Thermal Response Test - Földhőszondás hőszivattyús rendszerek földtanilag megalapozott tervezése

Átírás

1 Fax: 33/48-90, Mobil: 70/ Web: wwwzoldhohu hermal esponse est - Földhőszondás hőszivattyús rendszerek földtanilag megalapozott tervezése Készítették: Erdélyi arna okl geofizikus mérnök, geotermikus szakmérnök és Kiss László okl gépészmérnök, automatizálási és geotermikus szakmérnök

2 A földtanilag megalapozott talajszonda-méretezés folyamata és adatigénye A rétegsor geofizikai felmérése: - két mélységbehatolású elektromos fajlagos ellenállás szelvényezés rel k, L - természetes gamma intenzitás mérés V SH, L - neutron neutron intenzitás szelvényezés Φ e,l - lyukbőség szelvényezés F - folyamatos hőmérséklet szelvényezés geo, 0 A rétegsor hidrodinamikai felmérése: - termeltetéses vizsgálat (visszatöltődési görbe) k ekv, k(z),, S - a HE mező telepítési területén, vagy ahhoz közel létesült víztermelő vagy figyelő kúton kell elvégezni, amennyiben már vannak hidrodinamikai adatok a területről, úgy azok használhatók 3 A rétegsor és a HE termodinamikai felmérése (): - ekv, bh0 4 Analitikus modellezés a stacionárius végállapotára: - a termikus paraméterek pontosítása iterációval bh (z), fluid (z) - konvektív és konduktív hőelvonás meghatározása (Nu, h bh, bh, Q konv ) effkond, ma (z) - ekvivalens sugár meghat ( ekv ) grout+u 5 3D-s, véges elemes, tranziens numerikus előremodellezés: - szondaszám, szondahossz, osztásköz, időben változó üzemi paraméterek, élettartam (COMSOL Multiphysics)

3 A rétegsor geofizikai felmérése: - két mélységbehatolású elektromos fajlagos ellenállás szelvényezés rel k (relatív szivárgási tény), rel (relatív vízvezető-képesség), L (rétegvastagság), litológiai tagolás - természetes gamma intenzitás mérés V SH (térfogati agyagtartalom), L, litológia - neutron neutron intenzitás szelvényezés Φ e (effektív porozitás), L, litológia - lyukbőség szelvényezés F (fúrólyuk átmérő), lyukhatás korrekció, kavernásodó, duzzadó és kompakt, állékony zónák elkülönítése - folyamatos hőmérséklet szelvényezés geo (vertikális geotermikus hőmérséklet eloszlás), 0 (külső méretezési talajhőmérséklet a vezetékek fektetési mélységében: évszakonként periodikusan változik!) Nem érdemes a méréseken spórolni, mert sokkal többet veszthet nélkülük, mint amennyit az elhagyásukkal nyerhet! A geofizikai mérseket a VIKUV Zrt végezte

4 A periodikusan változó külső léghőmérséklet és a geotermikus gradiens hatása a felszínközeli rétegek hőmérsékletére: (t) 0 + A 0 sin(ωt + φ 0 ) erületspecifikus hődiffúzivitás (α) és 0 méretezési talajhőmérséklet meghatározható a felső zónára! Neutrális pont: ~5 m ( z, t) γz A e sin( ωt φ(t) z ω/α) z ω/α

5 A rétegsor hidrodinamikai felmérése: A hidrodinamikai méréseket a VIKUV Zrt végezte Visszatöltődési görbe A talajszonda-mező telepítési területének közelében létesült víztermelő kutak szűrőzött, vízadó rétegein termeltetéses tesztet végzünk, vagy a korábbi teszteket dolgozzuk fel újra A hidrodinamikai tesztekből (leszívás- és/vagy visszatöltődésmérésből) a rétegek vízvezetőképességét () és horizontális, látszólagos szivárgási tényezőjét (k ekv ), esetleg tárolási tényezőjét (S) határozzuk meg: heis recovery görbe

6 A hermal esponse est sematikus ábrája:

7 Saját fejlesztésű és gyártású berendezésünk minden szükséges tanúsítvánnyal rendelkezik

8 esztmérés a debreceni MEAK központban,

9 hermal esponse est görbék 3 A rétegsor és a HE termodinamikai felmérése () fluid (t) Q 4π ekv 4α t ln H F γ + geo Q + H bh fluid y k x + b Időkritérium: t 5 F /α esetén a hiba < 0% t 0 F /α esetén a hiba <,5% Kelvin-vonalforrás elmélete A rétegsor horizontális látszólagos hővezetési tényezőjének ( ekv ) meghatározása: Q k 4π H ekv : meredekség 4α t ln γ F x : időalapú független változó b geo Q + H bh : konstansok

10 A fúrólyuk termikus ellenállása a Kelvin vonalforrás szerint: 4α bh fluid geo lnt + ln q 4π ekv F γ Ám a jelenlegi tervezési gyakorlat által használt formulák nem megfelelő, nem pontos értékeket adnak, ezért iterációra van szükség!!! Prof Dr obok Elemér (az MA doktora, Miskolci Egyetem Kőolaj és Földgáz Intézet, a geotermikus szakmérnöki szak szakvezetője) hengerforrás algoritmusával geo (H/) fluid α E ρ + c v KI α ma (,, z),340 6 ma + 0,0044 geo (z)

11 4 Analitikus modellezés a obok-féle hengerforrás algoritmussal: Hőmérleg a gyűrűstérre (felszálló ágra): gy F gy ( gy ) dz q gy m c d π U ( )dz + π U Hőmérleg a termelőcsőre (leszálló ágra): m c d π U ( )dz q d dz A talajszonda belső energia mérlegegyenlete: π ( ) U ( ) gy m c A felszálló ág vertikális hőmérséklet eloszlása: d gy dgy A + gy + 0 dz dz d dz d + dz + A 0 F gy gy + γ z γ 0 A leszálló ág vertikális hőmérséklet eloszlása: + γ z 0 A másodrendű, állandó együtthatójú, lineáris, inhomogén differenciálegyenletek iteratív megoldásaival meghatározható a talajszonda ágaiban a munkaközeg vertikális hőmérséklet eloszlása, és így annak pontos átlagértéke! + Az algoritmus előnye, hogy figyelembe veszi az egyes ágak közötti termikus egymásrahatást és a geotermikus gradiens hatását is! Mivel ma Mo-on csak szűk körben ismert ez az algoritmus, így rajtunk kívül nem használják, és a munkaközeg valós vertikális hőmérsékleteloszlását sem szokás számítani, ezért ez óhatatlanul a HEmező túltervezéséhez vezet! A fenti hatások figyelembe vételére a ma elterjedten használt EED és Ground Loop Design szoftverek alkalmatlanok! Egyszerűen nem a Mo-i földtani viszonyokhoz készültek fluid E KI

12 + + n i K K K i h ln h U + + n i K K K i h ln h π k h h π K ln π bh k h bh (,4,6,4) + bh F F F π π k U L U π Q F F H L k Q H } Koaxiális elrendezésre etszőleges (U, UU, UUU, W) elrendezésre F F U U Fourier egyenlet: Az eredő hőátviteli tényező tetszőleges sugárra vonatkoztatható, így:

13

14 A jelenlegi tervezési gyakorlat eredményei: Saját fejlesztésű, iteratív eljárásunk eredményei: Nincs túlméretezés, kisebb bekerülési költség! 8,78 C (átlagos munkaközeg hőmérséklet) 0,68 K/(W/m) (átlagos fúrólyuk termikus ellenállás) fluid E + KI 3,49 C (átlagos munkaközeg hőmérséklet) 0,47 K/(W/m) (átlagos fúrólyuk termikus ellenállás) 3 %-os túlméretezés ha ezzel számolnak tovább! öbb, mélyebb fúrás, magasabb bekerülési költség! Árt az elterjedés ügyének!

15 A konvektív hőelvonás meghatározása : A fúrólyuk-fal hőmérséklet meghatározása: A HE belső hőellenállásával számolva: bh (z) fluid (z) Q π U F F H A formáció hőellenállásával számolva: Q 4α t bh (z) ln γ + 4π ekv H F geo (z) A két egyenlet a kelvini vonalforrás egyenletből lett levezetve, és pontosan ugyanazt az eredményt adják

16 A konvektív hőelvonást a Fourier egyenlet hőátadásra vonatkozó formulájával számítjuk ki: Q konv h bh A H A π F L H bh geo : A hőátadási tényező meghat: effkond Q Q konv 4π H k h bh v Nu F 3: A Nusselt szám meghat: Nu,6 (e Pr D/L) /3, ha e < 000, 6000 W 5 W 3,55 W/(mK),06 W/(mK) ekv effkond Nu,6 (e Pr L) /3, ha e < 000 e v L v Pr cvµ v v c v ρ v v v v ma (z) effkond Φe(z) Φ (z) e v

17

18 A egy időben változó (tranziens), síksugaras hőáramot indukál a talajszonda felöl a formáció irányába Kezdetben a hőáram intenzíven változik, majd a hőmérsékletek fokozatos kiegyenlítődése miatt a folyamat egy kvázi stacionárius, dinamikus egyensúlyi állapotba jut Kialakul a talajszonda körül egy lassan változó hőmérsékleti mező, a hőköpeny A hőköpenynek a talajszonda középvonalától mért távolságát nevezzük termikus távolhatásnak Mivel nyugalmi állapotban is folyamatosan változik a formáció hőmérséklete a talajszonda mentén (vertikálisan) - ez a geotermikus hőmérsékleteloszlás - ezért a hőköpeny alakja nem henger, hanem tölcsér formájú Ez a megállapítás csakis akkor érvényes, ha felszín alatti vízáramlás nem torzítja a hőköpenyt Mivel vízvezető rétegeket is tartalmazó rétegsorba telepített talajszondánál rétegvíz áramlással gyakorlatilag mindig számolni kell, így a -ből meghatározott hővezetési tényező nem a kőzetek tisztán kondukcióra vonatkozó értékét jelenti, hanem az ún advekcióra (kondukció + konvekció) vonatkozót Ezt azért fontos hangsúlyozni, mert egy numerikus termo-hidrodinamikai modellezésnél a -ből számított hővezetési tényező közvetlenül nem használható, hiszen jelentősen túlbecsülné a talajból kinyerhető hőmennyiséget A -ből számított hővezetési tényezőt korrigálni kell a geofizikai és hidrodinamikai adatokkal (ez az integrált kiértékelés), így az ekvivalens (advekcióra vonatkozó vertikális átlag) érték helyett valós, rétegenkénti értékeket állítunk elő Ugyanígy járunk el a formáció hődiffúzivitása és a talajszonda termikus ellenállása tekintetében Az eredményeket geofizikai szelvényként ábrázoltam Látható, hogy az egyes rétegek hővezetési tényezői között jelentős különbségek adódnak Persze ez így túl egyszerű Sajnos a rossz hír az, hogy a talaj egészen másképp viselkedik fűtésre, mint hűtésre Magyarul, más-más hővezetési tényező értéket kapunk hőnyeletés- és hűtésteszt esetén Ez azt is jelenti, hogy ha az épületet fűteni kell, akkor hűtéstesztet kell végeztetni, hiszen működés közben a talajtól hőt vonunk el; ha viszont az épület hűtésigénye nagyobb, akkor van létjogosultsága a hőnyeletéstesztnek, mert ekkor a talajba vezetjük a felesleges hőt!

19 Michele de Carli (University of Padova, Italy) ugyanazon a talajszondán végzett fűtés-, ill hűtéstesztet, az előbbinél,78 W/(mK), míg az utóbbi esetnél,9 W/(mK)-t kapott a talaj hővezetési tényezőjére! Az eltérés látszólag nem nagy, pedig nagyon is az: +/- 7% (már a méretezés kezdő lépéseként, és még hol a vége )! Ezért, igény szerint fűtés- és hűtéstesztet is tudunk végezni, egyaránt (+/-) 6000 W teljesítménnyel!

20 Ekvivalens sugár meghatározása: Ixy: D 4 π 64 d4 π x d π m 4 rekv : 4 D 4 π 64 π Ixy m Geothermics 38 (009)

21 A furatba behelyezett U-cső és az elkészített tömedékelés eredő hővezetési tényezőjének ( grout+u ) meghatározása: Ez az érték a furat falának kavernássága és a tökéletlen tömedékelés miatt nem egyezik meg a tömedékelő anyag elméleti (laboratóriumi) hővezetési értékével, ugyanis mindig marad fúróiszap is a bentonitos cement mellett! Kiszámítása a numerikus modellezéshez szükséges, ahol a modellgeometriát manuálisan, szerkezeti részenként kell felépíteni (a FEFLOW-nál a beépített modul nem jó!), és beadni azok termikus paramétereit Jelen esetben az U-csövet és a tömedékelést egyetlen hővezetési érték fogja reprezentálni, hogy a mért HE hőellenállást visszadja a modell

22 A kijövő munkaközeg felszíni hőmérséklet változása a tömegáram (~e) függvényében: 45 0,06; O u tp u t hőm érséklet [ C] y 73509e -0000x ,06;3 0,; 0,;3 Expon (0,06;3) eynolds-szám 0,06 és 0,: a HE hőellenállása [K/(W/m)] és 3: a rétegsor ekv hővezetési tényezője [W/(mK)] Ha a bemenő munkaközeg-hőmérséklet: - C

23 A munkaközeg felszíni hőmérséklet-különbség változása a tömegáram (~e) függvényében: 6 Delta [ C] ;0,06;3 -;0,;3 ;0,06;3 ;0,;3 5;0,06;3 5;0,; eynolds-szám -; és 5 : a bemenő munkaközeg-hőmérséklet [ C] 0,06 és 0,: a HE hőellenállása [K/(W/m)] 3: a rétegsor ekv hővezetési tényezője [W/(mK)]

24 A kijövő munkaközeg-hőmérséklet változása folyamtos üzem közben, az idő függvényében : Output hőm érséklet [ C] y -0306Ln(x) bh 0,06 K/W/m bh 0, K/W/m Log (bh 0,06 K/W/m) Idő [nap] 0,06 és 0,: HE hőellenállása [K/(W/m)] Ha a rétegsor ekv Hővezetési tényezője: 3 W/(mK) Ha a bemenő munkaközeg hőmérséklete: - C

25 Elérhetőségeink: Fax: 33/48-90, Mobil: 70/ Web: wwwzoldhohu Kiss László okl gépészmérnök, automatizálási és geotermikus szakmérnök (mérés, rendszerfelügyelet, szervezés) Erdélyi arna okl geofizikus mérnök, geotermikus szakmérnök (kiértékelés, hőtranszport modellezés)