ZASTOSOWANIA W BUDYNKACH BIUROWYCH CHŁODZIAREK ABSORPCYJNYCH ZASILANYCH Z MIEJSKIEGO SYSTEMU CIEPŁOWNICZEGO Z AKUMULATOREM CIEPŁA W ŹRÓDLE

Transkrypt

1 ZASTOSOWANIA W BUDYNKACH BIUROWYCH CHŁODZIAREK ABSORPCYJNYCH ZASILANYCH Z MIEJSKIEGO SYSTEMU CIEPŁOWNICZEGO Z AKUMULATOREM CIEPŁA W ŹRÓDLE Autorzy: Ryszard Zwierzchowski, Marcin Malicki ("Rynek Energii" - nr 2/2014) Słowa kluczowe: system ciepłowniczy, produkcja ciepła i chłodu, chłodziarka absorpcyjna, akumulator ciepła Streszczenie. W artykule zaprezentowano zastosowanie na dużą skalę w budynkach biurowych chłodziarek absorpcyjnych zasilanych z miejskiej sieci ciepłowniczej z źródła wyposażonego w akumulator ciepła. Analizowano wpływ zainstalowania chłodziarek absorpcyjnych na poprawę efektywności energetycznej dostawy i produkcji ciepła w określonym miejskim systemie ciepłowniczym. Analizę przeprowadzono na bazie danych eksploatacyjnych z zespołu budynków biurowych oraz obliczeń zużycia ciepła przy uwzględnieniu modernizacji węzła cieplnego budynku na węzeł cieplno chłodniczy produkujący chłód przy pomocy chłodziarek absorpcyjnych. Zaprezentowano także przebiegi średnich dobowych i miesięcznych zapotrzebowań na ciepło do celów ogrzewania oraz produkcji chłodu do celów klimatyzacyjnych i ich wpływ na poprawę efektywności energetycznej miejskiej sieci ciepłowniczej z akumulatorem ciepła zainstalowanym w źródle. 1. WSTĘP W rozpowszechnionym układzie konwencjonalnym zapotrzebowanie na chłód jest pokrywane przy pomocy centralnie zainstalowanych sprężarkowych agregatów chłodniczych (S.A.C.) produkujących wodę lodową przesyłaną wewnętrzną instalacją hydrauliczną do odbiorników klimakonwektorów (potocznie nazywanych Fancoilami), bądź chłodnic w centralach wentylacyjnych [1]. W wypadku S.A.C. energią napędową potrzebną do wyprodukowania wody lodowej jest energia elektryczna medium którego cena w ciągu ostatnich lat znacząco rośnie [3], a dostępność, w szczególności w okresie letnim, staje się ograniczona. Prowadzi to do nieustannego wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną latem i eskalacji ceny wytworzenia chłodu dla użytkownika końcowego. Oba czynniki mają negatywny wpływ na koszty użytkowania obiektów wielkokubaturowych zlokalizowanych w dużych miastach. Jednocześnie w okresie letnim znaczącemu ograniczeniu ulega zapotrzebowanie na ciepło, dostarczane w większości aglomeracji miejskich, przy pomocy miejskiej sieci ciepłowniczej (m.s.c.) [6], co w połączeniu ze znacząco niższą dynamiką wzrostu ceny ciepła oraz preferencjami dla źródeł kogeneracyjnych (wytwarzających jednocześnie ciepło i energię elektryczną) definiuje duży potencjał wykorzystania m.s.c. w okresie letnim do zasilania chłodziarek absorpcyjnych. Miejskie sieci ciepłownicze projektowane są do pokrycia zapotrzebowania na ciepło dla odbiorców w warunkach najbardziej niekorzystnych tj. dla tzw. temperatury obliczeniowej w danym regionie. Oznacza to, że średnice rurociągów dobierane są dla występujących tylko

2 przez parę najzimniejszych tygodni w roku warunków eksploatacyjnych. Przez pozostały czas m.s.c. eksploatowana jest z mocą mniejszą od obliczeniowej. Sytuacja pogarsza się w miesiącach letnich, kiedy m.s.c. nie dostarcza ciepła na cele centralnego ogrzewania (c.o.), a głównie na potrzeby ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), prowadząc do eksploatacji sieci z mocą często dziesięciokrotnie niższą od nominalnej, a przez to do prawie dwukrotnego zwiększenia względnych strat dostawy ciepła [9]. Oznacza to, że znaczące zwiększenie zapotrzebowania na ciepło z m.s.c. w okresie letnim np. do zasilania chłodziarek absorpcyjnych, doprowadziłoby do wzrostu efektywności energetycznej poprzez ograniczenie strat przesyłu [2] oraz do obniżenia średniorocznej ceny ciepła [4]. 2. CHŁODZIARKI ABSORPCYJNE ZASILANE Z MIEJSKIEJ SIECI CIEPŁOWNICZEJ Analizowany schemat miejskiego sytemu ciepłowniczego (M.S.C.) z zainstalowanym w elektrociepłowni (EC) akumulatorem i dostarczającym ciepło zarówno odbiorcom ciepła H (c.w.u. i c.o.) jak i chłodu C, przedstawiono na rys. 1. Przykładowy przebieg zapotrzebowania na energię elektryczną do napędu agregatów sprężarkowych pracujących na potrzeby budynków biurowych w ciągu roku przedstawiono

3 na rys. 2. Jak widać z wykresu w miesiącach letnich, zaczynając od czerwca, a kończąc na wrześniu, występuje szczytowe zapotrzebowanie na chłód do celów klimatyzacyjnych osiągając maksimum w lipcu i minimum w lutym. Na rys. 3 przedstawiono przebieg zapotrzebowania na ciepło na potrzeby c.w.u. oraz centralnego ogrzewania dla rozpatrywanych budynków biurowych. Jednym z możliwych rozwiązań pojawiającego się w okresie letnim deficytu energii elektrycznej, dokuczliwego szczególnie w dużych miastach oraz niewielkiego zapotrzebowania na ciepło z m.s.c. latem, jest zastosowania absorpcyjnych agregatów chłodniczych (A.A.C.) [5]. W odróżnieniu od S.A.C. wykorzystujących do produkcji chłodu energię elektryczną, A.A.C. jako energię napędową wykorzystują gorącą wodę, która może pochodzić z m.s.c. Zastosowanie takiego rozwiązania umożliwia z jednej strony odciążenie w okresie letnim infrastruktury elektroenergetycznej, a z drugiej dociążenie infrastruktury ciepłowniczej, prowadząc do wzrostu efektywności energetycznej. 3. ZASADA DZIAŁANIA ABSORPCYJNYCH AGREGATÓW CHŁODNICZYCH Chłodziarka absorpcyjna wytwarza wodę lodową na potrzeby klimatyzacyjne dzięki krążeniu czynnika chłodniczego między absorberem (jest w nim pochłaniany), a desorberem (generatorem). Energią napędową dla urządzenia może być gorąca woda z miejskiej sieci

4 ciepłowniczej. Układ absorbera i desorbera odpowiada, porównując do agregatu konwencjonalnego, sprężarce elektrycznej, jednak z tą różnicą, że nie używa jako czynnika napędowego energii elektrycznej, tylko ciepła. Czynnikiem chłodniczym wykorzystywanym w agregacie bromolitowym jest woda, która tworząc mieszaninę z bromkiem litu nieszkodliwą solą, wykorzystywana jest jako czynnik roboczy układu chłodniczego. Stosowane dziś bromolitowe agregaty absorpcyjne praktycznie nie posiadają części ruchomych, dzięki czemu ich eksploatacja jest możliwa przez wiele lat wydłużając w stosunku do rozwiązań sprężarkowych cykl życia urządzenia. Na poniższym schemacie pokazano zasadę działania bromolitowego absorpcyjnego agregatu wody lodowej [8]. W chłodziarce zasilanej gorącą wodą, dzięki ciepłu podanemu do generatora (7) - warnika (zasilanie 4, powrót 5) z roztworu LiBr, przy bardzo niskim ciśnieniu, odparowuje czysta woda. Para wodna przez separator wędruje do skraplacza w którym dzięki oddaniu ciepła do wody chłodzącej ulega kondensacji (8), aby trafić w celu rozpylenia do parownika (9) i odebrania ciepła podczas wrzenia na powierzchni rurek z wody lodowej (zasilanie 1, powrót 2). Po odebraniu ciepła para wodna trafia przez separatory do absorbera gdzie jest pochłaniana przez rozpylany stężony roztwór bromku litu pochodzący z generatora. Ciepło absorpcji odprowadzone jest poprzez układ wody chłodzącej. Chłodziarka dodatkowo wyposażona jest w systemy zwiększające sprawność poprzez odzysk ciepła (6) oraz automatyczny system utrzymywania próżni (12) i zapobiegania krystalizacji (10).

5 4. ZAPOTRZEBOWANIE NA CIEPŁO DO PRODUKCJI CHŁODU DLA BUDYNKÓW BIUROWYCH Na poniższym rys. 5, zaprezentowano zapotrzebowanie na ciepło z m.s.c. do zasilania absorpcyjnych agregatów chłodniczych produkujących chłód do celów klimatyzacyjnych w budynkach biurowych oraz jego udział w całkowitym zapotrzebowaniu (uwzględniającym c.o. i c.w.u.) na ciepło budynku. Wykorzystanie m.s.c. do zasilania A.A.C. produkujących chłód na cele klimatyzacyjne budynków biurowych, niesie za sobą korzyści zarówno dla odbiorcy, dostawcy jak i producenta ciepła. Dla odbiorcy chłodu, wyraźnemu obniżeniu ulega zapotrzebowanie na energię elektryczną, a co za tym idzie w wypadku nowych budynków, ograniczenie nakładów inwestycyjnych na infrastrukturę elektroenergetyczną oraz wykorzystywanie w pełni proekologicznej technologii wytwarzania chłodu o prawie dwukrotnie dłuższym cyklu życia w stosunku do rozwiązania konwencjonalnego. Głównym źródłem zasilania staje się ciepło z m.s.c., co umożliwia większe roczne wykorzystanie węzła cieplnego w okresie letnim oraz infrastruktury elektroenergetycznej budynku. Z drugiej strony producent oraz dostawca ciepła ma możliwość: zwiększenia jego sprzedaży w deficytowym okresie letnim, ograniczenia strat przesyłu prowadzących do wzrostu efektywności energetycznej oraz zwiększenia skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Jak widać na rys. 5, zastosowanie A.A.C. zasilanych z m.s.c. doprowadziło do wykorzystania zamrożonych w okresie letnim mocy wytwórczych węzła cieplnego i wykorzystanie ich na potrzeby zasilania A.A.C. Kształt wykresu wskazuje na znaczące obniżenie rocznej zmienność zapotrzebowania na ciepło węzła cieplnego. Ograniczeniu ulega także zapotrzebowanie na energię elektryczną na potrzeby zasilania S.A.C., zbliżając zapotrzebowanie w okresie letnim do średniorocznego. Poza istotnym wpływem na strukturę rocznego zapotrzebowania na ciepło, instalacja A.A.C. zasilana z m.s.c. ma także wpływ na dobową strukturę zapotrzebowania na ciepło, a więc na pracę źródła wyposażonego w akumulator ciepła [7].

6 5. ANALIZA ZAPOTRZEBOWANIA NA CHŁÓD BUDYNKÓW BIUROWYCH Na rys. 6 zaprezentowano średnie godzinowe zapotrzebowanie na chłód dla budynku biurowego. W A.A.C. w zależności od dobowego zapotrzebowania na chłód zmianie będzie ulegało dobowe zapotrzebowanie na ciepło wraz z jego rozkładem. Istotne znaczenie ma spodziewany procentowy udział zapotrzebowania na ciepło dla poszczególnych godzin w ciągu dni tygodnia, wpływając korzystanie na przewidywanie pracy akumulatora ciepła zlokalizowanego w źródle. Na poniższych wykresach zaprezentowano udział godzinowego zapotrzebowania na chłód w ujęciu dobowym z podziałem na dni tygodnia, oraz przebieg średniorocznego godzinowego zapotrzebowania na chłód dla budynku biurowego. Istotną tendencją, z punktu widzenia algorytmu pracy akumulatora ciepła w źródle, bądź zasobnika wody lodowej w budynku, są stosunkowo stałe udziały godzinowego zapotrzebowania na chłód w stosunku do zapotrzebowania dobowego dla każdego z dni tygodnia. Opisywana tendencja w połączeniu ze spodziewanym dziennym przebiegiem zapotrzebowania na chłód przedstawionym na rys. 7, pozwala wnioskować, że opracowanie optymalnego algorytmu pracy akumulatora ciepła w trybie dobowym i tygodniowym jest możliwe. Zapotrzebowanie na chłód w budynkach biurowych występuje ze zmiennym natężeniem od godziny 7 do 21 ze szczytem, związanym w dużej mierze z operacją słoneczną od godziny 13 do 16. Po godzinie 16 możemy zauważyć systematyczne obniżanie zapotrzebowania, co jest związane głównie z opuszczaniem biur przez pracowników. Od godziny 22 do 6 rano zapotrzebowanie na chłód nie występuje, a więc także nie ma zapotrzebowania na ciepło z m.s.c.

7 Powyższa specyfika zapotrzebowania na chłód definiuje szereg możliwości prowadzących do optymalizacji pracy źródła ciepła dzięki przewidywaniu zapotrzebowania na ciepło i współpracy źródła i sieci z akumulatorem ciepła oraz zastosowania zbiorników buforowych wody lodowej przy źródle chłodu, które mogłyby być ładowane w momencie ograniczenia zapotrzebowania na chłód, tj. dla budynków biurowych od godziny 22 do 6 rano, potencjalnie zmniejszając wymaganą moc szczytową urządzeń. Zastosowanie tego rodzaju rozwiązań prowadzi do wymiernych oszczędności zarówno inwestycyjnych związanych z doborem wielkości urządzeń, jak i eksploatacyjnych. Na pracę akumulatora ciepła zlokalizowanego w źródle mają wpływ nie tylko godzinowe udziały zapotrzebowania na ciepło, ale także specyfika pracy miejskiej sieci ciepłowniczej w dni robocze (od poniedziałku do piątku) oraz w sobotę i niedzielę. W wypadku zastosowania A.A.C. możemy przyjąć, że różnice w udziale zapotrzebowania godzinowego w zapotrzebowaniu dobowym, w zależności od przyjętych przedziałów dni tygodnia (rys. 8), są na tyle niewielkie, że nie będą miały wpływu na specyfikę pracy akumulatora w dni robocze czy weekend.

8 6. PODSUMOWANIE Zastosowanie A.A.C. zasilanych z m.s.c. z akumulatorem ciepła w źródle do produkcji chłodu na cele klimatyzacyjne w budynkach biurowych, optymalizuje wykorzystanie węzła cieplnego i prowadzi do wzrostu efektywności energetycznej. Nowe uwarunkowania prawne związane z efektywnością energetyczną definiują możliwość wysoce opłacalnej implementacji technologii chłodniczej zasilanej z m.s.c. LITERATURA [1] Adnot J.: Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners (EECCAC). Final 2008 Raport. [2] Malicki M.: Chłodziarki na poprawę efektywności. Energetyka Cieplna i Zawodowa, 02/2013, str [3] Ministerstwo Gospodarki: Strategia Bezpieczeństwo Energetyczne i Środowisko Perspektywa 2020 r. Ministerstwo Gospodarki, [4] Obwieszczenie Ministra Gospodarki z dnia 21/12/2012 W sprawie szczegółowych przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej opublikowane z Monitorze Polskim Dzienniku Urzędowym RP, Warszawa, 11 stycznia [5] Pietrzyk Z., Skowroński P., Smyk A.: Możliwości dostarczania ciepła na potrzeby uzyskiwania chłodu na przykładzie doświadczeń warszawskich. Materiały z konferencji Ciepło skojarzone, komfort zimą i latem trójgeneracja, [6] Wojdyga K.: Prognozowanie zapotrzebowania na ciepło. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [7] Zwierzchowski R.: Zastosowanie akumulatorów ciepła w miejskich systemach ciepłowniczych szansą na zwiększenie efektywności i pewności zasilania odbiorców w ciepło i energię elektryczną. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo i Wentylacja, nr 2, tom 42/2011, str , [8] Zwierzchowski R., Malicki M.: Produkcja chłodu w miejskich systemach ciepłowniczych z akumulatorem ciepła. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo i Wentylacja, nr 12, tom 42/2011, str , 2011.

9 APPLICATION OF THE ABSORPTION CHILLERS IN OFFICE BUILDINGS SUPPLIED FROM THE DISTRICT HEATING SYSTEMS WITH THERMAL ENERGY STORAGE Key words: district heating system, absorption chillers, thermal energy storage Summary. The paper is concerned with the application on large scale of the absorption chillers (AAC), supplied with heat from the District Heating System (DHS) with the Thermal Energy Storage (TES). The absorption chill-ers transform heat and produce cool for office buildings air conditioning. The analysis was performed based on data from existing office buildings and calculation of thermal energy usage, taking into account the modernization of the office building thermal substation to thermal / cooling one - producing both, heating and cooling capacities. Heating capacity is utilized to produce domestic hot water (d.h.w.) and for central heating (c.h.), while cooling capacity for air conditioning (AC). Curves for daily and monthly average heat demand of the office buildings for heating and cooling purposes and their impact on the DHS with the TES installed in the Combined Heat and Power (CHP) plant were also presented. Ryszard Zwierzchowski, dr inż., adiunkt w Politechnice Warszawskiej, autor wielu prac z zakresu modernizacji M.S.C., a także elementów tych systemów takich jak źródła (ciepłownie i EC) i sieci ciepłownicze oraz problematyki akumulacji ciepła (główny projektant akumulatorów ciepła dla EC Siekierki, EC Kraków, EC Białystok i EC Bielsko Biała) i jakości wody sieciowej, a także efektywnej modernizacji obiegów hydraulicznych EC i ciepłowni. Marcin Malicki, mgr inż., doktorant w Politechnice Warszawskiej, Wydział Inżynierii Środowiska. Jego główne obszar zainteresowania to trigeneracja oraz produkcja chłodu przy użyciu agregatów absorpcyjnych i adsorpcyjnych.