Kiedy mówimy osobom spoza branży instalacyjnej lub budowlanej o naszym zawodzie często spotykamy się z brakiem zrozumienia czym tak naprawdę się zajmujemy i jak działa chłodnictwo. Wtedy często szukamy analogii dla obiegu chłodniczego lub przykładów znanych wszystkim z życia codziennego. Wspominamy też coraz częściej, lub praktycznie zawsze,
o fakcie, że ciepło to można wykorzystać. Pada hasło „odzysk ciepła”

Ta ostatnia myśl skłania autora do stwierdzenia, że odzysk ciepła z instalacji stał się już elementem tak podstawowym jak samo chłodnictwo.

Oczywiście nadal wiele instalacji nie jest wyposażonych w odzysk, niemniej jednak nie wyobrażamy sobie nowej instalacji bez chociażby rozważenia co można zrobić z pozyskanym
w procesie chłodniczym ciepłem.

Rozważania o odzysku ciepła należy rozpocząć od precyzyjnego określenia w którym miejscu znajduje się ciepło do odzyskania, ile jego jest, w jakiej jest temperaturze i co można z nim zrobić.

Poniżej przedstawiono układ chłodniczy pracujący przy następujących założeniach:

Przykładowy układ chłodniczy

Czynnik chłodniczy: R404A
Sprężarka: tłokowa 196m3/h
Todparowania: -10°C
Tskraplania: +45°C
Tdochłodzenia: 2°C
Tprzegrzania: 20°C
COP: 2.19

Rysunek 1. Schemat ogólny obiegu chłodniczego

Na dzień dzisiejszy nie spotyka się instalacji odzyskujących energię inną niż ciepło skraplania. Określenie odzysk ciepła skraplania jest oczywiście uproszczeniem. W rzeczywistości pod tym terminem kryją się trzy strumienie ciepła: ciepło przegrzania czynnika w stanie gazowym, ciepło skraplania oraz ciepło dochłodzenia skroplonego czynnika.

Przykładowo dla instalacji chłodniczej o mocy 100 kW pracującej w warunkach jak powyżej można uzyskać następujące ilości energii przy temperaturach:

Całkowite ciepło skraplania (energia z ochłodzonego towaru + praca sprężarki): 145 kW

Ciepło przegrzania czynnika w stanie gazowym o temperaturze 83°C: 20 kW, co pozwala ogrzać 0,38 m3 wody od temperatury 5°C do 50°C w ciągu godziny (9m3 w ciągu doby). Uwzględniając sprawność wymiennika 75% oraz całkowity czas pracy sprężarek w ciągu doby 50% daje to 3,4m3 wody na dobę lub 1231m3/rok.

Ciepło skraplania czynnika w temperaturze 45°C: 105 kW

Ciepło dochłodzenia czynnika od temperatury 45 do temperatury 43°C: 20 kW

Energia pochodząca z ciepła skraplania oraz dochłodzenia pozwalają na ogrzanie 3,6m3 wody od temperatury 5°C do 35°C w ciągu godziny (86m3 w ciągu doby). Uwzględniając sprawność wymiennika 75% oraz całkowity czas pracy sprężarek w ciągu doby 50% daje to 32m3 wody na dobę lub 11680m3/rok.

Po zapoznaniu się z powyższymi wynikami nasuwają się następujące wnioski: Dostępne ciepło można podzielić na to wysokotemperaturowe, którego niestety jest niewiele, oraz na niskotemperaturowe, którego jest dostępna znaczna ilość.

W obiektach handlowych temperaturę ciepłej wody użytkowej utrzymuje się w okolicach 50°C oraz 60°C dla CO (czasem 90°C).

To oznacza to, że bezpośrednio do ogrzania wody wykorzystać można jedynie ciepło przegrzania. Całą resztę dostępnej energii należy traktować jako wstępne podgrzanie wody, która nadal musi być dogrzana przez inne źródło ciepła (np. piec).

Jak już autor wspominał we wcześniejszych artykułach większość obiektów handlowych z instalacjami chłodniczymi (sklepy spożywcze, hipermarkety, itd.) posiada taką proporcję wielkości instalacji chłodniczej do zapotrzebowania w wodę użytkową, że wykorzystanie jedynie ciepła przegrzania pozwala na zaspokojenie całego zapotrzebowania w ciepłą wodę użytkową.

Porównanie zużycia energii

Oszczędność ekonomiczna oraz ekologiczna wynikająca z ogrzania wody użytkowej ciepłem odpadowym z chłodnictwa:

Dla energii elektrycznej:
1kwh = 0,3zł

Biorąc pod uwagę, że en elektryczna w Polsce w większości powstaje poprzez spalanie węgla brunatnego 1kWh = 1kg CO2

Dla gazu ziemnego:
Energetyczność 1m³ gazu ziemnego = ok. 10,5 kWh/m³

Koszt (przy cenie 1m3=2pln) = 15 350 pln/rok
Emisja CO2 (przy spalaniu gazu = ok. 0,2 kg/kWh) = 12 894 kg CO2/rok

Dla oleju opałowego:
Energetyczność 1 kg oleju opałowego = ok. 11,9 kWh/kg

Koszt (przy cenie 1dm3=2,8pln) = 24 077 pln/rok
Emisja CO2 (przy spalaniu oleju = ok. 0,26 kg/kWh) = 16 762 kg CO2/rok

Tabela 1. Koszt ekonomiczny oraz ekologiczny ogrzania wody

Rozwiązaniem kompromisowym jest wykorzystanie wody o temperaturze 35°C do ogrzewania pomieszczeń poprzez ogrzewanie podłogowe. Jest to bardzo efektywna energetycznie metoda, która bez dodatkowych nakładów energii (gaz, energia elektryczna, inne paliwa) pozwala wykorzystać całość dostępnego ciepła.

Analogicznie więc 125 kW ciepła o temperaturze 35°C pozwoli ogrzać obiekt o kubaturze około 3000m3.

Niestety odzysk ciepła z instalacji chłodniczej nie ma samych zalet. Istnieją ślepe uliczki, którymi niekiedy podążają klienci, a za nimi instalatorzy.

Przykładem takiej sytuacji jest chociażby wymuszone utrzymywanie podwyższonej temperatury skraplania (ciśnienia) w celu ogrzania wody do jak najwyższej temperatury. Jak wiemy, mimo iż wydajność instalacji chłodniczej oblicza się dla temperatury skraplania 45°C, to w rzeczywistości są to warunki najcięższe i przez znaczną większość czasu instalacja chłodnicza skrapla przy temperaturach niższych – załóżmy 32°C. Oczywiście obniżenie temperatury skraplania jest bardzo korzystne ze względu na zmniejszenie czasu pracy sprężarek oraz na zwiększenie COP. Sztuczne podwyższanie temperatury skraplania nie jest korzystne ekonomicznie.
Odzysk ciepła należy projektować tak aby możliwie mało wpływał na podstawowe funkcje instalacji chłodniczej.

Ze względu na niskie COP – bliskie 1, oraz niewielkie ilości ciepła, odzysk ciepła z instalacji mroźniczej jest bardzo mało opłacalny. Przy COP 1 wydajność jest taka sama jak przy ogrzewaniu grzałką elektryczną co nie pozostawia miejsca na zwrot finansowy inwestycji.

Przykładowe podłączenie odzysku ciepła

Jak wcześniej wspomniano odzysk ciepła należy projektować tak aby nie miał negatywnego działania na układ chłodniczy. Poniżej przedstawiono przykładowy sposób podłączenia wymiennika do odzysku ciepła.

Rysunek 2. Schemat automatyki odzysku ciepła

Powyższy schemat stworzony jest zgodnie z wytycznymi producentów automatyki, jednak doposażony w dwa elementy, które poprawiają działanie.

Poza zwykle stosowanymi elementami automatyki dla bezpieczeństwa na linii bypassu do wymiennika ciepła warto stosować zawór elektromagnetyczny NC (A), który otwiera się w momencie zamknięcia zaworu głównego. Ta dodatkowa funkcja zabezpiecza przed niekontrolowanym powrotem czynnika chłodniczego (w postaci gazu lub cieczy) do sprężarki a także przed zbieraniem się czynnika chłodniczego w wymienniku ciepła. Takie zjawisko z jednej strony powodowałoby znaczne zmiany poziomu czynnika w zbiorniku między włączeniem a wyłączeniem odzysku, oraz uderzenia cieczowe, które mogą uszkodzić rurociągi. Kolejnym, nie zawsze stosowanym elementem zabezpieczającym, jest termostat odcinający pompę wody w przypadku przekroczenia dopuszczalnej temperatury podawanej na wymiennik. Znane są przypadki kiedy to grzałka zabezpieczająca układ wodny przed zamarznięciem lub dogrzewająca wodę nie wyłącza się (sklejony stycznik), w wyniku czego na wymiennik podawana jest woda o temperaturze wyższej niż temperatura czynnika chłodniczego. To może spowodować niekontrolowany wzrost ciśnienia w układzie chłodniczym.

Układ pośredni

Kolejnym bardzo znacznym zagrożeniem, którego należy unikać, jest stosowanie instalacji, która bezpośrednio oddaje ciepło z czynnika chłodniczego do wody użytkowej. Taki projekt posiada szereg wad:
– w przypadku nieszczelności przedostanie się czynnika chłodniczego i oleju do wody użytkowej
– znaczna pojemność układu wody użytkowej nie pozwala na wczesne wykrycie nieszczelności a – co za tym idzie – pozwala na przedostanie się znacznej ilości wody do układu chłodniczego. Tak więc, mimo iż ciśnienie w układzie chłodniczym jest wyższe, spotykane są przypadki zanieczyszczenia układu chłodniczego przez wodę.

W celu uniknięcia usterek, jakie wymieniono powyżej, stosuje się układy pośrednie lub wymienniki wielowarstwowe z manometrem podłączonym do alarmu.

Poniżej uproszczony przykładowy schemat układu odzysku ciepła z układem pośrednim

Rysunek 3. Schemat układu pośredniego w odzysku ciepła

Inną metodą na zbudowanie układu pośredniego jest zastosowanie wymiennika dwuściankowego z czynnikiem pośrednim.

Rysunek 4. Schemat wymiennika płaszczowo-rurowego dwuściankowego

Wymiennik dwuwarstwowy daje większą sprawność oraz niezawodność niż układ pośredni, niestety jednak często jest droższy niż tani układ z dwoma wymiennikami oraz pompą.

Znaczącym zagadnieniem jest również na jaki rodzaj wymiennika się zdecydować. W chłodnictwie korzysta się głównie z wymienników płytowych i płaszczowo rurowych. Dobór zależy od wymaganej mocy, funduszy, ale także od podawanego na wymiennik czynnika odbierającego ciepło.

Wymiennik płytowy.

Zalety: korzystna cena, kompaktowa konstrukcja, szeroki zakres dostępnych modeli

Wady: zakamienienie podczas pracy na wodzie, ograniczona wydajność, jednakowa wielkość obiegów z dwóch stron płyty – problematyczna przy różnych czynnikach, w większości przypadków brak możliwości serwisu.

Wymiennik płaszczowo-rurowy:

Zalety: większa odporność na zakamienienie, wysokie moce, możliwość otwierania w celach serwisowych, możliwość wykonania jako dwuwarstwowy

Wady: cena wyższa niż w przypadku wymienników płytowych, większe rozmiary, ograniczona dostępność wymienników o niewielkich mocach (np. tylko do odzysku ciepła przegrzania).

W przypadku obydwu typów wymienników należy poinformować dostawcę, w jakim regionie będzie on montowany, ponieważ składniki zawarte w wodzie w niektórych regionach powodują bardzo szybką korozję spoiwa wymiennika.

Słowem zakończenia odzysk ciepła jest bardzo dobrą i prostą do realizacji metodą na oszczędność finansową oraz ekologiczną. Większość inwestorów wymaga zwrotu takiej inwestycji w ciągu 4 lat. Obliczenie czy jest to osiągalne – jak pokazano powyżej – jest bardzo proste. Poza finansowym niewykorzystanym handlowo i marketingowo pozostaje potencjał ekologiczny. Warto zwracać klientowi uwagę, że zmniejszenie produkcji CO2 dostaje niejako za darmo i może to wykorzystać w swoich kampaniach reklamowych.

Dla Chłodnictwo & Klimatyzacja

Maurycy Szwajkajzer