Albert Z³otkowski*, Tomasz Œliwa*, Andrzej Gonet*

Transkrypt

1 WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 28 ZESZYT Albert Z³otkowski*, Tomasz Œliwa*, Andrzej Gonet* OTWOROWE WYMIENNIKI CIEP A W INSTALACJI GRZEWCZO-KLIMATYZACYJNEJ EKOLOGICZNEGO PARKU EDUKACJI I ROZRYWKI OSSA** 1. WSTÊP Zespó³ hotelowy Ekologicznego Parku Edukacji i Rozrywki OSSA (rys. 1) (EPEiR OSSA) powsta³ jako kolejny obiekt kulturalno-wypoczynkowy grupy Trip w 2008 roku. Zlokalizowany jest w województwie ³ódzkim, powiecie rawskim, gmina Bia³a Rawska. Rys. 1. Ekologiczny Park Edukacji i Rozrywki OSSA * Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków ** Praca zrealizowana w ramach grantu MNiSW nr N N , umowa AGH nr

2 Realizacja inwestycji zosta³a wykonana przy za³o eniu wykorzystania technologii przyjaznych œrodowisku, a tak e wykorzystania uroku krajobrazu sk³adaj¹cego siê z lasu oraz sztucznego jeziora. Równie w fazie projektowania zadecydowano, e eksploatacja obiektu musi odznaczaæ siê niskim zu yciem energii elektrycznej i paliw [6]. Przyjêto wiêc, e zarówno energia grzewcza, jak i ch³odnicza bêdzie dostarczana przez 4 pompy ciep³a wykorzystuj¹ce jako Ÿród³o ciep³a górotwór z 80. wymiennikami otworowymi. Wyliczenia projektowe zapotrzebowania budynku na ciep³o i ch³ód oraz przyjêcie charakteru biwalentnego zasilania podyktowa³y dobranie jako urz¹dzeñ zasilaj¹cych hotel w ciep³o 4 pomp ciep³a o ³¹cznej mocy grzewczej kw, mocy ch³odniczej kw (w zale noœci od temperatury noœnika energii zasilaj¹cego parowniki i wyp³ywaj¹cego ze skraplaczy pomp ciep³a) oraz 2 kot³ów olejowych. Przyjêto, e podstawowym Ÿród³em ciep³a bêdzie zespó³ pomp ciep³a pokrywaj¹cy zapotrzebowanie w wysokoœci ok. 70%. Jako drugie, szczytowe Ÿród³o energii dobrano kot³y olejowe o mocy 700 kw, które równie w razie awarii sieci elektrycznej maj¹ mo liwoœæ pokrycia ca³oœci zapotrzebowania obiektu na energiê. Realizacjê dostarczenia ch³odu do instalacji klimatyzuj¹cej przewidziano w trojaki sposób. Pasywne dostarczanie ch³odu zak³ada oddawanie ciep³a z instalacji klimatyzuj¹cej do wymienników otworowych bez udzia³u pomp ciep³a. Aktywne dostarczanie ch³odu wymaga u ycia pomp ciep³a. W okresie szczytowym zapotrzebowaniu na ch³ód dodatkowo przewidziano agregat wody lodowej. Warunkiem poprawnego dzia³ania systemu grzewczo-klimatyzuj¹cego opartego na pompach ciep³a jest dobór odpowiedniej wielkoœci buforu ciep³a oraz parametrów jego efektywnego wykorzystania zarówno jako Ÿród³a, jak i magazynu energii [5]. Zaprojektowanie odpowiedniej g³êbokoœci wymienników otworowych, odpowiadaj¹cej zapotrzebowaniu, mo liwe jest przy znajomoœci ich wydajnoœci grzewczej w danym miejscu (konstrukcja wymiennika, budowa litologiczna, nasycenie porów wod¹). Informacje tego typu mo liwe s¹ do pozyskania na drodze testu reakcji termicznej (TRT thermal response test) zespo³u wymiennik otworowy-górotwór [1]. W przypadku EPEiR OSSA badaniu TRT poddano 2 ró ne wymienniki otworowe [2], jeden o konstrukcji pojedynczej, drugi podwójnej u-rurki. Obydwa wymienniki posiada³y g³êbokoœæ 100 m. 2. PRZEPROWADZENIE BADAÑ TRT Weryfikacja mo liwoœci parametrów pracy wymiennika otworowego jest realizowana przy u yciu aparatury terenowej TRT (rys. 2), w któr¹ wyposa one jest Laboratorium Geoenergetyki Katedry Wiertnictwa i Geoin ynierii WWNiG AGH. Zasada przeprowadzenia pomiaru opiera siê na dostarczaniu energii o sta³ej mocy do wymiennika otworowego poprzez przep³yw noœnika ciep³a, przy sta³ym strumieniu objêtoœci. Wp³yw i wyp³yw testowanego wymiennika otworowego zaopatrzony jest w czujniki temperatury, które zmierzone wielkoœci przesy³aj¹ do komputera rejestruj¹cego dane do póÿniejszej interpretacji. Pomiary wykonywane s¹ w odstêpach jednosekundowych nieprzerwanie przez czas ok. 100 h. Zebrane wyniki w postaci tabelarycznej poddaje siê analizie, dziêki której okreœla siê efektywn¹ przewodnoœæ ciepln¹ górotworu. W przypadku EPEiR OSSA przeprowadzono jedno badanie wymiennika otworowego z podwójn¹ u-rurk¹ oraz trzy badania wymiennika z pojedyncz¹ u-rurk¹, zmieniaj¹c moc grzewcz¹ i strumieñ objêtoœci przep³ywaj¹cego czynnika. 476

3 Rys. 2. Urz¹dzenie do testu reakcji termicznej 3. WYKONANIE WYMIENNIKÓW OTWOROWYCH Na podstawie wyników TRT i analizy zapotrzebowania na ciep³o i ch³ód zaprojektowano 80 otworowych wymienników ciep³a o konstrukcji pojedynczej u-rurki, 24 wymienniki o g³êbokoœci 133 m oraz 56 wymienników o g³êbokoœci 115 m (rys. 3). Rys. 3. Rozmieszczenie otworowych wymienników ciep³a wraz z po³¹czeniami: 1 staw, 2 cztery zespo³y otworowych wymienników ciep³a [3] 477

4 478 Rys. 4. Karta otworu pionowego wymiennika ciep³a otwór PC EPEiR OSSA [3]

5 Wymienniki otworowe rozmieszczono po 20 wymienników w 4 bateriach niezale nie pod³¹czonych oddzielnymi magistralami hydraulicznymi z kolektorem zbiorczym otworowych wymienników ciep³a, zasilaj¹cym pompy ciep³a. Wymienniki rozmieszczono tak, aby odleg³oœæ pomiêdzy nimi by³a nie mniejsza ni 10 m. Dziêki temu mo liwe jest pobieranie i oddawanie energii z stosunkowo du ej objêtoœci górotworu. Otwory pod wymienniki wykonano metod¹ obrotow¹ z u yciem p³uczki wiertniczej. Nastêpnie do ka dego z otworów zapuszczono przewód rurowy z HDPE (polietylen wysokiej gêstoœci) na czas zapuszczania utrzymywany pod ciœnieniem równym ciœnieniu panuj¹cym na dnie otworu. Instalacje wymiennika otworowego skonsolidowano zaczynem uszczelniaj¹cym sporz¹dzonym w oparciu o typowe spoiwo hydrauliczne. Podczas wiercenia, aby zapobiec obsypywaniu warstw przypowierzchniowych, wykorzystano kolumnê rur wzmacniaj¹c¹ œcianê otworu (rys. 4). 4. FUNKCJONOWANIE SYSTEMU GRZEWCZO-CH ODNICZEGO Efektywne wykorzystanie zespo³u wymienników otworowych, których moc okreœlono na poziomie 476 kw, mo liwe jest tylko wtedy, jeœli wykonywana instalacja wewn¹trz budynku, wykorzystuj¹ca ciep³o niskotemperaturowe, bêdzie w stanie racjonalnie kaskadowo pozyskiwaæ ciep³o o kolejnych poziomach temperatur i magazynowaæ je w zbiorniku wody lodowej oraz zasobniku ciep³a. Zaplanowano piêæ trybów pracy instalacji, skorelowanych z kolejnymi okresami grzewczymi w cyklu rocznym, pozwalaj¹cych wydajnie gospodarowaæ ciep³em oraz jego zasobami w górotworze. Wyró niono nastêpuj¹ce okresy: okres zimowy, okres wiosenny, okres wczesnego lata (tryb pasywnej i aktywnej wymiany ciep³a w otworowych wymiennikach jako Ÿródle ch³odu), okres póÿnego lata, okres jesienny. W okresie zimowym przyjêto, e pompy ciep³a zasilane s¹ noœnikiem energii wyp³ywaj¹cym z otworowych wymienników ciep³a. Och³odzony noœnik z pomp ciep³a przep³ywa przez zbiorniki wody lodowej, zapewniaj¹c utrzymanie instalacji klimatyzacyjnej w gotowoœci u ycia oraz nieco zwiêkszaj¹c swoj¹ temperaturê. Kolejno powraca do wymienników otworowych, gdzie ponownie zostaje ogrzany. W przypadku wzrostu zapotrzebowania na ch³ód za pomoc¹ zaworów mieszaj¹cych noœnik ciep³a bezpoœrednio kierowany jest ze zbiornika wody lodowej na parowniki pomp ciep³a. W okresie wiosennym w parownikach pomp ciep³a p³ynie noœnik z otworowych wymienników ciep³a oraz ze zbiornika wody lodowej (przy za³o eniu wzrostu zapotrzebowania na ch³ód). Zawór mieszaj¹cy umo liwia regulacjê temperatury strumienia cieczy podawanej na parowniki pomp ciep³a. Niedobór energii pobierany jest z wymienników otworowych. W okresie wczesnego lata ciecz wyp³ywaj¹ca z otworowych wymienników ciep³a kierowana jest na parowniki pompy ciep³a, a jeœli nie wystêpuje zapotrzebowanie na ciep³o, to tylko na zbiornik wody lodowej (pasywne klimatyzowanie). Jeœli temperatura czynnika wyp³ywaj¹cego z wymienników otworowych wzroœnie do poziomu, przy którym pasywne 479

6 ch³odzenie zbiornika wody lodowej jest niemo liwe, zapotrzebowanie na ch³ód realizowane jest za pomoc¹ pomp ciep³a (aktywne klimatyzowanie), a nadmiar energii ze skraplaczy górnego Ÿród³a odprowadzany jest za pomoc¹ magistrali pomocniczej na kolektor zasilaj¹cy otworowe wymienniki ciep³a. Ma to na celu regeneracjê zasobów ciep³a w górotworze. W okresie póÿnego lata ch³ód jest w ca³oœci wytwarzany przez pompy ciep³a, a górotwór ulega regeneracji w celu zwiêkszenia jego temperatury, co przyczyni siê do zmniejszenia zu ycia energii elektrycznej w jesieni i zim¹. W okresie jesiennym noœnik dostarczany do pomp ciep³a z wymienników otworowych jest och³adzany, po czym przep³ywa w miarê zapotrzebowania przez zbiornik wody lodowej lub bezpoœrednio przez otworowe wymienniki ciep³a. Przy porównywalnym zapotrzebowaniu na ch³ód i ciep³o parowniki pomp ciep³a mog¹ pracowaæ w obiegu zamkniêtym ze zbiornikiem wody lodowej, tym samym niepobieraj¹c energii z górotworu. Opisane cykle pracy instalacji nale y stosowaæ, uwzglêdniaj¹c zaistnia³e odpowiednie zapotrzebowanie na energiê grzewcz¹, ch³odnicz¹ i temperaturê noœnika ciep³a wyp³ywaj¹cego z górotworu (stopieñ zczerpania ciep³a ska³ i zmagazynowanych rezerw energii) oraz dopuszczaln¹ temperaturê zasilania parowników (uk³ad mieszania). Funkcje prze³¹czeniowe realizuje zintegrowany system automatycznego sterowania. Przyk³adowo rysunek 5 przedstawia wartoœci temperatury dolnego Ÿród³a oraz powietrza atmosferycznego w cyklu rocznym. Rys. 5. Przebieg zmian temperatury powietrza atmosferycznego i noœnika ciep³a w wymiennikach otworowych w czasie; T 1 temperatura powietrza, T 2 temperatura dolnego Ÿród³a ciep³a [4] 480

7 Z³o onoœæ powy ej przedstawionego uk³adu uwarunkowana jest przystosowaniem dzia³ania instalacji grzewczo-ch³odniczej w ka dych warunkach. Równie projektuj¹c po- ³¹czenia poszczególnych Ÿróde³ i odbiorników energii, uwzglêdniono mo liwoœæ ca³kowitego wykorzystywania energii tak, aby iloœæ pr¹du elektrycznego zu ywana do napêdzania pomp ciep³a ograniczyæ do minimum. Funkcjonowanie ca³oœci instalacji mo liwe jest tylko dziêki Ÿród³u ciep³a w górotworze, które stanowi bufor energii u ywanej do grzania obiektu lub magazynu energii odpadowej pochodz¹cej z klimatyzacji. Dziêki odpowiedniemu dopasowania zapotrzebowania na energiê i wielkoœci Ÿród³a ciep³a w górotworze utrzymywana temperatura noœnika ciep³a przez ca³y rok nie spada poni ej 273 K. Jest to jednym z wa nych czynników ograniczaj¹cych zu ycie energii elektrycznej przez pompy ciep³a. 5. WNIOSKI 1. Systemy grzewczo-ch³odnicze oparte na pompach ciep³a i otworowych wymiennikach ciep³a umo liwiaj¹ znaczn¹ racjonalizacjê gospodarki energetycznej obiektów. Wynikiem tego s¹ wymierne korzyœci ekonomiczne w d³u szej perspektywie. 2. Wykonanie zespo³u wymienników otworowych w kilku grupach u³atwia lepsze gospodarowanie ciep³em w górotworze, umo liwia jednoczesne sczerpywanie ch³odu do pasywnego klimatyzowania oraz pozyskiwanie czynnika o wysokiej temperaturze zasilaj¹cego parowniki pomp ciep³a. 3. Na efektywnoœæ funkcjonowania systemu otworowych wymienników ciep³a maj¹ przede wszystkim wp³yw parametry eksploatacyjne oraz g³êbokoœæ, rozmieszczenie i liczba otworów. 4. Okreœlenie parametrów zespo³u otworowy wymiennik ciep³a górotwór mo liwe jest za pomoc¹ testu reakcji termicznej górotworu oraz analizy uzyskanych danych. 5. Testy (TRT) powinny byæ wykonywane przed projektowaniem uk³adu wymienników otworowych dla wiêkszych instalacji grzewczo-klimatyzacyjnych. Unika siê wtedy niedowymiarowania, co poci¹ga za sob¹ wzrost kosztów eksploatacyjnych, lub przewymiarowanie, co powoduje wzrost nak³adów inwestycyjnych. 6. Po trzech latach eksploatacji instalacji w EPEiR OSSA mo na stwierdziæ, i prezentowany uk³ad grzewczo-klimatyzacyjny spe³nia swoje zadanie. Nale y zauwa yæ, i znaczn¹ rolê w poprawnoœci funkcjonowania systemu pe³ni automatyka. LITERATURA [1] Gonet A. (red.): Metody identyfikacji potencja³u cieplnego górotworu wraz z metodami wykonywania i eksploatacji otworowych wymienników ciep³a. Wydawnictwa AGH, Kraków 2011 (w druku) [2] Gonet A., Œliwa T.: Konstrukcje otworowych wymienników ciep³a. Czysta energia, czyste œrodowisko 2008 (red. I. Soliñski), Ma³opolsko-Podkarpacki Klaster Czystej Energii, Kraków,

8 [3] Materia³y firmy Sator ( [4] Materia³y firmy Solis ( [5] Œliwa T., Gonet A., Z³otkowski A.: Mo liwoœci magazynowania i pozyskiwania ciep³a za poœrednictwem otworowych wymienników ciep³a. Nowoczesne Budownictwo In ynieryjne, nr 6, Kraków 2007 [6] Œliwa T., Z³otkowski A.: Za³o enia do koncepcji systemu grzewczo-ch³odniczego z innowacyjnymi i energooszczêdnymi rozwi¹zaniami dotycz¹cymi odzysku ciep³a od œrodowiska dla Ekologicznego Parku Edukacji i Rozrywki OSSA w gminie Bia³a Rawska. Kraków 2007 (praca niepublikowana) 482