Modelowanie systemów wykorzystywania energii cieplnej do wytwarzania chłodu w procesie adsorpcji

Transkrypt

1 AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ I ROBOTYKI Katedra Systemów Wytwarzania Modelowanie systemów wykorzystywania energii cieplnej do wytwarzania chłodu w procesie adsorpcji Rozprawa doktorska mgr inż. Emil STAŃCZYK Promotor: dr hab. inż. Bolesław Karwat, prof. AGH Kraków, 16

2 Składam serdeczne podziękowania Panu profesorowi Bolesławowi Karwatowi za wielką życzliwość, cenne uwagi oraz okazaną pomoc podczas realizacji pracy. 2

3 Spis treści: Streszczenie...5 Summary...6 Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń Wstęp Cel pracy Teza pracy Przegląd literatury z zakresu tematu pracy...15 Systemy ciepłownicze w Polsce Charakterystyka rynku ciepła sieciowego w Polsce Analiza pracy systemu ciepłowniczego miasta Krakowa System wykorzystania energii cieplnej do wytwarzania chłodu w procesie adsorpcji Zasada działania i budowa agregatów absorpcyjnych Zasada działania i budowa agregatów adsorpcyjnych...34 Analiza pracy instalacji badawczej wykorzystania energii cieplnej do wytwarzania chłodu w procesie adsorpcji Opis instalacji badawczej Charakterystyka pracy adsorpcyjnego urządzenia chłodniczego...51 Badania instalacji doświadczalnej wykorzystania ciepła sieciowego do wytwarzania chłodu Wyniki badań dla temperatury wody w obiegu zasilania agregatu Wyniki badań dla temperatury wody w obiegu zasilania agregatu Wyniki badań dla temperatury wody w obiegu zasilania agregatu Wyniki badań dla temperatury wody w obiegu zasilania agregatu Wyniki badań dla temperatury wody w obiegu zasilania agregatu Wyniki badań dla temperatury wody w obiegu zasilania agregatu Wyniki badań dla temperatury wody w obiegu zasilania agregatu Wnioski z przeprowadzonych badań Optymalizacja parametryczna systemu wytwarzania chłodu z ciepła sieciowego Wprowadzenie do zagadnień optymalizacji

4 6.2. Sformułowanie zadania optymalizacji parametrycznej Optymalizacja parametryczna dla temperatury wody zasilającej agregat Optymalizacja parametryczna dla temperatury wody zasilającej agregat Optymalizacja parametryczna dla temperatury wody zasilającej agregat Optymalizacja parametryczna dla temperatury wody zasilającej agregat Optymalizacja parametryczna dla temperatury wody zasilającej agregat Optymalizacja parametryczna dla temperatury wody zasilającej agregat Optymalizacja parametryczna dla temperatury wody zasilającej agregat Podsumowanie z przeprowadzonej optymalizacji Analiza skutków ekonomicznych i ekologicznych wytwarzania chłodu z ciepła sieciowego w procesie adsorpcji Podsumowanie Bibliografia

5 Streszczenie W celu zapewnienia dogodnych warunków do pracy i funkcjonowania człowieka, coraz większym zainteresowaniem cieszą się systemy klimatyzacji. Dotyczy to zarówno zakładów pracy, biur, centrów handlowych, jednostek użyteczności publicznej, jak również coraz częściej strefy domów i mieszkań prywatnych. W wielu gałęziach przemysłu klimatyzacja gwarantuje utrzymanie optymalnych warunków dla prowadzenia określonych procesów technologicznych. Śledząc obecne zainteresowanie systemów klimatyzacji w Polsce na tle krajów rozwiniętych można z dużym prawdopodobieństwem przyjąć, że rynek ten będzie dalej rozwijał się, a liczba instalacji klimatyzacyjnych będzie rosła. Obecne instalacje klimatyzacyjne bazują na agregatach sprężarkowych, tzw. agregatach wody lodowej, których źródłem energii, koniecznej do wytworzenia chłodu, jest energia elektryczna. Coraz częstsze problemy energetyczne związane z przeciążeniem sieci elektrycznych oraz trudnością w odprowadzeniu ciepła z bloków energetycznych w okresie letnim są przyczyną wprowadzania określonego stopnia zasilania. Oznacza to ograniczenie w dostarczaniu i poborze energii elektrycznej w szczególności przez dużych odbiorców. W wielu rejonach w Polsce, w tym również w Krakowie energia elektryczna powstaje w procesie kogeneracji, czyli wspólnie w skojarzeniu z energią cieplną. Problemem limitującym możliwość produkcji energii elektrycznej w kogeneracji, szczególnie w okresie letnim, jest ograniczenie zapotrzebowania na energię cieplną. Ograniczenie zapotrzebowania na ciepło w okresie pozagrzewczym skutkuje niedociążeniem sieci ciepłowniczych i wpływa na pogorszenie całorocznego bilansu energetycznego przedsiębiorstw ciepłowniczych. Uruchomienie nowego źródła energii cieplnej w Krakowie w postaci Zakładu Termicznego Przekształcania Odpadów spowoduje dalsze zwiększenie strat przesyłowych ciepła sieciowego. Rozwiązanie powyższych problemów jest możliwe poprzez zagospodarowanie nadwyżek ciepła i wykorzystania go do zasilania adsorpcyjnych chłodziarek. Wiele prac wykonanych w ostatnich latach dotyczyło zastosowania chłodziarek absorpcyjnych, których działanie wymaga podniesienia temperatury wody w sieci ciepłowniczej w okresie letnim. Takie rozwiązanie powoduje jednak zwiększenie strat przesyłowych ciepła sieciowego. W dostępnej literaturze brakuje badań wpływu różnych parametrów na sprawność, a co za tym idzie również efektywność ekonomiczną chłodnic adsorpcyjnych. Zadaniem niniejszej pracy jest wypełnić istniejącą lukę. W pracy wykonano badania eksperymentalne wykorzystania energii cieplnej do wytwarzania wody lodowej na potrzeby klimatyzacji z zastosowaniem procesu adsorpcji. Badania przeprowadzono na specjalnie do tego celu zaprojektowanej i wybudowanej instalacji badawczej. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wpływu wybranych parametrów na sprawność oraz moc chłodniczą agregatu adsorpcyjnego dokonano optymalizacji parametrycznej systemu wytwarzania chłodu. Uzyskane wyniki pozwoliły na dokonanie analizy skutków ekonomicznych i ekologicznych technologii adsorpcyjnego wytwarzania chłodu z ciepła sieciowego. 5

6 Summary In order to ensure favourable conditions for work and human functioning, air conditioning systems are becoming increasingly popular. This applies to factories, offices, shopping centres, public administration entities, as well as more and more often to residential premises: houses and private apartments. In many industries, air conditioning ensures maintenance of optimal conditions for specific technological processes. Following the current interest in air conditioning systems in Poland compared to developed countries we can likely assume that the market will continue to develop and the number of air-conditioning systems will grow. Current air-conditioning systems are based on the compressor unit, the so-called chilled-water systems in which electricity is the source of energy required to produce cold. The growing energy problems related to overloaded power networks and the difficulty in removal of heat from power plants during the summer period result in power rationing levels being set. This means reducing the supply and consumption of electricity, particularly by large customers. In many areas in Poland, including Krakow, electricity is produced using the co-generation process, i.e. in combination with heat. The problem limiting the possibility of production of electricity using co-generation, especially during the summer, is a reduced demand for heat. The reduced demand for heat outside the heating season results in underloaded heating networks and has an adverse impact on the annual energy balance of heating distribution companies. The launch of a new source of heat in Krakow in the form of waste incineration plant will further increase the losses among the existing sources. Solving the above problems is possible by utilising the surplus heat to power adsorption chillers. Much of the work done in recent years has related to the use of absorption chillers, the operation of which requires raising the temperature in the district heating network in the summer. Such a solution, however, causes an increase in transmission losses in the heating network. The available literature lacks studies on the effects of various parameters on the efficiency and thus also the economic feasibility of adsorption chillers. The purpose of this study is to fill this gap. The study included experimental application of heat to the production of chilled water for the purpose of air conditioning utilising the adsorption process. The study was conducted using a specially designed and built research station. Parametric optimisation of a cooling system has been performed on the basis of the measurement of the impact of selected parameters on the efficiency and cooling capacity of the adsorption chiller. The results allowed an analysis of the economic and ecological effects of using the adsorption technology to produce cold from network heat. 6

7 Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń: C wartość sygnału napięciowego sterującego pracą agregatu w VDC, cc cena ciepła w zł/gj, CHP (Combined Heat and Power) kogeneracja, c.o. centralne ogrzewanie, COP (Coefficient of Performance) współczynnik wydajności chłodniczej, c.t. ciepło technologiczne, c.w.u. ciepła woda użytkowa, cz cena za zamówioną moc cieplną w zł/mw/rok, E wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania na ciepło w kwh/m2 rok, EER (Energy Efficiency Rating) ilość energii elektrycznej do wytworzenia jednostki chłodu, EERad średnia ilość energii elektrycznej do wytworzenia jednostki chłodu dla klimatyzacji adsorpcyjnej, EERsp średnia ilość energii elektrycznej do wytworzenia jednostki chłodu dla klimatyzacji sprężarkowej, F1 funkcja celu, sprawność wytwarzania chłodu w agregacie adsorpcyjnym, F2 funkcja celu, moc chłodnicza agregatu adsorpcyjnego w kw, Ke łączne koszty eksploatacyjne w zł, Kc koszt zakupu ciepła w zł, Kel koszt zakupu energii elektrycznej w zł, Kw koszt wytwarzania ciepła w zł, Kp koszt przesyłu ciepła w zł, m.s.c. miejskie sieci ciepłownicze, os stawka opłaty stałej za usługi przesyłowe w zł/mw/rok, oz stawka opłaty zmiennej za usługi przesyłowe w zł/gj, P3 wytwarzana moc chłodnicza agregatu w kw, Ech wytworzona energia chłodnicza w kwh, Eel zużyta energia elektryczna w kwh, Pp ciśnienie parowania w Pa, Ps ciśnienia skraplania w Pa, Q2 ilości energii cieplnej dostarczonej do agregatu w GJ, Q3 ilość energii chłodniczej wytworzonej przez agregat adsorpcyjny w GJ, Qa ciepło wydzielone w procesie izobarycznej adsorpcji w GJ, Qc ciepło chłodzenia w GJ, Qd ciepło desorpcji, konieczne do regeneracji złoża w GJ, Qo ciepło ogrzewania, dostarczone np. z miejskiej sieci ciepłowniczej w GJ, 7

8 Qp ciepło parowania, odebrane z pomieszczenia chłodzonego w GJ, Qw moc węzła w MW, R2 współczynnik determinacji, TT1 temperatura na zewnątrz budynku w, TT2 temperatura wody w sieci ciepłowniczej na zasilaniu instalacji badawczej w, TT3 temperatura wody w sieci ciepłowniczej na powrocie z instalacji badawczej w, TT4 temperatura wody zasilającej agregat adsorpcyjny w, TT5 temperatura wody na wyjściu z agregatu adsorpcyjnego w, TT6 temperatura wody lodowej na wyjściu z agregatu adsorpcyjnego w, TT7 temperatura wody lodowej na zasilaniu agregatu adsorpcyjnego w, TT8 temperatura wody w obiegu odprowadzenia ciepła na wyjściu z agregatu adsorpcyjnego w, TT9 temperatura wody w obiegu odprowadzenie ciepła na zasilaniu chłodnicy w, TT temperatura wody w obiegu odprowadzenia ciepła na powrocie z chłodnicy w, TT11 temperatura wody w obiegu odprowadzenia ciepła na zasilaniu agregatu adsorpcyjnego w, TT11min, TT11max minimalna i maksymalna temperatura wody w obiegu, odprowadzenia ciepła na zasilaniu agregatu adsorpcyjnego w, TT12 temperatura w pomieszczeniu klimatyzowanym w, V2 natężenie przepływu wody w obiegu doprowadzenia ciepła do agregatu w m3/h, V3 natężenie przepływu wody lodowej w m3/h, V4 natężenie przepływu wody w obiegu odprowadzenia ciepła z agregatu w m3/h, Wkr wartość krytyczna testu Shapiro-Wilka, Wl zużycie energii cieplnej w GJ, x1 zmienna decyzyjna w postaci temperatury wody zasilającej agregat adsorpcyjny w, x2 zmienna decyzyjna w postaci temperatury wody lodowej na wyjściu z agregatu adsorpcyjnego w, x3 zmienna decyzyjna w postaci temperatury wody w obiegu odprowadzenia ciepła na zasilaniu agregatu w, α poziom istotności, σ odchylenie standardowe. 8

9 Umiejętności dopotąd są jeszcze próżnym wynalazkiem, może czczym tylko rozumu wywodem, albo próżniactwa zabawą, dopokąd nie są zastosowane do użytku narodów. I uczeni potąd nie odpowiadają swemu powołaniu, swemu w towarzystwach ludzkich przeznaczeniu, dopokąd ich umiejętności nie nadaje fabrykom i rękodziełom oświecenia, ułatwienia kierunku postępu. Stanisław Staszic 1. Wstęp Konsumpcyjny styl życia w dziewiętnastym, a szczególnie dwudziestym wieku, przyczynił się do wielu problemów ekologicznych i środowiskowych. Dynamiczny rozwój gospodarek niósł za sobą ogromne zużycie energii, co skutkowało znaczącym wzrostem spalania różnego typu paliw kopalnych, w tym głównie węgla kamiennego i brunatnego. Działania podejmowane w ostatnich latach, szczególnie przez Unię Europejską oraz ostatnie decyzje Światowego Szczytu Klimatycznego COP21, który odbył się w Paryżu w 15 roku, powinny w kolejnych dziesięcioleciach przyczynić się do ograniczenia zużycia energii, zasobów naturalnych przy jednoczesnym zmniejszeniu zanieczyszczeń emitowanych do środowiska. Jednym z głównych ustaleń konferencji klimatycznej ONZ w Paryżu, zawartym w artykule 2 tekstu porozumienia COP21, jest utrzymanie wzrostu globalnych średnich temperatur na poziomie poniżej 2 ponad poziom przedindustrialny i kontytuowanie pracy na rzecz ograniczenia wzrostu temperatur do 1,5. Podjęte wyzwanie jest możliwe wyłącznie przy radykalnym ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych do czego zobowiązało się 187 krajów w deklaracjach określanych jako INDC (Intended Nationally Determined Contribution). Restrykcyjne przepisy oraz dyrektywy UE, a także wewnętrzne przepisy państwowe spowodowały dynamiczny rozwój polityki energetycznej bazującej na tak zwanej zielonej energii czyli energii odnawialnej. Racjonalne gospodarowanie zasobami naturalnymi, ochrona środowiska naturalnego, zwiększenie udziału energii odnawialnej to przykłady kierunków działań podejmowanych przez państwa członkowskie Unii Europejskiej, czyli również przez Polskę. Przykładem działania mającego na celu wspieranie nowoczesnych, proekologicznych technologii jest obwieszczenie Ministra Gospodarki z 21 grudnia 12 roku w sprawie szczegółowego wykazu przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej opublikowane 11 stycznia 13 roku w Monitor Polski Dziennik Urzędowy Rzeczypospolitej Polskiej, ogłoszone na podstawie art. 17 ust. 2 ustawy z dnia 15 kwietnia 11 roku 9

10 o efektywności energetycznej (Dz. U. Nr 94, poz. 551, z późniejszymi zmianami). Według [61] efektywność energetyczna to stosunek uzyskanej wielkości efektu użytkowego danego obiektu, urządzenia technicznego lub instalacji, w typowych warunkach ich użytkowania lub eksploatacji, do ilości zużycia energii przez ten obiekt, urządzenie techniczne lub instalację, niezbędnej do uzyskania tego efektu. W artykule 17 przytoczonej ustawy wyszczególniono rodzaje przedsięwzięć mające na celu poprawę efektywności energetycznej w szczególności: izolację instalacji przemysłowych, przebudowę lub remont budynków, modernizację: urządzeń przeznaczonych do użytku domowego, oświetlenia, urządzeń na potrzeby własne, urządzeń i instalacji wykorzystywanych w procesach przemysłowych, lokalnych sieci ciepłowniczych i lokalnych źródeł ciepła, odzysk energii w procesach przemysłowych, stosowanie do ogrzewania i chłodzenia obiektów energii wytwarzanej we własnych lub przyłączonych do sieci odnawialnych źródłach energii, w rozumieniu ustawy z dnia kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne, ciepła użytkowego w kogeneracji, w rozumieniu ustawy z dnia kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne, lub ciepła odpadowego z instalacji przemysłowych [61]. W obwieszczeniu Ministra Gospodarki z dnia 21 grudnia 12 r. przedstawiono szczegółowy wykaz przedsięwzięć, których celem jest poprawa efektywności energetycznej. Na uwagę zasługuje punkt 5.4 dotyczący poprawy efektywności energetycznej poprzez wymianę lokalnych układów chłodniczych i klimatyzacyjnych oraz punkt 8.4 dotyczący modernizacji instalacji wytwarzania chłodu z wykorzystaniem ciepła pochodzącego z sieci ciepłowniczej zasilanej ciepłem wytworzonym z odnawialnych źródeł energii, w kogeneracji lub ciepłem odpadowym z instalacji przemysłowych [57]. Integralnym elementem ustawy o efektywności energetycznej jest system świadectw energetycznych, tzw. białych certyfikatów, jako mechanizm rynkowy prowadzący do uzyskania wymiernych oszczędności energii w trzech obszarach, tj.: zwiększenia oszczędności energii przez odbiorców końcowych, zwiększenia oszczędności energii przez urządzenia potrzeb własnych oraz zmniejszenia strat energii elektrycznej, ciepła i gazu ziemnego w przesyle i dystrybucji [56]. Od 1 stycznia 13 roku każda firma sprzedająca

11 energię elektryczną, cieplną czy paliwa gazowe jest zobligowana do pozyskania białych certyfikatów w ilości zależnej od wielkości sprzedanej energii. Narzucona przez Ustawę o efektywności energetycznej koniczność pozyskiwania i przedstawiania do umorzenia prezesowi Urzędu Regulacji Energetyki określonej ilości świadectw lub uiszczenia opłaty zastępczej to mechanizm, którego zadaniem jest stymulowanie i wymuszanie działań proekologicznych i prooszczędnościowych. Dzięki prowadzeniu takiej polityki zmniejsza się energochłonność gospodarki, a przez to jednocześnie zwiększa bezpieczeństwo energetyczne Polski. Jednym z elementów wzrastającego zapotrzebowania na energię (obecnie głównie elektryczną) są powszechnie stosowane systemy klimatyzacji pomieszczeń. Jedną z definicji klimatyzacji jest utrzymywanie w pomieszczeniu temperatury i wilgotności powietrza, zapewniających dogodne warunki do pracy i funkcjonowania człowieka lub optymalne warunki dla określonego procesu przemysłowego. W obecnych czasach klimatyzowanie pomieszczeń staje się standardem. Dotyczy to zarówno zakładów pracy, biur, centrów handlowych, jednostek użyteczności publicznej, jak i sfery domów i mieszkań prywatnych. Klimatyzacja sprężarkowa, której źródłem energii, koniecznej do wytworzenia chłodu, jest energia elektryczna w okresie letnim może stanowić poważne zagrożenie przeciążeń sieci energetycznych. Nie bez znaczenia jest również fakt, że energia elektryczna jest w Polsce produkowana obecnie, jak i w perspektywie kolejnych lat głównie w procesie spalania węgli energetycznych (kamiennego lub brunatnego). Systematyczny wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną wykorzystywaną w instalacjach klimatyzacyjnych powoduje wzrost zanieczyszczenia środowiska produktami odpadowymi powstającymi w wyniku spalania węgli (pyły, popioły, emisja CO2). Wadą stosowania tej technologii są również duże i wciąż rosnące koszty energii elektrycznej. Na rysunku 1.1 przedstawiono prognozę cen energii elektrycznej dla odbiorców przemysłowych wykonaną dla województwa mazowieckiego w ramach projektu Bioenergia dla regionu badanie zarządzania zmianą gospodarczą. 11

12 Rys Prognoza cen energii elektrycznej dla odbiorców przemysłowych [58] Według najbardziej prawdopodobnego scenariusza realistycznego cena energii dla odbiorców przemysłowych do roku będzie wzrastać przeciętnie o 7,06 % w ciągu każdego roku. Przytoczone względy ekonomiczne i środowiskowe determinują do podjęcia działań mających na celu znalezienie alternatywnych technologii stosowanych w systemach klimatyzacyjnych. Należy także poszukiwać innych nośników energii dla tych systemów. W pracy wykonano badania pilotażowej instalacji wykorzystania ciepła sieciowego do wytwarzania chłodu i podjęto się zagadnień związanych z modelowaniem i optymalizacją systemów dystrybucji energii cieplnej poprzez jej wykorzystanie do wytwarzania wody lodowej w instalacjach klimatyzacyjnych. Szczególną uwagę zwrócono na możliwość poprawy efektywności energetycznej systemów dystrybucji energii cieplnej w miejskich sieciach ciepłowniczych. Przykładami systemów dystrybucji energii cieplnej są między innymi miejskie systemy ciepłownicze, które służą do transportu energii cieplnej w postaci pary wodnej lub gorącej wody od źródeł, czyli: zakładów termicznej utylizacji odpadów, elektrociepłowni, ciepłowni do odbiorców czyli domów, hal widowiskowo-sportowych, centrów handlowych i innych. Transportowana energia cieplna służy do ogrzewania pomieszczeń (c.o.) zimą, wykorzystywana jest jako ciepła woda użytkowa (c.w.u.) oraz jako ciepło na potrzeby technologii (c.t.). Główny problem pracy sieci ciepłowniczych polega na tym, że określonymi średnicami rurociągów przesyłane jest ciepło zarówno w okresach zimowych jak i letnich. Z uwagi na wyższe zapotrzebowanie na ciepło w okresie zimowym średnice rurociągów są przewymiarowane dla okresu letniego. W okresie poza grzewczym problem potęguje również dynamika rozbioru ciepłej wody użytkowej, która zależy 12

13 głównie od stylu życia ludzi, czyli ich godzin i harmonogramów pracy, wyjść i powrotów do domu, zużycia wody na potrzeby komunalne i szeregu innych czynników. W sezonie poza grzewczym pomimo niższej temperatury czynnika grzewczego i wyższej temperatury otoczenia względne straty (odniesione do całkowitej ilości ciepła dostarczonego do sieci) w systemach ciepłowniczych są wyższe niż w okresie grzewczym. Na rysunku 1.2 przedstawiono udział strat ciepła w 09 i roku dla poszczególnych miesięcy przykładowej sieci ciepłowniczej rok rok Straty ciepła w % 50 0 Rys Udział strat ciepła w produkcji ciepła w 09 r. oraz w r. dla poszczególnych miesięcy roku [3] Względne straty ciepła w okresach letnich wynoszą prawie %, a dla miesiąca sierpnia osiągają poziom rzędu 50%. Głównym powodem tak wysokich strat w okresie poza grzewczym jest niewielki rozbiór wody, potrzebnej głównie na potrzeby ciepłej wody użytkowej. Aby dostarczyć ciepło dla odbiorców o odpowiedniej temperaturze należy zapewnić minimalną prędkość przepływu wody sieciowej w rurociągach sieci ciepłowniczej. Gdy zapotrzebowanie na ciepło jest niewielkie często do wymuszenia przepływu wody stosowane są układy spięć, które kierują medium z rurociągu zasilającego bezpośrednio do rurociągu powrotnego. Rozwiązanie takie z jednej strony wymusza przepływ wody, ale z drugiej powoduje duże straty ciepła. 13

14 1.1. Cel pracy Celem niniejszej pracy było: opracowanie projektu i zbudowanie stanowiska badawczego instalacji wykorzystania ciepła sieciowego do wytwarzania chłodu w procesie adsorpcji, przeprowadzenie badań wpływu wybranych parametrów na pracę instalacji badawczej, w szczególności na sprawność i moc chłodniczą agregatu adsorpcyjnego, opracowanie modelu systemu wykorzystania energii cieplnej przeznaczonej do wytwarzania chłodu w procesie adsorpcji, optymalizacja parametrów pracy instalacji badawczej wykorzystującej ciepło sieciowe do wytwarzania chłodu, zbadanie na drodze eksperymentalnej oceny możliwości zastosowania technologii adsorpcji w systemach klimatyzacyjnych, zweryfikowanie efektywności stosowania technologii adsorpcji w systemach klimatyzacyjnych, analiza możliwości zastosowania technologii adsorpcji zasilanej ciepłem odpadowym pochodzącym z wybranych procesów technologicznych do wytwarzania wody lodowej na potrzeby klimatyzacji Teza pracy Sformułowane wcześniej cele pracy pozwoliły na przyjęcie następujących tez: zmiana w systemach klimatyzacyjnych źródła energii z energii elektrycznej na ciepło odpadowe umożliwia znaczne zmniejszenie zużycia energii elektrycznej, a więc redukcję emisji CO2 i innych szkodliwych gazów oraz obniżenie ilości pyłów powstających przy jej wytwarzaniu, optymalizacja wielokryterialna parametrów pracy instalacji chłodniczej zasilanej ciepłem odpadowym daje możliwość maksymalizacji efektywności energetycznej wytwarzania chłodu, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów eksploatacji urządzeń klimatyzacyjnych, optymalizacja pracy systemów energetycznych, polegająca na zwiększeniu stopnia wykorzystania energii cieplnej z zakładów typu elektrociepłownie, huty, cementownie czy zakłady termicznej utylizacji odpadów, przyczyni się do zwiększenia stopnia wykorzystania energii pierwotnej. 14

15 1.3. Przegląd literatury z zakresu tematu pracy Projektowanie i rozwój adsorpcyjnych systemów chłodniczych opierających się na wykorzystaniu żelu krzemionkowego oraz dwutlenku siarki rozpoczął się w latach dwudziestych ubiegłego stulecia [26]. Zastosowanie technologii chłodzenia adsorpcyjnego między innymi w systemach klimatyzacji oraz do konserwacji żywności przedstawiono w pracach [24, 32, 43, 54]. Od kilku lat trwają dyskusje na temat zwiększenia obciążenia miejskich sieci ciepłowniczych (m.s.c.) poprzez wykorzystanie ciepła do wytwarzania chłodu z zastosowaniem agregatów absorpcyjnych. Szczególne zainteresowanie występuje w krajach skandynawskich, głównie z powodu wyższych temperatur czynnika grzewczego w sieciach ciepłowniczych [33]. Dane przedstawione między innymi w publikacjach [12, 22] świadczą o tendencji wzrostowej w zakresie dostawy chłodu sieciowego. W pracy [49] przedstawiono charakterystykę bromolitowych absorpcyjnych agregatów chłodniczych, rozkład dobowy zużycia ciepłej wody użytkowej oraz wykres dziennego zapotrzebowania na energię chłodniczą dla budynku biurowego w okresie letnim. Zaproponowano rozwiązanie współpracy absorpcyjnego urządzenia chłodniczego z akumulatorem ciepła jako sposób na wysokosprawną i efektywną eksploatację bloku ciepłowniczego. W artykule [] przytoczono motto z fragmentu Uchwały I Kongresu Ciepłowników Polskich, które odbyło się w Gdyni r.: Powinny być stosowane systemy chłodnicze wykorzystujące urządzenia absorpcyjne, dla których źródło ciepła stanowiłyby miejskie systemy ciepłownicze. Opcja ta powinna być promowana, jako że daje możliwość podwyższenia efektywności energetycznej elektrociepłowni zasilających te systemy. Celem przytoczonych słów było zasygnalizowanie kierunku działań, których efektem końcowym powinno stać się zażegnanie problemów z jakimi muszą zmierzyć się przedsiębiorstwa energetyki cieplnej, czyli między innymi: utrzymanie co najmniej dotychczasowego poziomu sprzedaży ciepła, zapewnienie odpowiedniego poziomu rentowności, konieczność ograniczenia ekologicznych skutków wytwarzania i przesyłania ciepła. 15

16 W pracy dokonano oceny możliwości zastosowania absorpcyjnych bromolitowych chłodziarek zasilanych ciepłem sieciowym. Przedstawiono podstawowe zalety rozwiązania chłodu sieciowego, m.in.: zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną, czyli odciążenie systemu elektroenergetycznego, umożliwienie wytworzenia dodatkowej ilości energii elektrycznej w elektrociepłowniach, zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego kraju. Dla wyżej wymienionych atutów na przykładzie Warszawy omówiono możliwy do osiągnięcia poziom wzrostu wytwarzania energii elektrycznej w skojarzeniu. Dla potencjalnego zapotrzebowania na moc chłodniczą ok. 450 MW oraz stosunku wytwarzanej energii elektrycznej w skojarzeniu do mocy chłodniczej wynoszącego ok. 0,5 w stolicy można by dodatkowo w systemie energetycznym wytworzyć ok. 2 MW mocy elektrycznej. Dodatkowo system energetyczny Warszawy zostałby odciążony o około 150 MW energii potrzebnej do zasilania sprężarkowych agregatów chłodniczych. W efekcie oszacowano, że Warszawa zyskałaby ok MW mocy w szycie obciążenia systemu elektroenergetycznego. Dla całego kraju, uwzględniając tylko duże miasta zysk oszacowano na poziomie ok. dziesięciokrotnie wyższym, rzędu MW energii elektrycznej. Oprócz zalet dokonano analizy podstawowych trudności limitujących wprowadzenie nowego produktu na rynek jakim jest chłód. Jako podstawowe bariery wymieniono: brak metody rozdziału uzasadnionych kosztów rocznych na poszczególne nośniki energii wytwarzane w trójgeneracji, brak instrumentów dotyczących wspierania budowy nowych źródeł chłodu lub gruntowej modernizacji istniejących źródeł ciepła zmierzających do dostosowania ich technologii do produkcji chłodu, brak właściwej struktury administracyjnej, prawnej i finansowej, a także zasad kształtowania taryf oraz rozliczeń w obrocie chłodem, trudności w pokonaniu początkowego okresu, w którym zyski ze sprzedaży chłodu nie kompensują znacznych nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych. Problemy przedsiębiorstw ciepłowniczych związane z wyraźnym obniżeniem popytu ze strony zarówno odbiorców indywidualnych jak i przemysłowych na ciepło systemowe przedstawiono również w pracy [33]. Jako sposób na dociążenie sieci 16

17 ciepłowniczych, a co za tym idzie również zwiększenie obciążenia istniejących bloków energetycznych, szczególnie w okresie letnim jest rozszerzenie oferty rynkowej na dostawę wody lodowej wytwarzanej w systemie trójgeneracyjnym z zastosowaniem agregatów absorpcyjnych. W artykule dokonano klasyfikacji systemów trójgeneracyjnych na system zcentralizowany oraz zdecentralizowany. Dwa podstawowe warianty układów trójgeneracyjnych wymieniono również w pracach [7, 8]. System zcentralizowany charakteryzuje się wytwarzaniem ciepła, chłodu oraz energii elektrycznej bezpośrednio w elektrociepłowni, natomiast media przesyłane są do odbiorców za pomocą sieci przesyłowych. W systemie zcentralizowanym ciepło zasilające agregaty absorpcyjne może być z pobierane turbiny. System jako np. niskoprężna para upustowa lub wylotowa zdecentralizowany charakteryzuje się wytwarzaniem chłodu w urządzeniach zainstalowanych bezpośrednio u odbiorcy, a zasilanych ciepłem dostarczonym siecią ciepłowniczą. Dzięki takiemu rozwiązaniu zostaje wyeliminowana konieczność budowy dodatkowej sieci chłodniczej. Podstawowymi zaletami systemu zcentralizowanego w porównaniu do systemu zdecentralizowanego są [33]: niższe nakłady inwestycyjne na agregaty chłodnicze, możliwość osiągnięcia wyższych wartości współczynnika wydajności chłodniczej (wyższa sprawność), niskie straty przesyłu czynnika grzewczego, dostępność czynnika chłodzącego absorber oraz skraplacz, możliwość zapewnienia fachowej obsługi. Jako podstawowe wady można zaliczyć: konieczność budowy kosztownej, odrębnej sieci do przesyłu wody lodowej, zużycie dodatkowej energii na pompowanie czynnika chłodniczego. Podstawową wadą systemu zdecentralizowanego limitującego zastosowanie absorpcyjnych układów klimatyzacyjnych jest niska temperatura czynnika grzewczego w sieci w okresie letnim, rzędu na wyjściu z elektrociepłowni, a w praktyce o około 8 niższa na wejściu do odbiorcy. Podwyższenie temperatury czynnika grzewczego do parametrów /55, typowych dla krajów skandynawskich wiązałoby się ze zwiększeniem strat ciepła na przesyle od 17% do 37% [38, 39]. W artykule [48] przedstawiono projekt zespołu Elektrociepłowni Warszawskich S.A. realizowany we współpracy z Narodową Agencją Poszanowania Energii, który zakładał wykorzystanie energii odpadowej z procesów produkcji energii elektrycznej do 17

18 wytwarzania chłodu na potrzeby klimatyzowania budynku biurowego EC Żerań w Warszawie z zastosowaniem jednostopniowej absorpcyjnej bromo-litowej wytwornicy wody lodowej zasilanej parą wodną niskoprężną. Dla porównania zaproponowanego rozwiązania wykorzystania absorpcyjnej chłodnicy serii BROAD z tradycyjnym układem sprężarkowym dokonano analizy ekonomicznej wykorzystując metodę planowania po najniższych kosztach, opartą na porównaniu całkowitych kosztów eksploatacji urządzeń chłodniczych stanowiących sumę kosztów stałych oraz kosztów zmiennych. W artykule [] przedstawiono zasadę działania adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych oraz możliwości ich praktycznych zastosowań. Przedstawiono typy stosowanych układów adsorbent adsorbat, ich podstawowe parametry pracy oraz możliwe do osiągnięcia współczynniki wydajności chłodniczej. Omówiono jakie czynniki należy uwzględnić przy modelowaniu matematycznym chłodziarek adsorpcyjnych. W artykule [17] przedstawiono układ współpracy chłodziarki adsorpcyjnej z agregatem wody lodowej typu sprężarkowego. Omówiono sposób działania agregatów adsorpcyjnych oraz dokonano obliczeń teoretycznych opłacalności zastosowania technologii bazującej na procesie adsorpcyjnego wytwarzania chłodu z ciepła przesyłanego miejską siecią ciepłowniczą. Istotnym aspektem związanym z poprawą sprawności przesyłania ciepła, a co za tym idzie zwiększeniem efektywności energetycznej systemów ciepłowniczych jest zmniejszenie strat na przesyle ciepła od źródeł do odbiorców. W pracy [37] przedstawiono model bilansowy obliczania strat przenikania ciepła w sieci ciepłowniczej związanych z przenikaniem oraz ubytkami wody. Omówiono zagadnienia dotyczące własności cieplnych izolacji i materiałów sieci ciepłowniczych oraz przedstawiono uśredniony roczny rozkład temperatury gruntu jako podstawowy czynnik wymagany przy określaniu strat związanych z przenikaniem ciepła. W artykule [3] scharakteryzowano straty ciepła w sieciach ciepłowniczych oraz ich zmienność w czasie. Przedstawiono udział strat ciepła w produkcji ciepła dla poszczególnych miesięcy podczas dwuletniej pracy sieci ciepłowniczej. W artykule [9] przedstawiono badania doświadczalne podstawowych parametrów wpływających na zdolność adsorpcyjną silikażelu w stanie ziarnistym oraz w stanie po naniesieniu na powierzchnię płaską. Dokonano oceny możliwości zwiększenia sprawności adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych poprzez intensyfikację transportu ciepła na granicy złoże adsorbentu oraz rurek wymiennika ciepła. 18

19 Wiele prac, między innymi [2, 5, 6,, 29, ], dotyczy numerycznego modelowania oraz symulacji przepływu masy i energii w adsorpcyjnych agregatach chłodniczych, najczęściej dwu i trójzłożowych. Przedstawione modele bazują w oparciu o kilka głównych założeń, między innymi: - prawo zachowania masy i energii, - równowadze adsorpcji w zależności od ciśnienia i temperatury, - kinetyce procesu adsorpcji. Do opisu procesu adsorpcji najczęściej wykorzystywane są równania modelu kinetycznego, Linear Driving Force [35]. Równowaga adsorpcyjna jako funkcja ciśnienia i temperatury wyznaczana jest na podstawie równań opracowanych przez możliwości wykorzystania ciepła Chihara i Suzuki [4]. W pracach [14, 27, 34] przedstawiono wytwarzanego w instalacjach solarnych do zasilania sorpcyjnych agregatów chłodniczych. Szczególna uwaga poświęcona jest względom ekologicznym. Omówienie wpływu wybranych parametrów na wydajność systemu chłodzenia wykorzystującego ciepło solarne przedstawiono między innymi w pracy [2]. Analizie poddano różne typu par adsorbent-adsorbat, jako kluczowe komponenty systemu wytwarzania chłodu. W zastrzeżeniu patentowym [16] przedstawiono konfigurację urządzeń umożliwiającą wykorzystanie ciepła przesyłanego siecią ciepłowniczą do wytwarzania chłodu dla potrzeb systemów klimatyzacyjnych oraz ciepła odbiorczego niskoparametrowego i wysokoparametrowego na potrzeby ogrzewania. W zastrzeżeniu patentowym [19] przedstawiono dedykowaną konfigurację urządzeń umożliwiającą wykorzystanie ciepła wytwarzanego w zakładach termicznego przekształcania odpadów komunalnych lub poprodukcyjnych, wprowadzanego do sieci ciepłowniczej. Układ dedykowany jest do obiektów wielkopowierzchniowych jak hotele, centra handlowe itp. Przykłady wykorzystania sorpcyjnych układów chłodniczych w aplikacjach przemysłowych przedstawiono między innymi w [15]. W pracy omówiono budowę i zasadę działania agregatów absorpcyjnych oraz poddano analizie możliwość wykorzystania ciepła odpadowego z procesu chłodzenia klinkieru oraz z procesu spiekania i chłodzenia materiałów żelazonośnych w hucie surowcowej stali. W zastrzeżeniu umożliwiające odzysk patentowym energii [18] cieplnej przedstawiono powstającej rozwiązanie podczas wypału techniczne klinkieru cementowego, a traconej podczas jego chłodzenia w chłodnicy powietrznej. Rozwiązanie 19

20 takie umożliwia wykorzystanie ciepła odpadowego do napędzania sorpcyjnego agregatu chłodniczego wytwarzającego wodę lodową na potrzeby klimatyzowania pomieszczeń elektrycznych oraz biurowych. Większość prac dotyczących możliwości wykorzystania ciepła sieciowego do wytwarzania chłodu z użyciem agregatów adsorpcyjnych są prezentowane przez producentów lub dystrybutorów tychże urządzeń. W istniejącej literaturze brakuje konkretnych badań wpływu różnych parametrów pracy na sprawność, a co za tym idzie również efektywność ekonomiczną działania chłodnic adsorpcyjnych.

21 2. Systemy ciepłownicze w Polsce 2.1. Charakterystyka rynku ciepła sieciowego w Polsce Pierwszy scentralizowany system ciepłowniczy wybudowano w Polsce na przełomie XIX i XX wieku w kompleksie budynków obecnej Politechniki Warszawskiej i w Szpitalu Dzieciątka Jezus w Warszawie [46]. Dynamiczny rozwój systemów ciepłowniczych nastąpił w latach 50 XX wieku. W roku 1953 uruchomiono pierwszą magistralę zasilającą Pałac Kultury i Nauki ze źródła EC Powiśle w Warszawie. Kolejną dużą inwestycją zrealizowaną w 1956 r. było zasilenie prawobrzeżnej Warszawy w ciepło wytwarzane w elektrociepłowni Żerań. Zwiększająca się liczba odbiorców ciepła spowodowała konieczność zwiększenia ciśnienia czynnika w sieci. Zaczęto stosować urządzenia redukujące bezpośrednio w węzłach ciepłowniczych, a z czasem regulację hydrauliczną polegającą na kryzowaniu systemu. W celu ograniczenia zakłóceń przenoszonych z sieci na instalacje odbiorcze wewnątrz budynków oraz awarie instalacji wewnętrznych na pracę sieci zrezygnowano z układów bezpośrednich stosując układy pośrednie zawierające wymiennik ciepła. Do znaczącego rozwoju systemów ciepłowniczych przyczyniła się automatyzacja węzłów. Oprócz podstawowej funkcji rozliczenia między dostawcą i odbiorcą systemy automatyki węzłów ciepłowniczych pozwalają na optymalizowanie procesu dostawy ciepła przy jednoczesnym zapewnieniu wymaganych parametrów czynnika grzewczego. W Polsce w 14 roku przedsiębiorstwa ciepłownicze wytworzyły łącznie z ciepłem odzyskanym z procesów technologicznych 393,2 tys. TJ ciepła. Ponad 64% ciepła wyprodukowanego w źródłach zostało wytworzone w kogeneracji [53]. Kogeneracja, CHP (Combined Heat and Power), definiowana jest jako proces jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Wspieranie kogeneracji jest jednym z działań mających na celu promowanie sposobów wykorzystania energii pierwotnej, czyli takiej, która zawarta jest w pierwotnych nośnikach energii pozyskanych bezpośrednio z zasobów naturalnych. Na rysunku 2.1 przedstawiono rozpływ energii w procesie rozdzielonej i skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej. 21

22 Rys Bilans energii w gospodarce rozdzielonej i skojarzonej [31] Efektywność energetyczna systemu CHP jest zwykle o % wyższa w porównaniu do efektywności energetycznej systemów rozdzielonych, w których oddzielnie wytwarzana jest energia elektryczna w elektrowni kondensacyjnej oraz ciepło w ciepłowni, przy założeniu wykorzystania tego samego rodzaju paliwa [28]. Kogeneracja powoduje zatem obniżenie kosztów wytwarzania energii końcowej, przyczyniając się do zmniejszenia emisji zanieczyszczeń, w szczególności dwutlenku węgla - CO2. Podstawowym problemem limitującym możliwość produkcji energii w kogeneracji, szczególnie w okresie letnim, jest ograniczenie zapotrzebowania na energię cieplną. W Polsce dominującym paliwem stosowanym przy produkcji ciepła są paliwa węglowe, stanowiące ponad 75% wszystkich zużywanych paliw. Na rysunku 2.2 przedstawiono strukturę zużycia paliw do produkcji ciepła w 14 r. Rys Struktura zużycia paliw do produkcji ciepła w 14 r. [53] Przez ostatnie lata dywersyfikacja paliw zużywanych do produkcji ciepła w Polsce postępuje bardzo wolno. Od 02 r. udział ciepła wytwarzanego z węgla kamiennego zmniejszył się tylko o 3,5% w stosunku do 13 r. Wysoki udział paliw kopalnianych oraz zaawansowany wiek istniejących mocy wytwórczych skutkuje niską efektywnością 22

23 wytwarzania ciepła i wysokim poziomem emisji zanieczyszczeń między innymi dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, tlenków azotu oraz pyłów. Na rysunku 2.3 przedstawiono intensywność emisji zanieczyszczeń w sektorze ciepłownictwa systemowego w Polsce w okresie od 02 do 14 roku. Intensywność emisji CO2 Intensywność emisji SO2 Intensywność emisji NOx 0,8 Intensywność emisji CO2 w tonach / TJ ciepła 0,7 1 0, ,5 1 0,4 0,3 5 0,2 0 Intensywność emisji SO2, NOx w tonach / TJ ciepła 125 0, Rok Rys.2.3. Intensywność emisji zanieczyszczeń w okresie [52, 53] Miarą standardu wykonania budynku określającą zużycie energii na cele ogrzewania jest wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania na ciepło oznaczony symbolem E. Zgodnie z polskimi przepisami wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania na ciepło dla budynku jednorodzinnego powinien wynosić 0 kwh/(m2 rok), natomiast dla budynków wielorodzinnych kwh/(m2 rok). Przewiduje się w najbliższej przyszłości, że wskaźnik ten osiągnie wartość rzędu 60 kwh/(m2 rok) [46]. Coraz więcej mówi się o budowie obiektów pasywnych czyli takich, dla których wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania na ciepło nie przekracza 15 kwh/(m2 rok). Dla porównania dla budynków budowanych w latach wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania na ciepło był na poziomie 3 kwh/(m2 rok) [47]. Pomimo stosowania coraz bardziej restrykcyjnych przepisów ograniczających zużycie energii cieplnej oraz sukcesywnej termomodernizacji istniejących budynków, prognozy zapotrzebowania na ciepło do roku przewidują utrzymanie sprzedaży ciepła na obecnym poziomie [46]. Jednostkowy spadek popytu na ciepło będzie rekompensowany przyłączeniami do sieci ciepłowniczych nowych odbiorców. 23

24 2.2. Analiza pracy systemu ciepłowniczego miasta Krakowa System ciepłowniczy miasta Krakowa liczy blisko 8 km długości i zawiera około 98 węzłów grzewczych. Zarządcą systemu ciepłowniczego jest Miejsce Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej S.A. w Krakowie. Ciepło dostarczane jest do systemu z trzech źródeł: EDF Polska S.A. Oddział I w Krakowie w ilości 72%, Elektrownia CEZ Skawina S.A. w ilości 25%, Zakłady Energetyczne ArcelorMittal Poland S.A. w ilości 3%. System ciepłowniczy podzielony jest na magistrale, które przypisane są do poszczególnych źródeł: a) EDF Polska S.A. Oddział I w Krakowie, który zawiera: Magistralę Wschód, Magistralę Zachód, Magistralę Północ, Magistralę Południe. b) Elektrownia CEZ Skawina S.A., która zawiera: Magistralę Skawina Kraków, Magistralę Skawina Miasto, c) Zakłady Energetyczne Arcelor Mittal Poland S.A., które zawierają: Magistralę ArcelorMittal. W 16 roku planowane jest podłączenie do miejskiej sieci ciepłowniczej nowego źródła ciepła, tj. Zakładu Termicznego Przekształcania Odpadów (ZTPO). Spalarnia usytuowana jest przy ul. Giedroycia i zostanie połączona siecią ciepłowniczą DN600 o długości ok. 3,2 km z magistralą DN700 przy skrzyżowaniu ul. Ujastek i al. Solidarności. ZTPO posiadać będzie dwie linie technologiczne o wydajności ciepłowniczej 17,5 MW każda. Zakłada się, że spalarnia będzie dostarczać stały strumień ciepła wynoszący 35 MW, z wyłączeniem okresów przerw remontowych, podczas których zakład będzie podawał mniejsze ilości ciepła. Nośnikiem ciepła w sieci ciepłowniczej jest woda grzewcza, której temperatura w źródłach w sezonie letnim utrzymywana jest na stałym poziomie 70. Minimalna wartość temperatury 70 wynika z konieczności zapewnienia niezbędnych parametrów dla wytworzenia ciepłej wody użytkowej oraz zasilania urządzeń, wentylacji, klimatyzacji i technologii. W sezonie grzewczym temperatura zamawiana w źródłach ciepła jest zależna 24

25 od zewnętrznych warunków atmosferycznych i zawiera się w przedziale od 70 (dla temperatury otoczenia powyżej 6 ) do 135 (dla temperatury otoczenia poniżej ). Na rysunkach 2.4, 2.5 oraz 2.6 przedstawiono rozkłady temperatur czynnika grzewczego w sieci ciepłowniczej dla poszczególnych źródeł ciepła w okresie letnim wykonane w programie do obliczeń hydraulicznych Audytor SCW. Rys Schłodzenie czynnika grzewczego w okresie letnim w sieci magistralnej ze źródła EDF Polska S.A. Natężenie przepływu nośnika ciepła w okresie letnim uzależnione jest od indywidualnych potrzeb odbiorców ciepła oraz od obiegów technologicznych zapewniających dopływ czynnika grzewczego o określonych parametrach do najbardziej odległych punktów sieci ciepłowniczej. Dla źródła EDF Polska, uśredniona wielkość przepływu dla okresu letniego wg zapisów eksploatacyjnych wynosi: dla Magistrali Wschód 0 t/h, dla Magistral Północ i Zachód 8 t/h, dla Magistrali Południe 350 t/h. 25

26 Rys Schłodzenie czynnika grzewczego w okresie letnim w sieci magistralnej ze źródła Elektrowni CEZ Skawina Dla źródła CEZ Skawina, uśredniona wielkość przepływu dla okresu letniego wg zapisów eksploatacyjnych wynosi: dla Magistrali Skawina Kraków 7 t/h, dla Magistrali Skawina Miasto t/h. 26

27 Rys Schłodzenie czynnika grzewczego w okresie letnim w sieci magistralnej ze źródła Zakłady Energetyczne ArcelorMittal Dla źródła ArcelorMittal, uśredniona wielkość przepływu dla okresu letniego wg zapisów eksploatacyjnych wynosi: dla Magistrali ArcelorMittal 50 t/h. Z uwagi na brak danych dotyczących współpracy Zakładu Termicznego Przekształcania Odpadów z miejską siecią ciepłowniczą nie istnieje możliwość przedstawienia rozkładu schłodzenia czynnika grzewczego z tego źródła. Przyłączenie ZTPO do systemu ciepłowniczego powoduje konieczność przeprowadzenia zmian dotychczasowego ruchu sieciowego. Współpraca ZTPO z MPEC przewiduje maksymalne wykorzystanie ciepła odpadowego ze spalania odpadów komunalnych [59]. Z uwagi na 27

28 stałą moc cieplną dostarczaną ze spalarni do sieci ciepłowniczej oraz zmienność różnicy temperatur zasilania i powrotu wynikającą ze zmian temperatury zewnętrznej, przepływ czynnika grzewczego dostarczanego z ZTPO będzie zmienny. Obszar zasilania z ZTPO będzie podlegał dużym zmianom, szczególnie w okresie sezonu grzewczego. Przy silnych mrozach obszar ten obejmie kilka osiedli w sąsiedztwie spalarni, a wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej będzie się powiększał. Największy planowany do zasilania przez ZTPO obszar wystąpi w okresie letnim, gdzie ciepło ze spalarni na potrzeby ciepłej wody użytkowej popłynie do wszystkich obiektów zlokalizowanych na północ od linii Wisły oraz na Zabłocie i Dębniki. Ze względu na nierównomierność odbioru ciepła przez system, zakłada się, że podaż ciepła do obszaru zasilanego przez ZTPO będzie stabilizowana przez źródło EDF Polska. Oba źródła będą pracować na wspólną sieć, przy czym rola EDF Polska zostanie ograniczona do uzupełniania niedoborów podaży ciepła oraz ubytków wody sieciowej, a także stabilizacji ciśnienia powrotu. Jako rejon przewidziany do wyłącznego zasilania przez źródło EDF Polska planuje się obszar Magistrali Południowej. Uśredniona wielkość przepływu w źródłach dla okresu letniego z uwzględnieniem ZTPO wynosi, dla: - Zakładu Termicznego Przekształcania Odpadów: w okresach zmiennej produkcji 0-14 t/h, - EDF Polska: Magistrala Południe 350 t/h, Magistrale pozostałe, w okresach zmiennej produkcji ZTPO 0-14 t/h, - CEZ Skawina: Magistrala Skawina Kraków 350 t/h, Magistrala Skawina Miasto 27 t/h, - Zakłady Energetyczne ArcelorMittal: Magistrala ArcelorMittal t/h. Z uwagi na konieczność przyjęcia całej energii cieplnej z ZTPO spadnie sprzedaż ciepła przez pozostałych dostawców, co w konsekwencji spowoduje spadek efektywności energetycznej tych zakładów. W tabeli 2.1 przedstawiono maksymalne moce i przepływy deklarowane przez źródła oraz maksymalną przepustowość rurociągów ciepłowniczych przy ciśnieniach zadeklarowanych przez źródła [59]. 28

29 Tabela 2.1. Maksymalne deklarowane parametry pracy źródeł ciepła [59] Nazwa Źródło Maksymalna Maksymalny deklarowana moc deklarowany w MW przepływ w t/h EDF Polska El.CEZ Skawina ArcelorMittal ZTPO Ciśnienie maksymalne w MPa 1,45/0,25 1,34/0,4 1,0/0,15 13,5/0,23 Sieć Maksymalna przepustowość istniejących sieci ciepłowniczych w t/h Dodatkowe źródło energii cieplnej w postaci Zakładu Termicznego Przekształcania Odpadów oraz niewielkie zapotrzebowanie na ciepło sieciowe w okresie letnim powoduje zamrożenie mocy zainstalowanej w dotychczasowych źródłach ciepła i niepełne wykorzystanie sieci ciepłowniczej. Na rysunku 2.7 przedstawiono histogram ilości zakupionego i sprzedanego ciepła przez Miejskie Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej w Krakowie w 13 roku Zakup ciepła Sprzedaż ciepła Ciepło w GJ Miesiące Rys Histogram ilości zakupionego i sprzedanego ciepła przez MPEC w 13 roku [55] Najwyższe zapotrzebowanie na ciepło sieciowe przypadło na miesiąc styczeń i wyniosło ponad 1701 TJ, natomiast najniższe w miesiącu sierpniu i było na poziomie 60,8 TJ. Na rysunku 2.8 przedstawiono względny udział strat (odniesiony do ilości zakupionego ciepła przez MPEC) ciepła sieciowego dla poszczególnych miesięcy w 13 roku w Krakowie. 29

30 60,00 Względne straty ciepła w % 50,00,00,00,00,00 0,00 Rys Udział strat ciepła sieciowego dla poszczególnych miesięcy w 13 roku [55] Największe względne straty ciepła sieciowego, odniesione do ilości ciepła zakupionego przez MPEC są w miesiącach letnich i kształtują się na poziomie 50%. Przykładowo w 13 roku najwyższe zanotowane względne straty przypadły na miesiąc sierpień i wynosiły ponad 51%. Niewielka sprzedaż ciepła w okresie letnim powoduje obniżkę średnioroczną efektywności dostawy ciepła scentralizowanego i w konsekwencji powoduje wzrost kosztów dostawy dla odbiorcy. Dodatkowo ograniczeniu ulega również rozwój układów skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej, które w obecnych warunkach techniczno-ekonomicznych projektowane są zwykle na obciążenie całoroczne [36]. Ograniczenie wykorzystania mocy cieplnej ze źródeł skutkuje również poważnymi problemami gospodarczymi, związanymi między innymi z coraz częstszym wprowadzaniem stopnia zasilania. Oznacza to ograniczenie w dostarczaniu i poborze energii elektrycznej w szczególności przez dużych odbiorców. Dla okresu letniego znaczący udział poboru energii elektrycznej przypada na systemy klimatyzacyjne zasilane ze sprężarkowych układów chłodniczych. Wprowadzenie stopnia zasilania skutkuje koniecznością ograniczenia lub w skrajnych przypadkach wyłączenia tego typu instalacji. Na rysunku 2.9 przedstawiono roczne zapotrzebowanie na chłód dla przykładowego obiektu biurowego.

31 Zapotrzebowanie na chłód w kwh Rys Roczne zapotrzebowanie na chłód dla przykładowego budynku biurowego Największe zapotrzebowanie występuje w miesiącach od maja do września, czyli wówczas gdy zapotrzebowanie na ciepło sieciowe jest najniższe. Wykorzystanie energii cieplnej na potrzeby wytwarzania chłodu może przyczynić się do zagospodarowania nadmiaru energii i jednoczesnego wyrównania pracy sieci ciepłowniczej w ciągu całego roku. Dostawa ciepła sieciowego do produkcji chłodu spowoduje dociążenie systemu ciepłowniczego w okresie letnim, a więc wpłynie na poprawę wskaźników ekonomicznych. 31

32 3. System wykorzystania energii cieplnej do wytwarzania chłodu w procesie adsorpcji Niska temperatura czynnika grzewczego w sieci ciepłowniczej w okresie letnim jest jednym z najistotniejszych powodów limitujących zastosowanie absorpcyjnych chłodziarek, jako urządzeń współpracujących z miejskimi sieciami ciepłowniczymi, a służących do wytwarzania wody lodowej na potrzeby między innymi klimatyzacji. Prace związane z możliwością wykorzystania absorpcyjnych bromo-litowych chłodziarek sorpcyjnych oraz wpływ podniesienia temperatury gorącej wody w sieci ciepłowniczej do wartości wymaganej przez te urządzenia przedstawione zostały między innymi w artykułach [38, 39]. Wraz ze wzrostem temperatury wody grzewczej rosną straty na przesyle ciepła, a charakter pracy urządzeń sorpcyjnych i ich stosunkowo niskie schładzanie czynnika grzewczego limitują zastosowanie w aplikacjach współpracy z siecią ciepłowniczą. Rozwiązaniem powyższych problemów może być zastosowanie adsorpcyjnych opartych na żelu krzemionkowym chłodziarek, dla których temperatura zasilania gorącą wodą jest prawie niższa w stosunku do chłodziarek absorpcyjnych. Oprócz limitu maksymalnej temperatury gorącej wody służącej do regeneracji złoża sorpcyjnego wynoszącej w większości sieci ciepłowniczych w Polsce w okresie letnim 70 istotnym czynnikiem wpływającym na zastosowanie chłodziarek adsorpcyjnych jest określenie takich parametrów pracy dla których schłodzenie czynnika grzewczego będzie maksymalne i bliskie wymaganej temperatury wody powrotnej w sieci ciepłowniczej. Czynnik ten jest zdeterminowany głównie koniecznością ograniczenia prędkości na przesyle wody i jednocześnie warunkuje mniejsze koszty związane z pompowaniem. Niska delta temperatury na zasilaniu skutkuje zwiększeniem przepływu wody w sieci ciepłowniczej i dla odbiorców, szczególnie dużej mocy cieplnej powodowałoby konieczność budowania lokalnych przepompowni, co znaczenie zwiększyłoby koszty inwestycyjne Zasada działania i budowa agregatów absorpcyjnych Absorpcja definiowana jest jako proces wnikania jednej substancji (cząsteczek, atomów lub jonów) do innej substancji tworzącej dowolną fazę ciągłą (gazu, cieczy lub ciała stałego) [50]. 32

33 Przykładem absorpcji może być rozpuszczenie gazów, np. dwutlenku węgla w wodzie. Zdolność absorpcji zależy od objętości fazy, w której zjawisko zachodzi. Agregaty absorpcyjne, podobnie jak adsorpcyjne mogą wykorzystywać gorącą wodę do wytwarzania wody lodowej na potrzeby klimatyzacji. W aplikacjach przemysłowych najczęściej stosowane są agregaty absorpcyjne bromolitowe (LiBr/H 2O) oraz amoniakalne (H2O/NH3). Dla bromolitowych chłodziarek czynnikiem roboczym jest woda, dlatego ich zastosowanie jest ograniczone do wytwarzania wody lodowej o temperaturze rzędu 5 oc. Zasada działania agregatów absorpcyjnych opiera się na procesie wrzenia i odparowania cieczy oraz na zależności temperatury wrzenia od ciśnienia. W parowniku agregatu absorpcyjnego panuje bardzo niskie ciśnienie, około 850 Pa. Przy takim ciśnieniu woda wrze w niskich temperaturach ok. 4 5 oc, stając się czynnikiem chłodniczym. W parowniku w wyniku wymiany ciepła woda lodowa jest schładzana do temperatury ok. 7 oc. Proces chłodzenia wody lodowej powoduje stopniowo zwiększenie ciśnienia cząsteczkowego pary, a co za tym idzie również temperatury jej odparowania. Aby ograniczyć wzrost ciśnienia para wodna kierowana jest do absorbera, w którym znajduje się stężony roztwór bromku litu (LiBr) będący silnym absorbentem wody. Bromek litu pochłania parę wodną, dzięki czemu ciśnienie cząsteczkowe jest utrzymywane na niskim poziomie. Nadmiar ciepła powstający w procesie absorpcji czynnika chłodniczego jest odprowadzany przez wymianę ciepła z obiegiem wody chłodniczej. Absorpcja czynnika chłodniczego oprócz generowania ciepła powoduje stopniowe zmniejszenie stężenia roztworu LiBr, przez co zmniejsza się jego zdolność do dalszego pochłaniania wody. Aby zregenerować złoże sorbentu, rozcieńczony LiBr jest kierowany do wymiennika, gdzie w wyniku wymiany ciepła ze wstępnie podgrzanym stężonym roztworem powracającym z generatora następuje jego podgrzanie. Wstępnie podgrzany roztwór LiBr jest kierowany do generatora, gdzie następuje jego regeneracja poprzez wymianę np. z ciepłem spalin. W wyniku podgrzewania odparowuje czynnik chłodniczy, przez co rośnie jego stężenie. Roztwór kierowany jest ponownie przez wymiennik do absorbera, natomiast odparowana woda trafia do skraplacza, gdzie w wyniku przepływu wody chłodzącej następuje jej skroplenie. Czynnik chłodniczy przepływa przez zawór rozprężny do parownika, gdzie cykl obiegu zaczyna się od początku. Na rysunku 3.1 przedstawiono uproszczony schemat technologiczny jednostopniowej chłodziarki absorpcyjnej. 33

34 Woda chłodząca wyjście Woda gorąca wyjście Roztwór rozcieńczony Para Skraplacz Generator Woda gorąca wejście Roztwór stężony Woda chłodząca Wymiennik ciepła roztworu Zawór rozprężny Woda lodowa wyjście Roztwór stężony Para Parownik Roztwór rozcieńczony Absorber Woda lodowa wejście Woda chłodząca wejście Rys Zagregowany schemat technologiczny jednostopniowej chłodziarki absorpcyjnej 3.2. Zasada działania i budowa agregatów adsorpcyjnych Adsorpcja definiowana jest jako proces wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub granicy faz fizycznych [51]. Przykładem adsorpcji może być pochłanianie zapachów przez filtr węglowy. Zdolność adsorpcji zależy od wielkości powierzchni oddzielającej dwie fazy (powierzchni adsorbentu). Agregaty adsorpcyjne zbudowane są z różnych par układów adsorbent adsorbat. Najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest wykorzystanie jako adsorbatu wody, natomiast jako adsorbentu żelu krzemionkowego (silikażel). Główną zaletą stosowania jako adsorbentu żelu krzemionkowego jest jego zdolność do pochłaniania dużych ilości wody w niskich temperaturach oraz możliwość regeneracji w temperaturze poniżej. Oprócz tego środek ten jest trwały, nietoksyczny, niekorozyjny [9]. Zaletą wody jako adsorbatu jest przede wszystkim stosunkowo wysokie ciepło parowania, nietoksyczność, stabilność termiczna oraz brak negatywnego oddziaływania na środowisko [9]. W urządzeniach adsorpcyjnych stosowane są również inne czynniki chłodnicze, takie jak: amoniak, metanol, dwutlenek węgla [41, 44 ]. Na rysunku dwuzłożowego, 3.2 przedstawiono pracującego w zagregowany dwóch schemat półcyklach, agregatu które adsorpcyjnego przedstawiono na rysunkach od 3.3 do 3.9. Do podstawowych elementów urządzenia można zaliczyć: dwie komory adsorpcyjne, skraplacz, zawór rozprężny oraz parownik. 34

35 Rys Zagregowany schemat technologiczny dwukomorowej chłodziarki adsorpcyjnej Pierwszy półcykl pracy agregatu adsorpcyjnego dwukomorowego, przedstawiony na rysunku 3.3 rozpoczyna się gdy w adsorberze nr 1 panuje niskie ciśnienie i niska temperatura oraz adsorbent nasycony jest czynnikiem chłodniczym stan A, natomiast w adsorberze nr 2 panuje wysoka temperatura, wysokie ciśnienie oraz adsorber posiada minimalną wartość zaadsorbowanego czynnika stan C. Wszystkie zawory są zamknięte. Rys Zagregowany schemat chłodziarki adsorpcyjnej stan początkowy pierwszego półcyklu Do adsorbera nr 1 dostarczane jest ciepło z obiegu wody grzewczej. Zawory Z1 i Z2 są zamknięte w wyniku czego komory adsorberów są odizolowane od pozostałych elementów układu. Dostarczone ciepło powoduje wzrost ciśnienia w komorze przy stałej 35

36 wilgotności. Stan zmienia się wzdłuż izostery A-B. W adsorberze nr 2 dla tego etapu następuje odbieranie ciepła poprzez wymianę z obiegiem wody chłodniczej w wyniku czego maleje ciśnienie i temperatura. Stan adsorbera zmienia się wzdłuż izostery C-D, co zostało przedstawione na rysunku 3.4. Rys Zagregowany schemat chłodziarki adsorpcyjnej dla cyklu regeneracji złoża Gdy ciśnienie w adsorberze nr 1 wzrośnie do wartości ciśnienia skraplania Ps, a w adsorberze nr 2 osiągnie wartość ciśnienia parowania Pp następuje otwarcie zaworów Z1, łączących komorę nr 1 ze skraplaczem i komorę nr 2 z parownikiem co zostało przedstawione na rysunku 3.5. W tym momencie zaczyna się efektywna praca układu chłodniczego. Czynnik chłodniczy skroplony w skraplaczu przepływa przez zawór rozprężny, a następnie parując w parowniku pobiera ciepło z przestrzeni chłodzonej. W adsorberze nr 1 następuje desorpcja, czyli regeneracja złoża sorbentu, natomiast w adsorberze nr 2 adsorbent pochłania parę czynnika chłodniczego, utrzymując stałe ciśnienie (adsorpcja czynnika chłodniczego). Stany adsorberów zmieniają się wzdłuż izobar B-C oraz D-A. Egzotermiczny proces adsorpcji wymaga odprowadzenia nadmiaru ciepła poprzez obieg wody chłodniczej. 36

37 Rys Zagregowany schemat chłodziarki adsorpcyjnej dla cyklu chłodzenia Kiedy adsorber nr 1 osiągnie stan C, a adsorber nr 2 osiągnie stan A kończy się pierwszy półcykl, co zostało przedstawione na rysunku 3.6. Zawory Z1 zamykają się. W adsorberze nr 1 dla tego stanu panuje wysokie ciśnienie i wysoka temperatura oraz adsorbent posiada minimalną zawartość czynnika chłodniczego. W adsorberze nr 2 panuje niskie ciśnienie i niska temperatura oraz adsorbent jest nasycony czynnikiem chłodniczym. Rys Zagregowany schemat chłodziarki adsorpcyjnej stan początkowy drugiego półcyklu Drugi półcykl polega na dostarczaniu ciepła do adsorbera nr 2, oraz odbieraniu ciepła z adsorbera nr 1. W wyniku wymiany ciepła w adsorberze nr 2 wzrasta temperatura i ciśnienie wzdłuż izostery A-B. Natomiast stan adsorbera nr 1 zmienia się wzdłuż izostery C-D, co zostało przedstawione na rysunku

38 Rys Zagregowany schemat chłodziarki adsorpcyjnej dla cyklu regeneracji złoża Gdy ciśnienie w adsorberze nr 2 wzrośnie do wartości ciśnienia skraplania, oraz ciśnienie w adsorberze nr 1 spadnie do wartości ciśnienia parowania, otwierają się zawory Z2, łączące adsorber nr 2 ze skraplaczem oraz adsorber nr 1 z parownikiem. Rozpoczyna się efektywna praca układu chłodniczego. Z adsorbera nr 2 desorbuje czynnik chłodniczy, przepływając kolejno przez skraplacz, zawór rozprężny i parownik. Pary czynnika chłodniczego są pochłaniane przez złoże nr 1. Stany adsorberów zmieniają się wzdłuż izobar B-C i D-A, co zostało przedstawione na rysunku 3.8. Rys Zagregowany schemat chłodziarki adsorpcyjnej dla cyklu chłodzenia 38

39 Kiedy adsorber nr 2 osiągnie stan C, a adsorber nr 1 osiągnie stan A kończy się drugi półcykl, zawory Z2 zamykają się. Osiągamy stan początkowy, co przedstawia rysunek 3.9. Rys Zagregowany schemat chłodziarki adsorpcyjnej stan wyjściowy Pracę komory adsorpcyjnej można przedstawić na wykresie stanów termodynamicznych składającego się z czterech etapów, co zostało przedstawione na rysunku 3.: A-B przedstawia izosteryczne ogrzewanie (stały stosunek masy wody do masy adsorbentu). Adsorber ze złożem nasyconym adsorbatem jest ogrzewany ciepłem - Qo w wyniku czego następuje wzrost temperatury i ciśnienia do osiągnięcia wartości ciśnienia skraplania - Ps (stan B). B-C przedstawia proces izobarycznej desorpcji, czyli regeneracji złoża. W tym cyklu maleje zawartość wody w adsorbencie. Po osiągnięciu ciśnienia skraplania (punkt B) pary adsorbatu przepływają z adsorbera do skraplacza. Teoretycznie etap ten ulega zakończeniu, gdy złoże jest całkowicie zregenerowane, czyli w momencie gdy cała woda ulegnie odparowaniu (punkt C). W etapie tym dostarczane jest do układu ciepło desorpcji - Qd. C-D obrazuje izosteryczne chłodzenie w etapie którym maleje ciśnienie i temperatura do osiągnięcia wartości ciśnienia parowania - Pp (punkt D). Z układu odprowadzane jest ciepło chłodzenia - Qc. D-A przedstawia proces izobarycznej adsorpcji, której towarzyszy wydzielanie ciepła adsorpcji - Qa. Adsorbent pochłania parę czynnika chłodniczego przy ciśnieniu parowania. 39

40 Rys. 3.. Idealny wykres chłodzenia adsorpcyjnego [11] Stosunek ilości ciepła odebranego w wyniku parowania do ilości ciepła dostarczonego w etapie ogrzewania złoża i desorpcji stanowi współczynnik wydajności chłodniczej COP [11], przedstawiony w postaci zależności 3.1:, COP = (3.1) gdzie: COP współczynnik Dla wydajności agregatów chłodniczej, adsorpcyjnych ang. coefficient dwuzłożowych COP of performance. wynosi zazwyczaj od 0.35 do 0.7 [45], Qp ciepło parowania, odebrane z pomieszczenia chłodzonego w GJ, Qo ciepło ogrzewania, dostarczone np. z miejskiej sieci ciepłowniczej w GJ, Qd ciepło desorpcji, konieczne do regeneracji złoża w GJ.

41 4. Analiza pracy instalacji badawczej wykorzystania energii cieplnej do wytwarzania chłodu w procesie adsorpcji 4.1. Opis instalacji badawczej Badania eksperymentalne wykorzystania energii cieplnej do wytwarzania chłodu w procesie adsorpcji przeprowadzono na specjalnie zaprojektowanej i wykonanej do tego celu instalacji badawczej. Instalacja badawcza składa się z dwóch podsystemów: ciepłowniczego, odpowiedzialnego za przygotowanie gorącej wody o odpowiednich parametrach do zasilenia agregatu adsorpcyjnego, chłodniczego, odpowiedzialnego za wytworzenie wody lodowej o określonej temperaturze, odprowadzenie ciepłą z chłodzonego pomieszczenia oraz nadmiaru ciepła z całej instalacji. Na rysunkach 4.1 oraz 4.3 przedstawiono rozdzielony układ instalacji badawczej na podsystemy ciepłowniczy i chłodniczy. 41

42 Rys Schemat technologiczny podsystemu ciepłowniczego instalacji badawczej Podstawowym zespołem podsystemu ciepłowniczego przedstawionego na rysunku 4.1 jest kompaktowy węzeł jednofunkcyjny, typ CT o mocy cieplnej 14 kw, który służy do: 42

43 obniżenia ciśnienia wody z sieci ciepłowniczej do wartości poniżej 0,4 MPa, bezpiecznej dla agregatu adsorpcyjnego, utrzymywania zadanej temperatury i przepływu gorącej wody zasilającej agregat adsorpcyjny poprzez regulację strumienia przepływu na zasilaniu wymiennika, Pozostałe elementy podsystemu ciepłowniczego pełnią funkcję: pomiaru ilości energii pobranej z sieci ciepłowniczej oraz dostarczonej do agregatu adsorpcyjnego, pomiaru temperatury wody na zasilaniu i powrocie po stronie wysokiego i niskiego ciśnienia, pomiaru przepływu wody w obiegu zasilania wymiennika i zasilania agregatu, pomiaru ciśnienia czynnika grzewczego, zabezpieczenia układu przed nadmiernym wzrostem ciśnienia, oczyszczenia wody zasilającej agregat adsorpcyjny. Na rysunku 4.2 przedstawiono zdjęcie kompaktowego węzła cieplnego instalacji badawczej. Rys Widok węzła cieplnego o mocy 14 kw 43

44 Rys Schemat technologiczny podsystemu chłodniczego instalacji badawczej Podstawowym urządzeniem podsystemu chłodniczego przedstawionego na rysunku 4.3 jest agregat adsorpcyjny produkcji sortech, typ ecoo /IPS o nominalnej mocy chłodniczej 7 kw. Podsystem chłodniczy składa się z dwóch podstawowych obiegów hydraulicznych: 1) obiegu wody lodowej, 2) obiegu odprowadzenia ciepła z instalacji. Obieg wody lodowej służy do odprowadzenia ciepła z pomieszczenia chłodzonego poprzez dwa klimakonwektory podsufitowe EV2 MOP 80, produkcji Yardy. 44

45 Obieg odprowadzenia ciepła z instalacji rozdzielony jest węzłem separacyjnym, dzięki czemu istnieje możliwość pracy instalacji przez cały rok, również przy temperaturach zewnętrznych poniżej 0. W obiegu hydraulicznym zasilającym wieżę chłodniczą czynnikiem roboczym jest roztwór wody z glikolem, przez co w sytuacjach awaryjnych lub celowego wyłączenia instalacji dla temperatur poniżej 0 nie ma ryzyka zamarznięcia cieczy. W obiegu odprowadzenia ciepła z agregatu czynnikiem roboczym jest woda. W części chłodniczej zainstalowano systemy pomiarowo-kontrolne umożliwiające: pomiar ilości energii pobranej z pomieszczenia chłodzonego, pomiar ilości energii odprowadzonej z instalacji, pomiar temperatury wody na zasilaniu i powrocie w każdym obiegu hydraulicznym, pomiar przepływu wody zasilającej agregat, pomiar ciśnień, zabezpieczenie układu przed nadmiernym wzrostem ciśnienia, oczyszczenie wody zasilającej agregat adsorpcyjny. Na rysunku 4.4 przedstawiono zdjęcie agregatu adsorpcyjnego instalacji badawczej. Rys Widok agregatu adsorpcyjnego ecoo /IPS prod. Sortech 45

46 Podstawowe parametry techniczne agregatu adsorpcyjnego ecoo /IPS: maksymalna moc chłodnicza 12 kw, nominalna moc chłodnicza 7 kw, maksymalny współczynnik sprawności COP 0.65, nominalny współczynnik sprawności COP 0.56, zasilanie 2 VAC, 50 Hz, pobór mocy nominalnie 1 W, maksymalnie 4 W, w obiegu gorącej wody (Hot Water Circuit, Driving Circuit): zakres temperatury wody zasilającej jednostkę od 55 do 95, nominalny przepływ gorącej wody 2500 l/h, strata ciśnienia 22 kpa, w obiegu odprowadzenia ciepła z instalacji (Recooling Circuit): maksymalna temperatura wody 45, nominalny przepływ wody 5000 l/h, strata ciśnienia kpa, w obiegu wody lodowej (Cold Water Circuit): minimalna temperatura wody 4, nominalny przepływ wody 1700 l/h, strata ciśnienia 23 kpa. Na rysunku 4.5 przedstawiono zdjęcie klimakonwektorów podsufitowych EV2 MOP 80. Rys Widok klimakonwektorów podsufitowych EV2 MOP 80, prod. Yardy Dwa klimakonwektory o mocy nominalnej pojedynczej jednostki kw (dla temp. pomieszczenia 27, temp. wody zasilającej 7 oraz Δt = 5 ), służą do odprowadzania energii cieplnej z chłodzonego pomieszczenia szaf tyrystorowych. Nominalny przepływ wody dla jednej jednostki wynosi 92 l/h. Każdy klimakonwektor wyposażony jest w trzy wentylatory wymuszające przepływ 994 m3/h. Urządzenia zasilane są napięciem 2 VAC zużywając 116 W mocy elektrycznej. 46

47 Na rysunku 4.6 przedstawiono zdjęcie chłodni wentylatorowej RCS08 produkcji Sortech. Rys Widok chłodni wentylatorowej RCS08 prod. Sortech Chłodnia wentylatorowa RCS08 wyposażona w jeden wentylator służy do odprowadzenia ciepła z instalacji. Nominalna moc chłodnicza urządzenia wynosi 21 kw. Chłodnia posiada również układ zraszania tzw. dry-cooler, który służy do cyklicznego nawilżania powietrza w wysokich temperaturach otoczenia. Urządzenia zasilone z sieci 3-f zużywa 0,65 kw mocy elektrycznej. Na rysunku 4.7 przedstawiono zdjęcie węzła separacyjnego. Rys Widok węzła separacyjnego 47

48 Węzeł separacyjny oddziela obwód wody znajdujący się wewnątrz budynku z obwodem roztworu woda-glikol wyprowadzonym na zewnątrz obiektu, umożliwiając tym samym całoroczną pracę instalacji. Na rysunku 4.8 przedstawiono zdjęcia rozdzielni zasilania elektrycznego i aparatury kontrolno-pomiarowej. Rys Widok rozdzielni zasilania elektrycznego i aparatury kontrolno pomiarowej System sterowania i rejestrowania parametrów pracy instalacji badawczej został zrealizowany na sterowniku serii TAC Xenta 711 produkcji Schneider. Wbudowany serwer Web, pozwala na zdalny dostęp do programu aplikacyjnego sterownika oraz sieci urządzeń sterujących z poziomu przeglądarki internetowej. Na rysunku 4.9 przedstawiono okno graficzne programu do sterowania instalacją badawczą z rejestratorami temperatur oraz licznikami energii. 48