Układy z pompami grzejnymi wykorzystujące zakumulowaną w gruncie energię promieniowania słonecznego

ZESZYTY NAUKOW E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 2003

Seria: E N ER G ET Y K A z. 139 N r kol. 1590

Adam FIC, Małgorzata HANUSZKIEWICZ-DRAPAŁA, Jan SKŁADZIEŃ

Instytut Techniki C iepln ej Politechniki Śląskiej

ul. K on arskiego 22, 44-101 G liw ice skladzie(a)jtc. ise. polsl. sliw ice. pi

UKŁADY Z POMPAMI GRZEJNYMI WYKORZYSTUJĄCE ZAKUMULOWANĄ W GRUNCIE ENERGIĘ

PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO

Streszczenie. W pracy przedstawiono możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego akumulowanego w gruncie w cyklach rocznych.

Energia ta, pochłaniana głównie w okresie wiosenno-letnim, je s t następnie wykorzystywana ja k o źródło ciepła dla układów z pom pam i grzejnymi (pompami ciepła). Ciepło pobierane je s t od górotworu w poziomym lub pionowym gruntowym wymienniku ciepła, p rzy czym nośnikiem „zim na” je s t odpowiedni niezamarzający roztwór, np. wodny roztwór glikolu etylenowego. Czynnik ten następnie przekazuje ciepło w parowaczu medium roboczemu pom py grzejnej. Celem pracy je s t głównie zaprezentowanie przykładowych rezultatów złożonych obliczeń numerycznych, których wynikiem je s t pole temperatury w gruncie oraz strumienie pobieranego ciepła.

HEAT PUMP SYSTEMS UTILIZING SOLAR ENERGY ACCUMULATED IN GROUND

Sum m ary. In the paper there are presented some possibilities o f utilization o f solar energy accumulated in the ground in annual cycles. Solar energy absorbed mainly during spring-summer time is then used as a heat source fo r systems with heat pumps. Heat is transferred fro m the ground by use o f horizontal or vertical heat exchangers and the suitable non-freezing intermediate medium having a form , e.g., a water solution o f ethylene glycol is used. This medium transfers then heat in evaporator to the working medium o f heat pum p unit. The aim o f the paper there is the presentation o f exemplary results o f complex thermal calculations fo r the vertical ground heat exchanger. The results o f these calculations have a fo rm o f temperature distributions in the ground as well as the heat fluxes taken fro m the ground.

1. Wstęp

Jednym ze w spólnych obszarów zainteresow ań szeroko rozum ianej energetyki oraz inżynierii środow iska je s t energetyczne w ykorzystanie niekonw encjonalnych oraz

odnaw ialnych źródeł energii. O ile sform ułow anie „niekonw encjonalne” m a dość szeroki i niezbyt ściśle sform ułow any zasięg, o tyle „źródła odnaw ialne” to takie m ożliw ości pobierania energii z otoczenia, które nie pow odują je g o energetycznego zubożenia.

Zgodnie z tym sform ułow aniem nie w szystkie źródła uw ażane za odnaw ialne są nimi w pełni. Sytuacja taka m a m iejsce np. w przypadku nieodpow iedniego w ykorzystania wód term alnych, co m oże prow adzić do długotrw ałego w ychłodzenia górotw oru, a naw et - co gorsze - do je g o odw odnienia.

Pow szechnie uw aża się, że eksploatacja odnaw ialnych źródeł energii je s t działaniem niezw ykle ekologicznym , bardzo korzystnym dla człow ieka i je g o bliższego oraz dalszego otoczenia. Z punktu w idzenia oddziaływ ań bezpośrednich często tak jest, choć z pew nością nie zaw sze. N a przykład niew łaściw ie usytuow ane turbiny w iatrow e m o g ą pow odow ać pew ne zakłócenia o charakterze falow ym , ja k też m o g ą stw arzać problem y na trasach ptasich w ędrów ek. M o g ą one też stanow ić zagrożenie dla obsługi i okolicznej ludności w sytuacjach ekstrem alnych. Przypadki takie są co praw da bardzo nieliczne, ale ilość energii elektrycznej produkow anej w takich układach je s t też niew ielka, co spraw ia, że w skaźnik obrazujący stosunek skutków pow ypadkow ych do ilości w yprodukow anej energii elektrycznej m oże tu być relatyw nie duży. Z kolei w przypadku energetyki w odnej wypadki zd arzają się niesłychanie rzadko, gdy je d n a k takow e w ystąpią, głów nie w postaci przerw ania tam y, to ich skutki by w ają przerażające.

B ardzo pow ażnym ekologicznym skutkiem ubocznym w ielu inw estycji je st negatyw ne oddziaływ anie na środow isko o charakterze pośrednim , które m oże te ż m ieć bardzo istotne znaczenie. Sytuacja taka w ystępuje np. w przypadku elektrow ni słonecznej.

E lektrow nia tego typu z punktu w idzenia ekologicznego je s t niew ątpliw ie bardzo przyjazna dla bezpośredniego otoczenia. W ybudow anie takiej elektrow ni je d n a k (w tym np. 0,5 ha zw ierciadeł na 1 M W [1]) pow odow ać m oże bardzo pow ażne skutki środow iskow e w m iejscu działania obiektów w ytw arzających m ateriały do budow y elektrow ni słonecznej.

Powyżej podane przykłady dotyczą w ytw arzania energii elektrycznej. Podobne problem y m o g ą je d n a k pojaw iać się rów nież w przypadku w ykorzystyw ania źródeł odnaw ialnych, w tym energii prom ieniow ania słonecznego, do celów grzejnych, przy czym istnieje tu w iele m ożliw ości bezpośredniego lub pośredniego skorzystania z tej energii.

N iniejsza praca dotyczy jed n eg o z pośrednich sposobów w ykorzystania energii prom ieniow ania słonecznego, a ściślej pobierania energii słonecznej zakum ulow anej w górotw orze przez układ: sprężarkow a parow a pom pa grzejna - gruntow y w ym iennik ciepła.

2. System z p om pą g rzejn ą i gruntem jak o dolnym źródłem ciepła

P om py grzejne są w krajach rozw iniętych bardzo często stosow ane ja k o elem enty system ów grzejnych zarów no w przypadku dużych układów , zasilających dzielnice m iejskie zam ieszkałe przez setki tysięcy ludzi, ja k i w w arunkach m ałych układów , w ykorzystyw anych np. w dom kach jednorodzinnych. Szacuje się, że w chw ili obecnej na św iecie je s t zainstalow anych ponad 60 m ilionów różnego rodzaju pom p grzejnych [2^-6].

Podstaw ow ym problem em , niezw ykle istotnym zw łaszcza w w arunkach polskich, przy instalow aniu system ów grzejnych z pom pam i ciepła, je s t pobieranie ciepła ze źródła

„dolnego” , czyli niskotem peraturow ego. Ź ródło to m oże m ieć postać naturalną lub w ynikającą z działalności człow ieka. W tym drugim przypadku źródłem tym m o g ą być np.

UKŁADY Z POMPAMI GRZEJNYMI WYKORZYSTUJĄCE 279

ścieki lub nośnik przem ysłow ej czy też kom unalnej energii odpadow ej w postaci np.

pow ietrza z klim atyzow anych albo w entylow anych pom ieszczeń. W przypadku naturalnych dolnych źródeł ciepła bardzo korzystne m oże być w ykorzystanie niskotem peraturow ych w ód term alnych, ja k np. w ciepłow ni w Pyrzycach [4], Jako dolne źródła ciepła m o g ą też w ystępow ać: pow ietrze, niestety raczej nie w naszej strefie klim atycznej, niezam arzające zbiorniki lub cieki w odne oraz grunt ja k o przypow ierzchniow a w arstw a górotw oru. B ardzo ciekaw ym rozw iązaniem je s t zespół sprężarkow ych parow ych pom p ciepła stanow iących elem ent sytem u grzejnego dużej dzielnicy S tokholm u o łącznej m ocy cieplnej układu ponad 260 MW . D olnym źródłem ciepła są tu w zim ie niezam arzające przy dnie w ody B ałtyku o stałej tem peraturze +4°C, co um ożliw ia eksploatację system u przy ustabilizow anej efektyw ności grzejnej w ynoszącej ok. 3,0. System ten m ożna uznać za w yjątkow o ekologiczny, g dyż dolne źródło ciepła m a tu postać w pełni o dnaw ialną i je g o w ykorzystanie je s t całkow icie obojętne dla otoczenia, a z drugiej strony energia elektryczna zasilająca, p oprzez silniki elektryczne, agregaty sprężarkow e je s t pobierana z system u energetycznego opartego na elektrow niach w odnych oraz elektrow niach jąd ro w y ch z reaktoram i w odnym i w rzącym i. E lektrow nie ze w spółczesnym i w odnym i reaktoram i jądrow ym i z kolei [7-*-ll] są, obok elektrow ni gazow ych, najbardziej przyjaznym i dla

środow iska i człow ieka instalacjam i służącym i do w ytw arzania energii elektrycznej.

W przypadku w ykorzystania bezpośrednio otoczenia, ja k o dolnego źródła ciepła w system ach grzejnych z pom pam i ciepła, rozw iązaniem m ającym w w arunkach polskich najw iększe znaczenie praktyczne s ą układy: sprężarkow a parow a pom pa grzejna - gruntow y w ym iennik ciepła. O gólne schem aty takich układów przy ogrzew aniu pow ietrznym lub w odnym oraz przy w ykorzystaniu czynnika pośredniczącego w obiegu ogrzew ania parow acza pokazano na rys. 1. Z kolei na rys. 2 przedstaw iono schem atycznie, w sposób bardzo uproszczony, przykładow y poziom y oraz pionow y gruntow y w ym iennik ciepła. W ym ienniki takie p o b ie ra ją od górotw oru ciepło, które w praktyce je s t zakum ulow aną en erg ią prom ieniow ania słonecznego. C iepło dopływ ające z w nętrza Ziem i w w yniku istnienia stopnia (gradientu tem peraturow ego) geoterm alnego stanow i na ogół m niej niż 1% całkow itej ilości ciepła odbieranego od gruntu.

P ełna analiza term odynam iczna układu: sprężarkow a parow a pom pa grzejna - gruntow y w ym iennik ciepła w ym aga rozpatrzenia bardzo złożonego zestaw u rów nań opisujących pracę podstaw ow ych elem entów agregatu chłodniczego oraz przebieg zjaw isk cieplno-przepływ ow ych zachodzących w rejonie gruntow ego w ym iennika ciepła. D ziałanie całego system u zależy ponadto od sposobu sterow ania je g o pracą. W rozw ażaniach, których rezultaty przedstaw iono przykładow o w niniejszej pracy, założono, iż sterow anie to pow oduje jedno zn aczn e zdeterm inow anie tem peratury czynnika pośredniczącego opuszczającego parow acz, a w ięc kierow anego do w ym iennika gruntow ego. U kład m oże przy tym pracow ać przez cały okres grzew czy w sposób ciągły, m oże też działać okresow o, np. gdy sprężarka je s t każdej doby urucham iana jed y n ie w okresie, gdy obow iązuje niższa cena energii elektrycznej. W takim przypadku, tzn. gdy zadana je s t tem peratura czynnika pośredniczącego przy dopływ ie do w ym iennika gruntow ego, m odelow anie procesów term odynam icznych w układzie sprow adza się do w yznaczania stanu term icznego górotw oru, a przede w szystkim strum ienia ciepła przejm ow anego od gruntu przez czynnik pośredniczący.

R y s .l. Schem at układów pom p grzejnych w spółpracujących z: a) ogrzew aniem w odnym , b) ogrzew aniem pow ietrznym

F ig .l. The schem e o f heat pum p system s w orking w ith: a) w ater heating system , b) air heating system

3. M od elow an ie procesów ciep ln o -p rzep ływ o w ych w obszarze g ru n tow ego w ym ien n ik a ciepła pom py grzejnej

W Zakładzie P rzepływ u C iepła, E nergetyki Jądrow ej i Ź ródeł O dnaw ialnych Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej od w ielu lat prow adzone są analizy m odelow o- kom puterow e stanow iące kontynuację jed n eg o z tradycyjnych nurtów zainteresow ań badaczy gliw ickiego ośrodka term odynam icznego [12]. Prace te zw iązane są z procesam i złożonego przepływ u ciepła przy zm ianie fazy, przy czym cechę charakterystyczną badań num eryczno-m odelow ych realizow anych w Z akładzie P C EJiŹO stanow i rozpatryw anie nieustalonego przepływ u ciepła w zaw odnionym ośrodku, w którym w ystęp u ją przem iany fazow e wilgoci. Jednym z głów nych osiągnięć w ynikających z dotychczasow ych prac je st opracow anie przez A. Fica złożonego kodu obliczeniow ego FEM C O N V , w ykorzystanego w niniejszej pracy [13-^17].

U K ŁA D Y Z PO M PA M I G R Z E JN Y M I W Y K O R Z Y ST U JĄ C E

a) _________________________________

281

/ / / / / / / / / A / / / /

Powtarz a lny element Y

4 --- 9- -T- «

b) c)

- ^{e z}

/ /

L

Rys.2. a) Schem at poziom ego gruntow ego w ym iennika ciepła oraz pow tarzalny je g o fragm ent (obszar obliczeniow y), b) schem at pow tarzalnego elem entu pionow ego w ym iennika ciepła pom py grzejnej, c) obszar obliczeniow y i schem at podziału trójw ym iarow ego obszaru w okół pionow ego w ym iennika ciepła

Fig.2. a) The schem e o f the horizontal ground heat exchanger and repetitive fragm ent (com putational dom ain), b) the schem e o f repetitive fragm ent o f vertical heat exchanger, c) com putational dom ain and the m esh assum ed in 3D calculations o f vertical heat exchanger

Podstaw ow ym celem prac m odelow o-obliczeniow ych analizujących procesy zachodzące w rejonie gruntow ego w ym iennika ciepła pom py grzejnej jest, ja k ju ż w spom niano, w yznaczenie nieustalonego pola tem peratury w górotw orze w sąsiedztw ie rur w ym iennika, a następnie określenie strum ieni ciepła przejm ow anego od gruntu przez rury w ym iennika i w nikającego następnie do czynnika pośredniczącego. Rozw iązanie takiego zagadnienia początkow o-brzegow ego je s t problem em złożonym z następujących powodów:

• proces je s t nieustalony, a po pew nym czasie, z dużym na ogół przybliżeniem , pow tarzalny w cyklach rocznych,

• pole tem peratury w gruncie m a w zasadzie postać trójw ym iarow ą, a jedynie w pew nych przypadkach, po przyjęciu określonych założeń, m oże być traktow ane ja k o dw uw ym iarow e,

• górotw ór, którego górną, zew nętrzną, w arstw ę stanow i rozpatryw any grunt, zaw iera p ew n ą ilość w ilgoci, która m oże podlegać - i na ogół podlega - przem ianom fazowym ,

• w arunki początkow e i brzegow e m a ją dość złożoną form ę; rozpatryw any obszar ma postać częściow o nieskończoną, a na zew nętrznej, górnej pow ierzchni gruntu w ystępuje absorpcja prom ieniow ania słonecznego (czyli o małej długości fali), radiacyjna w ym iana ciepła o w iększej długości fal z przestrzenią kosm iczną oraz konw ekcyjna w ym iana ciepła z pow ietrzem atm osferycznym , którego tem peratura podlega określonym , sezonow ym , zm ianom ,

• w niezam rożonej części górotw oru — gruntu m oże w ystępow ać przesączanie się w ody z bardzo n iew ielką p rędkością rzędu 1 0 '5 m/s, a naw et 1CT6 m/s, co je d n a k m a istotne znacznie z punktu w idzenia strum ieni ciepła odbieranego od górotw oru w w ym ienniku gruntow ym

Jak ju ż w spom niano, podstaw ow ym narzędziem obliczeniow ym był w łasny kod kom puterow y FEM C O N V , do pom ocniczych obliczeń zaś, a głów nie do generacji siatki różnicow ej, w ykorzystano profesjonalny, kom ercyjny kod PA TR A N . Procedury tw orzące kod FEM C O N V m a ją następujące, podstaw ow e cechy charakterystyczne:

• zasadnicze obliczenia zw iązane z rozw iązyw aniem rów nania przew odzenia ciepła Fouriera-K irchhoffa w ykorzystują m etodę elem entów skończonych (FEM ), odpow iednio dostosow aną do w arunków rozpatryw anego zagadnienia,

• efekty cieplne procesu zm iany fazy w ilgoci uw zględniono poprzez tzw. procedurę uśrednień całkow ych, tj. założenie, że przem iana fazow a m a m iejsce w bardzo niew ielkim - choć skończonym - przedziale tem peraturow ym , przy odpow iednio zw iększonej, fikcyjnej pojem ności cieplnej w łaściw ej, obejm ującej entalpię zm iany fazy,

• efekty ruchu w ilgoci uw zględniono poprzez w ykorzystanie praw a D arcy’ego, co w iąże się z pew nym i dodatkow ym i założeniam i, bardzo dobrze w rozpatryw anych przypadkach oddającym i rzeczyw istość. N ależy do nich np. przyjęcie, że tem peratura m igrującej w ilgoci je s t rów na tem peraturze w danym m iejscu górotw oru oraz że pole prędkości ruchu w ilgoci m a ta k ą postać ja k w w arunkach ustalonych. To ostatnie założenie w ynika z faktu bardzo pow olnych zm ian kształtu i objętości obszaru niezam rożonego.

O prócz w ym ienionych w obliczeniach w ykorzystano cały szereg dodatkow ych, dość oczyw istych, na ogół, założeń upraszczających. N ależy do nich zaliczyć np. przyjęcie, iż

UKŁADY Z POMPAMI GRZEJNYMI WYKORZYSTUJĄCE 283

charakterystyczne param etry term ofizyczne gruntu są stałe i że zm ien iają się one skokow o jed y n ie w chw ili zm iany fazy wilgoci.

4. W yn ik i p rzy k ła d o w y ch obliczeń n u m eryczn ych

P rzykładow e, ilustracyjne obliczenia liczbow e w ykonano dla w ym iennika utw orzonego przez ustaw ione w jed n y m rzędzie w odległości 2 m pionow e elem enty Fielda (rura w rurze) o długości 10 m i o średnicy zew nętrznej 0,052 m. O bszar obliczeniow y m iał postać prostopadłościanu o w ym iarach 1x20x30 m, a je g o granice tw orzyły m. in. dwie pionow e płaszczyzny sym etrii prostopadłe do rzędu rur - je d n a przechodząca przez oś rury i druga będąca płaszczyzną sym etrii obszaru m iędzy ruram i oraz prostopadła do nich płaszczyzna przechodząca przez osie rur. Jako początek sezonu grzew czego przyjęto koniec w rześnia, a czas je g o trw ania w ynosił 230 dni. C harakterystyczne param etry term ofizyczne gruntu m iały postać: gęstość 1700 kg/m 3, pojem ność cieplna w łaściw a 1200 J/(kg-K), przew odność cieplna 1,5 W /(m -K), entalpia zm iany fazy 30 000 J/kg. Z ałożono ponadto, że pojem ność cieplna strum ienia czynnika pośredniczącego je s t na tyle duża, iż m ożna przyjąć stałą je g o tem peraturę w całej rurze rów ną tem peraturze przy dopływ ie do system u rur w gruncie. W rzeczyw istości przyrost tem peratury czynnika podczas przepływ u przez rurę je s t na ogół w yraźnie poniżej 1 K.

R ys.3. R ozkład tem peratury w gruncie w okół rury pionow ego w ym iennika ciepła pom py grzejnej po 150 dniach od początku sezonu grzew czego

Fig.3. C ontours o f the tem perature in the ground surrounding pipe o f vertical exchanger o f heat pum p after 150 days o f heating season

N a rysunku 3 przedstaw iono przykładow y w ykres przestrzenny po la tem peratury w gruncie w rozpatryw anym obszarze po 150 dniach trw ania drugiego sezonu grzejnego, tzn. pod koniec lutego. Dla użytkow nika system u z pom pą grzejną i w ym iennikiem gruntow ym istotne są, ja k ju ż w spom niano, strum ienie ciepła przejm ow anego od górotw oru. Średnie w artości tych jednostkow ych strum ieni dla różnej, ale stałej w całym sezonie grzew czym , tem peratury czynnika pośredniczącego przy dopływ ie do elem entów rurow ych w gruncie zaw iera w ykres na rys. 4, który dotyczy rów nież drugiego sezonu grzew czego. W idać tu w yraźny spadek strum ienia przejm ow anego ciepła, potem je g o pew ną stabilizację, a następnie niew ielki w zrost w okresie w iosennym , co w ynika z silniejszego prom ieniow ania słonecznego oraz w yższej, średniej w ciągu doby, tem peratury pow ietrza atm osferycznego.

N a rysunku 4 w idać także w yraźny w pływ tem peratury czynnika pośredniczącego przy dopływ ie, tzn. naw et niew ielki spadek tej tem peratury pow oduje w idoczny w zrost strum ienia ciepła przejm ow anego od gruntu. Z drugiej je d n ak strony obniżenie poziom u tem peratury czynnika pośredniczącego w iąże się z obniżeniem tem peratury zm iany fazy czynnika roboczego w parow aczu agregatu pom py grzejnej, to zaś pow oduje spadek jej efektyw ności grzejnej.

40 ■

E

§ JSo.

0) 3

■c<u E B

O +*t/i Oc 13V

35 ■

30 ■

25 ■

,2. 20 •

15 ■

O + A

N t=-6°C t=-8°C t=-IO"C

<<] 4-

o + + A + H

AA A

b A

a~ a

<

[V

"AaAa z

+

^A Aa a ź,a a a

% ^{. __}

_

A A

4 A 4 A 4

.

50 100 150 200 250

c z a s , dn i

Rys.4. Jednostkow e strum ienie ciepła pobieranego w pionow ym w ym ienniku ciepła w funkcji czasu dla różnych w artości tem peratury czynnika pośredniczącego

Fig.4. H eat flux density in vertical ground exchanger o f heat pum p versus tim e for variuos values o f the tem perature o f an interm ediate m edium

UKŁADY Z POMPAMI GRZEJNYMI WYKORZYSTUJĄCE 285

60 ■

50 ■

£ 1

ta

Q_

o 40 •

‘C

E2 5 I ' 30 •

</>

oc

■O

■2. 2 0-

10 ■

T I T * ' * '* * * *

X x x

+

..

..

+ vn = °

^ vw = 0.25 E-6 m/s A = 0.50E-6 w /i X vw = 1.00 E-6 w /i vM_= 2.00 E-6 w /i

* •#• * w :t * * * i? A- *

A A A A a A A A A < * A A A A mA A A A ^ A

X X X X

+ + + +

..

— 1--- 1--- T-

50 100 150 200 250 300

czas, dni

Rys.5. Jednostkow e strum ienie ciepła pobieranego w pionow ym w ym ienniku ciepła pom py grzejnej w funkcji czasu dla różnych w artości prędkości w ody gruntow ej

Fig.5. H eat flux density in the vertical ground exchanger o f heat pum p for various values o f seepage velocity

O bliczenia, których w ybrane rezultaty zaprezentow ano n a rys. 3 i 4, dotyczyły przypadku, gdy nie w ystępow ały ruchy w ód podziem nych. A by zbadać w pływ m igracji w ilgoci przeprow adzono dodatkow e analizy, tym razem w układzie dw uw ym iarow ym , z dopływ em w ody poziom o, prostopadle do rur w ym iennika. R ozpatryw ano zatem poziom ą, je d n o ro d n ą w arstw ę górotw oru p rostopadłą do rur i p ołożoną na takiej głębokości, Ze m ożna pom inąć w pływ zm ian param etrów otoczenia zew nętrznego na pole tem peratury w okół rur. O bszar obliczeniow y m iał postać prostokąta o w ym iarach 1x50 m, a fragm ent rezultatów uzyskanych dla drugiego sezonu grzew czego i przy stałej tem peraturze dopływ ającego czynnika pośredniczącego -8°C przedstaw iono n a rys. 5.

P aram etrem w odniesieniu do krzyw ych w yrażających przebieg zm ienności jednostkow ego strum ienia przejm ow anego ciepła je s t tu prędkość graniczna dopływ u wody. M im o niezw ykle m ałych prędkości przesączania się w ilgoci m a ona jed n ak bardzo duży w pływ na strum ienie odbieranego ciepła. Przy odpow iednio dużej prędkości napływu wilgoci strum ienie te po krótkim czasie stabilizują się na poziom ie tym w yższym , im w iększa je st prędkość napływu.

O bliczenia, których w yniki przedstaw iono na rys. 4 i 5, zostały zrealizow ane przy nieco innych założeniach, dlatego para odpow iadających sobie krzyw ych na tych rysunkach (zerow a prędkość dopływ u w ilgoci, tem peratura początkow a czynnika -8°C) nie pokryw a się całkow icie. W ynika to głów nie z braku w pływ u procesu w iosennego ogrzew ania gruntu

w przypadku w ariantu ja k na rys. 5, co pow oduje m onotoniczny przebieg krzyw ych, podczas gdy na rys. 4 w idoczny jest, co praw da niewielki, ale w yraźnie zauw ażalny w pływ w arunków w iosennych na procesy cieplne w przypow ierzchniow ej w arstw ie gruntu.

5. W n io sk i, uw agi końcow e

W nioski szczegółow e w ynikające z przeprow adzonych, przykładow ych obliczeń zostały ju ż podane w form ie kom entarzy do kolejnych rysunków . W yjaśnienia w ym aga je d n ak fakt prezentow ania każdorazow o w yników dla drugiego sezonu grzew czego.

W ynika to stąd, że ja k o w arunek początkow y, przed pierw szym sezonem grzejnym , zakładano stałą, w yrów naną tem peraturę górotw oru. Postać pola tej tem peratury przed drugim sezonem grzejnym w ynikała z obliczeń realizow anych dla całego pierw szego roku.

O bliczenia dla dalszych lat w ykazały, że w kolejnych latach pole tem peratury w gruncie, a tym sam ym strum ienie przejm ow anego ciepła, zm ieniały się cyklicznie w taki sposób, ja k w roku drugim , jeśli cyklicznie zm ieniały się w kolejnych latach w arunki brzegowe.

Przedm iotem rozw ażań num eryczno-obliczeniow ych je s t w pracy przykładow y w ym iennik gruntow y o postaci pionow ej. W yniki podobnych analiz zam ieszczono rów nież w opracow aniach [18^23]. A utorzy niniejszej publikacji przeprow adzili także w ielow arian­

tow e analizy obliczeniow e dla przykładow ych w ym ienników gruntow ych z ruram i poziom ym i [20^31]. W przypadku takich w ym ienników oczyw iście znacznie silniejszy je st w pływ w arunków otoczenia. W szczególności strum ień ciepła odbieranego od gruntu m aleje w czasie zim y w w iększym stopniu, gdyż w iększy je s t w pływ procesu w ychłodzenia przypow ierzchniow ej w arstw y gruntu. O bliczenia w ykazały rów nież, że ew entualne poziom e ruchy w ilgoci nie m a ją w tedy aż tak istotnego w pływ u, co zw iązane je s t z kolei z dużym obszarem gruntu w okół rur. A nalizy obliczeniow e potw ierdziły także przypuszczenia, ja k określone param etry m o g ą w pływ ać na strum ienie odbieranego ciepła, a przede w szystkim ja k i je s t w pływ głębokości położenia poziom ych rur.

O statnia uw aga m a charakter bardzo ogólny. W ykorzystanie pom p grzejnych sprawia, że m niej ciepła służącego do celów grzejnych pochodzi, pom ijając przypadki bardzo szczególne, ze spalania paliw organicznych. Tym sam ym stosow anie tego typu urządzeń je s t całkow icie zgodne z zasadą rozw oju zrów now ażonego. A utorzy pracy są ponadto przekonani, że stosow anie pom p grzejnych także w w arunkach polskich m ogłoby się stać w pełni opłacalne, gdyby opłaty za nośniki energii uzyskane w w yniku spalania paliw kopalnych uw zględniały w pełni koszty zew nętrzne, a w ięc koszty środow iskow e.

Bibliografia

1. Szargut J., Z iębik A.: P odstaw y energetyki cieplnej. PW N , W arszaw a 1998 2. B rodow icz K., D yakow ski T.: P om py ciepła. PW N , W arszaw a 1990

3. M ikielew icz J., Cieśliński J.: N iekonw encjonalne urządzenia i system y konw ersji energii. ZN im. O ssolińskich, W rocław 1999

4. Sobański R., K abat M., N ow ak W.: Jak pozyskać ciepło z Ziemi. Centralny O środek Inform acji Budow nictw a, W arszaw a 2000

5. Zalew ski W.: P om py ciepła sprężarkow e, sorpcyjne i term oelektryczne. Podstaw y teoretyczne. Przykłady obliczeniow e. IPPU M ASTA, G dańsk 2001

UKŁADY Z POMPAMI GRZEJNYMI WYKORZYSTUJĄCE . 287

6. Lew andow ski W.: Proekologiczne źródła energii odnaw ialnej. W NT, W arszawa 2001

7. C eliński Z., Strupczew ski A.: Podstaw y energetyki jądrow ej. W N T, W arszaw a 1984

8. Strupczew ski A.: A w arie reaktorow e, a bezpieczeństw o energetyki jądrow ej.

W NT, W arszaw a 1990

9. Lech M.: K ierunki rozw oju elektrow ni jądrow ych. W yd. Pol. W rocław skiej, W rocław , 1997

10. M astalerz P.: E kologiczne kłam stw a ekow ojow ników . W ydaw nictw o Chem iczne, W rocław 2000

11. S kładzień J., Fic A.: Z jaw iska cieplno-przepływ ow e w układach lokalizacji awarii lekkow odnych reaktorów jądrow ych. XI S ym pozjum W ym iany C iepła i M asy, G liw ice-Szczyrk 2001

12. B iałecki R., Fic A., R udnicki Z., Składzień J., S korek J.: W ybrane m etody m odelow ania procesów w ym iany ciepła. G ospodarka P aliw am i i E n erg ią 1, 1999 13. Fic A.: FEM technique for convective-diffusion problem s with m oving boundary.

Int. Conf. Heat T ransfer w ith C hange o f Phase “H eat 96 ” , K ielce 1996

14. Fic A., Składzień J.: FEM solution o f the ground freezing problem w ith flow ing g roundw ater . Int. Conf. on M oving B oundaries, G andaw a 1997

15. Fic A.: FEM solution o f heat transfer problem in the ground w ith change o f phase and groundw ater flow . Europ. C ong. EC C O M A S 2000, B arcelona 2000

16. Fic A.: FEM technique o f solving o f the ground freezing problem with flow ing groundw ater. 34th N ational H eat T ransfer Conf., Pittsburg 2000

17. Fic A.: S olving o f 3D heat transfer problem s in the ground w ith change o f phase and groundw ater flow . 2-nd Int. Conf. on Comp. H eat and M ass T ransfer, Rio de Janeiro 2001

18. Fic A., H anuszkiew icz-D rapała M ., Składzień J.: N um eryczna analiza procesów term odynam icznych w pionow ym gruntow ym w ym ienniku ciepła pom py grzejnej.

Z eszyty N aukow e P olitechniki Śląskiej, Zesz. Kat. M ech. Stos., G liw ice, 2002.

19. S kładzień J., H anuszkiew icz-D rapała M., Fic A.: M odelow anie procesów cieplnych w gruntow ym w ym ienniku ciepła pom py grzejnej z elem entam i Fielda.

XLII Sym p. PTM TS M odelow anie w m echanice, W isła 2003

20. Fic A ., H anuszkiew icz-D rapała M ., P iątek R., S kładzień J.: H eat transfer analysis in ground h eat exchanger system s o f heat pum ps. Europ. Cong. EC C O M A S 2000, B arcelona 2000

21. S kładzień J., Fic A., H anuszkiew icz-D rapała M.: P rocesy cieplne w obszarach gruntow ych w ym ienników ciepła pom p grzejnych. K onf. N -T X X X III Dni C hłow nictw a, P oznań 2001

22. Fic A., H anuszkiew icz-D rapała M ., S kładzień J.: N um erical analysis o f therm al processes in ground heat exchangers o f heat pum p system s. 2-nd Int. Conf. on Com p. H eat and M ass T ransfer, R io de Janeiro 2001

23. Fic A., H anuszkiew icz-D rapała M ., Składzień J.: W pływ ruchu w ód podziem nych na efektyw ność gruntow ego w ym iennika ciepła pom py grzejnej. X V III Zjazd T erm odynam ików , W arszaw a 2002

24. Fic A., H anuszkiew icz-D rapała M., Piątek R., Składzień J.: Tem perature field analysis in region o f heat pum p underground heat exchanger. Z eszyty N aukow e P olitechniki Śląskiej, Zesz. Kat. M ech. Stos., G liw ice, 2000

25. H anuszkiew icz-D rapała M., Piątek R., Składzień J., Fic A.: W pływ zew nętrznych strum ieni ciepła na efektyw ność gruntow ego w ym iennika pom py ciepła. Zeszyty N aukow e P olitechniki Śląskiej, Zesz. Kat. Mech. Stos., G liw ice, 2001

26. S kładzień J., Fic A., H anuszkiew icz-D rapała M.: O chładzanie i nagrzew anie gruntu w obszarze w ym iennika ciepła pom py grzejnej. G ospodarka Paliw am i i E nergią 11, 2002

27. Fic A., H anuszkiew icz-D rapała M., Składzień J.: W pływ strum ienia czynnika pośredniczącego na efektyw ność gruntow ego w ym iennika pom py grzejnej. XI Sym pozjum W ym iany C iepła i M asy, G liw ice-Szczyrk 2001

28. Fic A., H anuszkiew icz-D rapała M ., Składzień J.: P rocesy cieplno-przepływ ow e w poziom ym w ym ienniku gruntow ym pom py grzejnej. V III Konf. Kierunki i Sposoby O szczędzania Energii, K atow ice 2002

29. Fic A., H anuszkiew icz-D rapała M., S kładzień J.: O bszar gruntow ego w ym iennika pom py grzejnej ja k o akum ulator energii słonecznej. X V III Zjazd T erm odynam ików , W arszaw a 2002

30. Fic A., H anuszkiew icz-D rapała M.: Strum ienie ciep ła przejm ow anego w poziom ym gruntow ym w ym ienniku pom py grzejnej. C hłodnictw o 6, 2002 3 1 .Fic A., H anuszkiew icz-D rapała M ., S kładzień J.: M odelow anie procesów

przepływ ow ych w poziom ym gruntow ym w ym ienniku ciepła pom py grzejnej przy ruchu w ód podziem nych. X LII Symp. PTM TS M odelow anie w M echanice, W isła 2003

Praca powstała w wyniku realizacji projektu badawczego nr 4T10B 039 23 finansowanego przez Komitet Badań Naukowych.