Aleksander A. STACHEL, Radomir KACZMAREK
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Wydział In\
ynierii Mechanicznej i Mechatroniki
Katedra Techniki Cieplej
al. Piastów 17, 70-310 Szczecin
[e-mail], [e-mail]
PORÓWNANIE I OCENA EFEKTYWNOŚCI PRACY TRZECH
SYSTEMÓW WYKORZYSTYWANIA ENERGII ZASILANYCH
Z POZIOMEGO WYMIENNIKA GEOTERMICZNEGO
Streszczenie
W artykule przedstawiono porównanie efektywności pracy oraz stopnia wykorzystania
energii geotermicznej w trzech ró\
nych instalacjach geotermicznych, tj. w elektrociepłowni,
elektrowni i ciepłowni. Ka\
da z rozpatrywanych instalacji jest zasilana z podziemnego
zamkniętego geotermicznego wymiennika ciepła (PZGWC) o identycznych parametrach
geometrycznych i cieplno-przepływowych.
Dla zało\
onych danych dotyczących wymiennika, takich jak: jego wymiary, strumień
przepływającej cieczy, zastępczy współczynnik przekazywania ciepła, głębokość poło\
enia
poziomej części wymiennika, z którą wią\
e się temperatura otaczających skał, wykonano
obliczenia pozwalające ustalić temperaturę cieczy na dopływie do analizowanych instalacji
wykorzystywania energii. Następnie stosując odpowiednie modele elektrociepłowni,
elektrowni i ciepłowni oraz przyjmując niezbędne zało\
enia dotyczące tych układów
i warunków ich pracy wykonano obliczenia pozwalające ocenić stopień wykorzystywania
energii geotermicznej w ka\
dym z nich. Ze względu na stosunkowo niską temperaturę cieczy
mo\
liwej do pozyskania na wypływie z wymiennika geotermicznego (na terenie Polski),
w układach elektrowni oraz elektrociepłowni jako czynnik obiegowy zastosowano czynnik
o obni\
onej temperaturze wrzenia. Dla czytelniejszego przedstawienia wyników sporządzono
wykresy obrazujące wielkość energii elektrycznej i/lub ciepła dostarczonych do odbiorców.
SÅ‚owa kluczowe: wymiennik geotermiczny, czynnik niskowrzÄ…cy, systemy wykorzystania
energii geotermicznej, siłownia ORC.
1
1. Opis układów
W celu porównania efektywności pracy trzech ró\
nych systemów wykorzystania
energii, tj. elektrociepłowni, elektrowni i ciepłowni przeprowadzono analizę i ocenę pracy
tych układów wykorzystując odpowiednie ich modele. Na rysunku 1 przedstawiono model
elektrociepłowni zasilanej z PZGWC z wydzielonymi częściami odpowiedzialnymi za
produkcję energii elektrycznej i ciepła oraz części odpowiedzialnej za pozyskiwanie energii
geotermicznej. Pozostałe dwa modele, czyli elektrowni i ciepłowni, są zbli\
one do modelu
EC, co znaczy, \
e model elektrowni jest analogiczny do części modelu elektrociepłowni
&
odpowiedzialnej za produkcję energii elektrycznej (strumień ms2 jest kierowany
bezpośrednio do węzła L), zaś model ciepłowni do części elektrociepłowni odpowiedzialnej
&
za produkcję ciepła (strumień ms2 dopływający do węzła C równy jest strumieniowi
& &
wydobywanemu z PZGWC ms , a strumień ms12 kierowany jest do otworu zatłaczającego).
Przyjęto, \
e część elektrociepłowni odpowiedzialna za produkcję energii elektrycznej
(tak\
e elektrownia) pracuje wg obiegu Clausiusa-Rankine a (C-R), w którym czynnikiem
obiegowym jest czynnik niskowrzący. Instalacja składa się z trzech przeciwprądowych
wymienników ciepła: parowacza, podgrzewacza i skraplacza oraz turbiny parowej połączonej
z generatorem (rys. 1). LiniÄ… przerywanÄ… zaznaczono obieg czynnika krÄ…\
Ä…cego w instalacji,
w której realizowane są odpowiednie procesy odpowiadające przemianom obiegu C-R. Linią
ciągłą oznaczono obieg cieczy roboczej. Energia geotermiczna do parowacza i podgrzewacza
doprowadzana jest ze strumieniem cieczy roboczej, która podwy\
sza swojÄ… temperaturÄ™
pobierajÄ…c energiÄ™ w PZGWC. Ciecz z otworu wydobywczego kierowana jest najpierw do
parowacza, gdzie wskutek przekazania energii czynnikowi obiegowemu jej temperatura
&
obni\
a się o "T =10 K. Następnie część strumienia cieczy roboczej ( ms3 ), niezbędna do
podgrzania czynnika obiegowego do wymaganej temperatury, kierowana jest do
podgrzewacza. Schłodzona w podgrzewaczu ciecz kierowana jest dalej do otworu
&
zatłaczającego. Z pozostałego strumienia cieczy roboczej, strumień ms4 kierowany jest do
zasilenia obejścia A-B, co ma na celu zwiększenia strumienia cieczy roboczej dopływającej
do parowacza i co jest jednym ze sposobów poprawy efektywności pracy siłowni
&
(zagadnienie to wyjaśniono i omówiono w pracy [1]). Pozostały strumień cieczy roboczej ms2
&
kierowany jest: do otworu zatłaczającego  w przypadku elektrowni (wtedy ms2 równy jest
& &
strumieniowi ms7 i ms12 ) lub do części odpowiedzialnej za produkcję ciepła  w przypadku
&
elektrociepłowni. W części ciepłowniczej elektrociepłowni (równie\
ciepłowni) strumień ms2
2
&
dzielony jest na dwa strumienie. Strumień ms5 przekazuje energię w wymienniku na potrzeby
centralnego ogrzewania; aby uzyskać odpowiednią temperaturę zasilania odbiornika c.o.
wykorzystuje się obejście E-F. Poza sezonem grzewczym ta część instalacji jest wyłączona.
&
Strumień ms6 przekazuje energię w wymienniku niezbędną do przygotowania ciepłej wody
u\
ytkowej i do celów technologicznych. Odpowiednią temperaturę zasilania uzyskuje się
stosując obejście G-J (w sezonie grzewczym) lub G-H (poza sezonem grzewczym).
&
Niewykorzystana część strumienia cieczy roboczej ms7 jest kierowana do otworu
zatłaczającego.
Rys. 1. Schemat elektrociepłowni zasilanej z PZGWC
2. Przyjęte zało\
enia.
2.1. Wymiennik geotermiczny
Wykorzystując model podziemnego zamkniętego geotermicznego wymiennika ciepła
(PZGWC) [2] oraz przyjmując odpowiednie zało\
enia, takie jak:
- średnica zewnętrzna rurociągu: Dz = 219,1 mm,
- grubość Å›cianki rurociÄ…gu: ´ = 3,76 mm,
3
- zastępczy współczynnik przekazywania ciepła między płynem a skałą: kz = 25 W/(m2K),
- długość części pionowej wymiennika: H = 5000 m,
- długość części poziomej wymiennika: L = 15000 m,
- temperatura skaÅ‚y na gÅ‚Ä™bokoÅ›ci 5000 m: TSH = 150 °C
- temperatura skaÅ‚y na powierzchni ziemi: TS0 = 10 °C,
&
określono, \
e rozpatrywany PZGWC umo\
liwi przepływ strumienia cieczy roboczej ms = 54
kg/s i uzyskanie na wypÅ‚ywie temperatury: Ts = 105 °C.
2.2. Produkcja energii elektrycznej
Przyjęto, \
e medium obiegowym w obiegu elektrowni i w części elektrociepłowni
produkujÄ…cej prÄ…d elektryczny jest czynnik niskowrzÄ…cy. Jako kryterium doboru rodzaju
czynnika zało\
ono maksymalnÄ… moc obiegu C-R przypadajÄ…cÄ… na 1 kg/s cieczy roboczej
przepływającej przez PZGWC (rys. 2). Metodykę obliczeń przedstawiono w pracy [1]. Pod
uwagę wzięto czynniki niskowrzące, których temperatura punktu krytycznego mieściła się
w przedziale od 95 do 125 °C. Dane uzyskano za pomocÄ… programu [7]. Z rysunku 2 wynika,
\
e najwy\
szÄ… moc mo\
na uzyskać stosując czynnik R227ea przy temperaturze parowania
równej 70 °C. Dodatkowo zaÅ‚o\
ono, \
e ró\
nica temperatur między czynnikiem grzejącym a
grzanym w parowaczu wynosi (od strony czynnika grzejącego): na dopływie 15 K
a wypływie 5 K, w podgrzewaczu: na dopływie 5K a wypływie 2 K.
22
21
20
19
18
17
16
RC318 (Tkr = 115,23°C)
15
R12 (Tkr = 111,97°C)
R124 (Tkr = 122,28°C)
14
R236fa (Tkr = 124,92°C)
13
R152a (Tkr = 113,26°C)
R227ea (Tkr = 101,65°C)
12
R134a (Tkr = 101,06°C)
R22 (Tkr = 96,145°C)
11
10
45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
Temperatura parowania [°C]
Rys. 2. Moc jednostkowa przypadajÄ…ca na 1 kg/s cieczy roboczej o temperaturze 120 °C na wypÅ‚ywie z
PZGWC w funkcji temperatury parowania.
4
Moc jednostkowa [kW/kg/s]
2.3. Produkcja ciepła
Zgodnie z rysunkiem 1 i zało\
eniami przyjętymi w punkcie 2.2 na cele ciepłownicze
&
w elektrociepłowni przeznaczona jest energia niesiona ze strumieniem cieczy ms2 o
temperaturze Ts2 = 75 °C. Natomiast ciepÅ‚ownia zasilana jest bezpoÅ›rednio z wymiennika,
&
więc strumień ms2 równy będzie strumieniowi cieczy roboczej przepływającej przez PZGWC
&
czyli ms , a temperatura Ts2 równa temperaturze uzyskiwanej na wypływie z wymiennika
czyli Ts.
Przyjęto następujące szczegółowe zało\
enia dotyczące parametrów przygotowania
wody na cele u\
ytkowe oraz na cele centralnego ogrzewania [5,6]:
- strefa klimatyczna: I (minimalna temperatura zewnÄ™trzna: Tzmin = -16 ºC)
- sposób regulacji: regulacja jakościowa (strumień wody sieciowej stały)
- graniczna temperatura zewnÄ™trzna, przy której rozpoczyna siÄ™ ogrzewanie: Tzg = 12 °C
- czas trwania okresu grzewczego: Äo = 4368 godz. (ilość godzin w roku: Äc = 8760 godz.)
- pojemności cieplne wody sieciowej i cieczy roboczej są sobie równe
- ró\
nica temperatur cieczy między wlotem a wylotem wymienników c.o. i c.w.u.: "T = 2 K
- średnie ciepło właściwe cieczy roboczej i wody sieciowej (stałe): cp = 4,18 kJ/kgK
- temperatura wody zimnej przeznaczonej na cele u\
ytkowe: Tcwup = 13 °C
- temperatura wody ciepłej przeznaczonej na cele u\
ytkowe: Tcwuz = 60 °C
- temperatura wody sieciowej powrotnej z ogrzewania: Tcop = 40 °C (staÅ‚a)
- maksymalna temperatura wody sieciowej na zasilaniu ogrzewania (przy Tz = -16 ºC):
Tcozmax = 95 °C
- temperatura wody sieciowej zasilajÄ…cej zmienia siÄ™ liniowo w funkcji temperatury
zewnętrznej:
Tcoz = a + bTz (1)
- równanie zredukowanej temperatury zewnętrznej w funkcji czasu zredukowanego [4]:
2
ëÅ‚ öÅ‚Å‚Å‚
Tzg - Tz îÅ‚
Ä ëÅ‚ Ä öÅ‚
ìÅ‚1- Ä ÷łśł
= 1- 3
ïÅ‚ + ìÅ‚ ÷Å‚ (2)
Tzg - Tz min ïÅ‚ Äo ìÅ‚Äo ÷Å‚ ìÅ‚ Äo ÷łśł
íÅ‚ Å‚Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚ûÅ‚
ðÅ‚
- maksymalna temperatura wody sieciowej na cele c.o. uzyskiwana w wymienniku Tcozgmax
tak dobrana, by zaspokoić średnie zapotrzebowanie mocy cieplnej. Przyjęto, \
e średni pobór
mocy cieplnej na potrzeby grzewczo-wentylacyjne jest w sezonie grzewczym ok. 2-krotnie
mniejszy od szczytowego poboru mocy cieplnej:
5
& &
(3)
Qcog max = 0,5Qco max
&
- dobrany strumień wody na cele c.w.u. mcwu , aby moc cieplna stanowiła ok. 15 %
szczytowego poboru mocy:
& &
(4)
Qcwu = 0,15Qco max
3. Tok obliczeniowy
Poni\
sze obliczenia dotyczą zarówno ciepłowni jak i części elektrociepłowni
produkującej ciepło u\
ytkowe. Wykorzystując zało\
enia podane w punktach 2.1, 2.2 i 2.3
mo\
na wyznaczyć:
- maksymalnÄ… temperaturÄ™ wody sieciowej na cele c.o. Tcozgmax uzyskiwanÄ… w wymienniku
(zgodnie z zało\
eniem maksymalny strumień energii uzyskiwanej w wymienniku równy jest
połowie szczytowego zapotrzebowania na energię):
& &
Qcog max = 0,5Qcomax
& &
mcocp (Tcozg max -Tcop ) = 0,5mcocp (Tcoz max -Tcop )
Tcozg max = 0,5(Tcoz max + Tcop ) = 0,5(95 + 40) = 67,5
Do dalszych obliczeÅ„ przyjÄ™to temperaturÄ™ 68 °C.
- wartości współczynników a i b (określające zale\
ność między temperaturą wody sieciowej
zasilającej system c.o. a temperaturą zewnętrzną):
Tcoz = a + b Å"Tz
dodatkowe równania na podstawie [3]:
20
Å„Å‚Q = Qcomax -Tz
&co &
ôÅ‚
20 -Tz min
(5)
òÅ‚
ôÅ‚Qco = mcocp(Tcoz -Tcop)= mcocp(a + bÅ"Tz -Tcop)
&
& &
ół
Po rozwiązaniu układu równań otrzymuje się:
20
a = (Tcoz max - Tcop)+ Tcop (6)
36
1
b = - (Tcoz max - Tcop) (7)
36
Dzięki temu mo\
na sporządzić wykres zmiany temperatury wody sieciowej zasilającej
odbiorniki c.o. w zale\
ności od temperatury zewnętrznej (rys. 3). Dodatkowo na wykresie
zaznaczono wszystkie zmiany temperatur czynników w okresie grzewczym (oznaczenia
temperatur zgodne z rysunkiem 1). Temperatura Ts9, czyli temperatura cieczy zatłaczanej do
6
wymiennika dotyczy elektrociepłowni, natomiast Ts9* ciepłowni. Pozostałe wartości
temperatur zgodnie z zało\
eniami sÄ… takie same w obu przypadkach.
100
Tcoz
90
80
Tcwuz Ts6
70
60
Ts4 Tcozg Ts9*
50
40
30
Tcop Ts9
Tcwup Ts7 Ts5
20
10
0
-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
Tz [°C]
Rys. 3. Wykres charakterystycznych temperatur w ciepłowni w zale\
ności od temperatury zewnętrznej
powietrza
Jasnym kolorem zaznaczono temperatury związane z nośnikiem ciepła dostarczającym
energię do wymienników c.o. i c.w.u., ciemnym kolorem temperatury czynników
podgrzewanych w wymiennikach c.o. i c.w.u. Z wykresu wynika, \
e w zakresie temperatur
zewnÄ™trznych od -16 do 1,67 °C niezbÄ™dne bÄ™dzie podgrzewanie wody sieciowej w kotle
szczytowym. W tym zakresie temperatura cieczy roboczej zatłaczanej do wymiennika jest
staÅ‚a. W zakresie temperatur zewnÄ™trznych od 1,67 do 12 °C wystÄ™puje nadwy\
ka energii,
która obejściem C-K zatłaczana jest do wymiennika. Nadwy\
ka ta powoduje wzrost
temperatury cieczy zatłaczanej do wymiennika. Dla temperatur zewnętrznych wy\
szych ni\

12 °C, nastÄ™puje wyÅ‚Ä…czenie ogrzewania, a energia wykorzystywana jest jedynie do
przygotowania ciepłej wody u\
ytkowej i na cele technologiczne.
Wykorzystując równania bilansu masy i energii dla wymienników oraz węzłów w
poszczególnych układach, wyznaczono parametry pracy elektrowni, ciepłowni i
elektrociepłowni. Wyniki zestawiono w tabelach 1, 2 i 3.
7
T [°C]
Tabela 1. Zestawienie danych i wyników obliczeń elektrowni i części elektrociepłowni odpowiedzialnej
za produkcjÄ™ prÄ…du elektrycznego
Wartość (niezale\
na od
Parametr Opis
temperatury zewnętrznej)
&
ms
kg/s 54,00
&
ms1
kg/s 162,00
& Strumienie masowe
ms2
kg/s 29,61
w poszczególnych
&
ms3
kg/s 24,39
punktach układu
&
ms4
kg/s 108,00
&
mOCR
kg/s 86,00
Ts °C 105,00
Ts1 °C 85,00
Temperatury w
Ts2 °C 75,00 poszczególnych
punktach układu
Ts3 °C 32,00
Ts9 °C 55,58
h1 kJ/kg 364,18
h2 kJ/kg 351,26
Entalpie czynnika
obiegowego
h3,4 kJ/kg 234,47
h5 kJ/kg 285,44
NCR kW 1111,11
Moc teoretyczna i
elektryczna
Nel kW 776,0
·CR % 10,0 Sprawność
8
Tabela 2. Zestawienie danych i wyników obliczeń części elektrociepłowni odpowiedzialnej
za produkcję ciepła
Wartości w zakresie temperatur zewnętrznych
Parametr Opis
-16 ÷ 1,67 °C 1,67 ÷ 12 °C >12 °C
&
ms2
kg/s 29,61 29,61 29,61
&
ms5
kg/s 26,31 26,31 - 11,49 0
&
ms6
kg/s 3,30 3,30 4,26
&
ms7
kg/s 0 0 - 14,83 25,35
&
ms8
kg/s 31,01 31,01 0
Strumienie
&
ms9
kg/s 4,70 4,70 - 19,53 0
masowe w
poszczególnych
&
ms10
kg/s 2,14 2,14 0
punktach układu
&
ms11
kg/s 5,44 5,44 5,44
29,61
&
ms12
kg/s 29,61 29,61
&
ms13
kg/s 0 0 1,18
&
mco
kg/s 31,01 31,01 0
&
mcwu
kg/s 5,44 5,44 5,44
Ts2 °C 75,00 75,00 75,00
Ts4 °C 70,00 70,00 - 54,22 ---
Ts5 °C 42,00 42,00 ---
Temperatury w
Ts6 °C 62,00 62,00 62,00 poszczególnych
punktach układu
Ts7 °C 15,00 15,00 15,00
Ts8 °C 37,04 37,04 - 53,56 66,36
Ts9 °C 34,76 34,76 - 43,82 50,84
Tcozg °C 68,00 68,00 - 52,22 ---
Temperatury
Tcoz °C 95,00 - 68,00 68,00 - 52,22 ---
wody zasilajÄ…cej
Tcop °C 40,00 40,00 ---
i powrotnej na
cele c.o. i c.w.u.
Tcwuz °C 60,00 60,00 60,00
Tcwup °C 13,00 13,00 13,00
&
Qco kW 7129,7 - 3629,7 3929,7 - 1584,4 0
Moc cieplna
&
Qcwu kW 1069,4 1069,4 1069,4
9
Tabela 3. Zestawienie danych i wyników obliczeń ciepłowni
Wartości w zakresie temperatur zewnętrznych
Parametr Opis
-16 ÷ 1,67 °C 1,67 ÷ 12 °C >12 °C
&
ms2
kg/s 54,00 54,00 54,00
&
ms5
kg/s 47,98 47,98 - 20,95 0
&
ms6
kg/s 6,02 6,02 9,90
&
ms7
kg/s 0 0 - 27,04 44,10
&
ms8
kg/s 107,96 107,96 0
Strumienie
&
ms9
kg/s 59,98 59,98 - 87,02 0
masowe w
poszczególnych
&
ms10
kg/s 12,93 12,93 0
punktach układu
&
ms11
kg/s 18,95 18,95 18,95
&
ms12
kg/s 54,00 54,00 54,00
&
ms13
kg/s 0 0 9,05
&
mco
kg/s 107,96 107,96 0
&
mcwu
kg/s 18,95 18,95 18,95
Ts2 °C 105,00 105,00 105,00
Ts4 °C 70,00 70,00 - 54,22 ---
Ts5 °C 42,00 42,00 ---
Temperatury w
Ts6 °C 62,00 62,00 62,00 poszczególnych
punktach układu
Ts7 °C 15,00 15,00 15,00
Ts8 °C 32,52 32,53 - 64,07 88,51
Ts9* °C 32,52 32,52 - 64,07 88,51
Tcozg °C 68,00 68,00 - 52,22 ---
Temperatury
Tcoz °C 95,00  68,00 68,00 - 52,22 ---
wody zasilajÄ…cej
Tcop °C 40,00 40,00 ---
i powrotnej na
cele c.o. i c.w.u.
Tcwuz °C 60,00 60,00 60,00
Tcwup °C 13,00 13,00 13,00
&
Qco kW 24820,8 - 12636,1 12636,1 - 5515,7 0
Moc cieplna
&
Qcwu
kW 3723,1 3723,1 3723,1
10
4. Wyniki obliczeń
4.1. Elektrownia oraz część elektrociepłowni odpowiedzialna za produkcję prądu
Ilość energii elektrycznej dostarczanej w całym roku określono ze wzoru:
Eel = NelÄ (8)
c
Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano: Eel = 6800 MWh.
W przypadku elektrowni strumień energii zasilającej układ jest niezmienny w ciągu
całego roku. Ilość energii pozyskanej w skali roku w wymienniku geotermicznym zasilającym
elektrowniÄ™ mo\
na więc wyznaczyć ze wzoru:
&
Qgeoel = mscp(Ts - T9)Äc (9)
Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano: Qgeo = 97720 MWh.
4.2. Część ciepłowni odpowiedzialna za produkcję ciepła
Ilość ciepła dostarczonego na potrzeby centralnego ogrzewania w całym okresie
grzewczym obliczono ze wzoru:
Ä0
&
Qco = mcocp(Tcoz - Tcop)dÄ (10)
+"
0
WykorzystujÄ…c zale\
noÅ›ci (1), (2) i Ä =Ä /Äo , otrzymano ostatecznÄ… zale\
ność:
1
1 5
Å„Å‚ üÅ‚
Å‚Å‚
2 Å‚Å‚
& 3 2
Qco = mcocpÄ0 + bîÅ‚Tzg - (Tzg - Tz min )îÅ‚(Ä) - (Ä) + (Ä) - Tcop żłdÄ (11)
+"òÅ‚a ïÅ‚
ïÅ‚ śłûÅ‚ þÅ‚
ðÅ‚ ûłśł
ðÅ‚
ół
0
Po podstawieniu wartości liczbowych i scałkowaniu otrzymano: Qco = 14130 MWh.
Ilość energii doprowadzonej w wymienniku c.o. w zakresie temperatur -16 °C < Tz < 1,67 °C
wyznacza siÄ™ wiedzÄ…c, \
e dla Tz =1,67 °C Ä = 1329,75 godz. oraz Ä = 0,3044
&
Qcog1 = mcocp(Tcog max - Tcop)Ä (12)
Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano: Qcog1 = 4825 MWh.
Ilość energii doprowadzonej w wymienniku c.o. w zakresie temperatur 1,67°C < Tz < 12 °C
obliczono wykorzystujÄ…c zale\
ności (1) i (2) oraz wzór:
Ä0
&
Qcog 2 = cp(Tcoz -Tcop)dÄ (13)
co
+"m
Ä
1
1 5
Å„Å‚ üÅ‚
Å‚Å‚
2 Å‚Å‚
& 3 2
Qcog 2 = mcocpÄ + bîÅ‚Tzg -(Tzg -Tz min )îÅ‚(Ä ) -(Ä ) +(Ä ) -Tcop żłdÄ (14)
0
+"òÅ‚a ïÅ‚
ïÅ‚ śłûÅ‚ þÅ‚
ðÅ‚ ûłśł
ðÅ‚
ół
Ä
11
Po podstawieniu wartości liczbowych i scałkowaniu otrzymano: Qcog 2 = 8250 MWh.
Tym samym całkowita ilość ciepła doprowadzonego w wymienniku c.o. wynosi:
Qcog = Qcog1 + Qcog 2 = 13075 MWh.
Ciepło doprowadzone w kotle:
Ä
&
Qcok = cp(Tcoz - Tcog max )dÄ (15)
co
+"m
0
1
1 5
Å„Å‚ üÅ‚
îÅ‚T Å‚Å‚
2 Å‚Å‚
& 3 2
Qcok = mcocpÄ0 + bÅ" -(Tzg -Tz min )îÅ‚(Ä ) -(Ä ) +(Ä ) -Tcog max żłdÄ (16)
zg
+"òÅ‚a ïÅ‚
ïÅ‚ śłûÅ‚
ðÅ‚ ûłśł
ðÅ‚
ół þÅ‚
Ä
Po podstawieniu wartości liczbowych i scałkowaniu otrzymano: Qcok =1055 MWh.
Ilość ciepła dostarczonego w całym roku na potrzeby przygotowania ciepłej wody u\
ytkowej
obliczono siÄ™ ze wzoru:
&
Qcwu = mcwucp(Tcwuz -Tcwup )Äc (17)
Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano: Qcwu = 9370 MWh.
Całkowita ilość ciepła dostarczonego do odbiorców wynosi:
Qcał = Qco + Qcwu (18)
Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano: Qcał = 23500 MWh
9000
Qcok = 1055 MWh
8000
Qcog = 13075 MWh
Qcwu = 9370 MWh
7000
Qcał = 23500 MWh
Qcok
6000
5000
. 4000
3000
Qco
2000
1000
Qcwu
0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Ä [h]
Rys. 4. Wykres zapotrzebowania ciepła i ilość ciepła dostarczona w wymienniku c.o. (Qcog), c.w.u.
(Qcwu), i kotle szczytowym (Qcok) w elektrociepłowni
12
Q [kW]
W elektrociepłowni i ciepłowni strumień energii zasilającej układy zale\
ny jest od
temperatury zewnętrznej powietrza. Zgodnie z wykresem podanym na rysunku 3 w zakresie
temperatur zewnÄ™trznych -16 ÷ 1,67 °C temperatura zatÅ‚aczania jest staÅ‚a. Ilość pozyskiwanej
energii wynosi wtedy:
&
Qgeoec1 = mscp(Ts - T9)Ä (19)
W zakresie 1,67 ÷ 12 °C temperatura zatÅ‚aczanej cieczy zmienia siÄ™, a ilość energii mo\
na
wyznaczyć ze wzoru:
1
1 5
Å„Å‚ üÅ‚
îÅ‚ Å‚Å‚
îÅ‚ Å‚Å‚
2 Å‚Å‚
& 3 2
Qgeoec2 = mscpÄ0 s - + bz ïÅ‚Tzg - (Tzg - Tz min )îÅ‚(Ä ) - (Ä ) + (Ä ) (20)
z
ïÅ‚a
+"òÅ‚T ðÅ‚ ðÅ‚
ïÅ‚ śłûłśłżłdÄ
ðÅ‚ ûłśłûÅ‚þÅ‚
Ä ół
Powy\
ej 12 °C temperatura zatÅ‚aczanej cieczy znów jest staÅ‚a, a ilość pozyskiwanej energii w
wymienniku geotermicznym potrzebnej do zasilania układu mo\
na wyznaczyć ze wzoru:
&
Qgeoec3 = mscp(Ts - T9)(Äc - Ä0) (21)
Całkowita ilość energii pozyskiwana w wymienniku zasilającym elektrociepłownię w ciągu
całego roku równa jest:
Qgeoec = Qgeoec1 + Qgeoec2 + Qgeoec3 (22)
Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano: Qgeoec = 120165 MWh
4.3. Ciepłownia
Wykorzystując wzór (11) i podstawiając wartości liczbowe obliczono ilość ciepła
dostarczonego na potrzeby centralnego ogrzewania w całym okresie grzewczym:
Qco = 49190 MWh.
Ilość energii doprowadzonej w wymienniku c.o. w zakresie temperatur -16 °C < Tz < 1,67 °C
wyznaczono ze wzoru (12). Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano:
Qcog1 = 16800 MWh.
Ilość energii doprowadzonej w wymienniku c.o. w zakresie temperatur 1,67°C < Tz < 12 °C
obliczono wykorzystując wzór (14). Po podstawieniu wartości liczbowych i scałkowaniu
otrzymano: Qcog 2 = 28720 MWh.
Całkowita ilość ciepła doprowadzonego w wymienniku c.o. wynosi:
Qcog = 45520 MWh.
Ciepło doprowadzone w kotle wyznaczono ze wzoru (16). Po podstawieniu wartości
liczbowych i scałkowaniu otrzymano: Qcok = 3670 MWh.
13
Ilość ciepła dostarczonego w całym roku na potrzeby przygotowania ciepłej wody u\
ytkowej
obliczono ze wzoru (17). Po podstawieniu wartości liczbowych otrzymano:
Qcwu = 32615 MWh.
Całkowitą ilość ciepła dostarczonego do odbiorców obliczono wg wzoru (18). Po
podstawieniu wartości liczbowych otrzymano: Qcał = 81805 MWh.
W przypadku ciepłowni tok obliczeniowy jest analogiczny jak w przypadku
elektrociepłowni i wykorzystując wzory (19), (20) i (21) mo\
na określić ilość energii
pozyskanej przez wymiennik geotermiczny, zasilającej ciepłownię. Po podstawieniu wartości
liczbowych otrzymano: Qgeoc = 78135 MWh.
30000
27500
Qcok = 3670 MWh
Qcog = 45520 MWh
25000
Qcok
Qcwu = 32615 MWh
22500 Qcał = 81805 MWh
20000
17500
15000
.
12500
10000
Qco
7500
5000
2500
Qcwu
0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Ä [h]
Rys. 5. Wykres zapotrzebowania ciepła i ilość ciepła dostarczona w wymienniku c.o. (Qcog), c.w.u.
(Qcwu), i kotle szczytowym (Qcok) w ciepłowni
5. Wnioski
Z analizy wykonanych obliczeń wynika, \
e najwy\
szym stopniem wykorzystania
energii geotermicznej cechuje się elektrociepłownia. Zapotrzebowanie na energię elektryczną
występuje przez cały rok na stałym poziomie. Dodatkowo energia geotermiczna
wykorzystywana jest do celów ciepłowniczych.
Najmniej energii w skali roku jest wykorzystywane przy zasilaniu ciepłowni. Wynika
to z kształtowania się zapotrzebowania na energię w ciągu roku. W okresie letnim ciepłownia
wykorzystuje pozyskaną energię geotermiczną tylko to procesu przygotowania ciepłej wody
14
Q [kW]
u\
ytkowej. Wskutek tego znaczna część pozyskanego strumienia energii zatłaczana jest z
powrotem do wymiennika.
Literatura:
[1] Nowak W., Kaczmarek R.: Assessment of the influence of municipal water flowrate in
evaporator on the effectiveness of geothermic power plant, 19th International
Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of
Energy Systems, Greece 2006.
[2] Nowak W., i inni: Charakterystyki cieplno-przepływowe współpracy odbiorników
ciepła z geotermicznymi wymiennikami ciepła, Sprawozdanie końcowe z realizacji
projektu badawczego, Nr 3 T10B 0752.
[3] Nowak W., i inni: Ocena efektywności energetycznej i ekonomicznej systemów
ogrzewczych zasilanych wodą geotermalną o średniej i niskiej entalpii, Sprawozdanie
końcowe z realizacji projektu badawczego, Nr 8 T10B 047 21.
[4] Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej, PWN, Warszawa 1993
[5] PN-82/B-02403, Temperatury obliczeniowe zewnętrzne,
[6] http://www.ure.gov.pl
[7] REFPROT Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties, version 7.0.
15