W niniejszym artykule opisano szczegółowo podstawowe zadania projektu GROUNDHIT, zaprezentowano najnowsze dane dotyczące funkcjonowania instalacji testowych w Portugalii, Austrii i Grecji oraz ostateczne wyniki przeprowadzonych testów.

Ponadto przedstawiono krótką charakterystykę rynku systemów grzewczych w Polsce oraz wskazano potencjalne obszary zastosowań dla geotermalnych pomp ciepła opracowanych w ramach projektu GROUNDHIT.

Geotermia niskotemperaturowa w Polsce
Na przełomie ostatnich kilku lat obserwuje się w Polsce wyraźny wzrost znaczenia geotermii niskiej entalpii. Popularność systemów niskotemperaturowych, działających w oparciu o pompy ciepła jest wprost proporcjonalna do postępu technologicznego w dziedzinie ogrzewania i chłodzenia. Najnowsze rozwiązania umożliwiają stosowanie systemów geotermalnych nawet dla niewielkich inwestycji, takich jak domy jednorodzinne, osiedla mieszkaniowe, domy wczasowe, hotele, szkoły, budynki biurowe, kościoły i inne. Daje to wyobrażenie o skali potencjalnego rynku instalacji grzewczych opartych na pompach ciepła. Nie oznacza to jednak, że ich zastosowanie byłoby uzasadnione w każdym przypadku. Możliwości te w dużym stopniu ograniczone są niskim standardem energetycznym budynków w Polsce.
Jak podaje Krajowa Agencja Poszanowania Energii (KAPE), ok. 90% mieszkań w Polsce charakteryzuje wskaźnikiem zużycia energii cieplnej na poziomie gorszym niż 240 kWh/(m2*rok). Ogranicza to bardzo mocno możliwość prostego przechodzenia z ogrzewania konwencjonalnego na systemy geotermalne oparte na pompach ciepła (Kapuściński & Rodzoch, 2006). Ponadto większość dostępnych na rynku pomp ciepła charakteryzuje się stosunkowo niską efektywnością grzewczą (COP 3.5–4.5).
W tej sytuacji działania podejmowane w ramach projektu GROUNDHIT (m.in. usprawnianie wskaźników ekonomicznych i grzewczych geotermalnych pomp ciepła oraz wdrażanie nowych technologii dla tradycyjnych systemów wysokotemperaturowych) wydają się być jak najbardziej celowe.
Odbiór energii cieplnej z gruntu
Kluczowym elementem instalacji geotermalnej opartej na pompach ciepła jest otworowy wymiennik ciepła. Od lat 90. XX wieku standardem w Centralnej Europie są otworowe wymienniki ciepła, składające się z dwóch U-kształtnych rur.
W ramach projektu GROUNDHIT podjęto prace, zmierzające do unowocześnienia technologii produkcji koncentrycznych wymienników ciepła i rozpowszechnienia ich wśród potencjalnych odbiorców. Dzięki zastosowaniu tanich prefabrykowanych elementów oraz uproszczeniu technologii montażu w otworze istnieje szansa na zwiększenie wykorzystania tych urządzeń w systemach geotermalnych.
Koncentryczny otworowy wymiennik ciepła GROUNDHIT stanowi prostą konstrukcję, składającą się ze standardowych plastykowych rur, umieszczonych jedna w drugiej. Zastosowany materiał (polietylen PE-80 oraz PE-100) zapewnia jednocześnie wysoką przewodność cieplną. Należy również zauważyć, że w przypadku wymiennika koncentrycznego instalowana jest w otworze tylko jedna (podwójna) rura, a nie 4, jak to ma miejsce w przypadku wymienników U-kształtnych. Zmniejsza się dzięki temu ryzyko popełnienia błędów podczas instalacji. (Sanner i in., 2007).
Innowacyjne geotermalne pompy ciepła GROUNDHIT
W toku prowadzonych prac zaprojektowano, zbudowano, a następnie przetestowano trzy różne prototypy pomp ciepła:
  1. Pompa ciepła o wysokiej efektywności energetycznej COP>5.5 do ogrzewania i chłodzenia w charakterystycznych dla Europy warunkach klimatycznych (pakiet roboczy WP2 projektu GROUNDHIT),
  2. Pompa ciepła dostarczająca wodę o temperaturze 800C przy względnie wysokim współczynniku efektywności COP>3 do zasilania konwencjonalnych wysokotemperaturowych systemów grzewczych (pakiet roboczy WP3 projektu GROUNDHIT),
  3. Pompa ciepła charakteryzująca się bardzo wysoką efektywnością COP>7, wykorzystująca w dolnym źródle ciepła wody termalne o temperaturze 15-400C (pakiet roboczy WP4 projektu GROUNDHIT).
Standardowa pompa ciepła o podwyższonej efektywności (GROUNDHIT WP2)

Instalacja geotermalna, działająca w oparciu o wysokowydajne pompy ciepła (COP>5.5) jest testowana w Portugalii w Instytucie Techniki Cieplnej na Politechnice w Setúbal. W skład systemu wchodzą 2 pompy ciepła (o mocy 15 kW każda), 5 otworowych wymienników ciepła oraz 9 klimakonwektorów wentylatorowych. Powierzchnia ogrzewanych pomieszczeń wynosi 120 m2. Pompy ciepła zainstalowano w pomieszczeniu laboratorium, a klimakonwektory rozmieszczono w pomieszczeniach biurowych oraz salach wykładowych. Pięć wymienników ciepła zamontowano w otworach o głębokości 80 m, przy zachowaniu minimalnej odległości między otworami 4.6 m. Stanowisko badawcze wyposażono w dwa rodzaje wymienników. Trzy z nich to wymienniki, składające się z dwóch U-kształtnych rur, natomiast pozostałe dwa to koncentryczne wymienniki otworowe GROUNDHIT. (…)

Geotermalna pompa ciepła dla tradycyjnych wysokotemperaturowych systemów grzewczych (GROUNDHIT WP3)

Instalacja testowa została wyposażona w geotermalną pompę ciepła GROUNDHIT, dostarczającą wodę o temperaturze 800C, przy zachowaniu względnie wysokiego współczynnika efektywności cieplnej COP>3. Miejscem demonstracji jest siedziba przedsiębiorstwa Feistritzwerke-STEWEAG GmbH – regionalnego dostawcy energii odnawialnej, zlokalizowana w Gleisdorf, niewielkiej miejscowości (10 000 mieszkańców), położonej ok. 25 km na wschód od Graz (wschodnia część Styrii – Austria).

Na system geotermalny składa się pompa ciepła oraz 3 wymienniki ciepła zainstalowane w otworach o głębokości 90–110 m, stanowiące dolne źródło ciepła.

Temperatury dolnego i górnego źródła ciepła kształtują się w zakresie odpowiednio 8–50C i 80–730C. Ogrzewany budynek to dom wolno stojący o powierzchni 120 m2 ze standardową izolacją z lat 80. Istniejący konwencjonalny system grzewczy z wysokotemperaturowym kotłem został zaprojektowany dla temperatur w zakresie 80–600C. Zainstalowana obecnie moc wynosi 15 kW, natomiast roczne zapotrzebowanie na ogrzewanie kształtuje się na poziomie ok. 26 MWh.

Pompa ciepła o wysokiej wydajności COP > 7 (GROUNDHIT WP4)

Wiele regionów południowej Europy położonych jest w strefach młodego wulkanizmu, gdzie istnieje możliwość wykorzystania płytko zalegających wód gruntowych o stosunkowo wysokich temperaturach w zakresie 15–400C. Daje to możliwość wykorzystania tych zasobów w systemach pomp ciepła o względnie wysokim współczynniku sprawności grzewczej. Instalacja testowa i demonstracyjna odpowiedniego prototypu geotermalnej pompy ciepła jest testowana w niewielkiej miejscowości Neo Ryssio, położonej w północnej części Grecji na SE od Thessalonik.

Na stanowisku testowym wykorzystuje się wody gruntowe o stosunkowo wysokiej temperaturze 27–280C do ogrzewania i chłodzenia budynków socjalnych zakładu ceramicznego. Wody pompowane są z wydajnością 5 m3/h z otworu o głębokości 405 m, a po schłodzeniu zatłaczane do otworu chłonnego o głębokości 660 m.

Podsumowanie

Zasadnicze cele projektu GROUNDHIT zostały osiągnięte: zaprojektowano, wyprodukowano oraz przetestowano innowacyjne instalacje oparte na wysokowydajnych pompach ciepła, opracowano technologię produkcji koncentrycznych wymienników ciepła. Dodatkowo rozpowszechniono w skali europejskiej informacje na temat nowoczesnych technologii geotermalnych oraz ogólnie zwrócono uwagę na problem energooszczędności i celowości stosowania odnawialnych źródeł energii w aspekcie ochrony środowiska. 

Partnerzy w projekcie

W projekcie uczestniczyły instytucje z siedmiu europejskich krajów:

  1. Centre for Renewable Energy Sources (CRES) – Grecja – Koordynator
  2. Compagnie Industrielle dApplications Thermiques (CIAT) – Francja
  3. Erdwärme-Systemtechnik GmbH & Co. KG (EWS) – Niemcy
  4. Geothermische Vereinigung e.V (GtV) – Niemcy
  5. Geoteam Technisches Büro für Hydrogeologie, Geothermie und Umwelt Ges.m.b.H. (GEOTEAM) – Austria
  6. Escola Superior de Tecnologia de Setúbal  (ESTSetúbal) – Portugalia
  7. MENTOR S.A. – Grecja
  8. Centre for Research and Technology – Hellas (CERTH) / Chemical Process Engineering Research Institute/ (CPERI) – Grecja
  9. Uniwersytet w Oradei – Rumunia
  10. Uniwersytet Śląski – Polska
  11. BRGM – Francja
 
ZBIGNIEW MAŁOLEPSZY, BARBARA OLEKSY – Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Katedra Geologii Podstawowej w Sosnowcu
Cały artykuł – GLOBEnergia 3/2008

projeky groundhit