Kamila Kreis-Tomczak

Transkrypt

1 ECOLOGICAL CHEMISTRY AND ENGINEERING S Vol. 15, No Kamila KREIS-TOMCZAK* ZINTEGROWANY SYSTEM WYKORZYSTANIA ENERGII KUMULOWANEJ Z BUDYNKU INWENTARSKIEGO I SOND GEOTERMALNYCH INTEGRATED ENERGY SYSTEM OF ANIMAL BUILDING AND GROUND BOREHOLES Streszczenie: Z prac róŝnych badaczy dotyczących pozyskiwania energii z sond geotermalnych wynika, Ŝe temperatura gruntu z sondą geotermalną spada pod koniec okresu grzewczego, a w pobliŝu sondy grunt ochładza się przez pierwsze 2-3 lata. Po tym okresie proces się stabilizuje, ale temperatura gruntu pozostaje niŝsza o 1 2 K w porównaniu do gruntu bez sondy. Symulacja tego procesu w okresie 25-letniej eksploatacji pokazała, Ŝe po tym okresie deficyt temperatury pozostaje na poziomie 0,1 K. PoniewaŜ odzysk ciepła z sondy geotermalnej moŝe powodować zachwiania we właściwościach cieplnych gruntu, podjęto prace nad przywróceniem tej równowagi. W pierwszym etapie badano system, wykorzystujący wymienniki gruntowe bez podłączenia dachu energetycznego. Badania prowadzono od do r. W okresie od r. do r. uzyskano 5,834 GJ energii cieplnej (1620,56 kwh), a dostarczono 447,1 kwh energii elektrycznej, a zatem współczynnik COP (energia uzyskana do energii dostarczonej) był równy 3,6. Słowa kluczowe: pompa ciepła, sondy geotermalne, odzysk ciepła, energia słoneczna Obecna sytuacja na rynku produktów rolnych powoduje, iŝ moŝliwości podnoszenia opłacalności produkcji naleŝy upatrywać głównie w optymalizowaniu nakładów na nią. Dlatego między innymi równieŝ w budownictwie inwentarskim coraz szerzej stosuje się rozwiązania, wpływające na poprawę bilansu energetycznego budynków. MoŜliwości takie dają na przykład dachy energetyczne (kolektory słoneczne) i pompa ciepła, mogąca pozyskiwać energię z takich źródeł, jak głęboka ściółka czy wymienniki gruntowe. MoŜliwości pozyskiwania ciepła z głębokiej ściółki zostały juŝ określone przez Nawrockiego [1]. Studia nad róŝnymi scenariuszami zmian w energetyce (np. World Energy Council, Shell, United Nations) przewidują udział odnawialnych źródeł energii na poziomie 20 50% w całej światowej produkcji energii do połowy tego stulecia. Dla Europy róŝne scenariusze pokazują, Ŝe realnym celem jest udział 15% energii z tych źródeł do 2010 * Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, ul. Biskupińska 67, Poznań, tel , kakreis@man.poznan.pl

2 86 Kamila Kreis-Tomczak roku (Madrid Conference 1994). Szacuje się, Ŝe obecnie wykorzystywane odnawialne źródła energii w rolnictwie to mniej niŝ 5% [2], dlatego tak waŝne jest uświadamianie potencjalnych inwestorów z branŝy rolniczej, Ŝe istnieją sprawdzone rozwiązania systemów pozyskiwania energii, którą dzięki zastosowaniu pomp ciepła moŝna wykorzystać w efektywny i racjonalny sposób. Systemy pozyskiwania energii wykorzystujące pompy ciepła są najszybciej rozwijającą się gałęzią odnawialnych źródeł energii na świecie. W ponad 30 krajach rocznie ich zastosowanie wzrosło o ok. 10% w ciągu ostatnich 10 lat. Ich główną zaletą jest to, Ŝe do ich działania wystarcza temperatura gruntu lub wód gruntowych (od 5 do 30 C) osiągalna we wszystkich krajach na świecie. Największy udział w zastosowaniu tych systemów mają Stany Zjednoczone i Europa. Aktualną światową ilość energii pozyskiwaną w tych systemach szacuje się na ok. 20 GWh rocznie. Szacunkowa ilość instalacji geotermalnych wynosi 1,1 mln sztuk. Polski rynek w tej dziedzinie dopiero się rozwija, ale równieŝ i u nas systemy pomp ciepła stają się coraz bardziej popularne. Pompy ciepła Zadaniem pompy ciepła jest przekazanie ciepła z dolnego źródła niskotemperaturowego do źródła górnego o wyŝszej temperaturze. Dolnym źródłem moŝe być grunt lub wody gruntowe, a takŝe kolektor słoneczny. Górne źródło to np. centralne ogrzewanie budynku lub zasobnik ciepłej wody. Istnieją takŝe rozwiązania, w których pompa ciepła słuŝy do klimatyzowania budynku w okresie letnim. W przypadku cyklu grzewczego pompa ciepła pobiera energię cieplną z dolnego źródła i po podwyŝszeniu temperatury do Ŝądanego poziomu dostarcza ciepło do budynku. PodwyŜszenie temperatury cieczy nagrzanej w dolnym źródle odbywa się w zamkniętym układzie elementów tworzących pompę ciepła, wewnątrz którego krąŝy czynnik roboczy. Czynnik ten podlega przemianom z postaci ciekłej na gazową i odwrotnie, powodując przepływ energii cieplnej ze źródła dolnego do górnego. W parowniku, który jest wymiennikiem ciepła, czynnik roboczy w postaci mieszaniny cieczy i gazu ulega odparowaniu. W procesie tym odbierana jest energia cieplna z dolnego źródła. Następnie czynnik zostaje przekazany jako para o niskim ciśnieniu do spręŝarki, a tam wzrasta jego ciśnienie oraz temperatura, a stamtąd w postaci gazowej trafia do skraplacza. Gorący i spręŝony czynnik oddaje tu energię cieplną do źródła górnego, co powoduje jego ponowne skroplenie. Na drodze powrotnej do parownika napotyka zawór rozpręŝny. Jest to ostatni z elementów zamykający obieg termodynamiczny, który dozuje ilość czynnika trafiającą do parownika. W tym ostatnim procesie obniŝa się jego ciśnienie oraz temperatura, po czym trafia on ponownie do dolnego źródła, aby tam znowu pobrać energię. Jest to więc proces cykliczny. MoŜliwe jest takŝe odwrócenie cyklu pracy pompy ciepła tak, aby spełniała ona rolę klimatyzatora w okresach ciepłych, a energia, która zostaje pozyskana w trakcie ochładzania pomieszczeń w budynku, moŝe zostać skierowana do dolnego źródła, np. do odwiertu w gruncie.

3 Zintegrowany system wykorzystania energii kumulowanej z budynku inwentarskiego i sond 87 Dach energetyczny jako dolne źródło energii Innym dolnym źródłem ciepła w układzie pompy ciepła moŝe być kolektor słoneczny. W latach w Instytucie Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa w Poznaniu prowadzono badania, mające na celu opracowanie efektywnego wymiennika ciepła, zintegrowanego z pokryciem dachowym i umoŝliwiającym odbiór energii słonecznej. Energia ta moŝe zostać zmagazynowana w specjalnych sondach geotermalnych albo np. pod podłogą budynku. W ten sposób ciepło moŝe być gromadzone latem, a odzyskane zimą za pomocą pompy ciepła. Ciepło pozyskane przez dach energetyczny moŝe zostać takŝe od razu wykorzystane np. do suszenia ziarna lub innych płodów rolnych. Element dachowy, stanowiący kolektor słoneczny, wykonany jest z 1 arkusza blachy trapezowej pomalowanej na czarno, z występami co 140 mm, od spodu przymocowana jest izolacja z pianki polistyrenowej. Panele wodne ułoŝone są tuŝ pod powierzchnią zewnętrznej blachy w odstępach co 500 mm. KaŜdy panel składa się z rzędu 11 kanalików, połączonych za pomocą kolektorów zbiorczych. Wysokość panelu wodnego wynosi 15 mm, a całkowita szerokość 140 mm. Przy schłodzeniu czynnika transportującego energię cieplną, (mieszaniny wody z glikolem) określono roczny odzysk energii na poziomie MJ z 1 m 2. Przeprowadzone badania wykazały, Ŝe dla uzyskania wysokiej efektywności układu paneli wodnych, współpracujących z pompą ciepła, róŝnica temperatur cieczy dolotowej i wylotowej w słoneczne dni powinna wynosić 5 C. Opracowano system, który posiada wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi kolektorami słonecznymi. Rozwiązanie cechuje się między innymi: wysoką wydajnością energetyczną; moŝe być stosowane bardziej elastycznie (zarówno jako dach płaski, jak teŝ pochylony), moŝe być zastosowane przy róŝnych typach pokryć dachowych współpracujących z wymiennikami ciepła oraz jest stosunkowo niedrogie. Wymiennik ciepła jest zintegrowany z dachem i z tego powodu koszty są niŝsze o ok. 75% w porównaniu z tradycyjnymi kolektorami słonecznymi. Systemy geotermalne jako dolne źródło ciepła Skorupa ziemska jest dobrym i wydajnym źródłem ciepła. Sposobem na wykorzystanie energii z ziemi jest zastosowanie otworowego wymiennika ciepła, tzw. sondy geotermalnej. Stanowi ona dolne źródło w układzie pompy ciepła. Sonda geotermalna składa się z obudowy odwiertu, w którym jest umieszczona, zazwyczaj pionowych (istnieją takŝe poziome wymienniki ciepła) rur wewnętrznych oraz zagłowiczenia. Powstały w ten sposób układ, w którym krąŝy ciecz robocza, składa się z przestrzeni pierścieniowej, którą ciecz robocza porusza się w dół, oraz z zagłębionych rur izolowanych termicznie, którym czynnik ten powraca na powierzchnię do pompy ciepła. Cyrkulująca ciecz podczas przepływu w dół odwiertu ogrzewa się od górotworu. Odebrane od niego ciepło przemieszczane jest za pomocą wewnętrznej kolumny rur. Pompa ciepła w takim układzie jest niezbędna, poniewaŝ ciepło górotworu jest źródłem niskotemperaturowym. Najlepsze rezultaty w pozyskiwaniu ciepła otrzymuje się, gdy sondy geotermalne znajdują się w sąsiedztwie odbiorcy ciepła (rys. 1).

4 88 Kamila Kreis-Tomczak Rys. 1. Schemat typowego zastosowania pompy ciepła i sondy geotermalnej do ogrzewania budynków w Europie. Typowa długość sondy to około 100 m, gdzie średnio moŝna pozyskać 70 W energii z 1 m sondy [3, 4] Fig. 1. The scheme of heat pump system with borehole for heating in Europe. Typical length of borehole is about 100 m where could be extracted 70 W heat energy from 1 m of borehole [3, 4] W literaturze nie znaleziono wystarczających informacji dotyczących połączenia dolnych źródeł, dachu energetycznego oraz geotermalnych systemów pozyskiwania energii. Dlatego celem tej pracy było przeprowadzenie badań w tym zakresie. W pierwszym etapie opracowane zostaną geotermalne metody pozyskiwania energii. Jednym ze sposobów eksploatacji energii zawartej w skorupie ziemskiej jest zastosowanie otworowego wymiennika ciepła (sondy geotermalnej). W przewaŝającej liczbie przypadków opisanych w literaturze energia jest jedynie pobierana z sondy geotermalnej, a nie dostarczana do niej w celu zmagazynowania. Układy sond geotermalnych moŝna podzielić na: otwarte lub zamknięte, pionowe lub poziome.

5 Zintegrowany system wykorzystania energii kumulowanej z budynku inwentarskiego i sond 89 Rys. 2. MoŜliwe układy sond geotermalnych [3] Fig. 2. Possible arrangement of boreholes [3] Wybór danego układu zaleŝy od warunków lokalnych. Wymiennik ciepła (przewaŝnie podwójna plastikowa U-rura, umocowana w umocnionym otworze w gruncie) pracuje efektywnie w prawie kaŝdym rodzaju gruntu (oprócz gruntów o małej przewodności cieplnej, takich jak np. suche piaski). Prace eksperymentalne i teoretyczne prowadzone przez wiele lat doprowadziły do opracowania podstaw do projektowania takich systemów [3, 5]. W latach 80. opracowano teoretyczną analizę systemów geotermalnych [6, 7], prowadzono monitoring i symulacje [8], a takŝe prace eksperymentalne nad transportem ciepła w gruncie [9]. Prowadzone prace pozwoliły ich autorom na podanie kilku waŝnych wniosków: temperatura gruntu z sondą geotermalną spada pod koniec okresu grzewczego, a w pobliŝu sondy grunt ochładza się przez pierwsze 2-3 lata, po tym okresie proces się stabilizuje, ale temperatura gruntu pozostaje niŝsza o 1 2 K w porównaniu do gruntu bez sondy, sonda geotermalna zapewnia pozyskanie ok. 70 W z 1 m długości rury, symulacja tego procesu w okresie 25-letniej eksploatacji pokazała, Ŝe po nich deficyt temperatury pozostaje na poziomie 0,1 K.

6 90 Kamila Kreis-Tomczak Zgodnie z zaleceniami i uwarunkowaniami stosowania technologii odzysku ciepła z głębokiej ściółki zawartymi w pracy habilitacyjnej Nawrockiego [1], w której stwierdzono, Ŝe przy duŝej skali produkcji, celowe jest rozwaŝenie inwestycji innych źródeł odnawialnych, które mogłyby pracować z instalacją pompy ciepła w systemie zintegrowanym. W naszym Instytucie podjęto próbę włączenia systemu sond geotermalnych do tej instalacji. Adamovski i Kara [12] są zdania, Ŝe dzięki takiemu systemowi moŝna uzyskać redukcję zuŝycia energii i uniezaleŝnić fermy od paliw stałych. Barotti [13] podaje, Ŝe połączenie dwóch źródeł energii znacząco poprawia zuŝycie energii, a koszty początkowe tego złoŝonego systemu nie są wyŝsze niŝ w przypadku systemu z jednym tylko medium. PoniewaŜ odzysk ciepła z sondy geotermalnej moŝe powodować zachwiania we właściwościach cieplnych gruntu, celowe wydaje się prowadzenie prac nad przywróceniem tej równowagi. Cel badań Celem pierwszego etapu badań układu energetycznego, składającego się z dachu energetycznego, głębokiej ściółki i sond geotermalnych, było określenie efektywności pozyskiwania ciepła z sond geotermalnych bez wspierania tego procesu ciepłem pozyskiwanym z dachu energetycznego. Metodyka badań Pomiaru ilości ciepła dokonywano za pomocą liczników energii cieplnej, znajdujących na obiegach dolnego i górnego źródła. Pozostałe liczniki energii cieplnej umieszczone są w układzie kolektora słonecznego (dach) oraz na tzw. powrocie z gruntu. W badaniach wstępnych nie były one wykorzystywane. Docelowo rejestracja wszystkich mierzonych parametrów dokonywana była w sposób ciągły, z próbkowaniem co 1 minutę. Pomiaru ilości ciepła pozyskiwanego z gruntu (2 sondy geotermalne o długości 70 m kaŝda) dokonywano raz na tydzień. Sumaryczną ilość pobranego ciepła w pierwszym etapie badań obliczono na podstawie róŝnicy wskazań ciepłomierza w pierwszym i ostatnim dniu pomiarów. W celu obliczenia wskaźnika COP dokonywano takŝe pomiaru ilości zuŝytej energii elektrycznej przez cały układ. Wyniki pomiarów Badano system z wymiennikami gruntowymi bez podłączenia dachu energetycznego. Badania prowadzono w okresie od r. do r. Podczas badań dokonywano odczytów energii cieplnej uzyskanej z sond geotermalnych oraz energii, która została przesłana do obiegu górnego źródła (c.o.) (rys. 3). Wskazania licznika energii elektrycznej pozwoliły na określenie poboru prądu przez system w okresie jego pracy.

7 Zintegrowany system wykorzystania energii kumulowanej z budynku inwentarskiego i sond 91 Tabela 1 Nakłady energii elektrycznej [kwh] na działanie poszczególnych elementów systemu pompy ciepła Table 1 Electric energy [kwh] used for running respective elements of heat pump system Data Element systemu Godziny pracy [h] Liczba włączeń (x) r. Pompa pierwotna licznik energii: SpręŜarka ,7 kwh Pompa wtórna Pompa obiegowa r. licznik energii: 333,2 kwh Pompa pierwotna SpręŜarka Pompa wtórna Pompa obiegowa r. Pompa pierwotna licznik energii: SpręŜarka ,8 kwh Pompa wtórna Pompa obiegowa r. licznik energii: 613,4 kwh Pompa pierwotna SpręŜarka Pompa wtórna Pompa obiegowa r. Pompa pierwotna licznik energii: SpręŜarka ,8 kwh Pompa wtórna Pompa obiegowa r. licznik energii: 780,3 kwh Pompa pierwotna SpręŜarka Pompa wtórna Pompa obiegowa Energia uzyskana z sond geotermalnych oraz dostarczona do obiegu c.o. [GJ] Energy gained from boreholes and supplied to the central heating system [GJ] Tabela 2 Table 2 Data Ciepłomierz nr 1 (powrót z wymienników gruntowych) [GJ] Ciepłomierz nr 3 (wyjście na zbiornik c.o.) [GJ] ,882 Kalibracja ,337 5, ,674 8, ,241 9, ,121 10, ,713 11,635

8 92 Kamila Kreis-Tomczak Ciepło [GJ] Data pomiaru Ciepłomierz nr 1 (wyjście z pompy ciepła na wymienniki gruntowe) Ciepłomierz nr 3 (wyjście na zbiornik CO) Rys. 3. Ciepło pozyskane z gruntowych wymienników (dolne źródło) oraz dostarczone do górnego źródła (obieg c.o.) Fig. 3. Heat from boreholes (lower source) and heat supplied to the central heat system (upper source) Wnioski Z róŝnicy między początkowym stanem licznika energii cieplnej a stanem końcowym wynika, Ŝe w okresie, w którym prowadzono badania, uzyskano 5,834 GJ energii cieplnej, a nakłady poniesionej energii elektrycznej wyniosły 447,1 kwh. W tym okresie dostarczono do obiegu c.o. 5,836 GJ energii cieplnej. RóŜnica między ilością energii pozyskanej z wymienników gruntowych a ilością ciepła dostarczoną do c.o. (rys. 1) moŝe wynikać z nagrzewania się płynu roboczego na odcinku za licznikiem ciepła, zanim dotrze on do pompy ciepła. 1. W okresie od r. do r. uzyskano 5,834 GJ (1620,56 kwh) energii cieplnej (1620,56 kwh), a dostarczono 447,1 kwh energii elektrycznej. A zatem stosunek energii uzyskanej do dostarczonej (współczynnik COP) wynosi 3,6. 2. W okresie pracy systemu zuŝyto na działanie instalacji pompy ciepła zasilanej przez sondy geotermalne 768,6 kwh energii elektrycznej.

9 Zintegrowany system wykorzystania energii kumulowanej z budynku inwentarskiego i sond 93 Literatura [1] Nawrocki L.: Wpływ odzyskiwania energii cieplnej z głębokiej ściółki na kształtowanie mikroklimatu w chlewni. InŜ. Roln., 2003, 6(48), [2] Dreszer K., Michałek R. i Roszkowski A.: Energia odnawialna - moŝliwości jej pozyskiwania i wykorzystania w rolnictwie. PTIR, Warszawa 2003, s [3] Lund J., Sanner B., Rybach., Curtis R. i Hellstrom G.: Geothermal (ground-source) heat pumps. World overview. GHC Bull., 2004, 25(3), [4] Rybach L. i Sanner B.: Ground-source heat pump systems - the European experience. GHC Bull., 2000, 21(1), [5] Knoblich K., Sanner B. i Klugescheid M.: Energetische, Hydrologische und Geologische Untersuchungen zum Entzug von Warme aus den Erdeich. Giessner Geolog. Schrift. 49, Giessen 1993, s [6] Rybach L. i Hopkirk R.: Shallow and Deep Borehole Heat Exchanger - Achievements and Prospects. Proc. World Geothermal Congress in Florence, 1995, [7] Rybach L. i Eugster W.J.: Borehole heat exchangers to tap shallow geothermal resources: The Swiss success story. [in:] S.F. Simmons, O.E. Morgan, M.G. Dunstall (eds.). Proc. 19 th Auckland, New Zealand Geothermal Workshop 1997, [8] Claesson J. i Eskilson P.: Conductive heat extraction to a deep borehole. Thermal analysis and dimensioning rules. Energy, 1998, 13(6), [9] Eskilson P. i Claesson J.: Simulation model for thermally interacting heat extraction boreholes. Numer. Heat Transfer, 1998, 13, [10] Gilby D.J. i Hopkirk R.J.: The coaxial vertical heat probe with solar recharge, Numerical simulation and performance evaluation. Proc. 2 nd WS on SAHPGCS, Vienna 1995, [11] Sanner B.: Prospect for Ground-Source Heat Pumps in Europe. Newsletter IEA Heat Pump Centre, 1999, 17(1), [12] Adamovski R. i Kara J.: Energy and economic aspects of energy integrated system of farm for pigs breeding. Mat. Konf. Nauk. nt. Techniczne, ekologiczne i ekonomiczne aspekty energetyki odnawialnej. SGGW, Warszawa 2001, [13] Barotti I.: Coupled energetic analysis of air ventilation heat exchangers. CNRE Bull., 1986, 11, INTEGRATED ENERGY SYSTEM OF ANIMAL BUILDING AND GROUND BOREHOLES Summary: Different researchers show that temperature close to the borehole in winter drops quickly in the first years, only to stay more or less stable over the next years. In summer time, initial temperatures are not achieved again, but temperature drop is decreasing from year to year. In the numerical simulation, a complete recovery will occur only after an indefinitely long time period; nevertheless the remaining temperature deficit 25 years after the operation is stopped, is only in the order of 0.1 K. Because heat recovery from boreholes could disturb the heat properties of ground, in Institute for Buildings Mechanization and Electrification of Agriculture research have been undertaken to bring back this balance. The aim of research of system which included energy roof, deep litter and ground boreholes was to define efficiency of heat delivery/recovery to and from boreholes in aspects of hydrogeotermal processes near boreholes. System of boreholes (without energy roof) was investigated in first stage of research. Investigation was conducted from to Amount of heat from boreholes and heat sent to the central heating system were measured. In investigated period gained GJ of heat energy ( kwh) as compared to electric energy input on the level of kwh. Relation of the input energy to the gained energy was 3.6 (COP). Keywords: heat pump system, ground borehole, heat recovery, solar energy