Ivóvíz és termálkutak műszeres vizsgálata, geotermikus szondateszt

Vállalkozásom vízkutak, geotermikus célú kutak műszeres vizsgálatával, és a szükséges dokumentációk összeállításával, ill. talajszondás hőszivattyús rendszerek méretezésével foglalkozik. Erdélyi Barna okl. geofizikus mérnök, MBFSz földtani szakértő.

vdi_szabv_tabl.png

 

Mindenki, aki már foglalkozott hőszivattyúzással ismerheti ezt a táblázatot. Ez a táblázat csupán a legfontosabb kérdésekre nem ad választ, hogy: a fenti W/m értékek milyen munkaközeg bemenő hőmérséklet (Tbe), milyen tömegáram (m ~ Re), milyen talajszonda hőellenállás (Rbh), milyen geotermikus gradiens (g) és milyen talajhőmérséklet (Tgeo) esetén érvényesek...

A felszín alatti hőtranszport folyamatok ennél sokkal bonyolultabbak, ezt a táblázatot úgy, ahogy van, el kell felejteni! 

A fenti táblázat alapján készült méretezés NEM MÉRETEZÉS, csupán nagyon durva hibával terhelt, előzetes becslés!!!

Gyakorlatilag bármilyen talajból bármennyi hőt ki lehet vonni, erre megvannak a technikai eszközök, az viszont, hogy ezt fenntartható módon tesszük-e, na "az a nem mindegy"!

A hőszivattyúzás csak akkor fenntartható, megújuló energiahasznosítási mód, ha a talajrétegek hőegyensúlyát megtartjuk. Ehhez mindenképpen bonyolult számítások szükségesek! 

A primer oldali (hőnyerő) rendszer méretezéséhez használt analitikus vagy numerikus modellbe integrálni kell a geofizikai, hidrodinamikai, földtani és termikus paramétereket. 

Egész más jártasságot igényel, mint adatokat dobálni egy szoftverbe!

 

 

Talajszondás (földhőszondás) hőszivattyús rendszerek földtanilag megalapozott tervezése:

Esettanulmány egy 2016-os szegedi mérés alapján

 

Talajszondás hőszivattyús rendszer tervezésénél elsőrendű fontosságú a talaj és a hőcserélő szerkezet (BHE) termikus paramétereinek pontos ismerete. A termikus paraméterek ismerete szükséges, de koránt sem elégséges ahhoz, hogy a talajszonda-mező tervezése földtanilag kellően megalapozottá váljon.  Azért, hogy pontosan meghatározhassuk, hogy az adott épület fűtéséhez (vagy hűtéséhez) adott szondakonfiguráció esetén hány darab, milyen mélységű és milyen osztásközű szondára van szükségünk, először is a telepítési terület rétegeinek geofizikai és hidrodinamikai vizsgálatát kell elvégezni.

A geotermikus szondatesztet csak ezt követően hajthatjuk végre, rendszerint a kivitelezés kezdeti szakaszában telepített próbaszondán, az alábbi elvi ábra alapján.

 

A Thermal Response Test (TRT) elvi vázlata:

talajszonda2.png

A teszt során állandó elektromos teljesítményű fűtést (QT) biztosítva, állandó tömegárammal (m) keringtetjük a folyadékot a zárt rendszerű talajszondában. Ezáltal a talajban hőt (q) nyeletünk el, és mérjük a talajszonda leszálló (Tbe) és felszálló (Tki) ági csatlakozásánál a folyadék hőmérsékletét az idő (t) függvényében. A folyadékhőmérséklet görbék időbeli lefutása jellemző lesz a talajrétegek és a talajszonda által alkotott rendszer termikus paramétereire, mindenek előtt a talaj hővezető-képességére (lambdaekv), ill. a fúrólyuk termikus ellenállására (Rbh). 

 

A GEOSIGNAL Kft-vel közös fejlesztésű és építésű tesztberendezés telepítése a dupla U csöves próbaszondára:

talajszonda1.png

A talajszonda már a mérés előtt két héttel fel lett töltve vízzel, így mérésünkkor a BHE (Borehole Heat Exchanger) -ben lévő víz már biztosan termikus egyensúlyba került környezetével, azaz geotermikus állapotú volt. 

Egy használható geotermikus szondateszt időtartama 1 hét! Ezalatt a berendezést óvni kell a külső hatásoktól.

talajszonda11.png

A TRT egy időben változó (tranziens), síksugaras hőáramot indukál a talajszonda felöl a talajrétegek 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 vízvezető rétegeket is tartalmazó rétegsorba telepített talajszondánál rétegvíz áramlással gyakorlatilag mindig számolni kell, így a TRT-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 3D-s numerikus termo-hidrodinamikai modellezésnél a TRT-ből számított hővezetési tényező közvetlenül nem használható, hiszen jelentősen túlbecsülné a talajból kinyerhető hőmennyiséget. 1D-s modellezésnél azonban megfelelő.

A TRT-ből számított hővezetési tényezőt korrigálni kell a geofizikai és hidrodinamikai adatokkal. Ez az integrált kiértékelés, ami saját találmányom. Ettől válik a méterezés földtanilag megalapozottá. Ily módon az ekvivalens (advekcióra vonatkozó vertikális átlag) érték helyett valós, rétegenkénti értékeket állítok elő. Ugyanígy járok el a rétegsor hődiffúzivitása és a talajszonda termikus ellenállása tekintetében. EZT MA MO.-ON RAJTAM KÍVÜL SENKI SEM CSINÁLJA!

 

Mért görbék a talajszonda (dupla U cső) felszíni csatlakozóinál: 

talajszonda3.png

A mért görbéket az alábbi, a Kelvin-féle vonalforrás egyenletből levezetett, összefüggéssel értékeljük ki, és eredményül a rétegsor hővezetési tényezőjét és a talajszonda, mint hőcserélő berendezés (BHE) termikus ellenállását kapjuk. 
 

kelvinbol.png

(A g itt az Euler állandót jelenti, g = 0,5772.) 

Ezek a paraméterek egy sor másik (termikus, áramlástani, geometriai, technikai és anyagjellemző) paraméterrel együtt képezik a Bobok-féle hengerforrás algoritmus bemenő alapadat rendszerét, amit a talajszonda méretezésére használok, különböző szcenáriókra lefuttatva. Ezekből a szimulációkból áll össze az a kimenő adatrendszer, amelyet optimalizálva kapom meg a kialakítandó talajszonda-mező jellemzőit: mélység (szondahossz), osztásköz, munkaközeg bemenő hőmérséklet, alkalmazott tömegáram az U csőben. Mindezeket a számításokat aktív hűtő-fűtő és passzív hűtő üzemmódokra is elvégezem.

A különböző és változó feltételek (munkaközeg bemenő hőmérséklet, tömegáram és üzemidő) mellett elvégzett szimulációk lelke az alábbi, két másodrendű, állandó együtthatójú, lineáris, inhomogén differenciálegyenlet:

- az U cső előremenő (leszálló) ágának vertikális hőmérsékleteloszlása: 

eloremeno_diffegy.png

 

- az U cső visszatérő (felszálló) ágának vertikális hőmérsékleteloszlása:

visszatero_diffegy.png

 

(A g itt a geotermikus gradienst jelenti, g = 0,05 °C/m.)  

(Az A és B együtthatók, mint szondaüzemi tényezők kiszámítását nem részletezem.)

 

Megoldva és kifejezve: 

- az U cső előremenő (leszálló) ágának vertikális hőmérsékleteloszlása: 

eloremeno_megold.png

 

- az U cső visszatérő (felszálló) ágának vertikális hőmérsékleteloszlása:

visszatero_megold.png

 

(A konstansok (A, B, C1, C2, D, D1, D2, x1, x2) meghatározása több oldalas számítás, nem részletezem.) 

 

Számított görbék:

talajszonda4.png

Mindig fontos meghatározni a talajszonda ágaiban a folyadék vertikális hőmérsékleteloszlását a TRT végén! Egyrészt azért, hogy lássuk, hogy az algoritmus pontosan visszaadja-e a mérési eredményeket. Ha nem, akkor addig iterálunk (változtatjuk az egyéb bemenő adatokat, pl. tranziens hővezetési függvény, eredő hőátviteli tényező), amig vissza nem kapjuk!

Másrészt ezzel a visszaellenőrzéssel hitelesítjük az eljárásunk megbízhatóágát a Megrendelő és önmagunk felé. Ha minden érték a helyén van, csak akkor jelenthető ki, hogy pontosan határoztuk meg a BHE termikus ellenállását!

A mai Mo.-i és nemzetközi gyakorlat megelégszik azzal, hogy a mért görbékből csak egy egyszerű, felszíni átlaghőmérsékletet számol a munkaközegre, és ezt hasonlítja össze a talaj vertikális átlaghőmérsékletével, holott a kettőnek semmi köze egymáshoz! Ezzel jelentősen túlbecslik a talajszonda hőellenállását, ami drágítja a beruházást.

Ezzel szemben én meghatározom a munkaközeg vertikális átlaghőmérsékletét, ami már összevethető a talaj vertikális átlaghőmérsékletével, és ebből egy sokkal pontosabb talajszonda hőellenállást lehet meghatározni! Kevesebb fúrás, kisebb beruházási költséggel jár!

 

BERUHÁZÓK, MEGRENDELŐK FIGYELEM!!!

A kivitelezők célja a minél több fúrás! Extra profit. A geotermikus szondateszt egy mérnöki szolgáltatás, mely által optimálisan, túlköltekezés nélkül lehet a telepítendő szondamezőt méretezni. 

 

Ez rendkívül fontos amiatt, hogy elkerüljük a talajszonda-mező alul- és túltervezését! Egy alultervezett hőszivattyús rendszer gazdaságtalanul (magas áramszámlával) működik, míg egy túltervezett rendszernek irreálisan magas a beruházási költsége.

150903_318237428280607_1104289706_n.jpg

A, mint Anyatermészet; B, mint Barna (azaz én); C, mint Client, Customer (azaz Megrendelő, Kliens) Vigyor

 

EZÉRT CÉLSZERŰ A GEOTERMIKUS SZONDATESZTET ÉS A PRIMER OLDAL MÉRETEZÉSÉT A KIVITELEZŐTŐL FÜGGETLEN SZAKÉRTŐRE BÍZNI!!!

Fontos észben tartani, hogy a TRT során a talajszondában vizet keringettünk és melegítettünk, de az üzemelő hőszivattyús rendszerben valamilyen fagyálló folyadék fog keringeni, ezért a számított hőellenállást át kell számolni az új munkaközeg adataival. A jó hír, hogy a szilárd szerkezeti részek értéke (az U cső anyagáé és a tömedékelésé) nem változik. Ha minden megvan, akkor kezdődhet az analitikus modellezés (méretezés) a működő talajszonda jövőben várható üzemállapotaira. EZT RAJTAM KÍVÜL SENKI SEM VÉGZI EL! 

 

Az analitikus előremodellezési számításokat (a talajszonda jövőbeni üzemi állapotaira vonatkozóan) többféle szcenárióra végeztem el, az egyes futtatások állandó és változó paramétereit táblázatba foglaltam. A futtatásokat elsődlegesen 50, 100, 150 és 180 napos (folyamatos) üzemidőkre végeztem el, ezeket neveztem el A, B, C és D blokkoknak. Minden egyes blokkba 4 db szcenárió tartozik, amelyeket Tbe = -2, 0, 2 és 4 °C-os  bemenő hőmérséklet értékekre futtattam le, és mindegyik Tbe hőmérsékletet 4 db Reynolds-szám (~tömegáram: m) értékre. Ezek a variációk. Tehát összesen 4x4x4, azaz 64 db futtatást végeztem az algoritmussal.

A futtatások rendje:

talajszonda9.png

A szimulációk eredményeképpen előálló paraméterek közül a legfontosabbak a q [W/m], azaz a BHE fajlagos hőteljesítménye és a dT [°C], azaz a munkaközegnek a BHE csatlakozói között mért hőmérsékletkülönbsége.

 

Szimulációk ("A" blokk) futtatási eredményei aktív fűtő üz. módra:

(ti. aktív fűtő módban hőt vonunk ki a talajból villamos energia befektetése által)

- táblázatosan:

talajszonda15.png

 

- grafikonosan:

talajszonda14.png

talajszonda5.png

 

 

talajszonda6.png

 

talajszonda12.png

A "B", "C" és "D" blokkok eredményeit nem közlöm.

A fenti diagramokból kiolvasható, hogy a lefuttatott szcenáriók optimuma az mopt = 0,415 kg/s (Reopt = 8042) és a dTopt = 1,68 [°C] értékpárnál alakul ki, valamint az ehhez tartozó bemenő munkaközeghőmérsékletnek 0 és 2 °C között kell lennie. Iteratívan lefuttatva az algoritmust az optimális tömegáram értékkel, Tbe opt = 1 °C-nál adta ki az 1,68 °C-os optimális hőmérsékletkülönbséget az U cső csatlakozóinál. Ez t = 50 d üzemidőnél érvényes. Az üzemidők növekedésével a Tbe opt fokozatosan a 0 °C felé tolódik el. 

Következmények:

Tehát minél hosszabb ideig üzemel megszakítás nélkül a talajszonda, annál inkább lehűl körülötte a rétegsor, és akkor egyre csökken a felszínen a dT, emiatt pedig a kivehető hőmennyiség (q). Ezért aztán egyre jobban elkezdik pörgetni a talajszondában a munkaközeget, míg a Re akár 10000 felé is mehet. Átmenetileg ismét nőni fog a talajból kivehető hőmennyiség, hisz a megnövelt tömegáram (m) kompenzálja a csökkenő dT-t. Eközben a talaj egyre jobban lehűl. Végül a munkaközeg bemenő hőmérséklete is erősen lecsökken, és a végén túlságosan lehűti a talajszonda körüli talajt. Ekkor a hőszivattyús rendszer jó időre ellehetetlenül. Ennek elkerülése érdekében, tehát nagyon fontos a lehető legpontosabban meghatározni a földtani és a műszaki alapparamétereket, ill. az optimális üzemi paramétereket!

Az EED szoftverrel végzett méretezés, nem méretezés! Nem átlátható, hogy mit és hogyan számol a program, kevés a beállítható paraméter, és nem veszi figyelembe a geotermikus gradienst! Csak előzetes, durva becslésre alkalmas! 

Komoly, magára adó szakember nem használja, hiszen használata mélyebb szakmai felkészültséget nem igényel. Sajnálatos, hogy ma MO.-on a "tervezők" túlnyomó többsége mégis ezt használja...

 

Szimuláció futtatási eredményei passzív hűtő üzemmódra:

(ti. ilyenkor a hőszivattyú nem végez Carnot körfolyamatot, csak egyszerű hőcserélőként működik, villamos energia befektetéssel hőt nyeletünk el a talajban.) 

talajszonda16.png

Ezzel segítjük a nyári időszakban a talaj hőutánpótlódását. Ha a villanyszámla és az otthon klímája (hőérzet) engedi, akkor ebben az esetben úgy lehet pörgetni a munkaközeget a talajszondában, ahogy a csövön kifér! Nagy Reynolds-szám, nagy visszatáplált hőmennyiség. 

 

Szimuláció futtatási eredményei aktív hűtő üzemmódra:

(ti. ilyenkor a hőszivattyú Carnot körfolyamatot végez, és még jobban felfűti a primer oldali munkaközeget, ami villamos energia befektetéssel több hőt ad át a talajnak, mint passzív hűtési módban.)  

talajszonda17.png

 

 

 

 

 

 

 

 





Weblap látogatottság számláló:

Mai: 3
Tegnapi: 1
Heti: 9
Havi: 316
Össz.: 1 436

Látogatottság növelés
Oldal: Geotermikus szondateszt
Ivóvíz és termálkutak műszeres vizsgálata, geotermikus szondateszt - © 2008 - 2020 - geofizika.hupont.hu

A HuPont.hu ingyen weboldal szerkesztő mindig ingyenes. A weboldal itt: Ingyen weboldal

Adatvédelmi Nyilatkozat

A HuPont.hu ingyen honlap látogatók száma jelen pillanatban:


X

A honlap készítés ára 78 500 helyett MOST 0 (nulla) Ft! Tovább »