koncepcja wykorzystania ciepła odpadowego ze schładzania mleka

KONCEPCJA WYKORZYSTANIA CIEPŁA
ODPADOWEGO ZE SCHŁADZANIA MLEKA JAKO
ALTERNATYWNEGO ŹRÓDŁA ENERGII DO
OGRZEWANIA BUDYNKU
Wprowadzenie.
Wzrastające koszty pozyskiwania surowców energetycznych oraz zanieczyszczenie
środowiska naturalnego stały się przyczyną rosnącego zainteresowania niekonwencjonalnymi
źródłami energii, a także wykorzystaniem ciepła odpadowego (Kubski 1997). Ciepło
odpadowe z procesu schładzania mleka stanowi istotne i cenne źródło energii cieplnej
w bilansie energetycznym gospodarstw rolniczych, w których prowadzi się hodowlę bydła
mlecznego.
Na krajowym rynku od wielu już lat są dostępne systemy umożliwiające odzysk energii
cieplnej odbieranej od chłodzonego mleka. Tak otrzymaną energię wykorzystuje się następnie
do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), którą w zależności od jej ilości i potrzeb
można wykorzystać do celów produkcyjnych w oborze i/lub w gospodarstwie domowym.
O ile systemy do odzysku ciepła z mleka dla przygotowania c.w.u. są znane
i wykorzystywane w polskim rolnictwie, to w żadnej dostępnej literaturze naukowej ani
branżowej nie znaleziono szerszych informacji na temat wykorzystania ciepła odpadowego ze
schładzania mleka do ogrzewania pomieszczeń. Jednakże od czasu do czasu w niektórych
artykułach prasowych (np. Piechowska 2009) pojawiają się lakoniczne informacje o duńskiej
wyspie Samsø, gdzie odbywa się wykorzystywanie tego rodzaju ciepła odpadowego na cele
grzewcze. Dlatego autorzy artykułu zainspirowani tymi doniesieniami prasowymi opracowali
własną koncepcję wykorzystania ciepła odpadowego z procesu schładzania mleka jako
alternatywnego źródła energii do ogrzewania budynku mieszkalnego.
Metodyka i obliczenia
Ilość ciepła możliwą do pozyskania z procesu schładzania mleka od temperatury t1 = 38°C do
t2 = 4°C obliczono wg przedstawionej poniżej metodyki.
1. Wyznaczono ciepło właściwe mleka cml [J/(kg K)] z następującej zależności (Niesteruk
1996), która ma zastosowanie dla mleka z zakresu temperatur 273 ÷ 358 K:
cml = 444 + 609,56 ln T,
(1)
gdzie:
T – temperatura mleka [K].
Stąd ciepło właściwe mleka o temperaturze 38°C (311 K) wynosi:
(2)
cml = 444 + 609,56 ln 311 = 3943 J/(kg K) = 3,943 kJ/(kg K)
2. Wyznaczono gęstość mleka ρml [kg/m3] z zależności, która dla mleka o zawartości
tłuszczu f < 0,1 i w zakresie temperatur 283 K < T < 343 K przyjmuje następującą postać
(Niesteruk 1996):
ρml = 1166 – 0,45 T – 1,46 f T + 321,6 f
(3)
gdzie:
T – temperatura mleka [K],
f – zawartość tłuszczu w mleku – ułamek wagowy.
Dla mleka o temperaturze 38°C (311 K) i przyjętej zawartości tłuszczu na poziomie 4%
(f = 0,04) gęstość wynosi:
ρml = 1166 – 0,45 · 311 – 1,46 · 0,04 · 311 + 321,6 · 0,04 = 1021 kg/m3
(4)
3. Obliczono ilość ciepła Q1d [kJ] oddanego w procesie schładzania mleka udojonego od
jednej krowy w ciągu doby.
Q1d = cml m1d ∆t
(5)
gdzie:
m1d – masa mleka udojonego od jednej krowy w ciągu doby,
∆t – różnica temperatur (t1 – t2) [K].
Przyjmując, że jedna krowa produkuje w ciągu doby V1d = 0,016 m3 mleka, to masa mleka od
jednej krowy w ciągu doby wyniesie:
m1d = V1d ρml = 0,016 · 1021 = 16,3 kg
(6)
Q1d = 3,943 · 16,3 · 34 = 2185 kJ = 0,607 kWh
(7)
A zatem:
4. Roczna ilość produkcji ciepła ze schładzania mleka od jednej krowy (Q1r) wynosi:
Q1r = Q1d · 365 = 221,5 kWh
(8)
Ilość ciepła potrzebną do ogrzewania danego budynku oblicza się na podstawie wskaźników
sezonowego zapotrzebowania ciepła na 1 m2 powierzchni w ciągu roku. Wskaźniki te
przyjmują wartości od 15 kWh/(m2 rok) dla domów pasywnych do nawet 350 kWh/(m2 rok)
dla budynków wybudowanych przed 1966 rokiem (Żurawski 2008). Do dalszych obliczeń
przyjęto wartość wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło równą 140 kWh/(m2 rok)
– dla budynków wybudowanych w latach 1993-2007. Przyjęta za Żurawskim (2008) wartość
wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło jest wartością średnią, co oznacza, że
otrzymane dalej wyniki całkowitego rocznego zapotrzebowania na ciepło dla rozpatrywanego
budynku trzeba traktować jako średnie roczne zapotrzebowanie na ciepło, a to z kolei
oznacza, że obliczona ilość ciepła nie będzie w pełni pokrywać potrzeb grzewczych tego
budynku w okresie zimowym oraz należy przypuszczać, że będzie stanowić nadwyżkę ciepła
w okresie letnim. W czasie zwiększonego zapotrzebowania na ciepło w miesiącach
zimowych, niedobory ciepła z procesu schładzania mleka można pokryć stosując dodatkowe
źródło ciepła, np. kocioł wodny c.o., co pokazano na rys.1.
5. Wyznaczona z zależności (8) wartość energii cieplnej pozyskanej ze schładzania mleka od
jednej krowy w ciągu roku, równa 221,5 kWh, przy założonym wskaźniku zapotrzebowania
ciepła na poziomie 140 kWh/(m2 rok), pozwala na ogrzanie około 1,5 m2 powierzchni
budynku. Wobec tego należy obliczyć, jaka jest niezbędna ilość krów dla zabezpieczenia
rocznych potrzeb cieplnych budynku. Do obliczeń wybrano budynek – typowy dom
jednorodzinny o powierzchni 130 m2.
Roczne zapotrzebowanie energii cieplnej (ZEC) do ogrzania domu o powierzchni 130 m2
wynosi:
ZEC = 140 kWh/(m2 rok) · 130 m2 = 18200 kWh/rok
(9)
Do tego należy założyć występowanie do 20% strat (Qs) podczas transportu ciepła z obory do
budynku. W związku z tym całkowite potrzeby grzewcze (CZEC) budynku o powierzchni 130
m2 wyniosą:
CZEC = ZEC + Qs = 18200 kWh/rok + 20% = 21840 kWh/rok
(10)
A zatem niezbędną liczbę krów (Lk) do zabezpieczenia potrzeb cieplnych rozpatrywanego
budynku obliczono następująco:
Lk = CZEC/Q1r = 98,6 ≈ 100 krów
(11)
Rachunek kosztów
Do odbioru ciepła odpadowego ze schładzania mleka do ogrzewania budynku założono
wykorzystanie pompy ciepła. Schemat tego rozwiązania przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Schemat instalacji dla wykorzystania ciepła odpadowego ze schładzania mleka do
ogrzewania budynku.
Koszty inwestycyjne. Gospodarstwa rolne zajmujące się hodowlą bydła mlecznego są
najczęściej standardowo wyposażone w urządzenia do udoju i schładzania/przechowywania
mleka, jak i w instalacje c.o. i c.w.u. w budynkach mieszkalnych, gospodarskich i innych.
Zatem analizując schemat na rys.1 łatwo zauważyć, że budując taki system należy ponieść
nakłady finansowe na:
– pompę ciepła o mocy 15 kW – ok. 30.000 zł,
– zbiornik akumulacyjny wody grzewczej o objętości 1300 litrów (10 litrów na każdy m2
ogrzewanej powierzchni) – ok. 6000 zł,
– koszty instalacyjne – ok. 5000 zł.
Kwoty te po zsumowaniu dają wynik 41.000 zł.
Koszty eksploatacyjne. Koszty te są związane przede wszystkim z opłatami za energię
elektryczną do napędu pompy ciepła. Pompa ciepła pobiera 25% mocy oddawanej na wyjściu,
a zatem dla pompy ciepła o mocy wyjściowej 15 kW, pobór mocy wyniesie 3,75 kW. Biorąc
pod uwagę aktualną cenę 1 kWh energii elektrycznej dla taryfy podstawowej równą 0,5145 zł
oraz czas schładzania mleka z jednego udoju równy około 3 godzinom, to koszt poniesiony na
energię elektryczną w ciągu roku wyniesie w przybliżeniu:
3,75 kW · 2 udoje/dobę · 3 h · 365 · 0,5145 zł/kWh = 4.225 zł
(12)
W tabeli 1 zamieszczono zestawienie porównawcze przedstawionych wyżej kosztów
inwestycyjnych i eksploatacyjnych pompy ciepła z odpowiednimi kosztami, które należy
ponieść na wyposażenie i eksploatację kotłowni olejowej.
Dodatkowo, aby zwrócić uwagę na oszczędności płynące z zastosowania pompy ciepła do
celów grzewczych, dokonano zestawienia kosztów eksploatacyjnych zsumowanych wraz
z kosztami inwestycyjnymi przez 10 lat użytkowania, dla obu wymienionych systemów
grzewczych (tab.2). Dla uproszczenia obliczeń przyjęto, że ceny energii elektrycznej i oleju
opałowego pozostają na niezmienionym poziomie.
Tab.1. Zestawienie porównawcze kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych pompy ciepła
i kotłowni olejowej dla założonego budynku o powierzchni 130 m2.
Pompa ciepła
Kotłownia olejowa
KOSZTY INWESTYCYJNE
pompa ciepła o mocy 15 kW – ok. 30.000 zł,
kocioł olejowy – ok. 4.500 zł,
zbiornik akumulacyjny wody grzewczej
o objętości 1300 litrów (10 litrów na każdy m2 zbiorniki 4x1000 litrów wraz z instalacją – ok.
10.000 zł.
ogrzewanej powierzchni) – ok. 6.000 zł,
koszty instalacyjne – ok. 5.000 zł.
Łącznie koszty inwestycyjne: 41.000 zł
Łącznie koszty inwestycyjne: 14.500 zł
KOSZTY EKSPLOATACYJNE
energia elektryczna rocznie – ok. 4.225 zł
olej opałowy rocznie dla 130m2 powierzchni –
ok. 10.000 zł
Tab.2. Zestawienie kosztów eksploatacyjnych zsumowanych wraz z kosztami inwestycyjnymi
w ciągu 10-ciu lat użytkowania, dla porównywanych systemów grzewczych.
Rok użytkowania
Pompa ciepła
Kotłownia olejowa
Suma kosztów w kolejnych latach eksploatacji [zł]
rok 1
45.225
24.500
rok 2
49.450
34.500
rok 3
53.675
44.500
rok 4
57.900
54.500
rok 5
62.125
64.500
rok 6
66.350
74.500
rok 7
70.575
84.500
rok 8
74.800
94.500
rok 9
79.025
104.500
rok 10
83.250
114.500
Z porównania kosztów przedstawionego w tabeli 1 wynika, że prawie trzykrotnie mniej
pieniędzy trzeba wydać na zakup kotła olejowego wraz z wyposażeniem w stosunku do
pompy ciepła, ale ponad dwukrotnie więcej w ciągu roku kosztuje eksploatacja kotłowni
opalanej olejem opałowym. W perspektywie 10-letniego okresu użytkowania wyraźnie
uwidaczniają się oszczędności płynące z zastosowania pompy ciepła, co pokazuje tabela 2.
Widać tutaj, że przez pierwsze cztery lata suma kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych
użytkowania pompy ciepła jest dwukrotnie wyższa niż suma kosztów użytkowania kotłowni
olejowej. Jednak już w piątym roku suma kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych
użytkowania pompy ciepła zrównuje się z sumą kosztów użytkowania kotłowni olejowej,
a w kolejnych latach koszty ponoszone na pompę ciepła w stosunku do kotłowni na olej
opałowy systematycznie maleją.
Ponadto okres eksploatacji układu grzewczego musimy założyć dłuższy – około 20 lat.
W tym czasie należy przewidzieć możliwość wzrostu kosztów eksploatacyjnych o dodatkowe
koszty serwisowe. Dlatego też system grzewczy z kotłem olejowym jest ekonomicznie
uzasadnionym wyborem tylko w początkowych latach eksploatacji. Po 10-tym roku
eksploatacji koszty serwisowe dla pompy ciepła wzrastają nieznacznie, natomiast wyraźnie
wzrastają koszty serwisowe kotła olejowego. Ma to po części związek ze zużyciem
urządzenia i jego żywotnością wynoszącą około 15 lat. Po przekroczeniu tego okresu wzrasta
awaryjność układów olejowych. Nie oznacza to, że pompy ciepła charakteryzują się
bezawaryjną pracą, jednak ze względu na zaawansowaną technologię oraz specyfikę pracy
wyposażone są one zazwyczaj w podzespoły, urządzenia współpracujące oraz armaturę
o długim okresie gwarancyjnym, co poniekąd ma również wpływ na wysoką cenę inwestycji
(Sieniuc, Bonca 2005).
Dodatkowym atutem pompy ciepła jest to, że wydatki na energię elektryczną ponosimy
zwykle w ratach – kilka razy do roku, dlatego obciążenie finansowe z tym związane nie jest
aż tak wielkie. Natomiast z uwagi na to, że przeważnie olej tankuje się dwa razy w ciągu
roku, użytkownik zostaje przez to zmuszony do wydania jednorazowo znacznie większej
kwoty na zabezpieczenie zapasów tego opału. Trzeba też pamiętać, że ceny oleju opałowego
rosną w czasie sezonu grzewczego i żeby się ustrzec przed ponoszeniem dodatkowych
kosztów, trzeba dopilnować, aby nie zabrakło paliwa właśnie w tym okresie.
Podsumowanie
Jak wynika z powyższych rozważań wykorzystanie ciepła odpadowego z procesu schładzania
mleka na cele grzewcze ma szanse powodzenia. Należy jednak pamiętać, że na razie jest to
jedynie koncepcja, której zadaniem jest zwrócenie uwagi na potencjalne możliwości
wykorzystania mleka jako alternatywnego źródła ciepła i aby mogła ona zostać wdrożona,
musi być jeszcze poddana dokładnej weryfikacji i ocenie specjalistów, a przede wszystkim
musi zyskać zainteresowanie potencjalnych użytkowników – producentów mleka.
Bibliografia
Kubski P. 1997. Efektywność termodynamiczna stosowania sprężarkowych pomp grzejnych
do zagospodarowania niskotemperaturowych zasobów energii odpadowej i odnawialnej.
IV Konferencja Naukowo-Techniczna „Mała energetyka-97”, Zakopane.
Niesteruk R. 1996. Właściwości termofizyczne żywności – cz.1. Wydawnictwa Politechniki
Białostockiej. ISSN 0867-096 X
Piechowska S. 2009. Tu się rodzi mania Danii. Przekrój, 10 listopada 2009.
Sieniuc J., Bonca Z. 2005. Ocena techniczno-ekonomiczna stosowania pomp ciepła
w systemach ogrzewania wolnostojących budynków mieszkalnych – cz.2. Technika
Chłodnicza i Klimatyzacyjna, nr 10/2005, str. 374-378.
Żurawski J. 2008. Energooszczędność w budownictwie – cz.2. Energochłonność budynków
mieszkalnych. Izolacje, II/2008, str. 26-29.
Artykuł opublikowany został w miesięczniku Czysta Energia nr 05/2010
Opracowanie
mgr inż. Łukasz Przybylski
Specjalista ds. Energii
Warmińsko-Mazurska Agencja Energetyczna Sp. z o.o.
w Olsztynie
mgr inż. Tomasz Olkowski
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
Koordynacja
mgr inż. Andrzej Koniecko
Prezes
Warmińsko – Mazurskiej Agencji Energetycznej Sp. z o.o.
w Olsztynie