Na wstępie kilka słów poświęcić wypada nazewnictwu.

Instalacja służąca wymianie ciepła pomiędzy powierzchnią ziemi a górotworem, do wykonania której wymagany jest otwór wiertniczy w języku angielskim nazwana jest borehole heat exchanger (BHE, borehole=otwór, heat=ciepło, exchanger=wymiennik – w Europie, np. Signorelli i in. 2004) lub vertical heat exchanger (VHE, vertical=pionowy – w Ameryce, np. Lund 1989), a w języku niemieckim Erdwärmesonde (Erd=ziemia, Wärme=ciepło, Sonde=otwór, np. A. Hagedorn 2009). Najbardziej trafnym tłumaczeniem na język polski wydaje się określenie „otworowy wymiennik ciepła” lub krócej „wymiennik otworowy”. Autorzy będąc w zgodzie z obcojęzycznymi określeniami, w niniejszej jak też w innych publikacjach  stosują taką nomenklaturę (np. Gonet i Śliwa 2008). 

Otworowe wymienniki ciepła są wykorzystywane między innymi jako jeden ze sposobów realizacji niskotemperaturowego źródła w obiegu parownika pomp ciepła. Dla większych instalacji grzewczo-chłodniczych bazujących na otworowych wymiennikach ciepła wykonywane powinny być badania terenowe. Ich zadaniem jest otrzymanie podstawowych danych do obliczeń projektowych.

W zależności od stopnia niepewności rozpoznania litostratygraficznego oraz na podstawie wielkości projektu (mocy grzewczej/chłodniczej i rocznego zapotrzebowania na energię) wymagane są wstępne wiercenia próbne. Na etapie przedprojektowym powinno się wykonywać badania umożliwiające rozpoznanie warunków hydrogeologicznych. Tym samym można zdecydować o formie wykorzystania górotworu dla układu grzewczo-klimatyzacyjnego (wykorzystanie wód podziemnych i/lub wymienników otworowych).

Wykonanie pojedynczego badawczego wymiennika otworowego jest opłacalną inwestycją, ponieważ końcowy projekt oparty zostaje na wynikach badań, bez zbyt dużego marginesu bezpieczeństwa (przewymiarowania ujęcia energii niskotemperaturowej z górotworu w postaci zbyt dużej liczby otworów). Dla systemu otworowych wymienników ciepła test reakcji termicznej (TRT) jest wykonywany, aby określić cieplne przewodnictwo górotworu. W przypadku rozpoznawania możliwości wykorzystania wód podziemnych należy wykonać standardowe testy hydrogeologiczne.

Znając parametry górotworu i zapotrzebowanie odbiorcy na energię dla ogrzewania i chłodzenia można rozpocząć obliczenia projektowe. Informacje określające zapotrzebowanie budynku na energię też muszą odpowiadać pewnym minimalnym wymaganiom. Dla małych projektów czasem wystarczą tylko informacje dotyczące maksymalnego obciążenia dla ogrzewania i chłodzenia budynku (moc grzewcza i chłodnicza). Ponieważ górotwór w przeciwieństwie do dostaw tradycyjnych paliw posiada ograniczoną ilość ciepła i zimna, którą może zaoferować w danym okresie (moc grzewcza pojedynczego wymiennika otworowego), należy brać także pod uwagę roczny rozkład obciążeń.

Do najistotniejszych parametrów charakteryzujących górotwór i wymienniki otworowe, które determinują liczbę niezbędnych otworów dla zapewnienia odpowiedniego zasilania pomp ciepła w energię niskotemperaturową, należą:

  • przewodnictwo cieplne skał,
  • średnia temperatura przewierconego profilu skał,
  • opór cieplny otworu

Test reakcji termicznej polega na uruchomieniu cyrkulacji nośnika ciepła oraz dostarczaniu do układu (lub odbieraniu) stałej porcji energii cieplnej. W układzie takim mierzone muszą być zmiany temperatury zasilania i powrotu nośnika ciepła z wymiennika otworowego, w którym doprowadzone (odebrane) ciepło wymieniane jest z górotworem.

Od strony teoretycznej test bazuje na modelu źródła liniowego. Pole temperatury T jako funkcja czasu t i promienia r wraz ze stałą mocą cieplną q została opisana przez kilku autorów (Eklöf i Gehlin, 1996, Austin, 1998 i in.).

Drogą do interpretacji danych testu reakcji termicznej jest wykreślenie zależności temperatury nośnika ciepła względem logarytmu czasu ln(t). Wykres takiej zależności przybiera wtedy charakter liniowy, a nachylenie prostej k może zostać użyte do oceny efektywnego przewodnictwa cieplnego za pomocą wzoru… (…)

Literatura:

  • Austin W., Development of an in-situ system for measuring ground thermal properties (1998), MSc-thesis, OSU, Stillwater OK
  • Eklöf C., Gehlin S., TED – a mobile equipment for thermal response test (1996), Master`s thesis, Luleĺ University of Technology
  • Gehlin S., Thermal response test – Metod development and evaluation (2002), Doctoral Thesis, Luleĺ University of Technology
  • Hagedorn Andreas, Geothermal Radial Drilling, Geothermische Energie, no. 62, GtE 2/2009
  • Lund John W., Geothermal Heat Pumps – Trends and Comparisons, Geo-Heat Center Quarterly Bulletin, Vol 12, No. 1, Geo-Heat Center, Oregon Institute of Technology, Klamath Falls, 1989
  • Signorelli Sarah, Kohl Thomas, Rybach Ladislaus, Sustainability of Production from Borehole Heat Exchanger Fields, Stanford Geothermal Workshop, Stanford 2004.
  • Gonet Andrzej, Śliwa Tomasz, Konstrukcje otworowych wymienników ciepła, Małopolsko-Podkarpacki Klaster Czystej Energii, Czysta energia, czyste środowisko 2008, red. Ireneusz Soliński, Kraków 2008.
  • Leksykon Naukowo-Techniczny, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1984

Praca zrealizowana w ramach umowy nr 17.17.190.385 ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego

Prof. dr hab. inż. Andrzej Gonet, Dr inż. Tomasz Śliwa, Katedra Wiertnictwa i Geoinżynierii AGH, WWNiG, Kraków

 


Cały artykuł – GLOBEnergia 1/2010

TRT - testowanie otworowych wymienników ciepła