Cz. II Zastosowanie pomp ciepła w ogrodnictwie.

Produkcja ogrodnicza w szklarni i pod osłonami foliowym charakteryzuje się dużym zapotrzebowaniem na ciepło, którego udział w strukturze nakładów stanowi 45 - 75%. W obiektach tych stosuje się różne systemy dostarczania energii cieplnej, m.in. pompy ciepła. 

Nakłady na zakup pompy ciepła, wybór i wykonanie dolnego źródła ciepła są wyższe od konwencjonalnych źródeł energii i instalacji grzewczych, jednak koszty wytwarzania energii za pomocą pompy ciepła są najmniejsze.

Zastosowanie pomp ciepła w produkcji szklarniowej i w tunelach foliowych zmusza producenta do prowadzenia produkcji wielokierunkowej, ponieważ pozwala na likwidację szczytów nadwyżek energetycznych (ciepła).

Dolnymi źródłami ciepła dla pompy cieplnej są: ciepło odpadowe powstające w przechowalni owoców i warzyw, gruntowe wymienniki ciepła, wyróżniamy tu dwa systemy: poziomy i pionowy, system hybrydowy (cieczowy i próżniowy panel słoneczny), ze zbiornikiem buforowym i akumulatorem kamiennym do magazynowania ciepła w tunelu foliowym.

Ciepło powstające z procesów oddychania w przechowalni owoców i warzyw można wykorzystać do procesów chłodzenia i ogrzewania np. szklarni, tunelów foliowych lub do celów bytowo-gospodarczych.

Gruntowe wymienniki ciepła

są to wypełnione nośnikiem ciepła rury ułożone w gruncie w kształcie wężownic lub uzwojeń spiralnych. System poziomy wykorzystuje ciepło gruntu wzbogacone o energię pochodzącą z promieniowania słonecznego w okresie lata, natomiast system pionowy pobiera głównie ciepło geotermiczne. W systemie poziomym zasadą jest to, że o długości wymiennika ciepła decyduje przede wszystkim typ pompy ciepła i warunki gruntowe. System poziomy wymaga przynajmniej dwa razy większej powierzchni czerpni w porównaniu do powierzchni, która będzie ogrzewana w tunelu foliowym lub w szklarni. Głębokość układania wężownic waha się w granicach 1-2 m. Ilość ciepła zgromadzonego na tej głębokości zależy od wilgotności gleby oraz profilu glebowego.

Zaletą systemu poziomego jest łatwość i prostota wykonania, co wpływa na niskie nakłady inwestycyjne i stabilne pozyskiwanie ciepła. Wadą tego systemu jest zarezerwowanie dużej powierzchni gruntu, ułożone wężownice mają dużą powierzchnię co wpływa na znaczne opory przepływu cieczy i związane z tym wysokie koszty związane z pompowaniem cieczy grzewczej.

Kiedy brak nam gruntów powinniśmy skorzystać z systemu pionowego, który polega na wykonaniu odwiertów na głębokość od 50-200 metrów (w zależności czy wykonujemy jeden odwiert czyli kilka obok siebie). Zaletą sond pionowych jest pewniejsza stabilność ciepła. Wadą tego systemu są wyższe koszty instalacji.

Trudno powiedzieć, który wybór jest bardziej korzystny. Zależy to przede wszystkim od rodzaju gleby, na której znajduje się nasz grunt. Największą wydajnością charakteryzują się wilgotne i gliniaste gleby, które posiadają lepszą gęstość strumienia ciepła. Mniej korzystne są suche i piaszczyste.

Szereg opublikowanych wyników badań dotyczących wykorzystania pomp ciepła w ogrodnictwie zostało zrealizowanych w obiektach badawczych Instytutu Inżynierii Rolniczej i Informatyki oraz Wydziału Inżynierii Produkcji i Energetyki Uniwersytetu Rolniczego im. Hugona Kołłątaja w Krakowie. Wiodącym specjalistą w tej dziedzinie jest prof. dr hab. Sławomir Kurpaska oraz inni specjaliści z w/w Uniwersytetu Rolniczego.

W obiektach Wydziału Inżynierii Produkcji i Energetyki zbudowano system ogrzewania tunelu foliowego z wykorzystaniem pompy ciepła. System może pracować zarówno w systemie monowalentnym jak i hybrydowym (biwalentnym).

W systemie monowalentnym jako dolne źródło ciepła wykorzystano wymienniki gruntowe pionowe i poziome. W systemie monowalentnym pompa ciepła jest jedynym urządzeniem grzewczym, pokrywa 100% zapotrzebowania energetycznego na ciepło, w całym zakresie przyjętych do obliczeń temperatur zewnętrznych i wewnętrznych.

W systemie hybrydowym ciepło pobierana jest przez pompę cieplną ze zbiornika akumulacyjnego, w którym wzrost temperatury wody zapewniony jest poprzez kolektory słoneczne. Wsystemie biwalentnym (hybrydowym) pracują dwa urządzenia grzewcze.

Schemat analizowanego systemu wspomagania ogrzewania obiektu ogrodniczego energią ze źródeł odnawialnych wraz z jego otoczeniem w układzie mono i biwalentnym.

Źródło: WYKORZYSTANIE NISKOTEMPERATUROWEGO CIEPŁA ZA POMOCĄ POMP GRZEJNYCH W ROLNICTWIE- STAN OBECNY I PERSPEKTYWY, Prof. Dr hab. Sławomir Kurpaska, Katedra Inżynierii Rolniczej i Informatyki Uniwersytet Rolniczy im. H. Kołłątaja ,Kraków 2009.

System biwalentny składa się z: kolektorów płaskich (1a) oraz próżniowych (1b), zbiornika akumulacyjnego (2), pompy ciepła (4), układu doprowadzenia ciepła do ogrzewanego obiektu (5). Z kolei w systemie monowalentnym integralnymi częściami oprócz pompy grzewczej, układu doprowadzenia ciepła są poziome (3a) oraz pionowe (3b) gruntowe wymienniki ciepła. W systemie zastosowano sprężarkową pompę ciepła o znamionowej mocy grzewczej równą 9,7 kW. Integralną częścią tego stanowiska badawczego stanowi Komputerowy System Pomiarowy monitorujący i archiwizujący parametry związane z otaczającym klimatem, mikroklimatem wewnątrz obiektu, stanem pracy oraz wielkościami charakteryzującymi moc cieplną w układzie dystrybucji ciepła z pompy do wnętrza obiektu. Efektem przeprowadzonych badań są opracowane nomogramy do analizy zagadnień eksploatacyjno - konstrukcyjnych obydwu systemów.

Źródło: „Wykorzystanie niskotemperaturowego ciepła za pomocą pomp grzejnych w rolnictwie - stan obecny i perspektywy”, Prof. Dr hab. Sławomir Kurpaska, Katedra Inżynierii Rolniczej i Informatyki Uniwersytet Rolniczy im. H. Kołłątaja, Kraków 2009.

Źródło: „Wykorzystanie niskotemperaturowego ciepła za pomocą pomp grzejnych w rolnictwie- stan obecny i perspektywy”, Prof. Dr hab. Sławomir Kurpaska, Katedra Inżynierii Rolniczej i Informatyki Uniwersytet Rolniczy im. H. Kołłątaja, Kraków 2009.

Nomogramy opracowane przez Katedrę Inżynierii Rolniczej i Informatyki Uniwersytetu Rolniczego im. H. Kołłątaja w Krakowie posiadają zaletę uniwersalności, bowiem na podstawie różnicy temperatur wewnątrz i na zewnątrz obiektu oraz średnią prędkość wiatru możemy określić zapotrzebowanie mocy grzewczej dla naszego obiektu.

Bardzo ciekawym rozwiązaniem i osiągnięciem prof. dr hab. inż. Sławomira Kurpaski, dr hab. inż. Huberta Latały oraz prof. dr hab. inż. Kazimierza Rutkowskiego - pracowników Instytutu Inżynierii Rolniczej i Informatyki, Wydziału Inżynierii Produkcji i Energetyki Uniwersytetu Rolniczego im. Hugona Kołłątaja w Krakowie i Instytutu Ogrodniczego w Skierniewicach, w ramach konsorcjum naukowego, które realizuje projekt badawczy „Opracowanie innowacyjnych technologii magazynowania energii w produkcyjnych tunelach foliowych", jest akumulator kamienny do magazynowania ciepła w tunelu foliowym.

Akumulator został wyróżniony tytułem Euro Symbol Innowacji 2013 przyznawanym w Programie promocyjnym prowadzonym przez redakcję Monitora Rynkowego (dodatku do Gazety Prawnej) oraz nagrodzony na 62. Światowej Wystawie Wynalazków; Badań i Nowych Technologii INNOVA w Brukseli, srebrnym medalem - Brussels Eureka za wynalazek pt. „Rock bed heat accumulator and the method of its application in high tunnel horticultural cropproduction".

Kolejną nagrodę w postaci srebrnego medalu projekt uzyskał podczas 65. Międzynarodowych Targów Pomysły - Wynalazki - Nowe Produkty iENA, w Norymberdze.

Koncepcja akumulatora do magazynowania nadwyżek ciepła w tunelach foliowych zawiera wiele nowatorskich rozwiązań, które zastrzeżono w Urzędzie Patentowym RP. W przygotowaniu jest zastrzeżenie wynalazku w Europejskim Urzędzie Patentowym.

W Polsce produkcją pomidorów i ogórków w nieogrzewanych tunelach foliowych zajmuje się ponad 20 tys. rolników. Nowoczesne tunele foliowe są wyposażone w szereg rozwiązań technicznych takich jak: wietrzniki, kurtyny, cieniówki, dwuwarstwowe pokrycie, systemy sterowania temperaturą wraz ze zbiornikami do akumulowania wody w systemie ogrzewania lub/i podgrzewania podłoża w szklarni czy tunelu foliowym, umożliwiających nie tylko utrzymanie odpowiedniego mikroklimatu, ale również na bardziej racjonalną gospodarkę energetyczną. Pomimo tego znaczna część ciepła powstałego w tunelu, jest marnowana, gdyż tunele muszą być wietrzone w celu niedopuszczenia do nadmiernego wzrostu temperatury w obiekcie.

Akumulator nadwyżek ciepła jest umiejscowiony pod tunelem. Taka lokalizacja przyczynia się do optymalnego wykorzystania terenu oraz do skrócenia przewodów zasilających złoże i rozprowadzających ogrzane powietrze.

Ładowanie akumulatora polega na zassaniu przez wentylator promieniowy ciepłego powietrza za pośrednictwem perforowanych rur umieszczonych w górnej części tunelu. Ciepłe powietrze jest kierowane układem kolektorów tłocznych, sterowanych elektrycznymi przepustnicami, do poszczególnych segmentów złoża kamiennego. Następnie jest rozprowadzane układem perforowanych rur z tworzywa sztucznego ułożonych w dolnej części złoża akumulatora.

Źródło: „Magazynowanie nadwyżki ciepła z tunelu foliowego w akumulatorze ze złożem kamiennym”

Sławomir Kurpaska, Hubert Latała, Kazimierz Rutkowski Instytut Inżynierii Rolniczej i Informatyki, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Ryszard Hołownicki, Paweł Konopacki, Jacek Nowak, Waldemar Treder Instytut Ogrodnictwa w Skierniewicach

INŻYNIERIA ROLNICZA 2012: Z. 2(136) T. 1

W oparciu o opracowaną koncepcję zbudowano w Instytucie Ogrodnictwa w Skierniewicach cztery pełnowymiarowe tunele foliowe, z których dwa wyposażono w kamienne akumulatory. W latach 2012-14 będzie w nich prowadzony eksperyment w pełnej skali produkcyjnej podczas towarowej uprawy pomidorów i ogórków. W oparciu o przeprowadzone badania zostaną zweryfikowane przyjęte założenia konstrukcyjne wypracowane na podstawie badań stanowiskowych. Zostanie również wykonana wszechstronna ocena porównawcza efektów produkcyjnych, ekonomicznych i ekologicznych w odniesieniu do tradycyjnych tuneli foliowych.

Wyniki badań będą znane pod koniec 2014 roku. Wyniki badań po udostępnieniu przez prof. S. Kurpaskę zostaną opublikowane na stronie internetowej MODR Warszawa.

Podczas produkcji warzyw powstają duże ilości odpadów w postaci uszkodzeń części nadziemnych roślin. Dla gospodarstw warzywniczych stanowi to nie lada problem. Regulacje ustawowe nakazują bowiem odpowiednie postępowanie podmiotów, których ubocznym efektem działalności jest powstawanie odpadów.

Najlepszym sposobem zagospodarowania odpadów jest ich kompostowanie i wykorzystanie pryzmy kompostowej jako niskotemperaturowego źródła ciepła do podgrzewania gleby w tunelu foliowym lub szklarni oraz powstanie pełnowartościowego nawozu organicznego. Z pryzmy kompostowej można odbierać ciepło bez szkody dla samego procesu kompostowania.

Źródło: „Konceptualizacja zastosowania pryzmy kompostu jako niskotemperaturowego źródła ciepła w produkcji warzyw Piotr Sołowiej Katedra Elektrotechniki i Energetyki Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Inżynieria Rolnicza 6(94)/2007

Pryzma kompostowa jest źródłem ciepła. Obiekt ten po zakończeniu procesu kompostowania jest usuwany i przeznaczony do nawożenia, a także usunięcia by przygotować miejsce na następną pryzmę kompostową. W tym systemie zastosowana jest tylko pompa obiegowa (cyrkulacyjna). Kolektor odbierający ciepło powinien być wykonany z rur z tworzywa sztucznego lub wariant droższy z rur miedziowych. Szacuje się, że aby ogrzać glebę w tunelu foliowym o powierzchni 90 m² potrzeba ok. 30 ton biomasy.

Zastosowanie tego systemu ogrzewania gleby w tunelach foliowych wymaga prawidłowego prowadzenia procesu kompostowania poprzez kontrolę temperatury, odpowiedniego napowietrzania i synchronizacji tworzenia pryzmy i odbioru ciepła, a terminem siewu lub sadzenia warzyw.

Wykorzystanie pryzmy kompostu jako niskotemperaturowego źródła energii cieplnej pozwoli przyśpieszyć wzrost i plon warzyw, zmniejszyć koszty wykorzystania konwencjonalnych nośników ciepła, uzyskanie bardzo dobrego nawozu organicznego dla własnych potrzeb lub sprzedaży, a także konkretnych korzyści ekologicznych i klimatycznych.

Cdn. Wykorzystanie pomp ciepła w procesach technologicznego suszenia i przemyśle rolno-spożywczym.

Waldemar Witek
MODR Warszawa O/Radom

Bibliografia

1. Rutkowski K., Kurpaska S., Latała H. 2006. Metodyczne aspekty doboru dolnego źródła pompy ciepła do ogrzewania tunelu foliowego. Inżynieria Rolnicza. Nr 11 (86). s. 409-416.

2. Kurpaska S., Latała H., Rutkowski K. 2006. Analiza wydajności cieplnej gruntowego wymiennika ciepła w instalacji wykorzystującej pompę ciepła. Inżynieria Rolnicza. Nr 11 (86). s. 251-259.

3. Kurpaska S., Latała H. 2007. Analiza energetyczno-ekologiczna wykorzystania pompy ciepła do ogrzewania tunelu foliowego. Inżynieria Rolnicza. Nr 6 (94). s. 121-127.

4. Kurpaska S., Sporysz M. 2007. Stanowisko do analizy pracy pomp ciepła wykorzystywanych do ogrzewania tuneli foliowych. Inżynieria Rolnicza. Nr 9 (97). s. 119-125.

5. Kurpaska S., Latała H. 2008. Efektywność pompy ciepła współpracującej w układzie hybrydowym z kolektorami słonecznymi. Inżynieria Rolnicza. Nr 6 (104). s. 97-104.

6. Kurpaska S. 2008. Wytyczne konstrukcyjno-eksploatacyjne dla systemów wykorzystujących pompę ciepła do ogrzewania obiektów ogrodniczych. Inżynieria Rolnicza. Nr 2 (100). s. 155-162.

7. Ekspertyza Wykorzystanie niskotemperaturowego ciepła pomp grzejnych w rolnictwie. Stan obecny i perspektywy. Prof. dr hab. Sławomir Kurpaska Instytut Inżynierii Rolniczej i Informatyki, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Kraków 2009.

8. Kurpaska S., Latała H. 2013. Wytyczne konstrukcyjne dla systemu wykorzystującgo pompę ciepła na potrzeby ogrzewania obiektu ogrodniczego. Inżynieria Rolnicza. Nr 3 (145). s. 169-178

9.Inżynieria Rolnicza 2013: Z. 3(145) T.ls.329-343 „Procedura optymalizacji doboru zbiornika buforowego współpracującego z pompą ciepła” Kazimierz Rutkowski, Jan Yogelgesang, Hubert Latała, Krzysztof KempHewicz Instytut Inżynierii Rolniczej i Informatyki, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

10. Inżynieria Rolnicza 6(94)/2007 „Konceptualizacja zastosowania pryzmy kompostu jako niskotemperaturowego źródła ciepła w produkcji warzyw” Piotr Sołowiej Katedra Elektrotechniki i Energetyki Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

11. Witold M. Lewandowski, Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa,2007

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

OPR. WA