W artykule zostały omówione ogólne zasady kształtowania komfortu klimatyzacyjnego w zakładach przemysłowych. Przedstawiono propozycje wykorzystania przemysłowej energii odpadowej do celów klimatyzacyjnych. Podano zasady oceny zasobów energii odpadowej z uwzględnieniem warunków występujących w poszczególnych zakładach. W niniejszym artykule zamieszczono także wzory obliczeniowe umożliwiające określenie wpływu temperatury czynnika podgrzewającego roztwór roboczy w warniku agregatu absorpcyjnego oraz wody chłodzącej jego skraplacz i absorber na sprawność energetyczną oraz względną wydajność ziębniczą. Porównano efektywność ekonomiczną stosowania agregatu absorpcyjnego i sprężarkowego w instalacji klimatyzacyjnej.

   W Zakładzie Energetyki Cieplnej i Chłodnictwa Politechniki Śląskiej w Gliwicach w latach 2000-2004 wykonano szereg prac dotyczących wykorzystania przepływowej energii odpadowej do celów ziębno-grzejnych w zakładach oraz w tzw. układach terytorialnych współpracujących z systemami zaopatrzenia [5-10] odbiorców komunalnych.

   Powyższy sposób utylizacji energii odpadowej, zwłaszcza związanej z nisko- i średnioparametrycznymi jej nośnikami, charakteryzuje większa efektywność techniczno-ekonomiczna w porównaniu z włączonym wykorzystaniem energii odpadowej do celów grzewczych.

   W niniejszym artykule przedstawiono przykład, gdzie nie zastosowano zimna uzyskanego z wykorzystania energii odpadowej do celów klimatyzacji przemysłowej.

   Zasadniczymi elementami utylizacyjnych instalacji klimatyzacji przemysłowej są absorpcyjne agregaty chłodnicze. Przedstawiono tu wpływ warunków eksploatacyjnych tych agregatów na parametry ich pracy, oraz porównano efektywność ekonomiczną działania instalacji z agregatami sprężarkowymi i absorpcyjnymi w odniesieniu do instalacji klimatyzacji kopalń węgla kamiennego.

Warunki komfortu klimatyzacyjnego

   Wymagania dotyczące klimatyzacyjnych parametrów powietrza w zakładach przemysłowych są zróżnicowane i powinny uwzględniać specyfikę procesu produkcyjnego, jak też wymagań stawianych prze produkt. Największą uwagę powinno się zwracać na warunki pracy ludzi. Do czynników decydujących o komforcie klimatycznym należy zaliczyć:
• skład powietrza (udział powietrza zewnętrznego),
• temperaturę,
• wilgotności,
• ciśnienie powietrza,
• prędkości przepływu powietrza,
• zapylenie.
(...)

   Pojęcie, podobnie jak odczucie komfortu cieplnego jest subiektywne. Za odpowiednie uważa się warunki, którym odpowiadają temperatury odczuwane z zakresu t_cz ε [12,5-18^oC]. Warunki zbliżone do optymalnych odpowiadają t_cz = 16^oC.

   W gałęziach przemysłu charakteryzujących się szczególną uciążliwością klimatyczną (np. w górnictwie) warunki pracy można określać w oparciu o pomiary katatermometryczne. Polegają one na symulacji, przez odpowiedni termometr, procesu przekazywania ciepła od ciała ludzkiego do otoczenia na drodze promieniowania i konwekcji. Pomiary te nie uwzględniają jednak ciepła oddawanego przez człowieka na drodze parowania, które odgrywające istotną rolę w bilansie cieplnym organizmu ludzkiego. Strumień ciepła przekazywanego na drodze parowania może stanowić do 50% ogólnego strumienia przekazywanego od człowieka do otoczenia. Przez analogię do tak zwanej temperatury mokrego i suchego termometru można mierzyć tak zwane katastopnie suche i mokre (przy wyznaczaniu mokrych stopni jeden z czujników katatermometru owija się wilgotnym muślinem).

Uważa się, że normy komfortu wymagają, aby intensywność chłodzenia mierzona katatermometrem mokrym KN nie była mniejsza niż 11 katastopni. Najkorzystniejsze warunki uzyskuje się dla KN = 18-25. Dla warunków przyjętych w Anglii liczba ta dla pracy o średnim wysiłku powinna wynosić 25, zaś dla pracy ciężkiej 30. W celu uwzględnienia wpływu temperatury i prędkości powietrza na liczbę katastopni można stosować następującą zależność optymalizacyjną: 

(1)

   Temperatura otaczającego powietrza oraz jego wilgotność mają duży wpływ na efektywność działania człowieka. Ze wzrostem temperatury, powyżej 18^oC, wydajność pracy człowieka maleje liniowo osiągając w temperaturze 30^oC poziom 40% pełnej wydajności [2]. Komfort cieplny zależy od temperatury, wilgotności i prędkości powietrza. Decydującą rolę odgrywają dwa pierwsze parametry, które w kopalniach są zależne od głębokości usytuowania wyrobiska. Przykładowo ze wzrostem głębokości temperatura rośnie o około 1K/100 m [2] zaś wilgotność maleje o około 1%/100 m.
(...)

   Przeprowadzone roczne analizy stanu zagrożenia warunków klimatycznych w kopalniach węgla kamiennego wskazują na ciągły wzrost wydobycia z poziomów o temperaturze skał otaczających wyrobisko wyższej od 40^oC przy równoczesnym mniejszym eksploatowaniu poziomów o niższych temperaturach (poniżej 30^oC). Na ogólną liczbę około 160 eksploatowanych wyrobisk o temperaturze powietrza wyższej od 30^oC w 50% wyrobisk temperatura przekraczała 40^oC, w 35% kształtowała się między 35^oC a 40^oC, w 15% zaś była niższa od 35^oC [4]. Wykorzystując informacje podane w literaturze w odniesieniu do pracy w górnictwie można uznać:
• za warunki komfortowe: t = 15÷25^oC, φ = 30÷70%,
• za warunki dopuszczalne: t = 20÷30^oC, φ = 20÷80%,
• za warunki graniczne przy średnim wysiłku [6]: 

(2)

   Systemy klimatyzacyjne odgrywają dużą rolę w innych przemysłach np. w hutnictwie żelaza. Strumienie ciepła przekazywane do powietrza w pobliżu wielkich pieców wynoszą ok. 0,25 kW/m³, przy temperaturze powietrza oscylującej na poziomie 30^oC. W przypadku stalowni i walcowni podane wyżej wielkości mają odpowiednio wartość 0,3÷0,5 kW/m³ oraz 40^oC.
(...)

   Efektywność wykorzystania energii odpadowej zależy w dużej mierze od parametrów jakościowych jej nośników: temperatury, ciśnienia lub wartości opałowej. Wysokoparametrowe nośniki są wykorzystywane do rekuperacyjnego podgrzewania substratów procesu spalania, wykorzystanie pary technologicznej w kotłach odzyskowych lub produkcji energii elektrycznej i ciepła np. poprzez silniki spalinowe.

   Do celów klimatyzacyjnych zwykło się wykorzystywać nośniki nisko- i średnioparametrowej energii odpadowej. Dotyczy to zwłaszcza:
• spalin o temperaturze poniżej 500^oC,
• stałych produktów procesu o temperaturze 400÷600^oC,
• gorącej wody o temperaturze wyższej od 70÷150^oC,
• gazów poprocesowych o wartości opałowej wyższej od 2,5 MJ/m³.

   Zasoby tej energii zależą od typu i wielkości zakładów przemysłowych. Orientacyjne wartości tych zasobów w przykładowych zakładach wynoszą:
• w hutach żelaza: małych 200 TJ/rok, średnich 1300 TJ/rok i dużych 6800 TJ/rok,
• w zespołach pieców metali nieżelaznych: szybowych 700TJ/rok, anodowych 155 TJ/rok i katodowych 110 TJ/rok.
(...)

Uwagi końcowe

   W powyższym artykule przedstawiono uogólnienie wcześniejszych badań autora, dotyczących wykorzystania energii odpadowej w układach klimatyzacji przemysłowej.
   Wydaje się, że utylitarne znaczenie tej pracy można upatrywać:
• w uogólnieniu i sformalizowaniu informacji literaturowych dotyczących warunków granicznych komfortu cieplnego w przemyśle;
• w ocenie przydatności nośników energii odpadowej w układach klimatyzacyjnych;
• w przedstawieniu zależności aproksymacyjnych, określających charakterystykę energetyczną klimatyzacyjnego, bromolitowego agregatu chłodniczego tzn. zależności sprawności oraz względnej wydajności chłodniczej od temperatury czynnika grzejnego w warniku i temperatury wody chłodzącej skraplacz i absorber;
• w określeniu maksymalnej ceny entalpii czynnika grzejnego zasilającego absorpcyjny agregat klimatyzacyjny zapewniającej odpowiednią jego efektywność chłodniczą w porównaniu z agregatem sprężarkowym.

Joachim KOZIOŁ

Więcej informacji na łamach miesięcznika Chłodnictwo&Wentylacja nr 9/2004. 

www.chlodnictwo.euro-media.pl