Idą gorące miesiące: jak zapewnić chłodzenie w miastach? Chłodnictwo sieciowe

Chłodnictwo sieciowe (ang. district cooling) nie jest nowym pomysłem. Początki tej idei sięgają XIX wieku, a w latach 60 ubiegłego stulecia takie systemy zaczęły działać w USA i Paryżu, a w 20-30 lat później w Norwegii i Szwecji. Dzisiaj takie systemy spotkamy w Ameryce Północnej, Europie i Azji.

Chłodnictwo, jak ciepłownictwo

Idea chłodnictwa sieciowego opiera się na podobnych zasadach, co ciepłownictwo – w przystosowanej do tego instalacji wytwarza się wodę o odpowiednich parametrach, a następnie za pomocą systemu rur i przewodów przepompowuje się ją do budynków odbiorców. W przypadku sieci ciepłowniczych – ciepło produkowane jest w jednym źródle i rozsyłane do wielu odbiorców. Sieci chłodnicze pobierają ciepło z wielu źródeł i przesyłają do jednego miejsca, w którym czynnik roboczy zostaje schłodzony. 

O ile wytworzenie ciepła w ramach sieci ciepłowniczych zwykle odbywa się (przynajmniej w Polsce) po prostu przez spalanie paliw kopalnych (w naszym kraju jest to głównie węgiel) w odpowiednio przystosowanych kotłach, produkcja chłodu wymaga bardziej zaawansowanych technologii. Często źródłem chłodu są źródła odnawialne (jak zbiorniki wodne lub woda podziemna) lub procesy przemysłowe. Jeśli w wyniku procesu przemysłowego powstaje nadmiarowe ciepło – je również można wykorzystać do wytworzenia chłodu, na przykład dzięki użyciu chillerów absorbcyjnych. 

Sieci chłodnicze bywają łączone z magazynami nocnymi, w których nadwyżka mocy, która występuje w nocy, jest przechowywana do wykorzystania w ciągu dnia. Taki zabieg ma zapewnić wyższą efektywność energetyczną i niezawodność.

Chłodzenie sieciowe może przynosić korzyści

W niektórych miastach już dzisiaj występują problemy związane z utrzymaniem komfortowej temperatury w budynkach miejskich. W związku z działaniem osobnych systemów klimatyzacji w wielu budynkach równocześnie, 50-70% zapotrzebowania na energię elektryczną wynika właśnie z potrzeby chłodzenia. Ze względu na to, że sieć chłodnicza ma po swojej stronie ekonomię skali, jej funcjonowanie może zwiększyć wydajność, równoważnyć obciążenia elektryczne i zmniejszać koszty paliwa. Chłodzenie jest procesem, który pochłania obecnie całkiem sporo wytwarzanej na świecie energii elektrycznej (według niektórych źródeł nawet do 20%), ze względu na coraz powszechniejsze zastosowanie klimatyzacji i zasilanych elektrycznie wentylatorów. Wraz z postępującymi zmianami klimatu i przenoszeniem się społeczeństw do miast zapotrzebowanie na chłód będzie tylko rosnąć. 

Ewolucja chłodnictwa sieciowego

Pierwsze systemy chłodnictwa sieciowego, które zaczynały powstawać w XIX wieku w USA,  wykorzystywały sprężony amoniak lub roztwory solanki jako medium przenoszące chłód. Pobieranie ciepła odbywało się w wielu rozproszonych parownikach, a schłodzenie czynnika następowało w centralnym skraplaczu. Pierwszy system tego typu, oparty na amoniaku, powstał w 1889 roku w Denver i wykorzystywany był do chłodzenia magazynu. 

Ewolucją systemów tego typu były bardziej zaawansowane instalacje, jak ten założony w latach 60 XX wieku w Hartford w USA, który obejmował również magazyn chłodu. Wykorzystywane w nim były chłodnice absorpcyjne i sprężarkowe, które napędzała para powstająca jako produkt uboczny innych procesów. Podobny system funkcjonował również w Paryżu, chłodząc budynki biurowe. 

W latach 90 XX wieku powstawały systemy, które pozyskiwały chłód z bardzo zróżnicowanych źródeł: naturalnego chłodzenia, absorpcyjnych chłodziarek, odzysku chłodu z pomp ciepła przeznaczonych do ogrzewania, sprężarkowych chłodziarek oraz krótkoterminowych jednostek magazynowania chłodu do bilansowania godzinowych obciążeń chłodniczych i przenoszenia generacji chłodu z godzin dziennych na nocne, czy zintegrowanego wytwarzania ciepła, elektryczności i chłodu (tzw. trigeneracja). Systemy chłodzenia sieciowego powstały wówczas na przykład w Sztokholmie, Göteborgu, Helsinkach, Toronto czy Genewie. 

W miarę jak zapotrzebowanie na chłodzenie rośnie, zwiększa się też istotność wykorzystania ekologicznych źródeł energii, OZE lub połączonego wytwarzania ciepła i chłodu. W nowocześniejszych systemach można wykorzystywać pompy ciepła, które produkują ciepło w górnym źródle i chłód w dolnym, lub pompę ciepła i agregat chłodu, współpracujące ze sobą. Pracuje się też nad magazynami chłodu, które umożliwiałyby przechowanie ciepła lub chłodu między zimą i latem, co pozwoliłoby na udoskonalenie systemów chłodnictwa i ciepłownictwa sieciowego.

Źródła: IEA, districtenergy.org, Østergaard i in., The four generations of district cooling – A categorization of the development in district cooling from origin to future prospect, Energy, Volume 253, 2022, 124098, ISSN 0360-5442.