WPŁYW ZASTOSOWANIA DWÓCH OBWODÓW GRZEWCZYCH O RÓŻNYCH TEMPERATURACH CZYNNIKA NA EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNĄ WYKORZYSTANIA PALIWA

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSIY OF E CNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No Electrical Engineering Robert WRÓBLEWSKI* WPŁYW ZASOSOWANIA DWÓC OBWODÓW GRZEWCZYC O RÓŻNYC EMPERAURAC CZYNNIKA NA EFEKYWNOŚĆ ENERGEYCZNĄ WYKORZYSANIA PALIWA W nowoczesnym budownictwie istnieje wiele instalacji wymagających zastosowania czynnika grzewczego o odowiedniej temeraturze. Odowiednią temeraturę czynnika uzyskuje się orzez zastosowanie termostatycznych zaworów mieszających wodę owrotną z zasilającą. W artykule rzeanalizowano wływ rozdziału obiegów grzewczych na wysoko i niskotemeraturowy, ozwalające na wykorzystanie cieła odadowego salin odstawowego urządzenia wytwórczego (kotła gazowego i agregatu kogeneracyjnego) na efektywność energetyczną wykorzystania aliwa. 1. WSĘP Instalacja zaoatrzenia w cieło jest jedną z najważniejszych instalacji w budynku. Od jej rawidłowego funkcjonowania zależy zaewnienie komfortu cielnego w czasie sezonu grzewczego. W naszej strefie klimatycznej jest to też instalacja najbardziej energochłonna. Źródłem zaoatrzenia budynków w cieło może być miejska sieć ciełownicza zasilana z ciełowni bądź elektrociełowni lub źródło indywidualne. Ze względu na rosnące ciągle ceny aliw oraz ograniczoność ich zasobów coraz większy nacisk kładzie się z jednej strony na zmniejszanie zaotrzebowania na cieło (termomodernizacja i budowanie nowych budynków energooszczędnych lub wręcz asywnych czy zero-energetycznych) z drugiej strony na efektywność wykorzystania aliwa czyli srawność urządzeń wytwórczych. Najbardziej efektywnymi kotłami są jednostki kondensacyjne, jednak są one znacznie droższe. Poza tym, aby mówić o ich wysokiej efektywności należy zaewnić temeraturę wody owrotnej na odowiednio niskim oziomie, co nie zawsze jest możliwe. W rzyadku konwencjonalnych kotłów wartość temeratury salin wylotowych może zawierać się w granicach 0 C C a nawet czasem więcej. ak wysoka temeratura salin jest rzyczyną straty wylotowej, która w największym stoniu rzyczynia się do obniżenia wartości srawności kotła. Aby wykorzystać cieło salin uchodzących do komina na kanale salinowym montuje się dodatkowy wymiennik zwany ekonomizerem. * Politechnika Poznańska.

2 1 Robert Wróblewski 2. ODZYSK CIEPŁA ZE SPALIN Im niższa temeratura salin wylotowych tym wyższa srawność kotła. W rzyadku kotłów konwencjonalnych należy amiętać tylko aby nie rzekroczyć temeratury unktu rosy, gdyż wówczas nastęuje wykralanie się ary wodnej zawartej w salinach. Wykralanie ary wodnej jest owodem korozji kotła i skrócenia jego żywotności. emeratura unktu rosy salin zależy od zastosowanego aliwa i zawartości w nim CO 2. Orientacyjne wartości temeratury unktu rosy salin wynoszą dla salin z: aliw stałych -0 C, oleju oałowego lekkiego 0-0 C, i gazu ziemnego 0-0 C. W kotłach kondensacyjnych lub z rzyłączonym członem kondensacyjnym wykorzystuje się cieło skralania ary wodnej i uzyskuje srawności rzekraczające 0% w stosunku do wartości oałowej aliwa. Uzysk cieła w zależności od temeratury salin wylotowych rzedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Ilość cieła uzyskana ze salin w wyniki obniżania ich temeratury w kolejnych rzedziałach t C Jak widać z owyższej zależności obniżenie temeratury salin o t C owoduje wzrost mocy grzewczej o 0,2 kw rzy założeniu, ze kocioł zużywa 0,00 m /s gazu ziemnego i wsółczynnik nadmiaru owietrza λ 1,0. Obniżanie temeratury salin wylotowych oniżej 0 C owoduje uzyskanie znacznie większych ilości cieła, gdyż oza ciełem wynikającym ze średniego cieła właściwego salin uzyskujemy znaczne ilości cieła wynikające z cieła skralania ary wodnej zawartej w salinach. Jak widać z tej zależności kondensacja ary wodnej zawartej w salinach może być źródłem dodatkowej energii. Wykorzystanie tej energii jest jednak ograniczone temeraturą wody owrotnej w instalacji, która zależy od rodzaju zasilanych odbiorników.

3 Wływ zastosowania dwóch obwodów grzewczych o różnych 1. RADYCYJNA INSALACJA GRZEWCZA yową instalację CO rzedstawiono na rysunku 2. Źródłem wytwórczym jest tutaj kocioł gazowy o arametrach czynnika grzewczego 0/0 C. Zabezieczenie kotła rzed zbyt niską temeraturą owrotu realizuje ujęcie wody gorącej (). Jako odbiory cieła rzewidziano: grzejniki naścienne o łącznej mocy kw, zasobnik ciełej wody użytkowej (CWU) o średniej mocy 2 kw, ogrzewanie odłogowe o mocy kw. Parametry czynnika w instalacji grzejnikowej to 0/ C realizowane orzez zawór mieszający, a w instalacji ogrzewania odłogowego 0/ C realizowane orzez zawór mieszający. Najwyższe arametry czynnika grzewczego wymagane są w rzyadku zasilania zasobnika ciełej wody użytkowej z owodu okresowego zwalczania bakterii legionella. Mimo iż jest to jedna instalacja to odbiory nie są zasilane czynnikiem grzewczym o jednakowych arametrach. Srawność źródła wytwórczego jakim jest w tym rzyadku kocioł, wyznaczona dzięki zamodelowaniu układu w rogramie Cycle-emo, wynosi 1,%. Pressure [bar] emerature [ C] h Enthaly [kj/kg] Φ m Mass flow [kg/s] Φ eat outut [kw] Low end tem. diff. [K] igh end tem. diff. [K] Φ,trans ransmitted heat flow [kw] K 12.2 K Φ,trans 2 kw. 0.1 Φ kw K.00 K Φ,trans 0.2 kw 0.00 K 2.01 K Φ,trans kw Φ Φ kw Ogrzew anie odłogow e Kocioł Rys. 2. Schemat układu instalacji CO Na rysunku rzedstawiono modyfikację układu z rys 2 olegającą na zastosowaniu kotła kondensacyjnego. Srawność urządzenia wytwórczego wynosi w tym rzyadku 0,%. Wartość srawności owyżej 0% wynika z owszechnie rzyjętej definicji srawności kotłów, w której jako oziom odniesienia bierze się wartość oałową a nie cieło salania aliwa uwzgledniające cieło zawarte w skrolonej arze wodnej zawartej w salinach. Stosunkowo wysoka temeratura czynnika owrotnego nie ozwala na ełny efekt zastosowania kondensacji ary wodnej zawartej w salinach i uzyskanie jeszcze wyższych srawności wykorzystania aliwa.

4 1 Robert Wróblewski Zdaniem autora niniejszego artykułu można wykorzystać to iż odbiory racują na różnych oziomach temeratury czynnika grzewczego i odzielić je na dwie gruy: odbiory o wysokiej temeraturze czynnika grzewczego: - grzejniki konwekcyjne, - zasobnik CWU, - it. odbiory o niskiej temeraturze czynnika grzewczego: - ogrzewanie odłogowe, - wstęny odgrzew wody dla CWU, - odgrzewanie wody w basenach, - odgrzewanie odjazdów, chodników i schodów (usuwanie śniegu i zalodzenia, - instalacja rzeciwoblodzeniowa rynien i rur sustowych, - it. Pressure [bar] emerature [ C] h Enthaly [kj/kg] Φ m Mass flow [kg/s] Φ eat outut [kw] Low end tem. diff. [K] igh end tem. diff. [K] Φ,trans ransmitted heat flow [kw] K 12.2 K Φ,trans 2 kw. 0.1 Φ kw K.00 K Φ,trans 0.2 kw 0.00 K 2.01 K Φ,trans kw Φ Φ kw Kocioł Rys.. Schemat układu instalacji CO z kotłem kondensacyjnym Ogrzew anie odłogow e W rzyadku tej drugiej gruy niską temeraturę owrotu czynnika grzewczego można wykorzystać w członach kondensacyjnych rzyłączanych do kotła energetycznego w których nastąi skralanie ary wodnej zawartej w salinach i odzyskiwanie cieła skralania. Zabieg ten owinien sowodować zwiększenie srawności układu.. INSALACJA GRZEWCZA Z DWOMA OBWODAMI GRZEWCZYMI O RÓŻNYC EMPERAURAC CZYNNIKA GRZEWCZEGO Na rysunku rzedstawiono zmodyfikowaną instalację grzewczą. Poziom mocy odbiorów jak i temeratury ich zasilania i owrotu zostały bez zmian. Podgrzew wody w zasobniku ciełej wody użytkowej rozdzielono na dwa etay:

5 Wływ zastosowania dwóch obwodów grzewczych o różnych 1 wstęny odgrzew do C czynnikiem grzewczym o niskiej temeraturze, dogrzanie do właściwej temeratury (0 C) czynnikiem grzewczym o wysokiej temeraturze. Ponadto czynnik o wysokiej temeraturze jest wykorzystywany do zasilania grzejników a o niskiej do ogrzewania odłogowego. Niska temeratura wody owrotnej ozwala na znaczne rzechłodzenie salin i skrolenie zawartej w nich ary wodnej w wymienniku oznaczonym ECO. Φ.00 kw ECO K 0.00 K Φ,trans.2 kw 0.00 K 12.2 K Φ,trans 2. kw Pressure [bar] emerature [ C] h Enthaly [kj/kg] Φ m Mass flow [kg/s] Φ eat outut [kw] Low end tem. diff. [K] igh end tem. diff. [K] Φ,trans ransmitted heat flow [kw].00 K.00 K Φ,trans 0.2 kw K 0. K Φ,trans kw Φ Φ 2.00 kw Kocioł 2 Rys.. Schemat układu instalacji CO z rozdzielonymi Ogrzewanie odłogow e Wymiennik ten musi być wykonany, ze secjalnego gatunku stali odornego na agresywne związki zawarte w skrolinach. Ilość cieła wytworzona w wymienniku ECO nie jest wystarczająca dla zaewnienia okrycia otrzeb wstęnego odgrzewu wody i ogrzewania odłogowego, dlatego na schemacie rzewidziano ujęcie części czynnika z nitki owrotnej obiegu wysokotemeraturowego (1). Srawność wykorzystania energii chemicznej aliwa w tym rzyadku jest bardzo wysoka i wynosi,2% i jest wyższa o ok. 1,.. od srawności w układzie rzedstawionym na rysunku 1.. UKŁADY Z CZŁONEM KOGENERACYJNYM Na rysunku rzedstawiono schemat obiegu w którym zastosowano mikroukład kogeneracyjny ORC zasilany z kotła czynnikiem o temeraturze C. Jako czynnik roboczy w obiegu ORC zastosowano czynnik chłodniczy R2fa. Dolnym źródłem obiegu ORC jest wydzielona część niskotemeraturowa instalacji. Obieg ORC racując na małej różnicy temeratur osiąga ok % srawności wytwarzania energii elektrycznej rzy srawności wykorzystana aliwa dla całego układu na oziomie %.

6 1 Robert Wróblewski Pressure [bar] emerature [ C] h Enthaly [kj/kg] Φ m Mass flow [kg/s] P el Electrical Pow er [kw] P Power [kw] P m Mechanical Pow er [kw] Φ eat outut [kw] η m,e Mechanical*Electrical eff. [%] η i Isentroic efficiency [%].00 K 2.2 K Φ,trans.12 kw.00. P m 2.2 kw η i % Kocioł P -0. kw η i 0 % η m,el 0 % K.1 K 2 Φ,trans 1. kw (X) K.00 K Φ,trans.00 kw P el (X) η m,e % Φ 1 2. kw 0.00 kw K.00 K Φ,trans 0.00 kw K 0.00 K Φ,trans 1.2 kw Φ Φ kw Ogrzewanie odłogowe Rys.. Schemat układu instalacji z układem kogeneracyjnym ORC zasilanym z kotła CO Φ,trans 1. kw Silnik tłokow y Pressure [bar] λ 1.00 Φ,reac -0.0 kw 2 0 emerature [ C] h Enthaly [kj/kg] Φ m Mass flow [kg/s] P el. kw Φ 0.00 kw P el Electrical Pow er [kw] P Pow er [kw] P m Mechanical Pow er [kw] λ Airfactor [-] Φ eat outut [kw] Low end tem. diff. [K] igh end tem. diff. [K] Φ,trans ransmitted heat flow [kw] η m,e Mechanical*Electrical eff. [%] η i Isentroic efficiency [%] Φ,reac Reaction heat [kw] K. K Φ,trans 1. kw P el.0 kw η m,e % Φ P -0. kw η i 0 % η m,el 0 % P m η i %. kw.00 K.0 K Φ,trans 2.2 kw Φ kw Ogrzew anie odłogow e 2 Rys.. Schemat układu instalacji CO w której źródłem kogeneracyjnym jest silnik salinowy zintegrowany z ORC

7 Wływ zastosowania dwóch obwodów grzewczych o różnych 1 Na kolejnym schemacie (rysunek ) odstawowym źródłem cieła jest agregat kogeneracyjny oarty na silniku tłokowym zasilanym gazem ziemnym. Część wysokotemeraturowa instalacji CO jest zasilana ciełem z wymiennika cieczy chłodzącej łaszcz silnika i wymiennika chłodzącego olej. Saliny z agregatu kogeneracyjnego są górnym źródłem cieła dla zintegrowanego z układem obiegu ORC. Dolnym źródłem cieła dla tego obiegu jest tak jak orzednio część niskotemeraturowa instalacji CO. Dzięki wyższej temeraturze górnego źródła udało się uzyskać większą efektywność obiegu ORC i srawność wytwarzania energii elektrycznej dla takiego układu wynosi ok 0%. Srawność wykorzystania aliwa w tym rzyadku jest również wysoka i wynosi ok 0%. Ze względu na wyższą temeraturę górnego źródła w tym rzyadku jako czynnik roboczy w obiegu ORC zastosowano toluen.. PODSUMOWANIE W rozdziale ierwszym okazano jak ważne z unktu widzenia efektywności wykorzystania aliwa jest wartość temeratury salin ouszczających kocioł. Pokazano również jaki efekt energetyczny uzyskujemy w wyniku skrolenia ary wodnej zawartej w salinach. W kolejnych rozdziałach rzedstawiono schematy technologiczne konwencjonalnej instalacji CO oraz instalacji o rozdzielonych obwodach czynnika wysokotemeraturowego i niskotemeraturowego. Wszystkie układy zamodelowano w Programie Cycle-emo i wyznaczono ich srawności: wytwarzania energii elektrycznej (ηel), wytwarzania cieła (ηel), oraz energetyczną (ηec) (elektrociełowni, wykorzystania aliwa). Wyniki rzedstawiono w ostaci wykresu rzedstawionego na rysunku. Zastosowanie układu z rozdzielonymi obiegami czynników grzewczych (rys. ) owoduje uzyskanie największej wartości srawności wykorzystania aliwa. ego tyu rozwiązania w układach kogeneracyjnych z obiegiem ORC ozwalają na uzyskanie większej różnicy temeratur między źródłami górnym i dolnym w efekcie czego większa jest srawność samego obiegu ORC, co owoduje odniesienie zarówno srawności wytwarzania energii elektrycznej jak i energetycznej całego układu. Ze względu na dużą różnorodność źródeł wytwórczych rzedstawiono kilka wybranych rozwiązań. Analiza konkretnego rzyadku instalacji CO owinna rozocząć się bilansu energetycznego z uwzględnieniem odziału odbiorów cieła na wysoko i niskotemeraturowe. W nastęnym kroku należy rzeanalizować możliwości zastosowania różnych źródeł wytwórczych od kątem jak najwyższej efektywności energetycznej wykorzystania aliwa. Wymaga to jednak dużej wiedzy inżynierskiej i doświadczenia w budowie tego tyu układów.

8 10 Robert Wróblewski Rys.. Wyniki analizy energetycznej układów z oszczególnych rysunków: srawność wytwarzania energii elektrycznej - ηel, srawność wytwarzania cieła - ηel, srawność energetyczna - ηec. LIERAURA [1] Chudzicki J., Instalacje ciełej wody w budynkach, Fundacja oszanowania energii, SORUS Wydawnictwo i drukarnia, Warszawa- Poznan 0. [2] Koczyk., Antoniewicz B., Nowoczesne wyosażenie domu jednorodzinnego Instalacje sanitarne i grzewcze, PWRiL Poznań 1r. [] Skorek Janusz, Kalina Jacek: Gazowe układy kogeneracyjne, WN, Warszawa 0. [] Cycle-emo.0 manual. U Delft. INFLUENCE OF APPLICAION OF WO EAING CIRCUIS WI DIFFEREN EMPERAURES OF EAING MEDIUM ON ENERGY EFFECIVENESS OF FUEL USE In a modern building there are many installation requiring heating agent of a suitable temerature. he temerature of the heating agent is obtained by alying the thermostatic valve mixing back water with hot water. he article shows the influence of dividing of heating circuits on high and low temerature arts, allowing to use waste heat of basic manufacturing equiment (gas boiler and cogeneration unit), on energy-efficient use of fuel.