dwudrogowy sterowany sygnałem z chłodziarki absorpcyjnej. System wyposażony w zawór dwudrogowy pracuje
w optymalnych warunkach energetycznych, jednak z punktu widzenia hydraulicznego może stwarzać problemy na etapie doboru zaworu i regulacji
instalacji. Rozważając scenariusz zapotrzebowania na chłód na poziomie 50% zapotrzebowania
nominalnego, sterownik chłodziarki absorpcyjnej
będzie potrzebował tylko około 50% ciepła, a więc
wyśle odpowiedni sygnał do zaworu dwudrogowego. Nadmiar ciepła trafi do odbiorców z temperaturą nominalną. Dopiero w wypadku braku
zapotrzebowania na ciepło po stronie odbiorcy ciepła, wzrośnie temperatura powracającej
na układ CHP wody gorącej, uaktywniając awaryjne systemy odprowadzenia ciepła.
Podsumowując, decyzja dotycząca wyboru
zaworu sterującego dopływem ciepła do agregatu absorpcyjnego nie może zostać podjęta
w oderwaniu od istniejącego układu odbiorcy. Należy szczegółowo przeanalizować wpływ
zmiany strumienia oraz temperatury wody go­rącej na pozostałe odbiorniki ciepła i na bazie
takiej analizy podjąć decyzję o optymalnej konstrukcji układu i zastosowanej przy agregacie
absorpcyjnym armatury.
■
W następnym wydaniu, kontynuując temat, przedstawimy problematykę modernizacji układu kogeneracyjnego do trójgeneracyjnego oraz ciekawą realizację z zastosowaniem układu trójgeneracyjnego.
O AUTORZE
dr inż. Marcin Malicki, absolwent
Politechniki Warszawskiej, dyrektor
ds. technologii w New Energy
Transfer S.A., kierownik naukowy
projektów badawczo-rozwojowych, autor szeregu publikacji
i współtwórca wynalazków. Koncentruje się na
zagadnieniach dot. poprawy efektywności energetycznej układów skojarzonych z wykorzystaniem technologii sorpcyjnych
Polski Instalator 6/2016