KONCEPCJA WYKORZYSTANIA CIEPŁA ODPADOWEGO ZE SCHŁADZANIA MLEKA JAKO ALTERNATYWNEGO ŹRÓDŁA ENERGII DO OGRZEWANIA BUDYNKU

Transkrypt

1 KONCEPCJA WYKORZYSTANIA CIEPŁA ODPADOWEGO ZE SCHŁADZANIA MLEKA JAKO ALTERNATYWNEGO ŹRÓDŁA ENERGII DO OGRZEWANIA BUDYNKU Wprowadzenie. Wzrastające koszty pozyskiwania surowców energetycznych oraz zanieczyszczenie środowiska naturalnego stały się przyczyną rosnącego zainteresowania niekonwencjonalnymi źródłami energii, a także wykorzystaniem ciepła odpadowego (Kubski 1997). Ciepło odpadowe z procesu schładzania mleka stanowi istotne i cenne źródło energii cieplnej w bilansie energetycznym gospodarstw rolniczych, w których prowadzi się hodowlę bydła mlecznego. Na krajowym rynku od wielu już lat są dostępne systemy umożliwiające odzysk energii cieplnej odbieranej od chłodzonego mleka. Tak otrzymaną energię wykorzystuje się następnie do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), którą w zależności od jej ilości i potrzeb można wykorzystać do celów produkcyjnych w oborze i/lub w gospodarstwie domowym. O ile systemy do odzysku ciepła z mleka dla przygotowania c.w.u. są znane i wykorzystywane w polskim rolnictwie, to w żadnej dostępnej literaturze naukowej ani branżowej nie znaleziono szerszych informacji na temat wykorzystania ciepła odpadowego ze schładzania mleka do ogrzewania pomieszczeń. Jednakże od czasu do czasu w niektórych artykułach prasowych (np. Piechowska 2009) pojawiają się lakoniczne informacje o duńskiej wyspie Samsø, gdzie odbywa się wykorzystywanie tego rodzaju ciepła odpadowego na cele grzewcze. Dlatego autorzy artykułu zainspirowani tymi doniesieniami prasowymi opracowali własną koncepcję wykorzystania ciepła odpadowego z procesu schładzania mleka jako alternatywnego źródła energii do ogrzewania budynku mieszkalnego. Metodyka i obliczenia Ilość ciepła możliwą do pozyskania z procesu schładzania mleka od temperatury t 1 = 38 C do t 2 = 4 C obliczono wg przedstawionej poniżej metodyki. 1. Wyznaczono ciepło właściwe mleka c ml [J/(kg K)] z następującej zależności (Niesteruk 1996), która ma zastosowanie dla mleka z zakresu temperatur K: c ml = ,56 ln T, (1) gdzie: T temperatura mleka [K]. Stąd ciepło właściwe mleka o temperaturze 38 C (311 K) wynosi: (2)

2 c ml = ,56 ln 311 = 3943 J/(kg K) = 3,943 kj/(kg K) 2. Wyznaczono gęstość mleka ρ ml [kg/m 3 ] z zależności, która dla mleka o zawartości tłuszczu f < 0,1 i w zakresie temperatur 283 K < T < 343 K przyjmuje następującą postać (Niesteruk 1996): ρ ml = ,45 T 1,46 f T + 321,6 f (3) gdzie: T temperatura mleka [K], f zawartość tłuszczu w mleku ułamek wagowy. Dla mleka o temperaturze 38 C (311 K) i przyjętej zawartości tłuszczu na poziomie 4% (f = 0,04) gęstość wynosi: ρ ml = , ,46 0, ,6 0,04 = 1021 kg/m 3 (4) 3. Obliczono ilość ciepła Q 1d [kj] oddanego w procesie schładzania mleka udojonego od jednej krowy w ciągu doby. Q 1d = c ml m 1d t (5) gdzie: m 1d masa mleka udojonego od jednej krowy w ciągu doby, t różnica temperatur (t 1 t 2 ) [K]. Przyjmując, że jedna krowa produkuje w ciągu doby V 1d = 0,016 m 3 mleka, to masa mleka od jednej krowy w ciągu doby wyniesie: m 1d = V 1d ρ ml = 0, = 16,3 kg (6) A zatem: Q 1d = 3,943 16,3 34 = 2185 kj = 0,607 kwh (7) 4. Roczna ilość produkcji ciepła ze schładzania mleka od jednej krowy (Q 1r ) wynosi: Q 1r = Q 1d 365 = 221,5 kwh (8) Ilość ciepła potrzebną do ogrzewania danego budynku oblicza się na podstawie wskaźników sezonowego zapotrzebowania ciepła na 1 m 2 powierzchni w ciągu roku. Wskaźniki te przyjmują wartości od 15 kwh/(m 2 rok) dla domów pasywnych do nawet 350 kwh/(m 2 rok) dla budynków wybudowanych przed 1966 rokiem (Żurawski 2008). Do dalszych obliczeń przyjęto wartość wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło równą 140 kwh/(m 2 rok) dla budynków wybudowanych w latach Przyjęta za Żurawskim (2008) wartość wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło jest wartością średnią, co oznacza, że otrzymane dalej wyniki całkowitego rocznego zapotrzebowania na ciepło dla rozpatrywanego budynku trzeba traktować jako średnie roczne zapotrzebowanie na ciepło, a to z kolei oznacza, że obliczona ilość ciepła nie będzie w pełni pokrywać potrzeb grzewczych tego budynku w okresie zimowym oraz należy przypuszczać, że będzie stanowić nadwyżkę ciepła

3 w okresie letnim. W czasie zwiększonego zapotrzebowania na ciepło w miesiącach zimowych, niedobory ciepła z procesu schładzania mleka można pokryć stosując dodatkowe źródło ciepła, np. kocioł wodny c.o., co pokazano na rys Wyznaczona z zależności (8) wartość energii cieplnej pozyskanej ze schładzania mleka od jednej krowy w ciągu roku, równa 221,5 kwh, przy założonym wskaźniku zapotrzebowania ciepła na poziomie 140 kwh/(m 2 rok), pozwala na ogrzanie około 1,5 m 2 powierzchni budynku. Wobec tego należy obliczyć, jaka jest niezbędna ilość krów dla zabezpieczenia rocznych potrzeb cieplnych budynku. Do obliczeń wybrano budynek typowy dom jednorodzinny o powierzchni 130 m 2. Roczne zapotrzebowanie energii cieplnej (Z EC ) do ogrzania domu o powierzchni 130 m 2 wynosi: Z EC = 140 kwh/(m 2 rok) 130 m 2 = kwh/rok (9) Do tego należy założyć występowanie do 20% strat (Q s ) podczas transportu ciepła z obory do budynku. W związku z tym całkowite potrzeby grzewcze (CZ EC ) budynku o powierzchni 130 m 2 wyniosą: CZ EC = Z EC + Q s = kwh/rok + 20% = kwh/rok (10) A zatem niezbędną liczbę krów (Lk) do zabezpieczenia potrzeb cieplnych rozpatrywanego budynku obliczono następująco: Lk = CZ EC /Q 1r = 98,6 100 krów (11) Rachunek kosztów Do odbioru ciepła odpadowego ze schładzania mleka do ogrzewania budynku założono wykorzystanie pompy ciepła. Schemat tego rozwiązania przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Schemat instalacji dla wykorzystania ciepła odpadowego ze schładzania mleka do ogrzewania budynku.

4 Koszty inwestycyjne. Gospodarstwa rolne zajmujące się hodowlą bydła mlecznego są najczęściej standardowo wyposażone w urządzenia do udoju i schładzania/przechowywania mleka, jak i w instalacje c.o. i c.w.u. w budynkach mieszkalnych, gospodarskich i innych. Zatem analizując schemat na rys.1 łatwo zauważyć, że budując taki system należy ponieść nakłady finansowe na: pompę ciepła o mocy 15 kw ok zł, zbiornik akumulacyjny wody grzewczej o objętości 1300 litrów (10 litrów na każdy m 2 ogrzewanej powierzchni) ok zł, koszty instalacyjne ok zł. Kwoty te po zsumowaniu dają wynik zł. Koszty eksploatacyjne. Koszty te są związane przede wszystkim z opłatami za energię elektryczną do napędu pompy ciepła. Pompa ciepła pobiera 25% mocy oddawanej na wyjściu, a zatem dla pompy ciepła o mocy wyjściowej 15 kw, pobór mocy wyniesie 3,75 kw. Biorąc pod uwagę aktualną cenę 1 kwh energii elektrycznej dla taryfy podstawowej równą 0,5145 zł oraz czas schładzania mleka z jednego udoju równy około 3 godzinom, to koszt poniesiony na energię elektryczną w ciągu roku wyniesie w przybliżeniu: 3,75 kw 2 udoje/dobę 3 h 365 0,5145 zł/kwh = zł (12) W tabeli 1 zamieszczono zestawienie porównawcze przedstawionych wyżej kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych pompy ciepła z odpowiednimi kosztami, które należy ponieść na wyposażenie i eksploatację kotłowni olejowej. Dodatkowo, aby zwrócić uwagę na oszczędności płynące z zastosowania pompy ciepła do celów grzewczych, dokonano zestawienia kosztów eksploatacyjnych zsumowanych wraz z kosztami inwestycyjnymi przez 10 lat użytkowania, dla obu wymienionych systemów grzewczych (tab.2). Dla uproszczenia obliczeń przyjęto, że ceny energii elektrycznej i oleju opałowego pozostają na niezmienionym poziomie. Tab.1. Zestawienie porównawcze kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych pompy ciepła i kotłowni olejowej dla założonego budynku o powierzchni 130 m 2. Pompa ciepła pompa ciepła o mocy 15 kw ok zł, zbiornik akumulacyjny wody grzewczej o objętości 1300 litrów (10 litrów na każdy m 2 ogrzewanej powierzchni) ok zł, koszty instalacyjne ok zł. Łącznie koszty inwestycyjne: zł energia elektryczna rocznie ok zł KOSZTY INWESTYCYJNE Kotłownia olejowa kocioł olejowy ok zł, KOSZTY EKSPLOATACYJNE zbiorniki 4x1000 litrów wraz z instalacją ok zł. Łącznie koszty inwestycyjne: zł olej opałowy rocznie dla 130m 2 powierzchni ok zł

5 Tab.2. Zestawienie kosztów eksploatacyjnych zsumowanych wraz z kosztami inwestycyjnymi w ciągu 10-ciu lat użytkowania, dla porównywanych systemów grzewczych. Rok użytkowania Pompa ciepła Kotłownia olejowa Suma kosztów w kolejnych latach eksploatacji [zł] rok rok rok rok rok rok rok rok rok rok Z porównania kosztów przedstawionego w tabeli 1 wynika, że prawie trzykrotnie mniej pieniędzy trzeba wydać na zakup kotła olejowego wraz z wyposażeniem w stosunku do pompy ciepła, ale ponad dwukrotnie więcej w ciągu roku kosztuje eksploatacja kotłowni opalanej olejem opałowym. W perspektywie 10-letniego okresu użytkowania wyraźnie uwidaczniają się oszczędności płynące z zastosowania pompy ciepła, co pokazuje tabela 2. Widać tutaj, że przez pierwsze cztery lata suma kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych użytkowania pompy ciepła jest dwukrotnie wyższa niż suma kosztów użytkowania kotłowni olejowej. Jednak już w piątym roku suma kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych użytkowania pompy ciepła zrównuje się z sumą kosztów użytkowania kotłowni olejowej, a w kolejnych latach koszty ponoszone na pompę ciepła w stosunku do kotłowni na olej opałowy systematycznie maleją. Ponadto okres eksploatacji układu grzewczego musimy założyć dłuższy około 20 lat. W tym czasie należy przewidzieć możliwość wzrostu kosztów eksploatacyjnych o dodatkowe koszty serwisowe. Dlatego też system grzewczy z kotłem olejowym jest ekonomicznie uzasadnionym wyborem tylko w początkowych latach eksploatacji. Po 10-tym roku eksploatacji koszty serwisowe dla pompy ciepła wzrastają nieznacznie, natomiast wyraźnie wzrastają koszty serwisowe kotła olejowego. Ma to po części związek ze zużyciem urządzenia i jego żywotnością wynoszącą około 15 lat. Po przekroczeniu tego okresu wzrasta awaryjność układów olejowych. Nie oznacza to, że pompy ciepła charakteryzują się bezawaryjną pracą, jednak ze względu na zaawansowaną technologię oraz specyfikę pracy wyposażone są one zazwyczaj w podzespoły, urządzenia współpracujące oraz armaturę o długim okresie gwarancyjnym, co poniekąd ma również wpływ na wysoką cenę inwestycji (Sieniuc, Bonca 2005). Dodatkowym atutem pompy ciepła jest to, że wydatki na energię elektryczną ponosimy zwykle w ratach kilka razy do roku, dlatego obciążenie finansowe z tym związane nie jest

6 aż tak wielkie. Natomiast z uwagi na to, że przeważnie olej tankuje się dwa razy w ciągu roku, użytkownik zostaje przez to zmuszony do wydania jednorazowo znacznie większej kwoty na zabezpieczenie zapasów tego opału. Trzeba też pamiętać, że ceny oleju opałowego rosną w czasie sezonu grzewczego i żeby się ustrzec przed ponoszeniem dodatkowych kosztów, trzeba dopilnować, aby nie zabrakło paliwa właśnie w tym okresie. Podsumowanie Jak wynika z powyższych rozważań wykorzystanie ciepła odpadowego z procesu schładzania mleka na cele grzewcze ma szanse powodzenia. Należy jednak pamiętać, że na razie jest to jedynie koncepcja, której zadaniem jest zwrócenie uwagi na potencjalne możliwości wykorzystania mleka jako alternatywnego źródła ciepła i aby mogła ona zostać wdrożona, musi być jeszcze poddana dokładnej weryfikacji i ocenie specjalistów, a przede wszystkim musi zyskać zainteresowanie potencjalnych użytkowników producentów mleka. Bibliografia Kubski P Efektywność termodynamiczna stosowania sprężarkowych pomp grzejnych do zagospodarowania niskotemperaturowych zasobów energii odpadowej i odnawialnej. IV Konferencja Naukowo-Techniczna Mała energetyka-97, Zakopane. Niesteruk R Właściwości termofizyczne żywności cz.1. Wydawnictwa Politechniki Białostockiej. ISSN X Piechowska S Tu się rodzi mania Danii. Przekrój, 10 listopada Sieniuc J., Bonca Z Ocena techniczno-ekonomiczna stosowania pomp ciepła w systemach ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych cz.2. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, nr 10/2005, str Żurawski J Energooszczędność w budownictwie cz.2. Energochłonność budynków mieszkalnych. Izolacje, II/2008, str Artykuł opublikowany został w miesięczniku Czysta Energia nr 05/2010 Opracowanie mgr inż. Łukasz Przybylski Specjalista ds. Energii Warmińsko-Mazurska Agencja Energetyczna Sp. z o.o. w Olsztynie mgr inż. Tomasz Olkowski Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Koordynacja mgr inż. Andrzej Koniecko Prezes Warmińsko Mazurskiej Agencji Energetycznej Sp. z o.o. w Olsztynie