Klimatyzacja scentralizowana kopalń podziemnych, z wytwarzaniem energii chłodniczej na powierzchni i jej przekazywaniem do wymienników ciepła, budowana jest przy projektowanym obciążeniu cieplnym wyrobisk powyżej 4 MW. Konstruowane są systemy bazujące na sprężarkowych oraz absorpcyjnych agregatach chłodniczych w układach kogeneracyjnych (CHCP). Układy kogeneracyjne wykorzystują ciepło odpadowe lub ciepło i energię elektryczną pozyskiwaną np. ze spalania metanu w silnikach gazowych. Układy energetyczno-chłodnicze wyposaża się również w wymienniki swobodnego chłodzenia (free-cooling). W niniejszym artykule omówiono również sposoby swobodnego chłodzenia w takich układach. Zwrócono uwagę na efektywność klimatyzacji ze swobodnym chłodzeniem w klimatyzacji kopalń podziemnych. Przedstawiono przykłady odzysku ciepła w czterech układach klimatyzacji centralnej kopalń podziemnych.


Cieplne warunki pracy w polskim górnictwie węgla kamiennego oraz rud miedzi są coraz trudniejsze. Klimatyzacja wyrobisk podziemnym jest koniecznością warunkującą dalsze prowadzenie eksploatacji. W ostatnich latach nastąpił znaczny wzrost zapotrzebowania na moc chłodniczą. W najbliższej przyszłości należy się liczyć z dalszym zapotrzebowaniem z uwagi na schodzenie z eksploatacją na głębsze poziomy.
W polskich kopalniach podziemnych wykorzystuje się układy klimatyzacji lokalnej, grupowej i centralnej [7, 8]. Jeżeli w wyrobisku konieczne jest zlokalizowanie kilku urządzeń chłodniczych lub w pobliżu istnieją wyrobiska, w których należy również schładzać powietrze, rezygnuje się z indywidualnych urządzeń chłodniczych bezpośredniego działania na rzecz stacjonarnych agregatów chłodniczych dostarczających wodę lodową do kilku wodnych chłodnic powietrza. Ciepło skraplania oddawane może być do powietrza kopalnianego lub przekazywane za pomocą wody na powierzchnię do powietrza atmosferycznego. Jeżeli zapotrzebowanie na moc chłodniczą w kopalni przekracza 4 MWch to najczęściej rezygnuje się z zespołów wyparnych chłodnic wody pod ziemią na rzecz odprowadzenia ciepła skraplania na powierzchni. Wówczas system klimatyzacyjny przekształca się w system klimatyzacji centralnej zwanej również klimatyzacją scentralizowaną [8].
Projektując układy klimatyzacji wyrobisk podziemnych należy każdorazowo zwracać uwagę na możliwości obniżenia kosztów eksploatacyjnych przy zachowaniu pełnej efektywności pracy układu. W instalacjach chłodniczych klimatyzacji powierzchniowych zwraca się przede wszystkim uwagę na oszczędność energii elektrycznej oraz na ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. Podczas prac koncepcyjnych budowy każdego układu klimatyzacji konieczne jest zwrócenie uwagi na ograniczenie szkodliwości dla środowiska i wykorzystanie maksymalnej oszczędności energii elektrycznej. Oszczędność energii w takich systemach związana jest optymalizacją projektowania układów chłodniczych wykorzystujących częściowy odzysk ciepła skraplania lub całkowite wyeliminowanie obiegu czynnika chłodniczego w produkcji wody lodowej poprzez zastosowanie swobodnego chłodzenia. W przypadku agregatów z płynną regulacją ciśnienia skraplania w zależności od ciśnienia parowania stosuje się swobodne chłodzenie wspomagane pracą obiegu lewobieżnego agregatów. W polskich kopalniach podziemnych istnieją aktualnie trzy układy klimatyzacji centralnej. W układach tych wykorzystuje się swobodne chłodzenie w wytwarzaniu wody lodowej. Celem referatu jest określenie warunków stosowania chłodzenia swobodnego w polskich warunkach klimatycznych.

Zakres stosowania swobodnego chłodzenia

Kiedy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa od temperatury wody powracającej z dołu kopalni, teoretycznie zasadne staje się skorzystanie z darmowego źródła chłodu jakim jest powietrze atmosferyczne. Przed przystąpieniem do projektowania instalacji chłodniczej należy przeanalizować, oprócz możliwości wykorzystania ciepła odpadowego, również warunki atmosferyczne panujące w miejscu jej zainstalowania [3, 6]. Wykorzystanie sprzyjających warunków atmosferycznych do realizacji procesu chłodzenia nazywa się procesem swobodnego chłodzenia (free-cooling), ponieważ koszty realizacji procesu chłodzenia przy wykorzystaniu tego typu instalacji, w porównaniu do realizacji procesu chłodzenia przy wykorzystaniu obiegu lewobieżnego są znikome. Po obniżeniu się temperatury powietrza zewnętrznego, wzrastać będzie wydajność chłodnicza w obiegu wymiennika swobodnego chłodzenia. Będzie ona rosła aż do poziomu pozwalającego na wyprodukowanie 100% wody lodowej przy wykorzystaniu wyłącznie powietrza zewnętrznego. W tym momencie agregat chłodniczy (ziębiarka) zostanie zatrzymany.
Opłacalność zastosowania swobodnego chłodzenia zależy od temperatury zewnętrznej. Prowadzone badania wykazują, że w krajach Unii Europejskiej najbardziej ekonomicznie uzasadnione jest stosowanie swobodnego chłodzenia w okresie zimowym i wiosenno-letnim przy temperaturze wody lodowej 7ºC.
Najbardziej zaleca się stosowanie swobodnego chłodzenia w takich państwach jak: Rosja, Norwega, Finlandia, Polska, Czechy, Węgry, Austria i Niemcy [1, 6]. Wraz z coraz niższą, wymaganą temperaturą wody lodowej okres wykorzystywania skraca się i efektywność ekonomiczna systemu maleje [1]. W klimatyzacji kopalń wymagana jest temperatura wody lodowej nie przekraczająca 3oC, najczęściej przy projektowaniu przyjmuje się temperaturę 2,0oC±0,5oC. Należy również pamiętać, że w obiegu wody lodowej stosuje się automatyczne uzupełnianie uzdatnianej wody z uwagi na znaczne jej ubytki wynikające z częstej przebudowy chłodnic powietrza. Czas efektywności swobodnego chłodzenia będzie zatem krótszy niż dla innych układów klimatyzacji obiektów na powierzchni ziemi.
Dla instalacji klimatyzacyjnych realizowanych w systemie pośrednim, takim jak w przypadku klimatyzacji kopalń podziemnych w rejonie śląskim, czas wykorzystania swobodnego chłodzenia na poziomie co najmniej 75% zapotrzebowania mocy chłodniczej wynosi średnio około 2,5 miesiąca. Niemniej jednak każdorazowo należy przeprowadzić obliczenia efektywności schładzania wody lodowej w poszczególnych miesiącach okresu jesiennego, zimowego i wiosennego. Należy korzystać ze średnich miesięcznych temperatur i wilgotności właściwych powietrza dla danej miejscowości. Aby przeprowadzić szczegółową analizę efektywności swobodnego chłodzenia należy dysponować średniomiesięcznymi parametrami powietrza. Przykładowo dla stycznia przyjmuje się w województwie śląskim średniomiesięczną temperaturę powietrza na poziomie -2 do -4oC.
W tabeli przedstawiono średnie temperatury powietrza dla Katowic wg Biuletynu Górnośląskiego Centrum Hydrologiczno - Meteorologicznego w Katowicach [2]. Widać wyraźnie, że średnie temperatury powietrza na poziomie ok. 2oC występują generalnie w przeciągu około 2 miesięcy w roku.
Istnieje kilka znanych sposobów wykorzystania swobodnego chłodzenia (free-cooling’u) w układach wytwarzania wody lodowej ze skraplaczami chłodzonymi wodą. Sposoby te można podzielić na układy bezpośredniego i pośredniego (z dodatkowym medium pośredniczącym w wymianie ciepła) swobodnego chłodzenia.
Pomimo niskiej efektywności najprostszym i najczęściej stosowanym układem swobodnego chłodzenia w klimatyzacji centralnej polskich kopalń jest system pośredni z odrębnym obiegiem wodnego roztworu glikolu. Oszczędność wynikającą ze swobodnego chłodzenia uzyskuje się głównie dzięki dwu- lub trzystopniowemu schładzaniu wody lodowej. Woda schładzana przepływa przez dwa lub trzy parowniki połączone szeregowo. Pierwszy lub pierwszy i drugi stopień mogą zostać wyłączone dzięki wykorzystaniu swobodnego chłodzenia w zależności od temperatury wody na jego wyjściu i temperatury powietrza.
System swobodnego chłodzenia został wprowadzony we wszystkich układach klimatyzacji centralnej w polskich kopalniach. Został również zaproponowany w projekcie technicznym budowanej klimatyzacji centralnej kopalni DUL CSM w Stonavie [5].


Przykłady wykorzystania swobodnego chłodzenia w klimatyzacji kopalń podziemnych
Instalacja chłodnicza klimatyzacji centralnej w KWK „Pniówek”

(...)

Instalacja chłodnicza klimatyzacji centralnej w KWK „Budryk”

(...)

Instalacja chłodnicza klimatyzacji centralnej w ZG „Rudna”

(...)

Projekt instalacji chłodniczej klimatyzacji centralnej w DUL CSM w Stonavie

(...)

Podsumowanie

W polskich kopalniach podziemnych stosuje się między innymi systemy klimatyzacji centralnej z agregatami chłodniczymi na powierzchni. Wymagana jest produkcja wody lodowej o temperaturze 2oC±0,5oC. Projektując systemy klimatyzacji centralnej dąży się do stosowania odzysku ciepła skraplania (ogrzewanie wody użytkowej) oraz możliwości wykorzystania swobodnego chłodzenia. Dla klimatyzacji centralnej kopalni podziemnej o mocy powyżej 4 MWch projektuje się układy ze stopniowym schładzaniem wody lodowej. Najprostszym rozwiązaniem wykorzystania swobodnego chłodzenia jest system pośredniego free-coolingu z dodatkowym wymiennikiem i obiegiem wodnego roztworu glikolu. Inwestycja instalacji chłodniczej klimatyzacji centralnej powinna być poprzedzona analizą ekonomiczną zwrotu nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacji układu. Projektując swobodne chłodzenie należy dysponować średniomiesięcznymi wartościami temperatury powietrza dla danej miejscowości za okres co najmniej kilku lat. Należy oszacować czas wykorzystania systemów swobodnego chłodzenia w ciągu roku oraz obliczyć oszczędności z tego wynikające. Zakładając konieczność wytworzenia wody lodowej o temperaturze 2,0±0,5oC dla okolic Katowic czas ten wynosi ok. 2,5 miesiąca. Przy pełnym wykorzystaniu swobodnego chłodzenia (wyłączone wszystkie agregaty chłodnicze) można osiągnąć obniżenie zużycia energii w stacji klimatyzacji centralnej nawet o ok. 75%. Analiza istniejących i projektowanych układów klimatyzacji centralnej ze swobodnym chłodzeniem wykazuje, że średnioroczna oszczędność wynikająca z tego tytułu może wynosić od 8 do 20% kosztów eksploatacji klimatyzacji centralnej.
Pełna treść artykułu w nr 04/2009 Chłodnictwo&Klimatyzacja >>>