Odzysk ciepła odpadowego w obiektach ogrzewanych promiennikami gazowymi

Wszędzie tam, gdzie odbywa się produkcja towarów oraz przeprowadza się procesy cieplne, a także eksploatuje maszyny i urządzenia, powstaje ciepło odpadowe. Jest ono uwalniane do otoczenia poprzez promieniowanie, konwekcję, przewodzenie lub w postaci płynów chłodzących, spalin, pary wodnej bądź powietrza. Ciepło jawne i utajone, które wytwarza się podczas tych procesów, choć nie jest ich celem, definiuje się jako ciepło odpadowe.

Spis treści

1. Co to jest ciepło odpadowe?
2. System ogrzewania promiennikami gazowymi
3. Ciepło odpadowe z promienników gazowych
4. Układ odzysku z wymiennikiem spaliny-powietrze dla pojedynczego promiennika rurowego
5. Układ odzysku z wymiennikiem spaliny-powietrze dla kilku promienników rurowych
6. Układ odzysku z wymiennikiem spaliny-woda dla kilku promienników rurowych
7. Układ odzysku z wymiennikiem powietrze-powietrze dla kilku promienników ceramicznych
8. Podsumowanie

Co to jest ciepło odpadowe?

Jeśli ciepło odpadowe jest wytwarzane z procesów przemysłowych, określa się je mianem przemysłowego, zaś pochodzące z procesów związanych z eksploatacją budownictwa mieszkaniowego oraz użyteczności publicznej nazywa się komercyjnym. Możliwość wykorzystania ciepła odpadowego jest rozpatrywana jako potencjał:

• teoretyczny (fizyczny),
• techniczny,
• ekonomiczny (wykonalny).

Potencjał teoretyczny obejmuje analizę występowania ciepła odpadowego w fizycznym znaczeniu, jako ciepła powyżej temperatury otoczenia, i nie uwzględnia możliwości jego odzysku oraz wykorzystania. Techniczny definiuje natomiast możliwość odzysku oraz użycia ciepła odpadowego i wówczas rozważane są rozwiązania technologiczne, które na to pozwalają. Ograniczeniami technicznymi mogą tu być przykładowo minimalna temperatura, umożliwiająca pracę systemu odzysku, czy straty temperatury spowodowane przenoszeniem ciepła.

Potencjał techniczny jest określany warunkami brzegowymi, wymaga opisania technologii i ustalenia zapotrzebowania na ogrzewanie lub chłodzenie. Dodatkowo można go podzielić na potencjał techniczny teoretyczny i możliwy do zastosowania. Pierwszy z nich jest obliczany za pomocą teoretycznej analizy procesu, a drugi na podstawie danych, z uwzględnieniem wszystkich parametrów specyficznych dla rozpatrywanego procesu odzysku. Z kolei w rozważaniach potencjału ekonomicznego, zwanego również wykonalnym, uwzględnia się parametry finansowe, takie jak ceny energii, stopy procentowe i okresy zwrotu.

Zgodnie z obecnymi działaniami, dążącymi do redukcji emisji CO₂, i wzrostem efektywności energetycznej urządzeń oraz budynków zastosowanie systemów odzysku ciepła odpadowego odgrywa istotną rolę, a rozwiązania techniczne w tym obszarze są jednymi z głównych przedmiotów badań.

Uważa się, że w pewnych wdrożeniach systemy odzysku ciepła odpadowego mogą być bardziej ekonomiczne niż instalacje z wykorzystaniem energii odnawialnej. Należy zauważyć, że Polska należy do krajów o dość wysokim potencjale ciepła odpadowego przemysłowego. Rozwiązania systemów odzysku ciepła odpadowego mogą bazować na następujących urządzeniach:

• rurkach ciepła,
• pompach ciepła: powietrze-powietrze, woda-powietrze, powietrze-woda, woda-woda,
• regeneratorach w piecach,
• rekuperatorach,
• obrotowych wymiennikach ciepła,
• płytowych wymiennikach ciepła,
• płaszczowo-rurowych wymiennikach ciepła,
• ekonomizerach,
• wymiennikach typu spiralnego,
• kotłach wodnorurkowych.

Opracowanie optymalnego systemu odzysku ciepła zależy od wielu czynników, przy czym kluczowym jest temperatura nośnika ciepła odpadowego, która dzieli się na trzy zakresy:

• niskotemperaturowe – dla temperatur ciepła odpadowego poniżej 100°C,
• średniotemperaturowe – dla temperatur pomiędzy 100 a 400°C,
• wysokotemperaturowe – dla temperatur powyżej 400°C.

Dla każdego zakresu temperatur możliwe jest zastosowanie systemu odzysku ciepła przez wykorzystanie właściwego urządzenia. W niektórych przypadkach ciepło odpadowe można podzielić według dodatkowych kryteriów temperaturowych.Biorąc pod uwagę ciepło odpadowe ze spalin, ze względu na temperatury można sklasyfikować je na zakresy:

• niskie – dla temperatur poniżej 230°C,
• średnie – dla temperatur pomiędzy 230 a 650°C,
• wysokie – dla temperatur powyżej 650°C.

Korzyści, jakie można uzyskać z wykorzystania energii odpadowej, to:

• oszczędność paliwa,
• obniżenie nakładów na transport,
• zmniejszenie nakładów na przetwarzanie paliw,
• ograniczenie emisji związków szkodliwych (efekt ekologiczny).

System ogrzewania promiennikami gazowymi

Wybór rozwiązania systemu ogrzewania dla każdego obiektu jest rozpatrywany indywidualnie z uwzględnieniem wielu czynników technologicznych, wymagań inwestora i możliwości projektowych, mających na celu uzyskanie optymalnych kosztów przedsięwzięcia oraz właściwych efektów cieplnych, a także zapewnieniebezpiecznej eksploatacji.Promienniki gazowe podczerwieni stanowią odpowiednie rozwiązanie do ogrzewania pomieszczeń wysokich i o dużej kubaturze. Montuje się je w halach produkcyjnych, logistycznych, sportowych, kościołach, hangarach, salonach wystawowych i obiektach produkcji rolniczej, a w USA również na pływalniach.

Dobrze sprawdzają się w budynkach o okresowym działaniu, zróżnicowanym przeznaczeniu lub o słabej izolacji cieplnej. Znajdują również zastosowanie na zewnątrz, mogą ogrzewać trybuny sportowe czy perony dworców, a także rozmrażać rampy załadunkowe.

Globalny raport z 2021 roku dotyczący rynku promienników rurowych wskazuje, że jest to branża, która silnie się rozwija. W ostatnich latach notuje się znaczny wzrost sprzedaży produktów, a okres pandemii nie zatrzymał inwestycji związanych z budową hal wielkopowierzchniowych. Przewiduje się, że obecne duże zapotrzebowanie na promienniki gazowe będzie się utrzymywać, a to sprzyja rozwojowi innowacyjnych technologii kondensacyjnych i odzysku ciepła odpadowego w celu zwiększenia efektywności cieplnej i ochrony środowiska naturalnego.

Ciepło odpadowe z promienników gazowych

Na rynku pojawiły się systemy odzysku ciepła ze spalin promienników gazowych (wykorzystujących wymienniki ciepła typu spaliny-woda, spaliny-powietrze i powietrze-powietrze), które zapewniają znaczne korzyści finansowe. Różnorodność dostępnych wymienników oraz mediów transportujących ciepło pozwala tworzyć systemy odzysku ciepła odpadowego dla każdego typu promiennika gazowego podczerwieni.

Temperatura spalin na wylocie z promiennika rurowego zależy od rodzaju i sprawności promiennika. Dla wysokosprawnych modeli (o sprawności radiacji ηR = 72%) temperatura spalin na wyjściu to niemal 200°C, zaś dla rozwiązań o niższej ηR (na poziomie 52–59%) wynosi ok. 350°C. Z kolei temperatura na powierzchni płyty ceramicznej promiennika jasnego może dochodzić nawet do 1200°C. Ponadto ekran ceramiczny promiennika o niższej sprawności nagrzewa się do wysokich temperatur i generuje ciepło przez konwekcję oraz promieniowanie.

Promienniki mogą być również wyposażone w modulowane palniki, sterowane w zależności od temperatury zewnętrznej bądź wewnętrznej, co zapewnia oszczędności w zużyciu gazu. Przy wyborze układu odzysku ciepła należy zatem wziąć pod uwagę,że dla rozwiązań o niższej sprawności radiacyjnej można uzyskać większy odzysk ciepła odpadowego, ale przy jednocześnie wyższym zużyciu gazu. Wskazane jest tutaj przeprowadzenie analizy ekonomicznej kosztów skumulowanych. Ponadto istotną kwestią jest wybór dostawcy gazu i taryfy. Opłaty w zależności od wybranej taryfy mogą różnić się nawet o 5,5%, co ze względu na dużą ilość zużywanego paliwa przekłada się na różnice w opłatach nawet o kilka tysięcy złotych rocznie.Układy odzysku ciepła można konstruować dla pojedynczego urządzenia (indywidualne) lub grupy (zbiorowe) urządzeń. Na rysunku pokazano schemat przedstawiający podział układów odzysku ciepła dla promienników gazowych z przykładowymi wymiennikami ciepła.

Układ odzysku z wymiennikiem spaliny-powietrze dla pojedynczego promiennika rurowego

W układach odzysku ciepła ze spalin, indywidualnych dla każdego promiennika rurowego, wymiennikami ciepła spaliny-powietrze są: stalowa rura w rurze lub trójpłaszczowa rura. Dochodzi w nich do schłodzenia spalin do temperatury punktu rosy (poniżej 57°C) i kondensacji pary wodnej przy przepływie przeciwprądowym powietrze-spaliny lub w przypadku trójpłaszczowego wymiennika – zachodzi omywanie przez powietrze pierścienia ze spalinami i dodatkowy jego przepływ wewnątrz pierścienia.

W ten sposób spaliny są schładzane przez powietrze stykające się z przewodem spalin z dwóch stron, które z kolei ogrzewa się przez omywanie stalowej rury ze spalinami. Ogrzane powietrze doprowadza się do strefy przebywania ludzi za pomocą wentylatora, montowanego najczęściej po zimnej stronie wymiennika. Jest to bezpośrednie ogrzewanie powietrza bez magazynowania energii.

Tego typu układ odzysku ciepła można zastosować dla promienników rurowych o mocy do 50 kW. Ograniczenie to wynika z dużych wymiarów urządzeń (powyżej 9 m długości) i bardzo wysokich oporów ciśnienia – palnik nadmuchowy nie jest w stanie pokonać strat ciśnienia powstałych przy przepływie spalin przez urządzenie i wymiennik ciepła. Wymiennik montuje się na przedłużeniu promiennika w linii prostej lub równolegle do promiennika przez połączenie z rurą U-kształtną. Równoległe umieszczenie promiennika i wymiennika ułatwia wykonanie rozwiązania odprowadzenia spalin przewodem koncentrycznym i doprowadzenia z zewnątrz powietrza do spalania.

Temperatura powietrza obiegowego przy przepływie przez wymiennik wzrasta o ok. 10–15 K, a odzysk ciepła szacuje się na poziomie 15–20%, przy czym będzie on większy w przypadku dostarczenia do wymiennika powietrza zewnętrznego o niższej temperaturze zamiast obiegowego z wnętrza hali. Istotne jest tu jednak zabezpieczenie układu w przypadku niskich temperatur zewnętrznych (np. poniżej 0°C), gdyż wówczas nie tylko będzie następowało wychłodzenie pomieszczenia, ale istnieje również ryzyko uszkodzenia wymiennika z powodu przemarzania. Można także opcjonalnie zamontować regulator prędkości powietrza napływowego do hali, którego praca będzie zależeć od nastaw temperatur wewnętrznych oraz warunków panujących na zewnątrz (dane zapewnia czujnik temperatury zewnętrznej o zakresie pomiarowym od –25 do 30°C). Jeżeli temperatura zewnętrzna jest niższa niż –20°C, obroty wentylatora ustawiane są na minimum (20%), a w przypadku gdy jest wyższa niż 2°C – na 100%. Pomiędzy tymi temperaturami prędkość wentylatora odpowiednio się zmienia.

Tego typu układ odzysku ma ograniczenia montażowe – zaleca się, by promiennik z układem odzysku był instalowany na odpowiedniej wysokości ze względu na zasięg strugi ogrzanego powietrza i moc promiennika. System ten nie będzie właściwym rozwiązaniem w halach z często otwieranym bramami. Jego zaletą jest za to możliwość wykonania instalacji odzysku dla nowo montowanych promienników, niezależnie od istniejącego już układu.

Układ odzysku z wymiennikiem spaliny-powietrze dla kilku promienników rurowych

Dla grupy promienników rurowych (zbiorowo) istnieje możliwość odzysku ciepła odpadowego przez odprowadzenie spalin instalacją izolowanych kanałów do rekuperacyjnego wymiennika ciepła spaliny-powietrze. Montaż wymiennika można wykonać na różne sposoby. Zamontowanie go przy zewnętrznej przegrodzie budowlanej zapewnia odzysk ciepła z usuwanego powietrza (spalin) i ogrzanie powietrza zewnętrznego dostarczanego do hali, które następnie kierowane jest do strefy przebywania ludzi. Rozwiązanie to wymaga budowy dodatkowej instalacji kanałów rozprowadzających powietrze w hali. Z kolei zastosowanie wymiennika ciepła wewnątrz hali, w przestrzeniach o niższych wysokościach, pozwala podgrzać powietrze w obszarach przebywania ludzi, w których zamontowanie promienników jest niemożliwe ze względu na bezpieczeństwo, a wykorzystanie dodatkowego systemu ogrzewania byłoby problematyczne i kosztowne. W tego typu układzie zbiorowym powietrze do wymiennika ciepła (podobnie jak w przypadku promiennika pojedynczego) doprowadzane jest z wnętrza hali (powietrze obiegowe) lub z zewnątrz.

Na przewodzie doprowadzającym montuje się dodatkowy wentylator. Schłodzone spaliny usuwane są kominem. Rozwiązanie to pozwala odzyskać do 15% energii odpadowej i może być stosowane dla grupy urządzeń o maksymalnej mocy do 225 kW. Minusem systemu jest konieczność użycia dodatkowych wentylatorów nawiewnych i wywiewnych oraz rozbudowanej instalacji kanałów. Instalacja tego typu powinna być montowana na etapie budowy układu grzewczego, ponieważ późniejsza ingerencja w system spalinowy byłaby bardzo trudna i kosztowna.

Układ odzysku z wymiennikiem spaliny-woda dla kilku promienników rurowych

W układzie odzysku ciepła ze spalin dla grupy promienników rurowych możliwe jest wykorzystanie rekuperacyjnego wymiennika ciepła typu spaliny-woda. Czynnikiem wymiany ciepła jest woda, która w tym układzie po podgrzaniu może być gromadzona w zbiorniku buforowym albo stanowić czynnik wymiany ciepła w ogrzewaczu pojemnościowym c.w.u.

W pierwszym przypadku następuje wstępne podgrzanie wody, a zgromadzoną w ten sposób energię można przeznaczyć do ogrzania pomieszczeń biurowych i socjalnych, co pozwoli zmniejszyć koszty c.o.

W drugim zbiornik buforowy zastępowany jest ogrzewaczem pojemnościowym c.w.u. z dwiema wężownicami,gdyż rozwiązanie takie wymaga zastosowania dodatkowego źródła ciepła do podgrzania c.w.u. poza sezonem grzewczym oraz w przypadku niedoboru energii ze źródła odpadowego.

Istnieje również możliwość dołączenia do układu odnawialnego źródła ciepła, np. kolektorów słonecznych, co wymaga kolejnej wężownicy w zbiorniku. Współpraca takiego rozwiązania była przedmiotem wielu analiz i wykazała, że źródło odpadowe stosowane podczas ogrzewania obiektu w zimie i źródło odnawialne podgrzewające wodę użytkową w lecie zapewniają duże oszczędności i pozwalają wykorzystać do 70% energii ze źródeł niekonwencjonalnych. Niemniej przewagą systemu odzysku energii odpadowej nad tą pozyskaną ze słońca jest dostawa i wykorzystanie ciepła w dni robocze podczas ogrzewania hali, bez konieczności magazynowania energii w dni wolne od pracy.

Temperatura wody gromadzonej w zbiorniku buforowym może dochodzić do 90°C. Przed jej przegrzaniem zabezpiecza by-pass na wymienniku, a w układzie montuje się zawór trójdrogowy, który chroni wymiennik przed kondensacją. Spaliny odprowadzane są kominem na zewnątrz budynku. Przykładowo maksymalna moc wymiennika wynosi 27 kW dla systemu grzewczego o mocy 180 kW. Należy zauważyć, że zastosowanie układu musi być poprzedzone analizą bilansu energii – popytu na energię do przygotowania c.w.u. i podaży energii odpadowej. Analizy energetyczne takich rozwiązań wykazały, że w celu zapewnienia opłacalności inwestycji, zapotrzebowanie na energię do przygotowania c.w.u. w halach musi być większe niż uzysk energii odpadowej. W porównaniu do omówionych wcześniej rozwiązań różnicą jest gromadzenie energii cieplnej i możliwość jej niejednoczesnego wykorzystania z pracą promienników oraz brak wpływu na ruch powietrza w hali.

Układ odzysku z wymiennikiem powietrze-powietrze dla kilku promienników ceramicznych

W przypadku ogrzewania gazowymi promiennikami ceramicznymi spaliny odprowadzane są do wnętrza hali i utrzymywane są pod stropem. Ciepło zgromadzone pod stropem jest nie tylko mieszaniną powietrza i spalin, ale także ciepłego powietrza odpadowego powstałego z procesów technologicznych prowadzonych w obiekcie, a także z oświetlenia i gorących maszyn.

System tego typu wykonuje się dla grupy promienników ceramicznych, odprowadza on instalacją izolowanych przewodów (za pomocą wentylatora) ciepłe powietrze z przestrzeni stropu do wymiennika powietrze-powietrze. Wymiennik montowany jest na ścianie zewnętrznej, aby umożliwić odprowadzenie powietrza odpadowego na zewnątrz i doprowadzenie powietrza zewnętrznego. Następuje wówczas odzysk ciepła z usuwanego powietrza i ogrzanie zewnętrznego, dostarczanego do hali. Podobnie jak dla wymiennika spaliny-powietrze podgrzane powietrze kierowane jest do strefy przebywania ludzi za pomocą dodatkowej instalacji kanałów rozprowadzających powietrze w hali. Jest to rozwiązanie ideowe, można je znaleźć w katalogach producentów, a jeden z nich podaje sprawność odzysku do 25%. System można zastosować w już istniejących halach bez konieczności zmiany układu grzewczego.

Podsumowanie

Systemy odzysku ciepła odpadowego z promienników gazowych zapewniają zwiększenie sprawności systemu grzewczego i zapewniają niższe koszty eksploatacyjne związane z mniejszym zużyciem paliwa na przygotowanie c.w.u., ogrzewanie hali lub pomieszczeń socjalnych. Dostępne rozwiązania umożliwiają również połączenie z instalacją wentylacyjną, doprowadzenie podgrzanego zewnętrznego powietrza do hali, integracje z systemem sterowania i zarządzania budynkiem.Inwestycja w układ do odzysku ciepła ze spalin z promienników gazowych jest stosunkowo kosztowna i może wynosić 35–70% nakładów finansowych na cały system ogrzewania hali. Aby sprawdzić opłacalność przedsięwzięcia, należy przeprowadzić dokładną analizę energetyczną i ekonomiczną w celu oceny wykorzystania energii odpadowej, która musi być zagospodarowana w jak największym stopniu.