Zastosowanie pomp ciepła w rolnictwie

Pompa ciepła jest urządzeniem wymuszającym przepływ ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej. Jest urządzeniem pozwalającym na odzyskanie ciepła z naturalnych, darmowych źródeł energii.

Niskotemperaturowa energia podniesiona za pomocą pompy ciepła na wyższy poziom temperatury oddawana jest do układów centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Pompy ciepła stosuje się do ogrzewania zarówno małych domów, jak i całych osiedli oraz obiektów przemysłowych.

Pierwszą pompę ciepła zastosowano do ogrzewania domów w 1928 roku w USA. W latach czterdziestych w USA 30% nowych domów jednorodzinnych ogrzewanych było pompami ciepła. Obecnie stosowane są również w Europie, głównie w Niemczech, Francji i krajach skandynawskich. Zainstalowana w Sztokholmie pompa ciepła o mocy 260 megawatów, zapewnia w 60% pokrycie zapotrzebowania na ciepło w tym mieście.

Pompy ciepła dzielimy na;

• sprężarkowe,
• sorpcyjne (z podziałem na absorpcyjne i adsorpcyjne),
• pompy ciepła Vuilleumiera.

Obecnie najczęściej stosowanymi pompami ciepła są sprężarkowe pompy ciepła napędzane energią elektryczną.

Podstawowymi elementami pompy ciepła są parownik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężający niskotemperaturowe ciepło (z powietrza, gruntu, wody, odpadowe ciepło poprodukcyjne,) odbierane jest przez czynnik roboczy dolnego źródła i kierowane do parownika pompy ciepła. W parowniku następuje przekazanie zakumulowanej w nim energii czynnikowi roboczemu krążącemu w obiegu zamkniętym pompy ciepła, przy jednoczesnym jego odparowaniu. Pary czynnika kierowane są do sprężarki, gdzie następuje ich sprężenie (wzrost ciśnienia i temperatury par czynnika), a następnie do drugiego z wymienników ciepła – skraplacza. Skraplacz omywany jest wodą sieciową, która odbiera ciepło od par czynnika roboczego krążącego w pompie ciepła, skraplając go jednocześnie. Jest to możliwe, ponieważ temperatura skraplania czynnika roboczego w stanie gazowym (sprężona para) jest wyższa od temperatury wody sieciowej. Ogrzana w ten sposób woda wypełnia grzejniki, a ochłodzony czynnik roboczy przepływa przez zawór rozprężny dzięki czemu czynnik powraca do ciśnienia, które umożliwia odparowanie w parowniku w temperaturze dolnego źródła ciepła. Następnie czynnik roboczy kierowany jest powtórnie do parownika i cały proces rozpoczyna się od nowa. Transport ciepła z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o wyższej temperaturze jest możliwy jedynie przy udziale energii elektrycznej dostarczonej z zewnątrz do napędu sprężarki jako jednego z elementów obiegu termodynamicznego.

źródło: miesięcznik 5/2011 GLOBEnergia.

W gospodarstwie domowym urzadzeniem działającym na tej zasadzie jest lodówka. Przemiany termodynamiczne i podstawowe elementy konstrukcyjne w obu urządzeniach są takie same. Jedyna różnica między nimi to efekty ich pracy. Lodówka ma chłodzić produkty spożywcze, a efektem ubocznym jej pracy jest ciepło. Pompa ciepła natomiast ma ogrzewać budynek, wodę lub wytwarzać chłód, a efekt uboczny to chłodzenie dolnego źródła ciepła.

Najczęściej stosowanymi dolnymi źródłami ciepła są:

• gruntowa instalacja pozioma,
  • gruntowa instalacja pionowa,
  • zbiorniki wodne (rzeki, jeziora, stawy),
  • woda głębinowa i gruntowa,
• ciepło odpadowe z procesów technologicznych i produkcyjnych.

Pompy ciepła w rolnictwie

Rolnictwo jest jedną z dziedzin, w których pompa ciepła ma szerokie zastosowanie, zwłaszcza wtedy, gdy może być wykorzystana w układzie alternatywnym, zarówno do celówgrzewczych i chłodniczych, a także, gdy istnieje możliwość wykorzystania ciepła odpadowego.

Źródłem ciepła odpadowego możliwego do odzyskania są:

• podgrzane, wilgotne powietrze opuszczające suszarnie,
• schładzane produkty rolnicze (mleko, mięso, owoce, warzywa),
• powietrze wentylacyjne odprowadzane z obiektów, w których musi być zapewniona odpowiednia wilgotność (budynki inwentarskie, ogrodnicze obiekty pod osłonami),
• odchody zwierzęce w postaci stałej (obornik) oraz ciekłe (np. ze zbiornika na gnojowicę),
• piekarnie, kuchnie,
• ścieki z pensjonatów, domków letniskowych.

Ciepło odpadowe wykorzystuje się do ogrzewania budynków mieszkalnych lub do podgrzewania wody użytkowej o temperaturze nawet + 60°C.

Odzyskane ciepło za pomocą pompy ciepła możemy wykorzystać do następujących celów:

• podgrzewanie wody technologicznej (woda do nawodnienia, woda wykorzystywana w procesach produkcyjnych),
• podgrzewanie i osuszanie powietrza w suszarniach,
• ogrzewanie powietrza wentylacyjnego doprowadzanego z zewnątrz do pomieszczeń produkcyjnych,
• bezpośrednie ogrzewanie obiektów produkcyjnych (np. szklarnie, tunele foliowe),
• procesy w przemyśle rolno - spożywczym.

W licznych ośrodkach naukowych i badawczych w kraju i zagranicą trwają intensywne prace badawcze związane z konstrukcją i eksploatacją pomp ciepła. Na podstawie dostępnej literatury omówimy przykładowe rozwiązania i schematy instalacji.

Zastosowanie pomp ciepła w produkcji zwierzęcej

Część I

Gospodarstwa rolne zajmujące się produkcją zwierzęcą wyposażone są standardowo w instalacje c.o. i c.w.u. w budynkach mieszkalnych, gospodarskich i innych. Zatem budując system odbioru ciepła ponosimy jedynie nakłady finansowe na zakup pompy ciepła i zbiornika akumulacyjnego wody grzewczej oraz koszty instalacyjne. Rozwiązania techniczne są indywidualne dla każdego przypadku i przy doborze odpowiedniej instalacji należy kontaktować się z producentem pomp ciepła. Pozyskiwanie i ponowne wykorzystanie energii cieplnej w gospodarstwach rolnych, w produkcji zwierzęcej jest w pełni uzasadnionym przedsięwzięciem.

Jednym z dolnych źródeł dla pompy ciepła jest budynek inwentarski, w którym prowadzi się produkcję zwierzęcą na tzw. głębokiej ściółce. Procesy fermentacyjne zachodzące w podłożach egzotermicznych w głębokiej ściółce, doprowadzają do powstania wysokiej temperatury, dochodzącej do 50°C. W ciągu całego cyklu produkcyjnego warunki termiczne obornika są stabilne, a powstające ciepło nie zagraża procesowi fermentacji. Energia cieplna może być wykorzystana do przygotowania ciepłej wody użytkowej, ogrzewania budynku socjalnego i inwentarskiego, a nawet do ogrzewania budynku mieszkalnego. Średnioroczna moc z 1 m²powierzchni głębokiej ściółki wynosi 20,16 W.

Podobnym przykładem może być wykorzystanie ciepła zawartego w gnojowicy. Realizacja takiego rozwiązania (jako dolne źródło ciepła) wymaga instalacji pod podłogą (w systemie utrzymania zwierząt na stanowiskach bezściółkowych) zbiornika gnojowicy wraz z instalacją do jej napowietrzania. Napowietrzanie wywołuje fermentację tlenową, której towarzyszy wydzielanie ciepła (minimalna temperatura w okresie zimowym pod podłogą chlewni wynosi 25 - 27°C. Na dnie zbiornika układa się wymiennik wykonany z przewodów polietylenowych, które podłączone są do pompy ciepła stanowiąc jej dolne źródło. W tym modelu najpraktyczniejszym sposobem pozyskiwania ciepła odpadowego jest zaprojektowanie odpowiednich pętli przewodów zatopionych w betonie. Innym, alternatywnym przykładem wykorzystania energii odpadowej w produkcji zwierzęcej jest odzysk ciepła odpadowego w czasie wentylacji obory. Przyjmuje się, że moc cieplna pochodząca od 1 sztuki bydła zawarta w powietrzu wylotowym wynosi od 200 W do 500 W. Niskotemperaturowym źródłem energii jest w tym przypadku ciepłe powietrze opuszczające budynek inwentarski kanałem wentylacyjnym. Według dostępnej literatury inwestycja w pompę ciepła jest uzasadniona, gdy obsada bydła wynosi przynajmniej 40 - 50 krów.

Schemat odzysku ciepła z budynku inwentarskiego z wykorzystaniem pompy ciepła do podgrzewania c.w.u i ogrzewania podłogowego w budynku mieszkalnym.

źródło: Materiały pomocnicze do zajęć „Odnawialne zasoby i źródła energii” - studia podyplomowe AGH w Krakowie, prof. dr hab. inż. Jacek Zimny

Tego typu rozwiązania są wykorzystywane w krajach skandynawskich, a zwłaszcza w Danii. Dzięki wykorzystaniu takiego układu możemy otrzymać niewielkim kosztem moc rzędu 20 kW w oborze czy chlewni o obsadzie 80-100 DJP. Rewersyjne działanie pompy pozwala na schładzanie latem budynku inwentarskiego, co przyczynia się do odpowiedniego mikroklimatu w oborze lub chlewni.

Pompę ciepła można zastosować przy produkcji ryb ciepłolubnych lub narybku do podgrzewania wody w zbiornikach. Dolnym źródłem ciepła mogą być sondy pionowe lub naturalne cieki wodne.

Schemat pompy ciepła do ogrzewania stawów hodowlanych w rybactwie (ryby ciepłolubne)

źródło: Materiały pomocnicze do zajęć „Odnawialne zasoby i źródła energii” - studia podyplomowe AGH w Krakowie, prof. dr hab. inż. Jacek Zimny

Ciekawą propozycje zaproponował zespół: Tomasz Olkowski z Katedry Elektrotechniki, Energetyki, Elektroniki i Automatyki Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie i Andrzej Koniecko, Łukasz Przybylski z Warmińsko-Mazurskiej Agencji Energetycznej Sp. z o.o. w Olsztynie. Naukowcy opracowali własną koncepcję wykorzystania ciepła odpadowego z procesu schładzania mleka, jako alternatywnego źródła energii do ogrzewania wiejskiego budynku mieszkalnego.

W prezentowanej koncepcji założono, że ciepło otrzymywane ze schładzania mleka będzie przekazywane do budynku z wykorzystaniem pompy ciepła. Do obliczeń wybrano wiejski budynek mieszkalny – typowy dom jednorodzinny o powierzchni 130 m².

Ilość ciepła potrzebną do ogrzewania danego budynku obliczono na podstawie wskaźników sezonowego zapotrzebowania ciepła na 1 m² powierzchni w ciągu roku.

Do obliczeń przyjęto wartość wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło równą 140 kWh·m-2·rok-1 – dla budynków wybudowanych w latach 1993–2007.

Oznacza to, że obliczona ilość ciepła nie będzie w pełni pokrywać potrzeb grzewczych tego budynku w okresie zimowym oraz należy przypuszczać, że będzie stanowić nadwyżkę ciepła w okresie letnim. W czasie zwiększonego zapotrzebowania na ciepło w miesiącach zimowych niedobory ciepła z procesu schładzania mleka można pokryć, stosując dodatkowe źródło ciepła, np. kocioł wodny c.o.

Istnieją także potencjalne możliwości magazynowania nadwyżek ciepła generowanych w miesiącach wiosenno-letnich w przeznaczonych do tego celu akumulatorach ciepła.

Schemat instalacji do wykorzystania ciepła odpadowego ze schładzania mleka do ogrzewania budynku.

źródło: INŻYNIERIA ROLNICZA, 2013 Z. 2(143) T.1 S. 245-252, WYKORZYSTANIE CIEPŁA ODPADOWEGO ZE SCHŁADZANIA MLEKA DO OGRZEWANIA WIEJSKIEGO BUDYNKU MIESZKALNEGO, Tomasz Olkowski

Katedra Elektrotechniki, Energetyki, Elektroniki i Automatyki

Uniwersytet Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie

Andrzej Koniecko, Łukasz Przybylski

Warmińsko-Mazurska Agencja Energetyczna Sp. z o.o. w Olsztynie

Rachunek kosztów.

1.Koszty inwestycyjne. Gospodarstwa rolne zajmujące się chowem bydła mlecznego są najczęściej standardowo wyposażone w urządzenia do doju, schładzania i przechowywania mleka, jak
i w instalacje c.o. i c.w.u. w budynkach mieszkalnych, gospodarskich i innych.

Zatem analizując schemat, zauważamy, że budując taki system należy jedynie ponieść nakłady finansowe na:

2.Koszty eksploatacyjne. Koszty te są związane przede wszystkim z opłatami za energię elektryczną do napędu pompy ciepła. Jeżeli pompa ciepła pobiera 25% mocy oddawanej na wyjściu to dla pompy ciepła o mocy wyjściowej 9 kW, pobór mocy wyniesie 2,25 kW. Biorąc pod uwagę aktualną cenę 1 kWh energii elektrycznej dla taryfy podstawowej równą 0,6289 PLN oraz wymagany czas schładzania mleka z jednego udoju równy maksymalnie trzem godzinom, to koszt poniesiony na energię elektryczną w ciągu roku wyniesie w przybliżeniu: 3099 PLN.

Zestawienie porównawcze kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych pompy ciepła i wybranych systemów grzewczych, stosowanych w krajowym rolnictwie dla budynku mieszkalnego o powierzchni 130 m²

Zestawienie porównawcze kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych pompy ciepła i wybranych systemów grzewczych, stosowanych w krajowym rolnictwie dla budynku mieszkalnego o powierzchni 130 m².

źródło: INŻYNIERIA ROLNICZA, 2013 Z. 2(143) T.1 S. 245-252, WYKORZYSTANIE CIEPŁA ODPADOWEGO ZE SCHŁADZANIA MLEKA DO OGRZEWANIA WIEJSKIEGO BUDYNKU MIESZKALNEGO, Tomasz Olkowski

Katedra Elektrotechniki, Energetyki, Elektroniki i Automatyki

Uniwersytet Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie

Andrzej Koniecko, Łukasz Przybylski

Warmińsko-Mazurska Agencja Energetyczna Sp. z o.o. w Olsztynie

Zespół sprawdził również, jak kształtowałyby się koszty inwestycyjne wraz z kosztami eksploatacyjnymi w perspektywie 10-letniego okresu użytkowania poszczególnych systemów grzewczych. Wyniki tych szacunków wyraźnie uwidaczniają korzyści płynące z zastosowania pompy ciepła w stosunku do dwóch spośród trzech przyrównywanych układów grzewczych, co zostało przedstawione na wykresie. Dla uproszczenia przyjęto, że ceny energii elektrycznej i paliw pozostają stałe w stosunku do ich aktualnego poziomu.

Zestawienie kosztów eksploatacyjnych zsumowanych wraz z kosztami inwestycyjnymi w ciągu 10-ciu lat użytkowania, dla porównywanych systemów grzewczych.

źródło: INŻYNIERIA ROLNICZA, 2013 Z. 2(143) T.1 S. 245-252, WYKORZYSTANIE CIEPŁA ODPADOWEGO ZE SCHŁADZANIA MLEKA DO OGRZEWANIA WIEJSKIEGO BUDYNKU MIESZKALNEGO, Tomasz Olkowski

Katedra Elektrotechniki, Energetyki, Elektroniki i Automatyki

Uniwersytet Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie

Andrzej Koniecko, Łukasz Przybylski

Warmińsko-Mazurska Agencja Energetyczna Sp. z o.o. w Olsztynie

Z przebiegu krzywych przedstawionych na wykresie wynika, że układ grzewczy oparty o pompę ciepła już po czwartym roku użytkowania staje się tańszy od układu z kotłem na gaz płynny, a po 6 roku – od systemu z kotłem na olej opałowy. Natomiast w przyjętych warunkach koszty prowadzenia kotłowni opalanej peletami i koszty użytkowania pompy ciepła nigdy się nie zrównają. Reasumując powyższe rozważania, można stwierdzić, że istnieją potencjalne możliwości wykorzystania ciepła z procesu chłodzenia mleka, jako alternatywnego źródła ciepła dla budynków mieszkalnych.

Atrakcyjnym dolnym źródłem ciepła podobnie jak gnojowica, są ścieki. Sieci i kolektory ściekowe stanowią bowiem niezależnie od warunków atmosferycznych i pory roku źródło ciepła o względnie stałej i wysokiej temperaturze. Ścieki z sieci kanalizacyjnej mogą być źródłem energii nie tylko do ogrzewania i przygotowania c.w.u., ale też do wytwarzania chłodu latem. W okresie letnim pompy ciepła mogą przekazywać ciepło do kanalizacji i dostarczać chłód do budynków.

Schemat ideowy odzysku ciepła ze ścieków .(wg Müller E., Schmid F., Stodtmeister W., Kobel B., Heizen und Kühlen mit Abwasser, w: „Ratgeber für Bauherrn und Kommunen“, 2005).

Przy podejmowaniu decyzji o wykorzystaniu ścieków przez samorządy czy oczyszczalnie ścieków ważne jest jednak określenie opłacalnej ekonomicznie odległości pomiędzy dolnym i górnym źródłem ciepła, ponieważ obiekty hodowlane czy sieci kanalizacyjne nie sąsiadują bezpośrednio z obiektami mieszkalnymi. Określenie opłacalnej ekonomicznie inwestycji należy dokonać przy udziale wiodących firm w projektowaniu i eksploatacji pomp ciepła. cdn.

Część II będzie dotyczyła tematu: „Zastosowanie pomp ciepła w rolnictwie w produkcji roślinnej”.

Waldemar Witek

MODR O/Radom

Literatura:

1. INŻYNIERIA ROLNICZA, 2013 Z. 2(143) T.1 S. 245-252, WYKORZYSTANIE CIEPŁA ODPADOWEGO ZE SCHŁADZANIA MLEKA DO OGRZEWANIA WIEJSKIEGO BUDYNKU MIESZKALNEGO, Tomasz Olkowski Katedra Elektrotechniki, Energetyki, Elektroniki i Automatyki Uniwersytet Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie Andrzej Koniecko, Łukasz Przybylski Warmińsko-Mazurska Agencja Energetyczna Sp. z o.o. w Olsztynie.
2. Materiały pomocnicze do zajęć „Odnawialne zasoby i źródła energii” - studia podyplomowe AGHKrakowie, prof. dr hab. inż. Jacek Zimny.
3. Strony internetowe firm: Viessman, Ochner, Stiebel Eltron, Vatra, Nibe-Biawar, Hibernatus.
4. Strona internetowa Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła.
5. Gnyra K.: Pompy ciepła jako źródło taniej energii. Czysta Energia, 2008. Nr 3(77), s. 27-28.
6. Nawrocki L., Myczko A. 1998. Odzysk ciepła z podłoża tuczarni. Problemy Inżynierii Rolniczej. Nr 4 s. 125–130.
7. Witold M. Lewandowski, Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa,2007.
8. Wojciech Oszczak, Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła, Wydawnictwo KomunikacjiŁączności, Warszawa 2009.

OPR. WA