POLITECHNIKA ŚLĄSKA

Wydział Inżynierii Środowiska

i Energetyki

Instytut Techniki Cieplnej

Kierunek studiów: Energetyka

Specjalnośd: Procesy i Systemy Energetyczne

STUDIA STACJONARNE

PROJEKT INŻYNIERSKI

Tomasz Grzesiok

Analiza możliwości wykorzystania ciepła odpadowego

z wody dołowej w kopalni węgla kamiennego

z wykorzystaniem pompy ciepła

Kierujący projektem:

Prof. dr hab. inż. Andrzej J. Nowak

Gliwice, styczeń 2011

2

……………......., dnia ……………………..

………………………………………………………….

(imię i nazwisko studenta)

………………………………………………………….

(nr albumu)

………………………………………………………….

(kierunek studiów)

………………………………………………………….

(rodzaj i forma studiów)

OŚWIADCZENIE

Świadomy/a odpowiedzialności karnej za składanie fałszywych zeznań oświadczam, że
przedkładana praca magisterska/inżynierska na temat:
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.................
została napisana przeze mnie samodzielnie.
Jednocześnie oświadczam, że ww. praca:
− nie narusza praw autorskich w rozumieniu ustawy z dnia 4 lutego 1994 roku o prawie autor-
skim i prawach pokrewnych (Dz.U. z 2000 r. Nr 80, poz. 904, z późniejszymi zmianami) oraz
dóbr osobistych chronionych prawem cywilnym, a także nie zawiera danych i informacji,
które uzyskałem/am w sposób niedozwolony,
− nie była wcześniej podstawą żadnej innej urzędowej procedury związanej z nadawaniem
dyplomów wyższej uczelni lub tytułów zawodowych.

………………………………………………

(podpis studenta)

3

Spis treści

Spis oznaczeo........................................................................................................................................... 4

1.

Wstęp i motywacje ...................................................................................................................... 5

2.

Założenia...................................................................................................................................... 6

2.1. Generalne założenia do projektu ............................................................................................. 6

2.2. Ograniczenia ............................................................................................................................. 6

2.3. Charakterystyka pompy ciepła ................................................................................................. 7

3.

Oszacowanie zasobów energii zawartej w wodzie dołowej ........................................................ 9

4.

Zapotrzebowanie energii do przygotowania wody kąpielowej w kopalni ................................ 11

5.

Analiza możliwości zainstalowania pompy ciepła wykorzystującej energię zawartą w wodzie

dołowej .................................................................................................................................................. 12

6.

Określenie głównych parametrów pompy ciepła...................................................................... 14

7.

Magazynowanie wody w zasobnikach ...................................................................................... 19

8.

Obliczenia cieplne wymienników w pompie ciepła ................................................................... 21

8.1.

Skraplacz ............................................................................................................................ 22

8.2.

Parownik ............................................................................................................................ 24

9.

Analiza ekonomiczna przedsięwzięcia ....................................................................................... 28

10.

Podsumowanie i wnioski koocowe ........................................................................................... 30

Spis literatury ........................................................................................................................................ 31

4

Spis oznaczeń

c

w

- ciepło właściwe wody, kJ/kgK

i - entalpia właściwa, kJ/kg
Ku - liczba Kutateładzego

- strumień masowy, kg/s

N

e

- efektywna mechaniczna moc napędowa, kW

N

el

- moc elektryczna, kW

N

i

- moc wewnętrzna, kW

Nu - liczba Nusselta

- jednostkowy strumień ciepła, W/m

2

- zapotrzebowanie ciepła, GJ

- strumień wymienianego ciepła, kW

- strumień ciepła grzejnego, kW

- strumień ciepła pobrany w parowniku, kW

p - ciśnienie, Pa
Pr - liczba Prandtla
r - entalpia parowania, kJ/kg
Re - liczba Reynoldsa

t, T - temperatura,

⁰C, K

V

j

- jednostkowe zużycie wody, m

3

/osoba

- strumień objętościowy, m

3

/s

α - współczynnik wnikania ciepła, W/m

2

K

ε

i

- wewnętrzny współczynnik efektywności grzejnej

ρ - gęstość, kg/m

3

λ - współczynnik przewodzenia ciepła, W/mK

Indeksy:
w - woda sieciowa
w1 - woda sieciowa przed wymiennikiem
w2 - woda kąpielowa
wd - woda dołowa
p - parowanie
r - czynnik roboczy
s - skraplanie
sc - warstwa przyścienna płynu
‘ - ciecz w punkcie pęcherzyków
‘‘ - para nasycona sucha

W spisie nie zawarto oznaczeń i symboli pojawiających się tylko raz w tekście pracy. Ich
znaczenie będzie wyjaśnione w miejscu ich użycia.

5

1. Wstęp i motywacje

Celem projektu jest rozważenie możliwości odzysku energii odpadowej z wody dołowej

w kopalni węgla kamiennego. Woda ta musi być wypompowywana z kopalni, po to by za-
pewnić utrzymanie ruchu. Jak można się domyślić, zasoby energii odpadowej w niej zawartej
są bardzo duże i dlatego warto podjąć próbę ich zagospodarowania. Obecnie na wykorzysta-
nie energii odpadowej zwraca się coraz większą uwagę, głównie ze względu na konieczność
oszczędzania zasobów paliw kopalnych. Impulsem do zagospodarowania takiej energii może
być zarówno wzrost cen podstawowych paliw i nośników energii, jak i postęp technologicz-
ny, pozwalający wykorzystać energię dotychczas bezużytecznie odprowadzaną do otoczenia

[4].

Energia odpadowa wód kopalnianych jest energią niskotemperaturową. W tym projek-

cie zostanie zaproponowany sposób jej wykorzystania do przygotowania ciepłej wody użyt-

kowej. W praktyce temperatura wód dołowych mieści się w granicach 18-25

⁰C, nie nadają się

one więc do bezpośredniego wykorzystania do celów grzejnych. Ze względu na tą stosunko-
wo niską temperaturę, niezbędne będzie wykorzystanie pompy ciepła i podniesienie tempera-
tury na wyższy poziom. Po uwzględnieniu zapotrzebowania energii, zostanie przedstawiona
techniczna koncepcja proponowanego rozwiązania wykorzystującego pompę ciepła. Dokona-
na zostanie również prosta analiza ekonomiczna przedsięwzięcia, mająca na celu stwierdze-
nie, czy będzie ono uzasadnione ekonomicznie. Niniejszy projekt powinien odpowiedzieć na

pytanie, czy proponowane rozwiązanie da szansę wyeliminowania stosowanego do tej pory w

kopalnianej łaźni ogrzewania parowego.

6

2. Założenia

2.1. Generalne założenia do projektu

Jako źródło energii odpadowej rozważa się w tym projekcie wodę dołową (podziemną)

pochodzącą z głównego odwadniania kopalni, pompowaną z poziomu 680m. Średnia tempe-

ratura tej wody wynosi t

wd

= 22°C, zaś jej strumień objętościowy to

= 4190 m

3

/doba. Jest

ona pompowana tylko w czasie tzw. dolin elektroenergetycznych ze średnią dobową wydaj-

nością

= 270 m

3

/h. W chwili obecnej woda ta wykorzystywana jest do przygotowania pod-

sadzki. Należy podkreślić, iż odzyskanie energii odpadowej z tej wody nie będzie kolidowało

z jej dotychczasowym wykorzystaniem.

Jak już powiedziano, energia odpadowa będzie spożytkowana do przygotowania ciepłej

wody użytkowej. O zapotrzebowaniu na nią decydują: liczebność załogi, liczba kąpieli na
dobę oraz ich rozłożenie w czasie. Zgodnie z posiadanymi danymi załoga liczy 4220 osób, z
których 4100 stanowi grupę przemysłową. Liczba kąpieli na dobę wynosi 3350 i jest ona roz-
łożona na trzy zmiany. Podstawą oceny opłacalności ekonomicznej przedsięwzięcia będzie
porównanie kosztów tradycyjnego przygotowania ciepłej wody użytkowej, opartego na

ogrzewaniu parowym, z kosztami w przypadku wykorzystania ciepła odpadowego z wody

dołowej za pomocą pompy ciepła.

2.2. Ograniczenia

Analizując możliwość przygotowania ciepłej wody użytkowej z wykorzystaniem ener-

gii odpadowej, uwzględniono następujące ograniczenia:

układ odzysku ciepła z wody dołowej musi zaspokoić potrzeby kąpielowe załogi kopalni,

ilość odzyskiwanego ciepła jest uzależniona od dobowego pozyskania wody dołowej, któ-
re jest ściśle ograniczone,

woda dołowa pompowana jest na powierzchnię tylko w godzinach dolin elektroenerge-

tycznych,

korzystanie ze szczytowej energii elektrycznej jest możliwe tylko w niezbędnych i eko-

nomicznie uzasadnionych przypadkach,

ze względu na możliwość oblodzenia wymienników ciepła, temperatura powierzchni wy-
miany ciepła nie może być niższa niż +2°C,

temperatura wody kąpielowej nie może być niższa niż 42°C,

czynnikiem roboczym w pompie ciepła nie może być żaden z freonów zakwalifikowanych
do wycofania z użycia w najbliższym czasie bądź już wycofanych,

7

należy się kierować również zasadą minimalizacji kosztów inwestycyjnych.

Obliczenia zasadniczo prowadzone są dla wartości dobowych. W niektórych sytuacjach wiel-

kości dobowe będą przeliczone na strumienie.

2.3. Charakterystyka pompy ciepła

Ogólnie można stwierdzić, że pompa ciepła jest urządzeniem umożliwiającym wyko-

rzystanie energii cieplnej źródeł niskotemperaturowych. Transportuje ona ciepło od ciała o

temperaturze niższej do ciała o temperaturze wyższej. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy do
układu zostanie doprowadzona energia z zewnątrz. Pompa ciepła może więc być napędzana
energią elektryczną (sprężarkowa pompa ciepła) lub ciepłem (absorpcyjna pompa ciepła).
Poza tym wyróżnia się pompy ciepła strumienicowe oraz termoelektryczne. Biorąc pod uwa-
gę uwarunkowania niniejszego projektu, należy się w nim skupić na wykorzystaniu sprężar-
kowej pompy ciepła.

Zasadniczymi elementami wchodzącymi w skład sprężarkowej pompy ciepła są: sprę-

żarka, zawór dławiący, parownik i skraplacz, co zilustrowano na Rys. 2.1. W wewnętrznym
obiegu pompy krąży odpowiednio dobrany czynnik roboczy. Przepływając przez parownik
ulega on odparowaniu, pobierając ciepło z tzw. dolnego źródła. Wytworzona para nasycona
sucha jest następnie sprężana za pomocą sprężarki do ciśnienia panującego w skraplaczu. Po
sprężeniu, na skutek którego wzrasta także temperatura czynnika roboczego, trafia on do dru-

giego wymiennika – skraplacza. Tam zmienia stan skupienia i oddaje ciepło do przestrzeni

grzanej lub innego czynnika. Uzyskana ciecz jest następnie rozprężana w zaworze dławiącym,
skąd ponownie płynie do parownika i cały cykl się powtarza.

Dla scharakteryzowania efektów energetycznych działania pompy ciepła stosuje się

wskaźnik efektywności energetycznej

pg

, wyrażający stosunek ciepła grzejnego do zużycia

energii napędowej [7]. W praktyce wskaźnik ten przyjmuje wartości od 3 do 5. Im jest on
większy, tym więcej ciepła uzyskuje się z jednostki energii napędowej doprowadzonej do
sprężarki. Dla sprężarkowej pompy ciepła według [7] obowiązuje wzór:

pg

=

(2.1)

gdzie:

- strumień ciepła grzejnego, kW

N

e

– efektywna mechaniczna moc napędowa, kW

8

Efektywna mechaniczna moc napędowa sprężarki N

e

różni się od mocy elektrycznej N

el

o wielkość strat elektrycznych. Natomiast moc wewnętrzna sprężarki (N

i

) jest mniejsza od

mocy mechanicznej N

e

o straty mechaniczne.

Rys. 2.1. Schemat sprężarkowej pompy ciepła.

9

3. Oszacowanie zasobów energii zawartej w wodzie dołowej

Na wstępie warto powiedzieć, że energia zawarta w wodach kopalnianych pochodzi z

ciepła generowanego w skorupie ziemskiej. Woda stanowi naturalny i łatwy do transportu
nośnik, umożliwiający transport tej energii na powierzchnię ziemi, gdzie może zostać wyko-
rzystana (w podziemnej części kopalni bowiem nie ma zapotrzebowania na ciepło). Tempera-
tura takiej wody zależy w głównej mierze od głębokości, warunków geologicznych, ale też od
sposobu jej transportu z części podziemnej. Nie ulega wątpliwości, że najbardziej korzystna
jest woda o jak najwyższej temperaturze. Woda taka niesie ze sobą więcej energii możliwej
do zagospodarowania, ale też mniej potrzeba energii elektrycznej na napęd pomp tłoczących
taką wodę (wraz ze wzrostem temperatury wody spada jej lepkość, co powoduje zmniejszenie
oporów przepływu) [6].

Głównymi warunkami stawianymi dla wykorzystania wody podziemnej są jej odpo-

wiedni skład fizykochemiczny oraz znaczna wydajność [3]. Jeśli chodzi o skład wody pod-

ziemnej, to ważne jest, aby nie była zbyt twarda, gdyż osadzający się w takim przypadku na

wymienniku kamień ograniczy wymianę ciepła i zwiększy opory przepływu. Poza tym poja-

wia się problem korozyjności, która jest wprost proporcjonalna do temperatury. Z uwagi na

powyższe czynniki, wykorzystanie wody dołowej jako dolnego źródła dla pompy ciepła może
wiązać się z zastosowaniem wymiennika pośredniego. W tym projekcie jednak zakładamy, że
woda jest czysta, dlatego wymiennik pośredni nie jest konieczny.

W niniejszym projekcie rozważamy wodę dołową pochodzącą z głównego odwadniania

kopalni, pompowaną z poziomu 680m, której średnia temperatura wynosi t

wd

= 22°C. Doko-

nując szacunkowego określenia zasobów energetycznych musimy założyć również temperatu-
rę, do której woda ta może zostać ochłodzona w wymienniku pompy ciepła. W naszym przy-

padku przyjmujemy, że temperatura ta wyniesie t

wk

= 6°C. Ponadto zakładamy, że temperatu-

ra wody dołowej na dolocie do wymiennika pompy ciepła będzie równa jej temperaturze na
poziomie, z którego jest pompowana. Szacunkowy dobowy zasób energii odpadowej E

wd

możliwy do pozyskania będzie równy:

E

wd

=

wd

· V

wd

· c

wd

·( t

wd

-

t

wk

)

(3.1)

gdzie:
ρ

wd

– gęstość wody dołowej, kg/m

3

V

wd

– dobowa objętość przepompowanej wody dołowej, m

3

c

wd

– ciepło właściwe wody dołowej, kJ/kgK

t

wd

– temperatura wody dołowej,

⁰C

t

wk

– temperatura końcowa wody dołowej (po oddaniu ciepła),

⁰C

10

Otrzymany wynik: E

wd

= 280,6 GJ

Trzeba przyznać, że oszacowane zasoby energii są bardzo duże, lecz tylko jej część bę-

dzie można odzyskać w uzasadniony ekonomicznie sposób. Warto pamiętać również o okre-
sowej zmienności temperatury dolnego źródła, jednak te zmiany nie powinny być na tyle du-
że, by uniemożliwić pokrycie wymaganego zapotrzebowania.

Podsumowując należy powiedzieć, że woda podziemna po spełnieniu odpowiednich

kryteriów jest bardzo atrakcyjnym źródłem ciepła niskotemperaturowego. Dzięki korzystnym
właściwościom fizycznym, szczególnie dużej właściwej pojemności cieplnej, woda jest bar-
dzo dobrym nośnikiem ciepła [9].W praktyce dla układów pomp ciepła typu woda/woda uzy-
skuje się wysokie współczynniki efektywności.

11

4. Zapotrzebowanie energii do przygotowania wody kąpielowej w ko-

palni

Zgodnie z założeniem projektu, układ odzysku ciepła z wody dołowej musi w całości

zaspokoić potrzeby kąpielowe załogi kopalni. Podstawowymi danymi, jakie musimy posiadać
dla określenia zapotrzebowania na energię, są liczba kąpieli na dobę oraz zużycie wody na
jedną kąpiel. Musimy również założyć temperaturę wody kąpielowej.

Zgodnie z informacją kopalni, kąpiele są rozłożone na trzy zmiany, a ich liczba w sumie

wynosi 3350. Zużycie wody na jedną kąpiel zakładamy zgodnie z rozporządzeniem określają-

cym przeciętne normy zużycia wody (Dz.U. 2002.8.70). Według niego przy pracach szcze-

gólnie brudzących lub ze środkami toksycznymi przeciętne zużycie wody przez jedną osobę

wynosi V

j

= 90 l/osobę. Przyjmujemy poza tym, że temperatura wody kąpielowej będzie się

równać t

w2

= 42°C, czyli będzie równa minimalnej wymaganej w przypadku tego projektu.

Średnioroczną wartość temperatury wody z sieci zakładamy natomiast jako t

w1

= 10°C.

Wykorzystując powyższe dane i założenia obliczamy dobowe zapotrzebowanie energii

do przygotowania wody kąpielowej:

Q = 3350 · V

j

·

w

· c

w

·(t

w2

- t

w1

)

(4.1)

gdzie:

V

j

– jednostkowe zużycie wody, m

3

/osoba

t

w1

– temperatura wody sieciowej,

⁰C

t

w2

– temperatura wody kąpielowej,

⁰C

Otrzymany wynik: Q = 40,3 GJ

Potrzeby energetyczne związane z przygotowaniem wody kąpielowej stanowią zaled-

wie około 14,4% zasobów energii zawartej w wodzie dołowej. Bardzo znaczna ilość energii
odpadowej pozostanie więc niewykorzystana. Należy jednak mieć na uwadze to, że przyjęta
w obliczeniach wartość zużycia wody na kąpiel może być mniejsza niż wartość rzeczywista.
Może to wynikać ze szczególnie trudnej pracy fizycznej, której nieodzownym elementem są
duże zabrudzenia.

12

5. Analiza możliwości zainstalowania pompy ciepła wykorzystującej

energię zawartą w wodzie dołowej

Analizując możliwość zainstalowania pompy ciepła w rozważanym przypadku należy

przede wszystkim stwierdzić, czy urządzenie to będzie w stanie pokryć wymagane zapotrze-
bowanie na ciepło. Stwierdzono już, że teoretyczne zasoby energii zawartej w wodzie doło-
wej znacznie przewyższają zapotrzebowanie na energię do przygotowania wody kąpielowej.
Należy jednak zauważyć, że okresy pompowania wody z kopalni, a tym samym działania
pompy ciepła tylko w pewnej części pokrywają się z porami kąpieli. Niezbędne więc stanie
się akumulowanie energii, a w tym przypadku najprostszym rozwiązaniem będzie zainstalo-

wanie zasobników o odpowiednio dużej objętości do magazynowania wody podgrzanej w

wymienniku pompy ciepła. Ogólnie można powiedzieć, że im większa będzie moc zainstalo-
wanej pompy ciepła, tym mniejsze będą zasobniki [5]. Pompa o większej mocy umożliwi

bowiem podgrzanie wody do wyższej temperatury, a tym samym mniej wody będzie potrzeba

do przygotowania wody kąpielowej o temperaturze t

w2

= 42°C. Należy jednak pamiętać, iż

pompa ciepła większej mocy niesie ze sobą większe koszty inwestycyjne. Dobór mocy pom-
py ciepła powinien być więc przeprowadzony na drodze optymalizacji poprzez sprawdzenie
opłacalności ekonomicznej kilku alternatywnych wariantów.

Zgodnie z założeniem projektu woda dołowa pompowana jest na powierzchnię tylko w

godzinach dolin elektroenergetycznych, a korzystanie z droższej szczytowej energii elek-
trycznej może mieć miejsce tylko w niezbędnych i ekonomicznie uzasadnionych przypad-

kach. Energia elektryczna będzie używana zarówno do napędu sprężarki i układów sterowa-

nia w pompie ciepła, jak i pomp tłoczących wodę dołową z głębi kopalni.

Jako dolinę elektroenergetyczną wyróżniamy w okresie letnim, obejmującym miesiące

od marca do września, godziny od 22.00 do 7.00 i od 13.00 do 19.00. Natomiast w okresie

zimowym (od października do lutego) okres ten przypada na godziny od 21.00 do 7.00 oraz

od 13.00 do 16.00. Jeśli chodzi o zużycie wody kąpielowej, to kąpiele odbywają się w łaźni

na trzech zmianach – odpowiednio A, B i C. Godziny, na jakie przypadają te zmiany i liczbę

kąpieli obrazuje poniższa tabela 5.1.

Tabela 5.1. Liczba kąpieli na poszczególnych zmianach.

Zmiana

Pora dnia

Liczba kąpieli/dobę

A

13.30 – 14.30

1630

B

20.45 – 21.45

860

C

4.30 – 7.30

860

Razem

3350

13

Nietrudno zauważyć, iż największa liczba osób kąpiących się występuje na zmianie A

(w ciągu godziny od 13.30 do 14.30 liczba kąpieli/dobę wynosi 1630). Właśnie ta zmiana
decydować będzie o wymaganej pojemności zasobników gorącej wody. Obserwując rozłoże-
nie zmian w czasie w stosunku do okresów możliwej pracy pompy, nasuwa się wniosek, iż
jest ono stosunkowo niekorzystne. Trzeba tutaj zauważyć, że okresy magazynowania gorącej
wody będą stosunkowo długie, co może się wiązać z pewnymi stratami ciepła. Przykładowo
dla zmiany A zaczynającej się o 13.30 część wody będzie przygotowana od godziny 13.00,
zaś cała reszta będzie pochodzić sprzed godziny 7.00. Podobnie dla zmiany B zaczynającej
się o 20.45 cała woda będzie musiała być przygotowana przed godziną 16.00 w okresie zi-

mowym.

Schemat proponowanego rozwiązania układu przygotowania wody kąpielowej przed-

stawiono na Rys. 5.1. W dalszej części pracy wyznaczone zostaną podstawowe parametry

przedstawionej tu sprężarkowej pompy ciepła.

Rys. 5.1. Schemat układu przygotowania wody kąpielowej.

14

6. Określenie głównych parametrów pompy ciepła

Głównym parametrem pompy ciepła, jaki możemy na wstępie określić jest jej moc

grzewcza. Wyznaczona ona zostanie względem okresu, kiedy pompa musi wyprodukować

najwięcej ciepła w ciągu doby. W analizowanym przypadku będzie to okres produkcji ciepła
dla zmiany B. Przyjmujemy, że ciepło potrzebne dla tej zmiany pompa będzie dostarczała w

godzinach 14.00-16.00. Po tym okresie nie ma już możliwości pracy (w okresie zimowym) ze

względu na szczyt elektroenergetyczny. Natomiast przed 14.00 urządzenie będzie jeszcze
pracować na rzecz zmiany A, która kończy się o 14.30. Zgodnie z tym rozumowaniem wy-

znaczamy chwilową moc grzewczą pompy ciepła:

=

·

w

· c

w

·(t

w2

- t

w1

)

(6.1)

gdzie:
t

pr

– czas pracy pompy ciepła od 14.00 do 16.00, s

Otrzymany wynik:

= 1437 kW

Następnie wyznaczamy także wymagany dobowy czas pracy pompy o tej mocy. W

tym celu dzielimy obliczone dobowe zapotrzebowanie na energię (40,3 GJ) przez wyznaczo-

ną chwilową moc grzewczą. Otrzymany wynik to 7h 48min.

Kolejnymi ważnym parametrami pompy ciepła są pobrana moc elektryczna oraz współ-

czynnik efektywności. Wszystkie parametry podaje się dla danych temperatur parowania i

skraplania. Temperatura parowania jest zwykle o kilka stopni niższa od temperatury dolnego

źródła, z którego pobierane jest ciepło. Natomiast temperatura skraplania musi być co naj-
mniej kilka stopni wyższa od temperatury wylotowej ogrzewanego czynnika (górne źródło).

Podstawowym założeniem, jakie musimy przyjąć w celu wyznaczenia parametrów pro-

jektowanej pompy ciepła, jest ustalenie temperatury wody produkowanej przez pompę ciepła.
Przyjęta wartość determinować będzie poziom temperatury w skraplaczu. Zgodnie z wcze-
śniejszymi założeniami temperatura wody kąpielowej będzie równa t

w2

= 42°C. Aby ją uzy-

skać, woda ogrzana w skraplaczu pompy ciepła będzie mieszana z wodą sieciową o średnio-
rocznej temperaturze równej t

w1

= 10°C. Z uwagi na konieczność budowy zasobników, do-

brym wyjściem jest zastosowanie jak najwyższej temperatury górnego źródła ciepła, co

umożliwi zastosowanie zasobników o mniejszej objętości. Z drugiej jednak strony większa

różnica temperatur spowoduje zmniejszenie współczynnika efektywności grzejnej pompy
ciepła. Poza tym należy wziąć pod uwagę ograniczenie temperaturowe ze względu na krążący
w obiegu czynnik roboczy, tak aby jego ciśnienie nie stwarzało niebezpieczeństwa wystąpie-

15

nia awarii. W praktyce nie stosuje się temperatur skraplania powyżej 80°C. Po uwzględnieniu
powyższych przesłanek założono temperaturę wody opuszczającej skraplacz na 65°C.

Jednym z najważniejszych punktów projektu jest dobranie odpowiedniego czynnika ro-

boczego do pompy ciepła. Własności termodynamiczne czynników obiegowych w dużej mie-
rze wpływają bowiem na efektywność energetyczną oraz własności eksploatacyjne urządzeń
chłodniczych, do których zalicza się również pompy ciepła. Do czynników najczęściej stoso-
wanych w pompach ciepła należą głownie czynniki syntetyczne, takie jak: R134a, R227ea,

R404a, R407c, R410a, można również stosować czynniki naturalne – przede wszystkim amo-

niak oznaczany jako R717. Właśnie wyżej wymienione substancje będą brane pod uwagę

przy wyborze najbardziej odpowiedniej w przypadku tego projektu.

Analizując przemiany zachodzące w sprężarkowych urządzeniach chłodniczych, za

podstawę przyjmuje się obieg Lindego. W obiegu tym czynnik ulega odparowaniu pobierając
w parowniku ciepło od ochładzanego ośrodka (w tym przypadku wody kopalnianej). Proces

ten przebiega przy stałym ciśnieniu parowania i stałej temperaturze w przypadku czynników

jednorodnych lub roztworów azeotropowych. W przypadku suchego obiegu Lindego przyj-

mujemy, że parownik opuszcza para nasycona sucha. W przewodzie ssawnym sprężarki może

dochodzić dodatkowo do jej przegrzania. Para zasysana przez sprężarkę jest w niej sprężana

do ciśnienia panującego w skraplaczu. W skraplaczu następuje ochładzanie pary przegrzanej
przy stałym ciśnieniu, a następnie jej skraplanie. Dodatkowo po skropleniu może dojść do
dochłodzenia cieczy czynnika roboczego, co w praktyce jest korzystne, gdyż wpływa na
zwiększenie współczynnika efektywności urządzenia. Dochłodzony czynnik dopływa następ-
nie do zaworu dławiącego, w którym ulega zdławieniu przy stałej entalpii do ciśnienia paro-

wania.

Założenia przyjęte w obliczeniach obiegu:

Przegrzanie par czynnika: ΔT’’= 1K

Przechłodzenie skroplin czynnika: ΔT’= 2K

Temperatura parowania: t

p

= 9°C

Temperatura skraplania: t

s

= 70°C

Sprawność wewnętrzna sprężarki: η

is

= 0,8

Sprawność elektromechaniczna sprężarki: η

mel

= 0,95

Podstawowe zależności wykorzystane w obliczeniach:

Wewnętrzny współczynnik efektywności grzejnej:

ε

i

=

=

(6.2)

16

Strumień masowy czynnika roboczego

:

=

(6.3)

Sprawność wewnętrzna sprężarki:

η

is

=

(6.4)

Sprawność elektromechaniczna sprężarki:

η

mel

=

(6.5)

Bilans energii pompy ciepła:

(6.6)

gdzie:

- strumień ciepła pobrany w parowniku, kW

Za pomocą programu Engineering Equation Solver dokonano analizy obiegu pompy

ciepła przy powyższych założeniach dla grupy wymienionych wcześniej czynników chłodni-
czych. Najwyższy współczynnik efektywności uzyskano dla amoniaku (co obrazuje tabela

6.1), jednak ze względów bezpieczeństwa (toksyczność i niebezpieczeństwo wybuchu) zde-

cydowano się go nie stosować w projektowanej pompie ciepła. Ostatecznie przyjęto, że zasto-
sowany zostanie czynnik R134A, dla którego współczynnik efektywności okazał się najwięk-
szy spośród analizowanych czynników syntetycznych.

Tabela 6.1: Współczynniki efektywności dla różnych czynników chłodniczych

Czynnik chłodniczy

R717

R134A

R404A

R407C

R410A

Wewnętrzny współczynnik

efektywności grzejnej ε

i

3,848

3,415

2,552

2,272

2,775

Wybrany czynnik R134a jest jednym z najpopularniejszych zamienników wycofanego

ze stosowania czynnika R12. Jest on w pełni bezpieczny dla warstwy ozonowej (nie zawiera
atomów chloru) i nie jest substancją trującą, chociaż niektóre produkty jego rozkładu mogą
wykazywać działanie toksyczne. Czynnik R134a jest bardzo stabilny termicznie; w warun-
kach normalnych jest substancją niepalną i niewybuchową, jedynie pod wysokim ciśnieniem i
z 60% udziałem powietrza może tworzyć mieszaninę wybuchową [2]. Warto zwrócić uwagę,
iż czynnik ten jest mieszalny tylko z olejami estrowymi lub olejami typu PAG. Reaguje on z
elementami wykonanymi z magnezu, cynku, ołowiu oraz stopów aluminium zawierających

ponad 2% magnezu, wobec czego w instalacji, gdzie jest stosowany, nie należy takich

17

umieszczać [8]. Czynnik ten charakteryzuje się stosunkowo wysoką higroskopijnością, wobec
czego należy zwrócić szczególną uwagę na szczelność instalacji, tak by nie dochodziło do
pochłaniania wilgoci z powietrza.

Na poniższym wykresie (Wykres 6.1.) przedstawiono przemiany termodynamiczne re-

alizowane w obiegu Lindego. Na wykresie tym linią przerywaną przedstawiono przemianę

teoretyczną izentropowego sprężania 1-2s. W analizie na potrzeby projektu założony został
bliższy rzeczywistości przebieg sprężania zobrazowany linią 1-2. Posługując się poniższym
obiegiem wyznaczone zostały główne parametry pompy ciepła. Należy pamiętać, iż dokonano

tutaj pewnego przybliżenia rzeczywistych przemian, nie uwzględniając na przykład spadków

ciśnienia czynnika roboczego przy jego przepływie przez wymienniki.

Wykres 6.1. Przebieg przemian czynnika w pompie ciepła na wykresie p – i.

Wyniki analizy termodynamicznej obiegu pompy ciepła:

Najważniejsze parametry pompy ciepła:

Współczynnik efektywności grzejnej: ε

i

= 3,415

Strumień ciepła oddany w skraplaczu:

= 1437 kW

Strumień ciepła pobrany w parowaczu:

= 1016,2 kW

Moc wewnętrzna sprężarki: N

i

= 420,8 kW

Moc elektryczna doprowadzona do sprężarki: N

el

= 442,9 kW

Charakterystyczne ciśnienia i temperatury czynnika:

Ciśnienie parowania: p

p

= 4,012 bar

18

Ciśnienie skraplania: p

s

= 21,182 bar

Temperatury: t

1

= 10

⁰C, t

2

= 83,3

⁰C, t

3

= 68

⁰C, t

4

= t

p

= 9

⁰C

Entalpie w poszczególnych punktach obiegu:

i

1

= 256,5 kJ/kg

i

2s

= 291,0 kJ/kg

i

2

= 299,6 kJ/kg

i

3

= i

4

= 152,6 kJ/kg

Pozostałe parametry:

Temperatura, do której ochładza się wodę dołową (obliczona dla jej średniej dobowej
wydajności równej 270 m

3

/h): t

wk

= 18,76

⁰C

Strumień czynnika roboczego:

= 9,774 kg/s

Strumień wody sieciowej pobierającej ciepło w skraplaczu:

= 6,236 kg/s

19

7. Magazynowanie wody w zasobnikach

Zgodnie z wcześniejszym założeniem skraplacz pompy ciepła opuszczać będzie woda

podgrzana do temperatury 65°C. Wymagany strumień masowy tej wody wynosi 6,236 kg/s.
Oznacza to, że pompa ciepła w ciągu godziny podgrzeje 22,606 m

3

wody do temperatury

65°C. Tabela 7.1. pokazuje m. in. ile tej gorącej wody potrzebne będzie do zaspokojenia po-
trzeb poszczególnych zmian.

Tabela 7.1: Zapotrzebowanie na wodę i ciepło na poszczególnych zmianach.

Zmiana

Zapotrzebowanie na wodę

kąpielową [m

3

]

Zapotrzebowanie na wodę

o temp. 65°C [m

3

]

Zapotrzebowanie na

energię [GJ]

A

146,70

85,353

19,611

B

77,40

45,033

10,347

C

77,40

45,033

10,347

Razem

301,50

175,418

40,304

Aby pokryć wymagane zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową dobowy czas pracy

pompy ciepła powinien być równy zgodnie z wcześniejszymi obliczeniami 7h 48min. Można
więc przyjąć, że czas ten będzie w praktyce wynosił 8 godzin. Aby móc określić wymaganą
objętość zasobników, konieczne jest przyjęcie optymalnych okresów pracy urządzenia. Po
analizie rozmieszczenia w czasie poszczególnych zmian w łaźni i uwzględnieniu ograniczeń
(praca tylko w okresie dolin elektroenergetycznych) przyjęto, że pompa ciepła pracować bę-

dzie w godzinach 2.00 - 7.00 i 13.00 - 16.00, zarówno w okresie letnim, jak i zimowym.

Zgodnie z tym założeniem opracowano wykres obrazujący napełnianie zasobników gorącą
wodą o temperaturze 65°C, który przedstawiono poniżej (Wykres 7.1.).

20

Wykres 7.1. Objętość wody w zasobnikach w ciągu doby.

Z powyższego wykresu odczytać możemy minimalną objętość zasobników magazynu-

jących gorącą wodę. Jest ona określona przez maksymalną chwilową objętość magazynowa-

nej wody, co ma miejsce o godzinie 13.30. Właśnie wtedy rozpoczyna się zmiana A, na której

mamy do czynienia z największą liczbą osób kąpiących się. Według obliczeń o godzinie
13.30 w zbiornikach powinno być 79,303 m

3

wody. Dla uproszczenia można założyć mini-

malną objętość zasobników V

zmin

= 80 m

3

. Przy przyjęciu, że wybudowany zostałby jeden

zasobnik cylindryczny, jego przykładowymi wymiarami mogłyby być: średnica 4 m i wyso-
kość 6,37 m. Na wykresie widać ponadto, iż po zakończeniu ostatniej zmiany o godzinie

21.45 w zasobniku pozostaje jeszcze niewielka ilość wody. Wynika to z przyjęcia do obliczeń

czasu pracy pompy ciepła zaokrąglonego do 8 godzin. Należy również zauważyć, że objętość

zasobnika jest wyznaczona dla średniego teoretycznego zużycia wody na kąpiel. Ze względu

na możliwość wystąpienia większego zużycia niż prognozowane, poleca się wybudować nie-

co większe zasobniki.

21

8. Obliczenia cieplne wymienników w pompie ciepła

W skład analizowanej pompy ciepła wchodzić będą dwa wymienniki ciepła (skraplacz i

parownik), w których czynnik chłodniczy będzie podlegał przemianom fazowym, odpowied-
nio skraplaniu i odparowaniu. Należy w tych procesach zapewnić jak najlepsze warunki prze-
pływu ciepła, a więc dążyć do maksymalizacji współczynnika przenikania ciepła k. Jego war-
tość zależy od współczynnika przewodzenia ciepła λ materiału powierzchni wymiany ciepła
oraz od współczynników wnikania ciepła α po obu jej stronach. Współczynniki wnikania cie-
pła zależą z kolei od rodzaju płynów wymieniających ze sobą ciepło oraz od prędkości ich
przepływu [8]. Obliczenia cieplne wymienników przeprowadzone zostaną w celu określenia
ich wymaganej powierzchni wymiany ciepła. Jej wielkość wpływa na wielkość samych wy-
mienników, a co za tym idzie, również na koszty inwestycyjne.

Aby obliczyć wymaganą powierzchnię wymiany ciepła, co jest głównym celem tych

obliczeń, należy znać wartość strumienia wymienianego ciepła oraz temperatury czynników
uczestniczących w procesie. Niezbędne jest również założenie typu wymiennika oraz jego

charakterystycznych cech konstrukcyjnych. Duże znaczenie ma poprawne wyznaczenie

współczynnika przenikania ciepła k, co w praktyce sprowadza się do obliczenia współczynni-
ków wnikania po obu stronach powierzchni wymiany ciepła. Podstawowe wzory stosowane w
obliczeniach są przedstawione poniżej.

A

=

(8.1)

gdzie:
A – powierzchnia wymiany ciepła, m

2

- strumień wymienianego ciepła, kW

k – współczynnik przenikania ciepła, W/m

2

K

- średnia logarytmiczna różnica temperatur w wymienniku, K

=

(8.2)

gdzie:

– różnica temperatur płynów na wlocie do wymiennika, K

- różnica temperatur płynów na wylocie z wymiennika, K

k =

+ +

(8.3)

gdzie:
α

w

– współczynnik wnikania ciepła po stronie wody, W/m

2

K

α

r

– współczynnik wnikania ciepła po stronie czynnika roboczego, W/m

2

K

22

d – grubość przegrody, m
λ – współczynnik przewodzenia ciepła materiału przegrody, W/mK

W przypadku analizowanej pompy ciepła przyjmujemy, że skraplacz i parowacz będą

wymiennikami płytowymi. Z uwagi na stosunkowo duży strumień wymienianego ciepła w
obu wymiennikach, wymiennik płytowy wydaje się rozsądniejszym rozwiązaniem niż typowy
płaszczowo-rurowy, głównie ze względu na znacznie mniejsze rozmiary, które wynikają z
intensywniejszej wymiany ciepła. Należy jednak zwrócić uwagę na dużą wrażliwość wy-
mienników płytowych na obniżenie współczynnika przenikania ciepła pod wpływem zanie-
czyszczeń wody i osadów. Aby nie dopuścić do gromadzenia się ich na powierzchniach wy-
miany ciepła, warto zapewnić odpowiednio dużą prędkość wody chłodzącej (przepływ turbu-
lentny), tworząc tym samym dobre warunki wymiany ciepła.

8.1.

Skraplacz

W celu przeprowadzenia obliczeń założono wpierw rodzaj wymiennika i jego cechy kon-

strukcyjne:

przeciwprądowy skraplacz płytowy o płytach nieożebrowanych,

materiał płyt - miedź (współczynnik przewodzenia ciepła λ = 380 W/m·K).

wysokość wymiennika - 0,5m,

głębokość wymiennika - 0,25m,

stała odległość między płytami - 0,005m,

grubość pojedynczej płyty - 0,0005m,

rozdział strumieni płynów na 5.

W celu wyznaczenia współczynników wnikania ciepła po stronie wody chłodzącej

skraplacz i czynnika roboczego R134a posłużono się odpowiednimi zależnościami kryterial-
nymi. Do obliczeń podzielono skraplacz na dwie sekcje: ochładzania pary przegrzanej oraz
skraplania wraz z dochłodzeniem cieczy. W trakcie obliczeń dla równań kryterialnych
uwzględniających różnicę temperatur płynu i ścianki niezbędne było założenie temperatury
ścianki i przeprowadzenie iteracji. Zastosowano poniższe równania kryterialne:

Przepływ wymuszony wody w kanałach – wzór Gnielinskiego dla przepływu przejścio-
wego i turbulentnego:

Nu =

[1+

)

2/3

](

)

0,11

(8.4)

23

ξ = (1,82·lgRe – 1,64)

-2

(8.5)

gdzie:

Nu – liczba Nusselta

Re – liczba Reynoldsa

Pr – liczba Prandtla

Pr

sc

– liczba Prandtla dla warstwy przyściennej

ξ – współczynnik oporu przepływu
d

h

– średnica hydrauliczna, m

Skraplanie:

Nu = 1,13 (Ga Pr K)

1/4

ε

k

(8.6)

ε

k

=

(8.7)

gdzie:

Ga – liczba Galileusza

K – liczba skraplania
ε

k

– poprawka uwzględniająca przechłodzenie cieczy

Ochładzanie pary przegrzanej – przepływ burzliwy w kanałach:

Nu = 0,021 Re

0,8

Pr

0,43

ε

t

(8.8)

ε

t

=

(Pr/Pr

sc

)

0,25

(8.9)

gdzie:
ε

t

– poprawka uwzględniająca różnicę temperatur płynu i warstwy przyściennej

Posługując się powyższymi zależnościami kryterialnymi uzyskano następujące współ-

czynniki wnikania ciepła:

 Dla wody w sekcji skraplania: 7690 W/m

2

K

 Dla wody w sekcji ochładzania pary: 7898 W/m

2

K

 Dla R134a w sekcji skraplania: 61191 W/m

2

K

 Dla R134a w sekcji ochładzania pary: 2150 W/m

2

K

Całkowity strumień ciepła przekazywany w skraplaczu wodzie sieciowej wynosi z god-

nie z wcześniejszymi obliczeniami

= 1437 kW. 87% tego strumienia ciepła (1250 kW)

zostanie przekazana w procesie skraplania wraz z dochłodzeniem, reszta zaś w procesie
ochładzania pary przegrzanej. Jak pokazano na poniższym wykresie (Wykres 8.1.) wymagana

powierzchnia wymiany ciepła skraplacza wyniosła 13,67 m

2

, z czego ponad połowę stanowi

powierzchnia dla sekcji ochładzania pary przegrzanej (7,38 m

2

). Reszta powierzchni (6,29

m

2

) wymagana jest, by nastąpiło całkowite skroplenie wraz z dochłodzeniem. Różnicę w in-

24

tensywności wymiany ciepła najlepiej obrazują jednostkowe strumienie ciepła. Dla sekcji
skraplania jednostkowy strumień ciepła wynosi 198,6 kW/m

2

, zaś dla ochładzania pary jest on

równy 25,4 kW/m

2

. W celu osiągnięcia wymaganej powierzchni wymiany ciepła trzeba bę-

dzie zastosować 110 płyty o założonych wcześniej wymiarach (0,5x0,25m).

Wykres 8.1. Przebieg zmian temperatury w skraplaczu w funkcji powierzchni wymiany ciepła.

8.2.

Parownik

W celu przeprowadzenia obliczeń założono rodzaj wymiennika i jego cechy konstrukcyj-

ne:

przeciwprądowy parownik płytowy o płytach nieożebrowanych,

materiał płyt - miedź (współczynnik przewodzenia ciepła λ = 380 W/m·K).

wysokość wymiennika - 0,75m,

głębokość wymiennika - 0,5m,

szerokość kanałów (odległość między płytami) dla R134a - 0,006m,

szerokość kanałów dla wody dołowej - 0,014m,

grubość pojedynczej płyty - 0,0008m,

rozdział strumieni płynów na 7.

Ponadto założono, że woda dołowa zostanie schłodzona w parowniku do 17⁰C. Z tego

względu wymagany strumień wody kierowanej do wymiennika zmniejszy się do 50,37 kg/s.

25

W tym przypadku średnia prędkość wody przy przepływie w kanałach wyniesie ok. 0,99 m/s.

Zgodnie z wcześniejszymi obliczeniami całkowity strumień ciepła przekazywany w parowni-

ku czynnikowi roboczemu wynosi 1016,2 kW, z czego 9,2 kW potrzebne jest do przegrzania

pary o 1K. W celu przeprowadzenia obliczeń podzielono parownik na dwie sekcje: sekcję

parowania oraz przegrzania pary. Dla przepływu wymuszonego wody w kanałach wymienni-
ka zastosowano ten sam wzór, co w przypadku przepływu wody sieciowej w skraplaczu. Dla

opisu procesu przegrzewania pary zastosowano wzór wykorzystany do obliczeń przy ochła-

dzaniu pary w skraplaczu. W obu przypadkach należało założyć temperaturę ścianki i prze-

prowadzić iterację. Właściwy proces wrzenia czynnika roboczego w kanałach opisano za po-
mocą wzoru Iwaszkiewicza, który po przekształceniach można przedstawić zgodnie z [10] w

postaci:

Nu = 2Kq

0,35

)

0,175

Re

0,35

(8.10)

gdzie:

Ar – liczba Archimedesa
ρ’ – gęstość cieczy w punkcie pęcherzyków, kg/m

3

ρ’’ – gęstość pary nasyconej suchej, kg/m

3

Nu

=

(8.11)

gdzie:
L – stała Laplace’a (wymiar charakterystyczny), m

Re

=

(8.12)

gdzie:

– jednostkowy strumień ciepła, W/m

2

r – entalpia parowania, kJ/kg
μ – współczynnik lepkości dynamicznej, kg/ms

Ar

=

(8.13)

gdzie:

g – przyspieszenie ziemskie, m/s

2

Kq

=

(8.14)

gdzie:

Ku – liczba Kutateładzego

26

Ku

=

(8.15)

L

=

(8.16)

gdzie:
σ – napięcie powierzchniowe cieczy, N/m

L

w

=

(8.17)

gdzie:

c

p

– ciepło właściwe, kJ/kgK

T

n

– temperatura nasycenia, K

Posługując się powyższymi zależnościami kryterialnymi uzyskano następujące współ-

czynniki wnikania ciepła:

 Dla wody w sekcji parowania: 6165 W/m

2

K

 Dla wody w sekcji przegrzewu pary: 6247 W/m

2

K

 Dla R134a w sekcji parowania:

2497

W/m

2

K

 Dla R134a w sekcji przegrzewu pary: 760 W/m

2

K

Jak pokazano na poniższym wykresie 8.2. wymagana powierzchnia wymiany ciepła pa-

rownika wyniosła 56,43 m

2

, z czego około 98% stanowi powierzchnia przeznaczona na odpa-

rowanie czynnika. Jest to dość duża powierzchnia, na co ma wpływ stosunkowo niski współ-

czynnik wnikania ciepła po stronie wrzącego czynnika roboczego. Jak wykazały badania

wrzenia pęcherzykowego w kanałach, zainicjowanie tego procesu wymaga uzyskania odpo-
wiednio dużego przegrzania cieczy na ściance kanału [1]. W przypadku analizowanego pa-
rownika średnie przegrzanie cieczy wynosi ponad 7K. W celu zmniejszenia wymaganej po-
wierzchni można by jeszcze bardziej obniżyć temperaturę parowania, co jednak nieuchronnie
wiązałoby się ze spadkiem współczynnika wydajności grzejnej. W celu osiągnięcia wymaga-

nej powierzchni wymiany ciepła trzeba będzie zastosować 151 płyty o założonych wcześniej

wymiarach (0,75 x 0,5 m). Długość wymiennika powinna wynieść w tym przypadku 1,625 m.

27

Wykres 8.2. Przebieg zmian temperatur w parowniku w funkcji powierzchni wymiany ciepła.

28

9. Analiza ekonomiczna przedsięwzięcia

W niniejszej prostej analizie ekonomicznej obliczone zostaną efekty ekonomiczne, jakie

przyniesie zastosowanie pompy ciepła w miejsce bieżącego sposobu przygotowania ciepłej
wody użytkowej (podgrzewanie jej za pomocą pary grzejnej). Ocena przedsięwzięcia będzie
możliwa poprzez porównanie uzyskanych oszczędności z szacowanymi nakładami inwesty-

cyjnymi. Głównym składnikiem tych nakładów jest sam koszt pompy ciepła. Powinien on

zostać oszacowany przez potencjalnego producenta, co jednak w przypadku tego projektu
zostało pominięte, ze względu na niedostatek czasu. W zamian do analizy przyjęto nakłady

inwestycyjne przedstawione w artykule [5].

Analiza ekonomiczna została wykonana w oparciu o następujące założenia:

Koszty stosowanego ogrzewania parowego przyjęto w oparciu o taryfę Przedsiębiorstwa
Energetyki Cieplnej w Katowicach, zgodnie z którą cena ciepła wynosi 22,62 zł/GJ, na-
tomiast cena za zamówioną moc cieplną to 11 527,85 zł/MW/miesiąc.

Przyjęto ceny energii elektrycznej dla taryfy B23 (Vattenfall) kształtujące się następująco:
w szczycie przedpołudniowym – 294,00 zł, w szczycie popołudniowym – 394,00 zł, poza

szczytem – 239,00 zł (dodatkowo opłata handlowa – 99 zł/miesiąc).

Przyjęto, że koszty obsługi i utrzymania urządzeń układu pompy ciepła będą podobne do
analogicznych kosztów przed modernizacją, w związku z czym nie zostały wzięte pod
uwagę przy porównaniu.

Założono, że zużycie wody sieciowej pozostanie na stałym poziomie, więc w tym wzglę-

dzie nie przewiduje się oszczędności.

Całkowite nakłady inwestycyjne zostały przyjęte na podstawie artykułu [5], którego
przedmiotem jest pompa ciepła o nieco większej mocy cieplnej (2162 kW). Nakłady in-
westycyjne wynoszą w tym przypadku 1 787 tys. zł. Z uwagi na fakt, iż koszty te dotyczą
roku 1998, zdecydowano się je zwiększyć na potrzeby tej analizy o 40%.

Z uwagi na brak informacji o stanie finansowym kopalni, przyjęto dla uproszczenia, że
nakłady inwestycyjne zostaną w całości pokryte z jej środków własnych. Jednak ze
względu na proekologiczny charakter przedsięwzięcia, część nakładów mogłaby być po-

kryta z dotacji.

Założono, że układ będzie pracować 5 dni w tygodniu.

29

Zgodnie z wcześniej przeprowadzonymi obliczeniami dobowe zapotrzebowanie energii

do przygotowania wody kąpielowej wynosi Q = 40,3 GJ. Całkowity koszt dostarczenia tej

energii w parze grzejnej, z uwzględnieniem opłaty za moc zamówioną, to 1676,26 zł. Nato-

miast sprężarka w pompie ciepła zużywa w ciągu doby 3,543 MWh energii elektrycznej, co
zgodnie z założoną ceną kosztuje 851,40 zł. Dobowa oszczędność wynikająca z zastosowania
pompy ciepła w miejsce ogrzewania parowego wyniesie więc 824,87 zł.

Najważniejsze parametry ekonomiczne przedsięwzięcia:



Całkowite nakłady inwestycyjne: 2 501 800 zł



Roczna oszczędność: 214 465 zł



Prosty czas zwrotu nakładów inwestycyjnych: 11,67 lat

Przeprowadzona analiza ekonomiczna ma charakter orientacyjny. Dokładna analiza

powinna opierać się na nakładach inwestycyjnych podanych przez producenta. Ponadto nale-
żałoby uwzględnić koszty obsługi dla obu wariantów, stan finansowy kopalni oraz wymaga-
nia lokalizacyjne (m. in. koszty adaptacji pomieszczeń). Prosty czas zwrotu nakładów, jaki
otrzymano w analizie jest stosunkowo długi. Można tutaj dodać, że średni czas użytkowania

pompy ciepła przyjmuje się na ogół na poziomie 20 lat [10]. Świadczy to o tym, że przedsta-

wiona inwestycja niesie ze sobą pewne ryzyko. Trudno bowiem przewidzieć, jak zmienią się

ceny nośników energii na przestrzeni tego okresu.

30

10. Podsumowanie i wnioski końcowe

Celem niniejszego projektu było przeprowadzenie analizy możliwości wykorzystania

ciepła odpadowego z kopalnianej wody dołowej do podgrzewania wody kąpielowej. Z racji
niskiej temperatury dolnego źródła, naturalną drogą do realizacji tego celu stało się wykorzy-
stanie pompy ciepła. Na wstępie stwierdzono, że zasoby ciepła zawartego w wodzie dołowej
znacznie przewyższają zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania wody kąpielowej. Na-
stępnie opracowano prostą koncepcję odzysku ciepła, wyznaczając podstawowe parametry
zaproponowanej pompy ciepła. Z racji dysponowania w założeniu tylko energią elektryczną
pozaszczytową, przedstawiono również problem akumulacji energii w zasobniku gorącej wo-

dy i wyznaczono optymalne godziny pracy urządzenia. Zaproponowano również płytowe

wymienniki ciepła (skraplacz i parowacz), przeprowadzając ich obliczenia cieplne w celu
wyznaczenia wymaganej powierzchni. Na koniec przeprowadzono prostą analizę ekono-
miczną przedsięwzięcia.

Dodatkowe wnioski wynikające z analizy są następujące:

1) W projekcie do obliczeń zapotrzebowania na ciepło przyjęto wartość zużycia wody kąpie-

lowej zgodną z normą. Warto na koniec zaznaczyć, iż przekroczenie założonego zużycia
będzie skutkować dłuższym okresem pracy pompy ciepła. Może to spowodować koniecz-
ność korzystania ze szczytowej energii elektrycznej.

2) Założono, iż woda dołowa po przepuszczeniu przez filtr będzie mogła zostać skierowana

bezpośrednio do parownika pompy ciepła. Należałoby jednak przeprowadzić dokładniej-
sze badania wody, aby sprawdzić zawartość rozpuszczonych w niej związków chemicz-
nych, mogących się wytrącać na powierzchni wymiany ciepła. Zależnie od otrzymanego
wyniku, można zastanowić się nad zastosowaniem wymiennika pośredniego.

3) Dla opłacalności inwestycji duże znaczenie ma cena użytkowanej pozaszczytowej energii

elektrycznej. W celu obniżenia kosztów eksploatacji można pokusić się o rozważenie wa-
riantu układu dwustopniowego z chłodzeniem międzystopniowym (mniejsza moc napę-
dowa sprężarek).

4) W celu zwiększenia efektu ekonomicznego przedsięwzięcia należałoby rozważyć dodat-

kowo użycie pompy ciepła do podgrzania wody dla celów grzejnych lub technologicz-

nych, w okresach kiedy nie pracuje ona na potrzeby kopalnianej łaźni.

5) Ważnym efektem przedsięwzięcia będzie efekt ekologiczny, polegający na ograniczeniu

emisji substancji szkodliwych do otoczenia poprzez zmniejszenie ilości spalanego paliwa.

31

Spis literatury

[1] Bohdal T.: Histereza rozwoju i zaniku wrzenia pęcherzykowego. Adres internetowy:
http://wbiis.tu.koszalin.pl/towarzystwo/2003/02bohdal_t.pdf

[2] Gutkowski K. M., Butrymowicz D. J.: Chłodnictwo i klimatyzacja. Warszawa, Wydawnic-
two Naukowo – Techniczne, 2007.

[3] Klojzy-Karczmarczyk B., Karczmarczyk A., Mazurek J.: Możliwości wykorzystania wód
kopalnianych jako dolnego źródła dla pompy ciepła na przykładzie kopalni Trzebionka. Adres
internetowy: http://www.minpan.krakow.pl/se/pelne_teksty20/k20_klojzy-karczmarczyk.pdf

[4] Kubski P.: Koncepcja siłowni zagospodarowującej energię zawartą w wodzie kopalnianej.
Adres internetowy: http://kgp.wnoz.us.edu.pl/Pdf/a19.pdf

[5] Nadziakiewicz J., Nowak A. J., Rudnicki Z.: Wykorzystanie ciepła odpadowego do przy-
gotowania wody kąpielowej w kopalni węgla kamiennego. Przegląd Górniczy, 5 (1998), s. 27-
34.

[6] PAN, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią: Wykorzystanie energii wód
kopalnianych dla zaspokojenia potrzeb cieplnych łaźni górniczej w KWK Piast. Studium ce-
lowości. Adres internetowy: http://www.slaskie.pl/oze/sc_kwk_piast.pdf

[7] Szargut J.: Termodynamika techniczna. Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej,
2005.

[8] Ullrich H.J.: Technika chłodnicza: poradnik. Tom I. Gdańsk, IPPU MASTA, 1998.

[9] Zalewski W.: Pompy ciepła: Podstawy teoretyczne i przykłady zastosowań. Kraków, Poli-
technika Krakowska, 1995.

[10] Zalewski W.: Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne: podstawy teore-
tyczne: przykłady obliczeniowe. Gdańsk, IPPU MASTA, 2001.