POLITECHNIKA ÅšL
SKA
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
KierujÄ…cy projektem:
Prof. dr hab. inż. Andrzej J. Nowak
Gliwice, styczeń 2011
& & & & & ......., dnia & & & & & & & & ..
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
(imiÄ™ i nazwisko studenta)
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
(nr albumu)
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
(kierunek studiów)
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .
(rodzaj i forma studiów)
OÅšWIADCZENIE
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 póz
niejszymi 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)
2
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 kÄ…pielowej 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
3
Spis oznaczeń
cw - ciepło właściwe wody, kJ/kgK
i - entalpia właściwa, kJ/kg
Ku - liczba Kutateładzego
- strumień masowy, kg/s
Ne - efektywna mechaniczna moc napędowa, kW
Nel - moc elektryczna, kW
Ni - moc wewnętrzna, kW
Nu - liczba Nusselta
- jednostkowy strumień ciepła, W/m2
- 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, p C, K
Vj - jednostkowe zużycie wody, m3/osoba
- strumień objętościowy, m3/s
ą - współczynnik wnikania ciepła, W/m2K
µi - wewnÄ™trzny współczynnik efektywnoÅ›ci grzejnej
Á - gÄ™stość, kg/m3
 - współczynnik przewodzenia ciepła, W/mK
Indeksy:
w - woda sieciowa
w1 - woda sieciowa przed wymiennikiem
w2 - woda kÄ…pielowa
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.
4
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 18-25p C, 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 rozwiÄ…zanie da szansÄ™ wyeliminowania stosowanego do tej pory w
kopalnianej Å‚az
ni ogrzewania parowego.
5
2. Założenia
2.1. Generalne założenia do projektu
Jako z
ródło 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 twd = 22°C, zaÅ› jej strumieÅ„ objÄ™toÅ›ciowy to = 4190 m3/doba. Jest
ona pompowana tylko w czasie tzw. dolin elektroenergetycznych ze średnią dobową wydaj-
nością = 270 m3/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 ciepÅ‚a nie może być niższa niż +2°C,
temperatura wody kÄ…pielowej 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 bądz
już wycofanych,
6
 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 z
ródeł 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 z
ródła. 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
wskaz
nik efektywności energetycznej , wyrażający stosunek ciepła grzejnego do zużycia
pg
energii napędowej [7]. W praktyce wskaz
nik 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:
= (2.1)
pg
gdzie:
- strumień ciepła grzejnego, kW
Ne  efektywna mechaniczna moc napędowa, kW
7
Efektywna mechaniczna moc napędowa sprężarki Ne różni się od mocy elektrycznej Nel
o wielkość strat elektrycznych. Natomiast moc wewnętrzna sprężarki (Ni) jest mniejsza od
mocy mechanicznej Ne o straty mechaniczne.
Rys. 2.1. Schemat sprężarkowej pompy ciepła.
8
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 z
ródła 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, pompowanÄ… z poziomu 680m, której Å›rednia temperatura wynosi twd = 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 twk = 6°C. Ponadto zakÅ‚adamy, 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 Ewd
możliwy do pozyskania będzie równy:
Ewd = · Vwd · cwd ·( twd - twk) (3.1)
wd
gdzie:
Áwd  gÄ™stość wody doÅ‚owej, kg/m3
Vwd  dobowa objętość przepompowanej wody dołowej, m3
cwd  ciepło właściwe wody dołowej, kJ/kgK
twd  temperatura wody dołowej, p C
twk  temperatura końcowa wody dołowej (po oddaniu ciepła), p C
9
Otrzymany wynik: Ewd = 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 z
ródła, 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 z
ródłem 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.
10
4. Zapotrzebowanie energii do przygotowania wody kÄ…pielowej 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 Vj = 90 l/osobę. Przyjmujemy poza tym, że temperatura wody kąpielowej będzie się
równać tw2 = 42°C, czyli bÄ™dzie równa minimalnej wymaganej w przypadku tego projektu.
ÅšredniorocznÄ… wartość temperatury wody z sieci zakÅ‚adamy natomiast jako tw1 = 10°C.
Wykorzystując powyższe dane i założenia obliczamy dobowe zapotrzebowanie energii
do przygotowania wody kÄ…pielowej:
Q = 3350 · Vj · · cw ·(tw2 - tw1) (4.1)
w
gdzie:
Vj  jednostkowe zużycie wody, m3/osoba
tw1  temperatura wody sieciowej, p C
tw2  temperatura wody kÄ…pielowej, p C
Otrzymany wynik: Q = 40,3 GJ
Potrzeby energetyczne zwiÄ…zane z przygotowaniem wody kÄ…pielowej stanowiÄ… 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.
11
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 kÄ…pielowej o temperaturze tw2 = 42°C. Należy jednak pamiÄ™tać, 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 paz
dziernika 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 łaz
ni
na trzech zmianach  odpowiednio A, B i C. Godziny, na jakie przypadajÄ… te zmiany i liczbÄ™
kąpieli obrazuje poniższa tabela 5.1.
Tabela 5.1. Liczba kąpieli na poszczególnych zmianach.
Zmiana Pora dnia Liczba kÄ…pieli/dobÄ™
A 13.30  14.30 1630
B 20.45  21.45 860
C 4.30  7.30 860
Razem 3350
12
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.
13
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:
= · · cw ·(tw2 - tw1) (6.1)
w
gdzie:
tpr  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 energiÄ™ (40,3 GJ) przez wyznaczo-
nÄ… chwilowÄ… moc grzewczÄ…. 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
z
ródła, z którego pobierane jest ciepło. Natomiast temperatura skraplania musi być co naj-
mniej kilka stopni wyższa od temperatury wylotowej ogrzewanego czynnika (górne z
ródło).
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-
Å›niejszymi zaÅ‚ożeniami temperatura wody kÄ…pielowej bÄ™dzie równa tw2 = 42°C. Aby jÄ… uzy-
skać, woda ogrzana w skraplaczu pompy ciepła będzie mieszana z wodą sieciową o średnio-
rocznej temperaturze równej tw1 = 10°C. Z uwagi na konieczność budowy zasobników, do-
brym wyjściem jest zastosowanie jak najwyższej temperatury górnego z
ródła 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-
14
nia awarii. W praktyce nie stosuje siÄ™ temperatur skraplania powyżej 80°C. Po uwzglÄ™dnieniu
powyższych przesÅ‚anek zaÅ‚ożono temperaturÄ™ wody opuszczajÄ…cej 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
podstawÄ™ przyjmuje siÄ™ obieg Lindego. W obiegu tym czynnik ulega odparowaniu pobierajÄ…c
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: "T  = 1K
Przechłodzenie skroplin czynnika: "T = 2K
Temperatura parowania: tp = 9°C
Temperatura skraplania: ts = 70°C
Sprawność wewnÄ™trzna sprężarki: ·is = 0,8
Sprawność elektromechaniczna sprężarki: ·mel = 0,95
Podstawowe zależności wykorzystane w obliczeniach:
Wewnętrzny współczynnik efektywności grzejnej:
µi = = (6.2)
15
 Strumień masowy czynnika roboczego:
= (6.3)
Sprawność wewnętrzna sprężarki:
·is = (6.4)
Sprawność elektromechaniczna sprężarki:
·mel = (6.5)
Bilans energii pompy ciepła:
(6.6)
gdzie:
- strumień ciepła pobrany w parowniku, kW
Za pomocÄ… 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
3,848 3,415 2,552 2,272 2,775
efektywnoÅ›ci grzejnej µi
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
16
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 liniÄ… przerywanÄ… przedstawiono przemianÄ™
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 efektywnoÅ›ci grzejnej: µi = 3,415
Strumień ciepła oddany w skraplaczu: = 1437 kW
Strumień ciepła pobrany w parowaczu: = 1016,2 kW
Moc wewnętrzna sprężarki: Ni = 420,8 kW
Moc elektryczna doprowadzona do sprężarki: Nel = 442,9 kW
Charakterystyczne ciśnienia i temperatury czynnika:
Ciśnienie parowania: pp = 4,012 bar
17
 Ciśnienie skraplania: ps = 21,182 bar
Temperatury: t1 = 10 p C, t2 = 83,3 p C, t3 = 68 p C, t4 = tp = 9 p C
Entalpie w poszczególnych punktach obiegu:
i1 = 256,5 kJ/kg
i2s = 291,0 kJ/kg
i2 = 299,6 kJ/kg
i3 = i4 = 152,6 kJ/kg
Pozostałe parametry:
Temperatura, do której ochładza się wodę dołową (obliczona dla jej średniej dobowej
wydajności równej 270 m3/h): twk = 18,76 p C
Strumień czynnika roboczego: = 9,774 kg/s
Strumień wody sieciowej pobierającej ciepło w skraplaczu: = 6,236 kg/s
18
7. Magazynowanie wody w zasobnikach
Zgodnie z wcześniejszym założeniem skraplacz pompy ciepła opuszczać będzie woda
podgrzana do temperatury 65°C. Wymagany strumieÅ„ masowy tej wody wynosi 6,236 kg/s.
Oznacza to, że pompa ciepła w ciągu godziny podgrzeje 22,606 m3 wody do temperatury
65°C. Tabela 7.1. pokazuje m. in. ile tej gorÄ…cej wody potrzebne bÄ™dzie do zaspokojenia po-
trzeb poszczególnych zmian.
Tabela 7.1: Zapotrzebowanie na wodę i ciepło na poszczególnych zmianach.
Zmiana Zapotrzebowanie na wodÄ™ Zapotrzebowanie na wodÄ™ Zapotrzebowanie na
kÄ…pielowÄ… [m3] o temp. 65°C [m3] energiÄ™ [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 łaz
ni 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
wodÄ… o temperaturze 65°C, który przedstawiono poniżej (Wykres 7.1.).
19
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 m3 wody. Dla uproszczenia można założyć mini-
malną objętość zasobników Vzmin = 80 m3. 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.
20
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  materiału powierzchni wymiany ciepła
oraz od współczynników wnikania ciepła ą 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, m2
- strumień wymienianego ciepła, kW
k  współczynnik przenikania ciepła, W/m2K
- 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:
ąw  współczynnik wnikania ciepła po stronie wody, W/m2K
ąr  współczynnik wnikania ciepła po stronie czynnika roboczego, W/m2K
21
d  grubość przegrody, m
  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 - miedz
(współczynnik przewodzenia ciepÅ‚a  = 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)
22
 ¾ = (1,82·lgRe  1,64)-2 (8.5)
gdzie:
Nu  liczba Nusselta
Re  liczba Reynoldsa
Pr  liczba Prandtla
Prsc  liczba Prandtla dla warstwy przyściennej
¾  współczynnik oporu przepÅ‚ywu
dh  średnica hydrauliczna, m
Skraplanie:
Nu = 1,13 (Ga Pr K)1/4µk (8.6)
µk = (8.7)
gdzie:
Ga  liczba Galileusza
K  liczba skraplania
µk  poprawka uwzglÄ™dniajÄ…ca przechÅ‚odzenie cieczy
Ochładzanie pary przegrzanej  przepływ burzliwy w kanałach:
Nu = 0,021 Re0,8 Pr0,43 µt (8.8)
µt = (Pr/Prsc)0,25 (8.9)
gdzie:
µt  poprawka uwzglÄ™dniajÄ…ca różnicÄ™ temperatur pÅ‚ynu i warstwy przyÅ›ciennej
Posługując się powyższymi zależnościami kryterialnymi uzyskano następujące współ-
czynniki wnikania ciepła:
üð Dla wody w sekcji skraplania: 7690 W/m2K
üð Dla wody w sekcji ochÅ‚adzania pary: 7898 W/m2K
üð Dla R134a w sekcji skraplania: 61191 W/m2K
üð Dla R134a w sekcji ochÅ‚adzania pary: 2150 W/m2K
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 m2, z czego ponad połowę stanowi
powierzchnia dla sekcji ochładzania pary przegrzanej (7,38 m2). Reszta powierzchni (6,29
m2) wymagana jest, by nastąpiło całkowite skroplenie wraz z dochłodzeniem. Różnicę w in-
23
tensywności wymiany ciepła najlepiej obrazują jednostkowe strumienie ciepła. Dla sekcji
skraplania jednostkowy strumień ciepła wynosi 198,6 kW/m2, zaś dla ochładzania pary jest on
równy 25,4 kW/m2. 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 - miedz
(współczynnik przewodzenia ciepÅ‚a  = 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 17p C. Z tego
względu wymagany strumień wody kierowanej do wymiennika zmniejszy się do 50,37 kg/s.
24
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 = 2Kq0,35 )0,175 Re 0,35 (8.10)
gdzie:
Ar  liczba Archimedesa
Á  gÄ™stość cieczy w punkcie pÄ™cherzyków, kg/m3
Á   gÄ™stość pary nasyconej suchej, kg/m3
Nu = (8.11)
gdzie:
L  stała Laplace a (wymiar charakterystyczny), m
Re = (8.12)
gdzie:
 jednostkowy strumień ciepła, W/m2
r  entalpia parowania, kJ/kg
ź  współczynnik lepkości dynamicznej, kg/ms
Ar = (8.13)
gdzie:
g  przyspieszenie ziemskie, m/s2
Kq = (8.14)
gdzie:
Ku  liczba Kutateładzego
25
Ku = (8.15)
L = (8.16)
gdzie:
à napięcie powierzchniowe cieczy, N/m
Lw = (8.17)
gdzie:
cp  ciepło właściwe, kJ/kgK
Tn  temperatura nasycenia, K
Posługując się powyższymi zależnościami kryterialnymi uzyskano następujące współ-
czynniki wnikania ciepła:
üð Dla wody w sekcji parowania: 6165 W/m2K
üð Dla wody w sekcji przegrzewu pary: 6247 W/m2K
üð Dla R134a w sekcji parowania: 2497 W/m2K
üð Dla R134a w sekcji przegrzewu pary: 760 W/m2K
Jak pokazano na poniższym wykresie 8.2. wymagana powierzchnia wymiany ciepła pa-
rownika wyniosła 56,43 m2, 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.
26
Wykres 8.2. Przebieg zmian temperatur w parowniku w funkcji powierzchni wymiany ciepła.
27
9. Analiza ekonomiczna przedsięwzięcia
W niniejszej prostej analizie ekonomicznej obliczone zostanÄ… 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.
28
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:
üð CaÅ‚kowite nakÅ‚ady inwestycyjne: 2 501 800 zÅ‚
üð Roczna oszczÄ™dność: 214 465 zÅ‚
üð Prosty czas zwrotu nakÅ‚adów 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.
29
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 z
ródła, 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 prostÄ… analizÄ™ 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 Å‚az
ni.
5) Ważnym efektem przedsięwzięcia będzie efekt ekologiczny, polegający na ograniczeniu
emisji substancji szkodliwych do otoczenia poprzez zmniejszenie ilości spalanego paliwa.
30
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 z
ródła 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 Å‚az
ni 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 ÅšlÄ…skiej,
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.
31