PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY ZE ŚRODKÓW UNII EUROPEJSKIEJ W RAMACH EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU SPOŁECZNEGO

Transkrypt

1 Dr inż. Radosław Górzeński Proszę ustosunkować się do instalacji solarowej z możliwością w okresach nadmiaru energii, magazynowania jej we współpracy z instalacją geotermalną. Jakie rodzaje instalacji geotermalnej byłby odpowiednie biorąc pod uwagę małe instalacje oraz instalacje zawodowe? Czy są notowane takie instalacje i czy są efekty takiej współpracy tych instalacji? Odpowiedź: Ilość energii cieplnej docierającej w postaci promieniowania słonecznego do powierzchni ziemi w okresie letnim wielokrotnie przekracza zapotrzebowanie ciepła w ciągu całego roku. Niestety energia słoneczna wykorzystywana do ogrzewania budynków jest źródłem niekoherentnym w okresie największego zapotrzebowania w zimie jej dopływ jest ograniczony, w lecie przy braku zapotrzebowania natomiast nadmierny. Tym samym w ostatnich latach prowadzonych jest szereg prac badawczych, które mają na celu opracowanie technologii umożliwiających sezonowe magazynowanie ciepła (TES Thermal Energy Storage) Zaliczamy do nich magazynowanie ciepła: w konstrukcji budynku, w akumulacyjnych zbiornikach wodnych, w PCM (materiały zmiennofazowe), w gruncie. W ramach niniejszego opracowania zostanie omówiona regeneracja dolnego źródła i akumulacja ciepła w gruncie. Najprostszym sposobem akumulacji ciepła jest jego zrzut bezpośrednio do gruntu pod budynkiem (tzw. UTES underground thermal energy storage). Takie rozwiązanie znajduje zastosowanie w przypadku budynków o znacznej powierzchni. Ciekawym przykładem obiektu wykorzystującego akumulację ciepła w gruncie do potrzeb ogrzewania w zimie jest siedziba firmy Xolar GmbH w Eberstalzell w Austrii. Budynek skonstruowano z myślą zapewnienia bardzo dobrej izolacyjności i wysokiej szczelności. Zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania budynku wynosi 10 kwh/m 2 a. Obwodowe ściany fundamentowe posiadają izolację do głębokości 3 m. Aktualnie budynek o powierzchni m 2 jest ogrzewany z wykorzystaniem 3 kotłów na biomasę. Budynek wyposażony jest w wodny zasobnik akumulacyjny. Zamontowana na powierzchni dachu znaczna ilość kolektorów słonecznych jest wykorzystywana do wygrzewania betonowej podłogi pod budynkiem w lecie (instalacja zbliżona do ogrzewania podłogowego / BKT) do temperatury 22 C. Zgodnie z symulacjami, po 7 latach eksploatacji, kotły na biomasę będą mogły zostać zdemontowane, a ciepło do ogrzewania będzie pochodzić z gruntu pod budynkiem.

2 Schemat ideowy ogrzewania dla budynku Xolar Budynek Xolar Grunt otaczający sondy pionowe wykorzystywane jako dolne źródła w instalacjach pomp ciepła ogrzewających budynki, po sezonie zimowym są wychłodzone i wymagają regeneracji. Przy prawidłowym zaprojektowaniu i odbiorze planowanej ilości ciepła regeneracja gruntu następuje samoistnie i przed kolejny sezonem grzewczym osiąga on temperaturę umożliwiającą na prace pompy ciepła.

3 Przykładowe przebiegi temperatur w gruncie w otoczeniu sondy pionowej W przypadku wykorzystania układu pompy ciepła także do chłodzenia budynku w lecie można uzyskać efekt regeneracji źródła poprzez zrzut ciepła ze skraplacza pompy ciepła. Ze względu na występowanie nadwyżki ciepła w instalacji kolektorów słonecznych możliwe jest również regenerowanie dolnego źródła, a tym samym gromadzenie ciepła w gruncie w okresie letnim, w celu wykorzystania go w okresie zimowym (BTES borehole thermal energy storage). Zrzut ciepła do gruntu, oprócz podniesienia temperatury dolnego źródła, obniża także średnią temperaturę pracy kolektorów, a tym samym wydłuża ich żywotność. W niektórych przypadkach, sondy pionowe, ze względu na brak miejsca na działce, muszą być zlokalizowane blisko siebie (np. w odległości 5m), co może prowadzić do szybkiego wyczerpywania się dolnego źródła. W takim przypadku ładowanie gruntu w lecie z wykorzystaniem kolektorów słonecznych jest prostym sposobem regeneracji źródła zabezpieczającym je przed wyczerpaniem. Rozwiązania łączące instalacje kolektorów słonecznych i pomp ciepła z sondami pionowymi nazywane są solar-assisted (ground-source) heat pump system SA(GS)HPS. O znaczeniu zagadnienia świadczy fakt, iż Międzynarodowa Agencja do spraw Energii IEA powołała do istnienia aneks IEA SHC Task 44 / HPP Annex 38 Solar and heat pump systems / Solar Heating and Cooling w ramach programu Heat Pump Programme, który prowadzi prace w latach

4 Ogólny widok budynku z kolektorami słonecznymi i pompą ciepła z soną pionową. Schemat typowego rozwiązania (np. Viessmann, Vaillant, Nibe, Bosch Thermotechnik) instalacji wykorzystującej kolektory słoneczne i pompę ciepła z wymiennikiem gruntowym przedstawiono na rysunku.

5 Zwykle układy automatyki pompy ciepła i kolektorów pracują niezależnie, a ciepło uzyskane z kolektorów służy wyłącznie do wspomagania przygotowania ciepłej wody użytkowej. Nie występuje aktywna regeneracja dolnego źródła, poza niewielkim zmniejszeniem strumienia ciepła odbieranego z gruntu w okresie letnim, podczas produkcji ciepłej wody z wykorzystaniem kolektorów. Przykład aktywnej regeneracji (IDM Energie Systeme, Immosolar, Schüco, Roth Werke) przedstawiono na rysunku. Rozwiązanie umożliwia aktywną regenerację źródła z wykorzystaniem nadmiarowego ciepła z kolektorów słonecznych. Wśród wad rozwiązania wymienia się osuszanie/odwadnianie gruntu dookoła sondy gruntowej. Efekt akumulacji ciepła w gruncie może być drastycznie zredukowany w efekcie intensywnego przepływu wód gruntowych. Zaletą jest możliwość odprowadzania nadmiarowego ciepła z kolektorów słonecznych w okresie letnim podczas nieużytkowania budynku. Na kolejnym rysunku przedstawiono układ wykorzystujący bezpośrednie kolektory słoneczne (bezszybowe, np. wymiennik rurowy zatopiony w warstwie asfaltu drogowego lub innego materiału absorbującego promieniowanie słoneczne).

6 W tym układzie ciepło uzyskane z promieniowania słonecznego nie jest wykorzystywane bezpośrednio do przygotowania ciepłej wody użytkowej, może jednak służyć do jej przygotowania za pośrednictwem pompy ciepła, może także być wykorzystane do regeneracji dolnego źródła. Kolektory bezpośrednie (bezszybowe) charakteryzują się niższymi kosztami inwestycyjnymi, często możliwe jest dopasowanie ich wymiarów do kształtu budynku. Przykładem instalacji z kolektorem bezpośrednim (bezszybowym) jest rozwiązanie transferujące ciepło z dobrze absorbujących ciepło kolektorów asfaltowych (drogi, place, temperatura często o C większa od powietrza otaczającego) pod budynek (wygrzanie z temperatury neutralnej ok. 10 C do np. 25 C pod koniec lata) z wykorzystaniem obiegu glikolu.

7 Wykonywanie instalacji wodnej pod terenem placu asfaltowego Należy zauważyć, iż do akumulacji sezonowej ciepła w gruncie wykorzystywane mogą być zasadniczo tylko pale energetyczne i sondy pionowe. W przypadku kolektorów płaskich (usytuowanych na głębokości np. 2 m) regeneracja gruntu następuje w okresie letnim w sposób naturalny. Próby jego ładowania skutkują tylko niewielkim podniesieniem temperatury, większość ciepła odpływa z gruntu w okresie nocnym. Dla efektu energetycznego podstawowe znaczenie mają współczynniki przewodzenia ciepła i dyfuzyjności termicznej gruntu, a także zawartość wilgoci. Jednak w przypadku wód płynących, choć przy odbiorze ciepła z gruntu ich obecność jest zjawiskiem korzystnym, przy akumulacji ciepła mogą prowadzić do znacznej redukcji potencjału akumulacyjnego gruntu. Istnieje szereg propozycji i rozwiązań modyfikujących typowe rozwiązanie umożlwiające bezpośrednią regenerację. Przykładem jest rozdzielenie obiegów pompy ciepła i kolektorów w ramach jednej sondy na dwie U-rurki. Pierwsze próby magazynowania ciepła w gruncie podjęto od połowy lat 70 tych w Szwecji, Danii, Holandii, Niemczech i Austrii. Poniżej wymieniono kilka przykładowych instalacji:

8 Schaefstall, Niemcy, 1985, 100 szt. sond pionowych o długości 10m, 13 lat czas zwrotu (obecnie przy niższych kosztach odwiertów nawet 9 lat), kolektor bezpośredni (bezszybowy) Treviglio, Włochy, rok 1986, 197 szt. sond pionowych o długości 11 m, kolektor bezpośredni (bezszybowy) gumowy Szwecja, lata , 19 instalacji akumulacji ciepła w gruncie dla domów jednorodzinnych; praca poprawna jednak koszty zbyt wysokie; średni przyrost temperatury akumulatora gruntowego 2 C Klagenfurt, Austria, 1994r., dom jednorodzinny o powierzchni 218 m 2, 20 m 2 kolektorów słonecznych, zasobnik 1 m 3 Schorfheide, Niemcy rok 1997, 110 m 2 kolektorów, 15 szt. sond pionowych o długości 32 m Stuttgart-Rohr, Niemcy, rok 1996, 28 szt. sond pionowych o długości 100 m, 161 m 2 kolektorów słonecznych Karlsruhe, Niemcy, rok 1997, 3 szt. sond pionowych o długości 50m i 40 m 2 kolektorów słonecznych Borlänge, Szwecja, 2002, bezpośredni kolektor (bezszybowy) gumowy EMA (Elastomer-Metall- Absorber) Uppsala, Szwecja, 2004r., 13 m 2 kolektorów słonecznych, sonda pionowa długości 125 m, pompa ciepła o mocy grzewczej 6 kw, powierzchnia budynku 185 m 2 Neckarsulm, Niemcy, rok 1997r., 528 szt. sond pionowych o długości 30 m (63360 m 3 ), współpraca z lokalnym systemem ciepłowniczym, Crailsheim, Niemcy, 80 szt. sond pionowych o długości 55 m (37500 m 3 ) i zbiornik akumulacyjny 480 m 3 Attenkirchen, Niemcy, 90 szt. sond pionowych o długości 30 m i zbiornik akumulacyjny 500 m 3, Anneberg, Szwecja, 99 szt. sond pionowych o długości 65 m (60000 m 3 ), 2400 m 2 kolektorów słonecznych, ładowany z kolektorów słonecznych gruntowy akumulator ciepła służy do ogrzewania niskotemperaturowego (temperatura zasilania/powrotu 32/27 C) 90 domów jednorodzinnych (1080 MWh/a), średniosezonowa temperatura zasobnika waha się w granicach C, po 3-5 latach ilość ciepła uzyskana do ogrzewania budynków w zimie powinna wynosić 70% ciepła przekazanego od kolektorów do gruntu w lecie Zestawienie parametrów wybranych instalacji Ciekawym systemem jest instalacja zastosowana w Okotoks w Kanadzie, temperatury obliczeniowe zimą - 33 C, latem 28 C ( System powstał w 2006r., obsługuje 52 domy. Wykorzystywana jest

9 zarówno akumulacja sezonowa BTES jaki i krótkoterminowa STTS (zasobniki 240 m 3 ). W skład systemu wchodzą 144 sondy pionowe o długości 37m (35000 m 3 ) w postaci pojedynczej U-rurki wykonane z materiału PEX 40. W systemie zastosowano 2293 m 2 kolektorów słonecznych na garażach. Zgodnie z założeniami po 5 latach eksploatacji 90% ciepła potrzebnego do ogrzewania budynków w zimie będzie pochodzić z ciepła przekazanego od kolektorów słonecznych do gruntu w lecie. Wysoka temperatura akumulowanej wody (ok. 80 C) powoduje znaczne straty ciepła zasobnika i skutkuje niską sprawnością kolektorów. Efektywność odzysku ciepła włożonego do gruntu wynosi zaledwie ok. 60%. Ogólny schemat instalacji, Okotoks, Kanada Ogólny schemat instalacji, Okotoks, Kanada

10 Ilość ciepła zrzuconego i odebranego z BTES, Okotoks, Kanada Średnia temperatura w zasobniku gruntowym, Okotoks, Kanada

11 Energia dostarczona do sieci bezpośrednio z kolektorów słonecznych, z BTES, z kotła, Okotoks, Kanada Rzut układu, Okotoks, Kanada

12 Bieżący stan instalacji Okotoks, Kanada Przykładem instalacji dla domu jednorodzinnego jest system wykorzystywany do celów naukowobadawczych w miejscowości Herford koło Bielefeld w Niemczech. System eksploatowany był w latach r. Powierzchnia budynku 140 m 2, zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania 47 kwh/m 2 a, moc szczytowa ogrzewania 5.8 kw. Użytkowanie: 4 osoby. Ogrzewanie niskoparametrowe tz/tp 32/28 C, pompa ciepła o mocy 5 kw i COP 4.2. Sonda pionowa długości 75 m, kolektory 11 m 2, zasobnik 750 dm 3. Podstawowe tryby pracy układu przedstawiono na rysunku

13 Tryby pracy: 1. bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej przy odpowiedniej temperaturze do ładowania zasobnika (ciepła woda użytkowa i ogrzewanie), 2. wykorzystanie energi słonecznej do poprawy warunków pracy pompy ciepła poprzez podniesienie temperatury w obiegu pierwotnym (glikolu), 3. regeneracja sondy pionowej z wykorzystaniem energii sonecznej (pompa ciepła wyłączona, maksymalna temperatura zasilania 12 C), 4. wykorzystanie ciepła słonecznego zmagazynowanego w gruncie podczas pierwszych miesięcy pracy pompy ciepła w okresie jesiennym. Podczas regeneracji temperatura glikolu trafiającego do kolektorów wynosi 6-12 C, co pozwala na regenerację sondy nawet przy niewielkim natężeniu promieniowania słonecznego. Ładowanie zasobnika ciepłej wody użytkowej wymaga natężenia promieniowania co najmniej 250 W/m 2. W okresie zimowym podczas regeneracji kolektorami występują okresy, podczas których temperatura glikolu jest niższa niż temperatura powietrza, co prowadzi do kondensacji pary wodnej na szybie. W budynku zastosowano specjalną konstrukcję kolektora z odpowiednią izolacją i odpływem skroplin. Temperatury uzyskiwane z gruntu oraz ilość energii dostarczanej w celu regeneracji

14 Wyniki energetyczne dla omawianego układu Szacuje się efektywność zasobników gruntowych na 40-70% (proporcja ciepła odzyskanego do włożonego). Wpływ regeneracji jest zależny od szeregu czynników, szacuje się iż 10m 2 kolektorów słonecznych pozwala zredukować głębokość sondy pionowej ze 100 m do 85 m (ok. 15%). Pojemność cieplna magazynu ciepła (BTES borehole thermal energy storage) jest określana w zakresie kwh/m 3, przy czym równoważny efekt cieplny jak dla zasobnika wodnego o objętości 1 m 3 występuje przy objętości gruntu ok. 3-5 m 3. Praktyczna głębokość sond mieści się w zakresie m. Naturalny przepływ wód nie powinien przekraczać 1 m/a. Przykładem układu SHC/BTES w Polsce jest instalacja doświadczalna firmy Solis ( Instalacja składa dwóch odwiertów głębinowych o głębokości 96 m, kolektora gruntowego poziomego oraz trzech kolektorów słonecznych o łącznej powierzchni 6 m 2. Zgodnie z danymi firmy Solis już powierzchnia 2 m 2 kolektora na 10 kw mocy chłodniczej pompy ciepła pozwala na przyspieszenie regeneracja gruntu (która następuje już w miesiącu maju zamiast jak normalnie w sierpniu), a temperatura źródła pompy ciepła może być wyższa nawet o 3 C.

15 Widok układu firmy Solis Schemat układu firmy Solis

16 Źródło: Materiały techniczne firm Solis Kjellsson E.: Solar Collectors Combined with Ground-Source Heat Pumps in Dwellings. Analyses of System Performance, Lund University, Lund 2009 Henning H., Miara M.: Systems using solar thermal energy in combination with heat pumps, Fraunhofer Institute, Freiburg 2008 Shahed A., Harrison S.: Preliminary review of geothermal solar assisted heat pumps, Queen s University, Kingston 2008 Bernier, M. A.; Shirazi A. S, Solar Heat Injection into Boreholes: A Preliminary Analysis, École Polytechnique de Montreal, June 2007 Pavlov G., Olesen B.: Seasonal Ground Solar Thermal Energy Storage - Review of Systems and Applications. ISES Solar World Congress, Kassel 2011 Loose A., Druck H., hanke N. et al.: Field test for performance monitoring of combined solar thermal and heat pump systems, IEA Task 44 SHC "Solar and Heat Pump Systems", Stuttgart 2011 Seasonal storage and solar collector integrated heat pump concept with individual ground sources for the application in low energy homes, International Energy Agency IEA, Heat Pump Programme HPP Annex 32