Technologia FCH: redukcja emisji CO2 energią z wód gruntowych. Część I

Pozyskanie energii zgromadzonej w wodach gruntowych do ogrzewania i chłodzenia powietrza wentylacyjnego w instalacji HVAC budynków oraz budowli jest najtańszym i najlepszym przykładem utylizacji emisji gazów cieplarnianych. Wielkość energii w wodach gruntowych jest trudna do oszacowania, to wielki, niczym nieograniczony magazyn, posiadający stałe parametry, niezależne od wiatru i słońca. Technologią, która wykorzystuje energię z wód gruntowych, jest FCH (Free Cooling and Heating) HVAC, zastosowana już w obiektach na terenie całej Polski, m.in. w Zamościu, Gdańsku, Olsztynie, Sosnowcu, Warszawie i Mielcu. Łączna powierzchnia budynków z instalacjami FCH HVAC przekracza już 90 000,00 m². Średni poziom kosztów eksploatacji to tylko  4  euro/m²/rok, co w porównaniu z instalacjami tradycyjnymi HVAC na poziomie 22 euro/m²/rok daje ponadpięciokrotną redukcję kosztów eksploatacji i pięciokrotną redukcję emisji CO₂.

Fot. 1. Stanowisko badawcze PCFCHHVAC1700 z zespołem pomiarowym i sekcją podgrzewaczy elektrycznych
2 x 20 kW oraz z nagrzewnicą elektryczną 36 kW

Wprowadzenie

W obecnej sytuacji pozyskanie energii z wiatru i słońca lub np. z naturalnych magazynów znajdujących się w wodach gruntowych powinno być podstawowym celem każdego ekologa, urbanisty i architekta. Musimy pamiętać, że to urbaniści i architekci rozpoczynają proces projektowania i do nich należą główne decyzje związane z kosztami i ochroną środowiska. Energia z wód gruntowych pozyskana w technologii FCH to trzecia naturalna energia. Jest ona dostępna przez cały rok – 24 godziny na dobę. Zaletą tej energii jest też to, że jej moc jest stała w skali roku i dostępna w każdej szerokości geograficznej.

W artykule zaprezentowano moc energii zgromadzonej w wodach gruntowych, która nie jest szkodliwa dla ozonosfery i która zredukuje, bez dodatkowego śladu węglowego, ogromne ilości emisji CO₂. Ta redukcja pozwoli przenieść miliony TWh zapomnianej i niedocenianej, ekologicznej energii z bezpłatnych podziemnych magazynów do central FCH po minimalnych kosztach.

Wykres 1. Wykres temperatur wody gruntowej na głębokości do 12 m. Źródło: materiały autorów

Temperatura wody gruntowej w zimie i w lecie na głębokości ok. 10 m ma stałą wartość blisko +10°C. Zaprezentowany na wykresie 1 rozkład temperatur na głębokości do 12 m pokazuje, jak się zmieniają temperatury wody gruntowej w zależności od głębokości. Widać na nim także stałą wartość temperatury +10°C na głębokości 10 m p.p.t. i ten parametr wykorzystywany jest w technologii FCH do instalacji HVAC.

Wykres 2. Wykres temperatur wody gruntowej instalacji FCH HVAC na głębokości do 45 m

Wykres 2 przedstawia badania temperatury wody gruntowej na głębokości do 45 m wykonane w Zamościu w dniu 18 czerwca 2013 r. Pozwala on wyznaczyć moc energii tej wody, uzależnioną od zadanej temperatury w przedziale od +11 do +32°C. Można tu zauważyć dużą zależność mocy odwiertu od zadanej temperatury oraz głębokości. Bardzo ciekawy jest rozkład temperatur w zakresie do 22 m, gdzie delta jest na poziomie 5°C i podobnie dla zakresu od 22 do 45 m, gdzie delta jest też na poziomie 5°C. Ten wynik pozwala na wykonanie instalacji na mniejszych głębokościach, po uwzględnieniu prędkości i kierunku przepływu wód gruntowych.

Rys. 1. Schemat bloku pomiarowego technologii FCH HVAC z zastosowaniem centralki pomiarowej PCFCHHVAC1700

>>> Metoda obliczeń strat ciepła przez przenikanie a wartość emisji unikniętej CO₂

>>> Energochłonność budynków spada

>>> Wpływ materiałów budowlanych na energooszczędność budownictwa

Moc energii wód gruntowych

Pomiar mocy wymienników pionowych instalacji FCH HVAC można wykonać różnymi metodami, ale każda z nich nie daje właściwych wyników. W związku z tym na potrzeby tej technologii została zaprojektowana specjalna centralka pomiarowa PCFCHHVAC1700, dostosowana do pomiarów typowych odwiertów o mocy od 2 do 20 kW i wydajności Vn = 1700 m³/h. Centrala jest wyposażona w nagrzewnicę elektryczną i dwie chłodnice wraz z indywidualną automatyką zgodnie ze schematem na rys. 1.

• Pomiary wydajności instalacji – stanowisko badawcze w Mielcu

Na wykresie 3 przedstawiono badanie mocy odwiertu wykonanego w dniu 14 czerwca 2016 r. w Mielcu centralą PCFCHHVAC1700. Wyniki pomiaru przy maksymalnej temperaturze zewnętrznej powyżej +36°C prezentuje godzinowy cząstkowy wykres. Temperatura nawiewanego powietrza do pomieszczenia jest na poziomie +21°C. Po godzinie pracy instalacji (godz. 15.20–16.20) temperatura nawiewu wzrosła tylko do wartości +21,45°C – wzrost ten jest minimalny.

Wykres 3. Prezentacja wyników badania wydajności instalacji, Mielec. Legenda: kolor czerwony – temperatura nawiewu utrzymana sztucznie nagrzewnicą elektryczną; kolor szary – temperatura zewnętrzna; kolor fioletowy – temperatura powrotu glikolu do gruntu; kolor niebieski – temperatura nawiewu do pomieszczenia; kolor zielony – temperatura zasilenia glikolem chłodnic – nagrzewnic centrali

Moc odwiertu na podstawie różnicy temperatur obliczona jest metodą uproszczoną ze wzoru i wynosi:

Q = V·ρ·c_p·ΔT [kW]

V – strumień objętości powietrza [m³/s]; 1700 m³/h = 0,47 m³/s;

ρ – gęstość powietrza, 1,2 kg/m³;

c_p  –  ciepło właściwe powietrza, 1,005 kJ/(kg·K);

ΔT – różnica temperatur powietrza przed i za nagrzewnicą [°C].

Q= 0,47 x 1,2 x 1,005 x (35,8°C – 21,45°C) = 8,13 kW.

• Pomiary wydajności instalacji – stanowisko badawcze w Zamościu

Wykresy 4 i 5 przedstawiają wyniki badań instalacji FCH w Zamościu, w galerii o pow. 15 000 m² w dniu 13 marca 2013 r. Podstawowe parametry bez wspomagania układem freonowym tylko FCH z wód gruntowych przy T_z = +35°C, T_n = +18,5°C (dla godz. 14.00, wykres 4) są wystarczające dla tego obiektu, a odzyskana moc tylko z tego pomiaru wynosi:

Q = V·ρ·c_p·ΔT [kW]

Q = 0,47 x 1,2 x 1,005 x (35,0°C – 18,5°C) = 9,24 kW

Wykres 4. Wykres temperatur, pomiar przy temperaturze zewnętrznej T_z = +35°C

Wykres 5. Wykres temperatur, pomiar przy temperaturze zewnętrznej T_z = +62°C

Na wykresie 5 przedstawiono badanie odwiertu przy zadanej temperaturze T_z = +60°C, T_n = +29,0°C (dla godz. 19.00), odzyskana moc tylko z tego pomiaru to:

Q = V·ρ·c_p·ΔT [kW]

Q = 0,47 x 1,2 x 1,005 x (60,0°C – 29,0°C) = 17,57 kW

Analiza wyników zaprezentowana na wykresie 5, przy skrajnych temperaturach powietrza wentylacyjnego dochodzących do +60°C, pozwala na zastosowanie tej technologii nie tylko w krajach europejskich, ale też np. w krajach arabskich. Te wyniki to też informacja dla polskiego i światowego przemysłu, w którym w procesie produkcji wymagane są niskie temperatury.

Technologia FCH HVAC

Celem technologii FCH jest pozyskanie energii ciepła i chłodu z wody gruntowej, która dostarczona instalacjami glikolowymi do centrali FCH HVAC, podgrzewając lub chłodząc świeże powietrze do zadanej temperatury, skutecznie ograniczy zużycie energii pierwotnej i emisji CO₂.

• Schemat podstawowej instalacji FCH HVAC

Szczegóły instalacji FCH HVAC   [1, 2, 3] wraz ze schematem zaprezentowano na rys. 2, 3 i fot. 2. Systemy tradycyjne HVAC pobierają ciepło z sieci miejskiej lub z innych źródeł, np. gazu, a chłód – z AWL (agregatów wody lodowej). W AWL woda lodowa produkowana jest z energii elektrycznej, uzyskując parametry np. zasilenie +7°C i powrót +12°C. W technologii FCH, gdzie głównym zasileniem w ciepło i chłód w 80% jest woda gruntowa, proces ogrzewania i chłodzenia odbywa się w naturalny, bezinwazyjny w środowisko sposób, a brakujące 20% energii jest uzupełniane z sieci miejskiej, z gazu czy z energii elektrycznej.

Rys. 2. Schemat podstawowej instalacji FCH HVAC

Fot. 2. Centrala FCH z dolnym podejściem mediów i kanały nawiew–wywiew

Woda głębinowa na głębokości 10 m (wykres 1) ma temperaturę ok. +10°C, co eliminuje konieczność produkcji wody lodowej o podobnych parametrach z energii elektrycznej w AWL. To rozwiązanie nie tylko zabezpiecza komfort w budynkach, ale też redukując zużycie energii, zmniejsza koszty eksploatacji i emisję CO₂ od HVAC o minimum 50%. Opisany parametr wody +10°C zdecydował o zastosowaniu w instalacjach FCH HVAC bezpośrednio do ogrzewania i chłodzenia tylko wody gruntowej z pominięciem AWL (oczywiście w zależności od warunków wewnętrznych instalacje FCH mogą być wspomagane systemami freonowymi). Należy pamiętać też o warunkach zewnętrznych, takich jak wysokość wód gruntowych, kierunek przepływu wód gruntowych czy budowa geologiczna, gdyż zawsze te warunki będą miały decydujący wpływ na wydajność instalacji FCH HVAC.

Rys. 3. Centrala FCH HVAC

Technologia FCH HVAC daje projektantom możliwość projektowania instalacji o bardzo niskich kosztach eksploatacji na poziomie 4 euro/m²/rok, zgodnie z warunkami technicznymi.

Na rys. 2 przedstawiony jest schemat instalacji nadziemnej – centrala i rozdzielacz – oraz instalacji podziemnej do studzienki rozdzielczej, która połączona jest z wymiennikami pionowymi zakończonymi głowicą.

Wymiana energii następuje w trzech etapach: poziomy PE, piony PE oraz piony wykonane w strefie wody gruntowej ze stali kwasowej. Rozpatrując tylko współczynniki przenikania ciepła rur PE i rur stalowych, można w bardzo prosty sposób wyznaczyć moc instalacji. Wymienniki pionowe z rur stalowych w odwiercie przekazują lub pobierają wielokrotnie więcej energii z wód gruntowych niż rury PE. W każdym układzie technologii FCH jest pionowy wymiennik gruntowy zamontowany w odwiertach o głębokości od ok. 20 do 70 m, w których odzyskiwany jest chłód/ciepło z wody gruntowej. Poszczególne odwierty połączone są w obiegi, które zasilają rozdzielacze wielosekcyjne. Odwierty z wymiennikami to przewody wykonane z rur polietylenowych PEHD 100, PN 10, SDR 17 oraz wstawki stalowe wykonane z rur kwasoodpornych poprawiających wielokrotnie wymianę ciepła/chłodu. Instalacje są realizowane w systemie dwururowym w układzie zamkniętym, z obiegiem wymuszonym, tak więc technologia FCH HVAC nie pobiera wody gruntowej, tylko oddaje lub pobiera ciepło lub chłód z i do wód gruntowych. Elementem zapewniającym przepływ czynnika są pompy obiegowe, nie pompy ciepła, zainstalowane na przewodzie zasilającym centrale wentylacyjne FCH roztworem 35-procentowego glikolu etylenowego, który jest bezpieczny dla środowiska.

Rys. 4. Zestawienie oporów powietrza na poszczególnych elementach central: a) układ 1 centrali FCH – 100% funkcji, b) układ 2 centrali FCH – 20% funkcji

Centrale FCH HVAC

Kolejnym etapem pozyskania energii ciepła i chłodu jest transformacja energii do specjalnych energooszczędnych central, które mają układ czerpni i wyrzutni, pozwalający znacznie obniżyć, kolejny raz, zużycie energii elektrycznej i ciepła. Dlaczego centrala FCH redukuje emisję CO₂, skoro są inne urządzenia pracujące od lat w systemach HVAC o podobnej konstrukcji i nie odznaczają się one takimi właściwościami jak w opisanej technologii FCH? Odpowiedź na pytanie jest bardzo prosta – centrale FCH dają nam możliwość wyboru aplikacji i redukcji oporów przepływu powietrza, co zaprezentujemy w dalszej części w skali od 100% do 20%.

Różnice w kosztach eksploatacji i zużycia energii elektrycznej oraz ciepła wynikają:

• z braku kosztów spowodowanych zwiększoną ilością zużycia energii na pokonanie oporów miejscowych; różnicę zużycia energii w zależności od aplikacji przedstawiono poniżej w punktach 1 i 2;
• z braku strat ciepła i chłodu na kanałach prowadzonych na dachu, które występują w przypadku zastosowania tradycyjnych central HVAC. Są instalacje, w których powierzchnia kanałów zainstalowanych w strefach dachu jest większa od kanałów pod dachem, co powoduje straty energii i podnosi znacznie koszt każdej inwestycji.

1. Centrale FCH HVAC w układzie 1 – 100% funkcji i w układzie 2 – 20% funkcji

Układ 1 to typowa centrala HVAC z instalacją i typowe zużycie energii przy stałych oporach przepływu powietrza wentylacyjnego na poziomie 605 Pa.

Układ 2 to typowa centrala FCH HVAC z funkcjami, które w zależności od algorytmu dają możliwość redukcji oporów przepływu z 605 do 97 Pa.

2. Zużycie energii elektrycznej dla poszczególnych układów

Zużycie energii elektrycznej, zgodnie z informacją producenta, dla układu 1 przy oporach przepływu powietrza wynoszących maks. 605 Pa to 7,89 kWh, natomiast dla układu 2 i przy minimalnych oporach przepływu powietrza wynoszących min. 97 Pa zużycie energii spada do 4,41 kWh. Różnica w zużyciu energii elektrycznej to 7,89 kWh – 4,41 kWh = 3,48 kWh, 44%.

W drugiej części artykułu:

• Projektowany obszar temperatur T_Z (–20°C/od +32°C do +35°C)
• Redukcja zużycia energii elektrycznej
• Optymalizacja kosztów eksploatacji i kosztów inwestycji

Druga część artykułu dostępna jest w numerze 2/2023 miesięcznika „Inżynier Budownictwa”.

Wojciech Struzik inżynier sanitarny

Marek Wicher inżynier budownictwa

Literatura

1. Biuro Patentowe Rzeczpospolitej Polskiej: zgł. nr 398322 patent nr 222485 B1 z dnia 05.03.2012 r. Układ urządzeń do pozyskiwania wody lodowej z instalacji wody gruntowej dla urządzeń klimatyzacyjnych i chłodniczych. Data zgłoszenia 05.03.2012 r. Publikacja BUP A1 2016-08-31 08/2016, P001. Nr WUP08/2016.
2. Biuro Patentowe Rzeczpospolitej Polskiej: zgł. nr 415163 patent nr 229828 A1 z dnia 12.2015 r. Centrale z układem urządzeń wymuszającym obieg powietrza w procesie wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń w różnych warunkach klimatycznych. Publikacja BUP A1 2018-08-31 08/2018, P001. Nr WUP 08/2018.
3. Biuro Patentowe Rzeczpospolitej Polskiej: zgł. nr 414730 patent nr 229827 z dnia 09.11.2015 r. Układ urządzeń do pozyskiwania ciepłej wody z instalacji wody gruntowej dla urządzeń klimatyzacji i wentylacji. Publikacja BUP A1 2018-08-31 08/2018, P001. Nr WUP 08/2018.