Wprowadzenie

W większości obiektów, w których pracują instalacje chłodnicze, mamy do czynienia z klasycznym paradoksem: z jednej strony płacimy za chłód, a z drugiej… bez sensu wyrzucamy ogromne ilości ciepła do atmosfery. Centrale wentylacyjne chillery, dry coolery, freecoolery – wszystko to pracuje tylko po to, żeby pozbyć się energii, która bardzo często mogłaby zostać wykorzystana na miejscu.

Odzysk ciepła z instalacji chłodniczych nie jest żadną nowością ani „kosmiczną technologią”. Problem polega raczej na tym, że w wielu projektach w ogóle się nad nim nie zastanawia – albo rozważa się go bardzo powierzchownie. A różnica między obiektem, w którym odzysk ma sens, a takim, w którym będzie tylko drogim gadżetem, jest ogromna.

Podstawy działania chillera i ciepło skraplania

Na parowniku układu chłodniczego chillera (agregatu wody lodowej) rozprężony, zimny czynnik chłodniczy schładza wodę, którą zasilana jest np. chłodnica centrali wentylacyjnej, po czym sprężarka podnosi ciśnienie i temperaturę czynnika, a w skraplaczu następuje jego kondensacja – oddając do otoczenia ciepło skraplania. Ciepło to jest sumą ciepła pobranego na parowniku i pracy sprężarki. Zwykle więc jest ono ok. 20–30% większe od uzyskanego chłodu (np. 100 kW chłodu ≈ 130 kW ciepła).

Ciepło skraplania zawiera kilka składowych: ciepło przegrzanego gazu (najwyższa temperatura) oraz ciepło kondensacji i dochłodzenia (niższa temperatura). Najwyższą temperaturę ma ciepło przegrzania (gorący gaz ~70–90°C), natomiast większość energii dostępna jest przy niższych temperaturach (30–45°C). Ta różnica determinuje metody i efektywność odzysku ciepła.

Sposoby odzysku ciepła ze skraplacza

Możliwe są dwa główne rozwiązania: częściowy odzysk ciepła (tylko z przegrzania, tzw. desuperheater) oraz całkowity odzysk ciepła skraplania (pełne przekazanie ciepła do wody). W obu przypadkach do układu chłodniczego dodaje się wymiennik ciepła odzyskujący energię z czynnika zanim zostanie ona rozproszona.

Częściowy odzysk ciepła (desuperheater)

Przy częściowym odzysku dodatkowy wymiennik (np. płytowy) odbiera ciepło od przegrzanego czynnika przed głównym skraplaczem. Umożliwia to wykorzystanie wysokotemperaturowej energii bez dużego wpływu na pracę chłodziarki. Desuperheater odzyskuje do ok. 15–20% całkowitej mocy cieplnej skraplacza. Zapewnia przy tym wysoką temperaturę wody (do ~60°C), wystarczającą do podgrzewania c.w.u.. Ograniczeniem jest mniejsza ilość odzyskanej energii (reszta ciepła wciąż oddawana jest do otoczenia).

Całkowity odzysk ciepła skraplania

W układach z pełnym odzyskiem niemal całe ciepło skraplania przekazywane jest do obiegu grzewczego zamiast do otoczenia. Realizuje się go poprzez specjalne skraplacze lub dodatkowe wymienniki odzyskowe w układzie. Pełny odzysk ciepła pozwala przejąć nawet 80–90% energii odpadowej, zapewniając dużą moc grzewczą. Pozwala to na jednoczesne chłodzenie i grzanie – np. hotel może równocześnie klimatyzować pomieszczenia i ogrzewać wodę użytkową.

Ograniczeniem pełnego odzysku jest osiągalna temperatura wody. Ponieważ woda nie może nagrzać się powyżej temperatury kondensacji czynnika, w praktyce maksimum to ok. 45–50°C.

Obiekty użyteczności publicznej a przemysł – 2 różne światy

Nie każdy obiekt daje takie same możliwości odzyskania ciepła z układów chłodzenia. Inaczej patrzymy na odzysk ciepła w budynku biurowym, a inaczej w zakładzie przemysłowym, który chłodzi proces technologiczny 24/7.

Obiekty użyteczności publicznej – chłód sezonowy, ciepło okazjonalne

W obiektach biurowych, galeriach handlowych, szkołach, obiektach sportowych czy usługowych chłodzenie działa zazwyczaj w trybie sezonowym – od późnej wiosny do wczesnej jesieni. To oznacza jedno: ciepło odpadowe z agregatów chłodniczych jest dostępne tylko w tym okresie.

Czy to oznacza, że odzysk nie ma sensu? Absolutnie nie. Trzeba tylko dobrze dobrać zastosowanie.

Najbardziej naturalnym kierunkiem jest tutaj podgrzewanie ciepłej wody użytkowej. W okresie letnim zapotrzebowanie na c.w.u. wcale nie znika – a wręcz przeciwnie: obiekty sportowe, hotele, szkoły letnie czy biura w pełnym obłożeniu zużywają jej sporo. Podgrzewanie zasobnika c.w.u. ciepłem ze skraplania czynnika chłodniczego jest rozwiązaniem prostym, przewidywalnym i łatwym do policzenia.

Nie mówimy tu oczywiście o pełnym pokryciu zapotrzebowania, ale o wstępnym podgrzewie, który znacząco odciąża podstawowe źródło ciepła. Jak powiedzieliśmy wyżej, limituje nas temperatura kondensacji czynnika (45–50°C). Wystarczy to do ogrzewania niskotemperaturowego, ale może nie pokryć pełnych wymagań c.w.u. (55–60°C). Dlatego pełny odzysk stosuje się głównie jako wstępne podgrzewanie – dalej wodę dogrzewa kocioł lub grzałka.

Ogrzewanie budynku? W obiektach użyteczności publicznej raczej marginalnie. W momencie, gdy chłodzenie jeszcze pracuje, zapotrzebowanie na ogrzewanie jest zazwyczaj niewielkie lub zerowe.

Przemysł – chłodzenie całoroczne, ogromny potencjał

Zużycie energii chłodniczej w przemyśle to zupełnie inna liga. Przetwórstwo tworzyw sztucznych jest dobrym przykładem: chłodzenie form wtryskowych, stabilizacja temperatury narzędzi, chłodzenie oleju hydraulicznego w układach zamykania form – to wszystko działa przez cały rok, często w trybie ciągłym.

I tutaj odzysk ciepła może naprawdę dać duży wkład w podniesienie efektywności energetycznej budynku..

Jeżeli źródłem chłodu są klasyczne chillery, sprawa jest stosunkowo prosta. Ciepło skraplania możemy wykorzystać do:

  • całorocznego wstępnego podgrzewania CWU,
  • dogrzewania hal produkcyjnych w okresach przejściowych,
  • zasilania niskotemperaturowych instalacji grzewczych.

W takich układach odzysk ciepła jest przewidywalny, stabilny i bardzo wdzięczny projektowo.

A co z freecoolingiem?

W instalacjach przemysłowych często pojawiają się układy:

  • chiller z freecoolingiem,
  • chiller + freecooler.

I tutaj trzeba być uczciwym: nie zawsze da się sensownie wykorzystać ciepło z freecoolera.

Dlaczego? Bo wszystko rozbija się o temperaturę czynnika po odebraniu ciepła. Freecooler z definicji ma oddać ciepło do powietrza zewnętrznego. Jeżeli warunki są dobre (niskie temperatury zewnętrzne), medium po freecoolerze może mieć 5–10°C. Z takim parametrem nie zrobimy ani c.w.u, ani ogrzewania hali.

Ale są sytuacje pośrednie. W okresach przejściowych, przy wyższych temperaturach zewnętrznych, medium może wracać z freecoolera z temperaturą rzędu 20–30°C. I wtedy pojawia się pole do manewru:

  • wstępne podgrzewanie c.w.u.,
  • podniesienie temperatury powietrza nawiewanego do hali.

Każdy obiekt jest inny, dlatego zawsze trzeba to sprawdzić na konkretnych temperaturach pracy i mocach.

Odzysk ciepła z instalacji chłodniczych – praktyczne zasady projektowe

Włączenie odzysku ciepła w instalację wymaga dobrego projektu i automatyki. Dlatego odzysk ciepła trzeba planować na etapie koncepcji, a nie dokładać go później „na siłę”. Tylko wtedy da się sensownie poukładać hydraulikę, automatykę i priorytety pracy instalacji, bez komplikowania układu i niepotrzebnych kosztów.

Po drugie, bufor ciepła jest kluczowy. Chłodzenie i odbiór ciepła rzadko pracują w tym samym rytmie, a bufor stabilizuje układ, stabilizuje pracę sprężarek i pozwala realnie magazynować nadwyżki energii. Bez bufora odzysk zwykle działa mało przewidywalnie.

Najbezpieczniejszym i najbardziej uniwersalnym odbiornikiem odzyskanego ciepła jest c.w.u. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę jest stosunkowo stałe, toleruje zmienne temperatury zasilania i łatwo je uzupełnić innym źródłem, jeśli odzysku chwilowo zabraknie. Dlatego w praktyce od c.w.u. najczęściej zaczyna się cały temat.

Trzeba też jasno powiedzieć, że freecooling nie gwarantuje użytecznych temperatur. Jego zadaniem jest oddanie ciepła do otoczenia, więc często medium po freecoolerze ma zbyt niską temperaturę, aby sensownie je wykorzystać. Każdy taki przypadek trzeba policzyć na realnych parametrach pracy, a nie zakładać odzysk „z automatu”.

I wreszcie: im bardziej ciągła praca chłodzenia, tym lepsza ekonomika odzysku. Tam, gdzie chłodzenie działa przez cały rok, odzysk ciepła przestaje być dodatkiem, a zaczyna być realnym źródłem energii. Dlatego najlepiej sprawdza się w instalacjach procesowych, a najsłabiej tam, gdzie chłodzenie jest tylko sezonowe.

Podsumowanie

Odzysk ciepła z instalacji chłodniczych łączy ekonomikę z ekologią – pozwala obniżyć koszty ogrzewania, wykorzystując energię, która wcześniej się marnowała. To dla projektantów i wykonawców szansa na wdrażanie nowoczesnych, inteligentnych rozwiązań w obiektach. Oczywiście nie każda instalacja chłodnicza musi mieć odzysk ciepła – wszystko zależy od specyfiki obiektu i zapotrzebowania. Jednak warto zawsze przeanalizować bilans energii, bo jeśli gdzieś odzysk się opłaca, szkoda zostawiać „na ziemi” kilowaty darmowego ciepła.

Najtańsza energia to ta, którą już mamy – a ciepło z procesu chłodzenia właśnie do takiej energii należy.

Jeśli projektujesz lub modernizujesz instalację chłodu, skontaktuj się z nami, a doradzimy Ci czy i jak można włączyć odzysk ciepła do Twojej instalacji.