Földhő ő-hasznosító rendszerek modellezése és monitorozása a hatásterület, a fenntarthatóság és a gazdaságosság vizsgálata céljából Merényi László Eötvös Loránd Geofizikai Intézet 1145 Budapest, Kolumbusz u. 17-23
[email protected] Tartalom: Miért érdemes modellezni és monitorozni? Mikor érdemes modellezni és monitorozni? Modellezés - eszközök Modellezés - példák Monitorozás – példa
Miért érdemes modellezni és mérni/monitorozni?
• • • •
A földhő-hasznosítás egy viszonylag új technológia, kevés a tapasztalat, különösen a hosszú távú működés tekintetében; Rosszul méretezett rendszerek miatt negatív tapasztalatok, és egyéb félelmek (pl.: növényzet károsodása); Támpont a törvényi/engedélyeztetési szabályozáshoz (védőidom); A többi hagyományos és megújuló hőenergia rendszerekhez (pl. földgáz, pellet tüzelés vagy napenergia) képest a földhő más megközelítést igényel: • Viszonylag drága a beruházás; • Utólag nehezen javítható, bővíthető a rendszer; • Szomszédos rendszerek egymásra hathatnak (hatásterület); • A felszín alatti rétegekről általában kevés és bizonytalan információval rendelkezünk; • A felszín alatti lassú hőtranszport-folyamatok miatt hosszútávon megváltozhat a rendszer viselkedése.
Felhasznált hőteljesítmény és annak forrása (indulási állapothoz viszonyított relatív értékek)
Földhő ő-alapú rendszerek energiamérlege
Megjegyzés: Az ábra a talajszondás rendszerek esetén szemlélteti a változások trendjét és nagyságrendjét. A görbék tényleges lefutása nagy mértékben függ a telepítési mélységtől, a rétegektől, a talajvíz jelenlététől és áramlásától.
Mikor érdemes modellezni ill. monitorozni? Standard rendszerek méretezése: mérnöki segédprogramokkal Modellezés és monitoring szükséges lehet: • Pontosabb méretezéshez és költségszámításhoz, a hosszú távú viselkedés biztosabb megjóslásához, különösen az alábbi rendszerek esetén: • Talajvizes rendszereknél (hidrogeológiai modell) • Talajszondás rendszerek esetén: – Talajvíz jelenléte + jó permeabilitás; – Hőtani szempontból erősen eltérő rétegek; – Sekély rendszerek; – Felszín-közeli geotermikus anomália; – Korlátozott a rendelkezésre álló telepítési terület és/vagy mélység (biztonsági túlméretezés mértékének csökkentése); – Nagy rendszerek. • Kutatási célok. • Hatósági, törvénykezési, politikai feladatok és kérdések támogatása (pl.: védőidom-meghatározás, potenciál-becslés). • Kísérleti és speciális rendszerek vizsgálata.
Kísérleti és speciális rendszerek
•
Új típusú talajhőcserélők és hőszivattyúk bevezetése;
•
Kombinált rendszerek, például • Hőszivattyú + napkollektor + hőtárolás; • Kombinált levegős + vizes hőszivattyú;
•
Időben erősen váltakozó, és/vagy erősen idényszerű hőfelhasználás (pl.: nem állandóan használt közösségi helyiségek fűtése és hűtése);
•
Átalakított nagymélységű kutak (Deep-Borehole Heat Exchangers, akár 2000 - 3000 m-ig), hőszivattyú nélküli fűtés vagy magasabb hőmérsékletszintű hőszivattyú használata;
•
Direkt (hőszivattyú nélküli) hűtés.
Modellezés és monitoring viszonya
Feltételezett rendszerek (pl. tipikus esetek vizsgálata vagy „gondolatkísérletek”)
Paraméterbecslés Modell Paraméterbecslés és mérés Valóságos rendszerek
Megvalósítás
Monitoring
Hő őtranszport modellezés •
• •
Felszín alatti hőtranszport – Konduktív – Advetkív Talajhőcserélő modell – Folyadék-áram – Folyadék-csőfal közötti hőátadás – Csőfal-cementezés és csőfal-csőfal kapcsolata Hőcsere a talaj felszínén – Napsugárzás – Párolgás – Leszivárgás – Hőátadás levegő és talaj között Gépészeti berendezések modellezése (hőszivattyú, puffertartály, vezérlés, csővezetékek hővesztesége, stb.) Energiaigény modellezése (épületek fűtési és hűtési igénye, melegvíz-igény) A fenti modellek összekapcsolása.
•
Numerikus és analitikus modellek
•
Az alábbi modell paraméterek esetén nagyobb a bizonytalanság: – Felszín alatti rétegek elhelyezkedése és tulajdonságai; – Permeabilitás, talajvízszint; – Hőcsere a talaj felszínén.
•
•
•
Hő őtranszport modellezés az ELGI-ben • HST3D (USGS) szimulációs program – Felszín alatti víz, hő- és oldott anyag transzport. Hőtranszport: konduktív és konvektív (vízáramlás, diszperzió, termikus konvekció); – Ingyenesen használható, forráskód is letölthető; – Speciális peremfeltételek (evapotranspiration, leakage, river-leakage, free surface, heat conduction, aquifer-influence); – Hátrány: szöveges input- és outputfájlok kezelése nehézkes, réteg-szerkezet bonyolultan definiálható. • Segédprogram HST3D-hez – Windows alatti használat; – Preprocessor: input fájl elkészítésének megkönnyítése, modell-geometria definiálásának megkönnyítése, tranziens peremfeltételek és ellenőrző adatok megadási lehetősége mérési és szintetikus adatfájlokból; – Postprocessor: modell futása közben grafikonok és szelvények ábrázolása (hőmérséklet, nyomás, energiamérleg, stb…), eredményfájlok konvertálása (pl. Surfer GRD formátumba), animációk készítése. – TRNSYS-szel és BHE-SIM-mel való kapcsolat.
BHE-SIM – talajszonda modell • BHE-SIM programmodul: Tranziens numerikus modell zártkörű, koncentrikus elrendezésre (nagymélységű rendszereknél elterjedt megoldás); • A koncentrikus talajszonda modell az „U” típusú talajszondák viselkedését pontosabban leírja, mint az egyenletes vonalforrást feltételező modellek. • A HST3D és a BHE-SIM szoftvermodul futás közbeni összekapcsolásával a talajhőcserélős rendszerek komplex működése tanulmányozható. A rendszer viselkedését befolyásoló valamennyi fontosabb paraméter hatását figyelembe lehet venni: • • • • • • • • • •
hőcserélő-folyadék térfogatárama, belépő hőmérséklete, hőfoklépcső, szabályozás, a talajszonda geometriájának, anyagának és a környező cementezés hatása, a talajszonda fel-és leszálló ága közötti hőcsere, fogyasztás időbeni változása (pl. napi, vagy szezonális fogyasztása ciklusok, időszakosan váltakozó fűtés/hűtés), különböző hő- és vízvezető-képességű rétegek jelenléte, kiindulási természetes hőmérsékleti gradiens, talajvízáram hatása, termikus konvekciós áramok kialakulása a vízadó rétegekben, felszíni hőmérséklet változás, csapadék-beszivárgás hatása, több kutas rendszer együttes viselkedése.
Modelleredmény: talajszonda viselkedése inhomogén talajszerkezet esetén
0
-10
Agyagos réteg
-20
-30
Homokos, kavicsos réteg, horizontális vízáramlás nélkül
Mélység (m)
-40
-50
-60
Agyagos réteg
-70
-80
Homokos, kavicsos réteg, 100 m/év horizontális vízáramlással
-90
-100
-10
-5
0
5
10
Szondától való távolság (m) Hõmérséklet-változás skála: -3°C
-2.5°C
-2°C
-1.5°C
-1°C
-0.5°C
0°C
0
20 40 60 80 Teljesítmény (W/m)
100
Talajszonda viselkedése vegyes hű űtési/fű űtési üzemmód esetén
BHE-SIM és HST3D összekapcsolása a TRNSYS programmal ELGI és a Firenzei Egyetem közös projektje (Luca Madiai diplomamunkája). TRNSYS: • Felszíni gépészeti berendezések és épületek részletes energetikai modellje; • Napkollektoros, napcellás berendezések, egységek részletes modellje; •Tranziens modell: időben változó feltételek (pl. meteorológiai fájl beolvasásával); •Talajszonda egyszerűsített modellje rendelkezésre áll.
TRNSYS/BHE-SIM/HST3D integráció: •TRNSYS egy részletes felszín alatti hőtranszport-modellel kiegészítve (pl.: felszín alatti víz áramlásának figyelembe vétele). •Szakirodalomban nem található utalás más hasonló komplex modellrendszer használatára.
BHE-SIM és HST3D összekapcsolása a TRNSYS programmal
BHE-SIM house_output wheater-data house_model
pump_control
pump_1
control_output
pump_2 heat-pump
tank
load_calc
HST3D-BHE
tank_output heating_check load_integrator
heat_pump_calc cooling_check heat-pump_output
summary_output
heat_pump_integrator
TRNSYS model HST3D
Példa: Családi ház talajhő őszivattyús fű űtése és hű űtése négy különböző ő éghajlati adottság és két elő őremenő ő fű űtési hő őmérséklet esetén A jó hőszigetelésű, kisméretű családi ház fűtési és hűtési igényét a TRNSYS számolta négy város (Budapest, Milánó, Pisa és Messina) tipikus éves hőmérsékleti adatsora alapján. Kereskedelemben kapható hőszivattyú jelleggörbéjét használtuk. Két al-eset: 45°C and 55°C-os fűtési hőmérséklet. Egy koncentrikus talajszonda 180 m (2D modell). Homogén, nem vízvezető talaj, effektív hővezetési tényező: 2 W/m·K, effektív hőkapacitás: 2000 kJ/m3·K. Kiindulási talajhőmérséklet: -Felszínen átlagos légköri hőmérséklet -Geotermikus gradiens: adott területre tipikus érték (Budapest és Pisa: 5 °C/100 m, Milanó and Messina: 3 °C / 100 m) Vizsgált működési idő: 20 év.
house_calc
A talajszonda melletti talajhőmérséklet változása 75 méter mélységben, egy szondához közelebbi (3 méter) és egy távolabbi (9 méter) pontban, 55 °C-os fűtési hőmérséklet mellett.
Fűtési átlagos éves COP érték változása 45°C és 55°C előremenő hőmérséklet mellett
Átlagos éves hűtési EER érték változása
Energia-számla megtakarítás számítása A két országra jellemző energiaárakat figyelembe véve alapszintű gazdaságossági számításokat végeztünk. A talajhőszivattyús ház energiaszámláit összehasonlítottuk egy földgázzal fűtött (90%-os hatásfokú gázkazán) és hagyományos split-klímával hűtött (EER=3.22) ház számláival. A beruházási költségekkel és az egyéb költségekkel (pl. folyadék-keringetés szivattyúzási energiaigénye, fenntartási és szervizköltségek) nem számoltunk. Cél: az éves megtakarítás számolása aktuális (itt: 2009 első féléve) energiaárakon. Magyarországon: Geotarifa Olaszországban: Tariffa BTA (ENEL).
Teljes éves megtakarítás (fűtés és hűtésszámla), és a megtakarítás növekedése 55°C-os fűtésről 45°C-osra való áttéréssel. *Spec. Hőszivattyús árakkal: Geotarifa és BTA
Milánó és Pisa esetén a legnagyobb az éves megtakarítás: relatív nagy a fűtési igény, miközben kicsi a különbség a gáz és áram ára között. Magyarországon a gáz relatív olcsó, ami miatt általában a gázfűtést részesítik előnyben. Azonban a Geotarifa javítja a megtérülési mutatókat. És jó, ha van pályázati forrás is, illete ha kiegyenlített a fűtési és hűtési igény. Érdemes a lehető legalacsonyabbra venni a fűtési hőmérséklet-igényt, az átlagos éves COP érték javításához.
Földhő ő-rendszerek mérése és monitorozása A mérések célja: •
• •
Talajszonda telepítése előtt a talaj felmérése • Hőmérséklet-vezetési tényező meghatározása természetes hőmérsékleti változásokból; • Talajhőmérséklet megmérése; • Vízáramlás hatása Működő földhő- és geotermikus rendszerek monitorozása, talaj kimerülésének vizsgálata, gépészeti berendezések működésének figyelése; Számítógépes transzport-modellek ellenőrzése, kalibrálása, tranziens peremfeltételek megadása;
Felszín alatti mérések: •
Hő őmérséklet-mérés − Pt100 szenzorral: 0.01 - 0.02 °C-os mérési felbontás − LM35/LM335 szenzorral: kisebb abszolút pontosság, felbontás: 0.001°C
•
Közvetlen hő őáram-mérés – A hőáram-mérő szonda nagy érzékenységgel méri a hőáram nagyságát és irányát. – 0.01 °C alatti hőmérséklet-változásokat is képes kimutatni. Érzékeny módszer. – Vertikális és horizontális hőmérsékleti anomáliák is kimutathatóak egy mérési pontban (pl. talajvíz áramlása).
Földhő ő-rendszerek mérése és monitorozása • Adatgyű űjtés – Kis méretű adatgyűjtő PC, Linux op. rendszer – Többcsatornás ipari digitalizáló modulok RS485 hálózatban
• Felszíni energetikai, gépészeti rendszerek monitorozása: – Hőhordozó folyadék hőmérséklete egy vagy több pontban, – Hőhordozó folyadék térfogatáram-mérése, – Fűtött/hűtött helyiségek hőmérséklete, légköri hőmérséklet, stb.
• Mérési projektek: – Családi ház talajhőszivattyús rendszerének monitorozása; – Közvetlen hűtés céljából telepített sekély talajszondás rendszer monitorozása. – Papszigeti ELGI mérőállomás – Mátyáshegyi Geodinamikai Obszervatórium, kőzet és levegő hőmérsékletének követése (2011-től)
Talajszonda-monitoring rendszer • Gödöllőn egy új építésű, jó hőszigetelésű családi háznál a ház fűtését, hűtését és melegvízellátását biztosító talajszondás-hőszivattyús rendszer mellé egy monitoring-rendszert telepítettünk a Lorberterv Kft. támogatásával. • A terület jó talajhő adottságokkal rendelkező felfűtött forrásterület, jól szaturált homokos üledéksorral. • A ház mellett összesen négy darab, egyenként 40 méter mély U-csöves talajszonda került elhelyezésre. A négy szondáról érkező csövek a házban a hőszivattyú előtt egy közös gyűjtőcsőbe csatlakoznak.
Mért mennyiségek: •a közös gyűjtőcső hőszivattyú felé haladó ágában a folyadék hőmérséklete; •a gyűjtőcsőben a folyadék térfogatáram; •a hőszivattyútól visszatérő folyadék hőmérséklete; •talajhőmérséklet 1 méter mélységben, a talajszondáktól távol; •az egyik talajszonda fúrólyukában, a szonda mellett, 8.8 méter mélységben a hőmérséklet; •ugyanezen talajszonda fúrólyukában, a szonda mellett, 11.2 méter mélységben a hőmérséklet.
• A téli időszakban a hőszivattyú 2-4 kW átlagos napi teljesítménnyel von el hőt a talajtól, mely érték megfelel egy jó hőszigetelésű kisebb családi ház folyamatos fűtési igényének COP=4 (tehát kb. 3-5 kW-os bruttó fűtési teljesítmény) mellett. • Rövid és hosszabbidejű terhelés után is visszaáll a talajhőmérséklet. • A lakók szerint nyáron hűtésre nem volt szükség az első évben. Használati melegvíz előállításához kis mennyiségű talajhőt nyáron is folyamatosan használt a hőszivattyú, azonban a talajszonda melletti hőmérséklet, ha kis mértékben is, de a nyár nagy részén emelkedni tudott. • Az őszből a tél felé haladva, a levegő lehűlésével és a fűtési intenzitás fokozódásával egyre nagyobb a talajból kivett hőmennyiség és gyorsan hűl a talajszonda. • November közepétől gyors lehűlés következik, mely egy darabig a talajhűtési teljesítmény növelésével jár. • November végétől a tendencia megfordul: a talajhűtési teljesítmény már nem növekszik tovább, hanem ellenkezőleg, csökkenni kezd a tovább csökkenő külső hőmérséklet (azaz a növekvő fűtési igénnyel) ellenére. Ennek valószínű oka, hogy a talajszondák melletti talaj eddigre már jelentősen lehűlt (5 °C alá), ezzel párhuzamosan a hőhordozó folyadék hőmérséklete is csökken, ami a hőszivattyú hatásfokának romlásához vezet, így az épület fűtéshez pedig nagyobb arányban járul hozzá a villamos energia.
Köszönöm a figyelmet!
