Kontynuujemy cykl artykułów poświęconych kogeneracji. Po omówieniu kwestii związanych z opłacalnością zastosowania tej technologii w konkretnych uwarunkowaniach (link do artykułu poniżej) czas zająć się zagadnieniami dotyczącymi projektowania układu. Do wyboru mamy wiele wariantów, jeśli chodzi o miejsce i sposób podłączenia modułu kogeneracyjnego do systemu. Nasza decyzja w tym zakresie przede wszystkim będzie się przekładać na sprawność układu, ale ważne mogą być także inne kryteria. W artykule prezentujemy kilka wybranych rozwiązań.

Każdy z nas ma doświadczenie mieszania strumieni wody zimnej i ciepłej, co wpływa na temperaturę wynikową wody wypływającej z kranu. Gdy odkręcimy kurek z zimną wodą, a następnie powoli zaczniemy odkręcać kurek z gorącą wodą, z kranu zacznie wypływać najpierw zimna woda, a potem coraz cieplejsza. Im więcej gorącej wody i im wyższą temperaturę będzie ona miała, tym cieplejszy strumień główny. Dlaczego o tym wspominam? – Otóż zjawisko mieszania strumieni wody będzie decydować o wyborze sposobu podłączenia kogeneratora/ modułu kogeneracyjnego do instalacji/systemu.

Moduł kogeneracyjny będzie nam podwyższał temperaturę wody w strumieniu głównym, w związku z czym musimy rozważyć, gdzie to podwyższenie temperatury ma nastąpić: przed kotłem/kotłami (powrót), czy za kotłami (zasilanie). W zależności od miejsca podłączenia oraz innych urządzeń dostępnych w instalacji może to być zjawisko: pożądane, bez znaczącego wpływu lub niepożądane. Biorąc powyższe pod uwagę, powinniśmy wybrać najkorzystniejsze miejsce włączenia kogeneratora do instalacji. Kryteria korzyści mogą być różne, ale głównym jest sprawność całego układu, choć nie są wykluczone inne kryteria, jak choćby możliwe miejsce zabudowy urządzenia.

Podłączenie przez bufor na powrocie przed kotłem
W klasycznym układzie moduł kogeneracyjny jest podłączony na powrocie przed kotłem. W ten sposób moduł podgrzewa powrót do kotła, co pomaga chronić kocioł przed kondensacją. Jest to ważne przy klasycznych kotłach niskotemperaturowych, które – ze względu na materiały zastosowane do ich budowy (stal kotłowa) – są wrażliwe na działanie kondensatu. W tej sytuacji podwyższenie temperatury wody powrotnej jest zjawiskiem pożądanym.

Podłączenie klasyczne „na stałe”. W najprostszym wariancie podłączenia przepuszczamy wodę powrotną przez bufor, który w związku z tym zawsze jest schładzany wodą powrotną. Zawór ZS (widoczny na rys. 1) jest normalnie zamknięty i pełni tylko rolę serwisową.
W przedstawionym układzie (rys. 1) moduł kogeneracyjny podgrzewa wodę w buforze, a woda powrotna z instalacji odbiera ciepło, przepływając od dolnego króćca bufora do górnego i dalej do kotła. Przed kotłem/kotłami może wystąpić sprzęgło hydrauliczne. W takim przypadku czujnik FVS odczytuje temperaturę systemową, jaka wychodzi na instalację. Jeżeli przy wyłączonych kotłach temperatura FVS jest wystarczająca (kogenerator pokrywa potrzeby cieplne obiektu), wtedy kocioł nie jest załączany, a woda poprzez sprzęgło kierowana jest na zasilanie instalacji (z pominięciem kotłów). Czujniki FPO, FPU ew. FPM wykorzystywane są do sterowania pracą modułu kogeneracyjnego.

Podłączenie z zaworem trójdrogowym. Jeżeli w systemie panuje dość wysoka temperatura na powrocie i również kotły wymagają takiej temperatury, sensowny może być układ z zaworem trójdrogowym SWE (rys. 2), który otwiera przepływ przez bufor tylko w przypadku, kiedy temperatura bufora (FPO) jest wyższa od temperatury wody na powrocie (FAR). W powyżej opisanych przypadkach przez bufor (i jego króćce) płynie 100% przepływu całego systemu.

Podłączenie za pomocą pompy. Innym sposobem włączenia kogeneratora do systemu jest podłączenie go za pomocą pompy zwymiarowanej na moc cieplną kogeneratora (rys. 3). Taki układ pozwala na zastosowanie bufora ze średnicami króćców dostosowanymi do mocy cieplnej kogeneratora, a nie całego systemu. Jak wspominałem w poprzednim artykule („Kogeneracja: podstawowe prawa, opłacalność i zdrowy rozsądek”, „Polski Instalator” 9-10/2019), moc kogeneratora wynosi zazwyczaj 10-20% mocy całego systemu.

Praca bufora
Najczęściej bufor, poprzez który podłączany jest moduł kogeneracyjny, wyposażony jest w dwa czujniki temperatury: górny FPO odpowiedzialny za włączenie kogeneratora oraz dolny FPU odpowiedzialny za jego wyłączenie. Kiedy automatyka kogeneratora stwierdzi, że temperatura na czujniku FPO jest poniżej jego temperatury pracy (90-80°C), następuje załączenie urządzenia do pracy. Kogenerator pracuje tak długo, póki dolny czujnik FPU odczytuje temperaturę niższą od jego temperatury pracy. Kiedy temperatura FPU zacznie zbliżać się do temperatury pracy, wtedy najpierw nastąpi zmniejszenie mocy kogeneratora (modulacja), a gdy moduł osiągnie moc minimalną, a mimo tego temperatura FPU osiągnie temperaturę pracy modułu, automatyka kogeneratora wyłączy go z pracy (brak możliwości chłodzenia/bufor naładowany). W układach z trzema czujnikami bufor jest wyposażony także w czujnik FPM, który w tym przypadku odpowiedzialny jest za włączenie kogeneratora. Wysokością położenia czujnika FPM możemy dopasować moment włączenia modułu do charakteru systemu. W takim przypadku, na podstawie odczytu czujnika FPO, podejmowana jest decyzja o rozpoczęciu przekazywania ciepła z bufora do systemu (włączenie pompy PH lub przełączenie zaworu SWE). Układy sterowania kaskadą modułów kogeneracyjnych zawierają z reguły czujnik FPM.

Pojemność i króćce bufora
Dla powyższych układów musimy zapewnić bufor o właściwej pojemności oraz średnicy króćców (przepływ z całej instalacji lub tylko kogeneratora).

Króćce bufora. Powinny być tak dobrane, aby prędkość przepływu na nich, w zależności od budowy bufora (np. płyty kierujące przepływ), nie przekraczała 1-2 m/s. Np. dla króćców średnicy 11⁄2”, DT = 20 K i Vmax = 2 m/s uzyskuje się moc przenoszoną w wodzie ~230 kW.
W przypadku kiedy łączymy kilka buforów i ich króćce mają za małą średnicę, musimy zastosować połączenie w układzie Tichelmanna (rys. 4). Warunkiem uzyskania prawidłowego połączenia w tym układzie jest użycie jednakowych buforów (te same opory hydrauliczne).

Pojemność bufora. Przez większość sezonu grzewczego kogenerator pokrywający około 20% mocy obiektu będzie miał dobre warunki do pracy (zapewnione chłodzenie). Jednak w okresach przejściowych, z mniejszym zapotrzebowaniem na ciepło w obiekcie, bufor zapobiegnie częstemu załączaniu i wyłączaniu modułu kogeneracyjnego, czyli tzw. taktowaniu. Z wykresu przedstawionego na rys. 5 wynika, że gdy warunki pracy układu mieszczą się w zakresie niebieskiego i zielonego pola, bufor będzie przydatny (praca w zakresie modulacji mocy cieplnej kogeneratora; bufor wyrównuje dobowe różnice obciążenia cieplnego), natomiast w obszarze szarego pola bufor jest niezbędny do prawidłowej pracy kogeneratora (praca poniżej dolnej granicy modulacji). Dolna granica modulacji dla produkcji energii elektrycznej wynosi zazwyczaj 50%, co odpowiada około 60% mocy cieplnej kogeneratora.
Przyjmuje się, że średnio (w okresie od przeglądu do przeglądu) na jeden start urządzenia powinno przypadać minimum 6 h jego pracy. Bufor ułatwia dotrzymanie takich właśnie warunków pracy.
Im większy bufor, tym lepiej. Za minimalną wielkość przyjmuje się godzinowy przepływ przy DT = 20 K, obliczony dla mocy cieplnej modułu kogeneracyjnego. Przybliżony wzór do policzenia pojemności według tych założeń wygląda następująco:
Czy można zrezygnować z bufora?
Z bufora można zrezygnować, ale tylko w układach, w których mamy zapewniony odbiór energii grzewczej kogeneratora. Układy takie to najczęściej baseny lub obiegi technologiczne. Najprostszy sposób włączenia kogeneratora do instalacji będzie się wówczas prezentował tak jak na rys. 6. Zwróćmy uwagę, że w tym przypadku tylko część wody dla kogeneratora pobierana jest ze strumienia głównego na powrocie. Wielkość strumienia pobieranego, a następnie oddawanego, wynika z wydajności pompy (PK) zamontowanej w kogeneratorze oraz ustawienia mieszającego zaworu trójdrogowego (SR).
Automatyka kotła na bieżąco obserwuje temperaturę wody dostarczanej do systemu (FVS) i póki nie trzeba, nie załącza kotła.

Podłączenie na powrocie kotła kondensacyjnego
Podłączenie kogeneratora na powrocie możliwe jest również w przypadku kotłów kondensacyjnych, które ze względu na sprawność „lubią” niską temperaturę wody na powrocie. Musimy jednak wiedzieć, o ile kogenerator podniesie temperaturę wody wpływającej do kotła. W tym celu można wykorzystać dane z tabeli 1. Zakładając, że:

• moc grzewcza modułu stanowi 20% zapotrzebowania na moc grzewczą obiektu,
• instalacja grzewcza została zaplanowana na parametry 50/30°C (kocioł kondensacyjny gazowy),

to dodatkowy „zastrzyk” energii na powrocie podniesie tam temperaturę wody o 4 K, czyli da nam wypadkową temperaturę na powrocie do kotła 34°C. Taka temperatura nadal umożliwia kondensację.


Spadek mocy kotła kondensacyjnego z powodu wyższej temperatury na powrocie można oszacować na podstawie wykresu przedstawionego na rys. 8 (o ile nie podano dla kotła własnego wykresu). Przykładowo, jeżeli gazowy kocioł kondensacyjny dobierany był dla parametrów pracy 50/30°C, a rzeczywista temperatura wody na powrocie wyniesie 34°C, wtedy spadek mocy będzie rzędu: (1 – 0,99) · 100% = 1% (krzywa b).

W tym przypadku można powiedzieć, że podwyższenie temperatury i związany z tym spadek mocy kotła nie będzie miał znaczącego wpływu na pracę całej instalacji. W bardziej skomplikowanych przypadkach można samemu obliczyć – przy danej mocy modułu kogeneracyjnego – o ile jest on w stanie podwyższyć temperaturę wody na powrocie. Korzysta się wówczas ze wzoru:
Inne sposoby podłączenia modułu
Jeżeli podwyższenie temperatury wody na powrocie jest niepożądane, wtedy możemy zastosować układ, w którym kogenerator włączony jest równolegle z innymi źródłami ciepła (rys. 10). Gdy obiegi grzewcze zapewniają stały odbiór ciepła, możemy kogenerator podłączyć bez bufora (rys. 11). W większości przypadków taki bufor jest jednak wymagany.
Liczba wariantów przyłączenia modułu kogeneracyjnego do systemu jest duża i w artykule nie wszystkie zostały zaprezentowane. Wybierając konkretny układ, zawsze musimy jednak zdecydować:

• o miejscu podłączenia zasilania kogeneratora (powrót albo zasilanie systemu); woda chłodząca kogenerator zawsze pobierana jest z powrotu instalacji;
• czy zastosować bufor, czy nie;
• jeżeli zastosujemy układ z buforem, to musimy postanowić, jak włączyć bufor do systemu: na stałe, poprzez zawór przełączający czy przez pompę. 

Link do poprzedniego artykulu nt. kogeneracji:
https://www.polskiinstalator.com.pl/artykuly/instalacje-grzewcze/2764-kogeneracja-podstawowe-prawa,-op%C5%82acalno%C5%9B%C4%87-i-zdrowy-rozs%C4%85dek

W następnym artykule będziemy kontynuować temat zagadnień projektowych związanych z kogeneracją.