A Miskolci Egyetem Közleménye, A sorozat, Bányászat, 81. kötet (2011) FELSZÍN ALATTI VÍZÁRAMLÁSOK HATÁSA A FÖLDHŐSZONDÁK TELJESÍTMÉNYÉRE Tari Csilla 1, Kovács Balázs 2, Szanyi János 1 1 Szegedi Tudományegyetem, Ásványtani Geokémiai és Kőzettani Tanszék,, 6724, Szeged, Egyetem utca 2, taricsilla@gmail.com 2 Miskoci Egyetem; Hidrogeológiai Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék, 3515, Miskolc, Miskolc - Egyetemváros. Kivonat Nagyméretű földhőszonda mezők tervezésénél, a primer oldal teljesítménye jelentős mértékben függ a geológiai környezettől és a talajvízáramlástól. A leggyakoribb módszer, a szondák teljesítményének előrejelzésére a szondateszt (TRT). Ez a módszer azonban az alkalmazott egyszerűsítések miatt, gyakran alulbecsli a szondák várható teljesítményét. A földhőszondák teljesítményének pontosabb kiszámítása érdekében a szondateszt során mért, és a teszt után mért visszahűlési adatokat felhasználva véges elem módszert alkalmaztam. A szonda előremenő és visszatérő csöveit a véges elem hálóba ágyazott 1D-ós elemekkel reprezentáltam, a csövek és a cementpalást közti hőátadási tényezőt analitikusan számítottam. Az ily módon kialakított modellel számított hőmérséklet eloszlás a szondateszt során, és a teszt utáni visszahűléskor a mért adatokkal igen jó egyezést mutat. A modell segítségével ezután meghatároztam, hogy a talajvízáramlásnak mekkora szerepe van a szonda teljesítményének kialakításában. Az eredmények azt mutatják, hogy 0.001 m/d áramlási sebesség alatt a talajvízáramlás szerepe jelentéktelen, ettől kezdve azonban a szonda teljesítmény ugrásszerűen nő. Abstract Thermophysical properties of subsurface materials and groundwater flow strongly affect the heat exchange rates of ground coupled heat exchanger systems (GCHE). One popular method to estimate the mentioned thermal parameters is the interpretation of in situ thermal response test (TRT), but this method due to some simplifying assumptions could result in the overestimation of the number of needed heat exchangers. To overcome this problem, I propose to use finite element method to calculate the heat exchange rate of GCHE systems. Discrete Fracture Elements (DFE) has been integrated into the finite element matrix system to overcome the computational difficulties caused by the extreme disproportional geometries. To validate this method calculated data were compared with the data of a TRT and a cooling test measured at an implemented GCHE system. The correlation of calculated vs. measured data illustrate that the finite element model is able to better calculate the heat exchange rate than the TRT test. Next, I examined how the groundwater flow velocity (GWV). We concluded, that under 0.001 m/d GWV the effects are negligible, but over this value the heat exchange rates would increase rapidly, due to the advection effect of the groundwater motion. 227
Tari Csilla, Kovács Balázs, Szanyi János 1. Bevezetés Napjainkban az egyre fokozódó energiaszükséglet következtében a megújuló energiák, így a geotermikus energia is, mindinkább előtérbe kerülnek. Különösen igaz ez az alacsony entalpiát hasznosító hőszivattyús rendszerekre. Magyarországon 2000 és 2009 között az eladott hőszivattyúk száma megszázszorozódott. Ezzel együtt hazánk, a hőszivattyús energiahasznosítás terén, még mindig elmarad más európai országoktól. Ennek okai többek között a magas beruházási költségben és hosszú megtérülési időben keresendőek. Ezért különösen fontos a beruházási és működési költségek minimalizálása. A beruházási költségek minimalizálásához figyelembe kell venni a geológiai környezet, és a talajvízáramlás hatását. Ezért a földtani felépítés és a vízföldtani viszonyok pontosabb megismerése céljából nagyobb rendszerek esetén, a helyszínen próbafúrás létesülhet. Ekkor lehetőség nyílik a fúrási törmelék mintáin hővezetési és hidraulikus vezetőképesség vizsgálatok elvégzésére, geofizikai szelvényezésre a fúrólyukban, és a beépített földhőszondában in situ szondateszt (Thermal Response Test) elvégzésére. A szondateszt során a tesztelő berendezést hidraulikusan összekötjük földhőszondával. A zárt rendszerben víz kering, amelyet egy meghatározott hő teljesítménnyel fűtünk (1. ábra) [1]. 1. ábra. Szondatesztnél alkalmazott tesztelő berendezés, és az előremenő visszatérő hőmérsékletadatok a teszt során. 228
Felszín alatti vízáramlások hatása a földhőszondák teljesítményére Ez a hő a földhőszondán keresztül a földtani környezet felé áramlik. A mérés során rögzítjük az előremenő és visszatérő hőmérsékleteket, a tömegáramot. A hőmérsékletváltozás a földtani környezet tulajdonságaitól, különösen a hővezetési képességétől és az eltelt időtől függ. A teszt során regisztrálni kell a külső hőmérsékletet és a fűtési teljesítményt. A szondateszt eredményeinek kiértékelését a Kelvin-vonalforrás módszerrel végezzük, melynek megoldása szolgáltatja az ekvivalens hővezetőképességet (λ) és a fúrólyuk termális ellenállását. A módszerrel meghatározott ekvivalens hővezetőképesség érték (λ) tükrözi a kőzet formációban lévő konduktív és a konvektív hővezetést is [5]. Kelvin-vonalforrás módszer azonban az alkalmazott egyszerűsítések miatt, gyakran alulbecsli a szondák várható teljesítményét. Ezért a földhőszondák teljesítményét modelleztem a szondateszt során mért, és a teszt után mért visszahűlési adatokat felhasználva, véges elem módszer segítségével. A szonda előremenő és visszatérő csöveit a véges elem hálóba ágyazott 1D-ós elemekkel reprezentáltam, a csövek és a cementpalást közti hőátadási tényezőt analitikusan számítottam. Az ily módon kialakított modellel számított hőmérséklet eloszlás a szondateszt során, és a teszt utáni visszahűléskor a mért adatokkal igen jó egyezést mutat. Ezután a modell segítségével meghatároztam, hogy mekkora hatással lehet a szonda teljesítményére a talajvízáramlás. 2. A numerikus modell és a modellgeometria kialakítása A földhőszondák szimulációját a FEFLOW (Finite Element subsurface FLOW system) modellező program felhasználásával végeztem el. A FEFLOW program két- és háromdimenziós, véges elemű módszert (FEM Finite Element Method) alkalmaz azon parciális differenciál egyenletek megoldására, amelyek a geológiai környezet szivárgáshidraulikai, tömegtranszport és hőtranszport folyamatait írják le [3]. Mivel a hőátadás alapegyenletének végeselem módszerrel történő megoldása megköveteli a modellezett tér tetszőleges számú csomópontra és az azokat összekötő vonalak által határolt elemekre történő felosztását, ezért első lépésként elvégeztem a modellezni kívánt terület végeselem diszkretizációját [7]. Egy szimpla 100 m-es mélységű U-alakú szondát és az azt körülvevő geológiai környezetet vettem figyelembe melyet, mivel az általános gyakorlat szerint a szondákat maximum 5 m távolságban szokták elhelyezni, egy 5m átmérőjű hengerrel közelítettem. Az előremenő és visszatérő csöveket, illetve a szonda alján található U-alakú fordítót 1D-ós vertikális elemmel (DFE) reprezentáltam. A csövek környezetében, és a tömedékelő anyagban az alkalmazott csomópontok számát megnöveltem, mivel ebben a régióban a paraméterek rövid 229
Tari Csilla, Kovács Balázs, Szanyi János szakaszon hirtelen változnak. Vertikálisan a modellezett területet 14 rétegre osztottam föl. A szonda alatti hőjelenségek figyelembe vétele érdekében számításba vettem a modell alatti kőzeteket 10 m vastagságban (2. ábra). 2. ábra. A modellezett szimpla U-alakú szonda és a geológiai környezet végeselem reprezentációja. 3. A csőrendszer modellezése A csőrendszer szerepe kettős. Egyrészt hőt szállít vertikális irányban. Ehhez a hőszállításhoz először meg kell tudni határozni a csőben keringő folyadék sebesség vektorát. A folyadék sebességvektorát a Hagen-Poiseuille törvény alapján határoztam meg. A csőrendszer másik szerepe, hogy hőt ad át, illetve vesz föl horizontális irányban, melynek mértéke a csőfelület nagyságával, és a hőátadási tényezővel arányos. A hőátadási tényezőt a cső konvektív, és konduktív termális ellenállásából számítottam. 230
Felszín alatti vízáramlások hatása a földhőszondák teljesítményére 4. Peremfeltételek A modellezett térrész határain a hőtranszport mérleg hiányzó elemeinek pótlására, vagy ezen összetevők számítását lehetővé tevő peremfeltételre van szükség. (Mivel itt a vizsgált csomópontban nem ismerjük a beáramló hőmennyiséget). A hengerszimmetrikus modell egy-egy oldalán állandó nyomásszintű peremet definiáltam a konstans 0.1 cm/km-es vízáramlás biztosításához A szondateszt modellezése során a regisztrált, időben változó hőmérsékletet adtam meg az előremenő cső tetején A mélységgel növekvő zavartalan talajhőmérsékletet állandó hőmérsékletű peremként definiáltam, azt feltételezve, hogy a szonda hatástávolsága a modell határain belül marad. 5. Kalibráció és megbízhatóság A modell tesztelése egy megvalósult beruházás szimulációjával történt. Szegeden a Szegedi Tudományegyetem Mérnöki Karának az új épülete alá az épület hűtésifűtési szükségletét kielégítendő 24 db. földhőszondát helyeztek el. A munkák 2010 áprilisában indultak és jelenleg a rendszer beüzemelése zajlik. A vizsgált helyszínen két olyan mérés történt, mely eredményeit felhasználva elvégezhettem a kalibrációt, ezek voltak a szondateszt (TRT) és a teszt utáni 2 m-enkénti hőmérsékleti profil rögzítés [7]. A szondateszt 2010. április 20-án 14:40-kor indult és 2010. április 22-én 12:40-kor került leállításra 46 óra elteltével. A teszt kezdete előtt 30 percen keresztül keringették a földhőszondában a hőközvetítő közeget (víz) fűtés ráadása nélkül. Az átlagos fűtési teljesítmény a földhőszondában: 5351W, az össz fűtési teljesítmény a 46 óra alatt: 246 kw/óra volt. Szimuláltam a szondatesztet, oly módon, hogy a regisztrált, időben változó hőmérsékletet adtam meg az előremenő cső tetején, mint Dirichlet típusú peremet. A 3. ábrán a visszatérő ágban mért és számolt hőmennyiség, a 4. ábrán pedig a számolás relatív hibája látható. Látható, hogy a kalibráció után a modellben számolt hőmennyiség, ami az előremenő ágba bevezetett felmelegített vízből elnyelődött, igen jó pontossággal megegyezik a mért értékekkel [5]. A szondateszt kezdete előtt 1 órával, a teszt befejezése után 1, 2, és 3 órával került rögzítésre a hőmérséklet profil a földhőszondában 2 m-enként. Mivel a szondateszt után 3 órával mért hőmérsékletprofil görbéjének értékei mutatják legjobban a geológiai környezet hatásait, ezért a modell kalibrációhoz ezeket az értékeket használtam föl. A rétegsort a hőmérséklet értékekhez képest pontatlanabbnak feltételeztem, illetve a hőmérséklet eloszlás alapján plusz 231
Tari Csilla, Kovács Balázs, Szanyi János rétegeket lehet sejteni, ezért a modellt vertikálisan újra osztottam és újra változtattam az alapadat rendszeren. A mért és számolt értékeket a relatív hiba alapján hasonlítottam össze 4. ábra. Látható, hogy a mért és számolt adatok jó egyezést mutatnak. A relatív hiba sehol sem nagyobb, mint 0,016. Mindezek alapján a modellt alkalmasnak tartom a szegedi geológiai környezettől és modell kialakítástól eltérő rendszerek hőtranszport folyamatainak tanulmányozására is. 3. ábra. A visszatérő ágban mért és számított hőmérséklet a szondateszt folyamán. 4. ábra. A visszatérő ágban számított hőmérséklet relatív hibája a szondateszt folyamán. 6. Felszín alatti vízáramlás hatása a szonda teljesítményére A talajvízáramlás hatásának figyelembe vételéhez többféle modellvariánst futtattam le, és számítottam a teljesítményt különböző vízáramlások esetén. A 100 m es szondából kivehető maximum teljesítmény három, hat és kilenc óra 232
Felszín alatti vízáramlások hatása a földhőszondák teljesítményére folyamatos működés után, a 5. ábrán látható. Különböző üledékekre jellemző áramlási sebességek a hidraulikus gradiens függvényében az 1. táblázatban találhatóak. 5. ábra. A mért és számított hőmérsékleti profil a szondateszt után 3 órával, és a kettő közötti relatív hiba. 1. táblázat. Áramlási sebességek különböző képződmények és hidraulikus gradiensek esetén. Áramlási sebesség (m/d) Hidraulikus gradiens (m/km) Durva Finom Durva Finom Iszap Agyag kavics kavics homok homok 8.5 0.7 0.09 0.001 0.00001 5.00E- 11 0.01 16.9 1.6 0.17 0.0025 0.00015 1.00E- 10 0.2 170 18.1 1.85 0.02 0.001 1.00E- 10 2 A 6. ábrán látható, hogy 0.01 m/d áramlási sebesség alatt a hőszivattyú teljesítményét az áramlási sebesség nem befolyásolja. Ettől kezdve hőszivattyú 233
Tari Csilla, Kovács Balázs, Szanyi János teljesítménye hirtelen jelentős mértékben megnő. Ami azt jelenti, hogy a vizsgált üledékekre jellemző áramlási sebesség megvizsgált 14 nagyságrendjéből, csak az 0.01-1 közé eső értékek azok amelyek befolyással bírnak a földhőszonda teljesítményére. A vízáramlás másik jelentős teljesítményalakító tulajdonsága, hogy bár a földhőszondák teljesítménye a működési idővel jelentősen romlik hiszen ugyanaz a szonda alacsony vízáramlás-szám esetén 0.7 kw- tal ad 6 h folyamatos működés után rosszabb teljesítményt mint 3 h működés után, és 9 h folyamatos működés után ez az érték 2.1 kw-ra nő, magas áramlási sebességek esetén azonban a szondák teljesítménye időben nem csökken számottevően. 6. ábra. 100 m es földhőszonda maximális teljesítménye 3,6, és 9 óra folyamatos működés elteltével, különböző talajvízáramlások esetén. 7. Összefoglalás Hazánkban az összes, így a földhőszondás hőszivattyús rendszerek tervezését is, elsősorban olyan gépészeti feladatnak tekintik, melyben a földtani környezet szerepét ökölszabályok figyelembevételével, geológus szakember bevonása nélkül határozzák meg. Ennek következményeként a szondaszám gyakran alul vagy fölülméretezett. Munkámban a szegedi beruházás során készült mérési eredményeket felhasználva, egy olyan módszert dolgoztam ki, mellyel az előzetes földtani 234
Felszín alatti vízáramlások hatása a földhőszondák teljesítményére információk ismeretében, szondateszt mérési adatokra támaszkodva, de a szondateszt hagyományos kiértékelésénél nagyobb pontossággal számítható az előremenő és visszatérő ágak hőmérséklete. Rámutattam arra, hogy a talajvízáramlás igen jelentős hatással van a szondák teljesítményére. 8. Köszönetnyilvánítás A cikk a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001projekt pénzügyi támogatásával készült. Irodalomjegyzék [1] Al-Khoury R., Boonier P. G., Brinkgreve R. B.J., (2005): Efficient finite element formulation for geothermal heating systems. Part I: Steady state. International Journal for numerical methods in engineering, 64, 988-1013. [2] Cui P., Yang H., Fang Z., (2007): Numerical analysis and experimental validation of heat transfer in ground heat exchangers in alternative operation models. Energy and Buildings, 40, 1060-1066 [3] Diersch H.-J. G., (2002): FEFLOW reference manual. Institute for Water Resources Planning and Systems Research Ltd., p. 278 [4] Esen H., Inalli M., (2009): In situ thermal response test for ground source heat pump system in Elazig, Turkey. Energy and Buildings, 41, 995-401 [5] Geort Ltd., (2010): Szondateszt-Geothermal Response Test, A talaj hővezető képességének meghatározása geotermikus szondatesztel, valamint a lehetséges szondakiosztás megtervezése, Manuscript, Szeged [6] Ingersol L., Zobel O., (1954): Heat conduction with engineering, geological and other applications. New York: McGraw-Hill [7] Lamarche L., Beauchamp B., (2007): New contributor to the finite line-source model for geothermal boreholes, Energy and Buildings, 39, 188-198 [8] Li Z., Zheng M., (2009): Development of a numerical model for the simulation of vertical U-tube ground heat exchangers. Applied Thermal engineering, 29, 920-924 [9] Marcotte D., Pasquier P., (2008): On the estimation of thermal conductivity test. Renewable Energy, 33, 2407-2415. [10] Roth P., Georgiev A., Busso A., Barraza E., (2004): First in situ determination of ground and borehole thermal properties in Latin America. Renewable Energy, 29, 1947-1936 [11] Sharkawy M. H., Mokheimer E. M., Badr H.M., (2009): Effective pipe-to-borehole thermal for vertical ground heat exchangers. Geothermics, 38, 271-277 [12] Thomas G., Gustafsson A-M., Nordell B., (2003): Thermal Response Rest Integrated to Drilling. Proc. Futureswork, 9 th Int. Conf. On Thermal Energy System. Warslaw. Part I, pp 411-415 235
Tari Csilla, Kovács Balázs, Szanyi János [13] Yavuzturk C., (1999): Modeling of vertical ground loop heat exchangers for ground source heat pump systems. PhD thesis, Oklahoma State University [14] Zanchini E., Lazzari S., Priarone A., (2010): Effects of flow direction and thermal short-circulating on the performance of small coaxial ground heat exchangers. Renewable Energy, 35, 1255-1265 236