zmiany struktury zapotrzebowania na nośniki energii

zmiany struktury zapotrzebowania na nośniki energii

ZMIANY STRUKTURY ZAPOTRZEBOWANIA NA NOŚNIKI ENERGII
PRZY WYKORZYSTANIU CIEPŁA ODPADOWEGO I ENERGII
ODNAWIALNYCH
Autor: dr hab. inŜ. Prof. nadzw. Politechniki Świętokrzyskiej Jan C. Stępień
(”Rynek Energii” – nr 5/2008)
Słowa kluczowe: zapotrzebowanie na nośniki energii, zmiana struktury zapotrzebowania nośników energii,
wykorzystanie źródeł odnawialnych i ciepła odpadowego
Streszczenie. Przedstawiono zmiany zapotrzebowania na gaz i energię elektryczną w obiekcie, w którym
przeprowadzono modernizację polegającą na zastosowaniu pomp ciepła i kolektorów słonecznych jako
dodatkowych źródeł do przygotowania ciepłej wody uŜytkowej. Modernizacja układu przygotowania ciepłej
wody uŜytkowej wyraźnie zmniejszyła zapotrzebowanie na gaz, ale jednocześnie zwiększyła zapotrzebowanie
na energię elektryczną. Porównania dokonano dla analogicznych okresów sześciu miesięcy przed i po
modernizacji układu.
1. WPROWADZENIE
Wykorzystanie energii odnawialnych i odpadowych powoduje powstawanie oszczędności
energii otrzymywanych z paliw nieodnawialnych. Pozyskiwanie energii związane jest
jednakŜe z uŜytkowaniem urządzeń i instalacji do tego słuŜących, których eksploatacja
wymaga zapotrzebowania na energię, zwłaszcza elektryczną, do napędu pomp wodnych,
pomp ciepła, wentylatorów, urządzeń automatycznej regulacji i sterowania zachodzącymi
procesami, itp. [1,3,4,5]. Te odbiorniki energii elektrycznej są dodatkowymi, obok
istniejących w infrastrukturze technicznej analizowanych obiektów, a więc powodować będą
dodatkowy pobór mocy i energii elektrycznej w stosunku do dotychczasowego.
W referacie rozpatrzono ten problem przez porównanie zuŜycia energii elektrycznej oraz
gazu, które to nośniki energii były i są zuŜywane przez rozpatrywany obiekt. Porównania
dokonano za okres półroczny, w analogicznych miesiącach, w roku poprzedzającym
eksploatację i w pierwszym roku eksploatacji instalacji odzyskiwania ciepła odpadowego
współpracującej z kolektorami słonecznymi [3].
Analizowanym obiektem są budynki sanatoryjne, w których energią odpadową jest ciepło
zawarte w ciepłej wodzie uŜytkowej i kąpielach siarczkowych. Ciepło to, które poprzednio
było tracone wraz z wodą odprowadzaną do ścieków, jest odzyskiwane obecnie poprzez
pompy ciepła a ponad to instalacja wspomagana jest poprzez ciepło pozyskiwane w
kolektorach słonecznych [3,7].
2. ZAPOTRZEBOWANIE NA CIEPŁO
Rozpatrywany obiekt składa się z trzech budynków hotelowych i budynku zakładu
przyrodoleczniczego, pod którym znajduje się pomieszczenie z infrastrukturą urządzeń do
wentylacji, klimatyzacji oraz podgrzewania wody w basenach i siarczkowej.
Głównym źródłem ciepła dla instalacji c.w.u., co., wentylacji i ogrzewania wody
technologicznej, w budynkach sanatorium, jest kotłownia wodna opalana gazem ziemnym lub
olejem opałowym lekkim, jako paliwem rezerwowym [6].
Kotłownia jest wyposaŜona w trzy kotły, które pracują na potrzeby wytworzenia ciepłej wody
uŜytkowej o temperaturze 70/90°C. Układ pracy kotłów jest kaskadowy, ich łączna moc
wynosi 3,45 MW, przy czym zakres mocy kaŜdego z nich waha się w granicach 800 - 1150
kW. Sprawność kotłów wynosi 92,3% [6].
Kotły wyposaŜone są w regulację modulowaną (palniki modulowane) dla gazu i
trójstopniową dla oleju opałowego. Regulacja pracy kaŜdego kotła odbywa się za pomocą
własnego regulatora. Wszystkie trzy kotły pracują przez cały rok. Zastosowana automatyka
nie przewiduje okresowego wyłączania kotłów w czasie mniejszego zapotrzebowania na moc
grzewczą tj. w lecie. Przy niskim obciąŜeniu grzewczym kotły pracują na zmianę. W okresie
duŜego zapotrzebowania na moc wszystkie kotły pracują równocześnie.
Kotłownia zaprojektowana została do pokrycia następujących potrzeb grzewczych [6]:
1.
Centralnego ogrzewania wszystkich budynków kompleksu sanatoryjnego i zasilania
nagrzewnic central klimatyzacyjnych i wentylacyjnych. Zapotrzebowanie szczytowe na moc
grzewczą wynosi 2329,2 kW, przy parametrach wody grzewczej 70/90°C.
2.
Przygotowania c.w.u. i wody słuŜącej do zabiegów zakładu przyrodoleczniczego.
Szczytowe zapotrzebowanie na moc grzewczą wynosi w tym przypadku 615,8 kW, przy
stałych parametrach wody grzewczej 55°C. Woda ta jest przygotowywana centralnie w
wymiennikowni zlokalizowanej w kotłowni, następnie jest przesyłana do poszczególnych
odbiorców zewnętrzną siecią cieplną.
3. Przygotowania ciepłej wody technologicznej dla potrzeb zabiegowych zakładu
przyrodoleczniczego, która wykorzystywana jest do podgrzewania kąpieli siarczkowych,
wody do kąpieli kwasowo-węglowych, wody dla kąpieli natryskowych oraz do podgrzewania
i uzupełniania wody w basenach. Szczytowe zapotrzebowanie na moc grzewczą wynosi 561,4
kW, przy stałych parametrach wody grzewczej 90°C, która przesyłana jest z kotłowni
zewnętrzną siecią cieplną i zasila wymienniki ciepła zakładu przyrodoleczniczego.
Reasumując - kotły gazowe pracują na potrzeby wytworzenia wody grzewczej przy
parametrach temperaturowych 70/90°C, przy płynnej zmianie mocy. Woda o temperaturze
90°C zasila stację wymienników ciepła zlokalizowaną w kotłowni na potrzeby przygotowania
c.w.u. oraz wodę technologiczną zasilającą stację wymienników ciepła w zakładzie
przyrodoleczniczym, która pracuje dla potrzeby wytworzenia ciepłej wody zabiegowej, w tym
wody siarczkowej i wody basenowej. Dla potrzeb co. i wentylacji mechanicznej zakładu
przyrodoleczniczego, zaprojektowano regulację temperatury zasilania w zaleŜności od
temperatury zewnętrznej, wykorzystując sterowanie pracą pompy obiegowej i zaworu
mieszającego [6].
Z kotłowni poprzez zewnętrzne kanały grzewcze przesyłana jest woda grzewcza:
- o zmiennych parametrach temperaturowych 70/90°C na potrzeby co. całego kompleksu
sanatoryjnego, oraz dla potrzeb central wentylacyjno-klimatyzacyjnych,
- o stałych parametrach temperaturowych 70/90°C na potrzeby wymiennikowni wody
technologicznej w zakładzie przyrodoleczniczym,
- o stałej temperaturze 55°C dla potrzeb c.w.u. wszystkich obiektów i wody zabiegowej wraz
z cyrkulacją (woda jest przesyłana z wymiennikowni kotłowni).
3. MODERNIZACJA UKŁADU CIEPLNEGO
Modernizacja układu wytwarzania ciepła polegała na wykorzystaniu energii słonecznej oraz
instalacji do odzyskiwania ciepła, w celu wytwarzania ciepłej wody uŜytkowej. Nie
dokonywano ingerencji w podstawowy układ grzania wody na potrzeby centralnego
ogrzewania.
Wykonane zostały następujące instalacje i układy pozyskiwania ciepła [3]:
1. Dwie baterie kolektorów słonecznych wraz z dodatkowymi wymiennikami oraz wodnymi
pompami obiegowymi.
2. Układ do odzyskiwania ciepła odpadowego zawartego w wodach zrzutowych z zakładu
przyrodoleczniczego.
3. Układ wykorzystujący ciepło odpadowe zawarte w powietrzu wypełniającym przestrzeń
wymiennikowni znajdującej się pod basenem kąpielowym.
Instalację układu kolektorów słonecznych oraz sposób jej zintegrowania z układem
podgrzewania ciepłej wody uŜytkowej przedstawiono na rys. 1 na którym dotychczasowe
elementy układu przedstawiono liniami szarymi. Zainstalowane zostały dwie baterie
kolektorów słonecznych KI i K2 oraz zbiornik buforowy Zb. Czynnik obiegowy, jakim jest
glikol, ze względu na umiejscowienie kolektorów na zewnątrz budynków, transportowany jest
za pomocą pomp obiegowych PI i P2. Po nagrzaniu w kolektorach słonecznych ogrzewa
wodę w zbiorniku buforowym Zb. Pozostała część układu zawierająca wymienniki Wl i W2
zasilana jest z kotłowni. DuŜa objętość zbiornika buforowego, zabezpieczonego izolacją
termiczną, pozwala na zakumulowanie ciepła, które moŜe być dostarczane do układu po
zachodzie słońca, kiedy kolektory słoneczne juŜ nie pracują.
W zakładzie przyrodoleczniczym wykonuje się szereg zabiegów kąpielowych, z których
woda dotychczas wylewana była do kanalizacji. Biorąc pod uwagę fakt, Ŝe temperatura wody
zrzutowej wynosi ok. 32°C, ciepło w niej zawarte było dotychczas bezpowrotnie tracone.
Podczas modernizacji instalacji ciepłowniczej wykonano równieŜ system instalacji do
wykorzystywania energii odpadowej ze ścieków technologicznych, z których ciepło zawarte
w wodzie jest wykorzystywana do wstępnego podgrzewania wody siarczkowej. Do systemu
zrzutowego dołączono równieŜ wodę z procesów technologicznych pralni [3].
System wykorzystujący ciepło odpadowe składa się z dwóch zbiorników Zb1 i Zb2
magazynujących ścieki, umieszczonych w pomieszczeniu pod basenem, dwóch pomp
obiegowych PI i P2 oraz wymiennika ciepła Wl i sześciu pomp ciepła współpracujących z
pompą obiegową P3. Z obiegiem pomp ciepła współpracuje obieg wtórny zawierający
zbiornik buforowy ZbB i pompę obiegową P4. Obiegi te połączone są do istniejącego obiegu
ogrzewania kąpieli siarczkowych zawierających wymiennik WS.
Schemat cieplny obiegu przedstawiono na rys. 2.
W pomieszczeniu pod basenem zlokalizowane są wymienniki ciepła do podgrzewania wody
siarczkowej i inne elementy instalacji c.w.u. Zainstalowano tam układ do wykorzystywania
ciepła odpadowego pochodzącego ze strat ciepła do otoczenia przez zamontowanie pompy
ciepła odzyskującej ciepło zawarte w powietrzu. Instalacja ta jest stosunkowo prosta w
działaniu i nie posiada wielu elementów. Składa się z pompy ciepła, pompy zasilającej
zbiornik buforowy i pompy obiegowej obiegu wtórnego zasilającej wymiennik, poprzez który
instalacja połączona jest z zasadniczym obiegiem cieplnym.
Dolnym źródłem ciepła dla pompy PC jest powietrze z otoczenia o średniej temperaturze
40C. Poprzez odpowiednią przemianę oraz transformację energii, ciepło jest przekazywane za
pomocą pompy zasilającej do zbiornika buforowego, w którym następuje magazynowanie
ciepła. Ze zbiornika pompa obiegowa, wymusza przepływ czynnika grzewczego przez
przeciwprądowy wymiennik ciepła. Ciepło zostaje przetransfonnowana przez ten wymiennik
do układu podgrzewania wody basenowej.
Schemat układu przedstawiono na rys. 3.
Przedstawione wyŜej układy cieplne, wykorzystujące słoneczną energię odnawialną oraz
ciepło odpadowe, zostały zaprojektowane i wykonane do podgrzewania c.w.u i współpracują
w tym zakresie z istniejącą instalacją cieplną obiektu. Cała część instalacji, słuŜąca do
wytworzenia ciepła na potrzeby centralnego ogrzewania pozostała bez zmian [3,6]. NaleŜy
dodać, Ŝe łączne roczne zapotrzebowanie na c.w.u., w analizowanym obiekcie, ocenia się na
19,25 tys. m wody na rok co wymaga dostarczenia ciepła o wartości 3.820 GJ/a [6]. Wartości
zuŜywanego ciepła są znaczące i wszelkie oszczędności w tym zakresie równieŜ.
4. ZMIANA STRUKTURY ZUśYCIA NOŚNIKÓW ENERGII
Zainstalowanie systemów do pozyskiwania ciepła z energii słonecznej i odpadowej oraz z
procesów technologicznych pociąga za sobą zwiększenie poboru energii elektrycznej, która
jest niezbędna do funkcjonowania aparatury systemu (pompy obiegowe, pompy ciepła).
Największy udział w zuŜyciu mocy i energii mają pompy ciepła [1,5].
Pompa ciepła do odzysku ciepła z powietrza pobiera moc elektryczną równą 3,8 kW,
natomiast pompy pracujące w układzie wykorzystującym ciepło z wody zrzutowej i ścieków
technologicznych pobierają moc 32,9 kW. Układem, który pobiera najmniejszą wartość
energii elektrycznej jest układ kolektorów słonecznych, w którym pracują tylko dwie pompy
obiegowe, wymuszając przepływ czynnika grzewczego. W eksploatacji systemów do
odzyskiwania energii odnawialnej i odpadowej najdłuŜej pracują pompy obiegowe systemu
solarnego oraz pompa ciepła wykorzystująca ciepłe powietrze. Praca tych urządzeń jest
niemal 24. godzinna i jest uzaleŜniona od osiągnięcia Ŝądanej temperatury czynnika
obiegowego.
Zwiększenie mocy elektrycznej nowo wykonanych instalacji wymagało równieŜ modernizacji
układu zasilania w energię elektryczną. W tym celu dokonano zmian w strukturze zasilania i
wykonano nową rozdzielnię. Przedmiot tych zmian nie naleŜy do zakresu referatu i nie będzie
szerzej omawiany.
W celu porównania efektów energetycznych wykonanych instalacji przeprowadzono analizę
zuŜycia gazu i energii elektrycznej w analogicznych okresach roku poprzedzającego
eksploatację instalacji i roku po zainstalowaniu systemów pozyskiwania energii. Biorąc pod
uwagę takie same okresu roku miano na celu porównanie nośników przy podobnych
temperaturach zewnętrznych, warunkach nasłonecznienia a przede wszystkim pod kątem
podobnej liczby osób korzystających z zabiegów.
Na rys. 4 i 5 przedstawiono zuŜycie gazu [tys. m3 ] oraz energii elektrycznej [MWh] w
poszczególnych miesiącach roku poprzedzającego modernizację układu podgrzewania c.w.u.
(symbol 1) i w analogicznych miesiącach pierwszego roku eksploatacji instalacji (symbol 2).
Na rys. 6 i 7 przedstawiono procentowe zmiany zuŜycia gazu i energii elektrycznej w
analogicznych, analizowanych okresach oraz wartości średnie zmian zuŜycia.
5. PODSUMOWANIE
Przy projektowaniu i wykonywaniu przedsięwzięć inwestycyjnych dotyczących modernizacji
układów zasilania w ciepło poprzez wykorzystanie energii odnawialnych i odpadowych
naleŜy uwzględniać równieŜ zmiany innych czynników energetycznych, a przede wszystkim
energii elektrycznej, która wykorzystywana jest do napędów urządzeń energetycznych.
Analizy wartości pozyskiwanej energii odnawialnej i odpadowej wykonywane są na etapie
koncepcji i projektu technicznego [2,3]. Incydentalnie wykonuje się jednak analizy zmian
zuŜycia i struktury czynników energetycznych po wykonaniu instalacji.
Na podstawie tej analizy, która zawierała najistotniejsze przesłanki porównawcze, naleŜy
stwierdzić, Ŝe:
1. Wykorzystanie energii odnawialnych i odzyskiwanie ciepła odpadowego w sposób istotny
moŜe zmniejszyć zuŜycie paliw (w tym przypadku gazu), przy wytwarzaniu ciepła.
2. W przypadku badanego obiektu, zmiany zuŜycia gazu są znaczące. Sięgają średnio do
25% a wartości maksymalne wynosić mogą do 50%.
3. UŜytkowanie energii odnawialnych i odpadowych związane jest ze zmianą struktury
zuŜycia nośników energii a szczególnie ze zwiększeniem zuŜycia energii eklektycznej. W
analizowanym obiekcie zuŜycie wzrosło średnio o 5,83% a maksymalnie do 10,30%. NaleŜy
to brać pod uwagę wykonując bilans energii, który całościowo uwzględnia te aspekty.
LITERATURA
[1] Brodowicz K., Dyakowski T.: Pompy ciepła. PWN, Warszawa 1990.
[2] Bucko P., Buriak J., Reński A.: Porównanie łącznych kosztów ponoszonych przez
odbiorcę ciepła w warunkach lokalnej konkurencji nośników energii. Rynek Energii. 2004, nr
4.
[3] Chwieduk D. Koca D.: Koncepcja wykorzystania ciepła opadowego i energii słonecznej w
sanatorium „Włókniarz" w Busku Zdroju. Warszawa 2003.
[4] Stępień J.C., Tytko J.: Analiza porównawcza kosztów wytwarzania ciepła w róŜnych
systemach grzewczych. Rynek Energii 1997. nr 4.
[5] Strzelczyk F.: Wstępna analiza zastosowania pompy ciepła do ogrzewania obiektu
średniej wielkości. Rynek Energii nr 5(42), 2002. s. 47- 52.
[6] Wołoch P.: Instrukcja obsługi kotłowni. Instal, Kraków 1999.
[7] śycińska A.: Analiza opłacalności zastosowania kolektorów słonecznych dla
przygotowania ciepłej wody uŜytkowej w budynku mieszkalnym. Rynek Energii 2005, nr I.
CHANGES IN DEMAND STRUCTURE OF ENERGY CARRIERS WITH THE USE
OF WASTE HEAT AND RENEWABLE ENERGY
Key words: demand for energy carriers, changes in demand structure of energy carriers, usage of waste heat and
renewable energy sources
Summary. Changes in demands for gas and electric energy in the object, where modernization based on
application of heat pumps and sun collectors as additional sources for preparing usable hot water has been
realized, have been presented in the paper. Modernization of the usable hot water preparing system significantly
decreased the demand for gas, but simultaneously increased the demand for electric energy. The comparison has
been carried out for the analogous six-month periods before and after the system modernization.
Jan C. Stępień, dr hab. inŜ. prof. nadzw. Politechniki Świętokrzyskiej, Politechnika
Świętokrzyska, Katedra Podstaw Energetyki, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego nr 7, 25-314
Kielce, e-mail: [email protected]