Földhő-hasznosító rendszerek modellezése és monitorozása a hatásterület, a fenntarthatóság és a gazdaságosság vizsgálata céljából

Átírás

1 Földhő-hasznosító rendszerek modellezése és monitorozása a hatásterület, a fenntarthatóság és a gazdaságosság vizsgálata céljából Merényi László Eötvös Loránd Geofizikai Intézet 1145 Budapest, Kolumbusz u merenyi@elgi.hu Tartalom: Miért érdemes modellezni és monitorozni? Mikor érdemes modellezni és monitorozni? Modellezés - eszközök Modellezés - példák Monitorozás példa Miért érdemes modellezni és mérni/monitorozni? A földhő-hasznosítás egy viszonylag új technológia, kevés a tapasztalat, különösen a hosszú távú működés tekintetében; Rosszul méretezett rendszerek miatt negatív tapasztalatok, és egyéb félelmek (pl.: növényzet károsodása); Támpont a törvényi/engedélyeztetési szabályozáshoz (védőidom); A többi hagyományos és megújuló hőenergia rendszerekhez (pl. földgáz, pellet tüzelés vagy napenergia) képest a földhő más megközelítést igényel: Viszonylag drága a beruházás; Utólag nehezen javítható, bővíthető a rendszer; Szomszédos rendszerek egymásra hathatnak (hatásterület); A felszín alatti rétegekről általában kevés és bizonytalan információval rendelkezünk; A felszín alatti lassú hőtranszport-folyamatok miatt hosszútávon megváltozhat a rendszer viselkedése.

2 Földhő-alapú rendszerek energiamérlege Felhasznált hőteljesítmény és annak forrása (indulási állapothoz viszonyított relatív értékek) Megjegyzés: Az ábra a talajszondás rendszerek esetén szemlélteti a változások trendjét és nagyságrendjét. A görbék tényleges lefutása nagy mértékben függ a telepítési mélységtől, a rétegektől, a talajvíz jelenlététől és áramlásától. Mikor érdemes modellezni ill. monitorozni? Standard rendszerek méretezése: mérnöki segédprogramokkal Modellezés és monitoring szükséges lehet: Pontosabb méretezéshez és költségszámításhoz, a hosszú távú viselkedés biztosabb megjóslásához, különösen az alábbi rendszerek esetén: Talajvizes rendszereknél (hidrogeológiai modell) Talajszondás rendszerek esetén: Talajvíz jelenléte + jó permeabilitás; Hőtani szempontból erősen eltérő rétegek; Sekély rendszerek; Felszín-közeli geotermikus anomália; Korlátozott a rendelkezésre álló telepítési terület és/vagy mélység (biztonsági túlméretezés mértékének csökkentése); Nagy rendszerek. Kutatási célok. Hatósági, törvénykezési, politikai feladatok és kérdések támogatása (pl.: védőidom-meghatározás, potenciál-becslés). Kísérleti és speciális rendszerek vizsgálata.

3 Kísérleti és speciális rendszerek Új típusú talajhőcserélők és hőszivattyúk bevezetése; Kombinált rendszerek, például Hőszivattyú + napkollektor + hőtárolás; Kombinált levegős + vizes hőszivattyú; Időben erősen váltakozó, és/vagy erősen idényszerű hőfelhasználás (pl.: nem állandóan használt közösségi helyiségek fűtése és hűtése); Átalakított nagymélységű kutak (Deep-Borehole Heat Exchangers, akár m-ig), hőszivattyú nélküli fűtés vagy magasabb hőmérsékletszintű hőszivattyú használata; Direkt (hőszivattyú nélküli) hűtés. Modellezés és monitoring viszonya Feltételezett rendszerek (pl. tipikus esetek vizsgálata vagy gondolatkísérletek ) Megvalósítás Paraméterbecslés Paraméterbecslés és mérés Modell Monitoring Valóságos rendszerek

4 Felszín alatti hőtranszport Konduktív Advetkív Talajhőcserélő modell Folyadék-áram Folyadék-csőfal közötti hőátadás Csőfal-cementezés és csőfal-csőfal kapcsolata Hőcsere a talaj felszínén Napsugárzás Párolgás Leszivárgás Hőátadás levegő és talaj között Gépészeti berendezések modellezése (hőszivattyú, puffertartály, vezérlés, csővezetékek hővesztesége, stb.) Energiaigény modellezése (épületek fűtési és hűtési igénye, melegvíz-igény) A fenti modellek összekapcsolása. Numerikus és analitikus modellek Hőtranszport modellezés Az alábbi modell paraméterek esetén nagyobb a bizonytalanság: Felszín alatti rétegek elhelyezkedése és tulajdonságai; Permeabilitás, talajvízszint; Hőcsere a talaj felszínén. Hőtranszport modellezés az ELGI-ben HST3D (USGS) szimulációs program Felszín alatti víz, hő- és oldott anyag transzport. Hőtranszport: konduktív és konvektív (vízáramlás, diszperzió, termikus konvekció); Ingyenesen használható, forráskód is letölthető; Speciális peremfeltételek (evapotranspiration, leakage, river-leakage, free surface, heat conduction, aquifer-influence); Hátrány: szöveges input- és outputfájlok kezelése nehézkes, réteg-szerkezet bonyolultan definiálható. Segédprogram HST3D-hez Windows alatti használat; Preprocessor: input fájl elkészítésének megkönnyítése, modell-geometria definiálásának megkönnyítése, tranziens peremfeltételek és ellenőrző adatok megadási lehetősége mérési és szintetikus adatfájlokból; Postprocessor: modell futása közben grafikonok és szelvények ábrázolása (hőmérséklet, nyomás, energiamérleg, stb ), eredményfájlok konvertálása (pl. Surfer GRD formátumba), animációk készítése. TRNSYS-szel és BHE-SIM-mel való kapcsolat.

5 BHE-SIM talajszonda modell BHE-SIM programmodul: Tranziens numerikus modell zártkörű, koncentrikus elrendezésre (nagymélységű rendszereknél elterjedt megoldás); A koncentrikus talajszonda modell az U típusú talajszondák viselkedését pontosabban leírja, mint az egyenletes vonalforrást feltételező modellek. A HST3D és a BHE-SIM szoftvermodul futás közbeni összekapcsolásával a talajhőcserélős rendszerek komplex működése tanulmányozható. A rendszer viselkedését befolyásoló valamennyi fontosabb paraméter hatását figyelembe lehet venni: hőcserélő-folyadék térfogatárama, belépő hőmérséklete, hőfoklépcső, szabályozás, a talajszonda geometriájának, anyagának és a környező cementezés hatása, a talajszonda fel-és leszálló ága közötti hőcsere, fogyasztás időbeni változása (pl. napi, vagy szezonális fogyasztása ciklusok, időszakosan váltakozó fűtés/hűtés), különböző hő- és vízvezető-képességű rétegek jelenléte, kiindulási természetes hőmérsékleti gradiens, talajvízáram hatása, termikus konvekciós áramok kialakulása a vízadó rétegekben, felszíni hőmérséklet változás, csapadék-beszivárgás hatása, több kutas rendszer együttes viselkedése. Modelleredmény: talajszonda viselkedése inhomogén talajszerkezet esetén 0-10 Agyagos réteg Homokos, kavicsos réteg, horizontális vízáramlás nélkül Mélység (m) Agyagos réteg Homokos, kavicsos réteg, 100 m/év horizontális vízáramlással Szondától való távolság (m) Hõmérséklet-változás skála: Teljesítmény (W/m) -3 C -2.5 C -2 C -1.5 C -1 C -0.5 C 0 C

6 Talajszonda viselkedése vegyes hűtési/fűtési üzemmód esetén BHE-SIM és HST3D összekapcsolása a TRNSYS programmal ELGI és a Firenzei Egyetem közös projektje (Luca Madiai diplomamunkája). TRNSYS: Felszíni gépészeti berendezések és épületek részletes energetikai modellje; Napkollektoros, napcellás berendezések, egységek részletes modellje; Tranziens modell: időben változó feltételek (pl. meteorológiai fájl beolvasásával); Talajszonda egyszerűsített modellje rendelkezésre áll. TRNSYS/BHE-SIM/HST3D integráció: TRNSYS egy részletes felszín alatti hőtranszport-modellel kiegészítve (pl.: felszín alatti víz áramlásának figyelembe vétele). Szakirodalomban nem található utalás más hasonló komplex modellrendszer használatára.

7 wheater-data BHE-SIM és HST3D összekapcsolása a TRNSYS programmal BHE-SIM house_output house_model pump_control control_output pump_1 heat-pump pump_2 tank load_calc house_calc HST3D-BHE tank_output heating_check heat_pump_calc load_integrator heat-pump_output cooling_check heat_pump_integrator summary_output HST3D TRNSYS model Példa: Családi ház talajhőszivattyús fűtése és hűtése négy különböző éghajlati adottság és két előremenő fűtési hőmérséklet esetén A jó hőszigetelésű, kisméretű családi ház fűtési és hűtési igényét a TRNSYS számolta négy város (Budapest, Milánó, Pisa és Messina) tipikus éves hőmérsékleti adatsora alapján. Kereskedelemben kapható hőszivattyú jelleggörbéjét használtuk. Két al-eset: 45 C and 55 C-os fűtési hőmérséklet. Egy koncentrikus talajszonda 180 m (2D modell). Homogén, nem vízvezető talaj, effektív hővezetési tényező: 2 W/m K, effektív hőkapacitás: 2000 kj/m 3 K. Kiindulási talajhőmérséklet: -Felszínen átlagos légköri hőmérséklet -Geotermikus gradiens: adott területre tipikus érték (Budapest és Pisa: 5 C/100 m, Milanó and Messina: 3 C / 100 m) Vizsgált működési idő: 20 év.

8 A talajszonda melletti talajhőmérséklet változása 75 méter mélységben, egy szondához közelebbi (3 méter) és egy távolabbi (9 méter) pontban, 55 C-os fűtési hőmérséklet mellett. Fűtési átlagos éves COP érték változása 45 C és 55 C előremenő hőmérséklet mellett

9 Átlagos éves hűtési EER érték változása Energia-számla megtakarítás számítása A két országra jellemző energiaárakat figyelembe véve alapszintű gazdaságossági számításokat végeztünk. A talajhőszivattyús ház energiaszámláit összehasonlítottuk egy földgázzal fűtött (90%-os hatásfokú gázkazán) és hagyományos split-klímával hűtött (EER=3.22) ház számláival. A beruházási költségekkel és az egyéb költségekkel (pl. folyadék-keringetés szivattyúzási energiaigénye, fenntartási és szervizköltségek) nem számoltunk. Cél: az éves megtakarítás számolása aktuális (itt: 2009 első féléve) energiaárakon. Magyarországon: Geotarifa Olaszországban: Tariffa BTA (ENEL).

10 Teljes éves megtakarítás (fűtés és hűtésszámla), és a megtakarítás növekedése 55 C-os fűtésről 45 C-osra való áttéréssel. *Spec. Hőszivattyús árakkal: Geotarifa és BTA Milánó és Pisa esetén a legnagyobb az éves megtakarítás: relatív nagy a fűtési igény, miközben kicsi a különbség a gáz és áram ára között. Magyarországon a gáz relatív olcsó, ami miatt általában a gázfűtést részesítik előnyben. Azonban a Geotarifa javítja a megtérülési mutatókat. És jó, ha van pályázati forrás is, illete ha kiegyenlített a fűtési és hűtési igény. Érdemes a lehető legalacsonyabbra venni a fűtési hőmérséklet-igényt, az átlagos éves COP érték javításához. A mérések célja: Talajszonda telepítése előtt a talaj felmérése Hőmérséklet-vezetési tényező meghatározása természetes hőmérsékleti változásokból; Talajhőmérséklet megmérése; Vízáramlás hatása Működő földhő- és geotermikus rendszerek monitorozása, talaj kimerülésének vizsgálata, gépészeti berendezések működésének figyelése; Számítógépes transzport-modellek ellenőrzése, kalibrálása, tranziens peremfeltételek megadása; Felszín alatti mérések: Földhő-rendszerek mérése és monitorozása Hőmérséklet-mérés Pt100 szenzorral: C-os mérési felbontás LM35/LM335 szenzorral: kisebb abszolút pontosság, felbontás: C Közvetlen hőáram-mérés A hőáram-mérő szonda nagy érzékenységgel méri a hőáram nagyságát és irányát C alatti hőmérséklet-változásokat is képes kimutatni. Érzékeny módszer. Vertikális és horizontális hőmérsékleti anomáliák is kimutathatóak egy mérési pontban (pl. talajvíz áramlása).

11 Földhő-rendszerek mérése és monitorozása Adatgyűjtés Kis méretű adatgyűjtő PC, Linux op. rendszer Többcsatornás ipari digitalizáló modulok RS485 hálózatban Felszíni energetikai, gépészeti rendszerek monitorozása: Hőhordozó folyadék hőmérséklete egy vagy több pontban, Hőhordozó folyadék térfogatáram-mérése, Fűtött/hűtött helyiségek hőmérséklete, légköri hőmérséklet, stb. Mérési projektek: Családi ház talajhőszivattyús rendszerének monitorozása; Közvetlen hűtés céljából telepített sekély talajszondás rendszer monitorozása. Papszigeti ELGI mérőállomás Mátyáshegyi Geodinamikai Obszervatórium, kőzet és levegő hőmérsékletének követése (2011-től) Talajszonda-monitoring rendszer Gödöllőn egy új építésű, jó hőszigetelésű családi háznál a ház fűtését, hűtését és melegvízellátását biztosító talajszondás-hőszivattyús rendszer mellé egy monitoring-rendszert telepítettünk a Lorberterv Kft. támogatásával. A terület jó talajhő adottságokkal rendelkező felfűtött forrásterület, jól szaturált homokos üledéksorral. A ház mellett összesen négy darab, egyenként 40 méter mély U-csöves talajszonda került elhelyezésre. A négy szondáról érkező csövek a házban a hőszivattyú előtt egy közös gyűjtőcsőbe csatlakoznak.

12 Mért mennyiségek: a közös gyűjtőcső hőszivattyú felé haladó ágában a folyadék hőmérséklete; a gyűjtőcsőben a folyadék térfogatáram; a hőszivattyútól visszatérő folyadék hőmérséklete; talajhőmérséklet 1 méter mélységben, a talajszondáktól távol; az egyik talajszonda fúrólyukában, a szonda mellett, 8.8 méter mélységben a hőmérséklet; ugyanezen talajszonda fúrólyukában, a szonda mellett, 11.2 méter mélységben a hőmérséklet.

13 A téli időszakban a hőszivattyú 2-4 kw átlagos napi teljesítménnyel von el hőt a talajtól, mely érték megfelel egy jó hőszigetelésű kisebb családi ház folyamatos fűtési igényének COP=4 (tehát kb. 3-5 kw-os bruttó fűtési teljesítmény) mellett. Rövid és hosszabbidejű terhelés után is visszaáll a talajhőmérséklet. A lakók szerint nyáron hűtésre nem volt szükség az első évben. Használati melegvíz előállításához kis mennyiségű talajhőt nyáron is folyamatosan használt a hőszivattyú, azonban a talajszonda melletti hőmérséklet, ha kis mértékben is, de a nyár nagy részén emelkedni tudott. Az őszből a tél felé haladva, a levegő lehűlésével és a fűtési intenzitás fokozódásával egyre nagyobb a talajból kivett hőmennyiség és gyorsan hűl a talajszonda. November közepétől gyors lehűlés következik, mely egy darabig a talajhűtési teljesítmény növelésével jár. November végétől a tendencia megfordul: a talajhűtési teljesítmény már nem növekszik tovább, hanem ellenkezőleg, csökkenni kezd a tovább csökkenő külső hőmérséklet (azaz a növekvő fűtési igénnyel) ellenére. Ennek valószínű oka, hogy a talajszondák melletti talaj eddigre már jelentősen lehűlt (5 C alá), ezzel párhuzamosan a hőhordozó folyadék hőmérséklete is csökken, ami a hőszivattyú hatásfokának romlásához vezet, így az épület fűtéshez pedig nagyobb arányban járul hozzá a villamos energia. Köszönöm a figyelmet!