Miros³aw JANOWSKI Katedra Surowców Energetycznych Wydzia³ Geologii, Geofizyki i Ochrony Œrodowiska Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanis³awa Staszica al. Mickiewicza30, 30-059 Kraków e-mail: janowski@agh.edu.pl Technika Poszukiwañ Geologicznych Geotermia, Zrównowa ony Rozwój nr 1 2/2011 MO LIWOŒCI WYKORZYSTANIA WÓD GEOTERMALNYCH DO CELÓW REKREACYJNYCH I BALNEOLOGICZNYCH ASPEKT TECHNICZNO-EKONOMICZNY STRESZCZENIE Wykorzystanie wód termalnych w balneoterapii i rekreacji wi¹ e siê z koniecznoœci¹ utrzymania ich parametrów w okreœlonym zakresie. Wody podziemne Ni u Polskiego s¹ na ogó³ zmineralizowane w stopniu znacznie przekraczaj¹cym stopieñ dopuszczalny do zastosowañ balneoterapeutycznych czy te rekreacyjnych. W zwi¹zku z tym zachodzi koniecznoœæ rozcieñczenia wody termalnej wod¹ s³odk¹ (niskozmineralizowan¹) przed skierowaniem jej do miski basenowej. Taki zabieg, ze wzglêdu na nisk¹ temperaturê wody rozcieñczaj¹cej, powoduje obni enie temperatury wody kierowanej do basenu. Konieczne jest okreœlenie sposobów prowadzenia strumieni mas wody oraz ich energii w sposób umo liwiaj¹cy jak najszersze wykorzystanie wód termalnych dla poszczególnych typów basenów. S OWA KLUCZOWE Energia geotermalna, balneologia, balneoterapia, wody lecznicze * * * WPROWADZENIE Coraz popularniejsze staje siê wykorzystanie wód termalnych w celach balneoterapeutycznych i rekreacyjnych. Oprócz walorów leczniczych, wody termalne, jak sama nazwa wskazuje, posiadaj¹ tak e energiê ciepln¹, która mo na zagospodarowaæ. Za³o eniem niniejszego opracowania jest uwzglêdnienie kryterium energetycznej samowystarczalnoœci Recenzowa³a dr Teresa Latour Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 26.05.2011 r., zaakceptowano do druku 30.06.2011 r. 257
oœrodka. Oznacza to, i wody po wydobyciu na powierzchniê oraz po uzdatnieniu ich do za³o onego celu nie bêd¹ potrzebowa³y dostarczenia ciep³a z zewnêtrznego Ÿród³a. Spe³nienie powy szego warunku nie jest ³atwe, gdy wody wysokozmineralizowane wymagaj¹ wysokiego stopnia rozcieñczenia wod¹ s³odk¹, co wi¹ e siê nierozerwalnie ze spadkiem ich temperatury. Zale noœæ tê mo na zobrazowaæ poni szym wzorem: mc T c T c T v 1 v1 1 2 v2 2 gdzie: m strumieñ masy wody dostarczonej po wymieszaniu, m 1 strumieñ masy wody s³odkiej, m 2 strumieñ masy wody geotermalnej na wylocie z otworu, c v ciep³o w³aœciwe mieszaniny, c v1 ciep³o w³aœciwe wody s³odkiej, c v2 ciep³o w³aœciwe wody geotermalnej na wylocie z otworu, T temperatura wody dostarczonej do odbiornika, T 1 temperatura wody s³odkiej, T 2 temperatura wody geotermalnej na wylocie z otworu. Przy czym ciep³o w³aœciwe mieszaniny c v jest równe: c v cv c 1 1 2 v2 1 2 Daje to w ostatecznoœci temperaturê wody rozcieñczonej T, wynosz¹c¹: cv T cv T T c c 1 1 1 2 2 2 1 v1 2 v2 Poni sza formu³a przedstawia zale noœæ pomiêdzy temperatur¹ wody a stopniem jej m rozcieñczenia x 2. Wielkoœæ stopnia rozcieñczenia wód termalnych wynika z za³o onych 1 celów wykorzystania wód. Zakresy temperatur oraz mineralizacji wód w basenach w zale noœci od ich przeznaczenia zobrazowano w tabeli 1. Do obliczeñ temperatury wody w misce basenowej T, za³o ono temperaturê wód s³odkich T 1 na poziomie 8 C. cv T x cv T T c x c 1 1 2 2 v1 v2 Temperatura wód na wyp³ywie T 2 zosta³a okreœlona jako równa temperaturze w stropie poziomu. Ciep³o w³aœciwe wody zmineralizowanej przyjêto jako ciep³o solanki dla od- 258
Tabela1 Graniczne temperatury i mineralizacje dla poszczególnych typów basenów (Ponikowska, Ferson 2009) Table 1 Limits of temperature and mineralization for different types of pools (Ponikowska, Ferson 2009) Wykorzystanie Temperatura minimalna [ C] Temperatura maksymalna [ C] Maksymalna mineralizacja [g/dm 3 ] Maksymalna mineralizacja [g/kg] Rekreacja 24 30 35 34,1 Balneo-rekreacja 28 32 40 38,8 Balneologia 28 40 60 57,4 powiedniego zakresu stê eñ (masowych). Ciep³o to jest funkcj¹ nastêpuj¹cych parametrów: stopnia mineralizacji, temperatury, ciœnienia. Jako zasadnicze kryterium zmiany ciep³a w³aœciwego wody zmineralizowanej przyjêty zosta³ stopieñ mineralizacji. Zale noœæ ciep³a w³aœciwego od temperatury jest niewielka. Równie zale noœæ ciep³a w³aœciwego od ciœnienia mo e byæ pominiêta. W przypadku cieczy ró nice ciœnienia praktycznie nie maj¹ adnego wp³ywu na zmianê wielkoœci ciep³a w³aœciwego p³ynu. Rys. 1. Zale noœæ ciep³a w³aœciwego wody zmineralizowanej NaCl od stopnia mineralizacji Fig. 1. Correlation between specific heat and NaCl water mineralization dagree (salinity) 259
Wykres przedstawiony na rysunku 1 obrazuje zmiany ciep³a w³aœciwego solanki w zale noœci od udzia³u masowego [kg/kg] NaCl w wodzie wyra one w procentach. m Stopieñ rozcieñczenia x 2 wody jest czynnikiem determinuj¹cym jej mineralizacjê w basenie oraz temperaturê; poni szy wzór przedstawia zale noœæ stopnia rozcieñ- 1 czenia od: zadanego w zale noœci od potrzeb stê enia procentowego solanki w basenie S b, mineralizacji wody z³o owej S 2 : 2 S b x ( S S S S ) 1 2 b b 2 Temperaturê i przep³yw wody w instalacji zasilaj¹cej, konieczne do uzyskania w³aœciwej temperatury w misce basenowej, okreœla zale noœæ uwzglêdniaj¹ca straty poprzez parowanie, konwekcjê i wymianê ciep³a przez miskê basenu. Dla konkretnych zastosowañ: rekreacji, balneo-rekreacji i balneoterapii, wyró nia siê trzy górne granice wartoœci temperatury i mineralizacji wody w basenie, przedstawione w tabeli 1. Wynikaj¹ one z odmiennych wymagañ determinowanych przez rekreacyjne i balneoterapeutyczne zastosowanie wód (Ponikowska, Ferson 2009). Do obliczeñ, wielkoœci graniczne stê eñ zosta³y przedstawione jako udzia³y masowe (g NaCl/kg roztworu). Wykorzystano do tego zale noœæ gêstoœci solanki od jej stê enia procentowego przedstawion¹ na rysunku 2. Rys. 2. Zale noœæ gêstoœci solanki od jej stê enia procentowego Fig. 2. Correlation between brine density and parcentage NaCl concentration 260
Wzór ogólny na mo liw¹ do uzyskania temperaturê wody na wejœciu do basenu przedstawia siê nastêpuj¹co: c T T v1 1 c v1 S b cv T ( S2 Sb Sb S2 ) S b ( S S S S ) c v2 2 b b 2 2 2 gdzie: c v2 T 2 ciep³o w³aœciwe wody termalnej na g³owicy otworu wiertniczego eksploatacyjnego (rys. 1), temperatura wody termalnej na g³owicy otworu wiertniczego eksploatacyjnego. Jako temperaturê T 2 przyjêto temperaturê w stropie poziomu wodonoœnego. Jest ona ni sza od temperatury z³o owej wody termalnej. Zatem przyjêto j¹ jako temperaturê na g³owicy otworu, uwzglêdniaj¹c¹ straty ciep³a na przep³ywie przez górotwór. Jest to doœæ du e przybli enie i mo na je stosowaæ przy odpowiednio du ym i ustalonym przep³ywie wody termalnej w otworze. Ró nica pomiêdzy temperatur¹ wody zasilaj¹cej basen a temperatur¹ wody powrotnej wynosi zazwyczaj od 3 do 5 C. Do obliczeñ za³o ono ró nicê temperatur pomiêdzy wod¹ zasilaj¹c¹ a wod¹ zrzutow¹ z basenu 4 C, czyli dla wymaganej temperatury w basenie równej T b przyjêto temperaturê wody zasilaj¹cej równ¹ T = T b + 2 C, zaœ temperaturê wody zrzutowej wynosz¹c¹ T b 2 C. Przy spadku temperatury wody w gor¹cym basenie mo na wodê skierowaæ do basenu ch³odniejszego i tam dalej pozwoliæ siê jej sch³adzaæ, a do uzyskania minimalnej temperatury. W zwi¹zku z tym, w celu uzyskania bardziej uniwersalnych wyników, przyjêto iloœæ energii dostarczonej na 1 m 2 basenu przy spadku temperatury o 1 C. Taki obraz wyników pozwala na praktycznie dowolny, kaskadowy uk³ad pól basenowych, gdzie wa na bêdzie suma spadków temperatury na jeden metr kwadratowy powierzchni basenowej w ka dym stopniu kaskady basenów. Zapotrzebowanie energii pierwszego stopnia (spadek temperatury najcieplejszego basenu za³o ono T =4 C) determinuje przep³yw masowy wody termalnej, natomiast dalsze stopnie (baseny ch³odniejsze) poprawiaj¹ efektywnoœæ energetyczn¹ systemu. Mo liwe jest równie, przy odpowiedniej wydajnoœci wód termalnych, zastosowanie uk³adu z dogrzewaniem poprzez wymiennik ciep³a wody w misce basenowej za pomoc¹ strumienia wody geotermalnej, który nie bierze udzia³u w procesie balneologicznym. Strumieñ ten ze wzglêdu na swoj¹ mineralizacjê powinien, po oddaniu energii cieplnej, zostaæ z powrotem zat³oczony do górotworu. W niniejszym opracowaniu w celu czytelnego zobrazowania wielkoœci i przep³ywów strumieni masowych i energetycznych podzielono strumieñ wody termalnej na trzy czêœci: 261
strumieñ wody termalnej bezpoœrednio dostarczanej do basenu, strumieñ wody termalnej dostarczanej do systemu zasilania wymiennika basenowego w celu ogrzania basenu, nadmiarowy strumieñ energii cieplnej wody termalnej, który mo e pos³u yæ do celów grzewczych. Strumieñ wody termalnej bezpoœrednio dostarczonej do basenu wynika z zapotrzebowania basenu na energiê ciepln¹ oraz z mineralizacji wody w basenie. Wynika st¹d oczywiste zmniejszenie temperatury wód wysokozmineralizowanych w wyniku ich rozcieñczenia wod¹ s³odk¹, w celu uzyskania w³aœciwego stopnia mineralizacji wody w basenie. Mineralizacja, podobnie jak wymagana temperatura wody w basenie, zale na jest od charakteru jego wykorzystania (tab. 1). Zatem w zale noœci o tych parametrów mo e wyst¹piæ ró ne zapotrzebowanie na wodê termaln¹ na metr kwadratowy powierzchni basenu. Zamieszczone poni ej schematy obrazuj¹ ideowe, uproszczone po³¹czenia dla basenu zasilanego wod¹ o wysokiej oraz dla basenu zasilanego wod¹ o niskiej temperaturze po rozcieñczeniu. Warunkiem podstawowym funkcjonowania basenu niezale nie od zewnêtrznych systemów grzewczych jest uzyskanie, po rozcieñczeniu, wystarczaj¹cej temperatury wody lub mo liwoœæ jej dogrzania nierozcieñczonym strumieniem wody termalnej, kierowanym po oddaniu ciep³a do otworu ch³onnego. W celu poprawienia efektywnoœci, rzeczywiste systemy geotermalne s¹ kompilacj¹ obu przedstawionych powy ej rozwi¹zañ. Natomiast w szacunkach bilansowych przep³ywów masowych i cieplnych ww. rozgraniczenie jest bardzo pomocne. Rys. 3. Schemat ideowy systemu geotermalnego zasilanego wod¹ o temperaturze przekraczaj¹cej potrzeby basenu Fig. 3. Schematic diagram of geothermal swimming pool feeding system, using high temperature water 262
Rys. 4. Schemat ideowy systemu geotermalnego zasilanego wod¹ o zbyt niskiej temperaturze po rozcieñczeniu Fig. 4. Schematic diagram of geothermal swimming pool feeding system, using low temperature diluted water W ramach tego projektu wykonano mapy, obrazuj¹ce poszczególne strumienie wody geotermalnej przeliczone na jeden metr kwadratowy powierzchni basenu. Oznacza to, e wielkoœæ odczytana z mapy jest wielkoœci¹: l/m 2 strumienia wody termalnej koniecznego do zapewnienia basenowi odpowiedniej temperatury wody, przy zadanej mineralizacji (na 1 m 2 basenu), dl/m 2 dodatkowego strumienia wody termalnej koniecznego do dostarczania wymaganej iloœci ciep³a do basenu (na 1 m 2 basenu), l/m 2 + dl/m 2 ca³kowitego strumienia wody termalnej wymaganego do funkcjonowania powierzchni 1m 2 basenu. Ponadto przedstawiono dodatkowe wielkoœci: kw/m 2 mo liwe do uzyskania dodatkowe ciep³o wynikaj¹ce z nadmiaru energii cieplnej zawartej w wodzie termalnej, T temperaturê, jak¹ mo na uzyskaæ po rozcieñczeniu wód do mineralizacji o wymaganej wielkoœci. Charakteryzuj¹ one w ³atwy sposób cieplne w³aœciwoœci wody termalnej po dostosowaniu jej mineralizacji do warunków wymaganych przeznaczeniem basenu. Wybór przeliczenia wielkoœci strumienia przep³ywu i energii na jeden metr kwadratowy powierzchni basenu jest celowy. Zosta³ on dokonany dla ³atwiejszego oszacowania wielkoœci potencjalnego obiektu przy znajomoœci zasobów wód termalnych. Strumienie dla poszczególnych elementów (typów basenu) systemu mog¹ byæ sumowane, 263
co w efekcie daje ca³kowite zapotrzebowanie na wodê termaln¹. Obliczenia wykonano dla dwu grup: baseny rekreacyjne, baseny balneoterapeutyczne. Ka da grupa zosta³a podzielona na piêæ podgrup, w zale noœci od zapotrzebowania na energiê ciepln¹ miski basenowej. S¹ to: basen otwarty nieos³oniêty œrednia prêdkoœæ wiatru 4 m/s, basen otwarty czêœciowo os³oniêty œrednia prêdkoœæ wiatru 2 m/s, basen otwarty os³oniêty œrednia prêdkoœæ wiatru 1 m/s, basen otwarty zadaszony œrednia prêdkoœæ wiatru 0 m/s, basen wbudowany w infrastrukturê budynku zapotrzebowanie ciep³a ³¹czne. Dla czterech pierwszych grup wielkoœci odnosz¹ siê tylko do miski basenowej, natomiast zapotrzebowanie ciep³a dla basenu zabudowanego oszacowano dla ca³ego obiektu, w³¹cznie z infrastruktur¹ konieczn¹ do w³aœciwego funkcjonowania basenu. W obiekcie du ym, sk³adaj¹cym siê z wielu basenów otwartych i zamkniêtych, infrastruktura basenu zamkniêtego praktycznie przejmuje funkcje obs³ugi goœci dla basenów otwartych, lecz wymaga proporcjonalnego powiêkszenia. Ze wzglêdu na ograniczone mo liwoœci wydawnicze, mapy nie zosta³y zamieszczone w niniejszej publikacji, s¹ one dostêpne w KSE, WGGiOŒ, AGH w Krakowie. Powy sze badania s¹ czêœci¹ projektu badawczego nr N N525 169135 pt. Analiza mo liwoœci wykorzystania wód termalnych z obszaru Ni u Polskiego do celów balneologicznych i rekreacyjnych, finansowanego przez Ministerstwo Nauki Szkolnictwa Wy szego. LITERATURA GÓRECKI W., KU NIAK T., APINKIEWICZ P., MAÆKOWSKI T., CZOPEK B, SZKLARCZYK T., i inni, 1995 Atlas Zasobów Geotermalnych Na Ni u Polskim, GEOS Kraków. GÓRECKI W. HAJTO M., i inni, 2006 Atlas Zasobów Geotermalnych Na Ni u Polskim Formacje Paleozoiku; GOLDRUK, Kraków. GÓRECKI W. HAJTO M. i in, 2006 Atlas Zasobów Geotermalnych Na Ni u Polskim Formacje Mezozoiku; GOLDRUK, Kraków. KAPPLER H.P., 1977 Baseny K¹pielowe ARKADY. RECKNAGEL H., SPRENGER E., HONMANN W., SCHRAMEK E.R., 1994 Poradnik Ogrzewanie i Klimatyzacja. EWFE, Gdañsk. PONIKOWSKA I., FERSON D., 2009 Nowoczesna medycyna uzdrowiskowa. MEDI PRESS, Warszawa, 359. BN-80/9568-02 Baseny lecznicze. Podstawowe wymagania techniczne, sanitarne i eksploatacyjne. BN-90/9568-02 Uzdrowiskowe baseny lecznicze i rehabilitacyjne. Wymagania podstawowe. Ustawa z dnia 30 sierpnia 1991 r. o zak³adach opieki zdrowotnej (Dz.U. 07. 14. 89, z póÿn. zm.). Ustawa z dnia 28 lipca 2005 r. o lecznictwie uzdrowiskowym, uzdrowiskach i obszarach ochrony uzdrowiskowej oraz o gminach uzdrowiskowych (Dz.U. Nr 167, poz. 1399 z póÿn. zm.). 264
Rozporz¹dzenie Ministra Zdrowia z dnia 21 sierpnia 2006 r. w sprawie okreœlenia wymagañ, jakim powinny odpowiadaæ zak³ady i urz¹dzenia lecznictwa uzdrowiskowego Dz.U. z dnia 8 wrzeœnia 2006 r. Dz.U. 06.161.1142 THE POSSIBILITIES OF USING GEOTHERMAL WATERS FOR RECREATIONAL AND BALNEOLOGICAL PURPOSES TECHNICAL-ECONOMIC ASPECT ABSTRACT The use of thermal waters in balneology and recreation is connected with a necessity to maintain their parameters in a defined scope. The mineralization level of the subterranean waters of Niz Polski, is generally more than the permitted level for use in balneology and recreation. As a result of this it is necessary to dissolve the geothermal water with sweet water before transmitting it to a swimming pool basin. These procedures, especially due to the low temperature of the dissolvent water, cause an overall temperature reduction of the water sent to the swimming pool. Therefore it s necessary to define a procedure that conducts the water stream while at the same time maintaining an optimum energy level for use in a different geothermal pool. KEY WORDS Geothermal energy, balneology, balneal therapy, medicinal waters