Przy wyborze systemu klimatyzacji obiektu przemysłowego projektanci, inwestorzy i wykonawcy instalacji, stają przed problemem zapewnienia odpowiedniej efektywności systemu. Jednym z możliwych rozwiązań jest poszukiwanie, przy pomocy zasad rachunku optymalizacji techniczno-ekonomicznej, optymalnego, dla danych lokalnych warunków i wymagań wariantu klimatyzacji.

   Innym rozwiązaniem może być powiązanie systemu klimatyzacyjnego z utylizacją ciepła odpadowego i zapewnienie poprawy efektywności wykorzystania odzyskiwanej energii odpadowej. Jeżeli do odzysku energii odpadowej przemysłowego źródła ciepła zastosuje się układ chłodniczo-grzewczy, a szczególnie absorpcyjny układ chłodniczo-grzewczy (napędzany energią cieplną) to takie rozwiązanie może przynieść maksymalizację efektów ekonomicznych poprzez:
• maksymalny odzysk ciepła odpadowego, nawet przy relatywnie niskich temperaturach źródeł;
• kompleksowe wykorzystanie energii odpadowej, tak w zimie jak i w lecie (ogrzewanie i klimatyzacja);
• znaczące oszczędności energii napędowej do napędu urządzeń chłodniczych systemu klimatyzacyjnego lub nawet całkowite wyeliminowanie kosztów energii napędowej - jeżeli temperatura źródeł jest wystarczająco wysoka;
• zapewnienie odpowiedniej obróbki termicznej powietrza technologicznego;
• zapewnienie odpowiednich warunków klimatycznych na stanowiskach pracy.

Wanny szklarskie hut szkła jako źródła energii odpadowej 

   Przeznaczeniem większości przemysłowych instalacji i urządzeń klimatyzacyjnych jest kształtowanie warunków odpowiadających wymaganiom określonym w stosownych normach oraz przepisach BHP. Zastosowanie klimatyzacji na stanowisku pracy jest często niezbędne, aby w ogóle wykonać tę pracę. Zawsze wpływa ona na poprawę bezpieczeństwa i wydajności. Bywa jednak i tak, że pomimo niezwykle uciążliwych warunków pracy zastosowanie klimatyzacji, ze względu na proces technologiczny jest niemożliwe. (...)

Kryterium oceny efektywności systemów utylizacyjnych
   Rozważany przypadek zakładu przemysłowego - huty szkła, w którym istnieje źródło ciepła odpadowego. Jest nim wanna szklarska, w obszarze której jednocześnie do właściwego przebiegu procesu technologicznego konieczne jest wykorzystanie oziębiania lub chłodzenia, np. klimatyzacja hali, czy też osuszanie powietrza.
   Ogólna idea systemu utylizacyjnego przedstawiona została na rysunku 1. 


Rys. 1. Schemat ogólny odzysku ciepła odpadowego z systemu technologicznego przez ziębiarkę absorpcyjną

   Proces technologiczny realizowany jest z pewną efektywnością termiczną η_t, a jednoczenie emitowane jest ciepło odpadowe w spalinach Q_WF, które może być wykorzystane do napędu ziębiarki absorpcyjnej. Generator napędowy ziębiarki z dopływającego strumienia Q_WF wykorzystuje część ciepła Q_A. Współczynnik wydajności chłodniczej ziębiarki określa zależność: 



Jeżeli uwzględni się, że: 



to efektywność pierwotnego systemu utylizacji ciepła, bazującego na ziębiarce absorpcyjnej można opisać zależnością: 



Jeżeli w zakładzie przemysłowym istnieje większe zapotrzebowanie na ciepło technologiczne lub ciepło do ogrzewania pomieszczeń i cele socjalne, np. w zimie, wtedy do utylizacji można wykorzystać absorpcyjną pompę ciepła. Ogólną zasadę takiego systemu przedstawiono na rysunku 2. Efektywność może być określona równaniem 



gdzie: 



Jeżeli ciepło odzyskiwane przez system utylizacyjny nie musi charakteryzować się wysokimi parametrami termicznymi, np. temperatura wody ok. 50^oC, a jednocześnie zapotrzebowanie na zimno jest też na poziomie ok. 0^oC, wtedy istnieje możliwość połączenia funkcji ziębiarki oraz pompy ciepła i wykorzystania do utylizacji absorpcyjnego systemu ziębno-grzewczego. Efektywność systemu ziębno-grzewczego można zapisać: 



w przypadku wyłączenia odpadowego ciepła i zimna do technologii podstawowej: 



Pomimo ogólnego przekonania co do konieczności oszczędzania energii oraz ochrony środowiska naturalnego należy wykazać ekonomiczną efektywność systemu utylizacyjnego. Dla tak złożonych systemów nie jest to sprawa oczywista. Podstawy ogólnej metody oceny systemów utylizacyjnych wskazują na konieczność poszukiwania optymalizacyjnych wartości maksymalnej funkcji celu, która w ostatecznym efekcie doprowadzi do najlepszego dla danych warunków i ograniczeń rozwiązania technicznego. Pomimo tego instalacja utylizacyjna nie zawsze jest opłacalna. Bardzo ważnym czynnikiem jest tutaj czas pracy systemu podstawowego oraz zapotrzebowanie na odzyskiwaną energię w ciągu całego czasu eksploatacji systemu podstawowego. Nie bez znaczenia jest też relatywnie wysoki koszt wytwarzania energii przez system absorpcyjny, wynikający głównie z jednostkowego charakteru produkcji absorpcyjnych urządzeń chłodniczych.
Ocenę ekonomicznej efektywności odzysku ciepła odpadowego można dokonać poprzez określenie wartości techniczno-ekonomicznej funkcji celu E [3]. Podstawowy warunek relacji pomiędzy różnicą pomiędzy sumą rocznych kosztów eksploatacyjnych i inwestycyjnych, a efektami zastosowania systemu była dodatnia, można zapisać następująco: 



Odzysk ciepła wymaga poniesienia nakładów inwestycyjnych I, które bezpośrednio wpływają na wartość E. Istnieje jednak taka wartość I = I_opt, dla której jest słuszna zależność 



W proponowanym systemie odzysku ciepła istnieje możliwość nie tylko obniżenia kosztów eksploatacyjnych zakładu poprzez pozyskanie dodatkowego źródła ciepła użytkowego, ale również poprzez wzrost wartości produkcji zakładu, głównie dotyczy to poprawy warunków pracy. Ten wzrost może być również uzyskany z efektywnego wykorzystania odzyskiwania ciepła bądź to do technologii podstawowej, bądź poza nią, np. w cieplarni, chłodni przechowywania produktów, czy też w oziębiaczu powietrza. Te dodatkowe obiekty wykorzystują ciepło i zimno absorpcyjnej pompy ciepła, a ich wielkość może być pośrednio regulowana parametrami bezwymiarowymi [1]: 



gdzie:
α - stopień odzysku ciepła traconego do otoczenia,
β - udział ciepła wykorzystywanego na cele podstawowej technologii,
γ - podział ciepła na cele grzewcze i ziębnicze.

Funkcje celu E sformułowano jako odniesioną do jednostkowego kosztu paliwa, funkcję parametrów bezwymiarowych: 



Zapis ogólny tej funkcji można wyrazić w następujący sposób: 



gdzie x₁.....x_n - zmienne zależne opisujące proces i konstrukcję systemu. Optimum wartości kosztu inwestycyjnego I_opt określono na podstawie porównania wartości optymalnych uzyskiwanych z obliczeń 



Ogólna koncepcja systemu utylizacji ciepła i klimatyzacji
Zaproponowano zastosowanie czterech absorpcyjnych systemów chłodniczych do klimatyzacji hal produkcyjnych i pomostów. Każde z czterech bliźniaczych, absorpcyjnych urządzeń ziębniczych jest zaprojektowane do odzysku połowy wydajności ciepła jednego kotła utylizacyjnego. Woda gorąca wytwarzana w kotle utylizacyjnym zostanie wykorzystana do zasilania warnika absorpcyjnego urządzenia chłodniczego, po czym zostanie skierowana powrotnie do kotła utylizacyjnego, w obiegu zamkniętym podobnie jak dotychczas.
(...) 


Rys. 2. Schemat systemu utylizacyjnego ciepła odpadowego z wanien szklarskich do celów technologicznych i klimatyzacji

Warianty rozwiązania systemu utylizacyjnego
Wybór wariantu rozwiązania poprzedzono analizą techniczno-ekonomiczną. We wszystkich analizach wariantów część zasadnicza ziębiarki i sposób zasilania pozostaje taki sam, a różnice wynikają z różnych metod chłodzenia aparatów oraz różnych sposobów zagospodarowania zimna. Poszczególne warianty oznaczono następująco:
A - chłodzenie aparatów wodą z chłodni kominowej, zimno wykorzystywane tylko do klimatyzacji;
B - chłodzenie aparatów wodą z chłodni kominowej, zimno wykorzystywane do klimatyzacji i odwilżania powietrza;
C - chodzenie aparatów wodą z rzeki, zimno wykorzystywane tylko do klimatyzacji;
D - chłodzenie aparatów wodą z rzeki, zimno wykorzystywane do klimatyzacji i odwilżania powietrza sprężonego;
E - układ pośredni otwarty, odpowietrzany.

W przypadku wariantów A i B skraplacz i absorber są wymiennikami poziomymi, natomiast chłodzenie wodą z rzeki, tak jak ma to miejsce w wariantach C i D, wymaga dla zapewnienia samooczyszczalności aparatów, skraplacza i absorbera pionowego. Uwzględnia się to w procesie obliczania aparatów, jak również w analizie ekonomicznej. W wariancie E wyeliminowano oziębianie solanki, rezygnując z systemu podwójnie pośredniego.

Dokończenie artykułu w numerze 8/04 CH&K

Bogusław BIAŁKO, Zbigniew KRÓLICKI, Sławomir GAJOSIŃSKI

Więcej informacji na łamach miesięcznika Chłodnictwo&Wentylacja nr 7/2004. 

www.chlodnictwo.euro-media.pl