POMPY CIEPŁA W SYSTEMACH GEOTERMII NISKOTEMPERATUROWEJ

technologie energii odnawialnej POMPY CIEPŁA W SYSTEMACH GEOTERMII NISKOTEMPERATUROWEJ Marian Rubik

POMPY CIEPŁA W SYSTEMACH GEOTERMII NISKOTEMPERATUROWEJ

Tekst: dr Marian Rubik Recenzent: prof. dr inż. Gerard Jan Besler Zdjęcia: dr Marian Rubik mgr. inż. Tomasz Sekut (str. 172, 173 l) Rysunki: AGMAR, Andżelika Bielańska Zdjęcia na okładce: Fotolia, Boryszew ERG S. A., Stiebel Eltron Polska Sp. z o.o. (2), Tempcold Sp. z o.o. Projekt graficzny wnętrza i okładki: Bartłomiej Szaciłło Copyright by MULTICO Oficyna Wydawnicza Warszawa 2011 Wszelkie prawa zastrzeżone MULTICO Oficyna Wydawnicza sp. z o.o. 02-589 Warszawa, ul. Kazimierzowska 14 tel.: 22 564 08 00, faks: 22 564 08 03 e-mail: biuro@multicobooks.pl Redaktor prowadzący: Agnieszka Czarnocka Korekta: Urszula Przasnek Skład i łamanie: Anna Kulińska ISBN 978-83-7763-180-5

technologie energii odnawialnej pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej MONOGRAFIA Marian Rubik Ogrzewanie przez spalanie jest równie stare jak ludzkość. W najbliższych latach prawdopodobnie zacznie być traktowane jak relikt przeszłości. Paliwa pierwotne są zbyt cenne, żeby używać ich do spalania tylko po to, aby ogrzać pomieszczenie do 20 o C. dr R. Jacobs, koordynator European Heat Pumps Summit [13] MULTICO Oficyna Wydawnicza

Spis treści Wstęp 6 Geotermia niskotemperaturowa 7 1.1. Okręgi geotermalne w Polsce 8 Teoretyczne podstawy działania pomp ciepła 12 2.1. Informacje ogólne 12 2.2. Sprężarkowe pompy ciepła 13 2.3. Absorpcyjne pompy ciepła 28 2.4. Termoelektryczne pompy ciepła 30 2.5. Pompy ciepła innego rodzaju 33 Charakterystyka dolnych źródeł ciepła w aspekcie klasyfikacji pomp ciepła 39 3.1. Ogólna charakterystyka dolnych źródeł ciepła 39 3.2. Klasyfikacja sprężarkowych pomp ciepła 41 Elementy konstrukcyjne sprężarkowych pomp ciepła 43 4.1. Sprężarki 43 4.2. Wymienniki ciepła 51 4.3. Urządzenia rozprężne 56 4.4. Armatura i urządzenia pomocnicze 61 4.5. Przewody obiegu czynnika roboczego 68 Rozwiązania konstrukcyjne sprężarkowych pomp ciepła 72 Charakterystyki sprężarkowych pomp ciepła 77 Pompy ciepła w systemach geotermii niskotemperaturowej 81 7.1. Grunt jako dolne źródło ciepła 81 7.2. Teoretyczne podstawy wymiarowania gruntowych wymienników ciepła 84 7.3. Test termiczny gruntu 90

Instalacje do pozyskiwania ciepła z dolnego źródła 92 8.1. Powietrze zewnętrzne 92 8.2. Woda 93 8.3. Grunt (gleba) 96 8.4. Nośniki ciepła 112 8.5. Rozwiązania instalacji do pozyskiwania ciepła z dolnego źródła 115 Sprężarkowe pompy ciepła w systemach instalacji odbiorczych 124 9.1. Sprężarkowe pompy ciepła w systemach ogrzewania i przygotowania c.w.u 124 9.2. Współpraca pomp ciepła z instalacjami odbiorczymi 126 Energetyczne, ekonomiczne, ekologiczne oraz formalno-prawne aspekty stosowania pomp ciepła 135 10.1. Aspekty energetyczne 135 10.2. Aspekty ekonomiczne 137 10.3. Aspekty ekologiczne 142 10.4. Aspekty formalno-prawne 144 Wybrane przykłady instalacji z pompami ciepła w Polsce oraz ocena ich eksploatacji 158 11.1. Uwagi ogólne 158 11.2. Przykłady instalacji z pompami ciepła 164 11.3. Eksploatacja instalacji z pompami ciepła w Polsce doświadczenia 179 Wybrane zagadnienia z technologii pomp ciepła 185 12.1. Sezonowy współczynnik wydajności grzejnej SPF 185 12.2. Hałas 189 12.3. Pompy ciepła w poligeneracyjnych układach rozproszonej energetyki 193 Literatura 198 Załączniki 202 Prezentacje firm 204

6 Wstęp Postęp cywilizacyjny, który nastąpił w XX wieku, spowodował ogromne straty i zagrożenia w środowisku przyrodniczym. Atmosfera, biosfera, hydrosfera i litosfera zagrożone są zanieczyszczeniami wytwarzanymi przez górnictwo, energetykę oraz inne gałęzie przemysłu, transport, rolnictwo i gospodarkę komunalną. Zmniejszenie ilości zanieczyszczeń odprowadzanych do geosfery jest obecnie możliwe przez stopniowe zastępowanie pierwotnych paliw kopalnych czystymi źródłami energii, w tym źródłami energii odnawialnej. Wykorzystanie ciepła ze źródeł odnawialnych jest jednym z nowoczesnych i efektywnych sposobów poszanowania energii i ochrony środowiska. Problemy współczesnej energetyki, związane z malejącymi zasobami paliw kopalnych i rosnącym zanieczyszczeniem środowiska, rozwiązywane są poprzez promowanie i wdrażanie nowych technologii pozyskiwania i przetwarzania energii oraz poprzez racjonalizację jej wykorzystania. Jedną z metod ograniczających zużycie tradycyjnych nośników energii oraz zmniejszających emisję szkodliwych substancji do otoczenia jest wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych, takich jak powietrze, grunt, wody powierzchniowe i gruntowe, za pomocą pomp ciepła. Dodatkową zaletą pomp ciepła jest możliwość ich pracy w układzie odwracalnym, tj. jako urządzenia ogrzewcze lub chłodzące; eksploatacja pomp ciepła w trybie chłodzenia umożliwia częściową klimatyzację pomieszczeń, a zatem podniesienie komfortu cieplnego w pomieszczeniach. Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA), doceniając wagę problemu jednoznaczności definicji odnawialnych źródeł energii (OZE), już przed kilku laty podjęła zadanie doprecyzowania tych pojęć i określenia metodologii ocen wykorzystania istniejących i potencjalnych zasobów odnawialnych nośników energii. Grupa Robocza ds. Odnawialnych Nośników Energii, powołana przez IEA (The Renewable Energy Working Party - REWP), jako podstawę do bardziej precyzyjnych określeń przyjęła następującą szeroką definicję: Odnawialna energia jest tą ilością energii, która jest pozyskiwana w naturalnych procesach przyrodniczych stale odnawialnych. Występując w różnej postaci, jest ona generowana bezpośrednio lub pośrednio przez energię słoneczną lub z ciepła pochodzącego z jądra Ziemi. Zakres tej definicji obejmuje energię generowaną przez promieniowanie słoneczne, wiatr, z biomasy, geotermalną, cieków wodnych i zasobów oceanicznych oraz biopaliwa i wodór pozyskiwane z wykorzystaniem wspomnianych odnawialnych źródeł energii. Ogólne zasady wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych w krajach członkowskich UE reguluje Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych. Dyrektywa ta ustanawia wspólne ramy promowania energii ze źródeł odnawialnych. Określa ona obowiązkowe krajowe cele ogólne w odniesieniu do całkowitego udziału energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto i w odniesieniu do udziału energii ze źródeł odnawialnych w transporcie. Ustanawia ona również zasady dotyczące statystycznych przekazów między państwami członkowskimi, wspólnych projektów między państwami członkowskimi i z państwami trzecimi, gwarancji pochodzenia, procedur administracyjnych, informacji i szkoleń oraz dostępu energii ze źródeł odnawialnych do sieci elektroenergetycznej.

rozdział 1 Geotermia niskotemperaturowa Pojęcie energia geotermalna oznacza energię naturalną zakumulowaną w Ziemi, tj. energię zawartą w gruntach, skałach, wodach (w stanie ciekłym i parowym), wypełniającą przestrzenie w formie porów i szczelin w skorupie ziemskiej. Gdy nośnikiem tej energii są płyny złożowe (woda, para wodna), jest ona wtedy określana jako energia geotermalna. W Dyrektywie 2009/28/WE energię geotermalną zdefiniowano jako energię składowaną w postaci ciepła pod powierzchnią ziemi (art. 2 pkt c). Energia geotermalna, biorąc pod uwagę okres istnienia cywilizacji ludzkiej, jest praktycznie niewyczerpalna z powodu jej przenoszenia z wnętrza Ziemi przez przewodzenie i konwekcję. W warstwach poniżej pewnej głębokości od powierzchni Ziemi energia geotermiczna jest stabilna i nie zależy od zmiennych warunków atmosferycznych (dobowych i sezonowych). Źródła energii geotermicznej klasyfikuje się w zależności od stanu skupienia nośnika ciepła i jego temperatury; rozróżnia się [93]: grunty i skały do głębokości 2500 m, z których ciepło na potrzeby ogrzewania z wykorzystaniem pomp ciepła pobierane jest za pomocą wymienników ciepła, zwanych sondami, przypowierzchniowe wody gruntowe, gorące i ciepłe wody wgłębne, wydobywane za pomocą wywierconych otworów eksploatacyjnych (w przypadku dużej mineralizacji wody te są ponownie zatłaczane do złoża po wykorzystaniu ich potencjału cieplnego), para wodna, wydobywana za pomocą wywierconych otworów eksploatacyjnych i wykorzystywana w elektrowniach do wytwarzania energii elektrycznej, wysady solne, z których ciepło jest odprowadzane za pomocą solanki lub cieczy obojętnych wobec soli, głównie węglowodorów, np. izobutanu, gorące skały, z których ciepło odbierane jest przez wodę przepływającą pod wysokim ciśnieniem przez system szczelin naturalnych lub wytworzonych sztucznie, w kompleksach skalnych, na dużych głębokościach. Ciepło to jest wykorzystywane w elektrowniach geotermalnych do wytwarzania energii elektrycznej lub w ciepłowniach zasilających obiekty mieszkalne lub użyteczności publicznej. Płyny geotermalne, wypełniające zbiorniki naturalnych basenów sedymentacyjno-strukturalnych, mają różną temperaturę, zależnie od głębokości występowania skał wodonośnych i gradientu geotermalnego. Polska należy do krajów o bogatych zasobach wód geotermalnych o średniej entalpii. Rys. 1.1. Okręgi geotermalne Polski [94]

8 Technologie Energii odnawialnej 1.1. Okręgi geotermalne Polski [94] Według Sokołowskiego [94] na obszarze Polski znajduje się ok. 6500 km 3 wód termalnych o temperaturze od ~ 30 o C do ~ 120 o C. Szczególnie korzystne warunki do eksploatacji wód geotermalnych występują w okręgu szczecińsko-łódzkim. Potencjalne zasoby energii geotermalnej, uwzględniające energetyczne i ekonomiczne aspekty eksploatacji wód podziemnych, podano w tab. 1.1 (według Góreckiego [21]). Tabela 1.1 Zasoby energii geotermalnej na Niżu Polskim [21] Niż Polski (głębokość do 3 km) Zasoby potencjalne Zbiornik Temperatura złożowa wód ( o C) Powierzchnia (km 2 ) Energia (10 6 toe/a) Zbiornik dolnokredowy do 40 40 60 60 80 80 100 13589,4 8808,0 3907,2 441,6 2,18 3,27 2,80 0,43 Razem 26755,2 8,68 Zbiornik dolnojurajski do 40 40 60 60 80 80 100 >100 22956 35472 16808 5336 2224 3,84 14,09 12,45 5,73 3,23 Razem 82796 39,34 1toe (tona oleju ekwiwalentnego) = 41,868 GJ Na podstawie udokumentowanych zasobów (rys. 1.1) wynika, że ilość ciepła możliwego do uzyskania z wód geotermalnych zawartych w utworach kenozoicznych, mezozoicznych i paleozoicznych odpowiada ok. 30 mld ton ropy naftowej i mogłaby w zupełności zaspokoić krajowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody. W niniejszej książce energię geotermalną podzielono umownie na wysokotemperaturową (geotermia wysokiej entalpii GWE) i niskotemperaturową (geotermia niskotemperaturowa GNT lub geotermia niskiej entalpii GNE). W Polsce, jako umowną granicę pomiędzy wodami termalnymi a niskotemperaturowymi przyjęto temperaturę 20 o C. Temperatura nośnika ciepła wynosząca 20 o C, mierzona na wypływie z otworu wiertniczego, została formalnie przyjęta za wartość graniczną, od której Prawo geologiczne i górnicze uznaje wody podziemne za termalne [30]. Geotermia wysokiej entalpii umożliwia bezpośrednie wykorzystanie ciepła, którego nośnikiem jest ciecz wypełniająca puste przestrzenie skalne (woda, para, gaz). Geotermia niskiej entalpii nie zapewnia możliwości bezpośredniego wykorzystania ciepła ziemi wymaga ona stosowania pomp ciepła, jako urządzeń do transportu ciepła z niższego na wyższy poziom temperatury. Ciepło ośrodka

POMPY CIEPŁA W SYSTEMACH GEOTERMII NISKOTEMPERATUROWEJ 9 skalnego (gruntu) stanowi dla pompy ciepła tzw. dolne źródło, które ze względów technicznych i ekonomicznych musi znajdować się w miejscu zainstalowania pompy ciepła. Dolnym źródłem ciepła są także inne nośniki energii, jak np. powietrze atmosferyczne, wody powierzchniowe itp. O większej atrakcyjności gruntu i wód podziemnych przesądza ich stabilność temperaturowa i związana z tym wyższa efektywność energetyczna. Źródła energii odnawialnej Ciepło Energia końcowa Energia geotermalna Energia wewnętrzna otoczenia Elektrownia i ciepłownia geotermalna Pompa ciepła Energia elektryczna Ciepło, chłód Energia promieniowania Systemy pasywne architektura słoneczna Promieniowanie słoneczne Systemy aktywne kolektory słoneczne Moduły fotowoltaiczne Energia elektryczna Energia chemiczna Biomasa Wytwórnia biogazu Wytwórnia biopaliw Energia elektryczna Elektrociepłownia Ciepło, chłód Rys. 1.2. Znaczenie pomp ciepła w systemach wykorzystania zasobów odnawialnych źródeł energii

10 Technologie Energii odnawialnej Znaczenie pomp ciepła w systemach wykorzystania energii odnawialnych, a w tym i geotermii, pokazano na rys. 1.2. W przeciwieństwie do geotermii wysokotemperaturowej, geotermia niskotemperaturowa, po długim okresie stagnacji w latach 80. i na początku lat 90. XX wieku, charakteryzuje się obecnie na świecie burzliwym rozwojem i jest jednym z najszybciej rozwijających się sposobów wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych. Jest to możliwe dzięki postępowi w technologii budowy pomp ciepła, które ze względu na wykorzystywane źródło ciepła nazywane są geotermalnymi/gruntowymi pompami ciepła (GPC lub GHP). Wody geotermalne mogą być pozyskiwane jedno- lub dwuotworowo (tzw. dublet geotermalny). Odbiór wody z jednego odwiertu jest możliwy jedynie w przypadku wód niezmineralizowanych o stopniu czystości wód pitnych. Po odebraniu ciepła od takich wód są one kierowane do naturalnych zbiorników i cieków wodnych lub mogą być wykorzystane na potrzeby technologiczne. Taki przypadek wystąpił w Mszczonowie k/warszawy, gdzie woda geotermalna o temperaturze ok. 40 o C, po schłodzeniu w parowaczu absorpcyjnej pompy ciepła, zatłaczana jest do miejskiej sieci wodociągowej (patrz rozdz. 11). Systemy dwuotworowe stosowane są wtedy, gdy woda jest w wysokim stopniu mineralizowana; w tym rozwiązaniu jeden odwiert to otwór eksploatacyjny, zaś drugi zatłaczający. Woda geotermalna po oddaniu ciepła na powierzchni ziemi zatłaczana jest w całości do złoża. W zależności od temperatury wody geotermalnej t g mogą być stosowane trzy warianty wykorzystania jej zasobu ciepła; ideowe schematy tych wariantów pokazano na rys. 1.3 [93]. Bezpośrednie wykorzystanie wody geotermalnej, jako nośnika ciepła w instalacji odbiorczej (centralne ogrzewanie lub sieć ciepłownicza), jest możliwe tylko wtedy, gdy jej temperatura jest równa wymaganej temperaturze nośnika t z, a ponadto woda nie stanowi zagrożenia w stosunku do środowiska lub urządzeń technicznych. Gdy czystość wody lub jej temperatura nie są odpowiednie, stosowane są urządzenia pośrednie (przeponowe wymienniki ciepła, pompy ciepła), których zadaniem jest zarówno odebranie ciepła, jak i podniesienie jego temperatury do poziomu umożliwiającego jego wykorzystanie. Gdy temperatura wody geotermalnej jest wysoka (100 C i wyżej), a jej ilość wystarcza na pokrycie potrzeb cieplnych odbiorców, układ instalacji geotermalnej jest prosty (zasilanie bezpośrednie lub przez wymiennik ciepła) Układ szeregowy Wymienniki ciepła Pompa ciepła t z =t g t z <t g t z >t g Rys. 1.3. Warianty wykorzystania ciepła wody geotermalnej [93]

POMPY CIEPŁA W SYSTEMACH GEOTERMII NISKOTEMPERATUROWEJ 11 i nie wymaga dużych nakładów inwestycyjnych na urządzenia. Gdy temperatura wody jest niższa, konieczne jest zainstalowanie dodatkowych źródeł ciepła, takich jak np. kocioł szczytowy, silnik spalinowy i/lub pompa ciepła. W warunkach polskich, w geotermalnych źródłach ciepła mogą być stosowane cztery podstawowe urządzenia, tj. wymienniki ciepła, pompy ciepła, silniki spalinowe i kotły wodne lub parowe. Możliwe konfiguracje połączeń tych urządzeń ze źródłem wody geotermalnej pokazano na rys. 1.4 [29]. a) b) c) d) e) Rys. 1.4. Ideowe schematy instalacji geotermalnych [29]: a) i b) układ z pośrednim wymiennikiem ciepła, pompą ciepła i kotłem szczytowym, c) układ z pośrednim wymiennikiem ciepła, pompą ciepła, napędzaną silnikiem gazowym i kotłem szczytowym, d) układ z pośrednim wymiennikiem ciepła, pompą ciepła i kotłem szczytowym zasilanie odbiorców z różnymi wymaganiami w odniesieniu do temperatury zasilania, e) układ z wielostopniowym schładzaniem wody geotermalnej

12 rozdział 2 Teoretyczne podstawy działania pomp ciepła 2.1. Informacje ogólne Teoretyczne podstawy działania pomp ciepła znane są już od pierwszej połowy XIX wieku. Pierwszą pompę ciepła skonstruowano ponad sto lat temu, zaś pierwsza w Europie, pracująca do dziś instalacja z pompą ciepła, została zbudowana w Szwajcarii w 1938 r. Następnie rozpowszechnienie pomp ciepła zostało, z różnych względów, ograniczone, aż do czasów wystąpienia tzw. kryzysów energetycznych. Dopiero w 1976 r., w ramach Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IAE), powołano Komitet ds. Pomp Ciepła, którego zadaniem była koordynacja działań w zakresie prac badawczo-rozwojowych związanych z pompami ciepła. Natomiast od 1987 r. IEA prowadzi program mający na celu promowanie pomp ciepła; zgodnie z tym programem pompy ciepła mają stać się głównym systemem instalacji budowlanych łączącym ogrzewanie, chłodzenie, klimatyzację i wentylację pomieszczeń. Według danych Europejskiego Stowarzyszenia Pomp Ciepła (EHPA) liczba pomp ciepła zainstalowanych w budynkach mieszkalnych krajów członkowskich UE wynosi obecnie ok. 4,5 miliona sztuk, a według prognoz powinna wzrosnąć w 2015 r. do ok. 9 milionów sztuk. W pompie ciepła zachodzi proces podnoszenia potencjału cieplnego, tj. proces pobierania ciepła ze źródła o temperaturze niższej T o i przekazywania go do źródła o temperaturze wyższej T g (rys. 2.1). A zatem pompa ciepła jest urządzeniem, które przekształca wykonaną na jego korzyść pracę w ciepło, przy czym stosunek skutku działania urządzenia do nakładu, który trzeba ponieść, doprowadzając energię napędową, jest, zgodnie z prawem zachowania energii, zawsze większy niż jeden. Ponieważ stosunek ciepła przejętego z otoczenia do ciepła powstającego z przekształcenia energii napędowej jest tym większy, im temperatura T o jest bliższa temperaturze T g (odbiornika ciepła użytecznego instalacji c.o., c.w.u.), to efektywność pompy ciepła jest tym wyższa, im mniejsze są wymagania co do wartości temperatury T g. Podstawowe zadanie pompy ciepła, tj. przenoszenie ciepła ze źródła dolnego o niższej temperaturze do źródła o wyższej temperaturze (patrz rys. 2.1) może być urzeczywistnione różnymi sposobami (rys. 2.2). Obecnie najczęściej wykorzystywany jest do tego celu lewobieżny obieg parowy (identyczny z obiegiem chłodziarki, lecz realizowany w innym przedziale temperatury). Minimalne a) b) c) Rys. 2.1. Zasada działania pompy ciepła: a) pompa podnosząca ciecz, b) pompa ciepła, c) spiętrzenie temperatury czynnika roboczego w pompie ciepła

Niedostępne w wersji demonstracyjnej. Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki.