ODZYSK CIEPŁA ZE SPRĘŻAREK.
CO WARTO WIEDZIEĆ PRZED MODERNIZACJĄ?

TL;DR

Odzysk ciepła ze sprężarek polega na zagospodarowaniu ciepła, które powstaje podczas ich pracy. Zimą może ono zostać wykorzystane do dogrzewania hali produkcyjnej, natomiast latem, do podgrzewania mediów technologicznych, ciepłej wody użytkowej (CWU) lub, jeśli nie ma na nie zapotrzebowania, odprowadzone na zewnątrz.

Na pierwszy rzut oka rozwiązanie wydaje się bardzo proste: wystarczy podłączyć kanał do wylotu ciepłego powietrza ze sprężarki i wyprowadzić go w odpowiednie miejsce. W praktyce jest to jednak zadanie inżynierskie, w którym trzeba uwzględnić wiele zmiennych: spręż wentylatora, długość i trasę kanałów, opory przepływu, sezonowość pracy, filtry, klapy, sposób łączenia sprężarek oraz dopływ świeżego powietrza.

Pominięcie któregoś z tych elementów może doprowadzić do sytuacji, w której instalacja będzie działała nieprawidłowo albo jej wykonanie i eksploatacja będą kosztować więcej, niż wyniosą uzyskane oszczędności.

Nad czym się zastanowić przed wykonaniem modernizacji?

1. Jak chcemy odzyskiwać ciepło i gdzie je wykorzystać?
Pierwszą rzeczą, nad którą trzeba się zastanowić, jest sposób odzysku ciepła oraz to, czy w zakładzie rzeczywiście istnieje na nie zapotrzebowanie. Dopiero po określeniu, gdzie i kiedy chcemy wykorzystać odzyskane ciepło, można właściwie dobrać rozwiązanie techniczne.

Najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest wykonanie kanału wentylacyjnego, którym gorące powietrze ze sprężarek zimą kierowane jest do hali produkcyjnej, wspomagając jej ogrzewanie. Latem, gdy zapotrzebowanie na ogrzewanie spada, powietrze jest natomiast odprowadzane na zewnątrz. Nie jest to jednak jedyna możliwość.

Ciepło ze sprężarki można również odzyskiwać za pomocą wymiennika i przekazywać je do obiegu cieczowego. W ten sposób można wykorzystać je m.in. do ogrzewania procesów technologicznych, wspomagania pracy centrali wentylacyjnej czy przygotowania ciepłej wody użytkowej (CWU). Możliwości jest więc kilka, a wybór odpowiedniego rozwiązania zależy przede wszystkim od charakteru zakładu i jego zapotrzebowania na ciepło.

Najważniejsze jest jednak to, aby odzyskane ciepło było na bieżąco wykorzystywane. Jego magazynowanie jest możliwe, ale bez dodatkowego nakładu energii nie zawsze jest efektywne. Dlatego już na etapie koncepcji warto odpowiedzieć sobie na podstawowe pytanie: gdzie i kiedy będziemy wykorzystywać ciepło ze sprężarek?

Dobrym przykładem efektywnego wykorzystania ciepła odpadowego jest jeden z naszych klientów, który posiadał bardzo duże sprężarki śrubowe pracujące na potrzeby agregatów chłodniczych. Zamiast traktować powstające ciepło wyłącznie jako odpad i odprowadzać je na zewnątrz, wykorzystał je jako źródło energii dla kolejnego procesu.

Klient rozbudował zakład o drugą halę, w której uruchomił suszarnię owoców. Ciepło potrzebne do procesu suszenia zostało w całości pokryte ciepłem odpadowym odzyskiwanym z dużych sprężarek śrubowych. To dobry przykład pokazujący, że potencjał odzysku ciepła nie zawsze ogranicza się do ogrzewania hali. Jeżeli w zakładzie występuje stałe i odpowiednio duże zapotrzebowanie na ciepło, odzysk może zostać wykorzystany również w procesach technologicznych, a jego wartość energetyczna może być znacznie większa niż w przypadku prostego dogrzewania pomieszczeń.

2. Ile ciepła faktycznie możemy odzyskać?
Kiedy wiemy już, gdzie chcemy wykorzystać ciepło, kolejnym krokiem jest określenie jego dostępnej ilości. Nie każda sprężarka będzie dostarczała taką samą ilość ciepła przez cały czas. Trzeba uwzględnić jej moc, obciążenie, czas pracy oraz sposób regulacji. Istotne jest również to, czy sprężarki pracują przez całą dobę, czy ich obciążenie znacząco zmienia się w ciągu dnia. W przypadku kilku sprężarek warto przeanalizować ich rzeczywisty harmonogram pracy. Może się bowiem okazać, że teoretyczna ilość dostępnego ciepła jest znacznie mniejsza niż ilość, którą faktycznie potrzebujemy wykorzystać w danym okresie. Dopiero znajomość rzeczywistego potencjału odzysku pozwala dobrać odpowiednią wielkość kanałów, wymiennika oraz pozostałych elementów instalacji.

3. Kanał powietrzny czy wymiennik i odzysk ciepła do cieczy?
Po określeniu zapotrzebowania na ciepło można zdecydować, w jaki sposób będzie ono transportowane do miejsca wykorzystania. Jeżeli chcemy ogrzewać halę bezpośrednio ciepłym powietrzem, rozwiązaniem może być układ kanałów wentylacyjnych. Jeżeli natomiast ciepło ma być wykorzystane do przygotowania CWU, ogrzewania technologii lub współpracy z centralą wentylacyjną, bardziej odpowiedni może być wymiennik, który przekazuje energię do obiegu cieczowego. Oba rozwiązania mają swoje zalety i ograniczenia. W przypadku transportu powietrza kluczowe znaczenie mają m.in. przepływ, średnice kanałów i opory instalacji. W przypadku układu cieczowego dochodzą m.in. parametry wymiennika, przepływ czynnika, temperatura zasilania i powrotu oraz sposób włączenia instalacji w istniejący układ. Dlatego rozwiązanie powinno wynikać z tego, gdzie chcemy wykorzystać odzyskane ciepło, a nie odwrotnie.

4. Spręż wentylatora i opory przepływu
Jeżeli odzysk realizowany jest poprzez transport ciepłego powietrza, jednym z najważniejszych parametrów jest spręż wentylatora sprężarki. Trzeba sprawdzić, czy wentylator będzie w stanie pokonać opory całej instalacji i zapewnić wymagany przepływ powietrza. Na opory wpływa nie tylko długość kanału. Znaczenie mają również kolana, trójniki, przepustnice, klapy zwrotne, filtry, kratki, wymienniki oraz inne elementy znajdujące się na drodze przepływu. Dlatego nie wystarczy określić długości kanału i jego średnicy. Należy policzyć cały układ i sprawdzić, jaki przepływ rzeczywiście uzyskamy po wykonaniu modernizacji.

5. Co zrobić z ciepłem, gdy nie jest potrzebne?
Jeżeli zapotrzebowanie na ciepło zmienia się w zależności od pory roku lub aktualnego procesu technologicznego, instalacja powinna umożliwiać odpowiednie sterowanie kierunkiem przepływu. Przykładowo zimą ciepłe powietrze może być kierowane do hali, natomiast latem na zewnątrz. Jeżeli część ciepła jest wykorzystywana do CWU lub technologii, układ może w pierwszej kolejności kierować energię tam, gdzie aktualnie jest zapotrzebowanie. W praktyce oznacza to konieczność zastosowania odpowiednich przepustnic, klap, zaworów lub automatyki sterującej. To ważny element całego systemu, ponieważ odzysk ciepła powinien być dostosowany do aktualnego zapotrzebowania, a nie działać w jednym stałym trybie przez cały rok.

6. Dopływ świeżego powietrza do sprężarek
Projektując drogę odprowadzania ciepłego powietrza, nie można zapominać o drugiej stronie układu - dopływie świeżego powietrza do sprężarek. Trzeba sprawdzić, czy sprężarki mają zapewniony odpowiedni dopływ powietrza oraz czy jego temperatura jest właściwa dla ich prawidłowej pracy. Czasami po wykonaniu odzysku okazuje się, że konieczne jest również uporządkowanie sposobu dostarczania świeżego powietrza do sprężarkowni. Jeżeli jego źródło znajduje się w innym miejscu, może być potrzebny dodatkowy kanał. Taki kanał również generuje opory przepływu, dlatego powinien zostać uwzględniony w obliczeniach całego układu.

7. Jak połączyć kilka sprężarek?
Jeżeli w sprężarkowni znajduje się kilka urządzeń, należy zdecydować, czy wszystkie będą podłączone do wspólnego układu, czy każda sprężarka będzie pracowała z oddzielnym obiegiem odzysku. Wspólny układ może być prostszy i bardziej elastyczny, ale wymaga odpowiedniego rozwiązania kwestii przepływu powietrza pomiędzy poszczególnymi sprężarkami. Jeżeli urządzenia nie pracują jednocześnie, mogą być potrzebne klapy zwrotne, przepustnice lub zawory odcinające. Ich opór również należy uwzględnić w obliczeniach. Warto również pomyśleć o automatyce. Ręczne sterowanie zaworami może prowadzić do błędów obsługi. Jeżeli operator nie otworzy odpowiedniego zaworu lub przepustnicy, może dojść do ograniczenia przepływu i problemów z odprowadzaniem ciepła ze sprężarki.

8. Czystość odzyskanego powietrza
‍Jeżeli odzyskane ciepłe powietrze ma być bezpośrednio kierowane do hali, należy sprawdzić jego jakość oraz wymagania dotyczące powietrza w danym pomieszczeniu. W niektórych zakładach możliwe będzie bezpośrednie wykorzystanie powietrza ze sprężarkowni. W innych konieczne może być zastosowanie dodatkowej filtracji albo zastosowanie wymiennika, który oddzieli powietrze ze sprężarki od powietrza nawiewanego do hali.

9. Izolacja kanałów i straty ciepła
Jeżeli ciepłe powietrze jest transportowane kanałami na większą odległość, należy ograniczyć straty ciepła podczas jego przesyłu. Dobór izolacji powinien uwzględniać temperaturę transportowanego powietrza, długość kanałów, warunki otoczenia oraz oczekiwany poziom strat. Nie chodzi więc wyłącznie o wybór konkretnej grubości izolacji. Powinna ona wynikać z warunków pracy całej instalacji i oczekiwanego efektu energetycznego.

10. Bilans energetyczny i ekonomiczny
Na końcu trzeba odpowiedzieć na najważniejsze pytanie: czy wykonanie odzysku rzeczywiście przyniesie oszczędności? W tym celu należy zestawić ilość ciepła, którą możemy wykorzystać, z kosztami wykonania i eksploatacji instalacji. Jeżeli zastosowany zostanie wymiennik, pompa lub dodatkowa instalacja, ich zużycie energii również powinno znaleźć się w bilansie. Dopiero takie zestawienie pozwala ocenić rzeczywistą efektywność inwestycji. Liczy się bilans całego układu, ilość wykorzystanego ciepła w stosunku do dodatkowej energii potrzebnej do jego odzysku i transportu.

Najczęstszy błąd - odzysk wykonany „na oko”

Wiele zakładów przemysłowych próbuje wykonać odzysk ciepła ze sprężarek we własnym zakresie. Przykładem może być montaż dodatkowego wymiennika w centrali wentylacyjnej. Problem pojawia się wtedy, gdy instalacja zostaje wykonana bez wcześniejszego przeliczenia całego układu. Dodatkowy wymiennik oznacza dodatkowy opór na instalacji. W efekcie może spaść wydatek powietrza w m³/h, a wentylatory mogą zostać bardziej obciążone i zacząć pobierać więcej energii elektrycznej. Na pierwszy rzut oka wszystko może wyglądać dobrze, ponieważ temperatura nawiewanego powietrza wzrośnie. Nie oznacza to jednak, że cały system działa efektywniej.

W wielu modernizacjach spotykaliśmy się z sytuacją, w której po wykonaniu odzysku do hali trafiało mniej powietrza, a wentylatory centrali wentylacyjnej zużywały więcej energii, ponieważ musiały pokonać dodatkowy opór instalacji. W takim przypadku większość oszczędności uzyskanej na ogrzewaniu zostaje skonsumowana przez wzrost zużycia energii elektrycznej. Dlatego skuteczności odzysku ciepła nie powinno się oceniać wyłącznie na podstawie temperatury nawiewanego powietrza.

Ciepło ze sprężarek do AHU - liczy się bilans całego układu

Prawidłowo zaprojektowany odzysk ciepła powinien być oceniany na podstawie całego bilansu energetycznego. Trzeba odpowiedzieć przede wszystkim na dwa pytania:

• ile powietrza faktycznie trafia do hali po wykonaniu modernizacji?
• ile energii elektrycznej dodatkowo zużywają wentylatory centrali wentylacyjnej i pozostałe elementy instalacji?

Dopiero zestawienie tych wartości pozwala określić, czy odzysk rzeczywiście przynosi oszczędności.
‍
Rozwiązanie może być opłacalne, gdy: ciepło ze sprężarek jest rzeczywiście potrzebne, np. hala wymaga dogrzania w sezonie zimowym, instalacja została prawidłowo przeliczona pod względem przepływu, sprężu i oporów, wentylatory oraz pozostałe elementy instalacji są odpowiednio dobrane, dodatkowe zużycie energii elektrycznej jest niewielkie w stosunku do uzyskanych oszczędności na ogrzewaniu.

Z kolei odzysk może okazać się nieopłacalny, gdy: dodatkowe opory powodują znaczny spadek wydatku powietrza, wentylatory zaczynają pobierać dużo więcej energii, instalacja została wykonana bez wcześniejszego bilansu energetycznego, hala nie ma rzeczywistego zapotrzebowania na odzyskane ciepło.

Podsumowanie

Odzysk ciepła ze sprężarek może być skutecznym sposobem na ograniczenie zużycia energii w zakładzie, ale jego prawidłowe zaprojektowanie wymaga spojrzenia na cały układ, a nie tylko na samą sprężarkę.

Pierwszym krokiem powinno być określenie, gdzie i kiedy odzyskane ciepło będzie wykorzystywane. Może ono służyć do ogrzewania hali, podgrzewania CWU, wspomagania centrali wentylacyjnej czy zasilania procesów technologicznych. W niektórych zakładach możliwe jest również wykorzystanie ciepła przez cały rok, dzięki czemu potencjał odzysku jest znacznie większy. Dopiero po określeniu zapotrzebowania na ciepło można dobrać odpowiedni sposób jego odzysku. W zależności od zastosowania może to być bezpośredni transport ciepłego powietrza kanałami wentylacyjnymi albo odzysk za pomocą wymiennika i przekazanie energii do obiegu cieczowego.

Następnie należy sprawdzić parametry całej instalacji: dostępne ilości ciepła, przepływy, spręż wentylatorów, opory kanałów, wymienników, filtrów i klap, a także sposób pracy kilku sprężarek. Nie można również zapominać o zapewnieniu odpowiedniego dopływu świeżego powietrza do sprężarkowni. Bardzo ważna jest także sezonowość. Jeżeli zimą ciepło można wykorzystać do ogrzewania hali, ale latem nie ma na nie zapotrzebowania, instalacja powinna umożliwiać zmianę sposobu jego wykorzystania lub odprowadzenie nadmiaru ciepła na zewnątrz.

Najbardziej efektywne są rozwiązania, w których odzyskane ciepło jest wykorzystywane na bieżąco. Przed rozpoczęciem inwestycji warto więc wykonać bilans energetyczny i ekonomiczny całego układu. Wyższa temperatura nawiewanego powietrza sama w sobie nie oznacza jeszcze, że modernizacja jest opłacalna. Trzeba sprawdzić, ile użytecznego ciepła rzeczywiście wykorzystamy i ile dodatkowej energii będzie potrzebne do jego odzysku, transportu i wykorzystania. Dobrze zaprojektowany odzysk może jednak przynieść znacznie więcej niż tylko oszczędności na ogrzewaniu. W odpowiednich warunkach ciepło odpadowe ze sprężarek może stać się źródłem energii dla procesów technologicznych, a nawet nowych procesów realizowanych w zakładzie. Dlatego przed wykonaniem instalacji warto najpierw odpowiedzieć na jedno podstawowe pytanie: co możemy zrobić z ciepłem, które już dziś powstaje w naszym zakładzie? Dopiero później należy dobierać sposób jego odzysku.

FAQ - odzysk ciepła ze sprężarek

Na czym polega odzysk ciepła ze sprężarek?
Odzysk ciepła ze sprężarek polega na wykorzystaniu energii cieplnej powstającej podczas ich pracy zamiast odprowadzania jej bezpośrednio na zewnątrz. Ciepło może być wykorzystane m.in. do ogrzewania hali, przygotowania CWU, wspomagania centrali wentylacyjnej lub procesów technologicznych.

Gdzie można wykorzystać ciepło ze sprężarek?
‍Możliwości jest kilka i zależą przede wszystkim od zapotrzebowania konkretnego zakładu. Ciepło może być wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń, podgrzewania CWU, zasilania instalacji technologicznych, wspomagania central wentylacyjnych czy innych procesów wymagających energii cieplnej. W niektórych przypadkach odzyskane ciepło może również zostać wykorzystane do zupełnie innego procesu technologicznego np. suszenia owoców.

Czy lepiej odzyskiwać ciepło jako powietrze czy za pomocą wymiennika?
Zależy to od tego, gdzie ciepło ma zostać wykorzystane. Jeżeli celem jest ogrzewanie hali, bezpośrednie wykorzystanie ciepłego powietrza może być prostym rozwiązaniem. Jeżeli natomiast ciepło ma być wykorzystane do CWU, ogrzewania technologii lub innych instalacji cieczowych, korzystniejszy może być wymiennik przekazujący energię do obiegu cieczowego. Sposób odzysku powinien więc wynikać z miejsca i sposobu wykorzystania ciepła.

Czy odzysk ciepła ze sprężarek zawsze się opłaca?
‍Nie. Opłacalność zależy m.in. od ilości dostępnego ciepła, czasu pracy sprężarek, zapotrzebowania na ciepło oraz kosztów wykonania instalacji. Trzeba również uwzględnić dodatkowe zużycie energii przez wentylatory, pompy i inne urządzenia. Dlatego przed inwestycją warto wykonać bilans energetyczny i ekonomiczny.

Czy ciepło ze sprężarek można wykorzystywać przez cały rok?
‍Tak, jeżeli w zakładzie istnieje całoroczne zapotrzebowanie na energię cieplną. Zimą ciepło może być wykorzystywane do ogrzewania hali, natomiast w pozostałej części roku np. do CWU lub procesów technologicznych. Jeżeli latem nie ma żadnego odbiornika ciepła, konieczne może być odprowadzanie go na zewnątrz. Dlatego już na etapie projektowania należy uwzględnić sezonowość pracy instalacji.

Czy można magazynować ciepło ze sprężarek?
‍Technicznie jest to możliwe, ale magazynowanie ciepła wymaga odpowiedniego układu i dodatkowych nakładów. W wielu przypadkach bardziej efektywne jest wykorzystanie ciepła na bieżąco, szczególnie gdy proces odbierający energię cieplną może pracować w czasie pracy sprężarek. Dlatego przed rozważaniem magazynowania warto w pierwszej kolejności poszukać możliwości bezpośredniego wykorzystania odzyskanego ciepła.

Czy można połączyć kilka sprężarek w jeden system odzysku ciepła?
‍Tak. Kilka sprężarek może pracować na wspólny układ odzysku, jednak należy uwzględnić ich sposób pracy i zmienne obciążenie. Jeżeli sprężarki nie pracują jednocześnie, konieczne może być zastosowanie klap zwrotnych, przepustnic lub zaworów odcinających. Wszystkie te elementy zwiększają opory przepływu i powinny zostać uwzględnione w projekcie.

Czy odzysk ciepła może zwiększyć zużycie energii elektrycznej?
‍Tak. Każdy dodatkowy element instalacji może powodować dodatkowe opory przepływu. Dotyczy to m.in. kanałów, filtrów, klap, wymienników czy innych urządzeń. Jeżeli wentylatory muszą pokonywać większy opór, mogą zużywać więcej energii elektrycznej. Dlatego nie należy oceniać odzysku wyłącznie na podstawie ilości uzyskanego ciepła, trzeba uwzględnić również energię potrzebną do jego transportu.

Czy można kierować ciepłe powietrze ze sprężarek bezpośrednio do hali?
‍W niektórych przypadkach tak, ale wcześniej należy sprawdzić jakość i temperaturę powietrza oraz wymagania obowiązujące w danej hali. Jeżeli powietrze wymaga dodatkowego oczyszczenia, konieczne może być zastosowanie filtracji. Alternatywnie można zastosować wymiennik, który pozwoli przekazać ciepło bez bezpośredniego kierowania powietrza ze sprężarkowni do hali.

Jak dobrać kanały do odzysku ciepła ze sprężarek?
‍Kanały powinny zostać dobrane na podstawie wymaganego przepływu powietrza i dostępnego sprężu wentylatora. Należy uwzględnić nie tylko długość i średnicę kanałów, ale również wszystkie elementy powodujące opory przepływu, takie jak kolana, trójniki, klapy, przepustnice, filtry czy wymienniki.

Czy kanały odzysku ciepła trzeba izolować?
Odpowiednia izolacja pozwala ograniczyć straty ciepła. Jej grubość powinna zostać dobrana do temperatury powietrza, długości instalacji i warunków, w jakich kanały pracują.

Co należy sprawdzić przed wykonaniem odzysku ciepła ze sprężarek?
‍Przed rozpoczęciem modernizacji warto przeanalizować: gdzie i kiedy będzie wykorzystywane odzyskane ciepło, ilość dostępnego ciepła, sposób jego odzysku - powietrzem lub za pomocą wymiennika, przepływy i spręż wentylatorów, opory całej instalacji, sposób pracy kilku sprężarek, dopływ świeżego powietrza do sprężarkowni, wymagania dotyczące jakości i temperatury powietrza, sezonowość zapotrzebowania na ciepło, dodatkowe zużycie energii elektrycznej, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Jak sprawdzić, czy odzysk ciepła ze sprężarek będzie opłacalny?
‍Najlepiej rozpocząć od analizy rzeczywistych parametrów pracy sprężarek oraz zapotrzebowania zakładu na ciepło. Następnie należy określić ilość możliwej do odzyskania energii i zestawić ją z kosztami wykonania oraz eksploatacji instalacji. Dopiero taki bilans pozwala ocenić, czy dana koncepcja odzysku ma uzasadnienie techniczne i ekonomiczne.

Źródła

Realizacje własne Technowent - serwis i modernizacja central nawiewno-wyciągowych, obiekty komercyjne i przemysłowe, województwo mazowieckie.

Autor: Piotr Kopestyński

Manager w Technowent - firmie zajmującej się serwisem i modernizacją systemów HVAC w Warszawie. Od wielu lat związany z rodzinną firmą i technologiami HVAC. Dzięki jego zaangażowaniu oferta Technowent została precyzyjnie dopasowana do potrzeb klientów biznesowych, przyczyniając się do podnoszenia standardów w branży serwisowo-instalatorskiej.