Отпадната топлина като енергиен ресурс – технологии и приложения

В една сграда или промишлено предприятие често се срещат два на пръв поглед независими процеса: една инсталация отвежда топлина към околната среда, докато друга консумира енергия за отопление, подгряване на вода или технологични нужди. Свързването на тези процеси позволява част от необходимата топлинна енергия да бъде осигурена от вече съществуващ източник.

Съвременните технологии за рекуперация, термопомпените системи и автоматизираното управление създават възможности за оползотворяване на тази енергия в различни приложения. Изборът на решение се определя от температурното ниво на източника, наличната топлинна мощност и режима на потребление. Съчетаването на тези параметри е основата за постигане на висока енергийна ефективност.

От наличната топлина до нейното практическо използване

Да разгледаме охлаждащ кръг, в който водата напуска оборудването при 45°C и се връща при 35°C. Ако в същия обект е необходимо предварително подгряване на вода от 20°C до 30°C, част от отделяната топлина може да се използва директно чрез пластинчат топлообменник.

Това е един от най-преките начини за рекуперация, тъй като позволява използване на наличната топлина без необходимост от термопомпа. Подборът на топлообменника се съобразява с температурния напор, необходимата мощност и допустимите хидравлични загуби, като целта е да се осигури ефективен топлообмен при различните работни режими.

Същият източник може да бъде използван и за потребители с по-високи температурни изисквания. Например при необходимост от вода с температура 60°C са възможни два подхода: директна рекуперация за предварително подгряване с последващо догряване или интегриране на термопомпа, която повишава температурата до необходимото ниво.

Термопомпеното решение разширява възможностите за използване на отпадната топлина, включително от нискотемпературни източници. Неговата ефективност е свързана с температурната разлика между източника и потребителя, затова оптимизирането на работните температури има съществено значение за постигането на висок COP.

В по-сложни инсталации двата подхода могат да се комбинират. Наличната топлина се използва директно за потребителите с по-ниски температурни изисквания, а термопомпата осигурява необходимото температурно повишение за останалите. Така различните технологии се допълват и позволяват по-ефективно използване на енергията в рамките на цялата система.

Източници и възможности за оползотворяване

Потенциал за рекуперация има в различни инсталации, като най-подходящото приложение се определя от температурата и режима на работа.

Хладилните инсталации отделят топлина при охлаждането на нагнетателния газ и кондензацията на хладилния агент или в газоохладителя при транскритични CO₂ системи.

Тази енергия може да се използва за отопление, БГВ и технологично подгряване. Особено подходящи са обекти с целогодишно охлаждане и едновременно топлинно потребление – супермаркети, хладилни складове и предприятия от хранително-вкусовата промишленост.

В промишлените процеси източници могат да бъдат охлаждаща вода, технологични течности, отработен въздух и газове. В зависимост от температурата им топлината се използва директно за предварително подгряване или чрез термопомпи за достигане на необходимото температурно ниво.

Центровете за данни осигуряват сравнително постоянен източник на топлина, особено при системи с течно охлаждане. При наличие на подходящи потребители тя може да се използва за отопление на съседни сгради или да се подава към топлопреносни мрежи.

При ОВК системите рекуперацията обхваща както топлината от отработения въздух, така и тази от охладителните машини. Чилърите с рекуперация и термопомпените системи са особено подходящи за сгради с едновременно потребление на охлаждане и отопление.

Допълнителни възможности предоставят битовите и промишлените отпадъчни води, чиято нискотемпературна енергия може да бъде използвана чрез топлообменници и термопомпи.

Рекуперация от хладилни инсталации

Супермаркетите са характерен пример за едновременно потребление на охлаждане и топлина. При интегрирана рекуперация енергията, отделяна от хладилната инсталация, може да се използва за отопление и БГВ, вместо изцяло да се отвежда към околната среда.

При CO₂ системите е възможно организиране на няколко топлинни кръга с различни температурни режими, комбинирани с акумулиране и допълнителен топлинен източник. Управлението разпределя наличната мощност според потреблението, като същевременно поддържа необходимите параметри на хладилната инсталация.

При променливо потребление акумулиращите съдове позволяват временно съхраняване на наличната топлина, а регулиращите вентили, помпите и контролерите осигуряват разпределението ѝ между отделните консуматори. По този начин рекуперацията може да се адаптира към текущите потребности, без да се нарушава основният режим на хладилната инсталация.

Промишлено охлаждане и отопление – Hydro, Дания

Пример за интегрирано оползотворяване на отпадна топлина е проектът в производственото предприятие Hydro в Tønder, Дания, представен в анализа Danfoss Impact.

Оползотворяване на отпадна топлина от промишлено охлаждане за отопление и технологично подгряване. Източник: Danfoss Impact, Issue No. 9, стр. 12–13.

Топлината от охлаждащия кръг на производственото оборудване, работещ при приблизително 16–18°C, се използва чрез термопомпена система за производство на отоплителна вода при 60°C с COP 4,9.

Допълнително термопомпено стъпало повишава температурата до 90°C за предварително подгряване на металните изделия преди основния технологичен процес, като за него е посочен COP 3,8.

Така един нискотемпературен източник захранва два потребителя с различни температурни изисквания. Според Danfoss проектът се очаква да спести 205 600 m³ природен газ годишно, а изчисленият срок на възвръщаемост е 2,3 години.

Центрове за данни и локални енергийни мрежи

При центровете за данни голямото количество постоянно отделяна топлина често надвишава собственото топлинно потребление. Затова възможност за оползотворяване е свързването със съседни обекти или топлопреносни мрежи.

Такъв подход е приложен в индустриалния комплекс Wuqing Qingshu Science Park в Китай. Топлината от охлаждащите кръгове на два центъра за данни се използва за отопление и БГВ в съседния комплекс.

Оползотворяване на отпадна топлина от центрове за данни за отопление на съседни сгради и комплекси. Източник: Danfoss Impact, Issue No. 9, стр. 16–17.

Според Danfoss при достигане на проектната заетост се очаква годишно намаление на потреблението на енергия с 1,1 млн. kWh, като близостта между източниците и потребителите е съществен фактор за ефективността на решението.

Кога оползотворяването на отпадната топлина има най-голям смисъл?

Най-благоприятни условия има при достатъчно продължителна наличност на топлината, близост между източника и потребителя и съвпадение на работните им режими.

Температурното съответствие е особено важно. Директната рекуперация обикновено осигурява най-ниски допълнителни енергийни разходи, докато термопомпите разширяват възможностите за използване на нискотемпературни източници. При тях ефективността зависи в значителна степен от необходимото температурно повишение.

При променливи натоварвания акумулирането и автоматизираното управление позволяват по-пълноценно използване на наличната енергия. Окончателният избор се определя от общия енергиен баланс, годишните работни режими и инвестиционните разходи.

Оползотворяването на отпадната топлина създава възможност отоплителните, охладителните и промишлените системи да работят като части от обща енергийна инфраструктура.

Съчетаването на подходящи технологии, правилно проектиране и ефективно управление позволява да се използва по-пълноценно наличният енергиен потенциал, да се намали потреблението на първична енергия и да се повиши общата ефективност на системите.