Utjecaj toplinskih svojstava tla na optimiranje polja bušotina

ISTRAŽIVANJE I PROMOCIJA KORIŠTENJA PLITKIH GEOTERMALNIH POTENCIJALA U RH
Research and the promotion of use of shallow geothermal potential in Croatia
Prezentacija: Utjecaj toplinskih svojstava tla na optimiranje polja bušotina
Luka Boban, mag.ing.stroj.
ISTRAŽIVAČKI SEMINAR O ENERGETSKI UČINKOVITIM ZGRADAMA
Fakultet elektrotehnike i računarstva, 16. veljače 2015.
Fakultet strojarstva i brodogradnje
Sveučilišta u Zagrebu
Predstavljeni rezultati istraživanja dobiveni su u sklopu projekta
Istraživanje i promocija plitkih geotermalnih potencijala u RH
Ovaj projekt financiran je od strane Europske unije pod brojem ugovora
IPA2007/HR/16IPO/001-040506, u iznosu od maksimalno 509.695,36 EUR
Ova publikacija izrađena je uz pomoć Europske unije. Sadržaj ove publikacije
isključiva je odgovornost autora i ne odražava nužno gledišta Europske unije.
SADRŽAJ
1. Uvod
2. Dimenzioniranje sustava DT povezanih s tlom
3. Tehnički propisi (BS EN 15450:2007 i VDI 4640 (2. dio)
4. Dimenzioniranje polja BIT-a
5. Utjecaj toplinskih svojstava tla
6. Detaljna analiza polja BIT-a
7. Zaključak
1. Uvod
Dizalica topline
bušotinski izmjenjivač topline (BIT)
zatvoreni sustav u vertikalnoj izvedbi
iskorištavanje plitkog geotermalnog
potencijala (niskoentalpijskog)
tlo - toplinski spremnik (ljeti ponor / zimi
izvor)
čine oko 1/3 ukupne investicije !
BIT
1. Uvod
DT - dinamičke promjene u tlu
posljedica - sezonske i dnevne
promjene temperature tla
utjecaj na učinkovitost i
kapacitet sustava (SPF)
* preuzeto s antaresgroupinc.com
2. Dimenzioniranje sustava DT povezanih s tlom
Ulazni parametri za dimenzioniranje geotermalne dizalice topline:
potreban kapacitet i energiju za grijanje i/ili hlađenje
kondicioniranog prostora (vršno i bazno opterećenje)
temperaturni režim grijanja i/ili hlađenja
učinkovitost sustava
raspored, dubina i razmak bušotina
upute tehničke regulative
svojstva tla: toplinska vodljivost, toplinski otpor bušotine,
nedirnuta temperatura tla
2. Dimenzioniranje sustava DT povezanih s tlom
poddimenzioniranje sustava
niža učinkovitost, smanjenje toplinske ugodnosti
isprekidan rad dizalice topline
potreba za dodatnim izvorom topline
predimenzioniranje sustava
viši investicijski troškovi
upitna isplativost sustava
godišnja neravnoteža topline predane i uzete iz tla
trajno pregrijavanja ili pothlađivanje tla
smanjenje učinkovitosti
potreba za dodatnim izvorom/ponorom topline
3. Tehnički propisi (BS EN 15450:2007 i VDI 4640 (2. dio)
manji sustavi - do 30 kW, samo režim grijanja, do 2400 radnih sati godišnje
dimenzioniranje pomoću spec. učinka BIT-a [W/m] - očekivani sastav tla, broj radnih sati
- tablica ili nomogram
nedirnuta temperatura tla - srednja godišnja temperatura zraka
3. Tehnički propisi (BS EN 15450:2007 i VDI 4640 (2. dio)
monogram
3. Tehnički propisi (BS EN 15450:2007 i VDI 4640 (2. dio)
veći sustavi - preko 30 kW, prekretni proces
dimenzioniranje sustava je rezultat simuliranja višegodišnjeg rada sustava
utjecaj sustava na temperaturu tla tijekom životnog vijeka opreme (30 godina i više)
kriterij: temperatura medija u BIT-u u povratnom vodu iz tla ne smije biti različita za ±11
K pri baznom opterećenju i ±17 K pri vršnom opterećenju u odnosu na nedirnutu
temperaturu tla
primjena analitičkih ili numeričkih modela - gotovi programski paketi s ugrađenim g
funkcijama (Eskilsonov model)
g funkcija - opisuje temperaturni odziv na toplinski poremećaj
na osnovu ulaznih parametara i ograničenja određuje optimalan raspored BIT-ova ili
dubinu izmjenjivača - kriterij je temperatura medija u BIT
nužni ulazni parametri - toplinska vodljivost tla i toplinski otpor bušotine - određuju se
provedbom TRT-a ili DTRT-a na lokaciji ugradnje
4. Dimenzioniranje polja BIT-ova
IZVOR TOPLINE
GRIJANJE
PONOR TOPLINE
POLJE
BUŠOTINSKIH
IZMJENJIVAČA
TOPLINE
DIZALICA
TOPLINE
KONDICIONIRANI
PROSTOR
PONOR TOPLINE
HLAĐENJE
IZVOR TOPLINE
λ, R, ϑ = ?
COP, EER = ?
Qgr, Qhl = ?
svojstva tla
Toplina iz izvora + privedena energija za kompresiju = toplina koja se predaje ponoru
4. Dimenzioniranje polja BIT-ova
izmjena topline s tlom je uravnotežena
(950 MWh ljeto - 950 MWh zima = 0)
toplina predana/preuzeta prostoru ovisi o
učinkovitosti dizalice topline
na temelju optimizacije odabrano je polje
11x12, razmak bušotina 4 m, dubina BITa ovisi o rezultatima TRT-a
Toplinska energija
[MWh]
300
250
200
Q gri
150
Q hla
100
50
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
4. Dimenzioniranje polja BIT-ova
slučaj neuravnotežene izmjene topline na postojećem polju BIT-a ( 750 MWh ljeto 950 MWh zima)
pothlađivanje tla - potrebna je veća ukupna duljina BIT -a
5. Utjecaj toplinskih svojstava tla
toplinska vodljivost tla
ovisi o sastavu slojeva tla, poroznosti, zasićenosti
vodom i eventualnim podzemnim tokovima
nije moguće utjecati na svojstva tla - samo ih odrediti
(tablično, laboratorijski, mjerenjem na lokaciji)
toplinski otpor bušotine
ovisi o izvedbi bušotine
promjer, vrsta izmjenjivača, svojstva ispune, položaju
izmjenjivača, kvaliteti izvedbe
nedirnuta temperatura tla
ovisi o lokaciji
do 10 m - utjecaj atmosfere
5. Utjecaj toplinskih svojstava tla
λtlo
5. Utjecaj toplinskih svojstava tla
utjecaj toplinske provodnosti tla na dubinu izmjenjivača (za konstantan broj buština
132)
promjer 152 mm, dvoustruka U cijev 32x2,9 mm, razmak osi cijevi 85 mm, provodnost
ispune 2,35 W/(m K)
utjecaj točnosti mjerenja i primjenjenog modela - ±10% ima vidljiv utjecaj na SPF DT
λ
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
broj bušotina
132
132
132
132
132
dubina BIT [m]
105 !
95
89
83
82
Ukupna duljina
izmjenjivača [m]
13870
12505
11760
10961
10850
Razlika [m]
1365
-
-745
-1544
-1665
5. Utjecaj toplinskih svojstava tla
utjecaj toplinskog otpora bušotine na dubinu izmjenjivača - ovisi o izvedbi BIT-a
određuje se na lokaciji TRT-om
dvoustruka U cijev 32x2,9 mm, provodnost tla 1,7 W/(m K), razmak osi cijevi 85 mm
promjer; razmak osi cijevi; provodnost ispune - ?
Promjer
bušotine [mm]
130
152
170
broj bušotina
132
132
132
dubina BIT [m]
95
95
91
Ukupna duljina
izmjenjivača [m]
12589
12505
12035
Razlika [m]
+84
-
-470
5. Utjecaj toplinskih svojstava tla
dvoustruka U cijev 32x2,9 mm, provodnost tla 1,7 W/(m K), provodnost ispune 2,35
W/(m K), promjer 152 mm
razmak osi cijevi ?
Razmak osi
cijevi [mm]
60
85
110
broj bušotina
132
132
132
dubina BIT [m]
107 !
95
88
Ukupna duljina
izmjenjivača [m]
14231
12505
11675
Razlika [m]
1726
-
-830
Toplinski otpor
bušotine
0,073
0,054
0,041
5. Utjecaj toplinskih svojstava tla
dvoustruka U cijev 32x2,9 mm, provodnost tla 1,7 W/(m K), razmak cijevi 85 mm,
promjer 152 mm
provodnost ispune - ?
λispune
2
2,35
2,7
broj bušotina
132
132
132
dubina BIT [m]
106 !
95
90
Ukupna duljina
izmjenjivača [m]
14049
12505
11994
Razlika [m]
1544
-
-511
Toplinski otpor
bušotine
0,06
0,054
0,051
6. Detaljna analiza polja BIT-a
utjecaj vertikalne distribucije toplinskih svojstava tla
Osijek
Zadar
Vertikalna distribucija toplinske vodljivosti
[W/mK]
0
1
2
3
Vertikalna distribucija toplinske
vodljivosti [W/(m K)]
0
8 – 16
16 – 24
24 – 32
40 – 48
48 – 56
56 – 64
64 – 72
72 – 80
80 – 88
88 – 96
Dubina [m]
Dubina [m]
32 – 40
4-10
10-16
16-22
22-28
28-34
34-40
40-46
46-52
52-58
58-64
64-70
70-76
76-82
82-88
88-94
94-100
5
10
15
20
6. Detaljna analiza polja BIT-a
postojanje i smjer podzemnih tokova, konvektivnog transporta topline
14
0
10
20
Dubina [m]
30
40
50
60
70
80
90
100
16
18
20
22
24
26
6. Detaljna analiza polja BIT-a
razdioba temperatura i termalna intereferncija bušotina
6. Detaljna analiza polja BIT-a
utjecaj promjena temeprature tla na učinkovitost DT
Figure 5 Capacity and COP during intermittent GSHP operation
9
8
Qcond
QBHE
COP
Pcomp
Capacity, kW; COP
7
6
5
4
3
2
1
7:00
10:00 13:00 16:00 19:00 22:00
1:00
4:00
7:00
10:00 13:00 16:00 19:00
Time, h
* Soldo et al. 2010.
6. Detaljna analiza polja BIT-a
paralelni i serijski spoj izmjenjivača u tlu
oblik i orijentacija polja BIT-a
mjerna nesigurnost TRT-a
hibridni sustavi za vršna opterećenja
dodatni toplinski spremnici za toplinski neuravnotežene sustave
upravljanje sustavom
detaljno modeliranje i optimiranje sustava
7. Zaključak
dimenzioniranje polja BIT-a vrši se simuliranjem višegodišnjeg rada sustava
ukupna potrebna duljina BIT-a rezultat je interakcije kruga grijanja, dizalice topline i
tla kao topl. spremnika
nužan preduvjet je poznavanje toplinskih svojstava tla
detaljna analiza utjecaja različitih pojava u tlu na rezultate mjerenja i budući rad
sustava DT osigurava dobro dimenzioniran sustav
HVALA NA PAŽNJI!
Luka Boban, mag. ing. stroj.
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilišta u Zagrebu
Ivana Lučića 5, Zagreb
E-mail: [email protected]

Download Report