Karol Pierzchała, Maciej Miecznik (IGSMiE PAN), publ. grudzień 2024 r.
Systemy ATES dzielą się na systemy nisko, średnio oraz wysokotemperaturowe. Wyznacznikiem, który kategoryzuje dany magazyn jest temperatura gromadzonego ciepła w warstwie wodonośnej (początkowo równa temperaturze zatłaczanej wody). W literaturze istnieje kilka kategorii temperaturowych które dokonują podziału magazynów ATES. Systemy niskotemperaturowe pracują zazwyczaj poniżej temperatury 30°C i ulokowane są raczej w płytkich warstwach wodonośnych (Kleyböcker i in., 2023; Fleuchaus i in., 2018). Sposób pracy systemu ATES w zależności od trybu, został przedstawiony na rysunku 1.
|
Aby łatwiej zobrazować sposób szacowania parametrów pracy systemów ATES, na powyższym rysunku zostały poglądowo zaznaczone temperatury w poszczególnych trybach wykorzystywane w poniższych wzorach. Moc systemu ATES może być bardzo zróżnicowana i zależy m.in. od ilości studni w nich wykorzystywanych, a także od wydatku pompowanej wody i stopnia jej schłodzenia bądź podgrzania. Zazwyczaj moce klasycznych, tj. nisko-temperaturowych systemów LT-ATES (ang. Low-Temperature Aquifer Thermal Energy Storage) zawierają się w przedziale od 0,5 MW do kilku MW, przy czym największa obecnie funkcjonująca instalacja LT-ATES zlokalizowana na terenie kampusu Uniwersytetu Technicznego w Eindhoven składa się z 36 otworów i posiada moc chłodniczą aż 20 MW (Fleuchaus i in., 2018; Godschalk i in. 2019). Generalnie obserwowany jest trend, że im większy magazyn tym krótszy czas zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych, a samo magazynowanie ciepła jest bardziej efektywne (Fleuchaus i in., 2018). Moc systemu ATES obliczana jest zazwyczaj w odniesieniu do klasycznego pracującego dubletu studni wraz z pompą ciepła (Rysunek 1- Zima):
PATES=Q x cw x (T4 - T3) |
Rysunek 1 Praca systemu ATES w trybie cyklicznym (opracowane na podstawie Bloemendal i in., 2018) |
gdzie:
PATES – moc cieplna dubletu [W],
Q – przepływ wody ze studni ciepłej do zimnej [m3/s],
T4 – temperatura wody eksploatowanej ze studni ciepłej [K],
T3 – temperatura wody zatłaczana do studni zimnej [K],
cw – objętościowe ciepło właściwe wody [J/(m3∙K)].
Należy zwrócić uwagę, że aby powyższe równanie zwracało poprawne rezultaty, to wydajność studni musi być wyrażona w m3/s, a ciepło właściwe było odniesione do jednostki objętości (objętościowe ciepło właściwe), a nie do masy (masowe ciepło właściwe). Woda słodka o temperaturze 25°C pod ciśnieniem atmosferycznym ma objętościowe ciepło właściwe wynoszące ok. 4,18 MJ/(m3∙K).
Całkowita moc grzewcza zapewniona przez ATES wraz z pompami ciepła wynosi:
Pg = PATES + Pe
natomiast efektywność działania pompy ciepła określona jest przez współczynnik efektywności energetycznej COP (ang. coefficient of performance [-]) pompy ciepła:
COPPC = Pg / Pe
gdzie:
Pg - moc grzewcza systemu ATES wraz z pompą ciepła [W],
Pe - moc elektryczna do napędu pompy ciepła [W],
COPPC – współczynnik efektywności energetycznej pompy ciepła [-].
Ogólnie rzecz ujmując można powiedzieć, że współczynnik COP sprężarkowych pomp ciepła to w tym przypadku całkowita energia cieplna dostarczona do odbiorcy podzielona przez całkowitą energię elektryczną pobraną z sieci jako energię napędową.
W przypadku wielu pracujących dubletów należy zsumować moc grzewczą bądź chłodniczą poszczególnych ujęć.
Energię pozyskaną w ciągu roku z magazynu ATES na potrzeby grzewcze budynku, przy założenie, że system ATES wraz z pompą ciepła jest jedynym źródłem energii można obliczyć z równania:
Eg = cw x Vg x ΔTg x [COPPC / (COPPC - 1)]
Powyższe równanie jest de facto słuszne dla krótkich interwałów czasu, podczas których możliwe jest utrzymanie stałych wartości oraz ΔTg oraz COPPC. W rzeczywistości, aby otrzymać dokładną ilość energii odebranej od systemu ATES należałoby dokonać całkowania mocy chwilowych systemu ATES w funkcji czasu.
Moc chłodnicza określana jest jako ilość odebranej energii od odbiorcy (obiektu) w pewnym interwale czasu i przekazana do magazynu ATES. Szacuje się ją wykorzystując podobną zależność jak na moc grzewczą:
Moc chłodnicza (Rysunek 1- Lato):
Pch = Q x cw x (T2 - T1)
gdzie:
Pch – moc chłodnicza dubletu [W],
Q – przepływ wody ze studni zimnej do ciepłej [m3/s],
T2 – temperatura wody zatłaczana do studni ciepłej [K],
T1 – temperatura wody pobieranej ze studni zimnej [K],
cw – objętościowe ciepło właściwe wody [J/m3/K].
Wzór ten pozwala obliczyć moc chłodniczą, tj. ilość ciepła w jednostce czasu odebraną od odbiorcy i zatłoczoną do zbiornika. Dotyczy ona jednak tzw. chłodzenia pasywnego (ang. free cooling). W takim przypadku dostarczanie chłodu do odbiorcy odbywa się bez udziału pomp ciepła ze względu na fakt, że temperatura zmagazynowanej wody pozwala na odbiór ciepła w wymienniku bezpośrednim. Pracują wtedy tylko pompy obiegowe wraz z bezpośrednim wymiennikiem ciepła. Jednocześnie odebrana z budynku energia jest magazynowana w obrębie studni ciepłych do wykorzystania w sezonie grzewczym. W przypadku gdy temperatura wody z studni zimnej jest zbyt wysoka na potrzeby chłodnicze użytkownika, uruchamiana jest pompa ciepła, której zadaniem jest schłodzenie eksploatowanej wody do odpowiedniego poziomu.
Współczynnik efektywności energetycznej pompy ciepła w trybie chłodzenia określa się najczęściej wskaźnikiem EER (ang. energy efficiency ratio [-]) – szczególnie w Stanach Zjednoczonych Ameryki oraz krajach anglosaskich. Należy przy tym zwrócić uwagę, że wskaźnik EER korzysta z mieszanego systemu jednostek fizycznych, gdzie wydajność chłodniczą wyraża się w BTU/h (BTU - ang. British Thermal Unit), natomiast pobór energii elektrycznej przez pompę ciepła:
EER = Ech / Pe
gdzie:
EER – współczynnik efektywności energetycznej [BTU/Wh],
Ech – wydajność chłodnicza [BTU/h]
Pe – moc elektryczna napędowa pompy ciepła [W].
Współczynnik COP można łatwo przekonwertować na EER, korzystając z następującej zależności:
EER = 3,412 COP
Przedstawione powyżej zależności na COP oraz EER zostały przedstawione w wartościach chwilowych. Chcąc poznać efektywność sezonową należy podać wartości SCOP (ang. Seasonal Coefficient Of Performance) oraz SEER (ang. Seasonal Energy Efficiency Ratio). Wartości te można obliczyć dla odpowiednio długiego interwału czasu (np. miesiąca lub całego sezonu grzewczego) uwzględniając zmienność efektywności pracy pomp ciepła w zależności od dostępnej temperatury źródła dolnego oraz poziomu temperaturowego górnego źródła ciepła (zapotrzebowania odbiorcy).
Efektywność systemu jest w dużej mierze zależna od wymagań temperaturowych odbiorcy. Ze względu na możliwość uzyskania relatywnie niskich temperatur w studniach zimnych w okresie lata oraz podwyższonych temperatur względem tła w studniach ciepłych w okresie grzewczym, można spodziewać się znacznie większej efektywności działania pomp ciepła w porównaniu do np. powietrznych pomp ciepła. Współczynnik wydajności COP dla instalacji ATES z pompami ciepła dla trybu grzania wynosi ok. 6, podczas gdy dla trybu chłodzenia od ok. 10 do ok. 40 (IFTech, 2012). Dla niektórych instalacji współczynniki efektywności grzania oraz chłodzenia mogą być nawet wyższe (Gao i in., 2017).
Sprawność magazynów ATES definiowana jest jako ilość energii pobranej z magazynu do ilości energii zmagazynowanej w określonym przedziale czasu. W trybie grzewczym, można to rozumieć jako stosunek ilości energii pobranej z magazynu do ilości energii, która została zmagazynowana w okresie letnim:
η = Epobrana / Ezmagazynowana
gdzie:
η – sprawność magazynowania w analizowanym okresie czasu [-]
Epobrana – energia pobrana z magazynu [J lub kWh]
Ezmagazynowana – energia zmagazynowana [J lub kWh]
Według literatury sprawność magazynowania ciepła i chłodu w systemach ATES jest relatywnie wysoka i wynosi od 67,5% do 87%. Jednocześnie zauważalny jest fakt, że przy zwiększaniu się objętości magazynu, zwiększa się jego efektywność (Bloemendal & Hartog, 2018; Schout i in., 2016).
