Miros³aw JANOWSKI
Katedra Surowców Energetycznych
Wydzia³ Geologii, Geofizyki i Ochrony Œrodowiska Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanis³awa Staszica al. Mickiewicza30, 30-059 Kraków
e-mail: janowski@agh.edu.pl
Technika Poszukiwañ Geologicznych Geotermia, Zrównowa¿ony Rozwój nr 1–2/2011
MO¯LIWOŒCI WYKORZYSTANIA WÓD GEOTERMALNYCH DO CELÓW REKREACYJNYCH I BALNEOLOGICZNYCH –
ASPEKT TECHNICZNO-EKONOMICZNY
STRESZCZENIE
Wykorzystanie wód termalnych w balneoterapii i rekreacji wi¹¿e siê z koniecznoœci¹ utrzymania ich para- metrów w okreœlonym zakresie. Wody podziemne Ni¿u Polskiego s¹ na ogó³ zmineralizowane w stopniu znacznie przekraczaj¹cym stopieñ dopuszczalny do zastosowañ balneoterapeutycznych czy te¿ rekreacyjnych. W zwi¹zku z tym zachodzi koniecznoœæ rozcieñczenia wody termalnej wod¹ s³odk¹ (niskozmineralizowan¹) przed skierowaniem jej do miski basenowej. Taki zabieg, ze wzglêdu na nisk¹ temperaturê wody rozcieñczaj¹cej, powoduje obni¿enie temperatury wody kierowanej do basenu. Konieczne jest okreœlenie sposobów prowadzenia strumieni mas wody oraz ich energii w sposób umo¿liwiaj¹cy jak najszersze wykorzystanie wód termalnych dla poszczególnych typów basenów.
S£OWA KLUCZOWE
Energia geotermalna, balneologia, balneoterapia, wody lecznicze
* * *
WPROWADZENIE
Coraz popularniejsze staje siê wykorzystanie wód termalnych w celach balneotera- peutycznych i rekreacyjnych. Oprócz walorów leczniczych, wody termalne, jak sama nazwa wskazuje, posiadaj¹ tak¿e energiê ciepln¹, która mo¿na zagospodarowaæ. Za³o¿eniem ni- niejszego opracowania jest uwzglêdnienie kryterium energetycznej samowystarczalnoœci
Recenzowa³a dr Teresa Latour
Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 26.05.2011 r., zaakceptowano do druku 30.06.2011 r.
oœrodka. Oznacza to, i¿ wody po wydobyciu na powierzchniê oraz po uzdatnieniu ich do za³o¿onego celu nie bêd¹ potrzebowa³y dostarczenia ciep³a z zewnêtrznego Ÿród³a.
Spe³nienie powy¿szego warunku nie jest ³atwe, gdy¿ wody wysokozmineralizowane wy- magaj¹ wysokiego stopnia rozcieñczenia wod¹ s³odk¹, co wi¹¿e siê nierozerwalnie ze spadkiem ich temperatury. Zale¿noœæ tê mo¿na zobrazowaæ poni¿szym wzorem:
& & &
m c× × =v T m c1× v1× +T1 m2×cv2×T2
gdzie:
&m – strumieñ masy wody dostarczonej po wymieszaniu,
&m1 – strumieñ masy wody s³odkiej,
&m2– strumieñ masy wody geotermalnej na wylocie z otworu, cv – ciep³o w³aœciwe mieszaniny,
cv1– ciep³o w³aœciwe wody s³odkiej,
cv2– ciep³o w³aœciwe wody geotermalnej na wylocie z otworu, T – temperatura wody dostarczonej do odbiornika,
T1 – temperatura wody s³odkiej,
T2 – temperatura wody geotermalnej na wylocie z otworu.
Przy czym ciep³o w³aœciwe mieszaniny cvjest równe:
c m c m c
m m
v = × v + × v
+
& &
& &
1 1 2 2
1 2
Daje to w ostatecznoœci temperaturê wody rozcieñczonej T, wynosz¹c¹:
T m c T m c T m c m c
v v
v v
= × × + × ×
× + ×
& &
& &
1 1 1 2 2 2
1 1 2 2
Poni¿sza formu³a przedstawia zale¿noœæ pomiêdzy temperatur¹ wody a stopniem jej rozcieñczenia x m
= m&
&21. Wielkoœæ stopnia rozcieñczenia wód termalnych wynika z za³o¿onych celów wykorzystania wód. Zakresy temperatur oraz mineralizacji wód w basenach w za- le¿noœci od ich przeznaczenia zobrazowano w tabeli 1. Do obliczeñ temperatury wody w misce basenowej – T, za³o¿ono temperaturê wód s³odkich T1na poziomie 8°C.
T c T x c T c x c
v v
v v
= × + × ×
+ ×
1 1 2 2
1 2
Temperatura wód na wyp³ywie T2zosta³a okreœlona jako równa temperaturze w stropie poziomu. Ciep³o w³aœciwe wody zmineralizowanej przyjêto jako ciep³o solanki dla od-
powiedniego zakresu stê¿eñ (masowych). Ciep³o to jest funkcj¹ nastêpuj¹cych para- metrów:
– stopnia mineralizacji, – temperatury,
– ciœnienia.
Jako zasadnicze kryterium zmiany ciep³a w³aœciwego wody zmineralizowanej przyjêty zosta³ stopieñ mineralizacji. Zale¿noœæ ciep³a w³aœciwego od temperatury jest niewielka.
Równie¿ zale¿noœæ ciep³a w³aœciwego od ciœnienia mo¿e byæ pominiêta. W przypadku cieczy ró¿nice ciœnienia praktycznie nie maj¹ ¿adnego wp³ywu na zmianê wielkoœci ciep³a w³aœciwego p³ynu.
Tabela1 Graniczne temperatury i mineralizacje dla poszczególnych typów basenów
(Ponikowska, Ferson 2009)
Table 1 Limits of temperature and mineralization for different types of pools (Ponikowska, Ferson 2009)
Wykorzystanie Temperatura minimalna [°C]
Temperatura maksymalna [°C]
Maksymalna mineralizacja [g/dm3]
Maksymalna mineralizacja [g/kg]
Rekreacja 24 30 35 34,1
Balneo-rekreacja 28 32 40 38,8
Balneologia 28 40 60 57,4
Rys. 1. Zale¿noœæ ciep³a w³aœciwego wody zmineralizowanej NaCl od stopnia mineralizacji Fig. 1. Correlation between specific heat and NaCl water mineralization dagree (salinity)
Wykres przedstawiony na rysunku 1 obrazuje zmiany ciep³a w³aœciwego solanki w za- le¿noœci od udzia³u masowego [kg/kg] NaCl w wodzie wyra¿one w procentach.
Stopieñ rozcieñczenia x m
=m&
&21 wody jest czynnikiem determinuj¹cym jej mineraliza- cjê w basenie oraz temperaturê; poni¿szy wzór przedstawia zale¿noœæ stopnia rozcieñ- czenia od:
– zadanego w zale¿noœci od potrzeb stê¿enia procentowego solanki w basenie Sb, – mineralizacji wody z³o¿owej S2:
x m m
S
S S S S
b
b b
= =
- + ×
&
& ( )
2
1 2 2
Temperaturê i przep³yw wody w instalacji zasilaj¹cej, konieczne do uzyskania w³aœciwej temperatury w misce basenowej, okreœla zale¿noœæ uwzglêdniaj¹ca straty poprzez paro- wanie, konwekcjê i wymianê ciep³a przez miskê basenu.
Dla konkretnych zastosowañ: rekreacji, balneo-rekreacji i balneoterapii, wyró¿nia siê trzy górne granice wartoœci temperatury i mineralizacji wody w basenie, przedstawione w tabeli 1. Wynikaj¹ one z odmiennych wymagañ determinowanych przez rekreacyjne i balneoterapeutyczne zastosowanie wód (Ponikowska, Ferson 2009).
Do obliczeñ, wielkoœci graniczne stê¿eñ zosta³y przedstawione jako udzia³y masowe (g NaCl/kg roztworu). Wykorzystano do tego zale¿noœæ gêstoœci solanki od jej stê¿enia procentowego przedstawion¹ na rysunku 2.
Rys. 2. Zale¿noœæ gêstoœci solanki od jej stê¿enia procentowego
Fig. 2. Correlation between brine density and parcentage NaCl concentration
Wzór ogólny na mo¿liw¹ do uzyskania temperaturê wody na „wejœciu” do basenu przedstawia siê nastêpuj¹co:
T
c T S
S S S S c T
c S
S S S S
v b
b b
v
v b
b b
=
× + - + × × ×
+ - + ×
1 1
2 2
2 2
1
2 2
( )
( )×cv2×
gdzie:
cv2– ciep³o w³aœciwe wody termalnej na g³owicy otworu wiertniczego eksploatacyjnego (rys. 1),
T2 – temperatura wody termalnej na g³owicy otworu wiertniczego eksploatacyjnego.
Jako temperaturê T2 przyjêto temperaturê w stropie poziomu wodonoœnego. Jest ona ni¿sza od temperatury z³o¿owej wody termalnej. Zatem przyjêto j¹ jako temperaturê na g³owicy otworu, uwzglêdniaj¹c¹ straty ciep³a na przep³ywie przez górotwór. Jest to doœæ du¿e przybli¿enie i mo¿na je stosowaæ przy odpowiednio du¿ym i ustalonym przep³ywie wody termalnej w otworze.
Ró¿nica pomiêdzy temperatur¹ wody zasilaj¹cej basen a temperatur¹ wody powrotnej wynosi zazwyczaj od 3 do 5°C. Do obliczeñ za³o¿ono ró¿nicê temperatur pomiêdzy wod¹ zasilaj¹c¹ a wod¹ zrzutow¹ z basenu 4°C, czyli dla wymaganej temperatury w basenie równej Tbprzyjêto temperaturê wody zasilaj¹cej równ¹ T = Tb+ 2°C, zaœ temperaturê wody zrzutowej wynosz¹c¹ Tb– 2°C. Przy spadku temperatury wody w „gor¹cym” basenie mo¿na wodê skierowaæ do basenu ch³odniejszego i tam dalej pozwoliæ siê jej sch³adzaæ, a¿ do uzyskania minimalnej temperatury. W zwi¹zku z tym, w celu uzyskania bardziej uni- wersalnych wyników, przyjêto iloœæ energii dostarczonej na 1 m2 basenu przy spadku temperatury o 1°C. Taki obraz wyników pozwala na praktycznie dowolny, kaskadowy uk³ad pól basenowych, gdzie wa¿na bêdzie suma spadków temperatury na jeden metr kwadra- towy powierzchni basenowej w ka¿dym stopniu kaskady basenów. Zapotrzebowanie energii pierwszego stopnia (spadek temperatury najcieplejszego basenu – za³o¿ono DT = 4°C) determinuje przep³yw masowy wody termalnej, natomiast dalsze stopnie (baseny ch³od- niejsze) poprawiaj¹ efektywnoœæ energetyczn¹ systemu.
Mo¿liwe jest równie¿, przy odpowiedniej wydajnoœci wód termalnych, zastosowanie uk³adu z dogrzewaniem poprzez wymiennik ciep³a wody w misce basenowej za pomoc¹ strumienia wody geotermalnej, który nie bierze udzia³u w procesie balneologicznym. Stru- mieñ ten ze wzglêdu na swoj¹ mineralizacjê powinien, po oddaniu energii cieplnej, zostaæ z powrotem zat³oczony do górotworu.
W niniejszym opracowaniu – w celu czytelnego zobrazowania wielkoœci i przep³ywów strumieni masowych i energetycznych – podzielono strumieñ wody termalnej na trzy czêœci:
– strumieñ wody termalnej bezpoœrednio dostarczanej do basenu,
– strumieñ wody termalnej dostarczanej do systemu zasilania wymiennika basenowego w celu ogrzania basenu,
– nadmiarowy strumieñ energii cieplnej wody termalnej, który mo¿e pos³u¿yæ do celów grzewczych.
Strumieñ wody termalnej bezpoœrednio dostarczonej do basenu wynika z zapotrzebo- wania basenu na energiê ciepln¹ oraz z mineralizacji wody w basenie. Wynika st¹d oczywiste zmniejszenie temperatury wód wysokozmineralizowanych w wyniku ich rozcieñczenia wod¹ s³odk¹, w celu uzyskania w³aœciwego stopnia mineralizacji wody w basenie. Mineralizacja, podobnie jak wymagana temperatura wody w basenie, zale¿na jest od charakteru jego wy- korzystania (tab. 1). Zatem w zale¿noœci o tych parametrów mo¿e wyst¹piæ ró¿ne zapo- trzebowanie na wodê termaln¹ na metr kwadratowy powierzchni basenu. Zamieszczone poni¿ej schematy obrazuj¹ ideowe, uproszczone po³¹czenia dla basenu zasilanego wod¹ o wysokiej oraz dla basenu zasilanego wod¹ o niskiej temperaturze po rozcieñczeniu.
Warunkiem podstawowym funkcjonowania basenu – niezale¿nie od zewnêtrznych sys- temów grzewczych – jest uzyskanie, po rozcieñczeniu, wystarczaj¹cej temperatury wody lub mo¿liwoœæ jej dogrzania nierozcieñczonym strumieniem wody termalnej, kierowanym po oddaniu ciep³a do otworu ch³onnego. W celu poprawienia efektywnoœci, rzeczywiste systemy geotermalne s¹ kompilacj¹ obu przedstawionych powy¿ej rozwi¹zañ. Natomiast w szacunkach bilansowych przep³ywów masowych i cieplnych ww. rozgraniczenie jest bardzo pomocne.
Rys. 3. Schemat ideowy systemu geotermalnego zasilanego wod¹ o temperaturze przekraczaj¹cej potrzeby basenu
Fig. 3. Schematic diagram of geothermal swimming pool feeding system, using high temperature water
W ramach tego projektu wykonano mapy, obrazuj¹ce poszczególne strumienie wody geotermalnej przeliczone na jeden metr kwadratowy powierzchni basenu. Oznacza to, ¿e wielkoœæ odczytana z mapy jest wielkoœci¹:
– l/m2– strumienia wody termalnej koniecznego do zapewnienia basenowi odpowiedniej temperatury wody, przy zadanej mineralizacji (na 1 m2basenu),
– dl/m2 – dodatkowego strumienia wody termalnej koniecznego do dostarczania wy- maganej iloœci ciep³a do basenu (na 1 m2basenu),
– l/m2+ dl/m2– ca³kowitego strumienia wody termalnej wymaganego do funkcjonowania powierzchni 1m2basenu.
Ponadto przedstawiono dodatkowe wielkoœci:
– kW/m2 – mo¿liwe do uzyskania dodatkowe ciep³o wynikaj¹ce z „nadmiaru” energii cieplnej zawartej w wodzie termalnej,
– T – temperaturê, jak¹ mo¿na uzyskaæ po rozcieñczeniu wód do mineralizacji o wyma- ganej wielkoœci.
Charakteryzuj¹ one w ³atwy sposób cieplne w³aœciwoœci wody termalnej po dostoso- waniu jej mineralizacji do warunków wymaganych przeznaczeniem basenu.
Wybór przeliczenia wielkoœci strumienia przep³ywu i energii na jeden metr kwa- dratowy powierzchni basenu jest celowy. Zosta³ on dokonany dla ³atwiejszego osza- cowania wielkoœci potencjalnego obiektu przy znajomoœci zasobów wód termalnych.
Strumienie dla poszczególnych elementów (typów basenu) systemu mog¹ byæ sumowane, Rys. 4. Schemat ideowy systemu geotermalnego zasilanego wod¹ o zbyt niskiej temperaturze po rozcieñczeniu
Fig. 4. Schematic diagram of geothermal swimming pool feeding system, using low temperature diluted water
co w efekcie daje ca³kowite zapotrzebowanie na wodê termaln¹. Obliczenia wykonano dla dwu grup:
– baseny rekreacyjne,
– baseny balneoterapeutyczne.
Ka¿da grupa zosta³a podzielona na piêæ podgrup, w zale¿noœci od zapotrzebowania na energiê ciepln¹ miski basenowej. S¹ to:
– basen otwarty nieos³oniêty – œrednia prêdkoœæ wiatru 4 m/s, – basen otwarty czêœciowo os³oniêty – œrednia prêdkoœæ wiatru 2 m/s, – basen otwarty os³oniêty – œrednia prêdkoœæ wiatru 1 m/s,
– basen otwarty zadaszony – œrednia prêdkoœæ wiatru 0 m/s,
– basen wbudowany w infrastrukturê budynku – zapotrzebowanie ciep³a ³¹czne.
Dla czterech pierwszych grup wielkoœci odnosz¹ siê tylko do miski basenowej, natomiast zapotrzebowanie ciep³a dla basenu zabudowanego oszacowano dla ca³ego obiektu, w³¹cznie z infrastruktur¹ konieczn¹ do w³aœciwego funkcjonowania basenu. W obiekcie du¿ym, sk³adaj¹cym siê z wielu basenów otwartych i zamkniêtych, infrastruktura basenu zam- kniêtego praktycznie przejmuje funkcje obs³ugi goœci dla basenów otwartych, lecz wymaga proporcjonalnego powiêkszenia.
Ze wzglêdu na ograniczone mo¿liwoœci wydawnicze, mapy nie zosta³y zamieszczone w niniejszej publikacji, s¹ one dostêpne w KSE, WGGiOŒ, AGH w Krakowie.
Powy¿sze badania s¹ czêœci¹ projektu badawczego nr N N525 169135 pt. „Analiza mo¿liwoœci wykorzystania wód termalnych z obszaru Ni¿u Polskiego do celów balneologicznych i rekreacyjnych”, finansowanego przez Ministerstwo Nauki Szkolnictwa Wy¿szego.
LITERATURA
GÓRECKI W., KUNIAK T., £APINKIEWICZ P., MAÆKOWSKI T., CZOPEK B, SZKLARCZYK T., i inni, 1995 — Atlas Zasobów Geotermalnych Na Ni¿u Polskim, GEOS Kraków.
GÓRECKI W. HAJTO M., i inni, 2006 — Atlas Zasobów Geotermalnych Na Ni¿u Polskim Formacje Paleozoiku;
GOLDRUK, Kraków.
GÓRECKI W. HAJTO M. i in, 2006 — Atlas Zasobów Geotermalnych Na Ni¿u Polskim Formacje Mezozoiku;
GOLDRUK, Kraków.
KAPPLER H.P., 1977 — Baseny K¹pielowe ARKADY.
RECKNAGEL H., SPRENGER E., HONMANN W., SCHRAMEK E.R., 1994 — Poradnik Ogrzewanie i Kli- matyzacja. EWFE, Gdañsk.
PONIKOWSKA I., FERSON D., 2009 — Nowoczesna medycyna uzdrowiskowa. MEDI PRESS, Warszawa, 359.
BN-80/9568-02 Baseny lecznicze. Podstawowe wymagania techniczne, sanitarne i eksploatacyjne.
BN-90/9568-02 Uzdrowiskowe baseny lecznicze i rehabilitacyjne. Wymagania podstawowe.
Ustawa z dnia 30 sierpnia 1991 r. o zak³adach opieki zdrowotnej (Dz.U. 07. 14. 89, z póŸn. zm.).
Ustawa z dnia 28 lipca 2005 r. o lecznictwie uzdrowiskowym, uzdrowiskach i obszarach ochrony uzdrowiskowej oraz o gminach uzdrowiskowych (Dz.U. Nr 167, poz. 1399 z póŸn. zm.).
Rozporz¹dzenie Ministra Zdrowia z dnia 21 sierpnia 2006 r. w sprawie okreœlenia wymagañ, jakim powinny odpowiadaæ zak³ady i urz¹dzenia lecznictwa uzdrowiskowego Dz.U. z dnia 8 wrzeœnia 2006 r. – Dz.U.
06.161.1142
THE POSSIBILITIES OF USING GEOTHERMAL WATERS FOR RECREATIONAL AND BALNEOLOGICAL PURPOSES –
TECHNICAL-ECONOMIC ASPECT
ABSTRACT
The use of thermal waters in balneology and recreation is connected with a necessity to maintain their parameters in a defined scope. The mineralization level of the subterranean waters of Niz Polski, is generally more than the permitted level for use in balneology and recreation. As a result of this it is necessary to dissolve the geothermal water with sweet water before transmitting it to a swimming pool basin. These procedures, especially due to the low temperature of the dissolvent water, cause an overall temperature reduction of the water sent to the swimming pool.
Therefore it’s necessary to define a procedure that conducts the water stream while at the same time maintaining an optimum energy level for use in a different geothermal pool.
KEY WORDS
Geothermal energy, balneology, balneal therapy, medicinal waters
