Klimatyzacja centralna w kopalni - jak działa system chłodzenia wyrobisk górniczych?

W kopalniach głębinowych samo doprowadzanie świeżego powietrza nie zawsze wystarcza do utrzymania odpowiednich warunków termicznych. Wraz ze wzrostem głębokości eksploatacji rośnie temperatura górotworu, a pracujące pod ziemią maszyny stanowią dodatkowe źródło ciepła. Jednym ze sposobów ograniczania zagrożenia klimatycznego jest klimatyzacja centralna kopalni, wykorzystująca instalację chłodniczą i system transportu wody lodowej do wyrobisk.

W odróżnieniu od urządzeń chłodzących pojedyncze stanowiska lub rejony, system centralny umożliwia zaopatrywanie wielu obszarów kopalni w chłód wytwarzany w jednej, odpowiednio zaprojektowanej instalacji.

Dlaczego chłodzenie wyrobisk górniczych jest konieczne?

Warunki termiczne pod ziemią zależą od kilku wzajemnie powiązanych czynników. Istotne znaczenie ma temperatura otaczających skał, ale również głębokość prowadzenia robót, przepływ powietrza, wilgotność oraz ciepło emitowane przez urządzenia techniczne. Problem staje się szczególnie widoczny w głębokich kopalniach, w których powietrze wentylacyjne ogrzewa się podczas przepływu przez kolejne wyrobiska. Wysoka temperatura w połączeniu z wilgotnością zwiększa obciążenie cieplne pracowników i utrudnia utrzymanie wymaganych warunków pracy.

Klimatyzacja nie zastępuje wentylacji kopalnianej. Wentylacja odpowiada między innymi za wymianę powietrza i utrzymanie jego odpowiedniego składu, natomiast instalacja klimatyzacyjna umożliwia odbieranie nadmiaru ciepła z powietrza doprowadzanego do rejonów pracy.

Przykładem skali tego wyzwania jest kopalnia Murcki-Staszic, gdzie na głębokości około 900 m temperatura skał dochodzi do 40°C, w której prowadziliśmy prace.

Jak działa klimatyzacja centralna w kopalni?

Podstawą jednego z najczęściej stosowanych rozwiązań jest obieg wody lodowej. Schłodzona woda transportowana jest rurociągami do podziemnych chłodnic powietrza, gdzie odbiera ciepło z otoczenia. Następnie wraca do instalacji chłodniczej, w której jest ponownie schładzana.
W typowym systemie z powierzchniową stacją klimatyzacji proces przebiega następująco:

1. Wytwarzanie wody lodowej. Agregaty chłodnicze zainstalowane na powierzchni obniżają temperaturę wody do wartości określonej w projekcie. 
2. Transport do wyrobisk. Woda przepływa magistralą rurociągów w kierunku podziemnej części instalacji.
3. Dostosowanie ciśnienia. Ze względu na znaczną różnicę wysokości pomiędzy powierzchnią a wyrobiskami konieczne jest odpowiednie rozwiązanie problemu ciśnienia hydrostatycznego. Wykorzystuje się w tym celu między innymi wymienniki ciepła lub systemy wymiany ciśnienia.
4. Chłodzenie powietrza. Woda dociera do chłodnic rozmieszczonych w rejonach wymagających obniżenia temperatury. Przepływające przez nie powietrze oddaje ciepło wodzie.
5. Powrót ogrzanej wody. Ciepło odebrane pod ziemią jest transportowane z powrotem do instalacji, a następnie odprowadzane do otoczenia.

W praktyce instalacje mogą różnić się lokalizacją agregatów chłodniczych, sposobem rozdzielenia obiegów oraz metodą odprowadzania ciepła. Układ powierzchniowy jest jednym z rozwiązań, a nie jedyną możliwą konfiguracją klimatyzacji centralnej.

Dlaczego wymiana ciśnienia ma znaczenie w głębokich kopalniach?

Transport wody lodowej na głębokość kilkuset metrów wiąże się z dużym ciśnieniem hydrostatycznym. Nie można więc traktować podziemnej instalacji chłodniczej tak samo jak standardowego obiegu wody chłodzącej w zakładzie przemysłowym.

Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest rozdzielenie instalacji na obieg wysokociśnieniowy, doprowadzający wodę z powierzchni, oraz niskociśnieniowy, rozprowadzający ją do chłodnic w wyrobiskach. W zależności od konstrukcji systemu stosowane są rozwiązania zapewniające przekazywanie energii cieplnej lub wymianę wody pomiędzy obiegami o różnych poziomach ciśnienia.

W instalacji kopalni Murcki-Staszic wykorzystano stanowisko wymiany ciśnienia EPX, które pozwala ograniczyć ciśnienie w części dołowej oraz wykorzystać różnicę ciśnień do transportu wody powrotnej bez konieczności stosowania dodatkowego pompowania na tej drodze. Dobór takiego rozwiązania wpływa nie tylko na bezpieczeństwo hydrauliczne instalacji, ale również na zapotrzebowanie systemu na energię.

Co decyduje o rzeczywistej skuteczności chłodzenia?

Moc agregatów chłodniczych jest ważnym parametrem, ale sama w sobie nie określa, jak skutecznie chłodzone będzie powietrze w oddalonych wyrobiskach. Znaczenie ma cały proces transportu i odbioru ciepła. W rozbudowanych systemach należy uwzględnić przede wszystkim:

• Straty chłodu podczas transportu - woda może ogrzewać się w rurociągach przed dotarciem do chłodnic. Znaczenie ma między innymi izolacja termiczna instalacji.
• Natężenie przepływu wody - zbyt mały przepływ ogranicza możliwość odbioru ciepła, nawet gdy woda ma odpowiednio niską temperaturę.
• Rozmieszczenie i stan chłodnic - ich lokalizacja powinna odpowiadać rzeczywistym potrzebom chłodniczym, a powierzchnie wymiany ciepła muszą być utrzymywane we właściwym stanie.
• Zmienne warunki eksploatacji - postęp robót górniczych może wymagać przebudowy sieci rurociągów, przeniesienia chłodnic oraz ponownej regulacji przepływów.

Problem ten opisali również naukowcy AGH w badaniu efektywności systemów chłodzenia w polskich kopalniach, opublikowanym w czasopiśmie Energies. Wskazali między innymi na znaczenie temperatury i przepływu wody zasilającej chłodnice, strat cieplnych w sieci oraz stanu technicznego wymienników. Z punktu widzenia eksploatacji kluczowe jest więc nie tylko wytworzenie odpowiedniej ilości chłodu, ale także skuteczne dostarczenie go tam, gdzie występuje największe obciążenie cieplne.

Monitoring i regulacja parametrów instalacji

Rozległa sieć chłodnicza wymaga kontroli parametrów pracy. W zależności od konstrukcji instalacji nadzór może obejmować temperaturę wody na zasilaniu i powrocie, ciśnienie, przepływy oraz stany pracy urządzeń chłodniczych i pompowych. Dane te pozwalają oceniać pracę poszczególnych fragmentów systemu i identyfikować odchylenia od założonych parametrów. 

Zagadnienie pozyskiwania, wizualizacji i archiwizacji danych technicznych zostało szerzej omówione w artykule dotyczącym monitoringu procesów przemysłowych.

Klimatyzacja centralna, grupowa i lokalna - czym się różnią?

W górnictwie stosowane są różne sposoby chłodzenia powietrza. Wybór rozwiązania zależy między innymi od rozległości wyrobisk, zapotrzebowania na moc chłodniczą i możliwości odprowadzania ciepła.

Klimatyzacja centralna jest szczególnie uzasadniona przy dużym i rozproszonym zapotrzebowaniu na chłodzenie. Wiąże się jednak z koniecznością zaprojektowania rozległej infrastruktury, odpowiedniego rozdziału wody oraz zabezpieczenia i sterowania całym układem. Nie oznacza to jednocześnie, że centralizacja jest zawsze najlepszym rozwiązaniem. Każda inwestycja wymaga analizy warunków konkretnego zakładu.

Klimatyzacja centralna w praktyce - realizacja Elektrometalu w kopalni Murcki-Staszic

Przykładem zastosowania omawianej technologii jest instalacja zaprojektowana i wykonana przez Elektrometal S.A. dla kopalni Murcki-Staszic, należącej do Polskiej Grupy Górniczej. Uruchomiony system ma moc chłodniczą 7 MW i obsługuje wyrobiska na poziomie około 900 m. Zastąpił wcześniejszy układ klimatyzacji grupowej o mocy 5 MW. W projekcie wykorzystano kilka istotnych rozwiązań technicznych:

• Dwa odrębne odwierty przeznaczone do poprowadzenia rurociągów, pozwalające skrócić drogę transportu wody pomiędzy powierzchnią a podziemną komorą chłodniczą.
• Stanowisko wymiany ciśnienia EPX, umożliwiające dostosowanie parametrów obiegu i wykorzystanie różnicy ciśnień przy powrocie ogrzanej wody.
• Powierzchniową stację klimatyzacji centralnej, w której woda jest ponownie schładzana.
• Wieże free-coolingu, pozwalające ograniczać obciążenie mechanicznych urządzeń chłodniczych w okresach sprzyjających warunków atmosferycznych.

Zastosowanie free-coolingu ma szczególne znaczenie w chłodniejszych porach roku. Gdy temperatura otoczenia umożliwia efektywny odbiór ciepła, część pracy agregatów może zostać ograniczona, co zmniejsza zużycie energii potrzebnej do chłodzenia.

W maju 2026 r., po roku eksploatacji, Elektrometal poinformował o stabilnej i skutecznej pracy instalacji. Szczegółowe informacje znajdują się w materiale Klimatyzacja centralna w kopalni Murcki-Staszic - system chłodzenia po roku pracy.

Doświadczenie Elektrometalu w projektowaniu klimatyzacji górniczej

Realizacja w Murcki-Staszic stanowi jeden z przykładów działalności Elektrometalu w obszarze instalacji chłodniczych dla górnictwa.

Firma realizowała również zadania związane z dokumentacją projektową, budową, wyposażaniem i obsługą systemów klimatyzacyjnych w innych zakładach wydobywczych, między innymi w kopalniach Borynia-Zofiówka oraz Rydułtowy. Do kolejnych przedsięwzięć należy budowa centralnej stacji klimatyzacyjnej dla KWK Knurów-Szczygłowice Ruch Knurów, w której Elektrometal występuje jako lider konsorcjum wykonawczego.

Zakres dotychczasowych prac obejmuje zarówno opracowania projektowe i dostawy urządzeń, jak i realizację oraz obsługę instalacji. Wykaz wybranych przedsięwzięć znajduje się na stronie Projektowanie, budowa i obsługa klimatyzacji centralnej w zakładach wydobywczych oraz przemysłowych.

Podsumowanie

Klimatyzacja centralna w kopalni jest rozbudowanym systemem, w którym wytwarzanie chłodu stanowi tylko jeden z etapów. Równie ważne pozostają transport wody, kontrola ciśnienia, rozmieszczenie chłodnic oraz dostosowanie pracy instalacji do zmieniających się warunków eksploatacji.

Realizacje Elektrometalu pokazują zastosowanie tych rozwiązań w praktyce górniczej - od projektowania infrastruktury po jej uruchomienie i obsługę. Dla skuteczności systemu decydujące znaczenie ma bowiem współpraca wszystkich jego elementów, a nie wyłącznie nominalna moc urządzeń chłodniczych.

FAQ

Nie. Są to dwa współpracujące systemy o odmiennych zadaniach. Wentylacja zapewnia przepływ i wymianę powietrza, natomiast klimatyzacja umożliwia odbieranie z niego nadmiaru ciepła.

Tak. Centralne urządzenia chłodnicze mogą znajdować się na powierzchni, pod ziemią albo w układzie łączącym obie lokalizacje. Konfiguracja zależy od warunków technicznych i zapotrzebowania na chłodzenie.

Nie musi. Możliwość wykorzystania free-coolingu zależy od warunków atmosferycznych i parametrów konkretnej instalacji. W praktyce może on wspomagać chłodzenie i ograniczać zużycie energii, szczególnie przy niskiej temperaturze zewnętrznej.

Nie. Woda lodowa to określenie wody schłodzonej do niskiej temperatury i wykorzystywanej jako nośnik chłodu. Jej parametry zależą od projektu instalacji; nie oznacza to konieczności zamrażania wody.