dr inż. Edyta Dudkiewicz Wydział Inżynierii Środowiska Politechnika Wrocławska Wykorzystanie ciepła odpadowego ze spalin rurowych promienników gazowych Harnessing waste heat from gas tube heaters Streszczenie:. W artykule scharakteryzowano promienniki gazowe, stosowane do ogrzewania hal wielkokubaturowych, w szczególności o dużej wysokości. Omówiono sprawność promienników jako parametr decydujący przy doborze urządzeń. Przedstawiono nowoczesne rozwiązania technologiczne do odzysku ciepła z promienników gazowych. Obliczono i porównano zapotrzebowanie na paliwo gazowe dla systemów radiacyjnego z odzyskiem ciepła odpadowego i konwekcyjnego. Przeprowadzono analizę ekonomiczną w celu określenia opłacalności przedsięwzięcia związanego z odzyskiem ciepła ze spalin. Abstract: In the article gas infrared heaters are characterized, which are used for heating large-space buildings, especially in high facilities. The article discusses the efficiency of the infrared heaters as a determinative parameter for selection of the devices. Technological solution of the recover waste heat from gas radiant heaters is presented. Gas consumption for radiant heating system with recover waste heat and convection heating was calculated and compared. The economic analysis was performed to determine the profitability of the heat recovery system. Sprawność promienników gazowych W halach wielkokubaturowych tradycyjne ogrzewanie konwekcyjne jest nieekonomiczne i stwarza trudności eksploatacyjne [1]. Dlatego do ogrzewania budynków wielkokubaturowych, w szczególności wysokich, właściwym rozwiązaniem jest stosowane systemów z gazowymi promiennikami podczerwieni. Urządzenia te dzielą się ze względu na sposób spalania mieszanki powietrzno-gazowej na promienniki o wysokiej intensywności (ceramiczne) i o niskiej intensywności (rurowe). Oba rodzaje urządzeń zaliczane są do systemów radiacyjnych [1, 2]. Należy jednak zauważyć, że zarówno promienniki jak i tradycyjne urządzenia konwekcyjne tzn. grzejniki, oddają ciepło do przestrzeni zarówno przez promieniowanie (radiację) jak i konwekcję. Jeżeli udział ciepła oddawanego przez promieniowanie jest większy niż przez konwekcję, wówczas mówimy o ogrzewaniu przez promieniowanie. Bilans mocy dla gazowego promiennika podczerwieni i jego sprawność zostały omówione w publikacjach [3, 4]. Promienniki oddają ciepło do otoczenia w większej części przez promieniowanie. Jednak znaczna liczba urządzeń dostępnych na rynku przekazuje do otoczenia aż 55% całego ciepła przez konwekcję. Ciepło to w bilansie grzewczym budynku jest właściwie ciepłem traconym, bowiem gromadzi się w przestrzeni pod stropem hali [5]. Tak więc przy doborze
ilości i mocy promienników należy się kierować sprawnością radiacyjną (kierunkową) promienników ηr, obliczaną ze wzoru: w którym: η R = Q R Q c 100 (1) ηr sprawność radiacyjna (kierunkowa), %; QR moc promieniowania wysyłana w żądanym kierunku, kw; Qc moc całkowita promiennika, kw. Na sprawność radiacyjną promienników ηr wpływa jakość materiałów konstrukcyjnych wykorzystanych do budowy reflektora i jego izolacji, konstrukcja palnika i ukształtowanie płomienia wewnątrz rur promieniujących [3, 4]. Promienniki rurowe wysokosprawne mogą osiągać sprawność radiacyjną do 72%, zaś wysokosprawne promienniki ceramiczne do 80%. Sprawność cieplna (moc cieplna) podawana w kartach katalogowych promienników gazowych na poziomie 95%, to w rzeczywistości moc palników. Rzeczywista sprawność radiacyjna promienników nie jest podawana przez wielu producentów ze względu na kosztowny sposób jej pomiaru zgodnie z normą PN-EN 419-2 [6] dla promienników ceramicznych (jasnych) i zgodnie z PN-EN 416-2:2010 [7] dla promienników rurowych (ciemnych). Badania te jak dotąd nie są wykonywane w Polsce [4]. Odzysk ciepła z promienników rurowych W rurowych promiennikach gazowych spalanie mieszanki gazowo-powietrznej odbywa się wewnątrz rury, a spaliny zostają odprowadzone kanałami spalinowymi na zewnętrz pomieszczenia. Istnieje możliwość odzysku i wykorzystania ciepła z gorących spalin przez zastosowanie odpowiedniego wymiennika ciepła. W systemach grzewczych z gazowymi promiennikami dostępne są już na rynku różne rozwiązania technologiczne odzysku ciepła oparte o wymienniki [8, 9, 10]. W rozwiązaniach układu odzysku ciepła odpadowego z wymiennikiem typu spaliny/woda czynnikiem wymiany ciepła jest woda, która podgrzewa zapas wody gromadzony w zbiorniku buforowym, będącym akumulatorem ciepła (rys. 1). Rys. 1. Schemat instalacji odzysku ciepła z wykorzystaniem wymiennika ciepła typu spaliny/woda [8].
Odzyskana energia cieplna zmagazynowana w wodzie wypełniającej zbiornik buforowy, może być przeznaczona np. do ogrzania pomieszczeń biurowych. Taki układ odzysku ciepła można również wykorzystać do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Zbiornik buforowy zastępowany jest wówczas podgrzewaczem pojemnościowym ciepłej wody użytkowej z dwiema wężownicami. Rozwiązanie to wymaga zastosowania dodatkowego źródła ciepła do przygotowania wody użytkowej poza sezonem grzewczym oraz w przypadku niewystarczalności energii ze źródła odpadowego. Układ wraz z analizą ekonomiczną omówiono w [10]. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie w układzie odzysku ciepła ze spalin wymiennika typu spaliny/powietrze. Na konstrukcję wymiennika składa się stalowa rura w rurze o długości 4 m, w której dochodzi do schłodzenia spalin do temperatury punktu rosy (poniżej 57 C) i kondensacji pary wodnej przy przepływie przeciwprądowym powietrze/spaliny. Ogrzane powietrze doprowadzane jest do strefy przebywania ludzi za pomocą wentylatora, montowanego najczęściej po zimnej stronie wymiennika. Schemat układu pokazano na rys. 2 [9]. Temperatura spalin na wylocie z rury promiennika zależy od rodzaju i sprawności promiennika. Dla wysokosprawnych promienników rurowych (ηr = 72%) temperatura spalin na wyjściu z promiennika to niemal 200 C, zaś dla promienników o sprawności niższej (ηr = 52-59%) temperatura spalin wynosi około 350 C. Za wymiennikiem ciepła temperatura spalin wynosi około 45 C (rys. 3). Temperatura powietrza obiegowego przy przepływie przez wymiennik wzrasta o około 15K [9]. Rys. 2. Budowa układu odzysku ciepła ze spalin promiennika rurowego z wymiennikiem spaliny/powietrze [9].
Rys. 3. Temperatura spalin na wylocie z wysokosprawnego promiennika rurowego i za wymiennikiem ciepła. Układ odzysku ciepła można zbudować z każdym promiennikiem rurowym o mocy niższej niż 40 kw. Ograniczenie mocy promiennika wynika z dużych rozmiarów (powyżej 9 m długości) urządzeń o mocy wyższej niż 40 kw i bardzo dużych oporów ciśnienia przy przepływie spalin. Zamontowane palniki w takich promiennikach nie są w stanie pokonać strat ciśnienia powstałych przy przepływie spalin przez urządzenie i wymiennik ciepła. Rys. 4. Bilans sprawności dla rurowego gazowego promiennika podczerwieni z odzyskiem ciepła [9]. W wyniku zastosowania układu do odzysku ciepła ze spalin i kondensacji uzyskujemy wzrost sprawności cieplnej układu do 110% (rys. 4) [9, 11]. Odzysk ciepła z wymiennika szacuje się na poziomie 15-20%, co oznacza, że dla promiennika o mocy 40 kw można odzyskać do 6-8 kw ciepła. Większy odzysk ciepła uzyskuje się, gdy do wymiennika doprowadzane jest powietrze z zewnątrz hali o niższej temperaturze, niż gdy do wymiennika
doprowadzane jest powietrze obiegowe z wnętrza hali. Możliwe jest bowiem rozwiązanie układu na dwa sposoby: 1 do wymiennika doprowadzane jest wewnętrzne powietrze obiegowe, a kominem koncentrycznym doprowadzane jest powietrze do promiennika do spalania gazu oraz usuwane są spaliny; w stropodachu wykonuje się wówczas jeden otwór dla jednego promiennika; 2 - kominem koncentrycznym dostarczane jest do wymiennika zewnętrzne powietrze oraz usuwane są spaliny; zaś osobnym przewodem doprowadzane jest powietrze do palnika promiennika do spalania gazu; w stropodachu wykonywane są dwa otwory dla jednego promiennika. Układ odzysku ciepła buduje się indywidualnie dla każdego promiennika, nie łączy się promienników we wspólny układ odprowadzenia spalin. Wymiennik montuje się na przedłużeniu promiennika w linii prostej lub równolegle do promiennika. Równoległe umieszczenie promiennika i wymiennika ułatwia wykonanie rozwiązania odprowadzenia spalin przez przewód koncentryczny i doprowadzenia z zewnątrz powietrza do ogrzania w wymienniku lub do spalania. Kondensat z wymiennika, przykładowo w ilości około 25 l/h dla promiennika o mocy 40 kw, zbierany jest przewodami z tworzywa sztucznego o średnicy 18 mm i grawitacyjnie odprowadzany przez neutralizator do sieci kanalizacyjnej. Przewód musi być podłączony przez zasyfonowanie. Dobór promienników i układu odzysku ciepła Przy doborze systemu ogrzewania z rurowymi promiennikami gazowymi i układem odzysku ciepła ze spalin należy kolejno: obliczyć zapotrzebowanie na ciepło budynku zgodnie z PN-EN 12831 [12]; przy czym literatura [5, 10, 13] podaje, że obliczone na podstawie normy [12] zapotrzebowanie na ciepło, należy obniżyć o około 20-30% przy zastosowaniu systemu grzewczego z wykorzystaniem promienników gazowych podczerwieni; dobór urządzeń z uwzględnieniem sprawności radiacyjnej promienników; podanie typu i mocy urządzeń, miejsca i wysokości montażu, kąta nachylenia i rozstawu między nimi, określenia zasięgu promieniowania na powierzchni podłogi; określenie temperatury odczuwalnej, promieniowania oraz intensywności promieniowania i mocy zainstalowanych urządzeń w przeliczeniu na m 2 powierzchni podłogi. W bilansie ciepła budynku i przy doborze mocy i ilości urządzeń nie uwzględnia się dodatkowej energii z układu odzysku ciepła. Efekty z wykorzystania energii odpadowej będą widoczne w kosztach eksploatacyjnych. Komfort cieplny w pomieszczeniach ogrzewanych przez promieniowanie Na rys. 5 pokazano opracowany przez Bedforda i Lise [14, 15] diagram zależności temperatury powietrza wewnętrznego i temperatury ścian na komfort cieplny człowieka w pomieszczeniu w zależności od sytemu ogrzewania przez promieniowanie lub konwekcję. Jak wynika z wykresu im wyższa jest temperatura ścian, tym niższa może być temperatura powietrza dla zapewnienia komfortu cieplnego. Dlatego w pomieszczeniach ogrzewanych przez promieniowanie, gdy temperatura przegród jest wyższa niż powietrza wewnętrznego, a
komfort cieplny człowieka osiągany jest przy niższych temperaturach powietrza niż przy ogrzewaniu konwekcyjnym, można uzyskać większe oszczędności energii - nawet do 6% [16]. Należy jednak zauważyć, że specyfiką ogrzewania za pomocą promienników gazowych w halach jest takie rozmieszczenie urządzeń, aby zapewnić równomierne pokrycie powierzchni podłogi zakresem działania promienników i ogrzanie ścian do wysokości do 2 m w celu eliminacji zjawiska asymetrycznego pola promieniowania cieplnego [13]. Diagram na rys. 5 nie będzie więc miał bezpośredniego zastosowania przy projektowaniu ogrzewania za pomocą promienników gazowych, jednak pokazuje jak istotny jest wpływ rodzaju systemu grzewczego na komfortu cieplnego człowieka. Rys. 5. Diagram zależności temperatury powietrza wewnętrznego i temperatury ścian na komfort cieplny człowieka w zależności od sytemu ogrzewania przez promieniowanie lub konwekcję [14]. Prawidłowo zaprojektowane ogrzewanie przez promieniowanie ma zapewnić osiągnięcie w pomieszczeniu żądanej temperatury odczuwalnej to [2, 13]. Zależność na tę temperaturę wyraża wzór: t o = t p + fi (2) w którym: tp temperatura powietrza, C, f - współczynnik Bedforda; f = 0,072 według metody pomiarowej A, bądź f = 0,24 według metody pomiarowej B, zgodnie z [13, 17]; I intensywność promieniowania, czyli moc przenoszona przez falę lub strumień cząstek, która przechodzi przez jednostkowy element powierzchni, W/m². Analiza systemu z promiennikami i odzyskiem ciepła Przeprowadzono obliczenia sezonowego zapotrzebowanie na gaz i energię cieplną dla dwóch systemów ogrzewania radiacyjnego i konwekcyjnego dla hali o powierzchni posadzki
A = 6300 m 2 i wysokości 8,4 m. Założono czas pracy pracowników w hali 8 godz./dobę i dodatkowo uwzględniono nadwyżkę energii do ogrzania wyziębionej hali. Zapotrzebowanie na ciepło, obliczone zgodnie z PN-EN 12831 [12], wynosi 340 kw. Wymagana temperatura odczuwalna w hali wynosi 20 C. Zgodnie z wytycznymi producenta promienników gazowych, z uwzględnieniem sprawności urządzenia, dobrano 10 sztuk promienników rurowych o mocy 29 kw każdy. Intensywność promieniowania wyznaczona zgodnie z metodą A [17] wynosi 11 W/m 2, co pozwala wyznaczyć na podstawie formuły (2) wymaganą temperaturę powietrza w hali 19,2 C. Symbol Tab. 1. Obliczeniowe zapotrzebowanie na paliwo dla systemów grzewczych. System radiacyjny System radiacyjny z odzyskiem ciepła System konwekcyjny Q moc zainstalowana [kw], 290,0 290,0 340,0 W d W t Std współczynnik uwzględniający przerwy w ogrzewaniu w okresie doby [-], współczynnik uwzględniający przerwy w ogrzewaniu w okresie tygodnia [-], liczba stopniodni okresu ogrzewania dla założonej temperatury wewnętrznej [ C doba], 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 3443 3443 3623 86400 liczba sekund na dobę [s/doba], 86 400 86 400 86 400 w u wartość opałowa gazu [kj/m 3 ], 34 430 34 430 34 430 h r sprawność regulacji systemu [-], 0,98 0,98 0,98 h w sprawność wytworzenia ciepła [-], - - 0,96 h p sprawność przesyłu ciepła [-], - - 0,97 t i t e obl B E temperatura powietrza w pomieszczeniu [ C], obliczeniowa temperatura zewnętrzna [ C], sezonowe zapotrzebowanie paliwa [m 3 /rok] sezonowe zapotrzebowanie na energię [kwh/rok] oszczędności w porównaniu do systemu konwekcyjnego 19,2 19,2 20-18 -18-18 38 660 30 928 50 141 379 644 303 715 492 386 23% 38% - Bazując na zmodyfikowanym wzorze Hottingera [18], obliczono sezonowe zapotrzebowanie na gaz i energię cieplną dla systemu radiacyjnego i konwekcyjnego (tab. 1). Obliczono również i pokazano na rys. 6 zapotrzebowanie na paliwo dla systemu radiacyjnego z odzyskiem ciepła odpadowego z wymiennikiem spaliny/powietrze kolumna po prawej. Koszty inwestycyjne układu odzysku ciepła ze spalin mogą stanowić nawet do 70 % całkowitych kosztów systemu grzewczego [10]. Dla przykładowo przedstawionej hali układ odzysku ciepła, czyli 10 sztuk wymienników ciepła z wentylatorami do obiegu powietrza wewnętrznego, kominy i odpowiednia automatyka to koszt 13 500. Do oceny efektów
B, [m 3 /rok] ekonomicznych wynikających z zastosowania układu odzysku ciepła ze spalin zastosowano wskaźniki opłacalności inwestycji [10]: - prosty czas zwrotu nakładów SPBT, - wartość zaktualizowana netto NPV, - wewnętrzna stopa zwrotu IRR charakteryzującą stopień rentowności rozpatrywanego przedsięwzięcia. Założono 10-letni okres amortyzacji i 5-proc. stopę dyskonta w rozpatrywanym okresie. Przedstawiona hala kwalifikuje się do taryfy W5-1 zgodnie z taryfikatorem dostawców gazu. Ceny gazu dla odbiorców końcowych w Polsce są zatwierdzane urzędowo przez prezesa URE. Jednakże, sprzedawcy mogą dawać rabaty od cen taryfowych, co oznacza możliwość osiągnięcia istotnych korzyści wynikających ze zmiany sprzedawcy gazu [19]. Obecnie w Polsce jest 8 głównych sprzedawców gazu, co daje możliwość znalezienia oferty niższej o 5-10% od urzędowej taryfy PGNiG [19]. W tabeli 2 zestawiono wskaźniki opłacalności dla przedstawionej inwestycji odzysku ciepła ze spalin promienników rurowych przy założeniu dwóch różnych cen za paliwo gazowe: 11 gr/kwh i 13 gr/kwh. Dla przyjętych założeń analiza ekonomiczna wykazała, że inwestycja odzysku ciepła ze spalin w okresie 10 lat przy stopie dyskonta 5% będzie opłacalna. Suma zdyskontowanych przepływów pieniężnych netto będzie w każdym rozwiązaniu cenowym większa od zera, czas zwrotu inwestycji wyniesie 6-7 lat, również wskaźnik IRR planowego przedsięwzięcia wskazuje na opłacalność inwestycji. 60000 50000 50141 40000 30000 38660 30928 20000 10000 0 System radiacyjny System konwekcyjny Rys. 6. Prognozy rocznego zużycia gazu dla systemów ogrzewania hali.
Tab. 2. Ocena efektywności ekonomicznej inwestycji odzysku ciepła z promienników Cena netto w taryfie W-5 za paliwo gazowe [zł/kwh] 0,11 0,13 Wartość inwestycji odzysku ciepła netto [zł] 59 000 59 000 Oszczędność roczna netto [zł] 8 352 9 870 Prosty czas zwrotu nakładów SPBT [lata] 7,06 5,98 Wartość zaktualizowana netto NPV [zł] 5 493 17 219 Wewnętrzna stopa zwrotu IRR [%] 6,9 10,6 Cena za paliwo gazowe na cele grzewcze [zł/rok] 33 409 39 483 Podsumowanie Nowoczesne rozwiązania technologiczne pozwalają odzyskiwać ciepło odpadowe z systemów grzewczych z użyciem promienników gazowych, stosowanych w halach wielkokubaturowych. Odzyskaną energię można wykorzystać w zależności od potrzeb budynku na inne cele dzięki różnym konstrukcjom wymienników ciepła i mediów transportujących ciepło. Sezonowe zapotrzebowaniem na paliwo w obiektach wielkokubaturowych jest tak duże, że odzysk ciepła wydaje się właściwym i rozsądnym rozwiązaniem. Ale przede wszystkim odpowiedni system grzewczy w takim budynku jest nie bez znaczenia. Jak wykazała prosta analiza, zastosowanie systemu radiacyjnego powoduje roczne oszczędności ilości energii na poziomie 23% w porównaniu do systemu konwekcyjnego, a zastosowanie system radiacyjnego z odzyskiem ciepła odpadowego to 38% oszczędzonej rocznie energii w porównaniu do systemu konwekcyjnego. Analiza ekonomiczna również wykazała, że inwestycja w odzysk ciepła z promienników okazuje się opłacalna, bowiem czas zwrotu nakładów jest relatywnie krótki, a wskaźniki efektywności ekonomicznej wskazują na zyskowność inwestycji. Należy jednak mieć na uwadze, że każdą inwestycję należy rozpatrywać indywidualnie, bowiem wiele czynników wpływa na opłacalność przedsięwzięcia związanego z odzyskiem ciepła, m.in. cena paliwa gazowego w danym regionie. Literatura 1. Kosieradzki J., Ogrzewanie hal przemysłowych konwekcja czy promieniowanie?, Rynek Instalacyjny, 4/2012. 2. Dörholt M., Eppe K., Wer die Wahl hat, hat die Qual, Moderne Gebäudetechnik 10/2008 s. 20-23. 3. Dudkiewicz E., Fidorów N., Jeżowiecki J., Wpływ sprawności promienników podczerwieni na koszt zużycia energii, Rocznik Ochrona Środowiska. 2013, t. 15, cz. 2, s. 1804-1817. 4. Dudkiewicz E., Promienniki rurowe w aspekcie wymagań normy PN-EN 416-2 Rynek Instalacyjny, 2014, R. 22, nr 5, s. 82-85. 5. Cihelka J., Ogrzewanie przez promieniowanie, Arkady, Warszawa 1965. 6. PN-EN 419-2:2012 Gazowe promienniki wysokotemperaturowe do stosowania w pomieszczeniach niemieszkalnych Część 2: Racjonalne zużycie energii. 7. PN-EN 416-2:2010 Gazowe jednopalnikowe promienniki niskotemperaturowe do stosowania w pomieszczeniach niemieszkalnych -- Część 2: Racjonalne zużycie energii. 8. http://www.kuebler-ogrzewanie-hal.pl/produkte.php, 16.09.2016.
9. http://www.schwank.pl/fileadmin/00_customer/pl/pdf/tetraschwank_pl.pdf, 17.06.2016. 10. Dudkiewicz E., Fidorów N., Wykorzystanie ciepła ze spalin promienników do przygotowania ciepłej wody, Rynek Instalacyjny, 2015, R. 23, nr 6, s. 18-22. 11. Żuchowski S., Technika kondensacyjna. Korzyści płynące z zastosowania kotłów kondensacyjnych cz.1. Rynek Instalacyjny 11/2009. 12. PN-EN 12831 Instalacje ogrzewcze w budynkach Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego. 13. Dudkiewicz E., Jeżowiecki J., Badania pola cieplnego w halach ogrzewanych promiennikami ceramicznymi, Komitet Inżynierii Środowiska PAN, Lublin 2007. 14. Global Scaling: Basis eines neuen wissenschaftlichen Weltbildes BoD Books on Demand, 2009 München November 2009. 15. http://vidrocerto.org.br/o-isolante-termico-translucido/, 8.09.2016. 16. http://www.solandheat.com/english/faq-infrared/, 9.09.2016. 17. Heizungsanlagen mit Dunkelstrahlern. Planung Installation Betrieb, DVGW- Arbeitsblatt G 638/II, 03/1991. 18. Dudkiewicz E. Fidorów N., Jeżowiecki J.. Analiza zużycia energii dla grzewczych systemów promieniujących, Rocznik Ochrona Środowiska. 2013, t. 15, cz. 3, s. 2293-2308. 19. https://enerad.pl/rynek-energii/rynek-gazu/gaz-dla-firmy/ 23.09.2016.