Wybór technologii OZE do ogrzewania wody w basenach otwartych

Do celów grzewczych wykorzystywane są najczęściej konwencjonalne nośniki energii, takie jak węgiel kamienny, gaz ziemny czy olej opałowy lekki. Jednak ich stosowanie wiąże się z emisją zanieczyszczeń do atmosfery. Ponieważ w opisywanym przypadku inwestor chciał uniknąć generowania zanieczyszczeń atmosferycznych, analizowano trzy możliwe warianty źródeł ciepła: kolektory słoneczne, powietrzna pompa ciepła oraz powietrzna pompa ciepła zasilana energią elektryczną z instalacji PV.

Analiza warunków klimatycznych

W opracowaniu skupiono się na charakterystyce warunków solarnych, gdyż dostępna energia słoneczna stanowi podstawę wszystkich trzech analizowanych rozwiązań. Ponieważ w samym Lubinie nie prowadzono pomiarów aktynometrycznych, posłużono się danymi pochodzącymi z modelu r.sun.

Dane wykorzystane w celu stworzenia rozkładu przestrzennego natężenia promieniowania słonecznego dla wybranego obszaru stanowiły:

• numeryczny model terenu,

• baza Corine przedstawiająca strukturę użytkowania gruntów w Polsce,

• depesze synoptyczne z lat 2001–2010 udostępnione w serwisie OGIMET, z których pozyskano informacje o zachmurzeniu ogólnym nieba.

Przestrzenny rozkład promieniowania słonecznego wygenerowano za pomocą modelu r.sun stanowiącego część programu GIS GRASS dostępnego na zasadzie licencji GPL (GNU General Public License) [1, 2].

Warunki solarne województwa dolnośląskiego na tle Polski można określić jako dobre. Średnia roczna suma natężenia promieniowania słonecznego na obszarze województwa dolnośląskiego wynosi 1200–1300 kWh/m², natomiast średnia dla Polski to 1000 kWh/m² [5, 6].

Region Dolnego Śląska jest urozmaicony pod względem rzeźby terenu, co przekłada się także na warunki solarne. Przeprowadzona analiza wskazuje, że najbardziej korzystne pod względem warunków solarnych obszary województwa dolnośląskiego rozciągają się w pasie od Kotliny Kłodzkiej i Niziny Śląskiej po Równinę Opolską.

Roczna suma promieniowania całkowitego dla tego obszaru szacowana jest na 1300–1400 kWh/m². Najmniej korzystny pod względem warunków solarnych obszar znajduje się w pasie od Pogórza Sudeckiego po Równinę Legnicką. Roczne sumy natężenia promieniowania całkowitego wynoszą tam ok. 1000–1100 kWh/m². Obszary o największym potencjale solarnym to południowe zbocza gór, gdzie roczna suma natężenia promieniowania całkowitego może przekraczać 2000 kWh/m².

Charakterystyki warunków solarnych (rys. 2 i 3) posłużyły do obliczeń efektywności energetycznej instalacji PV i kolektorów słonecznych oraz do kalkulacji zysków ekonomicznych i ilości zanieczyszczeń atmosferycznych, które nie zostaną wyemitowane dzięki wykorzystaniu energii odnawialnej.

Wybór najlepszego rozwiązania

Najlepsze rozwiązanie sposobu podgrzewania wody w basenie wybrano w oparciu o analizę SWOT (tabela 1). Pozwoliła ona obiektywnie ocenić wszystkie wady i zalety rozważanych rozwiązań i znaleźć najlepszą opcję. SWOT jest techniką pozwalającą na przeprowadzenie podstawowej analizy działalności firmy (projektu, przedsięwzięcia) w oparciu o czynniki mające największy wpływ na tę działalność.

Poszczególne analizowane kryteria oraz ich wagi przedstawiono poniżej:

Cena: >50 000: 2 pkt; 50 000–100 000: 1 pkt; 100 000–200 000: –1 pkt; >200 000: –2 pkt.  

Koszty eksploatacji (rocznie): 5000–10 000: 2 pkt; 10 000–15 000: 1 pkt; 15 000–20 000: –1 pkt; >20 000: –2 pkt.

Zajęta przestrzeń: instalacja nie zajmuje dodatkowej przestrzeni: 2 pkt; zajmuje dodatkową przestrzeń, ale nie utrudnia użytkowania terenu: 1 pkt; zajmuje dodatkową przestrzeń, utrudnia użytkowanie terenu, jednak możliwe jest zrealizowanie zaplanowanej inwestycji: –1 pkt; zajmuje zbyt dużą powierzchnię i utrudnia użytkowanie terenu i realizację inwestycji: –2 pkt.  

Obciążenie budynku: instalacja nie jest montowana na budynku: 2 pkt.; częściowo montowana na budynku: 1 pkt; całkowicie montowana na budynku, ale obciążenie nie stanowi zagrożenia dla konstrukcji budynku: –1 pkt; zamontowanie instalacji na budynku zagraża jego konstrukcji: –2 pkt.  

Uciążliwość (hałas): instalacja nie emituje hałasu: 2 pkt; niska emisja hałasu (prawie niesłyszalny), niepowodująca utrudnień w eksploatacji obiektu: 1 pkt; hałas okresowo utrudnia użytkowanie obiektu: –1 pkt; hałas całkowicie utrudnia użytkowanie obiektu: –2 pkt.  

Emisja zanieczyszczeń: nie emituje zanieczyszczeń do atmosfery: 2 pkt; niska okresowa emisja: 1 pkt; niska stała emisja: –1 pkt; wysoka stała emisja: –2 pkt.

Ryzyko: instalacja jest sprawdzona – podobne pracują i sprawdzają się w wielu miejscach: 2 pkt; sprawdzona, zawiera parę nowatorskich elementów: 1 pkt; podobne funkcjonują jedynie w kilku miejscach: –1 pkt; instalacja całkowicie nowatorska: –2 pkt.  

Skomplikowanie obsługi: bardzo łatwa obsługa: 2 pkt; łatwa obsługa: 1 pkt; obsługa skomplikowana: –1 pkt; wymaga specjalistycznego serwisu: –2 pkt.  

Uciążliwość instalacji (np. podczas remontów obiektu): nie utrudnia eksploatacji budynków i obiektów: 2 pkt; elementy instalacji utrudniają eksploatację budynków i obiektów: 1 pkt; utrudnia eksploatację budynków i obiektów okresowo: –1 pkt; utrudnia eksploatację budynków i obiektów stale: –2 pkt.  

Efektywność pracy instalacji: bardzo wysoka: 2 pkt; wysoka: 1 pkt; średnia: –1 pkt; niska: –2 pkt.

Możliwość awarii: niska: 2 pkt; średnia: 1 pkt; wysoka: –1 pkt; bardzo wysoka: –2 pkt.

Koszty naprawy: niskie: 2 pkt; średnie: 1 pkt; wysokie: –1 pkt; bardzo wysokie: –2 pkt.

Dofinansowanie: możliwe w ciągu najbliższych lat: 2 pkt; możliwe częściowe dofinansowanie w ciągu najbliższych lat: 1 pkt; możliwe, ale nie w najbliższych latach: –1 pkt; niemożliwe: –2 pkt.

Dodatkowe zyski (np. zastosowanie do ogrzewania budynku): instalacja przez cały rok może pełnić dodatkowe funkcje: 2 pkt; może pełnić dodatkowe funkcje, ale tylko przez wybrany okres: 1 pkt; może pełnić dodatkowe funkcje, ale konieczna jest jej rozbudowa: –1 pkt; nie może pełnić dodatkowych funkcji: –2 pkt.

Analiza SWOT pozwoliła porównać proponowane warianty i wybór najlepszego rozwiązania.

Najwięcej mocnych stron, a zarazem najmniej stron słabych i możliwych zagrożeń przypada na wariant z kolektorami słonecznymi.

Najwięcej stron słabych i możliwych zagrożeń leży po stronie rozwiązania zakładającego montaż powietrznej pompy ciepła zasilanej ogniwami PV. 

Kalkulacja energetyczna

Część opracowania poświęcona została kalkulacji zysków energetycznych, czyli ilości energii, jaka jest możliwa do uzyskania we wskazanej lokalizacji. W celu obliczenia stopnia pokrycia zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania wody użytkowej przez instalację solarną należy najpierw ustalić jej parametry. Przyjęto następujące założenia [3]:

1. kolektor na południowej połaci dachu,

2. pochylenie dachu: 45°,

3. temperatura wody w basenie: 25°C (T2),

4. masa 1 l wody: 1 kg,

5. sprawność kolektora: η = 0,8,

6. pole powierzchni kolektora: S = 42 · 2,3 = 96,6 m²,

7. dzienna sprawność kolektora: η_dz = 0,4,

8. temperatura wody (T1) na wejściu: 10°C,

9. objętość wody w basenach: 1000 m³,

10. Ic – natężenie promieniowania całkowitego, kWh/m²/m-c; dla czerwca: Ic = 195 kWh/m²; dla lipca: Ic = 197 kWh/m²; dla sierpnia: Ic = 167 kWh/m2.

Zakłada się również przeciętne dzienne zużycie energii na podgrzanie wody do temperatury 25°C. Dobowe zapotrzebowanie na ciepło wyliczono, korzystając ze wzoru:

gdzie:
Q – ciepło, kWh;
m – masa wody, kg;
c_w – ciepło właściwe wody (4,2 kJ = 1,16 Wh);
ΔT – różnica temperatury wody ciepłej i zimnej (T2 – T1).

Q = 1 000 000 · 1,16 ·15 = 17 400 000 Wh = 17,4 MWh/dzień

Basen ma 1000 m³ objętości, czyli masa wody wynosi 1000×1000 = 1 000 000 kg, co daje Q na poziomie 17,4 MWh/dzień; Q_miesiąc = 17,4 × 30 = 522 MWh/m-c.

Następnie ustala się ilość ciepła uzyskiwaną z instalacji solarnej w określonych warunkach (przy znanym natężeniu promieniowania słonecznego): Q_s = (S · Ic · η_dz)/η.

Znając potrzebną ilość ciepła oraz ilość ciepła, jaką uzyskuje się z instalacji, obliczyć można procentowe pokrycie zapotrzebowania na ciepło. Taką analizę przeprowadzono dla wybranych miesięcy (czerwiec–sierpień).

Kalkulacja zysków ekologicznych

Za zyski ekologiczne uznana została wielkość emisji zanieczyszczeń do atmosfery, której uda się uniknąć dzięki zastosowaniu kolektorów słonecznych do ogrzewania wody w basenie. W tabeli 5 i 6 porównano wielkość potencjalnej emisji towarzyszącej spalaniu trzech konwencjonalnych nośników ciepła (węgla kamiennego, oleju opałowego i gazu ziemnego). Roczne zapotrzebowanie na energię do podgrzania wody w basenie: 1 566 000 kWh = 5540,4 GJ/rok. Tabele obrazują wielkość emisji, jaka miałaby miejsce, gdyby planowana instalacja była ogrzewana którymś z konwencjonalnych źródeł ciepła.

Podsumowanie

Analiza warunków solarnych oraz oczekiwania i potrzeby inwestora zdecydowały, że optymalnym rozwiązaniem dla Regionalnego Centrum Sportu w Lubinie jest instalacja kolektorów słonecznych jako źródła ciepła do sezonowego podgrzewania wody w otwartym kompleksie basenowym.

Sugerowane rozwiązanie jest zarówno najtańsze (wg kryterium ceny), jak i niskoemisyjne. Kryterium ceny nie było kluczowe. Analiza SWOT wykazała przewagę instalacji kolektorów słonecznych nad pozostałymi rozwiązaniami.

Artykuł powstał we współpracy z firmą Termal S.A. z Lubina w ramach projektu "Od innowacji do zysku"

Literatura

1. Pietras M., Możliwość redukcji emisji zanieczyszczeń atmosferycznych poprzez zastosowanie kolektorów słonecznych w budynkach jednorodzinnych na obszarze województwa dolnośląskiego, maszynopis rozprawy doktorskiej, Instytut Geografii i Rozwoju Regionalnego, Wydział Nauk o Ziemi, Uniwersytet Wrocławski, 2012.
2. Pietras M., Netzel P., The method of assessment of solar potential for selected area with use Geographical Information Systems, European Physical Journal (EPJ), Web of Conferences, Vol. 33, 2012.
3. Pietras M., Szulgowska-Zgrzywa M., Migała K., Wielkość emisji zanieczyszczeń atmosferycznych powietrza z instalacji do uzyskiwania ciepłej wody użytkowej pracujących w domach jednorodzinnych, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 2/2012.
4.  Rubik M., Trujące spaliny, „Magazyn Instalatora” nr 1/2000.
5.  Woś A., Meteorologia dla geografów, PWN, Warszawa 1997.
6. Woś A., Klimat Polski w drugiej połowie XX wieku, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Adama Mickiewicza, Poznań 2010.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!