A VÁROSI FELSZÍN ALATTI HŐTÖBBLET HATÁSA A GEOTERMIKUS HŐSZIVATTYÚK MŰKÖDÉSÉRE

127

A VÁROSI FELSZÍN ALATTI HŐTÖBBLET HATÁSA A GEOTERMIKUS HŐSZIVATTYÚK MŰKÖDÉSÉRE BUDAY TAMÁS Debreceni Egyetem Ásvány- és Földtani Tanszék [email protected]

Absztrakt A geotermikus energia hasznosításában egyre jelentősebb szerepet kapnak azok a technológiák, melyek átlagos földtani körülmények között is olcsó és környezetbarát módon hasznosítják a földhőt. Ezek közül a technológiák közül fűtésre és hűtésre is használhatóak a hőszivattyús rendszerek, melyek hőtározói jellemzően a 1,5–100 m-es mélységben találhatók. Városi körülmények között e mélységek hőmérséklete a felszíni átlaghőmérsékletnél, illetve a nagyobb mélységekben mért értékekből becsülhető értéknél magasabb, melynek oka elsősorban a városi hőszigethatás és a felszín alá irányuló hőtöbblet. Ez a hőtöbblet a fűtési üzemmódban kedvezőbb körülményeket teremt: a hőszivattyú jóságfoka nagyobb, azaz a termelés olcsóbb, vagy a kiépítés egyszerűbb. E jelenség Debrecen esetében is kedvezőbb viszonyokat teremt a hőszivattyús telepítésre már a városperemi részeken is.

Kulcsszavak: hőszivattyú, hőszonda, városi hősziget, felszín alatti hőmérséklet

1. Bevezetés A geotermikus energiahasznosítás jelenleg is egy elhúzódó technológiai paradigmaváltáson megy keresztül, melynek következtében egyre hangsúlyosabb a kis entalpiájú területek/mélységek energiahasznosítása (Rybach–Mongillo, 2006, Zheng et al., 2015). Ezek közül is kiemelendőek a geotermikus hőszivattyús rendszerek, melyek akár lakossági szinten is gazdaságos geotermikus energiahasznosítást tesznek lehetővé. Így e rendszerek célterületei közé tartoznak a jelentős népsűrűséggel rendelkező területek, elsősorban városok, melyek a rurális területektől jelentősen eltérő (mikro)klimatikus adottságokkal rendelkeznek (Landsberg, 1981). A városi hősziget jelenség elsősorban a felszíni meteorológiai adatok területi eloszlásának meghatározása révén vált ismertté, ugyanakkor az elmúlt időszakban számos kutatás vizsgálta a kis mélységek urbanogén eredetű felmelegedését is (Taniguchi et al., 2006, Ferguson–Woodbury, 2007, Banks et al., 2009, Eggleston–McCoy, 2015). A felmelegedés néhány °C nagyságrendű, de a behatolás mélysége több tíz méternyi, akár a 100 m-t is meghaladja. Ennek következtében kialakul egy olyan mélységzóna, ahol a hőmérséklet közel konstans: értéke nem függ a mélységtől és nincs éves járása. Ez az a mélységzóna, ahonnan a hőszivattyús rendszerekhez kapcsolt hőszondák a felszín alatti hőt termelik, vagy a felszín felesleges hőjét lejuttatják, így a melegedés szükségszerűen befolyásolja a geotermikus potenciált és a hőszivattyús rendszerek működését (Zhu et al. 2010, Arola– Korkka 2014).

128 2. Anyag és módszer Geotermikus potenciál és a fenntartható termelés meghatározása hőszivattyús rendszerek esetén Klasszikus értelemben a geotermikus potenciál alatt a rezervoár többlethőmérsékletéből adódó belső-energia tartalmat, entalpiát vagy ezek fajlagos értékét értjük (Muffler–Cataldi, 1978, Rybach, 2015). A sekély rendszerekben azonban a felszíni hőmérséklethez képest nincsen többlethő, így egy elfogadható alsó hőmérsékleti határt kell megadni a potenciál határozásához. Környezeti és technológiai okok miatt a tanulmányban ennek a határértéknek a 0 °C-ot tekintettem. Ez azonban csak elvi potenciálként (földtani vagyonként) értelmezhető, mert nincs olyan kinyerési módszer, amellyel a teljes térrészt azonos hőmérsékletűre lehűtve lehet kitermelni az energiát. A nyílt rendszerű primeroldalakban ugyanis a pórusvizet kitermelik, de a mátrix helyben marad, annak lehűlése csak a visszasajtoló kutak környékén történhet meg, ráadásul e rendszerekben a visszasajtolt folyadék hőmérséklete általában csak 2–3 °C-kal kisebb, mint a kitermelté, azaz a technológiai potenciál ehhez igazodik. A zárt rendszerű primeroldalak esetén a hőcserélő felülethez közel a földtani közeg hőmérséklete ugyan jelentősen lehűl, de a hővezetés dinamikája miatt a hőcserélőtől néhány méterre a lehűlés nagyságrendekkel kisebb a középponthoz képest (pl. Eugster & Rybach, 2000, Buday & Török, 2011). Szondamezők belsejében ugyan tartósan kialakulhat jelentős lehűlés, de ezekben az esetekben sem érhető el térben állandó hőmérséklet, azaz a technológiai potenciál az elvi potenciálnál jelentősen kisebb. A nyílt rendszerek fenntartható működésének alapja, hogy kellő mennyiségű talajvizet lehessen kitermelni és elnyeletni anélkül, hogy a nyugalmi vízszint jelentősen csökkenne, vagy a besajtolt víz visszamelegedés nélkül elérné a termelő kuta(ka)t. Zárt rendszerek esetében fenntartható a termelés, ha a hőkivétel során a keringtetett fluidum vagy a földtani közeg nem hűl egy technológiai határérték alá, és az egymásra következő években hasonló hőkivétel hasonló hőmérsékletcsökkenést okoz. A hőszivattyús rendszerek esetében azonban a primeroldal hőmérsékletének értéke egyéb szempontból is fontos: a hőszivattyú jóságfoka a primeroldali hőmérséklet függvénye, a nagyobb primeroldali hőmérséklet nagyobb jóságfokot, azaz kevesebb külső energiát, kisebb működési költséget és környezeti hatást jelent (Buday et al. 2014, Buday 2015). Ha a hőkivétel során a felszín alatti térrész hőmérséklete a fűtés nélküli időszakokban nem regenerálódik eléggé, vagy nyáron hűtési igény lép fel, akkor a primeroldal felhasználható ún. felszín alatti hőtárolásra (Lee, 2013). A tárolt hő forrása származhat csak a hűtési folyamatból, de más energiaforrásból is. A hőraktározás következtében a felszín alatti térrész hőmérséklete nyár végére a kiindulási hőmérsékletet több °C-kal meghaladhatja, tovább növelve a felszín alatti városi hősziget hatást. A hőszivattyús rendszerek leadott teljesítménye nem csak a kitermelhető energiától függ, hanem a hőszivattyú jóságfokától is. Ez utóbbi a hőszivattyú gyártóján és típusán túl függ a primeroldal hőmérsékletétől, és a szekunderoldali előremenő hőmérséklettől is. A nagyobb primeroldali hőmérséklet és a kisebb szekunder oldali hőmérséklet növekvő jóságfokot jelent, azaz a hő kitermeléséhez fajlagosan kevesebb külső energia szükséges, ami olcsóbb és környezetbarátabb termelést jelent. Városi felszín alatti hőtöbblet meghatározásának lehetőségei

Mind az eredeti geotermikus adottságok, mind a városi felszín alatti hőtöbblet meghatározása hőmérsékleti adatsorokból történik. Ezek lehetnek folyamatos vagy időszakos

129 mérések, területi eloszlásuk pedig gazdasági okokból általában meglévő fúrt kutakhoz, hőszondás monitoring rendszerekhez vagy meteorológia mérőállomásokhoz kapcsolódik. Jelen kutatás keretében a Debreceni Egyetem Agrometeorológiai Obszervatóriumában, a Megújuló Energiaparkban, a Debreceni Egyetem Pallagi Génbank és Gyakorlóhely területén, egy bocskaikerti magánház területén történt talajhőmérsékletmérés (mélység: 2 cm–2 m), valamint a Megújuló Energiapark és a Megújuló Energia Alkalmazási Központ területén szondarendszerhez kiépített monitoringhálózat (mélység 2,5–20 m, illetve 1–100 m) adatainak elemzése történt meg. A talajhőmérséklet mérésekkel párhuzamosan levegőhőmérséklet mérése is történik, ezek az adatok több városi hőszigettel foglalkozó tanulmányba beépültek már (pl. Szegedi et al., 2014a,b). A kapott adatokat a természetes eredetű energiamennyiségek transzportmodellje szerint vizsgáltam. A napi hőmérsékletingadozás jelenségét elhagyva, az éves hőmérsékletingadozást szinuszos függvénynek tekintve és a Föld belseje felől érkező hőmennyiséget is figyelembe véve Carlslaw & Jaeger (1959) alapján: ahol: T – hőmérséklet [K]; z – mélység [m]; t – idő [s]; T0 – felszíni hőmérséklet [K]; γ – geotermikus gradiens [K/m]; α – hődiffuzivitás [m2/s]; ωy – éves körfrekvencia [rad/s]; ϕy – éves fázisszög [rad]. A felhasznált egyszerűsítések, az inhomogén földtani közeg és a hővezetésen túl megjelenő egyéb folyamatok ellenére az elméleti modellt számos kutatás mérési eredményei igazolják (pl. Lemmelä et al., 1981; Koo & Song, 2008, Buday et al., 2015), a napi hőmérsékletingadozások behatolási mélysége néhányszor tíz cm, míg az éves változásoké 10–20 m, mely mélységek jelentősen függnek a vizsgált anyag hőtani paramétereitől, a talajnedvesség-talajvíz megjelenési formáitól, a fagyási és olvadási jelenségektől, az anyag inhomogenitásától (1. ábra). A vizsgálatok során az egyváltozós függvények paramétereit MS Excel trendvonal illesztéssel, míg a többváltozós függvények paramétereit MS Excel Solver bővítmény segítségével határoztam meg úgy, hogy a mért és a modellezett értékek eltéréseinek négyzetösszege minimális legyen. Az eljárások során nem, vagy csak korlátozottan lehetett figyelembe venni, hogy a mért értékek diszkrétek és a független változó időbeli eloszlása nem mindig egyenletes.

1. ábra: Talajhőmérséklet adatsor Bocskaikertből

130 3. Eredmények A felszín alatti térrész hőmérséklete A Megújuló Energiaparkból, a Megújuló Energia Alkalmazási Központból és a Agrometeorológiai Obszervatóriumból származó adatsor hossza és az adatok mennyisége lehetővé tette a hőmérsékletmodell részletes elemzését, beleértve a közeg az egyes mélységekre meghatározható hődiffuzivitását is (Buday, 2015, Buday et al., 2015). A többi helyszínen 2015 novembere óta történik hőmérsékletmérés, így az onnan kapott adatok tájékoztató jellegűek. A városperemi helyeken mért hőmérsékletértékek a külterületi talajhőmérséklettől 0,1–1,5 m közötti mélységtartományban akár 2 °C-kal is nagyobbak lehettek (2. ábra). Ez a hőmérséklettöblet a felső 5–10 méteren negatív hőmérsékletgradiest erdményez, mely alatt egy közel konstans hőmérsékletű zóna található: 10–20 méter mélységben a hőmérséklet mindkét adatsor alapján kb. 11,75–12 °C, ami néhány tized °C haladja meg a mélyebb zónák hőmérsékletadataiból extrapolált hőszigethatás nélküli várható értéket. Az 1,5–2 méteres mélységben telepíthető talajkollektoros rendszerek, illetve sekély talajvíz esetén lényeges, hogy a téli hónapokban kis mélységben hogyan alakul a talajhőmérséklet. Ennek szemléltetésére a 3. ábrán éjszakai (2016. január 24. 0:00) hőmérsékletprofilokat mutatok be. Jól látható a görbékben egy jelentősebb törés, ez a napi lehűlés aktuális behatolási mélységét mutatja (20–30 cm). Ennél kisebb mélységben

2. ábra: Számolt évi átlaghőmérsékletek mélységfüggése a vizsgálati helyeken

3. ábra: Az egyes mérési pontok talajhőmérséklet-profilja 2016. január 24. 0:00-kor

131 a mikroklimatikus eltéréseknek megfelelően jelentős a különbség a mért értékek között, míg ez alatt a pallagi és bocskaikerti adatsor hasonló értékű, melynél a MEP adatsora 1–2 m közötti mélységben már kb. 1 °C-kal nagyobb hőmérsékletű. E jelenségről azonban az idősorok rövidsége miatt nem dönthető el egyértelműen, hogy a városi hősziget hatására, vagy eltérő földtani közeg hatására alakult ki. A hőtöbblet hatása a hőszivattyúk működésére

Zárt primeroldali kiépítések esetén a hőtöbblet hatása egyrészt a megengedhető legnagyobb hőmérsékletesés megnövekedésében, másrészt az aktuális jóságfok növekedésében jelentkezik. A maximálisan megengedhető hőmérsékletesés egyenesen arányos a kivehető fajlagos hőteljesítménnyel (Buday, 2015), mely befolyásolja a méretezést is. Ha az egyensúlyi hőmérséklet 11 °C-ról 13 °C-ra növekszik, akkor a kivehető fajlagos teljesítmény kb. 18 %-kal nő, azaz a primeroldal kiépítési költségei ennyivel csökkenhetnek vagy azonos kiépítés és üzemeltetés esetén a primeroldal működési hőmérséklete nagyobb, ami olcsóbb és kisebb környezetterhelésű működést jelent. Ez utóbbinak a hatása a korábban említett okok miatt kevésbé számszerűsíthető, de akár 4–5 %-ot is elérhet. Talajkollektoros rendszerek esetén a telepítési mélység még az éves hőmérsékletingadozások zónájába esik, így a melegedés hatása mérsékeltebben jelentkezik és az egyes évek eltérő hőmérsékleti járásai jelentősen befolyásolják a primeroldal hőmérsékletét. Nyílt rendszerek esetén a fűtési üzemmódban a megnövekedett hőmérséklet csak a hőszivattyú jóságfokán keresztül hat pozitívan. A jellemző méretezési hőmérséklet 10 °C, így a kimutatott és irodalmi adatok alapján is várható 2–3 °C-os hőmérsékletnövekedés akár 0,5-del is megnövelheti a jóságfokot, ami kb. 10 %-os üzemeltetési költségcsökkenést jelent.

4. Következtetések

A felszín alatti hőmérsékletekben is jelentkező városi hősziget jelenség alapvetően befolyásolhatja a geotermikus hőszivattyús rendszerek méretezését, illetőleg a működés körülményeit. A nagy kiterjedésű és régóta jelentős antropogén hőtöbblettel rendelkező települések esetén ez a hatás fűtési üzemmód esetén jelentős gazdasági potenciált jelenthet, míg az elsősorban hűtési igényű rendszereknél negatív hatásként jelentkezik. Hazai viszonyok között a felszín alatti városi hősziget jelenséget és ennek hatását részletesen még nem vizsgálták. Bár a kutatás jelenlegi fázisában még csak a város peremein és a környező területeken létesültek mérőállomások, és a feltárt mélység is korlátozott, de az adatok alapján Debrecen környezetében is kimutatható a felszín alatti városi hősziget jelenség. Ennek hatása a hőszivattyúk működésére a vizsgált külvárosi részeken mérséklet, elsősorban a ritkábban alkalmazott horizontális kiépítésben, vagy a területen nem alkalmazható nyílt rendszerek esetében lenne lehetséges. Analógiák alapján a város belső részén azonban jelentős hőtöbblet alakulhatott ki nagyobb behatolási mélységgel, ami már a hőszondák működésére is jelentős hatással lehet. A sűrűbben beépített területeken azonban ritkábbak a hőszondatelepítések, elsősorban a kisebb rendelkezésre álló hely miatt, azaz ennek a hőtöbbletnek a kiaknázása még részben várat magára.

132 5. Irodalomjegyzék Arola, T., Korkka-Niemi, K., (2014): The effect of urban heat islands on geothermal potential: examples from Quaternary aquifers in Finland, Hydrogeology Journal 22, pp. 1953-1967. Banks, D., Gandy, C. J., Younger, P. L., Withers, J., Underwood, C., (2009): Anthropogenic thermogeological ‘anomaly’ in Gateshead, Tyne and Wear, UK, Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology 42, pp. 307-312. Buday T., (2015): A felső kéregbeli hőterjedés modellezése és alkalmazási lehetőségei Kelet-Magyarországon, PhD doktori értekezés, Debreceni Egyetem, 130 p. Buday T., Török I., (2011): Működő hőszivattyús rendszerek hatása a felszínközeli üledékek hőmérsékletére egy Debreceni példa alapján, Magyar Épületgépészet 59/1-2, pp. 21-24. Buday, T., Szabó, Gy., Fazekas, I., Paládi, M., Szabó, Sz., Szabó, G., Kerényi, A., (2014): Annual pattern of the coefficient of performance considering several heat pump types and its environmental consequences, Interational Review of Applied Sciences and Engineering 5, pp. 173-179. Buday, T., Lázár, I., Csákberényi-Nagy, G., Bódi, E., Tóth, T., (2015): Effect of solar radiation on underground temperature values and heat supply in case of the ground coupled loop of a heat pump system based on meteorological data, Debrecen, in: Ortiz, W., Somogyvári, M., Varjú, V., Fodor, I., Lechtenböhmer, S. (szerk.): Perspectives of Renewable Energy in the Danube Region. Institute for Regional Studies, Centre for Economic and Regional Studies, Hungarian Academy of Sciences, Pécs, pp. 239-250. Carslaw, H. S., Jaeger, J. C., (1959): Conduction of Heat in Solids, London, Oxford University Press, 510 p. Eggleston, J., McCoy, K.J., (2015): Assessing the magnitude and timing of anthropogenic warming of a shallow aquifer: example from Virginia Beach, USA, Hydrogeology Journal 23, pp. 105-120. Eugster, W.J., Rybach, L., (2000): Sustainable production from borehole heat exchanger systems, Proceedings World Geothermal Congress 2000, Kyushu-Tohoku, Japan, 28 May 28-June 10, 2000, pp. 825-830. Ferguson, G., Woodbury, A.D., (2007): Urban heat island in the subsurface, Geophysical Research Letters 34, L23713 Koo, M., Song, Y., (2008): Estimating apparent thermal diffusivity using temperature time series: A comparison of temperature data measured in KMA boreholes and NGMN wells, Geosciences Journal 12, pp. 255-264. Landsberg, H. E. (1981) The Urban Climate, Academic Press, New York, 275 p. Lee, K.S., (2013): Underground Thermal Energy Storage, Springer-Verlag, London, 151 p. Lemmelä, R., Sucksdorff, Y., Gilman, K., (1981): Annual Variation of Soil Temperature at Depths 20 to 700 cm in an Experimental Field in Hyrylä, South-Finland during 1969 to 1973, Geophysica 17, pp. 143154. Muffler, P., Cataldi, R., (1978): Methods for regional assessment of geothermal resources, Geothermics 7, pp. 53-89. Rybach, L., (2015): Classification of geothermal resources by potential, Geothermal Energy Science 3, pp. 13-17. Rybach, L., Mongillo, M. (2006): Geothermal Sustainability – A Review with Identified Research Needs, GRC Transactions 30, pp. 1083-1090. Szegedi, S., Tóth, T., Lázár, I., (2014a): Role of urban morphology in development of the thermal excess in the city of Debrecen, Hungary, Environmental Engineering and Management Journal 13, pp. 28052808. Szegedi, S., Csákberényi-Nagy, G., Lázár, I., Tóth, T., (2014b): Examinations on development of thermal excess in suburban areas of Debrecen, Hungary, in: Pand, G., Moldovan, F., (szerk): Air and Water Components of the Environment, Cluj-Napoca, Romania, Casa Cartii de Stiinta Cluj-Napoca, ClujNapoca, pp. 102-109. Taniguchi, M., Uemura, T., Jago-on, K., (2006): Combined Effects of Urbanization and Global Warming on Subsurface Temperature in Four Asian Cities, Vadose Zone Journal 6, pp. 591-596. Zheng, B., Xu, J., Ni, T., Li, M., (2015): Geothermal energy utilization trends from a technological paradigm perspective, Renewable Energy 77, pp. 430-441. Zhu, K., Blum, Ph., Ferguson, G., Balke, K-D., Bayer, P., (2010): The geothermal potential of urban heat islands, Environmental Research Letter 5, 044002