Tomasz Œliwa, Andrzej Gonet, Grzegorz Skowroñski** NAJWIÊKSZA W POLSCE INSTALACJA GRZEWCZO-CH ODNICZA BAZUJ CA NA OTWOROWYCH WYMIENNIKACH CIEP A

Transkrypt

1 WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 28 ZESZYT Tomasz Œliwa*, Andrzej Gonet*, Grzegorz Skowroñski** NAJWIÊKSZA W POLSCE INSTALACJA GRZEWCZO-CH ODNICZA BAZUJ CA NA OTWOROWYCH WYMIENNIKACH CIEP A 1. WPROWADZENIE Do ogrzewania sklepu IKEA, który powsta³ przy zbiegu ulic Pabianickiej i Chocianowickiej w odzi, zastosowano pompy ciep³a o ³¹cznej mocy 860 kw. Energia niskotemperaturowa pozyskiwana jest z górotworu z 160 pionowych otworowych wymienników ciep³a o g³êbokoœci 100 m ka dy. W otworach zamontowane zosta³y pêtle z rurek PE DN 40, wype³nione 25-procentowym wodnym roztworem glikolu monopropylenowego. Prace wiertnicze wykona³a firma SATOR w terminie od 3 czerwca do 18 wrzeœnia 2009 r. na podstawie Projektu prac geologicznych na wykonanie otworów wiertniczych celem wykorzystania ciep³a Ziemi oraz aneksów nr 1 i nr 2 do niniejszego projektu prac geologicznych. Ostatecznie zadanie geologiczne rozwi¹zano zgodnie z za³o eniami aneksu nr 2 do ww. projektu prac geologicznych. 2. BUDOWA GEOLOGICZNA I WARUNKI HYDROGEOLOGICZNE TERENU BADAÑ Teren przeprowadzonych prac geologicznych znajduje siê w po³udniowej czêœci odzi. Pod wzglêdem budowy geologicznej opisywany teren rozci¹ga siê w obrêbie kredowej niecki ³ódzkiej. Tê jednostkê geologiczn¹ buduj¹ utwory kredowe, przykryte m³odszymi utworami trzeciorzêdu i czwartorzêdu (rys. 1). Wody podziemne wystêpuj¹ na opisywanym terenie w utworach czwartorzêdu lokalnie (pod nieznacznym ciœnieniem hydrostatycznym) oraz w utworach kredowych. * AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu, Kraków ** SATOR, ul. Wspólna 10, Kozienice-Nowiny 587

2 Rys. 1. Przekrój geologiczny rejonu wierceñ z wrysowanym otworem [4] W otworach do g³êbokoœci 100 m p.p.t. nie napotkano adnych warstw wodonoœnych. W interwale g³êbokoœci m p.p.t. zastosowany zosta³ zaczyn uszczelniaj¹cy TermorotaS. Zawiesina ta cechuje siê wysok¹ przewodnoœci¹ ciepln¹ i jest przeznaczona do uszczelniania rur w otworowych wymiennikach ciep³a. Zapobiega ona przep³ywowi wód podziemnych izoluje warstwy wodonoœne. 3. CHARAKTERYSTYKA ROZWI ZAÑ TECHNICZNYCH Wykonano 160 otworów wiertniczych o g³êbokoœci 100 m i œrednicy œwidra 143 mm ka dy. Wymiennik stanowi¹ rurki PE 100 DN 40 (³¹czna d³ugoœæ rur w pionowych otworach wynosi m), zamontowane w otworach, oraz dodatkowo poziome przy³¹cze w postaci ruroci¹gu PE 40 i PE 50 prowadz¹ce do studzienek zbiorczych. Od studzienek zbiorczych do kot³owni budynku prowadzi osiem ruroci¹gów PE DN 110, ³¹cz¹cych siê nastêpnie w ruroci¹gi PE DN 125 (rys. 2). 588

3 Rys. 2. Rozmieszczenie otworowych wymienników ciep³a wg projektu [5] Przed wprowadzeniem polietylenowych rurek do otworu wiertniczego na powierzchni ziemi sprawdzono szczelnoœæ ca³ego uk³adu, poddaj¹c go ciœnieniu oko³o 0,8 MPa. Ca³y system przeszed³ próby ciœnieniowe o powy szym ciœnieniu tak e po zainstalowaniu pionowych u-rurek w otworach i pod³¹czeniu ich do rozdzielacza. 4. BADANIA OTWOROWEGO WYMIENNIKA CIEP A W okresie listopada 2008 r. wykonano metod¹ obrotow¹ otwór badawczy P-0. Otwór zosta³ wyposa ony w rury wymiennika ciep³a. Litologiczno-stratygraficzny profil otworu przedstawiono na zbiorczym zestawieniu wyników wiercenia na rysunku 3. Szczegó³y konstrukcyjne wymiennika otworowego zawiera tabela 1. Noœnikiem ciep³a w badawczym wymienniku otworowym by³ wodny roztwór glikolu propylenowego o stê eniu glikol-woda równym 1:2,5, co daje 28,6%. Tabela 1 Szczegó³y konstrukcyjne próbnego otworowego wymiennika ciep³a w odzi Lp. Nazwa parametru Wartoœæ Schemat 1 Konstrukcja otworowego wymiennika ciep³a pojedyncza u-rurka 589

4 Tabela 1 cd. Lp. Nazwa parametru Wartoœæ Schemat 2 Œrednica otworu D o (œrednica narzêdzia wiertniczego) D o = 143 mm 3 Odleg³oœæ pomiêdzy osiami rur wymiennika k = 45 mm 4 Rodzaj materia³u zastosowanego do uszczelnienia rur wymiennika TermorotaS, 2 W m 1 K 1 5 Œrednica zewnêtrzna rur wymiennika d z = 40 mm 6 Gruboœæ œciany rur wymiennika b = 2,4 mm 7 Materia³ rur wymiennika PE G³êbokoœæ otworu H = 143,0 m 9 G³êbokoœæ zapuszczenia rur wymiennika H w = 120,0 m 590

5 Rys. 3. Zbiorcze zestawienie wyników wiercenia otworowego wymiennika ciep³a P-0 [6] 591

6 Badania pierwszego wymiennika otworowego wykonywano w okresie r. Pierwszy etap badañ ( r.) polega³ na profilowaniu temperatury w otworze P-0. Wyniki przedstawiono w formie graficznej na rysunkach 4 i 5. Na podstawie wyników profilowania okreœlono wartoœæ œredniej temperatury profilu w interwale m, która wynios³a 9,66 o C. Rys. 4. Profilowanie temperatury otworu P-0 do g³êbokoœci 120 m [2] Rys. 5. Profilowanie temperatury otworu P-0 w interwale 0 35 m [2] 592

7 Drugi etap polega³ na cyrkulacji noœnika wraz z dostarczaniem ciep³a o mocy grzewczej P = 6,65 kw przy strumieniu objêtoœci noœnika V & = 23,7 dm 3 min 1. Podczas ca³ego testu reakcji termicznej (TRT) do górotworu wprowadzono 486,2 kwh energii. Wyniki testu reakcji termicznej wykonanego w otworze P-0 zosta³y przedstawione na rysunku 6. Na podstawie testu okreœlono wartoœæ efektywnej przewodnoœci cieplnej ska³ przewierconego profilu, która wynios³a λ ef = 2,36 W m 1 K 1, oraz wartoœæ opornoœci cieplnej wymiennika otworowego (rys. 7), która wynios³a 0,096 m K W 1. Rys. 6. Przebieg testu reakcji termicznej [2] Opór termiczny otworu R b, K m W 1 Rys. 7. Wykres przebiegu opornoœci cieplnej wymiennika otworowego podczas trwania testu reakcji termicznej [2] 593

8 Dla porównania rezultatów przeprowadzono obliczenia œredniej wartoœci wspó³czynnika przewodzenia ciep³a ska³ na podstawie danych literaturowych [3]. Wynik podano w tabeli 2. Tabela 2 Wartoœæ œredniego wa onego wspó³czynnika przewodzenia ciep³a ska³ przewierconego profilu na podstawie danych literaturowych Nr warstwy Litologia Strop, m p.p.t. Sp¹g, m p.p.t. Mi¹ szoœæ, m 1 nasyp 0 1,5 1,5 2 py³ ciemnoszary 1,5 5,5 4 3 wir br¹zowy 5,5 7 1, glina pylasta, ciemnoszara pospó³ka, ciemnoszara glina piaszczysta, ciemnoszara ,6 1,6 45, ,4 7 i³ ciemnoszary piasek gruboziarnisty, ciemnoszary i³ ciemnoszary z kawa³kami drewna i³ ciemnoszary z kawa³kami wapienia rumosz wapienia Œredni wa ony teoretyczny wspó³czynnik przewodzenia ciep³a ska³ 1,86 W m 1 K 1 Trzeci etap badañ obejmowa³ okreœlenie charakterystyki hydraulicznej wymiennika otworowego. Pomiary strat ciœnienia przeprowadzono dnia r. podczas cyrkulacji noœnika ciep³a, którego temperatura w czasie pomiarów obni y³a siê z 13,7 o C do 13,3 o C. Okreœlono, e przep³yw graniczny (Re = 2300) w takiej temperaturze wystêpuje przy strumieniu objêtoœci noœnika ciep³a wynosz¹cym 12,1 dm 3 min 1. Hydrauliczne straty ciœnienia dla takiego przep³ywu wynosz¹ 9,9 kpa. Moc hydrauliczna przy takim przep³ywie okreœlona zosta³a na 2 W. Na rysunku 8 przedstawiono wyniki pomiarów strat ciœnienia zwi¹zanych z hydraulicznymi oporami przep³ywu noœnika ciep³a w zale noœci od strumienia objêtoœci jego przep³ywu. Na rysunku 9 przedstawiono zale noœæ mocy hydraulicznej potrzebnej do pokonania oporów przep³ywu od strumienia objêtoœci noœnika ciep³a. Wykresy nale y interpretowaæ jako maksymalne straty ciœnienia i moce hydrauliczne wystêpuj¹ce podczas przep³ywu noœnika ciep³a o temperaturze oko³o 13 o C. Ze wzglêdu na dodatkowe straty w odcinkach powierzchniowych rur przy³¹czeniowych straty i moce rzeczywiste s¹ nieco ni sze od pokazanych na rysunkach 8 i

9 Rys. 8. Zale noœæ oporów przep³ywu od strumienia objêtoœci noœnika ciep³a podczas przep³ywu w otworze P-0 [2] Rys. 9. Zale noœæ mocy hydraulicznej od strumienia objêtoœci noœnika ciep³a podczas przep³ywu w otworze P-0 [2] 5. REZERWUAR CIEP A W GÓROTWORZE Na podstawie wyników testu reakcji termicznej okreœlono wielkoœæ rezerwuaru i liczbê oraz rozmieszczenie wymienników otworowych. Przed przyst¹pieniem do realizacji inwestycji ponownie przeanalizowano zapotrzebowanie budynku na ciep³o i ch³ód i zdecydowano siê zmniejszyæ grzewcze parametry instalacji z 1090 kw do 860 kw. Wynika³o to ze zmiany koncepcji instalacji grzewczo-ch³odniczej wprowadzono dodatkowy kocio³ grzewczy i agregat ch³odniczy. Ze wzglêdu na g³ówny cel, tj. pozyskiwanie ch³odu, zdecydowano siê zmniejszyæ g³êbokoœæ otworów ze 120 m do 100 m i wykonaæ sto otworów, czyli 16 km pionowego kolektora. Dziêki redukcji g³êbokoœci obni ona zosta³a œrednia temperatura udostêpnionego górotworu. 595

10 Wiercenia 16 km wymienników otworowych przeprowadzono w okresie r. W tym celu pracowa³y cztery urz¹dzenia wiertnicze typu URB2-A2. Wiercenia wykonywano sposobem obrotowym, wykorzystuj¹c œwidry gryzowe o œrednicy 143 mm. P³uczkê wiertnicz¹ stanowi³ roztwór koncentratu Teqgel S. Uszczelnienie (wype³nienie otworowego wymiennika ciep³a) stanowi³ zaczyn TermorotaS. Do jego wprowadzenia zastosowano pompê MAi M400NT. Do ogrzewania obiektów kompleksu handlowego IKEA w odzi zastosowano dwie pompy ciep³a o ³¹cznej mocy grzewczej 860 kw. 6. OCENA WP YWU INSTALACJI NA ŒRODOWISKO ORAZ OPIS ZAGRO EÑ Instalacja ma pozytywny wp³yw na œrodowisko dziêki redukcji emisji produktów spalania do atmosfery lokalnie, w jej najbli szym otoczeniu. Jedynym mo liwym zagro eniem pionowych wymienników otworowych dla pomp ciep³a jest ich mechaniczne uszkodzenie i tym samym wyciek 25-procentowego roztworu glikolu propylenowego do górotworu. Wskutek wycieku grunt zosta³by ska ony roztworem glikolu, który przed up³ywem 32 godzin uleg³by rozk³adowi (dotyczy 98% masy ca³kowitej glikolu propylenowego). Zastosowane pompy ciep³a wyposa one s¹ w czujnik przep³ywu i ciœnienia roztworu noœnika ciep³a niskotemperaturowego. Przy niewielkim wycieku, rzêdu oko³o 10 dm 3, automatyczny system od³¹czy przep³yw, dziêki czemu nie nast¹pi wypompowanie reszty roztworu z wymienników otworowych. 7. WNIOSKI 1. Projektownie du ych instalacji bazuj¹cych na otworowych wymiennikach ciep³a powinno byæ poprzedzone testami reakcji termicznej (TRT) wykonanymi przynajmniej w jednym otworze badawczym. Instalacja musi mieæ moc grzewcz¹ powy ej 30 kw, aby test TRT by³ ekonomicznie uzasadniony. 2. W wyniku przeprowadzenia testu reakcji termicznej otworu badawczego dla IKEA w odzi i interpretacji wyników uzyskano nastêpuj¹ce wartoœci wskaÿników: efektywna przewodnoœæ cieplna ska³ przewierconego profilu λ ef = 2,36 W m 1 K 1, opornoœæ cieplna wymiennika otworowego R b = 0,096 m K W 1, œrednia temperatura statyczna górotworu (przewierconego profilu m) T œr = 9,66 o C. 3. Na podstawie TRT i zadanych parametrów systemu grzewczo-ch³odniczego zaprojektowano uk³ad sk³adaj¹cy siê ze 160 otworowych wymienników ciep³a o g³êbokoœci 100 m ka dy. 4. Okreœlono dla przep³ywu granicznego (Re = 2300) przy temperaturze oko³o 13,5 o C takie parametry, jak: strumieñ objêtoœci noœnika ciep³a V & = 12,1 dm 3 /min, hydrauliczne straty ciœnienia p = 9,9 kpa, moc hydrauliczn¹ N = 2,0 W. 596

11 LITERATURA [1] Gonet A., Œliwa T.: Testowanie otworowych wymienników ciep³a (TRT). GLOBEnergia, nr 1, 2010, s. 14, 17. [2] Gonet A., Œliwa T.: TRT Interpretacja testu reakcji termicznej otworowego wymiennika ciep³a P-0 ódÿ, ul. Pabianicka/Chocianowicka (praca niepublikowana). [3] Gonet A. (red.): Metodyka identyfikacji potencja³u cieplnego górotworu wraz z technologi¹ wykonywania i eksploatacji otworowych wymienników ciep³a. Wydawnictwa AGH, Kraków [4] Kirpsza K.: Projekt prac geologicznych na wykonanie stu czterdziestu czterech otworów wiertniczych celem wykorzystania ciep³a ziemi, ódÿ, ul. Pabianicka/Chocianowicka. ódÿ [5] Rêbiœ E.: Aneks nr 2 do projektu prac geologicznych na wykonanie otworów celem wykorzystania ciep³a Ziemi, ódÿ ul. Pabianicka/Chocianowicka. Kozienice [6] Rêbiœ E.: Dokumentacja geologiczna otworów wiertniczych wykonanych celem wykorzystania ciep³a Ziemi dla potrzeb sklepu IKEA w odzi. Kozienice