Thermal Response Test – Földhõszondás hõszivattyús rendszerek földtanilag megalapozott tervezése Erdélyi Barna1, Kiss László2 Bevezetés A modern épületekkel szembeni legfontosabb követelmény ma már az energiatakarékosság. Ennek jegyében az új építésû irodaépületeket, társasházakat stb. a nagy fûtési, illetve hûtési hõigények kielégítésére is alkalmas, jellemzõen földhõszondás hõszivattyús rendszerekkel látják el. Épületgépész-mérnöki szempontból egy nagy üvegfelületekkel rendelkezõ irodaépület szekunder oldali energetikai méretezése rutin feladatnak számít. Számítógépes szoftverek sokasága áll rendelkezésre az épület téli fûtési és a nyári hûtési hõszükségletének meghatározására, valamit az optimális hõleadó és -felvevõ gépészeti berendezések méretezésére. Nem feledkezhetünk el azonban a primer oldali hõnyerõ, illetve -leadó berendezések és a talaj, mint környezeti hõforrás termikus kölcsönhatásának rendkívül bonyolult voltáról sem. E folyamatok vizsgálata ugyan nem épületgépész-mérnöki – még kevésbé rutin – feladat, de egyes aspektusainak ismerete számukra is elengedhetetlen a tervezés során. Egy épületgépész tervezõt nyilván érdekel az az adat, hogy „mennyi hõt lehet kivenni a talajból”. Persze az sem árt, ha tudja, hogy mindez milyen környezeti és technológiai feltételek mellett lehetséges.
1. ábra. A geotermikus rendszer egyensúlya 1
VIKUV Zrt. geofizikus mérnök, geotermikus szakmérnök (
[email protected]) 2 Lanna Kft., gépészmérnök, automatizálási és geotermikus szakmérnök (
[email protected]) Magyar Épületgépészet, LXI. évfolyam, 2012/1-2. szám
Épületgépész tervezõi megközelítésben az alternatív energiaforrások felhasználhatóságának legfontosabb kérdése a folyamatos fenntarthatóság (min. 25 év). A geotermikus energia ennek a szempontnak maradéktalanul megfelel, a geológiai szerkezet hõegyensúlyának megtartása esetén. Ez optimális és fenntartható módon úgy valósulhat meg, ha a kinyert földhõ folyamatosan visszapótlódik. Ennek a hõtranszport folyamatnak az egyensúlyban tartásához a geotermikus szondateszt (Thermal Response Test, TRT) szolgáltatja a helyes méretezés adatait, zárt földhõszondás rendszer esetében. Vízkutakon alapuló geotermikus rendszerek termikus egyensúlyát, fenntarthatóságát hidrodinamikai tesztekkel és hidrogeológiai modellezéssel vizsgáljuk. A geotermikus szondateszt (TRT) egy mérnöki szolgáltatás. Eredménye a hõkinyerés fenntarthatóságát szavatoló geotermikus konstrukció meghatározása. Az optimális méretû rendszer gazdaságossága egyrészt az alacsonyabb beruházási költségbõl adódik. A szükséges szondaszámot a szondateszt (TRT) eredménye határozza meg. A túlméretezést és ezzel a felesleges fúrások költségét elkerüljük. A szondaszám alulméretezésének következménye a talajszerkezet folyamatos lehûlése, ami a gazdaságos üzemeltetést akadályozza azáltal, hogy a hõszivattyú energiafelhasználása növekszik. A geotermikus rendszer energiahasznosságára az SPF: Seasonal Performance Factor tényezõ utal egyértelmûen, ami a definíciója szerint valamely adott idõintervallumra (általában egy évre) a rendszerrel kinyerhetõ hõenergiának és az ehhez felhasznált villamos energiának az aránya. Méréssel lehet megállapítani. Minél nagyobb SPF értéket (3,2 már jónak számít) a nevezõ csökkentésével érhetünk el. A nevezõ mûszaki tartalma: a geotermikus energia kinyeréséhez felhasznált összes energia. Ezek: – a hõszivattyú energiafelhasználása, – a szondamezõben/vízkútban a cirkulációt fenntartó szivattyú energia-felhasználása. A mérésre és az adatok folyamatos rögzítésére épület-felügyeleti rendszerek alkalmasak. A felhasznált villamos energiát és a hõszivattyú által leadott hõmennyiséget interneten keresztül is elérhetõvé tesszük. Könnyen belátható: a geológiai szerkezetben bekövetkezõ néhány tized °C hõmérséklet-csökkenés a hõszivattyú áramfelvételének növekedését okozza. A hõtranszport modellezés leírja ezeket a változásokat és helyes méretezés, kivitelezés esetén a hõmérséklet visszaáll, mert a földi hõáram pótolni tudja a kivett hõmennyiséget. A modern épületek hûtési energiafelhasználása jelentõsebb lehet, mint a fûtéshez szükséges. Ezért 1
nyári idõszakban a szondák fûtik a geológiai szerkezetet. Ez a körülmény, továbbá az alépítmények figyelembevétele a termikus folyamatokban együttesen a rendszer összes költségeit csökkentik.
A földtanilag megalapozott talajszondaméretezés folyamata és adatigénye Thermal Response Test – TRT A geológiai környezet hõtranszport folyamatainak vizsgálatánál mindenek elõtt ismerni kell a közeg hõtani paramétereit. A legfontosabb paraméter a talaj (hõforrás) ekvivalens, horizontális hõvezetési tényezõje, λekv [W/(m·K)]. A másik fontos paraméter a talajszonda (hõkinyerõ szerkezet, Borehole Heat Exchanger) termikus ellenállása, RBHE [K/(W/m)]. Meghatározásukhoz a telepített próba talajszondára egy speciális mérõberendezést csatlakoztatunk (2. ábra). A mûszer és a talajszonda egy zárt egységet alkot, amelyben állandó hõteljesítménnyel melegített folyadékot keringetünk. A mûszer az idõ, t [s], függvényében méri a keringetett folyadék tö& [kg/s], megáramát, m a fûtési hõteljesítményt, Q& T [W], az U-csõ leszálló és felszálló ági folyadékhõmérsékletét, TBE és TKI [°C], a felszíni csatlakozási pontjában, ahogyan a 3. 2. ábra. Tesztmérés a debreceni MEAK központban, ábra mutatja. 2011. 04. 11 – 15.
3. ábra. A mért adatrendszer, TRT görbék TFLUID = y = kx + b alakba redukálva az alábbi formulákat kapjuk:
k=
Q& T , (2) a görbe lineáris szakaszának mere4ð ⋅ H ⋅ ë ekv deksége,
⎛ ⎛ 4á ⋅ t ⎞ ⎞ x = ⎜⎜ ln ⎜ 2 ⎟ − ã ⎟⎟ , (3) az idõalapú független változó, ⎝ ⎝ RF ⎠ ⎠ b = TGEO +
Q& T ⋅ RBHE , (4) a konstans. H
Képezve a mért görbék átlagát, a 4. ábrán látható görbét kapjuk. A lineáris szakaszra illesztett trendvonal megadja a görbe meredekségét (k), így a többi adat (Q& T , H) ismeretében λekv egyszerûen számítható.
A mért adatrendszerbõl ekv és RBHE közvetett módon, az ún. Kelvin vonalforrás egyenletbõl levezett formula segítségével számítható (Eklöf et al, 1996.):
TFLUID (t ) = + TGEO +
Q& T 4ð ⋅ ë ekv ⋅ H
Q& T ⋅ RBHE , H
⎞ ⎛ ⎛ 4á ⋅ t ⎞ ⎜⎜ ln ⎜ 2 ⎟ − ã ⎟⎟ + ⎠ ⎝ ⎝ RF ⎠ (1)
ahol TFLUID – a talajszondában keringõ folyadék felszínen mért átlaghõmérséklete, TGEO – a talaj átlaghõmérséklete [°C], H – a talajszonda mélysége [m], RF – a fúrólyuk sugara [m], α – a talaj hõdiffúzivitása [m2/s], γ – az Euler-állandó.
A fúrólyuk (BHE) termikus ellenállásának RBHE számítása már koránt sem ilyen egyszerû! Az ezt leíró formulát szintén a Kelvin vonalforrás egyenletbõl vezeték le (Eklöf et al, 1996):
Szerencsére a fenti bonyolult egyenletnek létezik egy, a meredekség-analízisen alapuló grafikus megoldása. A Kelvin vonalforrás-egyenletet egy egyszerû lineáris egyenletbe,
(5) ahol q = Q& T/H [W/m] az egységnyi szondahosszra jutó fûtési hõteljesítmény.
2
4. ábra. A TRT grafikus kiértékelése
RBHE =
− 1⎛− 1 ⎞ ⎜ T FLUID − T GEO ⎟ − q⎝ 4 ð ⋅ ë ekv ⎠
⎡ ⎛ 4á ⋅ ⎢ln t + ln ⎜ 2 ⎝ RF ⎣
⎞ ⎤ ⎟ − ã⎥ , ⎠ ⎦
Magyar Épületgépészet, LXI. évfolyam, 2012/1-2. szám
A mért adatok feldolgozása, értelmezése A mai magyarországi gyakorlat rosszul értelmezi a fenti egyenletben szereplõ folyadék átlaghõmérséklet értékét, mert a talajszondában keringõ folyadék átlaghõmérsékletére −
T FLUID0 =
TBE + TKI 2
(6)
az egyszerû számtani közepet használják. Ehhez a talajszonda (U-csõ) kapcsain mért felszíni folyadékhõmérséklet értékeket veszik alapul. Valójában ennek a felszíni átlagértéknek semmi köze sincs a talajszondát kitöltõ folyadék vertikális átlaghõmérsékletéhez (Erdélyi, 2011): −
−
T FLUID0 ≠ T FLUID(Z) ! Az egyszerû átlaggal való számítás (nagyon durva becslés) téves eredményt ad, nagyobb lesz a fúrólyuk termikus ellenállása a valóságos értéknél, ami a talajszonda-mezõ túlméretezéséhez vezet! Ez drágítja a beruházást (több furat kell), növeli a megtérülési idõt és csökkenti a geotermikus rendszer energia-hatékonyságát (SPF). A fúrólyuk valós termikus ellenállásának meghatározására egy iterációs módszert fejlesztettünk ki (Erdélyi, 2011), aminek csak a kezdõ értéke lehet a felszíni folyadék-hõmérsékletek egyszerû átlagával számolt RBHE0. Az iterálás során ezt a kezdeti RBHE0 értéket finomítjuk. Az iteratív eljárást Prof. Dr. Bobok Elemér hengerforrás algoritmusára alkalmaztuk oly módon, hogy figyelembe vettük az egyes talajszonda konfigurációk (U, UU, UUU, W) eltérõ keresztmetszeti geometriáját. Az algoritmust ugyanis eredetileg a koaxiális elrendezésû talajszondára vezették le. Az algoritmus a talajszonda ágaiban keringetett folyadék valós, mélység szerint hõmérséklet-eloszlásának meghatározására szolgál (Bobok et al, 2009). Elõnye, hogy figyelembe veszi az egyes ágak közötti termikus egymásrahatást és a geotermikus gradiens hatását is. Mivel ma Magyarországon csak szûk körben ismert ez az algoritmus, így rajtunk kívül nem használják, és a munkaközeg valós vertikális hõmérséklet eloszlását sem szokták (mert nem tudják) számítani, ami óhatatlanul a BHE-mezõ túltervezéséhez vezet. A fenti hatások figyelembe vételére a ma elterjedten használt EED és GLD szoftverek alkalmatlanok! A felszálló ág vertikális hõmérséklet-eloszlását leíró differenciálegyenlet:
A⋅B⋅
d 2TKI dT + B ⋅ KI − TKI + T0 + ã ⋅ z − ã ⋅ B = 0 2 dz dz
(7)
A leszálló ág vertikális hõmérséklet eloszlását leíró differenciálegyenlet:
A ⋅B⋅
dT d 2 TBE + B ⋅ BE − TBE + T0 + ã ⋅ z = 0 dz 2 dz
(8)
séklet-eloszlása, TFLUID(z), és így annak pontos átlagértéke T FLUID(z)! Ezzel az átlagértékkel számítható ki a valós R BHE(z), azaz a talajszonda pontos termikus hõellenállásának vertikális átlagértéke, röviden csak RBHE. A differenciálegyenletek A és B együtthatói a leszálló és a felszálló ág üzemi tényezõit jelentik (Bobok et al, 2009):
A=
c v ⋅ m& ⋅ (ë ekv + f ⋅ R2B ⋅ U 2B ) 2ð ⋅ ë ekv ⋅ R2B ⋅ U 2B
(9)
cv ⋅ m& , 2ð ⋅ R1B ⋅ U1B
(10)
és
B=
ahol cv – a víz fajhõje [J/(kgK)], f – a tranziens hõvezetési függvény, U – a BHE eredõ hõátviteli tényezõje [W/(m2K)]. Az eredõ hõátviteli tényezõ egy, a hõellenállásból levezetett paraméter, ami egyszerû koaxiális (csõ a csõben) elrendezésû talajszonda esetén könnyen számítható. További elõnye, hogy értéke a talajszonda teljes vertikumában állandó, mert nem tartalmaz mélységfüggõ paramétereket, illetve tetszõleges sugárra vonatkoztatható. Az eredõ hõátviteli tényezõ (Bobok et al, 2009) a belsõ csõ belsõ sugarára számítva (U1B):
⎛ 1 R1B 1 R R1B ⎞ ⎟, = ⎜⎜ + ⋅ ln 1K + (11) U1B ⎝ h1B ë P R1B R1K ⋅ h1K ⎟⎠ valamint az eredõ hõátviteli tényezõ a külsõ csõ belsõ sugarára (U2B): ⎛ 1 R2B 1 R R R = ⎜⎜ + ⋅ ln 2K + 2B ln F U 2B ⎝ h2B ë P R2B λ G R2K
⎞ ⎟⎟ , ⎠
(12)
ahol λP és λG – a csõ és a tömedékelõ anyag hõvezetési tényezõje, h – a hõátadási tényezõ az áramló munkaközeg és a csõ fala között, [W/(m2K)], R – a csõ sugara, 1 a belsõ csõ, 2 a külsõ csõ indexe, B és K a belsõ és a külsõ sugár indexe. Ezzel szemben a fúrólyuk termikus ellenállása mélységfüggõ, hiszen a horizontális (radiális) hõmérséklet-különbség a fúrólyuk és a talajrétegek között a mélységgel folyamatosan változik. A geotermikus mérnöki gyakorlatban, ezért az eredõ hõátviteli tényezõ használata a célravezetõ. Az egyetlen hátránya, hogy bonyolult keresztmetszeti geometriájú talajszondák esetén UF leírása matematikailag szinte lehetetlen. E probléma azonban megkerülhetõvé válik a TRTbõl származtatható RBHE által (Erdélyi, 2011). A két paraméter összefüggését az alábbi formula írja le:
UF =
1 . 2ð ⋅ RF ⋅ RBHE
(13)
A másodrendû, állandó együtthatójú, lineáris, inhomogén differenciálegyenletek iteratív megoldásaival meghatározható a talajszonda ágaiban a munkaközeg vertikális hõmér-
Mivel a koaxiális elrendezéstõl eltérõ talajszondák esetén nincs más kitüntetett, a keresztmetszeti szimmetriát is kifejezõ hosszméret, mint a fúrólyuk RF sugara, ezért a számított
Magyar Épületgépészet, LXI. évfolyam, 2012/1-2. szám
3
eredõ hõátviteli tényezõt is erre a sugárra vonatkoztatjuk. Ezt könnyen megtehetjük, hiszen az alábbi szorzat állandó: RB · UB = RF · UF . Innentõl kezdve az algoritmusban mindenütt ezt az RF · UF szorzatot használjuk. Így a hengerforrás algoritmus bármely, a koaxiálistól eltérõ kialakítású talajszonda esetén is használható! Az egyes talajszonda konfigurációk közötti különbségtétel a mért/számított fúrólyuk termikus ellenállásokon keresztül lehetséges (Erdélyi, 2011).
6. ábra. Az iterálás kezdõ- és végeredményei
Geofizikai vizsgálat
5. ábra. Az iterációk eredményei A diagramok a talajszondában keringõ folyadék vertikális hõmérséklet-eloszlását mutatják az egyes iterációs lépéseknél. Az 5. ábrán az látható, hogy egy kezdeti durva értéktõl elindulva a görbék egyre kisebb különbségekkel balra tolódnak el, míg értékük egy pontnál túl már nem változik. Ekkor az iteráció leáll, és a kapott érték lesz a valós eredmény. A 6. ábrán berajzolt vastag piros vonal szemlélteti az egyszerû számtani középpel (durva becslés) számított, átlagos folyadékhõmérsékletet (TFLUID0); a vastag zöld vonal, pedig az iteratívan kiszámított, valós átlaghõmérsékletet, TFLUID(z). E két eltérõ átlagos folyadékhõmérséklettel számított fúrólyuk termikus ellenállás között 32%-os (!!!) eltérés mutatkozik. A nagyobb – a mai, bevett magyarországi gyakorlattal – rosszul számított érték túlméretezéshez vezet! Ez drágítja a hõszivattyús beruházásokat, és árt az elterjesztés ügyének. 4
A szondateszt (TRT) kétségkívül a legfontosabb vizsgálati módszer a talaj, mint hõforrás vizsgálata során, de koránt sem elegendõ. A próba talajszonda fúrólyukba helyezése és tömedékelése elõtt minden esetben geofizikai méréseket is végezni kell a furatban. Ennek célja kettõs: egyrészt fontos információkat szerzünk a geológiai szerkezetrõl (vízvezetõ és vízzáró talajrétegek azonosítása, rétegvastagságok meghatározása, egyéb, a rétegek hidrodinamikai tulajdonságait jól tükrözõ geofizikai paraméterek: porozitás, relatív szivárgási tényezõ, relatív vízvezetõ-képesség felderítése). Másrészt ugyancsak fontos a furat mûszaki állapotának, azaz a kivitelezés minõségének vizsgálata! Erre a lyukbõség-mérés használatos. Azért fontos a fúrások mûszaki állapotának geofizikai vizsgálata, mert a fúrólyuk milyensége érdemben befolyásolja a majdani talajszonda termikus ellenállását. Sajnos a magyarországi fúrási kivitelezõk feláldozzák a termelékenység oltárán a minõséget! Egy sebtében szó szerint „letolt” furat mindenre alkalmas, csak minõségi geofizikai vizsgálatokra és megfelelõ tömedékelésre nem! Tehát pontosan a lényeg veszik el, egyrészt a furat ferde lesz, így még csak nem is közelíti a vonalforrás jelleget, másrészt a furat fala sem lesz egyenletes átmérõjû, hanem kisebb-nagyobb, ún. kavernákkal lesz csipkézett (7. ábra). Ez utóbbi a legnagyobb baj, hiszen a kavenákban megmarad a vízbázisú „fúróiszap” Magyar Épületgépészet, LXI. évfolyam, 2012/1-2. szám
Ehhez az alábbi meggondolást kell magunkévá tenni. A talajszonda hõellenállását alapvetõen két szerkezeti rész befolyásolja: a szilárd szerkezeti részek (csövek, tömedékelõ anyag) és az áramló munkaközeg (fagyálló). A szilárd anyagoknak hõvezetésbõl (kondukció) származó hõellenállása van, az áramló közegeknek pedig, konvektív hõátadásra vonatkozó. Ebbõl csak a szilárd anyag tulajdonságai nem változnak. A hõátadásra vonatkozó hõellenállás pedig könnyen számítható: • egyszerû csõre: 1 Rh = (14) 2ð ⋅ hB ⋅ 2 RB • szimpla U-csõre (Erdélyi, 2011):
Rh =
7. ábra. Az ideális, vonalforrás-szerû fúrólyuk, és a valóságos kialakítás közti eltérés (Eklöf et al, 1996) (rossz a hõvezetési tényezõje), továbbá a talajszonda behelyezése is problémássá válik azáltal, hogy a furat fala könnyen beomlik. Épp, hogy a behelyezést „túlélt” furat minõségi tömedékelése szinte lehetetlen. Hiába használnánk drága, megfelelõen összeállított, ún. geotermikus tömedékelõ anyagot (jó hõvezetési tényezõjû), a kavernákban maradt víz (fúróiszap) miatt nem fogja elérni célját! A mért fúrólyuk termikus ellenállás nagy lesz. A tömedékelõ anyag gyártó cég által garantált (egyébként laboratóriumi körülmények között mért) hõvezetési tényezõ érték sem lesz a furatban ugyanaz. Érdemes tehát a fúrási vállalkozó munkáját független mûszaki ellenõr bevonásával gyakran ellenõriztetni. Továbbá nem szerencsés, ha a tervezõ és a kivitelezõ cég ugyan az, hiszen az õ érdeke a minél több fúrás! A tömedékelés valós (in situ) hõvezetési tényezõjének meghatározására saját eljárást dolgoztunk ki. A furat elméleti (számított) és valós (mért és iteratívan számított) termikus ellenállása közötti különbség mértéke a fúrási vállalkozó munkájának minõségi értékelésére is alkalmas. Érdemes tehát a szondatesztet (TRT-t) a kivitelezõtõl független szervizcégre bízni. Nem érdemes a méréseken spórolni, mert sokkal többet veszthet nélkülük, mint amennyit az elhagyásukkal nyerhet!
Méretezés Épületgépész tervezõi szempontból érdekes lehet az a tény, hogy míg a TRT-t tiszta víz keringetésével valósítjuk meg, addig a már üzembe állított talajszondában valamilyen fagyálló oldat kering. A két munkaközeg eltérõ áramlástani, illetve hõtani paraméterei miatt a TRT-bõl a talajszonda termikus ellenállására számított adat akár más is lehet, mint a fagyállóval mûködõ talajszondáé. A TRT-bõl (tehát vízre) kapott RBHE adatot adott esetben érdemes átszármaztatni fagyálló folyadékra is. Magyar Épületgépészet, LXI. évfolyam, 2012/1-2. szám
2 2ð ⋅ hB ⋅ 2 RB
• dupla U-csõre és W elrendezésre (Erdélyi, 2011): 4 Rh = 2ð ⋅ hB ⋅ 2 RB
(15)
(16)
• tripla U-csõre (Erdélyi, 2011):
Rh =
6 2ð ⋅ hB ⋅ 2 RB
(17)
A talajszonda teljes hõellenállása tehát: RBHE = Rh + Rλ p+g , ahol λP+G a talajszonda szilárd szerkezeti részeinek együttes hõvezetési tényezõje, Rλ p+g pedig az abból származó hõellenállás, ami állandó. Az új közegre vonatkozó RBHE tehát Rh újraszámításával megadható. Ehhez már csak a h hõátadási tényezõt kell meghatároznunk a Nu-szám segítségével:
h=
ë v ⋅ Nu 2 ⋅ RB
A Nusselt-szám (Bobok et al, 2009): Nu = 0,0168 Re0,83 · Pr0,42 , ha Re < 2320.
(18)
(19)
A Prandtl-szám:
Pr =
cv ì v cv ñ v vv = , ëv ëv
(20)
ahol cv a víz fajhõje, λv a víz hõvezetési tényezõje, ρv a víz sûrûsége, μv a víz dinamikai, νv a kinematikai viszkozitása. (A víz tetszõleges munkaközeggel helyettesíthetõ.) A Reynolds-szám:
Re =
v⋅ 2 RB . vV
(21)
A keresztmetszeti átlagsebesség a talajszondában:
v=
m& ð ⋅ R2B ⋅ ñV
(22)
A talajszondából kivehetõ hõáram:
Q& T = cv ⋅ m& ⋅ (TKI − TBE ) .
(23)
Mint azt fentebb említettük, a talajszonda ágaiban a mélység szerint kialakuló folyadékhõmérsékleteket számítja a henger5
forrás algoritmus, a fentebb leírt differenciálegyenletek megoldásához további 9 oldalas számítás tartozik, ennek levezetésétõl eltekintünk. Azt itt közölt összefüggések általánosan ismertek, ezek csak az algoritmus által megkívánt bemenõ paraméterek meghatározásához kellenek. Ezen összefüggésekbõl is kiderül, hogy a számítások elvégzéséhez bizony az épületgépész tervezõ által ismert adatok is szükségesek, pl.: a kiválasztott hõszivattyú COP értéke, illetve az ahhoz tartozó hõfoklépcsõ értékei (TBE, TKI), a Q& T, azaz a fûtési/hûtési hõszükséglet (esetenként havi bontásban), az alkalmazandó munkaközeg típusa, fizikai paraméterei, az alkalmazandó keringetõ szivattyú paraméterei. Mindezen technikai paraméterek és a földtani kutatás (geofizika, TRT, esetleg hidrogeológiai tesztek) során megismert paraméterek együttesével lehet egy egzakt méretezést végrehajtani.
9. ábra. A talajszonda output folyadék-hõmérsékletei az üzemidõ függvényében, két BHE hõellenállás értékre, azonos talaj hõvezetõ-képesség esetén
Eredmények A példaként bemutatott 8. ábrán a -1;0,06;3 görbenév azt jelenti, hogy a talajszondába lemenõ folyadékhõmérséklet –1 [°C], a talajszonda hõellenállása 0,06 [K/(W/m)] és a talaj hõvezetési tényezõje 3 [W/(mK)].
Figyelem! Hõszivattyús fûtõ-hûtõ rendszernél a talajszonda-mezõ méretezést segítõ TRT fajtáját (hõnyeletés vagy hûtés-teszt) az dönti el, hogy a leendõ épület fûtési avagy hûtési hõigénye a nagyobb. Ha az épület hûtési hõigénye magasabb, mint a fûtési hõigénye, akkor hõnyeletés tesztet kell végezni a próbaszondán, mert a geotermikus rendszert inkább hûtésre kell méretezni, mivel a felesleges hõt a talajba kívánjuk majd elnyeletni. Elvileg csak fûtésre használt geotermikus rendszereknél a hûtéstesztnek van létjogosultsága, hiszen üzemben a talajból hõt akarunk kivenni. E körülmények azért fontosak, mert a talaj hõvezetési értéke eltérõ, ha abból hõt vonunk ki, vagy ha hõt nyeletünk el benne.
8. ábra. A talajszonda kapcsai között, a felszínen mérhetõ munkaközeg hõmérsékletkülönbség változása a Re-szám és a hõtani paraméterek függvényében Látható, hogy a tömegáram (Re-szám) növekedésével csökken a felszínen a deltaT, emiatt csökken a talajból kivehetõ hõmennyiség, amit tömegáram-növekedés kompenzál, de csak COP csökkenés árán. Az is látható, hogy egyre magasabb lemenõ folyadékhõmérsékleteknél, egyre inkább csökken a felszíni deltaT, ezt szintén a COP romlása árán a tömegáram növekedés kompenzálja (mégis nõ a talajból kivett hõmennyiség!). Látható továbbá az is, hogy a legfontosabb hõtani paraméter a talaj hõvezetõ képessége, amely még egy rossz BHE hõellenállás értéket is képes ellensúlyozni. Feladatunk a méretezés során, hogy megtaláljuk az optimális deltaT és Re értéket az adott (mért) λekv és RBHE értékhez. Minél nagyobb a deltaT, annál kisebb tömegáram (szivattyúzási teljesítmény) is elegendõ adott igényelt hõmennyiség kinyeréséhez. A geotermikus rendszer fenntarthatóságát min. 25 évig szavatolni kell. 6
10. ábra. Ugyanazon talajszondán eltérõ hõvezetési értéket adott a hõnyeletés- és a hûtésteszt (de Carli, 2010). Hivatkozások 1. Bobok, E. – Tóth, A. (2009): A geotermikus energiatermelés hõmérséklet-viszonyai zárt rendszerbeli kút esetében, (kutatási jelentés), Miskolci Egyetem Kõolaj és Földgáz Intézet, 2009. 2. de Carli, M. (2010): A computational capacity resistance model (CaRM) for vertical ground-coupled heat exchangers in sites with thermal anomalies, Universitá degli Studi di Padova, 2010. 3. Eklöf, C. – Gehlin, S. (1996): TED – A Mobile Equipment for Thermal Response Test, Testing and Evaluation, Lulea University of Technology (Sweden) 1996. 4. Erdélyi, B. (2011): Egy talajszonda geofizikai, hidrodinamikai és TRT adatokon alapuló modellezése (diplomaterv), Miskolci Egyetem, 2011
Magyar Épületgépészet, LXI. évfolyam, 2012/1-2. szám
