Wciąż zwiększające się koszty energii powodują, że układy trigeneracyjne zyskują coraz większe zainteresowanie. Na rynku dostępne są już rozwiązania nie tylko dla przemysłu, ale również dla budownictwa komercyjnego i jednorodzinnego.

Rys. 1. Uproszczony schemat przepływu energii w systemie trigeneracji – budynek „Berlaymont” [1]

Systemy trigeneracji
Obiegi absorpcyjne najczęściej są instalowane w skojarzeniu z innymi układami energetycznymi. Rysunek 1. przedstawia przykład możliwej konfiguracji obiegu trigeneracyjnego, w którym uwzględniono podstawowe elementy używane najczęściej w praktyce inżynierskiej. Taki system trigeneracji zastosowano w budynku „Berlaymont”, na jego podstawie przeprowadzano ujednolicenie przepisów dotyczących certyfikatów energetycznych w UE [1].
Układ taki umożliwia jednoczesną produkcję prądu elektrycznego, ciepła oraz chłodu na potrzeby użytkowe. W systemie tym występują trzy charakterystyczne obiegi:
• sprężarkowy obieg chłodniczy,
• chłodniczy obieg absorpcyjny,
• system grzania i produkcji prądu elektrycznego.

Sprężarkowy system trigeneracji W roku 2005 firma Carrier zarejestrowała patent [2] związany z obiegiem o konfiguracji jak na rysunku 2., umożliwiający jednoczesną produkcję prądu elektrycznego, ciepła i chłodu. Przy tym w obiegu ORC i obiegu lewobieżnym zastosowano czynnik R245a. Tego typu układ opisano również w pracach [3, 4, 5], gdzie określono sprawności takiego układu dla stanów ustalonych. Rozpływ ciepła dla tego typu układu kombinowanego przedstawiono na rysunku 3. Zaletą tej konfiguracji jest to, że ciepło użytkowe, pozyskiwane z obiegu turbiny, powiększone jest o ciepło pozyskane w obiegu chłodniczym. Dzięki zastosowaniu czynnika R245a, sprężarka i turbina pracują w sposób umożliwiający przegrzanie pary na wylocie z tych urządzeń w bardzo niewielkim stopniu.
W pracy [6] zastosowano inne czynniki robocze – czynnik HFE7100 i R290. Oba czynniki charakteryzują się tym, że na wylocie z układu sprężarki i turbiny para jest mocno przegrzana. Takie przegrzanie pary może być przyczyną zwiększenia objętości instalacji (co przy takiej konfiguracji może nie mieć już większego znaczenia), lecz również pozwala na osiąganie wyższej temperatury poprzez tzw. odzysk ciepła przegrzania na potrzeby systemu grzewczego. Konfigurację obiegu lewobieżnego, która umożliwia odzysk ciepła przegrzania, przedstawiono między innymi w pracach własnych [6, 7, 8, 9, 10], realizowanych między innymi na potrzeby projektu Nr PB 4190/B/T02/2008/34 (Badania poprawy efektywności energetycznej układów chłodniczych poprzez odzysk ciepła przegrzania).
Dość specyficzną konfiguracją, pozwalającą na produkcję prądu elektrycznego w obiegu lewobieżnym pompy ciepła, może być również zastosowanie kolektorów PVT jako dolnego źródła ciepła [11].
Systemy sprężarkowe w układach trigeneracji spotykane są jako układy mające pokryć zapotrzebowanie szczytowe. A to przy zmiennym obciążeniu układów klimatyzacyjnych znacząco może poprawić efektywność całego systemu.

Absorpcyjny system trigeneracji
Rysunek 4. przedstawia kolejną propozycję układu trigeneracyjnego – w tym wypadku mamy do czynienia z systemem ORC współpracującym z absorpcyjnym obiegiem chłodniczym. Konfiguracja obiegu trigeneracyjnego tego typu umożliwia odzysk ciepła odpadowego, generowanego w systemach produkujących prąd elektryczny. W pracy [12] przedstawiono kilka przykładów takich systemów produkujących prąd elektryczny, współpracujących z systemem absorpcyjnym. (...)

Ustalony model systemu absorpcyjnego (H₂O-LiBr) (...)

Ustalony model absorpcyjnego układu trigeneracyjnego z sprężarkowym systemem szczytowym (...)

Rys. 2. Konfi guracja obiegu ORC zintegrowanego z obiegiem chłodniczym wg patentu firmy Carrier [2]

Podsumowanie
W pracy przedstawiono konfigurację układu trigeneracyjnego, mogącego współpracować z systemem energetycznym ORC. Proponowana konfiguracja charakteryzuje się niską temperaturą zasilania np. 170°C, którą można jeszcze wykorzystać do produkcji prądu elektrycznego i chłodu na potrzeby klimatyzacji. System sprężarkowy w tej konfiguracji pozwala zmniejszyć zużycie paliwa w przypadku, gdy występuje zapotrzebowanie na ciepło i chłód. W przypadku, gdy mamy do czynienia ze wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną, maleje nam efektywność energetyczna całego układu i wzrasta zużycie paliwa (w przypadku, gdy mamy stałe zapotrzebowanie na ciepło użytkowe).

Proponowany układ trigeneracji z zastosowaniem obiegu sprężarkowego charakteryzuje się wyższą efektywnością niż klasyczny system trigeneracji, oparty tylko na układzie absorpcyjnym.

LITERATURA
[1] NAROWSKI P., PANEK A.: Świadectwo energetyczne budynku z trigeneracją energii – „Berlaymont” Commission européenne. Politechnika Warszawska, Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji. http://www.menos.zam.pl/pdf/certyfikat_berlaymont.pdf (28.02.2012).
[2] BRASZ J. J., BIEDERMANN B. P.: Combined rankine and vapor compression cycles. Carrier Corporation US6,892,522 B2 – 2005.
[3] WANG H., PETERSON R.,HARADA K., MILLER E., INGRAM-GOBLE R.: Performance of a Combined Organic Rankine Cycle and Vapor. School of Mechanical, Industrial & Manufacturing Engineering (http://ir.library.oregonstate.edu/xmlui/handle/1957/21693).
[4] JEONGA J., KANGB Y. T.: Analysis of a refrigeration cycle driven by refrigerant steam turbine, International Journal of Refrigeration. 27 (2004). 33–41.
[5] HORLOCK J. H.: Cogeneration: Combined Heat and Power. Thermodynamics and Economics. Pergamon Press. Oxford, England. 1987.
[6] MATYSKO R.: The transient model of ideal refrigeration cycle with control system for heat receiving and intermediary cycle in cooling chamber. Konferencja HEAT. Ryn. 2011.
[7] Model dynamiczny procesu odzysku ciepła z obiegu chłodniczego. Chłodnictwo& Klimatyzacja. 3/2011.
[8] Model dynamiczny procesu skraplania w obszarze pary przegrzanej. Oprac. wewn. IMP PAN. Nr arch. 218–2010.
[9] Sterowanie parametrami odzysku ciepła z instalacji chłodniczej. Oprac. wewn. IMP PAN Nr arch. 356–2010.
[10] Model dynamiczny 1D ochładzania pary przegrzanej i procesu skraplania. Oprac. wewn. IMP PAN Nr arch. 813–2010.
[11] MATYSKO R., KLUGMANN-RADZIEMSKA E., MODZELEWSKI M., KICIŃSKI J.,BOGUCKA K.: Układ i sposób do poligeneracyjnego zasilania w media energetyczne budynków, zwłaszcza mieszkalnych. Zgłoszenie Patentowe nr P. 397672. Gdańsk 2011.
[12] FAHAD A., AL-SULAIMAN, FERIDUN HAMDULLAHPUR, IBRAHIM DINCER: Performance comparison of three trigeneration systems using organic rankine cycles. Energy.36 (2011). 5741–5754.
[13] PATEK J. KLOMFAR J.: A computationally eff ctive formulation of the thermodynamic properties of LiBr-H2O solutions from 273 to 500 K over full composition range. International Journal of Refrigeration. 29 (2006). 566–578.
[14] ZIHER D., POREDOS A.: Cooling power costs froma trigeneration system in a hospital. Forsch Ingenieurwes. (2006) 70: 105–113.
[15] Economics of a trigeneration system in a hospital. Applied Thermal Engineering. 26 (2006). 680–687.
[16] KAVVADIAS K. C., TOSIOS A. P., MAROULIS Z. B.: Design of a combined heating, cooling and power system: Sizing, operation strategy selection and parametric analysis. Energy Conversion and Management. 51 (2010). 833–845.
[17] MATYSKO R.: Model dynamiczny odzysku ciepła z obiegu chłodniczego. Technika chłodnicza i klimatyzacyjna. 5 /2011.