EkoENERGIA - ogrzewanie słoneczne, wentylacja, pompy ciepła, budownictwo niskoenergetyczne, sezonowe magazynowanie ciepła - Pompy ciepła

Pompy ciepła - środowisko

03.04.2007.

Pompy ciepła a środowisko...

Wpływ instalacji GPC na środowisko może być analizowany w różny sposób i z różnych punktów widzenia. W sposób globalny można go oceniać w kontekście znaczenia rozwoju tej technologii dla zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych do atmosfery oraz w kontekście oszczędnego gospodarowania zasobami nieodnawialnych paliw kopalnych. Można go również oceniać w skali lokalnej w sensie bezpośredniego oddziaływania
konkretnej instalacji na środowisko gruntowo-wodne.

Charakterystyka globalnego oddziaływania

Jedną z najbardziej podkreślanych zalet stosowania pomp ciepła do celów grzewczych jest ich wpływ na ograniczanie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery, co w ostatecznym efekcie ma także swój znaczący wymiar ekonomiczny.

W Europie około 40% całkowitego zużycia energii przypada na ogrzewanie i klimatyzowanie pomieszczeń, co obok transportu jest jednym z głównych Źródeł emisji tych gazów i efektu cieplarnianego.

Upowszechnienie stosowania pomp ciepła może znacząco przyczynić się do poprawy sytuacji w tym zakresie. Najbardziej oczywistą korzyścią wynikającą ze stosowania pomp ciepła jest wyeliminowanie na szczeblu lokalnym emisji powstających ze spalania nośników energii.
Praca pomp ciepła wymaga energii elektrycznej, która produkowana jest w zakładach energetycznych. Wytwarzanie energii elektrycznej wiąże się oczywiście z emisją gazów. Wielkość emisji gazowych, jaką można teoretycznie przypisać pracującym pompom ciepła zależy od wielkości emisji powstającej w zakładach produkujących prąd elektryczny służący do ich napędu.

Określa to specjalny wskaŹnik emisji TEWI (ang. Total Equivalent Warming Impact) podawany w kg ekwiwalentu C0₂ na kWh wytworzonej energii elektrycznej. W zależności od rodzaju stosowanego paliwa pierwotnego oraz stanu technicznego zakładu może on zmieniać się w bardzo szerokich granicach. WskaŹnik TEWI został wymyślony w Oak Ridge National Laboratory w USA na początku lat 90-tych XX wieku i łączy w sobie bezpośrednią i pośrednią emisję gazów cieplarnianych do atmosfery w całym okresie życia dowolnej instalacji energetycznej. Stosowany jest jako jedno z kryterium certyfikacji pomp ciepła (ang. eco-labelling) m.in. w Niemczech, Austrii i Szwajcarii.
WskaŹnik TEWI pomp ciepła jest z reguły wyraŹnie niższy niż w przypadku innych systemów grzewczych (np. kotłów gazowych czy też olejowych). W przypadku, gdy prąd wykorzystywany do pracy pompy ciepła pochodzi ze starych zakładów energetycznych o dużej emisji gazów na jednostkę wytworzonej energii, wskaŹnik TEWI użytkowanych w ten sposób pomp może być wyższy niż w urządzeniach konwencjonalnych o wysokiej sprawności.

Porównanie wielkości wskaŹnika TEWI pomp ciepła oraz kotłów gazowych i olejowych o różnej sprawności, w odniesieniu do różnych wariantów wskaŹnika emisji gazowej zakładu energetycznego, przedstawiono w poniższej tabeli nr 13. W porównaniu założono, że wskaŹnik sprawności pompy (COP) wynosi 3,0 i dostarcza ona 20 000 kWh energii cieplnej rocznie.

Z powyższego zestawienia wynika, że stosowanie pomp ciepła nie zawsze musi przyczyniać się do zmniejszania emisji gazów cieplarnianych, bo uzależnione to jest od wielkości emisji gazowej zakładu energetycznego dostarczającego prąd.

Innym istotnym wskaŹnikiem służącym głównie ocenie efektywności energetycznej instalacji, ale pośrednio wpływającym także na stan zasobów naturalnych środowiska jest wskaŹnik zużycia energii pierwotnej PER (ang. primary energy ratio) wyrażający stosunek ilości wytworzonej energii do energii koniecznej do jej wytworzenia zawartej w naturalnych zasobach (węgiel, ropa naftowa, uran, energia słoneczna, i inne). Z reguły charakteryzuje się nim całkowitą efektywność energetyczną systemu uwzględniając różne straty. Przykładowo wskaŹnik ten dla kotłów gazowych i olejowych mieści się w przedziale 0,7-0,9, a dla pomp ciepła wynosi 1,14 (COP 3,0) i 1,52 (COP 4,0) przy efektywności wytwarzania prądu elektrycznego w wysokości 0,38 (średnio w Europie). Zakładając, że efektywność wytwarzania energii elektrycznej będzie stopniowo wzrastała, wskaŹnik PER pomp ciepła będzie również się zwiększał przyczyniając się do oszczędniejszego gospodarowania nieodnawialnymi zasobami energetycznymi.

Charakterystyka lokalnego oddziaływania

Instalacje niskotemperaturowe bazujące na systemach zamkniętych oddziaływują na środowisko poprzez obniżenie temperatury ośrodka, z którego czerpane jest ciepło. W przypadku najszerzej stosowanych pionowych wymienników ciepła (instalacje typu ZG), wokół otworu tworzy się charakterystyczny lej temperaturowy (rys. 18).

Na rysunku lej temperaturowy jest symetryczny względem osi otworu i w takiej postaci tworzy się on w utworach niezawodnionych, a więc dotyczy przepływu kondukcyjnego ciepła.

Jeśli pionowy wymiennik zainstalowany jest w utworach wodonośnych, to lej temperaturowy nie wykazuje symetrii - jest rozwinięty w dół strumienia wód podziemnych. Przykład pokazany na rysunku dotyczy sytuacji, gdy cały pionowy wymiennik ciepła zlokalizowany jest w strefie spadku temperatury gruntu wraz z głębokością. Wówczas rozległość leja maleje wraz z głębokością.

Gdy jednak wymiennik obejmuje również strefę wzrostu temperatury (zgodnie z wartością gradientu geotermicznego), lej temperaturowy wraz ze wzrostem głębokości rozszerza się wgłąb górotworu. W takiej postaci nie stanowi on zagrożenia dla środowiska, pomijając oczywiste przeobrażenie kriogeniczne głębszych partii gruntu i wód podziemnych.

Przykład rzeczywistego leja temperaturowego pokazano wg Rybach (2005) na rysunku 19. Pionowy wymiennik ciepła został otoczony siecią termometrów umiejscowionych w otworach obserwacyjnych oddalonych od wymiennika o 2,5 m, 5 m i 10 m. W każdym otworze znajdowały się 24 czujniki temperatury rozmieszczone co 2 metry w pionie. Dzięki temu możliwa była dokładna analiza pola temperaturowego wokół instalacji.

Prezentowany na rysunku 19 przebieg izoterm ukształtowany został w końcowej fazie pierwszego sezonu grzewczego, podczas którego nie doszło do stabilizacji pola temperaturowego. Przebieg izoterm wskazuje na niejednorodność gruntu wokół wymiennika ciepła - w szczególności istotne jest tu zróżnicowanie właściwości fizycznych gruntu (przewodność i pojemność cieplna).

RYS.

Analizując możliwość oddziaływania leja temperaturowego na środowisko, wskazać trzeba, że jego rozległość jest istotna przy instalacjach wielootworowych, gdzie określa się optymalne odległości poszczególnych otworów, w których montowane są pionowe wymienniki ciepła.

W praktyce instalacyjnej przyjęło się, że odległości te wynoszą 6-15 m i uzależnione są od głębokości otworów (im większa głębokość otworów, tym większa odległość pomiędzy nimi). Wpływ na rozległość leja temperaturowego ma również zdolność przewodzenia ciepła przez ośrodek gruntowo-wodny (litologia) oraz stopień jego zawodnienia.

Kriogeniczne przekształcenia gruntu nie stanowią na ogół bezpośredniego zagrożenia dla środowiska. Spadek temperatury przypowierzchniowych partii gruntu w wyniku instalacji systemów ZH lub ZG może powodować jednak szkody w ekosystemach związanych z środowiskiem glebowym (skrócenie okresu wegetacyjnego, niszczenie szaty roślinnej).

Wpływ na środowisko jest więc potencjalnie możliwy, lecz jest on ograniczony terytorialnie i w związku z tym nie wymaga specjalnych unormowań w rozumieniu formalno-prawnym (Prawo ochrony środowiska).

Instalacje wykorzystujące systemy otwarte wykazują nieco odmienny typ oddziaływania na środowisko. Problemem nie jest tu oddziaływanie na reżim temperaturowy ośrodka gruntowo-wodnego, lecz zmiany hydrodynamiczne (pompowanie, ew. także zatłaczanie), jakie mogą wystąpić w eksploatowanym zbiorniku wód podziemnych. Problemy te scharakteryzowane są dokładnie w bardzo wielu publikacjach i podręcznikach hydrogeologicznych. W przypadku budowy ujęć dla potrzeb geotermii niskotemperaturowej, procedury są analogiczne jak dla ujęć wód podziemnych i z tego powodu zagadnienia te nie musza być w tym miejscu dodatkowo analizowane.

Potencjalny wpływ na środowisko mogą wykazywać systemy otwarte, w których zrzut wód wykorzystanych następuje do cieków powierzchniowych. Oddziaływanie na odbiornik może mieć miejsce w aspekcie zmian temperaturowych (np. zmiana średniej rocznej temperatury rzeki, skrócenie okresu zamarzania, albo całkowity jego zanik, itp.) Skala oddziaływania zależy w tym przypadku w zasadzie jedynie od rodzaju odbiornika (rzeka, jezioro przepływowe, jezioro zamknięte) oraz wydatku i temperatury odprowadzanych wód. Konsekwencją zmian temperaturowych mogą być potencjalne zmiany w ekosystemach związanych z ciekami powierzchniowymi.

Nie mamy tu jednak do czynienia z wodami termalnymi, a z takimi, które charakteryzują się temperaturą zbliżoną do średniej rocznej w danej miejscowości. Z tego względu potencjalne zagrożenie dla środowiska ocenia się jako minimalne, możliwe do zaakceptowania i niewymagające rozbudowywania procedur prawnych ponad zakres obecnie obowiązujący.

Komentarze (1) >>