Rodzaje odzysku ciepła

Z technicznego i praktycznego punktu widzenia nie ma dwóch takich samych odzysków ciepła. Wszystko uzależnione jest od zastosowanych urządzeń w miejscu wykonywania takiej instalacji, warunków, wydajności i rodzaju eksploatacji urządzeń z jakich chcemy wykonać odzysk. Odpowiednie dopasowanie systemu odzysku, to ponad połowa sukcesu-odzysk “uszyty na miarę”, to maksymalizacja oszczędności.

Spis treści

Wielu osobom wydaje się, że wstawienie samego wymiennika ciepła oraz pompki obiegowej wraz z podpięciem tego do zbiornika CWU pozwoli uzyskać gotowy odzysk ciepła. Nie jest to jednak do końca prawdą. Przez takie rozwiązanie możemy na siebie sprowadzić większe koszty za eksploatacje urządzeń chłodniczych, aniżeli osiągnięte dzięki niemu zyski. Wielu instalatorów montujących systemy odzysku ciepła potrafi specjalnie wpłynąć na parametry pracy urządzeń chłodniczych, aby uzyskać większe ilości energii cieplnej. W większości przypadków jednak odbija się to niekorzystnie na sprawności samych urządzeń. Montaż systemu wymiennika ciepła bez automatyki kontrolnej może spowodować nawet wyłączenie urządzenia chłodniczego. Dlatego aby optymalnie skorzystać z takiej modernizacji warto zwrócić szczególną uwagę na rodzaje systemów odzysku ciepła z urządzeń chłodniczych.

Odzysk ciepła przegrzania (częściowy)

Odzysk ciepła przegrzania, to jeden z najprostszych oraz najtańszych wariantów takiego systemu, który pozwala na uzyskanie dużych temperatur wyjściowych. W przypadku lad i komór chłodniczych są to temperatury rzędu nawet 70°C, natomiast w mroźni możemy osiągnąć 80°C i więcej. Osiągnięta temperatura zależna jest od parametrów pracy urządzenia chłodniczego oraz zastosowanego czynnika chłodniczego. Efektywność energetyczna takiego odzysku ciepła wynosi w granicach od 10% do 30% mocy cieplnej urządzenia chłodniczego. Dla przykładu weźmy pod uwagę sklepową komorę chłodniczą, gdzie moc chłodnicza zamontowanego urządzenia wynosi około 5kW. Moc elektryczna pobierana poprzez sprężarkę to około 2,5kW, a moc cieplna oddawana na zewnątrz to już 7,5kW. Częściowy odzysk ciepła w tym przypadku pozwala na odzyskanie mocy cieplnej o wartości około 1,6kW, czyli podgrzania około 0,5 litra wody z temperatury 10°C do temperatury 55°C w ciągu jednej minuty pracy urządzenia. W tym przypadku sprawność układu odzysku ciepła wynosi około 21%.

Rys. 1. Schemat, odzysk ciepła przegrzania (częściowy).

Sprawa wygląda nieco inaczej w przypadku komór mroźniczych. W przypadku urządzenia mroźniczego o mocy 5kW pobór mocy elektrycznej sprężarki wynosi już 3,7kW. Moc cieplna oddawana na zewnątrz wynosi 8,7kW. Częściowy system odzysku ciepła podczas pracy sprężarki potrafi dostarczać 2,4kW mocy cieplnej. Pozwala to ogrzać 0,75 litra wody (10°C-55°C) w ciągu jednej minuty pracy mroźni. Sprawność układu odzysku ciepła w tym przypadku wynosi 28%.

W obydwóch przypadkach sprawność układu odzysku była liczona dla energii oddawanej na zewnątrz, czyli sumy energii cieplnej pobieranej z komory oraz energii pobieranej poprzez sprężarkę.

Za ciekawostkę możemy uznać fakt, że jeśli jako podstawę wybierzemy moc chłodniczą urządzenia, wówczas sprawa wygląda nieco inaczej. Dla chłodni wtedy sprawność wynosi 32%, natomiast dla mroźni wynosi 48%. Wartości te zostały podane tylko na potrzeby dalszych opisów. Idąc jeszcze o krok dalej i biorąc pod uwagę tylko energie pobraną poprzez sprężarkę, to sprawność powyższych układów wynosi 64% dla chłodni oraz 65% dla układu mroźniczego.*

Systemy odzysku ciepła przegrzania przeznaczone są głównie na potrzeby CWU. System grzewczy działa wydajnie tylko przy dużych układach chłodniczych gdzie ilość odzyskiwanego ciepła jest większa aniżeli zapotrzebowanie na ciepło potrzebne do przygotowania ciepłej wody użytkowej. System bardzo dobrze sprawdza się w układach odzysku ciepła z klimatyzacji(lokale weselne, sale bankietowe, restauracje).

Zalety:

prosta konstrukcja,
wysoki parametr wody wyjściowej,
prosta możliwość podłączenia do istniejącego systemu CWU lub grzewczego,
niska cena układu.

Wady:

mała sprawność układu.

Odzysk ciepła całkowity jednostopniowy

Odzysk ciepła całkowity jednostopniowy, jak sama nazwa wskazuje, pozwala on na całkowity odzysk energii cieplnej z układu chłodniczego. Wadą tego systemu są uzyskiwane temperatury wody, ponieważ aby zapewnić odzysk całkowity temperatura wyjściowa wody nie będzie zazwyczaj przekraczała 40°C. Temperatura ta jest mocno uzależniona od parametrów pracy urządzenia chłodniczego. Jednak pomimo mniejszej wartości temperatury wody wyjściowej jej ilość jest jednak dużo większa. Dlatego też w przypadku komory chłodniczej o mocy 5kW (całkowita moc cieplna skraplacza to 7,5kW) możemy uzyskać w ciągu minuty 3,6 litra CWU o temperaturze 40°C (temperatura zasilająca to 10°C), a w przypadku mroźni 4,2 litra wody na minutę. Co prawda w systemach tych możliwe jest uzyskanie wyższych wartości temperatur, niestety jednak powoduje to komplikacje systemu sterowania oraz konieczność zastosowania większego wymiennika ciepła. Systemy całkowitego odzysku ciepła są również znacznie bardziej złożone od systemów odzysku częściowego. Podyktowane jest to tym, iż sama automatyka sterująca jest dużo bardziej rozbudowana oraz dodatkowo musimy zastosować system zaworów, który umożliwi odłączenie skraplacza zewnętrznego podczas pracy odzysku. Skraplacz zewnętrzny jest dołączany tylko wtedy, kiedy nie ma odbioru energii z układu odzysku ciepła. W nowszych rozwiązaniach cały proces odbywa się automatycznie bez udziału użytkownika. Dodatkowo system pełnego odzysku ciepła może przełączyć się w odzysk częściowy w celu uzyskania wyższych temperatur wody wyjściowej.

Rys. 2. Schemat, odzysk ciepła całkowity jednostopniowy.

Sprawność powyższego rozwiązania wynosi praktycznie 100% (nie są wliczane straty energii pomp oraz straty na przewodach przyłączeniowych). W przypadku obliczenia względem mocy skraplacza sprawność wynosi: 100% dla chłodni i 150% dla mroźni (liczona względem mocy chłodniczej), natomiast obliczenia względem mocy elektrycznej to 300% (COP = 3) dla chłodni oraz 230% (COP = 2,3) dla mroźni. Przedstawiony system odzysku ciepła w połączeniu z układem chłodniczym staje się pompą ciepła o dość dobrych parametrach*.

Odzysk ciepła całkowity jednostopniowy znajduje zastosowanie zarówno na potrzeby CWU jak i ogrzewania budynku, stosowany jest głównie w sklepach z centralnym agregatem chłodniczym. Pozwala na ogrzewanie CWU w okresie letnim oraz dogrzewanie budynku w okresie zimowym. System ten również bardzo dobrze sprawdza się w komorach przechowalniczych owoców i warzyw. Niestety, nie ma możliwości zastosowania danego systemu w urządzeniach klimatyzacyjnych.

Zalety:

bardzo wysoka sprawność układu,
możliwość zastosowania do celów grzewczych (ogrzewanie niskotemperaturowe),
możliwość prazy naprzemiennie w trybie odzysku pełnego lub częściowego.

Wady:

złożoność układu,
koszt montażu.

Odzysk ciepła całkowity kaskadowy

Odzysk ciepła całkowity kaskadowy, to najbardziej rozbudowany system odzysku ciepła. Pozwala on na odzysk całkowity energii cieplnej, a zarazem na osiągnięcie wysokiego parametru CWU. System ten składa się z dwóch wymienników ciepła, w których jeden stanowi system odzysku ciepła przegrzania (wysoki parametr wody nawet do 80°C) oraz drugiego wymiennika, który umożliwia odzysk ciepła skraplania. System ten jest polecany wszędzie tam, gdzie istnieje bardzo duże zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową lub jest możliwość wykorzystania odzyskanego ciepła o niskim parametrze do celów grzewczych. Ze względu na złożoność systemu, różnorodność rozwiązań oraz rozwiązania techniczne będące tajemnicą firmy system ten nie zostanie dokładnie opisany. Ogólną zasadę funkcjonowania systemu możemy znaleźć tutaj. Sprawności systemu odzysku ciepła całkowitego kaskadowego są praktycznie takie same jak sprawności układu z punktu nr 2- odzysk ciepła całkowity jednostopniowy *.

Rys. 3. Schemat, odzysk ciepła całkowity kaskadowy.

Odzysk ciepła całkowity kaskadowy stosowany jest głównie w obiektach w których jest duże zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową o dość wysokim parametrze(temperatury powyżej 55°C) oraz istnieje możliwość wykorzystania wody o niższym parametrze np. w celach grzewczych. Głównym miejscem zastosowania są ubojnie zwierząt oraz zakłady przetwórstwa mięsnego. Układ znajduje również zastosowanie w obiektach przy których są myjnie samochodowe, gdyż w okresie letnim pozwala na uzyskanie CWU na potrzeby myjni, a w okresie zimowym na uzyskanie zarówno ciepłej wody jak i podgrzewanie posadzki.

Zalety:

najwyższa efektywność spośród wszystkich systemów odzysku ciepła,
jednoczesna praca w systemie grzewczym niskotemperaturowym oraz w systemie CWU lub ogrzewaniu wysokotemperaturowym,
możliwość pracy w trybie odzysku częściowego lub całkowitego,
możliwość uzyskania bardzo dużych ilości CWU. Etap pierwszy, to podgrzewanie wstępne do 40°C, natomiast drugi, to podgrzewanie zasadnicze nawet do 70°C.

Wady:

złożoność układu,
wysoki koszt montażu,
konieczność indywidualnego doboru właściwego rozwiązania i systemu sterowania.

Odzysk ciepła z klimatyzacji

Urządzenie klimatyzacyjne to też tak naprawdę urządzenie chłodnicze. W urządzeniach o dużej mocy(układy VRF) producent często posiada moduły wodne, które umożliwiają odzysk ciepła z takiego układu. Gorzej sprawa jednak wygląda w urządzeniach mniejszej mocy rzędu kilku , kilkunastu kW. Dodatkowym utrudnieniem jest również montaż samego modułu aby nie zakłócić pracy klimatyzatora, a jednocześnie uzyskać pożądany efekt oraz fakt samego fizycznego wpięcia w instalację klimatyzacyjną. Dlatego też stosowanie takich modułów ma uzasadnienie ekonomiczne w przypadku jednostek klimatyzacyjnych o mocy 7kW i większych.

Moduł odzysku ciepła musi zostać wpięty w układ w takim miejscu, aby elektronika układu klimatyzacyjnego “nie wiedziała” o jego istnieniu. W niektórych przypadkach wymaga to również konieczności zmiany położenia niektórych czujników. Stworzenie dokładnego opisu montażu jest możliwe dopiero po zapoznaniu się z daną jednostką klimatyzacyjną, niemniej jednak skupmy się teraz na możliwościach energetycznych przykładowego odzysku ciepła. Co ważne warto tu jeszcze dodać, że z klimatyzacji możemy praktycznie odzyskiwać samo ciepło przegrzania par czynnika chłodniczego. Próba odzyskania ciepła skraplania pomimo dużej komplikacji układu w większości przypadków powoduje błąd pracy jednostki klimatyzacyjnej. Dodatkowo wymagane byłyby tu kolejne układy elektroniczne eliminujące części klimatyzacji, co powoduje ogromny wzrost kosztów systemu pełnego odzysku ciepła.

Częściowy odzysk ciepła,podstawowe dane:

Klimatyzator 7kW
Temperatura parowania około 5° C
Temperatura skraplania 45°C
Temperatura tłoczenia 106°C.
Przepływ masowy czynnika 100kg/h.

Użyteczny zakres pracy odzysku który nie wpłynie na zaburzenie pracy klimatyzacji, to odzysk ciepła z par czynnika. Temperatura wejściowa 100°C, temperatura po odzysku to minimum 55°C, tak więc w tym przypadku moc obliczeniowa to 1,7kW. W przypadku innych parametrów pracy moc ta może ulec zmianie i tak na przykład: jeśli układ zapewni schłodzenie par czynnika do tylko 80°C, to wtedy moc odzysku wyniesie już tylko 0,7kW. Dodatkowym problemem który pojawia się w systemach odzysku ciepła z klimatyzacji, to temperatury które mogą pojawić się w danym układzie. Często na tłoczeniu panuje temperatura wynosząca ponad 100°C, a co za tym idzie wszystkie elementy układu systemu odzysku ciepła muszą być przystosowane do takich temperatur pracy. Dodatkowo automatyka powinna zapewnić zmniejszenie stopnia odzysku ciepła jeśli woda będzie się zbliżać do zadanej temperatur. Ma to na celu ochronę układu wymiennika ciepła przed przegrzaniem.

Podsumowując, odzysk ciepła z klimatyzatora o mocy 7kW potrafi zapewnić około 30litrów wody na godzinę o temperaturze około 60°C. Mowa tu oczywiście o pracy klimatyzatora z pełną mocą. Realna wydajność z obserwacji oraz badań to około 15-20 litrów ciepłej wody na godzinę.

Opisywany układ powinien na pewno zainteresować hotelarzy oraz właścicieli domów weselnych, restauracji itp. Jeśli chodzi o obiekty hotelowe proponowane rozwiązanie potrafi zapewnić ciepłą wodę użytkową w okresie letnim. Często też w takich obiektach układy klimatyzacyjne są realizowane w formie jednostek typu multisplit, gdzie moc pojedynczej jednostki zewnętrznej jest na poziomie ponad 10kW. W przypadku domów weselnych/sal bankietowych są one zazwyczaj wyposażone w jednostki o mocy nawet ponad 15kW sztuka. Jednostka taka jest już łatwiejsza w modernizacji(wielkość elementów) oraz zapewnia większe ilości ciepła przy niewiele większych kosztach montażu aniżeli jednostki o mocy poniżej 10kW. O danym rozwiązaniu mogą również pomyśleć właściciele serwerowni, gdzie klimatyzator jest używany praktycznie przez cały rok. Co prawda w niewielkich serwerowniach w okresie letnim wymagana moc systemu klimatyzacji sięga 3-3,5 kW, to w okresie zimowym często są to wartości poniżej 1kW. Tak więc taki układ zapewni CWU w ilościach od 4 do 15 litrów ciepłej wody na godzinę. Biorąc pod uwagę fakt, że układ taki pracuje 24h na dobę, wartość ta będzie się wahała w granicach od 96 do 360 litrów ciepłej wody na dobę. Licząc energetycznie jest to oszczędność od 6 do 20kwh energii elektrycznej lub gazowej dziennie. Schemat odzysku ciepła z klimatyzacji przedstawiono na rys. 4.

Wady:

Montaż wymagający odpowiedniej wiedzy z dziedziny chłodnictwa oraz urządzeń klimatyzacyjnych.
Konieczność ingerencji w jednostkę klimatyzacyjną.
Bardzo często utrata gwarancji na daną jednostkę ze względu na jej modyfikację.
Montaż często utrudniony ze względu na lokalizacje urządzeń.
Bardzo często układ taki musi być uwzględniony przed montażem samej klimatyzacji.

Zalety:

Największa wydajność jest wtedy gdy jest zapotrzebowanie na ciepłą wodę.
Niski koszt montażu, porównywalny z tradycyjnymi kolektorami słonecznymi.
Bardzo często istnieje możliwość podłączenia do już istniejącego zasobnika CWU.
Praca zawsze gdy jest używana klimatyzacja. Niezależnie od warunków pogodowych.
Przy odpowiednim rozwiązaniu układowym istnieje również możliwość podgrzewania CWU podczas pracy klimatyzatora w trybie grzania.

- Uwagi do obliczeń:
Wszystkie wartości są wartościami uśrednionymi. W niektórych przypadkach wartości te są nawet większe, ale to są na tyle sporadyczne warunki pracy, iż nie są brane pod uwagę. Sposoby obliczania sprawności układu:
- Wariant pierwszy obliczeń-stosunek mocy skraplacza do mocy odzyskanej.Moc skraplacza stanowi zawsze sumę mocy chłodniczej samej chłodnicy (chłodzenia) oraz mocy elektrycznej sprężarki. Wartość ta tak naprawdę stanowi miarodajną informacje na temat tego ile realnie ciepła wytwarza dane urządzenie, a ile układ odzyskuje.
- Wariant drugi obliczeń-stosunek mocy chłodniczej do mocy samego odzysku ciepła.Stanowi on informacje o tym ile ciepła pobranego z przestrzeni chłodniczej jesteśmy wstanie odzyskać. Wartość tak naprawdę mało interesująca, lecz niekiedy podawana przez firmy w celu zawyżenia teoretycznej sprawności układu odzysku ciepła.
- Wariant trzeci obliczeń-pozwala ocenić stosunek energii odzyskanej do energii pobranej poprzez sprężarkę układu chłodniczego.Obliczenia takie są stosowane zazwyczaj w układach pomp ciepła. W systemach odzysku ciepła wartość ta pozwala również na zobrazowanie ile tak naprawdę dane urządzenie zabiera ciepła z wnętrza pomieszczenia które jest przekazywane na zewnątrz i bezpowrotnie tracone.