GEOTERMIKUS SZONDATESZT ÉS FÖLDHŐSZONDÁS RENDSZEREK TERVEZÉSE

GEOTERMIKUS SZONDATESZT ÉS FÖLDHŐSZONDÁS RENDSZEREK TERVEZÉSE TÓTH LÁSZLÓ OKL. GEOLÓGUS GEOTHERMAL RESPONSE TEST Kft. 1021 Budapest Hűvösvölgyi út 96. T/F: 06 (1) 200 04 59 E: [email protected] W: www.geort.hu

Témakörök 2

      

BEVEZETÉS SZONDATESZT (GEOTHERMAL RESPONSE TEST) GEORT MÉRŐBERENDEZÉS SZONDAMEZŐ TERVEZÉS ÉS MODELLEZÉS ENGEDÉLYEK MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK MONITORING

Bevetés 3







a geometria (földhő) általában, mint megújuló energiaforrás van elkönyvelve, így együtt emlegetik hivatalos állami kutatási programokban, promóciós anyagokban, stb. a nap-, szél- és biomassza energiával geotermikus készletek megújulónak nevezhetők technológiai/társadalmi rendszerek időskáláján, azazhogy közel sem igényelnek annyi időt, mint a fosszilis energiahordozók (szén, kőolaj, földgáz) emellett, mint környezetkimélő energiaforrásként is kezelik, főleg azért, mert nem jár üvegházhatást keltő gázkibocsátással

A geotermia alapja 4







a kontinentális földkéreg (felülete kb. 2x1014 m2) legfelsőbb kilométerének hőtartalma 3.9x108 EJ. A világ energiaigényéhez viszonyitva (ami jelenleg kb. 400 EJ) ez eltartana kb. egymillió évig ha ez a hőmennyiség teljesen ki lenne aknázva, akkor az újratöltés a földi hőárammal már ezer év alatt megtörténne tehát a készletbázis óriási és mindenütt jelen van

A geotermia alapja 5



a föld 99%-a 1000°C-nál melegebb, csak 0,1%-a van 100 °C alatt



a földi hőáram globális teljesítménye 40 millió MW!

Fogalmak 6





Geotermikus energia: a Föld belsejének hőtartaléka, ami döntően a földkéregben koncentrálódó hosszú felezési idejű radioaktív elemek bomlási hőjéből ered Hőfejlődés további okai: 





mechanikai hatás: súrlódás, nyomás, kozmikus becsapódás, tektonika, tömörödés kémiai hatás: exoterm reakciók, oxidációs hő

Hőterjedés: 

 

hősugárzás: elektromágneses energia emissziója és abszorpciója során történő hőszállítódás hővezetés (konduktív hővezetés): anyagáramlás nélküli hőátadás hőkonvekció (konvektív hővezetés): a hő szállítódása szilárd, folyadék vagy gáznemű anyag elmozdulása révén valósul meg

Neutrális zóna 7





Talajhőmérséklet:  napi ingás 50 cm-en <1°C; 1 m-en nem kimutatható  felszíni talajhőmérséklet max. július, min. február  200 cm-en max. augusztus, min. március Talajfagy:  átlagos mélysége 50 cm, legkeményebb teleken 1 m, enyhe télen 10-30 cm  a talaj hőmérséklete kb. 912 m-től állandónak mondható (neutrális zóna)

Megújulás/Fenntarthatóság 8







geotermikus készletek kitermelésénél a fenntarthatóság lényegileg a termelési szint hosszútávú fenntartását jelenti minden kiegyensúlyozott fluidum-/hőkitermelés (a kitermelés nem haladja meg a természetes beáramlást) teljesen megújuló a szint az optimált felhasználási technológia és helyi adottságok függvénye

A regeneráció időtartama 9





a fütési módban működő földhőszivattyúknál a regeneráció időtartama megfelel az üzemeltetési időnek: pl. 30 évi müködést követően az további 30 év a fűtési/hűtési módban működő földhőszivattyúknál a megújulás már az évi ciklusok alatt megtörténhet

Kisméretű beruházások (<30kW) 10



kisméretű beruházások (<30 kW) földhőszondás rendszereinek tervezéséhez az ún. fajlagos hőelvonás értékek (W/m) használhatók

Szondateszt (>30kW) 11 



egy földhőszondás rendszer tervezésénél, a legfontosabb paraméter a talaj hővezető képessége (λ), ez a paraméter helyspecifikus és nem lehet tapasztalati illetve geológiai adatok alapján meghatározni a termikus kapcsolat a furat falától, a szondában keringő folyadékig a következő paraméterek függvénye:    



furat átmérő szonda méret szonda anyaga a tömedékelő anyag típusa és a kivitelezési minősége lamináris/turbulens áramlás

ezen paraméterek összegzését hívjuk „termikus fúrólyuk ellenállás”-nak (R ) talaj nyugalmi hőmérséklete (T ) b



0

Szondateszt (>30kW) 12

A mérőberendezés a következő értékeket határozza meg: 

talaj hővezető képesség (λ)



termikus fúrólyuk ellenállás (Rb)



nyugalmi talaj hőmérséklet (T0)

Szondateszt 13 





szondatesztet elsőként MOGENSEN ismertette 1983-ban  helyileg meghatározható a talaj hővezetőképessége és a termikus ellenállása a földhőszondának  hűtött folyadékot keringetett földhőszondában, rögzítette a hőmérséklet változást első mobil tesztelő berendezések 1995-ben jelentek meg Svédországban és az USA-ban, egymástól függetlenül. Mogensennel ellentétben fűtött folyadékot/hőközvetítő közeget használtak, ma is ez az általános első szondatesztek Németországban1999-ben (UBeG, Landtechnik)

Mérőberendezés 14

  

maximális fűtésterhelés 9 kW fokozatmentes szabályozás számítógéppel vezérelt

Gert-Cal szoftver 15



Kelvin vonalforrás elmélet:



automatikus kiértékelés: az adatok közvetlenül a szoftverből kiolvashatóak



a végeredmény a lépcsőzetes kiértékelésnek köszönhetően könnyen megállapítható

Lépcsőzetes kiértékelés 16

Talajvíz áramlás nélkül

Intenzív talajvíz áramlással

Step-wise Evaluation 6 5 4 3 2 1 0 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000 160.000 180.000 200.000 220.000 240.000 Time [Seconds] Evaluation Period 35 30 25 20 15 10 50.000

100.000 150.000 Time [Seconds]

200.000

a görbe folyamatos ingadozása intenzív felszín alatti vízáramlásra utal

Gert-Cal paraméterbecslés

Paraméter becslés módszere 17



λeff = 2,52 W/mk



Rb = 0,052 K(W/m)



T0 = 14,75 °C

Hőmérsékletprofil geológiával 18

A hőmérsékletprofil információi:  zavartalan talajhőmérséklet meghatározása  a hőmérséklet gradiens meghatározása  információt nyújt a különböző rétegek hővezető képességéről  megmutatja a felszín alatti vizek hatását

Szondamező tervezése és modellezése 19

Szondamezőre jellemző adatok Állandó adatok Hővezető képesség

Szondateszt

Megváltoztatható adatok, a mérnökök játszótere szonda típusa szonda hossza tömedékelő anyag fúrólyuk mérete termikus fúrólyuk ellenállás

szimpla/dupla U koaxiális szonda 20-300m (fűtés-passzív hűtés) termikus tömedékelés (GeoSolid) bentonit/cement/homok (fúrócég függvénye) előzőek függvénye (mért érték)

Szondamező tervezése és modellezése 20

Kiindulási alapadatok a tervező részéről a 25 éves modellezéshez (VDI 4640):       

fűtési terhelés teljes fűtési terhelés (üzemóra) hőszivattyú fűtési COP/SPF hűtési terhelés teljes hűtési terhelés (üzemóra) hőszivattyú hűtési COP/SPF fűtési és hűtési csúcsterhelés (napi üzemóra) COP = Coefficient of Perfomance SPF = Sesonal Performance Factor

Szondatípus 21

Példa: 150 kW fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége

Dupla U szonda (Ø32mm)

Szimpla U szonda (Ø40mm)

30 Folyadék hőmérséklet [°C]

25 20 15 10 5

g b c d e f b c d e f g b c d e f g

Folyadék hőmérséklet Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés

Folyadék hőmérséklet [°C]


25 20 15 10 5 0

JAN. FEB.

ÁPR.

JÚN. JÚL. Év 25

SZE.

NOV.

JAN. FEB.

ÁPR.

JÚN. JÚL. Év 25

SZE.

NOV.


Szondatípus 22

Példa: 150 kW fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége

Dupla U szonda (Ø32mm) 

teljes szondahossz 2300 m

Szimpla U szonda (Ø40mm) 


a dupla U-szonda 8-10%-kal hatékonyabb mint a szimpla U-szonda

Szondahossz 23

Példa: 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége 150 kW fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 150 kW fűtés 2000 óra teljes terhelés, hűtés nélkül

Fűtés (hűtés nélkül)

3400 m

8


7 Folyadék hőmérséklet [°C]

2500 m



6 5 4 3 2 1

30

Folyadék hőmérséklet


Maximális hűtési terhelés Maximális fűtési terhelés




Fűtés+hűtés

25 20 15 10 5

0

0 JAN. FEB.

ÁPR.

JÚN. JÚL. AUG. Év 25

OKT.

DEC.

JAN. FEB.

ÁPR.

JÚN. JÚL. Év 25

SZE.

NOV.


Szondahossz 24

Példa: 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége 150 kW fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 150 kW fűtés 2000 óra teljes terhelés, hűtés nélkül

Fűtés (hűtés nélkül) 


Fűtés+hűtés 


Fűtési/hűtési célból létesült szondamező esetén kevesebb szondahossz szükséges

Szondamélység 25

Példa: 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége 150 kW fűtés 2000 óra teljes terhelés, hűtés nélkül

Mély szondák

24x120m (2880m)

11



10 9 8 7 6 5 4 3 2

Folyadék hőmérséklet

8

Maximális hűtési terhelés

7

Maximális fűtési terhelés

6

36x80m (2880m) g b c d e f b c d e f g b c d e f g

5 4 3 2 1 0 -1

1 JAN. FEB.






Sekély szondák

-2

ÁPR.

JÚN. JÚL. Év 25

SZE.

NOV.

JAN. FEB.

ÁPR.

JÚN. JÚL. Év 25

SZE.

NOV.


Szondamélység 26


Mély szondák 

24x120m (2880m)

Sekély szondák 

36x80m (2880m)

csak fűtési célból mélyebb szondák hatékonyabbak mint a sekélyebb szondák

Szondák távolsága 27


g b c d e f b c d e f g b c d e f g b c d e f g

16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4

7,0m-es szondatávolság

Csúcsterhelés minimuma Csúcsterhelés maximuma Alapterhelés minimuma Alapterhelés maximuma

Éves min-max folyadék hőmérséklet [°C]

Éves min-max folyadék hőmérséklet [°C]


g b c d e f b c d e f g b c d e f g b c d e f g

16 14 12 10 8 6 4 2 0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24 Év

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24 Év

Csúcsterhelés minimuma Csúcsterhelés maximuma Alapterhelés minimuma Alapterhelés maximuma

Szondák távolsága 28




csak fűtési célból a nagyobb szondatávolság kedvezőbb

Fúrólyuk átmérő 29

Példa: 150 KW fűtés 2000 óra teljes terhelés, 150kW hűtés 800 óra teljes terhelés 2,5 W/m/K a talaj hővezető képessége

Kis fúrólyuk

152 mm átmérő


30


25 20 15 10 5

30



25 20 15 10 5 0

0 JAN. FEB.

180 mm átmérő






Nagy fúrólyuk

ÁPR.

JÚN. JÚL. Év 25

SZE.

NOV.

JAN. FEB.

ÁPR.

JÚN. JÚL. Év 25

SZE.

NOV.


Fúrólyuk átmérő 30


Kis fúrólyuk  

Nagy fúrólyuk

152 mm átmérő teljes szondahossz 2500 m

 

180 mm átmérő teljes szondahossz 2700 m

a kisebb fúrólyuk átmérő nagyobb hatékonyságú

Tömedékelő anyag 31


Termikusan javított

Hagyományos bentonit


25 20 15 10 5 0 JAN. FEB.

ÁPR.

JÚN. JÚL. Év 25

SZE.

NOV.




30


25 20 15 10 5 0 JAN. FEB.

ÁPR.

JÚN. JÚL. Év 25

SZE.

NOV.


Tömedékelő anyag 32


Hagyományos bentonitos 


Termikusan javított 


a termikus tömedékelés 15-20%-al hatékonyabb

Összegzés

Felvett λ [W/(m,K)]

33



1/4 alulméretezett



2/3 túlméretezett



Mért λ [W/(m,K)]

45%-ban az eltérés nagyobb 0,5 W/(m x K)

Összegzés 34

Felvett λ [W/(m,K)]

Példa: 60 kW fűtés 1800 h/év 30 kW hűtés (passzív) 800 h/év λ=2,3 W/(m,K) tervezéskor felvett 10 x 100 m szonda

Energia költség: áram: 178 EUR/MWh hőszivattyú: 130 EUR/MWh Mért λ [W/(m,K)] Éves költségek amit az alulméretezés okoz (EUR) λ 2,3 2,1 1,9 1,7

SPF 3,8 3,3 2,9 2,6

Éves többlet kiadás 0 570 1150 1700

15 éves költség 0 8500 17250 25500

Összegzés 35

Engedélyezés 36



  

zárt földhőszondás rendszer – Bányakapitánysági engedély létesítési engedély használatbavételi engedély hatástanulmány (?)

Érintett szakhatóságok 37



Fő engedélyező hatóság: Magyar Bányászati és Földtani Hivatal (MBFH)



akiket mindenképpen meg kell(ett) keresni





Illetékes Környezetvédelmi, Természetvédelmi és Vízügyi Felügyelőség (KTVF)



Tűzoltóság



Kulturális Örökségvédelmi Hivatal (?)



Helyi Önkormányzat (?)



ÁNTSZ Országos Gyógyfürdő Igazgatóság (?)

A fentieken kívül még 11 hatóság lehet illetékes, a fontosabbak: 

Nemzeti Közlekedési Hatóság



Körzeti Földhivatal



Katasztrófavédelmi (Fő)igazgatóság



Honvédség



96/2005 (XI.4.) GKM rendelet: a bányafelügyelet hatáskörébe tartozó sajátos építményekre vonatkozó egyes építésügyi hatósági eljárások szabályairól: „a geotermikus energia felszín alatti víz kitermelését nem igénylő kinyerésének és energetikai célú hasznosításának létesítményei az épületgépészeti berendezések kivételével” Bt. 22/B. § (8) bek. „A természetes felszíntől mért 20 méteres mélységet el nem érő földkéreg részből történő geotermikus energia kinyerés és hasznosítás nem engedélyköteles. E rendelkezés nem mentesíti a tevékenységet végzőt a más jogszabályban előírt engedély megszerzése alól.”

MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Pécs-Science Building 39



fűtési igény: 781,8 kW



hűtési igény: 715 kW



λeff = 2,77 W/mk



Rb = 0,056 K(W/m)



T0 = 14,53 °C

A kalkulációt 3 esetre végeztük el: • fűtés (hűtés nélkül) 300 db szonda • fűtés + passzív hűtés 190 db szonda • fűtés + aktív hűtés 160 db szonda

40

MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Szlovákia, Rozsutec



fűtési igény: 103 kW



λeff = 2,98W/mk



Rb = 0,099 K(W/m)



T0 = 8,57 °C



tervezett szondaszám: 13db



szükséges szondaszám: 21db

41

MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Edelény, L’Hullier-Coburg kastély 




hűtési igény: -



λeff = 1,73 W/mK



Rb = 0,063 K(W/m)



T0 = 13,26 °C

A kalkulációt az alábbi esetre végeztük el: • fűtés 130 db szonda (víz!!!)

MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Szlovákia, Liptovsky Mikulas

42



Fűtési igény: 200 kW (560MWh)



Hűtési igény: 140 kW (70MWh)



λeff = 2,09W/mK



Rb = 0,116 K(W/m)



T0 = 9,45 °C



tervezett szondaszám: 40db



szükséges szondaszám: 76db



Szükséges szondaszám (125m-es

szondák esetén): 56db

43

MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Balmazújváros









λeff = 1,94 W/mK



Rb = 0,066 K(W/m)



T0 = 15,97 °C (?passzív hűtés?)

44

MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Ausztria, Mödling



fűtési igény: 12,4 kW






λeff = 1,67 W/mk



Rb = 0,084 K(W/m)



T0 = 12,03 °C

45

MÉRÉSEK, MODELLEZÉSEK Montenegro, Budva









λeff = 2,02 W/mk



Rb = 0,054 K(W/m)



T0 = 17,26 °C

Monitoring 46



 

Cél: adatgyűjtés, amely révén adott rendszer energiahatékonysága és a környezetre gyakorolt hatása értékelhető Pályázati előírás (KEOP COP-re és SPF-re) European Heat Pump Association (EHPA)

Monitoring 47



Mért adatok  Villamos

energia fogyasztás (hőszivattyú, primer kör szivattyúi)  Tömegáram  Előremenő-visszatérő hőmérséklet  Külső hőmérséklet  Talaj hőmérséklet 

Monitoring rendszerek - Telenor Ház, Törökbálint - Coca-Cola, Zalaszentgrót - Dunaújvárosi Főiskola

Monitoring felület 48

Terepi kialakítás 49

2 db, 150 m mélységű hőmérsékletmérő vezeték, melyekből az egyik egy aktív szonda közvetlen közelében (az egyik pár talajszondában), míg a másik attól kb 20 m-re a semleges területen kap helyet. A mérőszondákban azonos felbontású kábelek kerülnek. A felbontás az első 20 méteren méterenkénti, míg a 21.-től a 150 –es mélységig 10 m-enkénti. Ezenkívűl az aktív szondától távolodva a semleges zóna felé, de az aktív szondától mérve 1, 3, 5 m távolságra kerül elhelyezésre 3 db 20 m mélységű hőmérsékletmérő vezeték. A mérőszondákban azonos felbontású mérőkábel kerül telepítésre. A felbontás 1 m/szenzor. A szenzorok egyedileg címezhető digitális hőmérsékletmérő szenzorok. A szenzorcsoport vízhatlan kialakítású. A késöbbi karbantartás és bővíthetőség érdekében a szondafejeknél egy-egy akna kialakítása szükséges. A hőmérsékletmérő szenzorcsoportok egy BiiOS Multi I/O egység thermo moduljához kapcsolódnak.

50

Köszönöm a figyelmet!

[email protected] www.geort.hu

GEOTERMIKUS SZONDATESZT ÉS FÖLDHŐSZONDÁS RENDSZEREK TERVEZÉSE

Recommend Documents