Jak oceniać i specyfikować systemy odzyskiwania ciepła odpadowego przeznaczone dla rynku nieruchomości niemieszkalnych.
Zarządcy wielu budynków starają się, by były one jak najbardziej energooszczędne. Szanse na znaczną poprawę efektywności energetycznej daje odzyskiwanie ciepła odpadowego. Dzięki tej technologii możliwe jest zaoszczędzenie energii i zmniejszenie kosztów operacyjnych, zwłaszcza tak energochłonnych obiektów, jak laboratoria i instytucje opieki zdrowotnej.
Choć technologia odzysku ciepła jest już dostępna od wielu lat, obecnie stała się bardziej opłacalna i coraz powszechniej stosowana, a to w związku z dążeniem do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla i ogólnego zużycia energii. Dodatkowo infrastruktura budynkowa jest obecnie bardziej zintegrowana niż kiedyś, a same budynki są projektowane bardziej holistycznie. Daje to możliwość wykorzystania, dzięki systemom budynkowym, zachodzących w tych obiektach procesów wewnętrznych, umożliwiających z kolei udostępnienie i wymianę energii w obrębie jej źródła (wytwarzania energii) i pochłaniania (popyt/zużycie).
Aby określić najbardziej odpowiedni system odzyskiwania ciepła, trzeba zrozumieć sposób funkcjonowania układów ogrzewania i chłodzenia budynku oraz przebieg wspomnianych procesów wewnętrznych, źródeł ciepła i form pochłaniania ciepła. Profil obciążenia budynku obrazuje historię przepływu energii do zużytkowania lub wytwarzania przez systemy budowlane i procesy wewnętrzne. Profile te zapewniają również możliwość określenia czasu trwania procesu i dostępności źródeł energii. Dopasowanie owych źródeł do ilości pochłanianej energii stanowi klucz do znalezienia możliwości jej wtórnego odzysku.
Oprócz dopasowania źródła i zużycia (zapotrzebowania), trzeba również analizować lokalizację i formę produkcji oraz pochłaniania energii. Strategie jej odzyskiwania i technologie dla pokrycia transportu i ponownego wykorzystywania energii znacznie się rozwinęły i mogą być konfigurowane w celu dopasowania do konkretnych procesów. Odzysk ciepła najlepiej stosować, gdy źródło energii i jej zużycie są fizycznie zbieżne i mogą być wymieniane przy minimalnych zmianach stanu. Tam, gdzie nie da się zaobserwować fizycznej zbieżności oraz ściśle dostosować form energii, odzysk ciepła może być niemożliwy, co miewa znaczący wpływ na koszty lub wymaga przebudowy systemów i procesów w celu wykorzystania odzysku energii.
Cztery etapy określenia systemu odzysku energii
Chociaż odzyskiwanie energii przynosi wiele korzyści, nie jest idealnym rozwiązaniem w każdej sytuacji. Kluczowym krokiem w określeniu możliwości jego zastosowania jest przeprowadzenie rozmowy z właścicielem obiektu i użytkownikiem na temat ich oczekiwań w zakresie efektywności, polityki przedsiębiorstwa oraz wpływu odpowiedniej konserwacji na działanie wybranych systemów. W wielu przypadkach balans energii oraz jej formy mogą być wyrównane, jednak utrzymanie systemów, które to zapewnią, może być pracochłonne i kosztowne, co umniejsza zalety i ogólną efektywność rozwiązania.
Można wyróżnić cztery kroki zalecane do oceny i specyfikacji systemu odzyskiwania energii.
1. Analiza modelu. Modele systemów energetycznych mają specyficzne sekcje, wymagające odzysku energii dla systemów o znacznej wielkości i dużej procentowej ilości poboru zewnętrznego powietrza, przypominających laboratoryjne systemy pozyskiwania powietrza. Nowe wersje modelu określają standardy: ASHRAE Standard 90.1-2010 oraz International Energy Conservation Code (IECC) 2012. Wymagają one odzysku energii już w systemach tak małych, jak te zapewniające przepływ na poziomie 1700 m3/godz., w zależności od strefy klimatycznej i udziału procentowego powietrza zewnętrznego przy uzyskaniu pełnego przepływu. Oprócz określonej wielkości, model zastrzega również możliwość co najmniej 50% całkowitej skuteczności odzyskiwania energii. Zarówno standardy IECC, jak i ASHRAE określają odstępstwa od wymogów odzyskiwania energii, które muszą być oceniane w oparciu o analizę konkretnego przypadku. Oprócz odzysku energii, normy energetyczne bardzo szczegółowo przedstawiają wymagania dotyczące zawilgoconych pomieszczeń, osuszania i wykorzystania ekonomizerów (powietrza i wody). Wymienione elementy mogą być komponentami większych pomieszczeń technicznych, takich jak laboratoria i obiekty przemysłowe.
2. Bilans energetyczny, ocena źródła/zużycia. Pierwszym krokiem w ocenie odzysku energii jest analiza budynku i obciążeń procesowych. Zrozumienie przepływów energii pozwoli inżynierom dobrać źródła energii w budynku i poziom jej konsumpcji, tworząc w istocie „bilans masy” energii, która jest zużywana w celu zoptymalizowania jej produkcji i ogólnego zużycia. Ponadto profile obciążenia zapewniają wgląd w samą dostępność źródeł energii i jej zużycia, co pomaga w rozwijaniu strategii wykonalności i zwrotu inwestycji dla różnych technologii.
3. Ocena systemu. Po zidentyfikowaniu potencjalnych źródeł i poziomu zużycia energii można specyfikować różne warianty jej wydobycia, transportu i uwolnienia. Układy fizyczne, możliwość konserwacji, ryzyko/czas pracy i efektywność kosztowa – wszystkie te aspekty muszą być oceniane dla każdego systemu.
4. Wdrożenie systemu przez właściciela i zarząd obiektu. Ważnym krokiem do pomyślnej realizacji programu i systemu odzyskiwania energii jest zaangażowanie właściciela obiektu oraz jego administratorów. Przy porównaniu systemów pomocne staje się na ogół przedstawienie wielu opcji, z wykorzystaniem kluczowych wskaźników wydajności (KPI – Key Performance Indicator). Powinny one być opracowane i przeanalizowane na podstawie danych od właściciela oraz jego celów i zadań. Przykładowe KPI obejmują wymagania konserwacyjne, pierwsze wydatki, zwrot z inwestycji, a także przedstawienie ryzyka każdego procesu, w zależności od obiektu i technologii. Oszczędność energii można modelować za pomocą obciążenia procesu i wydajności urządzeń, w postaci krzywych przepływu. Należy również uwzględnić i opracować wydatki awaryjne dla każdej opcji odzyskiwania energii. Do tychże planów awaryjnych trzeba dostosować obciążenie systemu odzyskiwania energii, jeśli ma on być utrzymywany, zakładając różne scenariusze – te, w których źródła energii mogą być niedostępne, oraz te, w których być może w systemie znajduje się zbyt wiele odzyskanej energii. Ponadto użytkownicy muszą zrozumieć korelację między obciążeniem energetycznym, które pozwala na sprawne funkcjonowanie systemu odzysku energii. Uzyskanie akceptacji użytkownika i zrozumienie zasad działania systemu jest kluczem do zapobiegania konieczności jego przeinstalowywania, unieruchomienia w celu konserwacji oraz wyłączenia i odizolowania. Skuteczne wdrożenie i utrzymanie systemów odzyskiwania energii może pozwolić na zaoszczędzenie ogromnych ilości energii. Jednak projektanci muszą opracować prawidłową symbiozę pomiędzy źródłami energii, jej zużyciem i operacjami.
Systemy odzyskiwania energii
Systemy odzysku energii na ogół składają się z trzech podstawowych elementów:
- systemu przechwytywania źródła energii,
- transportu,
- systemu rozładowania pochłoniętej energii.
Konkretne składniki będą zależały od typu cieczy i gazów stosowanych do przenoszenia energii. Najczęściej wykorzystywanym elementem do pozyskania i rozładowania energii jest wymiennik ciepła.
Wymienniki ciepła są dostępne w wielu formach, w zależności od płynu roboczego i stosowanego gazu. Mogą być bardzo proste (zbudowane z cewki, płyty i ramy) lub płaszczowo-rurowe, czyli urządzenia bardziej wyrafinowane, w postaci aktywnego koła sorpcyjnego. Mogą też stanowić część skompresowanego systemu odzyskiwania energii, takiego jak wiązki rur w agregacie do odzysku ciepła.
Do wymiany energii pomiędzy jej źródłami a miejscami odbioru należy zastosować medium nośne. Zależy ono od rodzaju wymienianej energii. Powszechnie stosowane w wymianie energii płyny to czynniki chłodnicze, woda, glikol, pochłaniacze wilgoci i powietrza. Fizyczna lokalizacja źródła i miejsca odbioru będzie bezpośrednio wpływać na rodzaj używanego podłoża transportowego i koszty systemu. Niektóre media – jak np. czynniki chłodnicze – mają specyficzne wymagania fizyczne, podczas gdy inne (np. woda i glikol) są bardziej elastyczne.
Przykłady budowlane
Każdy typ obiektu charakteryzują odmienne wydatki energetyczne, potrzeby, wymagania dotyczące obciążeń i modelu energii, będące kluczem do określenia, jaki rodzaj systemu odzyskiwania energii jest najlepszy. Są to rozwiązania już wdrożone i stosowane.
Elektroniczne laboratoria badawczo-rozwojowe o wysokim zagęszczeniu procesowym. Pewien niedawno ukończony projekt w zakresie procesu chłodzenia obiektu dotyczył budynku, który składał się z wielu elektronicznych laboratoriów badawczych o dużej gęstości. Laboratoria zawierały obiekty o mierzonym zapotrzebowaniu gęstości mocy 1,4 W/m2. Aby utrzymać komfort cieplny tak dużych przestrzeni, w konstrukcji wykorzystano aktywne belki chłodzące, zawierające wodę o temperaturze 14,5°C/19°C. Sięgnięto po specjalnie opracowany system powietrza zewnętrznego (DOAS), dostarczający powietrze pierwotne o temperaturze 9°C do aktywnych belek, co zapewniło minimalny stopień wentylacji i pojemności dodatkowego chłodzenia oraz obniżenie granicy punktu rosy w pomieszczeniu dla belek chłodzących.
Ponieważ laboratoria są zwykle mocno obłożone i działają w sposób ciągły, projektanci wykorzystali proces wewnętrznego wytwarzania ciepła do podgrzania powietrza przychodzącego z zewnątrz, gdy temperatura na zewnątrz jest niższa od temperatury schłodzonej wody wtórnej. Pompy strumienia bocznego kierują wtórną schłodzoną wodę na drogę powrotną do hydraulicznych cewek grzewczych w specjalnych zewnętrznych jednostkach powietrznych. Powrotna woda lodowa zostaje schłodzona w cewce podgrzewającej, podczas gdy przychodzące świeże powietrze jest podgrzewane. Rzeczywiste dane operacyjne wskazują, że ogrzewanie elektryczne w DOAS miało bardzo ograniczony czas pracy zimą, co spowodowało znaczne oszczędności energii (ze względu na lokalizację i dostępne media ogrzewanie elektryczne było wymagane w specjalnych zewnętrznych jednostkach powietrznych). Ponadto belki chłodzące używają stosunkowo ciepłej wody lodowej, co pozwoliło chłodzonemu zakładowi działać bardziej efektywnie i zwiększyć wolny czas pracy ekonomizera.
Produkcja i przemysł. W wielu dużych zakładach produkcyjnych i obiektach przemysłowych działają stosunkowo duże systemy sprężonego powietrza przeznaczone do długotrwałej pracy (w wielu przypadkach 24 godziny na dobę). W obiektach szczególnej wagi, np. tych należących do przemysłu farmaceutycznego i petrochemicznego, stosuje się układy redundantne w prawie każdym elemencie obsługującym ich tzw. systemy krytyczne – oferujące znaczne możliwości odzyskiwania energii. Jako ogólną zasadę należy przyjąć, że 15 kW ciepła jest dostępne dla każdych 1700 m3/h sprężonego powietrza, w zależności od rodzaju stosowanej techniki kompresji. Ciepło odpadowe na ogół ma temperaturę ok. 82–93°C dla kompresji olejowej i 150–177°C przy technologii kompresji wolnej od oleju. Odzysk energii z tego sprężonego ciepła odpadowego może odbywać się zarówno przez wodę, jak i powietrze.
Pierwszymi zagadnieniami, jakie inżynier powinien rozważyć, jest dostępność ciepła skompresowanej energii oraz to, jak skutecznie uchwycić je w pracy instalacji, przy uwzględnieniu godzin pracy i temperatury ciepła odpadowego. Gdzie może być użyta ta energia? Ponadto, w jaki sposób dostępne ciepło odpadowe może być zrównoważone z zapotrzebowaniem/zużyciem (zbilansowane równanie)? Należy zwrócić uwagę na pierwsze koszty instalacji systemu i zwrot z inwestycji w czasie (ROI – Return On Investment). Ogólnie rzecz biorąc, ROI musi się mieścić maksymalnie w przedziale 36–60 miesięcy, aby system był atrakcyjny dla właściciela.
Dla ciepła odpadowego o niższej temperaturze (technologia kompresji typu olejowego), systemy dające szansę na odzysk energii obejmują przygotowanie powietrza dla HVAC, ogrzewanie wody w budynku, produkcję ciepłej wody użytkowej, podgrzewanie wstępne wody uzupełniającej do zbiorników w fabryce – w zasadzie oznacza to każdy system w budynku, który zakłada ogrzewanie pobieranych mediów.
Dla obiektów, które wymagają obniżenia punktu rosy czy wilgotności i/lub czystego powietrza w systemach sprężonego powietrza (farmaceutyka, produkcja półprzewodników, branża petrochemiczna i opieka zdrowotna), może być wymagana technologia ze sprężarką bezolejową. W tych systemach ciepło temperatury kompresji dochodzi nawet do 177°C. Ciepło może być wymieniane przez powietrzno-wodne lub powietrzno-powietrzne wymienniki, w zależności od dostępności aplikacji oraz energii zużycia/źródła i zapotrzebowania. Przykładem wymiennika ciepła typu powietrze-powietrze jest regeneracyjny system osuszania. Wykorzystuje on ciepło sprężania do regeneracji pochłanianych mediów i ma za zadanie szybkie wysuszanie sprężonym powietrzem nawet do -34°C punktu rosy. W tych systemach, jeśli dodatkowe możliwości odzysku ciepła są dostępne, wymiennik ciepła typu powietrze-woda może być używany, by przekazywać ciepło do innych funkcji, takich jak wstępne podgrzewanie wody w kotle, czy też systemu ponownego ogrzewania. Projektant powinien określić wymienione tu funkcje w trakcie analizy systemu.
Wilgotne laboratoria. W budynkach centrów badawczych – zwykle obok dużych pomieszczeń laboratoryjnych, gdzie konieczne jest utrzymanie wysokiego poziomu wilgotności, znajduje się przyłączona część biurowa, w której mają siedzibę naukowcy, technicy i pracownicy administracyjni. Ze względu na modelowe wymagania wentylacji budynku aż 30% powietrza zasilającego obiekt musi stanowić świeże powietrze wentylacyjne przeznaczone dla budynku administracyjnego. Sąsiadujące obiekty laboratoryjne, badawcze, analizy i kontroli jakości (QA/QC), które zawierają okapy wyciągowe, wymagają dużej ilości powietrza z zewnątrz.
Ogólnie rzecz biorąc, przestrzeń laboratorium badawczego jest z reguły mniejsza od powierzchni biurowych, ale wymaga większych ilości świeżego powietrza. Wymiana tego powietrza w sposób mechaniczny w tym wypadku jest bardzo droga, zwłaszcza biorąc pod uwagę fakt, że budynki te często działają 24 godziny na dobę. Odzysk ciepła typu powietrze-powietrze może być dobrą opcją, w zależności od rodzaju procesów, jakie zachodzą w tych obiektach. Tam, gdzie chemikalia są wystarczająco rozcieńczone i nietoksyczne, zamknięte systemy odzyskiwania energii można stosować do wstępnej obróbki powietrza za pomocą okapowego wyciągu. W aplikacjach, gdzie nie istnieje ryzyko zanieczyszczenia strumienia przyrządzanego powietrza i strumienia powietrza wywiewanego, wymienniki ciepła, cewki odzysku energii lub rury grzewcze mogą być również wykorzystywane do odzyskiwania energii. Ważne jest, aby wziąć pod uwagę nie tylko obecne, ale także planowane zastosowania laboratorium, pod względem kompatybilności z urządzeniami systemu odzysku energii.
Często powietrze z wyciągów okapowych nie może być przepuszczone przez urządzenie do odzysku energii ze względów zdrowotnych, bezpieczeństwa lub łatwości konserwacji. Musi być wówczas bezpośrednio czerpane z zewnątrz – lub w niektórych przypadkach przygotowane i następnie czerpane. Niekiedy może być wtedy stosowany kaskadowy system świeżego powietrza, w którym powietrze odprowadzane z sąsiedniego lokalu biurowego da się użyć jako wstępnie przygotowane powietrze dla okapów laboratoryjnych. Tak długo, jak strumień powietrza wydechowego/ujściowego nie jest skażony, klimatyzowane powietrze (na ogół o temperaturze od 20 do 26°C) może być ponownie wykorzystane do „hartowania” przychodzącego powietrza zewnętrznego (na zimno lub na gorąco), a tym samym zmniejszenia całkowitej ilości energii potrzebnej do osiągnięcia zadanej temperatury powietrza dla pomieszczenia (ciepło ponownie użyte jest bardziej wydajne niż ciepło przenoszone mechanicznie).
Przy odpowiednim planowaniu i alokacji przestrzeni wydychane/odprowadzane powietrze z obszarów administracyjnych może być również używane jako wstępnie przygotowane powietrze do pomieszczeń, w których nie jest dozwolona recyrkulacja. Dokonuje się tego przez przepuszczenie powietrza wydychanego, które normalnie jest wyprowadzane na zewnątrz, do komory wlotu powietrza w 100% świeżego, obsługując w ten sposób niecyrkulowalne/laboratoryjne pomieszczenia. Wytwarza to ciągły strumień powietrza, który „przyrządza” zewnętrzne powietrze dla laboratoryjnych systemów wentylacyjnych, co zmniejsza całkowitą ilość energii potrzebnej do kondycjonowania powietrza nawiewanego do laboratorium, do jego zadanej wartości temperatury odniesienia. Sprzężenie powietrza odprowadzanego z pomieszczeń biurowych i systemów przygotowania wstępnego, w połączeniu ze zmienną ilością powietrza (VAV) okapów wyciągowych, może pomóc zaoszczędzić znaczne ilości energii. Należy przede wszystkim zastanowić się nad systemem sterowania ekonomizerów i zbilansowania powietrza. Ponadto określenie klasy powietrza, jak podano w normie ASHRAE Standard 62.1, ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia bezpiecznej i prawidłowej wentylacji przestrzeni.
Budynki komercyjne. Większość komercyjnych budynków biurowych zawiera przestrzenie technologiczne, które wymagają chłodzenia przez cały rok i są wyposażone w duże scentralizowane centra danych lub główne centra dystrybucji (MDF), a następnie rozprowadzane do szaf sterowniczych pośredniej dystrybucji (IDF). Wiele projektów w tych przestrzeniach dotyczy wody, wody lodowej lub chłodzenia skraplacza, z wykorzystaniem wodnego ekonomizera do pracy w zimie. Z powodu charakterystyki pracy tych przestrzeni technologicznych – pracy ciągłej i stałego obciążenia – są one idealną opcją do odzyskiwania energii.
W projekcie zajmowanego przez właściciela budynku biurowego klasy A, o powierzchni blisko 2,3 mln m2, zainstalowano układy chłodzenia i wentylacji o łącznej mocy 700 kW. W ocenie możliwości jak najlepszej całorocznej obsługi komfortu cieplnego i wentylacji dla wspomnianej przestrzeni, początkowo rozważano zastosowanie wodnego ekonomizera. Analiza energetyczna całego budynku wykazała, że w okresie zimowym realizowany w ten sposób system odzysku ciepła (odpowiedniej wielkości) przynosił lepsze wyniki niż system swobodnego chłodzenia. Po uruchomieniu wodnego ekonomizera, budynek będzie również mógł obsługiwać kocioł do produkcji ciepłej wody. Źródło energii z pomieszczeń technologicznych zostało bardzo dobrze dobrane do wymaganego zapotrzebowania na energię cieplną zimą (obciążenie, pobór) w holu głównego budynku, który również funkcjonuje w sposób ciągły.
Korzystanie z agregatów chłodniczych z odzyskiem energii do chłodzenia pomieszczeń technologicznych, a jednocześnie ogrzewania, w przypadku wspomnianego holu budynku, spowodowało ogromne oszczędności energii. System odzysku ciepła przynosi prawie 100% lepsze rezultaty niż system swobodnego chłodzenia oddzielony od systemu wytwarzania ciepła, co daje ok. 500 tys. dolarów oszczędności rocznie na zakupie energii niezbędnej dla zakładu. Inną zaletą agregatów z odzyskiem ciepła jest ich modułowa konstrukcja, zapewniająca redundancję potrzebną do obsługi centrum danych i maszyn sześciorurowych, co oznacza, że są one podłączone zarówno do wody ze skraplacza, jak i hydraulicznego systemu grzewczego, tak więc w razie potrzeby agregaty mogą pracować przez cały rok. Szczególną uwagę należy zwrócić na połączenia między systemem ogrzewania ciepłej wody oraz skraplacza wody. Nie można pomylić środków chemicznych stosowanych do tych systemów, należy też pamiętać, że ciśnienie w układzie może znacznie się różnić.
Końcowa akceptacja
Odzysk energii może mieć znaczący wpływ na koszty eksploatacji budynku, emisję dwutlenku węgla i system niezawodności, jednak musi być prawidłowo zaimplementowany. Należy zwrócić szczególną uwagę na to, by dobrze dopasować obciążenie procesowe budynku i źródło energii do wymagań systemowych i zużycia energii. Właściwy „bilans przepływu masy energii” pozwala na ocenę systemów i wskazanie możliwości ich prawidłowego rozplanowania. Ponadto media transportu energii i ich rozmieszczenie fizyczne jest niezbędne dla pomyślnej instalacji, realizacji zamierzonych funkcji, optymalizacji kosztów i łatwości konserwacji. Pod względem operacyjnym właściciel i operatorzy zakładu muszą być zaangażowani w przedsięwzięcie od samego początku i mieć szczegółową wiedzę na temat procesu, co jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania systemu odzyskiwania energii. W każdym przypadku musi być rozpatrywana strategia kontroli, redundancji i konserwacji. Aby porównać wiele systemów odzyskiwania, należy zaprezentować i ocenić odpowiednie wskaźniki KPI. Te z kolei powinny być opracowywane wspólnie z właścicielem, aby uzyskać rzetelne i użyteczne porównanie. Udane wdrożenie systemów odzyskiwania energii może doprowadzić do znaczącej poprawy efektywności zakładu dzięki zmniejszeniu emisji dwutlenku węgla, ograniczeniu kosztów operacyjnych, a nawet możliwości funkcjonalnych samego systemu.
Autorzy: Daniel Cohen jest starszym inżynierem mechaniki w firmie Environmental Systems Design. Specjalizuje się w rozwiązaniach dotyczących budynków o dużej wydajności, zakładów produkcyjnych oraz analizy i modelowania budynku. Jay F. Ramirez jest wiceprezydentem i liderem sektora zdrowia, nauki i edukacji w Environmental Systems Design, ma 28-letnie doświadczenie w dziedzinie najnowocześniejszych technologii, w tym R&D, laboratoriów, produkcji i opieki zdrowotnej.
Tekst pochodzi z nr 3/2015 magazynu „Inteligentny Budynek”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
