Magazyn energii: Wykorzystanie energii zgromadzonej w gruncie
W jaki sposób można wykorzystać energię zmagazynowaną w gruncie?
Pomimo znacznego postępu technicznego, jaki dokonał się w ostatnich latach w dziedzinie niskoemisyjnych urządzeń grzewczych, można jeszcze spotkać zadymione osiedla domów jednorodzinnych, gdzie w sezonie grzewczym spacer czy nawet przewietrzanie pomieszczeń jest wątpliwą przyjemnością. W przypadku pomp ciepła mamy do czynienia nie tylko z radykalnym obniżeniem emisji toksycznych substancji spalania, ale wręcz z całkowitym brakiem komina i kosztownej instalacji odprowadzania spalin. Oczywiście, urządzęnia te zużywają energię elektryczną, która w naszych warunkach pochodzi z elektrowni węglowych o niskich sprawnościach. Pomimo to, dzięki wykorzystaniu darmowej energii zmagazynowanej w gruncie, wodzie gruntowej czy powietrzu, pompy ciepła zużywają mniej energii pierwotnej niż najsprawniejsze urządzenia ogrzewcze. Pamiętać należy, że elektrownie węglowe muszą spełniać restrykcyjne normy ochrony atmosfery i posiadają efektywne systemy odsiarczania i odpylania spalin. Emitują one do atmosfery znacznie mniej toksycznych produktów spalania niż domowe kotłownie, w których spalane bywają wszelkiego rodzaju odpady stałe. Sposób działania pompy ciepła obrazowo przedstawia funkcjonowanie lodówki, przy czym obszarem chłodzonym są elementy zewnętrzne (grunt, woda gruntowa czy powietrze), natomiast wytwarzane ciepło przekazywane jest do systemu ogrzewania. W okresie lata, dzięki podwyższonym temperaturom powietrza oraz znacznej ilości energii słonecznej, górne warstwy gruntu ogrzewają się do 18°G i stanowią magazyn energii, natomiast w okresach zimowych poniżej strefy przemarzania temperatura kształtuje się na poziomie 5°G. Głębsze warstwy gruntu nie podlegają sezonowym wahaniom temperatur, a poniżej 18 metrów grunt posiada stałą temperaturę na poziomie 10°C Energię zmagazynowaną w gruncie można wykorzystywać w pośredni sposób, ponieważ jej temperatura jest znacznie niższa od wymaganej temperatury wody zasiłającej system grzewczy. Pompa ciepła posiada wewnętrzny obieg cieczy (czynnika roboczego) o obniżonej temperaturze wrzenia, krążącej pomiędzy dwoma wymiennikami (parownikiem G i kondensatorem E) oraz sprężarką B i zaworem rozprężnym F przedstawionym na rysunku. Pobieranie ciepła ze źródła o niższej temperaturze (dolnego źródła), czyli gruntu, wody gruntowej, powietrza możliwe jest dzięki zastosowaniu sond gruntowych (poziomych lub pionowych), studni (czerpnej i chłonnej) lub kanałów powietrznych czy specjalnych absorberów energii słonecznej. Płyn o obniżonej temperaturze krzepniecia, krążący w instalacji dolnego źródła, przepływa przez parownik (G), gdzie następuje jego wychłodzenie przez powracający po rozprężeniu (F) schłodzony czynnik roboczy. Pobierając ciepło z obiegu dolnego źródła, czynnik roboczy odparowuje i w postaci gazu przepływa do sprężarki (B), która wykorzystując energię elektryczną, podnosi jego ciśnienie z 5 do 25 barów i temperaturę do poziomu 65°G. Następnie sprężony i gorący czynnik grzewczy przepływa do kondensatora (E), w którym następuje jego schłodzenie i zmiana stanu skupienia z gazu na ciecz (kondensacja). Przez kondensator przepływa jednocześnie woda krążąca w systemie grzewczym, która zostaje ogrzana do maksymalnej temperatury na poziomie 55°G (w nowoczesnych konstrukcjach do 65°G). Czynnik roboczy po schłodzeniu w kondensatorze przechodzi do zaworu rozprężnego, powracając do parametrów wyjściowych (niskie ciśnienie i temperatura), ponownie odparowując w parowniku powtarza cykl przemian termodynamicznych.
Dolne źródła ciepła charakteryzują się różną efektywnością i dostępnością. Najbardziej zasobne w energię są pokłady wody gruntowej, choć instalacje te wymagają najczęściej dodatkowego wymiennika zabezpieczającego parownik przed zanieczyszczeniem oraz pompy nurnikowej w studni czerpnej. Istotną rolę odgrywa tu znajomość kierunku przepływu wód gruntowych, aby nie wytworzyć w gruncie przepływu przeciwnego. Mogłoby to doprowadzić do wyłączenia awaryjnego pompy ze względu na niebezpieczeństwo zamarznięcia wody. Drugim w kolejności, pod względem efektywności pracy, pompy jest pionowy wymiennik gruntowy. Zaletą tego źródła jest stabilna temperatura gruntu oraz małe wymagania powierzchni gruntu, jednak wykonanie odwiertów jest bardziej kosztowne niż wykonanie wykopów w przypadku kolektorów poziomych. Poziome kolektory gruntowe są tańszą alternatywą wykonania dolnego źródła ciepła, pomimo że wykopy muszą być wykonane poniżej strefy przemarzania, a inwestor musi dysponować odpowiednio dużą powierzchnią wolnego terenu, na którym nie będzie można sadzić drzew i roślin o rozbudowanym systemie korzeniowym. Sezonowe wahania temperatury mogą doprowadzić do deficytów energii tego źródła w okresie wczesnej wiosny, gdy silnie przechłodzona warstwa gruntu wymaga regeneracji termicznej. Pomocne mogą być cieczowe instalacje kolektorów słonecznych połączone z gruntowym wymiennikiem poziomym. Istnieje niebezpieczeństwo nadmiernego przesuszenia gruntu w okresie lata i dlatego termiczna regeneracja gruntu nie powinna być zbyt intensywna.
Autor: Maciej Wesołowski
