Czynniki robocze dolnych źródeł gruntowych pomp ciepła
Working fluids of the ground heat pumps’ lower sources
Zasada działania pompy ciepła
Głównym powodem stosowania glikolu propylenowego w pionowych sondach gruntowych jest obawa przed zamarzaniem dolnego źródła. Obecnie dostępne są już metody umożliwiające projektantom szczegółową analizę możliwości energetycznych gruntu. Jest to szczególnie ważne przy projektowaniu dużych obiektów o znacznym zapotrzebowaniu na energię grzewczą oraz chłodniczą. Zastosowanie nanofluidów lub wody jako czynnika roboczego pozwala na znaczne ograniczenie kosztów eksploatacji systemu, a w przypadku wody także na oszczędności inwestycyjne oraz wyeliminowanie ryzyka zanieczyszczenia środowiska naturalnego przez stosowane dodatki do glikolu.
Zobacz także
Gaspol S.A. Układ hybrydowy: pompa ciepła i gaz płynny
Przy wyborze rozwiązań grzewczych wiele osób coraz częściej zwraca uwagę nie tylko na ich efektywność, ale i potencjalny wpływ na środowisko. Najbardziej poszukiwane są technologie zapewniające optymalne...
Przy wyborze rozwiązań grzewczych wiele osób coraz częściej zwraca uwagę nie tylko na ich efektywność, ale i potencjalny wpływ na środowisko. Najbardziej poszukiwane są technologie zapewniające optymalne ciepło, a jednocześnie gwarantujące minimalną lub zerową emisję CO2 czy szkodliwych substancji. Jednym z takich innowacyjnych rozwiązań jest połączenie pompy ciepła z instalacją gazową, które łączy w sobie zalety obu technologii, tworząc elastyczny, efektywny i zrównoważony system ogrzewania.
Barbara Jurek (Specjalista ds. techniczno-handlowych Caleffi Poland), Calefii Poland Sp. z o.o. Co warto wiedzieć o zaworze antyzamarzaniowym z serii 108 marki Caleffi
Wraz ze wzrastającą popularnością pomp ciepła, w tym pomp ciepła typu monoblok, dużym zainteresowaniem cieszy się również zawór antyzamarzaniowy Caleffi z serii 108. Jego zadaniem jest ochrona pompy ciepła...
Wraz ze wzrastającą popularnością pomp ciepła, w tym pomp ciepła typu monoblok, dużym zainteresowaniem cieszy się również zawór antyzamarzaniowy Caleffi z serii 108. Jego zadaniem jest ochrona pompy ciepła typu monoblok przed zamarznięciem w sytuacji wystąpienia awarii zasilania elektrycznego.
FRAPOL Sp. z o.o. Jak zaprojektować wydajny system grzewczy z pompą ciepła Frapol PRIME?
PRIME – monoblokowa pompa ciepła na R290 – powstała w odpowiedzi na potrzeby projektantów, instalatorów i inwestorów, zmieniające się wraz z dynamiką rozwoju europejskiego rynku HVACR. To rozwiązanie perspektywiczne,...
PRIME – monoblokowa pompa ciepła na R290 – powstała w odpowiedzi na potrzeby projektantów, instalatorów i inwestorów, zmieniające się wraz z dynamiką rozwoju europejskiego rynku HVACR. To rozwiązanie perspektywiczne, zgodne z coraz bardziej restrykcyjnym prawem europejskim i energooszczędne. Temperatura zasilania na poziomie ponad 60°C umożliwia stabilną produkcję ciepła technologicznego oraz ciepłej wody użytkowej w różnych warunkach otoczenia, a także współpracę z różnymi instalacjami grzewczymi....
W artykule:
|
W budownictwie, jak i w wielu sektorach przemysłu, dostarczanie i odprowadzanie ciepła jest istotnym zagadnieniem. Ze względu na wzrost zapotrzebowania na energię na świecie i ograniczone zasoby źródeł o wysokiej entalpii niezwykle ważne stało się wykorzystanie niskotemperaturowych źródeł energii oraz intensyfikacja procesu wymiany ciepła.
Znaczącą barierą dla polepszenia wymiany ciepła w wymiennikach są słabe właściwości cieplne konwencjonalnych czynników przenoszących ciepło. Obecnie badacze pracują nad udoskonaleniem czynników roboczych stosowanych w układach niskotemperaturowych źródeł ciepła, sugerując, że poprawa parametrów cieplnych czynnika roboczego wpłynie na jakość wymiany ciepła.
Szczególne znaczenie w wykorzystywaniu energii o niskiej entalpii mają gruntowe pompy ciepła.
Projektowanie gruntowych wymienników dla pomp ciepła stanowi istotną część projektu. Procedura projektowania, wybór metody wiercenia i wypełnienia otworu są w dużej części składowymi kosztów ogólnych całego systemu pompy ciepła. Co ważne, kluczowe jest również zapewnienie optymalnego efektu długoterminowego.
Całkowita długość gruntowego wymiennika ciepła zależy od różnicy pomiędzy temperaturą płynu roboczego a temperaturą gruntu.
Zgodnie z praktyką przyjętą w krajach Europy Środkowej i Północnej (tj. w Niemczech, Norwegii i Szwecji), gdzie klimat jest dość zimny, a temperatura powietrza w sezonie grzewczym osiąga wartości poniżej 0°C, mieszanki przeciwdziałające zamarzaniu są często stosowane w celu zmniejszenia całkowitych kosztów instalacji [1]. Prowadzi to bowiem do większej różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym a gruntem. Stosowanie w tych rejonach płynów przeciw zamarzaniu (z konsekwentną redukcją całkowitej długości wymiennika) umożliwia osiągnięcie minimalnej temperatury czynnika około 0°C lub niższej i teoretycznie zmniejszenie kosztów instalacji pompy ciepła.
Możliwości takie daje stosowanie mieszanin na bazie glikolu. Jednak ze względu na niestabilność zawiesin stałych, wzrost oporów i ryzyko zanieczyszczenia wody gruntowej stosowanie tych cieczy jest problematyczne.
Czynniki robocze
Wymagania dotyczące czynników roboczych w pompach ciepła
Powszechnie stosowane czynniki krążące w dolnym źródle pomp ciepła nazywane są solankami. Nazwa ta powstała, kiedy do napełniania gruntowych wymienników ciepła używano roztworu soli NaCl. Ze względu na ich korozyjny charakter sole te zastąpiono glikolami o różnym stężeniu. Obecnie stosowane są glikole etylenowe oraz propylenowe.
Czynnik roboczy w dolnym źródle gruntowej pompy ciepła powinien spełniać określone właściwości.
Podstawowym parametrem charakteryzującym właściwości czynnika roboczego jest temperatura krzepnięcia. Prawidłowo zaprojektowane dolne źródło pompy ciepła w okresie największego zapotrzebowania nie powinno wychładzać się do temperatury poniżej 0°C.
Należy jednak mieć na uwadze, że zagrożenie zamarznięcia wymiennika, którego projektowanie oparto jedynie na założeniach dotyczących parametrów gruntu, jest bardzo duże. W praktyce stosuje się czynniki, których temperatura zamarzania wynosi ok. –12°C.
Innymi właściwościami charakteryzującymi czynnik roboczy jest lepkość oraz gęstość. Zastosowany czynnik roboczy powinien mieć wartości tych parametrów zbliżone do wody. Mają one bezpośredni wpływ na opory przepływu w dolnym źródle.
Jednym z elementów instalacji dolnego źródła jest parownik. Aby zachować efektywność wymiany ciepła na tym wymienniku oraz odpowiednie opory przepływu, czynnik roboczy nie może mieć właściwości korozyjnych.
Zauważyć należy również, że praca pomp obiegowych zależy od fizykochemicznych właściwości czynnika – chroniących pompę obiegową przed zatarciem.
Kolejną kwestią jest bezpieczeństwo, zarówno użytkownika, jak i środowiska. Czynnik roboczy powinien być cieczą nietoksyczną, niepalną i w razie jakichkolwiek awarii niemającą negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Zasadniczo jako czynnik roboczy mogłaby być stosowana woda, jednak aby uniknąć jej zamarzania w okresie zimowym, płyny te zawierają dodatki przeciw zamarzaniu.
Aby zapobiec rozwojowi drobnoustrojów i grzybów w przewodach oraz poprawić długotrwałą stabilność tych systemów, dodaje się inhibitory korozji i biocydy (<5% masy) [2].
Związki przeciw zamarzaniu oraz inne dodatki stanowią zagrożenie zanieczyszczenia wód podziemnych. Idealne czynniki robocze stosowane w gruntowych wymiennikach ciepła powinny mieć niską toksyczność oraz łatwo ulegać biodegradacji w warunkach zarówno tlenowych, jak i beztlenowych, bez tworzenia toksycznych i/lub trwałych związków pośrednich.
Stosowane w praktyce dodatki przecizamrożeniowe i ich biodegradowalność
Jednym z najczęściej stosowanych dodatków przeciwzamrożeniowych są glikole: etylenowy oraz propylenowy.
Oba te czynniki są wysoko chemicznymi substancjami stosowanymi jako środki ochrony zamrożeniowej przy produkcji polimerów, farb, lakierów oraz innych wyrobów, których produkcja uważana jest za niekorzystną dla środowiska.
Substancje te mają szerokie zastosowanie w lotnictwie do odladzania samolotów i pasów startowych – stanowiąc poważne zagrożenie dla okolic lotnisk (oddziaływanie wiatru i innych zjawisk atmosferycznych).
Obie substancje są całkowicie rozpuszczalne w wodzie, a ich współczynniki podziału znikome [3]. Stanowi to poważne zagrożenie dla wód gruntowych poprzez zjawisko bioakumulacji.
Zgodnie z profilem toksykologicznym opublikowanym przez Agencję ds. Substancji Toksycznych i Rejestracji Chorób (ATSDR) oraz Agencję Ochrony Środowiska (EPA – federalną agencję Stanów Zjednoczonych) [4, 5] glikol etylenowy i propylenowy to bezbarwne substancje syntetyczne absorbujące wodę, bezwonne i bezzapachowe.
Glikol etylenowy rozproszony w powietrzu ulega degradacji w ciągu ok. 10 dni, natomiast w wodzie i glebie w okresie od kilku dni do kilku tygodni.
Z kolei glikol propylenowy rozproszony w powietrzu ulegnie degradacji w ciągu 24–50 h, natomiast w wodzie lub glebie – od kilku dni do kilku tygodni.
Należy pamiętać, że substancje te obniżają temperaturę zamarzania cieczy roboczej, ale też znacząco zmniejszają jej przewodność cieplną.
Powszechnie stosowane w przemyśle, ogrzewnictwie i chłodnictwie czynniki robocze mogą przedostać się do środowiska naturalnego m.in. na skutek awarii.
Uważany za toksyczny glikol etylenowy jest coraz częściej zastępowany przez glikol propylenowy – bezpieczniejszy, jednak o znacznie gorszych właściwościach cieplnych.
Naukowcy przeprowadzili szereg badań związanych z biodegradacją glikolu etylenowego oraz propylenowego, zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych [2, 5–10]. Badania literaturowe i eksperymenty z użyciem materiału wodonośnego wykazały, że zarówno glikol etylenowy, jak i propylenowy są łatwo biodegradowalne w wielu środowiskach tlenowych i beztlenowych, w tym w próbkach gleby i warstwie wodonośnej, bez występowania toksycznych lub trwałych organicznych związków pośrednich [2].
Choć brakuje dostępnych danych na temat kinetyki degradacji beztlenowej w wodach gruntowych, nie należy spodziewać się trwałego skażenia – biorąc pod uwagę małe ilości cieczy stosowane w wymiennikach gruntowych zagrożenia dla jakości wód są bardzo niskie.
Należy przeprowadzić dalsze badania dotyczące tożsamości, toksyczności i oddziaływania na środowisko dodatków w mieszaninach przeciw zamarzaniu. Ryzyko środowiskowe jest więc głównie powiązane z dodatkami stosowanymi w płynach zabezpieczających przed zamarzaniem. Szczególnie składniki stosowane jako biocydy lub inhibitory korozji mogą mieć wpływ na mikrobiologię podpowierzchniową oraz w znacznym stopniu hamować biodegradację glikoli [11].
Czynniki robocze
Nanofluidy czynnikami roboczymi przyszłości?
Na świecie cały czas trwają badania nad intensyfikacją wymiany ciepła w gruntowych wymiennikach pomp ciepła, m.in. poprzez zmianę konstrukcji sond pionowych, możliwość ta jest jednak ograniczona ze względu na niewielkie średnice wymienników. Coraz częściej badacze skupiają się więc na poprawie właściwości termicznych czynników roboczych np. poprzez dodanie cząstek stałych do roztworu.
Nowoczesna nanotechnologia pozwala na uzyskanie cząstek o wielkości 50 nm i tym samym tworzenie nowych, lepszych czynników roboczych zwanych nanofluidami [13]. Określenie to zostało wymyślone przez Choi [14] i opisuje zawiesinę o lepszych parametrach cieplnych niż ciecz bazowa.
Takie substancje uzyskuje się poprzez dyspersję – rozproszenie cząstek stałych w cieczy bazowej (np. glikolu propylenowym). Dzięki temu uzyskuje się roztwór o znacznie większej powierzchni właściwej, lepszych parametrach cieplnych oraz cieczy, która nie generuje problemów związanych z zapychaniem czy ścieraniem.
Zwykle w cieczy bazowej rozproszone zostają tlenki metali, np. glinu (Al2O3) oraz miedzi (CuO).
Mieszanina nanocząstek w płynie (określana jako nanofluid) została szeroko zbadana przez naukowców i wykazała się znacznym wzrostem właściwości termicznych płynów o bardzo niskim stężeniu cząstek [1, 12, 13].
Parametry termiczne cieczy roboczych dostępnych na rynku
Na rynku dostępnych jest szereg czynników roboczych o różnych parametrach termicznych. Są to głównie roztwory na bazie wody, glikolu propylenowego oraz glikolu etylenowego.
Na rys. 1 przedstawiono parametry termiczne wybranych cieczy: trzech glikoli o temperaturze krzepnięcia –15°C, wody i dwóch nanofluidów.
Można zauważyć, że o ile charakterystyczne właściwości termiczne prezentowanych cieczy nie różnią się znacząco, to lepkość mająca wpływ na koszty pompowania ma w przypadku glikoli dużo większą wartość. Oznacza to też, że dla zachowania minimalnej dla przepływów turbulentnych liczby Reynoldsa (Re = 2300) wymagany przepływ glikolu propylenowego będzie kilkukrotnie większy.
Rys. 1. Parametry czynników roboczych; rys. archiwa autorów (E. Stefanowicz, K. Piechurski, M. Szulgowska-Zgrzywa)
Analiza pracy dolnego źródła pompy ciepła w oparciu o różne czynniki robocze
Analizę pracy dolnego źródła gruntowej pompy ciepła przeprowadzono w programie Earth Energy Designer (EED). Analizowana pompa ciepła glikol/woda jest źródłem ciepła dla budynku mieszkalnego wielorodzinnego zlokalizowanego w II strefie klimatycznej.
- Powierzchnia ogrzewana budynku to 5700 m2.
- Projektowe obciążenie cieplne na cele grzewcze wynosi 75 kW, a całkowite zapotrzebowanie na energię końcową do ogrzewania to 77 208 kWh/rok.
- Zakładając użytkowanie budynku przez 150 osób i zużycie ciepłej wody na poziomie 35 litrów na osobę oraz przyjmując temperaturę wody wodociągowej na podstawie modelu opisanego w opracowaniu [16], obliczono zapotrzebowanie na energię końcową do przygotowania c.w.u., które wyniosło 159 971 kWh/rok.
- Określono zapotrzebowanie na energię końcową na cele chłodzenia wynoszące 36 691 kWh/rok.
- Wartości zapotrzebowania na energię końcową w poszczególnych miesiącach roku przedstawiono na rys. 2 [15].
Rys. 2. Bilans energii analizowanego obiektu; rys. archiwa autorów (E. Stefanowicz, K. Piechurski, M. Szulgowska-Zgrzywa)
Pierwszym etapem obliczeń było oszacowanie wartości SCOP pompy ciepła glikol/woda dla analizowanego systemu. Średnioroczny wskaźnik efektywności pompy ciepła (zarówno dla ogrzewania, jak i przygotowania c.w.u.) jest informacją niezbędną do przeprowadzenia analizy pracy dolnego źródła w programie EED.
- Temperaturę górnego źródła przyjęto jako 40°C dla ogrzewania i 60°C dla ciepłej wody użytkowej.
- Temperaturę dolnego źródła, glikolu na wejściu do parownika pompy ciepła, w pierwszym przybliżeniu przyjęto jako 5°C.
- Uzyskano wyniki SCOP: 4,73 dla trybu pracy pompy ciepła na cele ogrzewania i 3,09 dla trybu pracy pompy ciepła na cele przygotowania c.w.u.
- W wyniku takiego założenia wyznaczono wymaganą długość odwiertów – wynosi ona 3000 mb.
- Założono układ 3×10 sond o długości 130 mb. w rozstawie co 10 m w zamkniętej pętli.
- Jako okres symulacji przyjęto 10 lat, a początek symulacji ustawiono na październik.
W tab. 1 zestawiono parametry gruntu przyjęte do analizy. Dane dotyczące parametrów wymiennika ciepła podano w tab. 2. Szczegółowe informacje na temat przykładowej instalacji pompy ciepła i całej analizy zamieszczono w artykule [15].
Analiza polegała na wyznaczeniu minimalnej wartości przepływu każdego z czynników roboczych dla spełnienia warunku turbulencji oraz prawdopodobnej wartości średniej temperatury czynnika roboczego w 10. roku eksploatacji. Celem analizy było wskazanie, że przy zachowaniu przepływu turbulentnego dla różnych cieczy ich temperatura robocza, a co za tym idzie sezonowy współczynnik SCOP będą podobne i zachowane na wymaganym poziomie.
W tab. 3 zestawiono wymaganą wielkość strumienia czynnika roboczego zachowującą przepływ turbulentny w dolnym źródle dla wody, trzech rodzajów glikolu i przykładowego nanofluidu (woda+CuO).
Jak wykazano, wymagany przepływ glikolu propylenowego jest ponad czterokrotnie większy niż wymagany przepływ wody. Ma to więc bezpośrednie odzwierciedlenie w stratach ciśnienia, średnicach rur doprowadzających czynnik roboczy do studni rozdzielaczowych, a tym samym kosztach inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Pozostałe czynniki również charakteryzują się pod tym względem lepszymi parametrami. Szczególnie interesujące są wyniki właśnie dla nanofluidu, gdzie wymagany przepływ jest najniższy.
Rys. 3. Temperatura czynnika w 10. roku eksploatacji; rys. archiwa autorów (E. Stefanowicz, K. Piechurski, M. Szulgowska-Zgrzywa)
Na rys. 3 pokazano wyniki analizy pracy przykładowego systemu pompy ciepła opisanego powyżej. Zaprezentowano wartości średniej temperatury czynnika roboczego w kolejnych miesiącach 10. roku eksploatacji całego systemu.
Jak można zaobserwować, temperatury czynnika są podobne dla różnych czynników i odpowiednie – oscylują pomiędzy 5 a 9°C. Konsekwencją będzie wysoka efektywność układu, podobna bez względu na zastosowany czynnik roboczy.
Żeby wykazać istotne różnice pomiędzy poszczególnymi czynnikami, należy się przyjrzeć stratom ciśnienia.
Tabela 4. Straty ciśnienia dla odwiertu typu pojedyncza U-rura o głębokości 130 mb. i średnicy 32 mm
W tab. 4 zamieszczono wartości strat dla 130-metrowego odwiertu.
Straty ciśnienia dla standardowego glikolu propylenowego wynoszą 12,77 m H2O. Wszystkie inne czynniki charakteryzują się dużo korzystniejszym wynikiem – nawet do 95% mniejszymi stratami ciśnienia.
Głównym powodem stosowania glikolu propylenowego w pionowych sondach gruntowych jest obawa przed zamarzaniem dolnego źródła. Dochodzi do tego wówczas, gdy źródło jest przeciążone, a wydajność cieplna gruntu zdecydowanie mniejsza, niż założono.
Obecnie istnieją jednak metody pozwalające projektantom na szczegółową analizę możliwości energetycznych gruntu, które opisano w artykule [15].
Testy odpowiedzi termicznej połączone z analizą komputerową pozwalają na dobór wielkości dolnego źródła dostosowanej do parametrów geologicznych gruntu, w którym ma powstać instalacja. Jest to szczególnie ważne przy projektowaniu dużych obiektów o znacznym zapotrzebowaniu na energię grzewczą oraz chłodniczą. Możliwe jest więc zaprojektowanie i zabezpieczenie dolnego źródła (np. poprzez izolację termiczną przewodów rozprowadzających czynnik do studni rozdzielaczowych) w taki sposób, aby temperatura czynnika roboczego nie spadała poniżej 0°C.
Zauważyć należy również, że utrzymanie możliwie wysokiej temperatury czynnika roboczego jest warunkiem dużej efektywności gruntowej pompy ciepła. Dlaczego więc nie stosuje się wody jako czynnika roboczego?
Analiza kosztów pompowania wody i glikolu propylenowego
Istotnym aspektem projektowania dolnego źródła pompy ciepła jest utrzymanie właściwej temperatury gruntu. Pozwala to na uzyskanie wysokiego współczynnika efektywności energetycznej, a tym samym generuje niższe koszty ogrzewania.
Należy mieć jednak na uwadze, że koszty związane z utrzymaniem instalacji pompy ciepła nie są związane tylko z zasilaniem samego urządzenia (sprężarki) energią elektryczną. Dużą część stanowi koszt energii elektrycznej koniecznej do pracy pompy obiegowej czynnika w dolnym źródle.
Na straty ciśnienia w takiej instalacji główny wpływ mają parametry fizykochemiczne czynnika roboczego – przede wszystkim lepkość oraz gęstość.
W dalszej części artykułu porównano wymaganą wysokość podnoszenia pompy obiegowej dla wody i glikolu propylenowego przy zachowaniu następujących warunków:
- jednostkowa strata ciśnienia nie przekracza 200 Pa/m dla sondy 32×2,9 mm,
- minimalna prędkość przepływu w dolnym źródle wynosi 0,1m/s dla sondy 32×2,9 mm,
- w stratach ciśnienia uwzględniono opory liniowe i miejscowe dolnego źródła oraz przewodów rozdzielczych pomiędzy pompą ciepła a odwiertami dla instalacji scharakteryzowanej w początkowej części niniejszego artykułu oraz w artykule [15].
Na podstawie danych zestawionych w tab. 5 dla obu czynników dobrano pompy obiegowe dolnego źródła o klasie energetycznej A.
Tabela 5. Straty ciśnienia w przykładowym systemie dolnego źródła pompy ciepła dla wody i glikolupropylenowego
Przy założonym czasie pracy pompy obiegowej wynoszącym 2000 h rocznie oszacowano koszty pompowania czynników i zestawiono je w tab. 6. Moc pompy obiegowej dla glikolu propylenowego wyniosła 0,93 kW, natomiast dla wody ok. 0,25 kW.
Zakładając czas pracy instalacji 15 lat, oszczędność przy zastosowaniu wody jako czynnika roboczego wynosić będzie 12 222 zł.
Dodatkowo należy zwrócić uwagę na koszty inwestycyjne. Napełnienie instalacji glikolem propylenowym to koszt 33 270 zł (przy założeniu ceny 5,75 zł/kg), natomiast wodą 55 zł (przy założeniu ceny 10 gr/kg). Jest to kolejna możliwa oszczędność dla inwestycji w gruntową pompę ciepła.
W powyższym oszacowaniu pominięto koszty transportu glikolu, wypożyczenia pojemników do przewozu oraz uzdatniania wody.
Podsumowanie
W wyniku rosnącej liczby zainstalowanych zespołów pomp ciepła glikol/woda zwiększa się ryzyko wycieku czynnika krążącego w wymienniku gruntowym do wód podziemnych. Przeprowadzone przez naukowców badania skoncentrowane na degradacji glikolu etylenowego i propylenowego przez mikroorganizmy oraz produktach biodegradacji w warunkach beztlenowych, które są bardziej istotne w głębszych warstwach wodonośnych, wykazały, że obie substancje są łatwo biodegradowalne.
Zdecydowanie większym problemem są dodatki w czynnikach roboczych, szczególnie składniki stosowane jako biocydy lub inhibitory korozji, które modyfikują właściwości biodegradowalne glikoli.
Wydaje się, że nie ma absolutnej konieczności stosowania glikolu w dolnych źródłach pomp ciepła, jednak ze względu na częsty brak precyzyjnych informacji o gruncie oraz niewystarczające analizy w zakresie jego wydajności glikol używany jest ze względów bezpieczeństwa (eliminuje ryzyko zamarzania czynnika roboczego).
Możliwości, jakie daje wprowadzenie szczegółowych analiz gruntu oraz długofalowej pracy instalacji, pozwalają na precyzyjne zaprojektowanie wielkości dolnego źródła.
Zabezpieczenie instalacji przed spadkiem temperatury czynnika roboczego poniżej 0°C jest więc możliwe, a dobrą perspektywę w tym zakresie mają instalacje z przeważającym obciążeniem chłodniczym – pozwalające na regenerację gruntu i utrzymanie wysokiej temperatury czynnika roboczego.
Zastosowanie nanofluidów czy wody jako czynnika roboczego pozwoli na znaczne ograniczenie kosztów eksploatacji systemu (a w przypadku wody również inwestycji) oraz wyeliminowanie ryzyka zanieczyszczenia środowiska naturalnego – tym samym gruntowe pompy ciepła będą coraz atrakcyjniejszym rozwiązaniem źródła ciepła dla wielu obiektów.
Streszczenie W artykule przeanalizowano zasadność stosowania ogrzewania elektrycznego w jednorodzinnych budynkach mieszkalnych spełniających wymagania dotyczące ochrony cieplnej określone w WT 2017. W tym celu wyznaczono i porównano zużycie energii pierwotnej, emisję dwutlenku węgla, „niską emisję” oraz koszty w cyklu życia związane z ogrzewaniem budynku przy wykorzystaniu różnych nośników i technik ogrzewania.
Analiza wykazała, że niemożliwe jest spełnienie wymagań WT 2017 przez budynek ogrzewany wyłącznie energią elektryczną w zakresie wskaźnika EP. Charakteryzuje się on również najwyższą emisją dwutlenku węgla. Z kolei wyeliminowanie „niskiej” emisji oraz stosunkowo niskie koszty w cyklu życia sprawiają, że ten sposób ogrzewania może być konkurencyjny w stosunku do pozostałych technologii i nośników energii. |
Abstract In the paper the grounds for the use of electric heating in single family buildings meeting the thermal protection requirements set in WT 2017 were analyzed. To achieve this, primary energy consumption, carbon dioxide and low-stack emissions as well as life cycle costs associated with building heating using various energy sources and technologies were estimated and compared.
The analysis indicated that for a building heated solely with electricity it is impossible to meet the primary energy index requirements set in WT 2017. Moreover the electric heating results in the highest carbon dioxide emission. On the other hand possible elimination of low-stack emissions, and relatively low life cycle costs makes this way of heating competitive with other technologies and energy sources.
|
Literatura
- Emmi G., Zarrella S., De Carli M., Dona M., Galgaro A., Energy performance and cost analysis of some borehole heatexchanger configurations with different heat-carrier fluids in mildclimates, „Geothermics” 65, 2017, p. 158–169.
- Klotzbucher T., Kappler A., Straub K.L., Haderlein S.B., Biodegradability and groundwater pollutant potential of organic anti-freeze liquids used in borehole heat exchangers, „Geothermics” 36, 2007, p. 348–361.
- Toxicological profile for ethylene glycol and propylene glycol, US Department of Health and Human Services, Agency for Toxic Substances and Disease Registry, Atlanta, GA, USA, 1997, p. 287, published online as pdf.
- EPA, 2006. Reregistration Eligibility Decision For Propylene Glycol and Dipropylene Glycol, United States Environmental Protection Agency, Washington, D.C. 20460, USA, 287 pp., published online as pdf.
- Gaston L.W., Stadtman E.R., Fermentation of ethylene glycol by Clostridium glycolicum, sp. nov., „J. Bacteriol.” 85, 1963, p. 356–362.
- Jaesche P., Totsche K.U., Kögel-Knabner I., Transport and anaerobic biodegradation of propylene glycol in gravel-rich soil materials, „J. Contam. Hydrol.” 85, 2006, p. 271–286.
- Johnson J.J., Varney N., Switzenbaum M.S., Comparative toxicity of formulated glycol deicers and pure ethylene glycol and propylene glycol, Report submitted to the University of Massachusetts, Amherst, MA, USA, Water Resources Research Center, August 2001, p. 60.
- Kaplan D.L., Walsh J.T., Kaplan A.M., Gas chromatographic analysis of glycols to determine biodegradability, „Environ. Sci. Technol.” 16, 1982, p. 723–725.
- Sorensen J.A., Gallagher J.R., Hawthorne S.B., Aulich T.R., Final report (2000-EERC-10-04) for the Gas Industry Groundwater Research Program, Energy & Environment Research Center, University of North Dakota, Grand Forks, ND, USA, 2000, p. 80.
- McGahey C., Bouwer E.J., Biodegradation of ethylene glycol in simulated subsurface environments, „Water Sci. Technol.” 26, 1992, p. 41–49.
- Klotzbücher T., Kappler A., Straub K.L., Haderlein S.B., Biodegradability andground water pollutant potential of organic anti-freeze liquids used inborehole heat exchangers, „Geothermics” 36, 2007, p. 348–361.
- Doneshipour M., Rafee R., Nanofluids as the circuit fluids of the geothermal borehole heat exchangers, „International Communications in Heat and Mass Transfer” 81, 2017, p. 34–41.
- Fotukian S.M., Nasr Esfahany M., Experimental study of turbulent convective heat transfer and pressure drop of dilute CuO/water nanofluid inside a circular tube, „International Communications in Heat and Mass Transfer” 37, 2010, p. 214–219.
- S.U.S. Choi, Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles, „Developments and Applications of Non-Newtonian Flows” FED-vol. 231/MD-vol. 66, ASME, New York, 1995, p. 99–105.
- Szulgowska-Zgrzywa M., Stefanowicz E., Konfiguracja odwiertów oraz obciążenia cieplnego i chłodniczego obiektu a parametry pracy dolnego źródła pompy ciepła glikol/woda, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2017, s. 84–88.
- Haller M.Y., Dott R., Ruschenburg J., Ochs F., Bony J., The Reference Framework for System Simulations of the IEA SHC Task 44/HPP Annex 38, Part A: General Simulation Boundary Conditions. Technical report, International Energy Agency, 2013.