Kompleksowa termomodernizacja z zagospodarowaniem OZE (1). Ciepło z czwartorzędu

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

W większości uprzemysłowionych krajów znacząca część zużywanej energii przypada na uzyskiwanie względnie niskotemperaturowych nośników ciepła, głównie do ogrzewania lub chłodzenia budynków. Podstawowym źródłem takiej energii jest przeważnie wysokotemperaturowe spalanie organicznych paliw stałych, ciekłych i gazowych. Występujące znaczne różnice temperatury w procesie przekazywania ciepła między spalinami a nośnikami ciepła są źródłem istotnych strat nieodwracalności (egzergii) przebiegu tego procesu. Wymieniony powyżej sektor zastosowań jest więc szczególnie predysponowany do wykorzystania istniejących zasobów energii odnawialnej i odpadowej, właśnie charakteryzujących się stosunkowo niskotemperaturowymi nośnikami ciepła. Przyczyni się to w dodatku do racjonalizacji przepływu ciepła (poprzez zmniejszenie różnicy temperatury między czynnikami) do czynnika grzejnego, dostarczającego później ciepło do odbiorców. A więc zagospodarowanie energii geotermalnej, niewnoszące od strony technologicznej istotniejszych problemów technicznych, wydaje się godnym rozważenia zagadnieniem, zmierzającym nie tylko do podniesienia efektywności ciepłowni, ale i racjonalizacji zużycia paliw, a przez to ochrony środowiska naturalnego.

Energia geotermalna Polska jest krajem słabo uprzywilejowanym pod względem intensywności przepływu ciepła z wnętrza Ziemi i, w jego konsekwencji, występowania wysokotemperaturowych (przekraczających 100°C na dostępnych głębokościach) zasobów geotermalnych. Jednak wiele polskich miast i gmin znajduje się nad udokumentowanymi zbiornikami wód geotermalnych o średniowysokim poziomie temperatury. Energia tych wód może być więc wykorzystywana np. w ciepłownictwie, co spowoduje ograniczenie zużycia do celów grzejnych głównie paliw stałych, jak i emisji zanieczyszczeń towarzyszących spalaniu. A zatem wykorzystanie energii zawartej w wodach termalnych, wymagające użycia jedynie technologii konwencjonalnych dla energetyki i ciepłownictwa, wydaje się być atrakcyjną alternatywą uzupełniającą dla istniejących i nowo projektowanych komunalnych systemów grzewczych. W porównaniu do konwencjonalnych źródeł energii, energia geotermalna jest względnie czysta, chociaż jej użytkowanie nie zawsze jest wolne od wpływu na środowisko. Przy wykorzystaniu energii geotermalnej należy się liczyć głównie z występowaniem takich skutków jak zakłócenia powierzchniowe (wiertnie, otwory wiertnicze, rurociągi, stacje energetyczne, stacje pomp itp.), osiadanie gruntu w wyniku wydobywania cieczy ze skał zbiornikowych, efekty termiczne i chemiczne towarzyszące zrzutowi zmineralizowanych wód termalnych do wód powierzchniowych. W celu przeciwdziałania osiadaniu gruntu i spadkowi poziomu wody w zbiornikach geotermalnych, a także przeciwdziałaniu wspomnianym efektom termicznym i chemicznym, jako rozwiązanie podstawowe przewiduje się powrotne, odpowiednie zatłaczanie wody termalnej.

Energia z płytkich wód Na obszarach kraju, gdzie nie oczekuje się wystąpienia istotnych zasobów energii geotermalnej, praktycznie wszędzie istnieje potencjalna możliwość energetycznego zagospodarowania płytko położonych zasobów wód głębinowych. Ze względu na poziom temperatury tych wód, zwykle mieszczący się w zakresie 8-10oC, nie ma mowy o ich bezpośrednim zagospodarowaniu energetycznym. Idea zagospodarowania niskotemperaturowych zasobów energii odnawialnej lub odpadowej o poziomie temperatury zbyt niskim, jak na potrzeby ciepłownictwa scentralizowanego, wymaga zastosowania w ciepłowni pomp grzejnych, współpracujących górnym źródłem ciepła z systemem wody sieciowej lub w mniejszych systemach bezpośrednio z systemem wody instalacyjnej. Wówczas dolnym źródłem ciepła tych pomp grzejnych mogą być właśnie zasoby tej niskotemperaturowej energii niekonwencjonalnej, np. odpadowej lub odnawialnej. Jak już wspomniano, przekazywanie ciepła między wysokotemperaturowymi spalinami ze spalania paliw kopalnych a wodą instalacyjną lub sieciową jest przyczyną poważnych strat egzergii.

Energia słoneczna Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego, podobnie jak i energii średniotemperaturowych zasobów energii, do celów grzejnych, zmierza właśnie nie tylko w kierunku ograniczenia tych strat, ale i jednocześnie do zaoszczędzenia energii paliwa. Promieniowanie słoneczne jest strumieniem energii, jaką Słońce wysyła równomiernie we wszystkich kierunkach. Do zewnętrznych warstw atmosfery dociera od niego strumień energii o mocy 1,36 kW/m2, co stanowi tzw. stałą słoneczną. Podczas przechodzenia przez warstwy atmosfery promieniowanie słoneczne ulega osłabieniu wskutek odbicia, rozproszenia i pochłonięcia przez pyły i cząsteczki gazów. Promieniowanie słoneczne dzieli się zatem na dwie podstawowe składowe:

* promieniowanie bezpośrednie, czyli ta część promieniowania słonecznego, której udaje się przedostać przez atmosferę,

* promieniowanie rozproszone, stanowiące tę część promieniowania słonecznego, która uległa odbiciu lub pochłonięciu przez pyły i cząsteczki gazów, a która dociera do powierzchni Ziemi bezkierunkowo. Suma obu tych składowych – promieniowanie całkowite – wynosi w optymalnych warunkach (bezchmurne, czyste niebo w południe) maksymalnie 1,0 kW/m2. Z 8760 godzin w roku do zagospodarowania energetycznego mamy Polsce od ok. 1400 do ok. 1900 godzin słonecznych. Ze względu na rozkład tych godzin w skali roku mamy przeciętne promieniowanie całkowite na powierzchnię płaską wynoszące dziennie od 2,2 kWh/m2 w grudniu do 18,2 kWh/m2 w czerwcu. Przeciętna roczna sumaryczna wartość tego promieniowania dla Polski wynosi ok. 1000 kWh/m2. W zależności od zastosowanego typu kolektora można przemienić w ciepło do ok. 75% promieniowania całkowitego. Ze względu na poziom temperatury nośnika, uzyskiwanej w kolektorach, szczególnie korzystnym wydaje się układ wykorzystujący energię słoneczną do wytwarzania ciepłej wody użytkowej. Oczywiście w okresie sezonu grzewczego wystąpi konieczność stosowania dodatkowego źródła ciepła niezbędnego do przygotowania określonej ilości ciepłej wody.

Termomodernizacja w praktyce Ciekawą koncepcję połączenia obu tych źródeł energii, tzn. energii promieniowania słonecznego i energii wód głębinowych, w jeden system grzewczy wspierany konwencjonalnym kotłem wodnym, zrealizowano w obiekcie Harcerskiego Ośrodka Morskiego (HOM) w Pucku. Przeprowadzona uprzednia kompleksowa termomodernizacja siedziby ośrodka objęła, obok termorenowacji przegród budowlanych, również całościowo traktowany system grzewczy, czyli źródła ciepła, instalację przesyłową centralnego ogrzewania wraz z grzejnikami oraz instalację ciepłej wody użytkowej. Wyprzedzająco w stosunku do modernizacji systemu grzewczego przeprowadzono termorenowację zewnętrznych przegród budowlanych, głównie przez docieplenie ścian i stropów, a także wymianę nieszczelnej stolarki okiennej na nowoczesną, o niskim współczynniku przenikania ciepła. A zatem kompleksowa termomodernizacja źródła zasilającego w ciepło obiekt HOM-u doprowadziła do powstania nowoczesnego węzła energetycznego, który wykorzystuje, obok konwencjonalnego paliwa, energię promieniowania słonecznego i energię zawartą w wodzie podziemnej. Warto jeszcze nadmienić, że kocioł wodny zasilany olejem (a docelowo gazem ziemnym, po doprowadzeniu do Pucka systemu gazoenergetycznego) stanowi jedynie szczytowe bądź awaryjne źródło ciepła. Zainstalowanie nowoczesnego układu źródła ciepła, poza oczywistym celem oszczędności energii, może również służyć promocji (ze względu na szkoleniową funkcję obiektu) zastosowanego w tym obiekcie rozwiązania technicznego w postaci tego właśnie źródła ciepła. W ramach tego przedsięwzięcia zainstalowano nowe źródło ciepła w postaci układu kolektorów słonecznych, pomp grzejnych i nowoczesnego kotła wodnego z palnikami do pracy dwupaliwowej. Podstawowym źródłem ciepła dla produkcji ciepłej wody użytkowej jest układ kolektorów słonecznych zainstalowanych na dachu ośrodka, zaś wspomaga go układ dwóch pomp grzejnych zasilanych energią elektryczną z krajowego systemu elektroenergetycznego. Z kolei system grzewczy obiektu oparty jest na tych samych dwóch pompach grzejnych wspomaganych pracą kotła wodnego w okresie większego zapotrzebowania na ciepło. Badania hydrogeologiczne rejonu obiektu HOM-u wykazały wyjątkowo korzystne warunki do eksploatacji wód podziemnych. Wody podziemne w omawianym regionie tworzą w utworach czwartorzędowych generalnie jeden poziom wodonośny. Czwartorzęd posiada tu miąższość ponad 70 m. Zaprojektowano ujęcie wód w środkowej części warstwy wodonośnej, w przelocie 16-28 m ppt. Wody eksploatowane z utworów czwartorzędowych posiadają w tym rejonie jakość zgodną z wymaganiami norm dla wód pitnych, z wyjątkiem ponadnormatywnej zawartości żelaza. Wykonano trzy otwory wiertnicze w południowej części działki w rozstawie ok. 25 m. Wydajność dopuszczalna otworów została wyznaczona na poziomie 81 m3/h. Oceniono, że podjęte prace hydrogeologiczne nie będą miały niekorzystnego wpływu na środowisko. Pobór i zrzut wody będzie prowadzony w tak bliskiej odległości, że nie będzie możliwości zaburzenia istniejącej równowagi na styku pomiędzy wodami słodkimi podziemnymi a wodami słonymi Zatoki Puckiej. Prace modernizacyjne nad systemem grzewczym obiektu HOM-u podjęto ze względu na niezadawalający stan techniczny, a właściwie to prawie całkowite wyeksploatowanie, wręcz fizyczne zużycie najważniejszych elementów składowych uprzednio działającej tam kotłowni, a w szczególności kotłów. Taki stan techniczny, na dodatek o przestarzałym układzie technologicznym (kocioł wodny i parowy), pociągał olbrzymie koszty eksploatacyjne i groził w każdej chwili awarią systemu grzejnego. Dochodziła do tego konieczność ograniczenia w atrakcyjnym turystycznie obszarze przybrzeżnym, będącym strefą prawnie chronionego krajobrazu, wielce uciążliwej tzw. niskiej emisji, pochodzącej właśnie z emitera kotłowni obiektu HOM-u oraz problem z gromadzeniem stałych produktów procesu spalania. Z przedstawionej koncepcji modernizacji źródła ciepła wynika, że w źródle tym nastąpił istotny spadek zużycia pierwotnej energii chemicznej zawartej w paliwie, gdyż wykorzystanie energii słonecznej i pracy pomp grzejnych, zagospodarowujących energię wody podziemnej, istotnie ograniczy zapotrzebowanie na wspomnianą nieodnawialną energię pierwotną. A zatem, w wyniku modernizacji źródła ciepła, wystąpi podwójny efekt ekologiczny: nie tylko znaczące zmniejszenie zużycia energii pierwotnej, ale jednocześnie zastąpienie, uciążliwego dla środowiska przyrodniczego, paliwa węglowego znacznie mniej uciążliwym olejem opałowym, przy czym docelowo, w przypadku doprowadzenia gazu ziemnego do Pucka, można by rzec, że paliwem wręcz ekologicznym. Wspomniany efekt ekologiczny jest tu bardzo oczekiwany, bowiem obiekt HOM-u jest zlokalizowany na południowo-zachodnim brzegu Zatoki Puckiej, stanowiącej zachodnią i centralną część Nadmorskiego Parku Krajobrazowego. Dlatego, wobec oczywistej dominacji wiatrów z kierunku zachodniego, przedstawiane przedsięwzięcie modernizacyjne zaklasyfikowano do sektora ochrony Bałtyku. W dodatku wprowadzona dywersyfikacja paliw, czyli zastąpienie węgla kamiennego paliwem olejowym, a docelowo gazowym, prowadzi do znaczącego obniżenia emisji dwutlenku węgla odniesionej do jednostki zużytej energii chemicznej. Dlatego też jednocześnie zaklasyfikowano przedsięwzięcie do sektora ochrony klimatu, bowiem dwutlenek węgla, jako gaz wieloatomowy, należy do tzw. gazów cieplarnianych, czyli ograniczenie jego emisji jest ze wszech miar pożądane. Podobnie ograniczenie emisji pozostałych składników gazowych, wynikające z zastosowania nowoczesnej techniki spalania, jak i zmniejszenia ilości zużywanego paliwa, można również zaklasyfikować do sektora ochrony klimatu. Z kolei zastąpienie węgla kamiennego, jako paliwa kotłowego, paliwem ciekłym lub gazowym prowadzi do całkowitej eliminacji stałych odpadów procesu spalania, więc dodatkowo wskazano również na sektor ochrony środowiska, który obejmuje gospodarkę odpadami. Uzasadnienie przeprowadzanej modernizacji obiektu względami ekologicznymi było podstawą do skutecznego ubiegania się o znaczną pomoc finansową takich instytucji jak Ekofundusz oraz WFOŚiGW w Gdańsku.

dr inż. Piotr Kubski

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij