Techniczne warunki pozyskania i wykorzystania ciepła geotermalnego o niskiej entalpii

18.03.2007.

Zasada działania pompy ciepła

Pompa ciepła (PC) jest urządzeniem, które czerpie z otoczenia rozproszoną energię cieplną i za pomocą energii "napędowej" dostarczanej ze sprężarki podnosi energię na wyższy poziom termodynamiczny. Odbywa się to w zamkniętym procesie obiegowym, poprzez stałą zmianę stanu fizycznego czynnika roboczego (parowanie, sprężanie, skraplanie, rozprężanie).
W praktyce oznacza to możliwość wykorzystania niskich temperatur środowiska gruntowo - wodnego do przygotowania ciepłej wody obiegu grzewczego (co.) lub ciepłej wody użytkowej (c.w.u.)

Należy tu wspomnieć, że stosowana powszechnie nazwa "pompa ciepła" nie odpowiada rzeczywistej funkcji urządzenia - bardziej adekwatne jest sformułowanie "pompa grzejna" (Rubik, 2006). Jednak w Polsce pompa ciepła przyjęła się już jako rutynowe określenie omawianego urządzenia (co wynika z adaptacji określeń obcojęzycznych: Heat pump, Wdrmepumpe, Pompę a chaleur, itp.), więc w takim brzmieniu używane jest również w niniejszym opracowaniu.

Sprężarkowa pompa ciepła składa się z dwóch głównych elementów: parownika i skraplacza. Pomiędzy nimi zamontowana jest sprężarka oraz zawór rozprężający, który rozgranicza część wysoko i niskociśnieniową instalacji. Wszystkie te elementy połączone są przewodem wypełnionym czynnikiem roboczym (rys. 6). Jako czynniki robocze stosowane są substancje, które parują w niskich temperaturach (np. 0Â°C), a jednocześnie posiadają wysoki wewnętrzny współczynnik ciepła. Dodatkowym wymogiem jest brak oddziaływania na środowisko, w tym na strefę ozonową Bardziej szczegółowe informacje na temat wymogów w odniesieniu do czynników roboczych, wraz z charakterystyką ich właściwości fizycznych oraz oceną przydatności do pomp ciepła, znaleŹć można m.in. w pracy Rubika (2006).

Zgodnie z zasadami termodynamiki przepływ ciepła następuje od Źródła o wyższej temperaturze do Źródła o temperaturze niższej. Dolnym Źródłem ciepła jest środowisko naturalne (woda, grunt), skąd ciepło doprowadzane jest do pompy przez czynnik chłodniczy krążący w kolektorze umieszczonym pod powierzchnią ziemi. Górne Źródło ciepła stanowią ogrzewane pomieszczenia, gdzie z kolei ciepło rozprowadzane jest przez wodę obiegu grzewczego (co.) lub wodę użytkową (cw.u.)

Czynnik roboczy przepływając przez parownik (3), pobiera ciepło z czynnika chłodniczego dolnego Źródła (5) i zaczyna wrzeć, stając się parą o niskim ciśnieniu. Zasysany przez sprężarkę (1) ulega sprężeniu, co wiąże się z gwałtownym wzrostem jego temperatury. Gorący czynnik roboczy trafia do skraplacza (2) i oddaje w nim ciepło do wody systemu grzewczego (górnego Źródła). W wyniku spadku temperatury skrapla się i następnie trafia do zaworu rozprężającego (4), skąd w stanie ciekłym spływa z powrotem do parownika.

Obieg termodynamiczny pomp ciepła odbywa się w odwrotnym cyklu Carnota. Współczynnik efektywności COP (ang. Coefficient of Performance) określa oddaną moc grzewczą w stosunku do zastosowanej mocy napędowej. Wyraża się to wzorem:

Wartość współczynnika efektywności zależna jest w gruncie rzeczy od wymaganej temperatury górnego Źródła ciepła, ponieważ na temperaturę Źródła dolnego zwykle nie mamy wpływu. Dlatego też przy projektowaniu systemów ciepłowniczych z użyciem pomp ciepła zaleca się racjonalny dobór górnego Źródła ciepła, np. bardzo korzystne jest tu niskotemperaturowe, podłogowe ogrzewanie pomieszczeń. Przy temperaturach dolnego Źródła ciepła charakterystycznych dla naszych warunków przyrodniczych (naturalnych), zadowalająca efektywność pompy osiągnięta może być przy temperaturze górnego Źródła na poziomie ok. 50 Â°C. Przykładowo dla wartości:

Oczywiście obieg idealny, pozbawiony strat ciepła nie jest możliwy. Z tego względu rzeczywiste współczynniki efektywności pomp są mniejsze niż wyliczone teoretycznie. Dla różnych warunków stosowania nowoczesnych pomp ciepła wynoszą one ok. 4-5, co znaczy, że 1 kWh energii elektrycznej pozwala uzyskać 4-5 kWh energii cieplnej. Stosunek energii włożonej w postaci napędu sprężarki do energii odzyskanej w górnym Źródle ciepła wynosi około 1 do 4. Tak więc wydajność pompy ciepła wynosi ok. 75 %.
Nowoczesne pompy ciepła są urządzeniami o stosunkowo niewielkich gabarytach, np. pompa o mocy ok. 40 kW ma wymiary porównywalne z pralką. Wyposażenie obejmuje sterownik umożliwiający dwustronną komunikację z komputerem, dzięki czemu wszystkie parametry pracy pompy mogą być na bieżąco monitorowane. Sterownik może mieć wbudowany algorytm pogodowy umożliwiający automatyczne dostosowywanie temperatury wody zasilającej grzejniki do temperatury zewnętrznej. Dzięki temu obniża się energochłonność urządzenia. Pomimo pracy sprężarki, obecnie produkowane pompy ciepła są ciche i nie powodują drgań.
Pompa ciepła może pracować także w trybie odwrotnym, tj. działać w charakterze urządzenia chłodzącego, co bliżej przedstawiono w rozdziale 3.3.

Rodzaje instalacji geotermalnych niskiej entalpii

Pompa ciepła, jako urządzenie odzyskujące z otoczenia rozproszoną energię cieplną, stosowana może być w bardzo wielu schematach instalacyjnych. Umowny podział instalacji geotermalnych wyróżnia dwa zasadnicze systemy:

Systemy zamknięte, które przenoszą ciepło do pompy ciepła za pomocą kolektora zabudowanego pod powierzchnią ziemi. Medium transportującym ciepło jest substancja wypełniająca rury kolektora, krążąca w systemie zamkniętym, tj. bez bezpośredniego kontaktu z otoczeniem.
Systemy otwarte, w których medium przenoszącym ciepło z górotworu do pompy ciepła jest woda podziemna pompowana ze studni. Po oddaniu ciepła wykorzystana woda odprowadzana jest do kanalizacji, wód podziemnych lub powierzchniowych, może być także użytkowana do innych celów (nawadnianie, spożycie itp.) W systemie otwartym wykorzystywane mogą być także wody pochodzące z odwodnień kopalnianych lub z zatopionych wyrobisk górniczych.

Zasady tego podziału przedstawiono schematycznie w tabeli nr 5. Poszczególnym typom instalacji nadano umowne symbole, co ułatwia ich identyfikację w dalszej części opracowania.

Gromadzenie ciepła w gruncie

Zarówno systemy otwarte, jak i zamknięte wykorzystywać mogą energię pierwotną, tj. ciepło nagromadzone w sposób naturalny w górnych partiach skorupy ziemskiej, jak też tzw. "energię odpadową", która odzyskiwana jest w procesach technologicznych i grzewczych. Wśród rodzajów energii odpadowej wymienić można na przykład gazy z przeróbki chemicznej węgla i ropy, ciepło zawarte w odprowadzanych ściekach, energię wód zrzutowych z energetyki. Ciekawym przykładem zmagazynowania energii odpadowej są hałdy poeksploatacyjne kopalń węgla kamiennego oraz składowiska odpadów, które na skutek procesów fermentacyjnych generują spore ilości ciepła. Temperatura wewnątrz składowiska może osiągać nawet 70Â°C (Maciak, 1999), znane są także przypadki samozapłonu.

W ostatnich latach coraz powszechniej stosowane są rozwiązania umożliwiające podziemne magazynowanie energii cieplnej. Wykorzystywane w nich pompy ciepła wyposażone są w przełącznik umożliwiający odwrócenie cyklu obiegu czynnika chłodzącego w taki sposób, że skraplacz staje się parownikiem a parownik skraplaczem. Mówimy wtedy o pompach rewersyjnych wykorzystywanych zarówno do ogrzewania, jak i klimatyzowania pomieszczeń. Zwiększa to stabilność temperaturową dolnego Źródła ciepła i podwyższa tym samym efektywność cieplną oraz ekonomiczną instalacji.
W okresie letnim, gdy pompa ciepła wykorzystywana jest do klimatyzowania i chłodzenia pomieszczeń, ciepło odzyskowe odprowadzane jest do gruntu i tam gromadzone do wykorzystania w okresie zimowym. Z kolei w zimie następuje schłodzenie gruntu do wykorzystania w okresie letnim.

W niektórych instalacjach, zwłaszcza tych o dużych mocach grzewczych, do magazynowania energii używa się także ciepła odpadowego oraz ciepła wytwarzanego przez baterie słoneczne. Rozwiązania takie są oczywiście znacznie bardziej skomplikowane i wymagają odpowiedniego skonfigurowania całego systemu grzewczo-klimatyzacyjnego. W anglojęzycznej literaturze fachowej (Sanner, 2001) magazynowanie ciepła w gruncie określane jest jako Underground Thermal Energy Storage (UTES), przy czym dla systemów otwartych przyjęło się używać nazwy Aąuifer Thermal Energy Storage (ATES), a dla systemów zamkniętych - Duet Thermal Energy Storage (DTES). Zasada pracy instalacji GPC (otwartych i zamkniętych) z magazynowaniem ciepła w gruncie została przedstawiona na poniższych rysunkach nr 7 i 8.