Vyuลพiteฤพnรฉ teplo z procesov vรฝroby stlaฤenรฉho vzduchu
Vรฝroba stlaฤenรฉho vzduchu patrรญ medzi energeticky najnรกroฤnejลกie a zรกroveล energeticky najmenej efektรญvne transformรกcie jednej formy energie na inรบ, รบฤinnosลฅ bรฝva ฤasto len okolo 5 %. Nรญzka รบฤinnosลฅ vyplรฝva zo samotnej fyzikรกlnej podstaty procesu vรฝroby, pri ktorej sa vstupujรบca elektrickรก energia premenรญ v procese stlรกฤania vzduchu na teplo.
Pri stlรกฤanรญ vzduchu dochรกdza k termodynamickรฉmu ohrevu, ktorรฝ je danรฝ fyzikรกlne โ prevaลพnรก ฤasลฅ vstupnej elektrickej energie na pohon kompresora sa premenรญ na odpadovรฉ teplo, ktorรฉho ลกtandardnรฉ delenie je na obr. 1. Dominuje tepelnรฝ tok odvรกdzanรฝ chladenรญm oleja, ktorรฝ plnรญ v kompresore niekoฤพko funkciรญ.
Odpadovรฉ teplo z rรดznych ฤastรญ kompresora sa mรดลพe pouลพiลฅ na ohrev vody alebo inรฝch technologickรฝch tekutรญn, rovnako aj na dokurovanie objektu. Pri nรกvrhu koncepcie kompresorovej stanice treba zvรกลพiลฅ moลพnosti, kam sa tepelnรฉ toky vzniknutรฉ chladenรญm KS odvedรบ.
V podstate existujรบ dva zรกkladnรฉ koncepty chladenia kompresorov โ pri prvom ide o chladenie vzduchom, pri druhom o vodnรฉ chladenie. Najlepลกie รบฤinnosti sa dosahujรบ pri vodou chladenรฝch kompresoroch, kde je obehovรก chladiaca voda priamo spojenรก s aplikรกciou, ktorรก potrebuje nepretrลพite teplo, ako je naprรญklad spรคtnรฝ okruh vykurovacieho kotla.
Prvรฉ rieลกenie, ktorรฉ vรฝrobcovia kompresorov zvyฤajne ponรบkajรบ, predstavuje vyuลพitie priameho odpadovรฉho tepla v podobe ohriateho vzduchu z chladenia ฤastรญ kompresorov na ohrev priestorov priฤพahlรฝch budov. Najjednoduchลกiu moลพnosลฅ predstavuje priamy vรฝfuk ohriateho vzduchu do blรญzkej budovy.
Toto rieลกenie mรก vรฝhodu v jednoduchosti a nenรกroฤnosti prevรกdzky a v malej investรญcii, veฤพkรฝmi nevรฝhodami sรบ vลกak nerovnomernosลฅ mnoลพstva vzduchu, hluk, aplikovateฤพnosลฅ len na krรกtke vzdialenosti a predovลกetkรฝm sezรณnnosลฅ vyuลพiteฤพnosti.
V letnom obdobรญ zostรกva tento tepelnรฝ tok nevyuลพitรฝ. Druhรฝ, technicky vyspelejลกรญ spรดsob vyuลพitia odpadovรฉho tepla sa realizuje pomocou dodatoฤnรฉho zariadenia privรกdzajรบceho teplo do teplovodnรฉho okruhu vykurovania.
Tu je uลพ vyลกลกรญ komfort vyuลพรญvania, naprรญklad priamo pre รK alebo ako predohrev spiatoฤky vracajรบcej sa k zdroju tepla. Opรคลฅ tu vลกak negatรญvne pรดsobia sezรณnna vyuลพiteฤพnosลฅ a zvรฝลกenie investiฤnรฝch nรกkladov. Z pohฤพadu sรบฤasnej techniky sa ako optimรกlne rieลกenie ponรบka prรญprava teplej vody.
Vรฝhoda je v celoroฤnom vyuลพitรญ, ideรกlne vyuลพitie je na prรญpravu alebo predohrev teplej vody (TV) pre technolรณgiu. Toto rieลกenie je vลกak aplikovateฤพnรฉ len v malom percente priemyselnรฝch podnikov vzhฤพadom na to, ลพe mnohรฉ podniky nemajรบ dostatoฤnรบ spotrebu teplej vody.
Ohrev vody pre zamestnancov do spลch je v malรฝch a strednรฝch podnikoch zvyฤajne nezaujรญmavรฝ vzhฤพadom na malรบ spotrebu vody, zloลพitosลฅ technickรฉho rieลกenia a dlhรฉ nรกvratnosti investรญcie. V ฤlรกnku preto ukรกลพeme na meranรฝch dรกtach moลพnosti vyuลพitia energie a uvedieme potenciรกl takรฉhoto rieลกenia.
Pre potreby ฤlรกnku sme vybrali merania na kompresorovej stanici vo vรฝrobnom zรกvode. Diskutujeme o moลพnosti vyuลพitia tepla z procesu kompresie pri vรฝrobe stlaฤenรฉho vzduchu ako mรฉdia, ktorรฉ sa beลพne pouลพรญva vo vรฝrobnรฝch procesoch zรกvodu.
Vychรกdzame z reรกlnych meranรญ uskutoฤnenรฝch v kompresorovej stanici (KS). Opรญลกeme postup, ako by sa malo postupovaลฅ pri nรกvrhu efektรญvneho vyuลพitia tepla v procese prรญpravy TV, resp. pri podpore vykurovania objektov zรกvodu. Teplo vznikajรบce v kompresii porovnรกme s potrebou tepla nameranou v objekte.
Vstupujรบce podmienky
Ako sme spomenuli v รบvode, spotreba elektrickej energie priamo predurฤuje mnoลพstvo uvoฤพnenรฉho tepla v procese kompresie, preto ako zรกkladnรฝ vstupnรฝ รบdaj pouลพijeme meranie spotreby trojice kompresorov v kompresorovej stanici.
Pouลพili sme reรกlne meranie spotreby trojice kompresorov s motormi s prรญkonom 200 kW. Jeden kompresor je s FM, dva sรบ bez regulรกcie otรกฤok โ iba s regulรกciou do odฤพahฤenรฉho stavu. Meranie na obr. 3 zobrazuje ich reรกlnu spotrebu poฤas jednรฉho prevรกdzkovรฉho dลa, reflektujรบc potrebu mรฉdia v priemyselnej vรฝrobe.
Na obr. 3 sรบ prezentovanรฉ spotreby KS na strane elektrickej energie v plnom zaลฅaลพenรญ (zelenou farbou) a v odฤพahฤenom stave (oranลพovou farbou). Platรญ, ลพe AlMiG je kompresor s moลพnosลฅou riadenia otรกฤok na strane elektromotora pomocou FM s moลพnosลฅou prechodu aj do odฤพahฤenรฉho stavu a C1 i C2 sรบ kompresory s prevรกdzkou v plnom alebo v odฤพahฤenom stave.
Tรกto zostava je riadenรก iba na zรกklade tlakovรฝch snรญmaฤov v autonรณmnom MaR kaลพdรฉho z nich bez nadradenej regulรกcie. Meranie vzniklo pรดvodne pre potreby analรฝzy efektivity vรฝroby stlaฤenรฉho vzduchu v zรกvode a ako podklad na audit riadenia KS. Tรบto problematiku vลกak v tomto ฤlรกnku nejdeme rieลกiลฅ.
Na obr. 2 uvรกdzame prรญklad prepojenia meranรญ parametrov stlaฤenรฉho vzduchu na jednom z kompresorov, v modrom grafe na ฤพavej primรกrnej osi je prietok vzduchu (ฤervenรก krivka) a na ฤพavej sekundรกrnej osi priebeh tlaku v mieste merania za kompresorom a teplota produkovanรฉho mรฉdia.
Os x zobrazuje ฤasovรบ lรญniu merania, v hornej ฤasti grafu je spotreba energie nameranรก na danom kompresore. Oranลพovรก farba znรกzorลuje intervaly, v ktorรฝch kompresor po znรญลพenรญ otรกฤok motora na minimum prepรญnal do odฤพahฤenรฉho stavu.
Aj v odฤพahฤenom stave vลกak spotrebovรกva stรกle eลกte pribliลพne 40 % energie zo spotreby pri maximรกlnej zรกลฅaลพi. Odฤพahฤenรฝ stav slรบลพi na ochranu kompresora pred ฤastรฝm vypรญnanรญm v prรญpade, ลพe potreba stlaฤenรฉho vzduchu v sรบstave poklesne pod minimรกlnu hranicu, ktorรบ je pri riadenรญ FM schopnรฝ dodรกvaลฅ.
ฤalej sa zameriame na spotrebu elektrickej energie KS vลกeobecne a ukรกลพeme, ako moลพno tento energetickรฝ tok previesลฅ do sรบstavy vykurovania alebo prรญpravy TV. Vลกeobecnรฝ pohฤพad na spotrebu energie kompresormi (obr. 3) hovorรญ o ich striedanรญ poฤas jednรฉho pracovnรฉho dลa.
Vidieลฅ, ลพe v prevรกdzke sรบ prevaลพne iba dva z trojice kompresorov. Dochรกdza k ich striedaniu, preto sa dรก hovoriลฅ o relatรญvne konลกtantnej vรฝrobe vzduchu, ฤiลพe aj konลกtantnej potrebe chladiลฅ kompresory. Na okraj iba poznamenรกme, ลพe prevรกdzka tejto KS nie je vรดbec optimรกlna.
Meranie na trojici kompresorov, z ktorรฝch mal kaลพdรฝ motor s prรญkonom 200 kW, trvalo jeden tรฝลพdeล. Sumรกr meranรญ z ich prevรกdzky ukazuje obr. 4. Prvรฝ graf ukazuje prevรกdzku kompresora s FM, preto je potrebnรฉ jeho รบdaje vnรญmaลฅ v tomto kontexte.
Ostatnรฉ dva kompresory beลพali buฤ na 100โฏ% svojho prรญkonu, alebo na 40 % v odฤพahฤenom stave (modrรก farba ukazuje, akรฝ ฤas bol ktorรฝ z kompresorov vypnutรฝ). Z grafov moลพno urฤiลฅ spotrebu energie na prevรกdzku KS. Na zรกklade merania na obr. 3 sa dรก hovoriลฅ o konลกtantnej vรฝrobe vzduchu, ฤiลพe aj o konลกtantnej potrebe chladiลฅ kompresory.
Teplo potrebnรฉ na odvedenie
Prvรก ฤasลฅ obr. 4 ukazuje prevรกdzku kompresora s FM, ostatnรฉ dva kompresory beลพali buฤ na 100 % svojho prรญkonu, alebo na 40โฏ% v odฤพahฤenom stave. V prรญpade potreby by bolo moลพnรฉ z grafov urฤiลฅ spotrebu energie na prevรกdzku.
Kompresorovรก stanica ยญspotrebuje spolu 71 MWh/tรฝลพdeล, ฤo je priโฏcene 110 โฌ/MWh uลพ zaujรญmavรฝch 7 810โฏโฌ/tรฝลพdeล. Ak by sme tรบto energiu previedli na teplo s รบฤinnosลฅou 94โฏ%, je to 66,74 MWh tepla tรฝลพdenne.
Pri cene variabilnej zloลพky tepla 50 โฌ/MWh by iลกlo o รบsporu 3 337 โฌ/tรฝลพdeล, ฤo je za rok 180โฏ200 โฌ. Takto je vyjadrenรฝ hrubรฝ potenciรกl รบspory danรฝ vรฝkonom kompresorov v KS v prรญpade, ak by sme boli schopnรญ spotrebovaลฅ celรฝ tepelnรฝ tok z KS. Nastupuje vลกak druhรก podmienka, a to potreba tepla v zรกvode.
Potreba tepla
Pri chladenรญ kompresorovej stanice sa pouลพรญva rieลกenie vzduchom alebo vodou. V oboch prรญpadoch platรญ, ลพe kompresor treba chladiลฅ a treba maลฅ kam teplo dodรกvaลฅ, resp. maลฅ zรกsobnรญk, do ktorรฉho by sa dalo nรญzkopotenciรกlne teplo odovzdรกvaลฅ.
Mรดลพe to byลฅ priฤพahlรฝ priestor v podobe haly, skladu alebo jednoducho okolie. Rieลกi sa to jednoduchou konลกtrukciou v rรกmci prevetrรกvania KS โ v lete sa ohriaty vzduch odvรกdza do okolia, v zime dokuruje priฤพahlรฉ priestory.
V tomto prรญpade sรบ nรกvratnosti oproti vodnรฉmu spรดsobu chladenia ยญvรฝrazne ยญrรฝchlejลกie. Ak nie je potrebnรฉ vykurovaลฅ priestor, odklonรญ sa teplรฝ vzduch von jednoduchou klapkou. Pri chladenรญ vodou sa treba venovaลฅ analรฝze potreby tepla, a to nielen v objeme za deล, vhodnรฉ je pozrieลฅ sa tieลพ, akรฝ priebeh mรก potreba tepla v sรบstave, do ktorej plรกnujeme teplo dodรกvaลฅ.
Ak sa vyprodukovanรฉ teplo za deล blรญลพi k potrebe tepla sรบstavy TV, eลกte to neznamenรก, ลพe ho do nej bude moลพnรฉ aj umiestniลฅ. Charakter potreby TV v podniku vรฝrazne urฤujรบ zmeny a ลกpiฤky v ฤase ich striedania.
Rovnako potreba tepla kolรญลกe aj poฤas roka, v lete treba preto poฤรญtaลฅ s najniลพลกou potrebou (ฤas dovoleniek, menลกie straty v cirkulรกcii). Pri rozhodovanรญ o pouลพitรญ tepla na prรญpravu TV sa treba pozrieลฅ aj na spotrebu plynu na prรญpravu TV.
Rovnako sa treba zameraลฅ na reรกlne spotreby vody v sรบstave, ฤo sa dรก cez meranie doplลovania studenej vody (SV) do TV. Spojenรญm tรฝchto dvoch รบdajov zistรญme, koฤพko pripadne na straty v cirkulรกcii a koฤพko na ohrev ฤerstvej vody zo sรบstavy.
Graf na obr. 5 uvรกdza spotrebu plynu pre potreby รK a TV v zรกvode. Tieto รบdaje ukazujรบ odber tepla v objekte za rok pri porovnanรญ ลกtyroch rokov. Minimum je, samozrejme, v letnรฝch mesiacoch.
Spotreba v lete (viazanรก iba na potrebu TV) bude preto determinujรบca โ je to mnoลพstvo tepla, ktorรฉ vieme umiestniลฅ v lete bez potreby dodatoฤne chladiลฅ kompresory inรฝm spรดsobom.
รdaje o spotrebe vลกak treba pri letnej prevรกdzke preskรบmaลฅ podrobnejลกie.
Uvรกdzame prรญklad merania spotreby TV poฤas dvoch tรฝลพdลov (merania prebiehali v ลกtvrลฅhodinovom vzorkovanรญ). Tento รบdaj meranรฝ na doplลovanรญ SV do sรบstavy TV na obr. 6 je potrebnรฝ na presnรฉ urฤenie reรกlnej potreby tepla v lete.
Treba, samozrejme, zohฤพadniลฅ straty tepla pri cirkulรกcii vody po objekte, ktorรฉ sรบ ฤasto dvojnรกsobkom potreby tepla na ohrev ฤerstvo doplลovanej SV. Z profilu merania so ลกpiฤkami odberov je jasnรฉ, ลพe bude treba rรกtaลฅ so zรกsobnรญkmi TV v objekte, pretoลพe potreba chladiลฅ KS nekoreลกponduje s potrebou prรญpravy TV.
Pri 165 m3 studenej vody s teplotou 10 ยฐC doplnenej za 14 dnรญ to znamenรก 15 520 MJ/tรฝลพdeล, ฤo je 4,3 MWh za tรฝลพdeล; ak pripoฤรญtame dvojnรกsobok potreby tepla na straty v cirkulรกcii, dostaneme 12,9 MWh tรฝลพdenne.
Potreba chladiลฅ vs. potreba tepla
Pozrime sa teraz na oba รบdaje. Ponuka tepla v podobe toku z chladenia kompresorov je 66,74 MWh a potreba tepla na krytie prรญpravy TV v lete aj so stratami cirkulรกciou je 12,9โฏMWh/tรฝลพdeล. Vidieลฅ vรฝraznรบ disproporciu medzi ponukou/potrebou chladiลฅ a dopytom/potrebou ohrievaลฅ.
Teplo potenciรกlne privedenรฉ do sรบstavy z kompresorov je v letnom obdobรญ priveฤพkรฉ, preto je potrebnรฉ zabezpeฤiลฅ jeho marenie โ ฤi uลพ v suchom chladiฤi, alebo inรฝm spรดsobom. To vลกak navรฝลกi investiฤnรฉ nรกklady pre sรบstavu vodnรฉho chladenia KS.
Existuje moลพnosลฅ osadiลฅ vodnรฉ chladenie iba na jeden z troch kompresorov, priฤom toto teplo sรบลพi na prรญpravu TV, zvyลกok sa v lete vyfรบkne vzduchom do okolitรฉho prostredia, alebo v zime sa priamo ohriaty vzduch z chladenia kompresorov vedie do priฤพahlรฝch priestorov s potrebou vykurovania.
V prรญpade, ลพe budeme chladiลฅ vodou vลกetky tri kompresory, je potrebnรฝ chladiฤ na odvod prebytoฤnรฉho tepla do okolia, no poฤas vykurovacieho obdobia sa teplo z KS, ktorรฉ nie je potrebnรฉ na prรญpravu TV, vyuลพije v predohreve spiatoฤky รK do kotolne.
Pri tomto rieลกenรญ je potrebnรฉ pamรคtaลฅ na ovplyvnenie teploty v spiatoฤke a na to, ลพe tepelnรฝ tok z KS nie je konลกtantnรฝ. Pri tvorbe tohto konceptu je dรดleลพitรฉ upraviลฅ MaR tak, aby zohฤพadลovalo tieto skutoฤnosti.
Na obr. 7 vidieลฅ merania na vรฝstupe z kotolne a na spiatoฤke pred privedenรญm takรฉhoto tepelnรฉho toku a po inลกtalรกcii prikurovania odpadovรฝm teplom okolo 28. jรบla v roku 2017. Na spiatoฤke je zrejmรฝ nรกrast teploty, preto treba zvรกลพiลฅ, akรฝ to bude maลฅ vplyv na prevรกdzku tepelnรฉho zdroja.
V tomto prรญpade bol ovplyvnenรฝ kondenzaฤnรฝ kotol, ktorรฉmu zvรฝลกenรญm teploty spiatoฤky klesla รบฤinnosลฅ. Netvrdรญme vลกak, ลพe sa takรฉto rieลกenie nehodรญ do kondenzaฤnรฉho okruhu, ale treba vysledovaลฅ zmenu po nรกbehu a v prรญpade potreby prijaลฅ opatrenia vyregulovanรญm okruhu.
Na grafe na obr. 8 vidieลฅ upravenรบ teplotu spiatoฤky (tmavomodrรก farba) po vyregulovanรญ rovnakรฉho systรฉmu v jรบli 2018. Myslรญme si, ลพe sa oplatรญ maลฅ permanentnรฝ prehฤพad o teplotรกch na dรดleลพitรฝch okruhoch z dรดvodu sledovania prรญฤin a dรดsledkov zรกsahov vykonanรฝch na ยญakejkoฤพvek sรบstave.
Nie je prรญpustnรฉ, aby dobre mienenรฝ zรกsah zhorลกil efektivitu systรฉmu z dlhodobรฉho hฤพadiska. Aj v tomto prรญpade platรญ, ลพe ฤo sa nemeria, sa nedรก ovplyvniลฅ. Prรญklady vidieลฅ na grafoch z roku 2017 (prelom jรบla a augusta, obr. 7) a 2018 (medzi 26. a 28. jรบlom vidieลฅ poruchu v systรฉme v trvanรญ jeden deล, obr. 8).
Teplotnรก hladina spiatoฤky je ฤalลกรญm determinujรบcim faktorom pri รบvahe o umiestnenรญ tepla z chladenia KS. Odporรบฤame overiลฅ teplotu potrebnรบ na chladenie kompresorov a teplotu mรฉdia, do ktorรฉho sa chystรกme teplo odvรกdzaลฅ. Veฤพmi ฤasto sa toto neberie do รบvahy.
Vzhฤพadom na uvedenรฉ skutoฤnosti treba vรฝrazne zvรกลพiลฅ oฤakรกvania od takรฉhoto ยญrieลกenia. Platรญ, ลพe ฤรญm sรบ podrobnejลกie a presnejลกie รบdaje nameranรฉ na reรกlnej sรบstave, tรฝm sรบ zodpovednejลกie rozhodnutie a nรกvrh.
Projektant vychรกdza zo zadania, ktorรฉ dostane, priฤom ฤasto ide o hrubรฉ odhady a domnienky. Nebรฝva obvyklรฉ, ลพe sa takรฉto veci v beลพnej industriรกlnej prevรกdzke merajรบ, nie je na to dรดvod a pri budovanรญ novej fabriky sa na to nemyslรญ, resp. sa poฤรญta s teplotami, ktorรฉ potom nezodpovedajรบ realite.
V takom prรญpade moลพno osadiลฅ doฤasne meranie, ktorรฉ nie je investiฤne nรกroฤnรฉ, no poskytne spresลujรบce รบdaje. Nรกjsลฅ financie na takรฉto meranie sa oplatรญ โ spรคtne pri odpovedi, ฤi je vรดbec potenciรกl na vyuลพitie tepla z kompresorov a akรก bude reรกlna nรกvratnosลฅ investรญcie.
Zรกverom
รspory energie sa urฤia reรกlnejลกie, ak sa vโฏdanej prevรกdzke vykonรกva meranie a bilancujรบ sa jej energetickรฉ toky. Po uskutoฤnenรญ mnohรฝch auditov sรบstav stlaฤenรฉho vzduchu sa v danom prรญpade zรกkaznรญk rozhodol osadiลฅ trvalรฉ meranie, ฤo je dobrรฝ zรกklad presne cielenรฝch opatrenรญ.
Podklady, ktorรฉ slรบลพili ako zรกklad pre nรกลก ฤlรกnok, sรบ vรฝsledkom meranรญ pri audite vรฝrobnรฉho zรกvodu. Pri takto podloลพenรฝch vstupoch sรบ vypoฤรญtanรฉ รบspory reรกlne. Pomรดลพe to manaลพovaลฅ oฤakรกvania zรกkaznรญka a reรกlne dosiahnuลฅ potenciรกl รบspor.
V 21. storoฤรญ v รฉre IoT a digitรกlnych technolรณgiรญ oฤakรกvame, ลพe meranie รบdajov a ich vyhodnocovanie sa stane neoddeliteฤพnou sรบฤasลฅou procesov. Aj nastupujรบca Industry 4.0 si tieto opatrenia ลพiada. Automatizรกcia zรกsahov do riadenia procesov a machine learning sรบ sรบฤasลฅou novรฉho pohฤพadu na rieลกenie problรฉmov, ktorรฉ sa v minulosti ฤasto rieลกili intuitรญvne a odhadom.
Pri vykonanรญ energetickรฉho auditu sa ฤasto berie problematika stlaฤenรฉho vzduchu len ako podruลพnรก tรฉma. Najฤastejลกie sa stretรกvame s nรกvrhom rekuperรกcie tepla z chladenia kompresorov do รK alebo na prรญpravu TV.
Neraz sรบ vลกak รบspory sฤพubovanรฉ audรญtormi nereรกlne, ฤo bola aj jedna z hlavnรฝch prรญฤin vzniku tohto ฤlรกnku. Odporรบฤame vykonaลฅ audit systรฉmu stlaฤenรฉho vzduchu vyลกkolenรฝm a kvalifikovanรฝm odbornรญkom na kompresorovรฝ systรฉm.
Ten pomรดลพe pri vรฝbere najlepลกรญch moลพnostรญ a prรญleลพitostรญ, ktorรฉ sรบ k dispozรญcii v rรกmci konkrรฉtneho zariadenia. Okrem รบspor energie moลพno uviesลฅ aj dรดleลพitรฝ argument, ลพe zhodnocovanie tepla je prรญnosom pre ลพivotnรฉ prostredie.
Vรฝraznรฉ รบspory energie nakoniec znamenajรบ aj znรญลพenie uhlรญkovej stopy zariadenia. V kontexte vรฝvoja klimatickรฝch zmien sa tieto aspekty tieลพ stanรบ dรดleลพitejลกรญmi pri argumentรกcii za zavedenie prรญsluลกnรฝch opatrenรญ.
Autor je riaditeฤพom รบseku energetickรฝch sluลพieb v spoloฤnosti ENGIE Services, a. s.
ฤlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZB Haustechnik 4/2019.