Tomasz Œliwa*, Andrzej Gonet* ANALIZA EFEKTYWNOŒCI WYMIANY CIEP A W WYMIENNIKACH OTWOROWYCH O RÓ NEJ KONSTRUKCJI**

Transkrypt

1 WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 28 ZESZYT Tomasz Œliwa*, Andrzej Gonet* ANALIZA EFEKTYWNOŒCI WYMIANY CIEP A W WYMIENNIKACH OTWOROWYCH O RÓ NEJ KONSTRUKCJI** 1. WPROWADZENIE Wykorzystanie górotworu w instalacjach grzewczych i ch³odniczych staje siê coraz bardziej popularne. Sprê arkowe pompy ciep³a zasilane energi¹ elektryczn¹ wykorzystuj¹ górotwór jako rezerwuar ciep³a. Dzieje siê tak zarówno w pañstwach, które wytwarzaj¹ energiê elektryczn¹ w Ÿród³ach odnawialnych (np. Szwecja, Norwegia), jak te w Ÿród³ach tradycyjnych 1 (np. Niemcy, Francja, USA, Kanada). Dla przyk³adu na rysunku 1 przedstawiono liczbê nowych pomp ciep³a instalowanych w Niemczech w latach , a na rysunku 2 sumaryczn¹ g³êbokoœæ wykonywanych rocznie wierceñ otworowych wymienników ciep³a, realizowanych w poszczególnych latach w Szwajcarii. Widaæ coroczny wyk³adniczy wzrost sumarycznej g³êbokoœci wykonanych wymienników otworowych (1900 kilometrów w 2008 r.!). Z rysunku 2 wynika, e wzrost dotyczy nie tylko instalacji w obiektach nowo budowanych, ale tak e w obiektach remontowanych. W 2009 roku na rynku szwajcarskim istnia³o ponad 40 certyfikowanych firm zajmuj¹cych siê wierceniem otworowych wymienników ciep³a [9]. Rysunek 3 pokazuje ³¹czn¹ g³êbokoœæ (w metrach) wykonanych w Polsce otworów przeznaczonych na instalacje otworowych wymienników ciep³a. Wielkoœæ ta zosta³a uzyskana na podstawie danych jedynie dwóch polskich firm wiertniczych (Demax Drill i Sator). Obserwowany wzrost liczby metrów przewierconych otworów nie mo e byæ jednak bezpoœrednio prze³o ony na wzrost mocy grzewczej. Wymienniki otworowe mog¹ pobieraæ ciep³o z górotworu (np. ogrzewanie wnêtrz, ciep³ej wody u ytkowej), jak te je wprowadzaæ do górotworu (klimatyzacja wnêtrz, wytwarzanie ch³odu technologicznego). * AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu, Kraków ** Praca zrealizowana w ramach grantu MNiSW nr N N , nr umowy AGH W tym w elektrowniach j¹drowych. 555

2 Rys. 1. Liczba nowych pomp ciep³a instalowanych w Niemczech w latach [11] Rys. 2. Sumaryczna g³êbokoœæ wykonywanych rocznie wierceñ otworowych wymienników ciep³a w poszczególnych latach w Szwajcarii [10] 556

3 Rys. 3. G³êbokoœæ (w metrach) otworowych wymienników ciep³a wykonywanych przez jedynie dwie firmy wiertnicze [8, 12] Najbardziej obrazowym wskaÿnikiem funkcjonowania otworowych wymienników ciep³a powinna byæ roczna iloœæ energii wymienianej pomiêdzy górotworem a powierzchniow¹ instalacj¹ grzewczo-ch³odnicz¹, i to w obydwu kierunkach do i z górotworu. Jest to jednak wartoœæ trudna do okreœlenia i inna w przypadku ka dej instalacji. W praktyce najczêœciej mówi siê o mocy wymienników otworowych (kolumna c w tabeli 1) i/lub o rocznej iloœci pozyskiwanej energii (kolumna d w tabeli 1). Moc grzewcza, czyli strumieñ energii przekazywanej przez wymiennik otworowy, przede wszystkim zale y od radialnego gradientu temperatury otwór górotwór. W drugiej kolejnoœci decyduje o niej konstrukcja otworowego wymiennika ciep³a. Na iloœæ potencjalnie pozyskiwanej energii ma wp³yw wielkoœæ rezerwuaru, czyli rozmieszczenie i g³êbokoœæ wymienników otworowych oraz pojemnoœæ cieplna ska³ i nasycenie ich wod¹. Liczba wymienników otworowych decyduje natomiast o mocy grzewczej wymienianej z górotworem w okreœlonych warunkach temperaturowych. 557

4 Tabela 1 Œrednie wartoœci parametrów eksploatacyjnych otworowych wymienników ciep³a w ska³ach ró nego typu dla pojedynczego wymiennika o g³êbokoœci 150 m [9] Rodzaj ska³y Przewodnoœæ cieplna ska³ Moc grzewcza Roczna produkcja energii z jednego metra bie ¹cego wymiennika otworowego W m 1 K 1 W m 1 kwh m 1 a b c d Ska³y zbite 3,0 do Ska³y luÿne nasycone wod¹ 2, Ska³y luÿne suche 1,5 do W Polsce tematyka otworowych wymienników ciep³a by³a w sposób naukowy przedstawiana w dosyæ szerokim zakresie. Traktuj¹ o nich m.in. prace realizowane w AGH w Krakowie przez Goneta [1], Goneta i Œliwê [2], Œliwê [14, 15] oraz Œliwê i Goneta [13]. Interesuj¹ce prace z tego obszaru tematycznego by³y realizowane w ZUT przez Kujawê i Nowaka [4, 5], Kujawê i Szaflika [6] oraz Kujawê [3]. Dotyczy³y one miêdzy innymi modelowania wymiany ciep³a w p³ytkich i g³êbokich wymiennikach otworowych z przep³ywem przeciwbie nym i koncentrycznym, analiz wykorzystania istniej¹cych g³êbokich odwiertów do budowy otworowych wymienników ciep³a, obliczeñ i analizy wykorzystania tzw. podziemnego zamkniêtego geotermicznego wymiennika ciep³a do pozyskiwania energii z górotworu. Tematyk¹ t¹ w IGSMiE PAN zajmowa³ siê tak e Paj¹k [7]. 2. KONSTRUKCJE OTWOROWYCH WYMIENNIKÓW CIEP A Podstawowym parametrem systemu otworowych wymienników ciep³a jest mo liwa do uzyskania moc grzewcza. Parametr ten w znacznej mierze wp³ywa na g³êbokoœæ i liczbê otworowych wymienników ciep³a. Dodatkowo ich rozmieszczenie wp³ywa na iloœæ mo liwej do wymiany energii (zasoby ciep³a). Na rozmiary systemu w aspekcie obci¹ eñ szczytowych ma tak e wp³yw konstrukcja wymienników otworowych. Najczêœciej wykonywane s¹ wymienniki przedstawione na rysunku 4. W przypadku z rysunku 4a do otworu wiertniczego wprowadza siê pojedyncz¹ u-rurkê wykonan¹ z tworzywa sztucznego (najczêœciej z polietylenu). Rysunek 4b przedstawia podobny uk³ad z wprowadzonymi do otworu dwoma u-rurkami. Na rysunku 4c przedstawiono uk³ad centryczny wymiennika otworowego. W tabeli 2 przedstawiono jakoœciowe zestawienie parametrów charakteryzuj¹cych opisywane konstrukcje. Jako koszty eksploatacyjne rozumieæ nale y koszty zwi¹zane z wymuszeniem cyrkulacji noœnika ciep³a. 558

5 a) b) c) Rys. 4. Schematy konstrukcji wymienników otworowych: a) z pojedyncz¹ u-rurk¹; b) z podwójn¹ u-rurk¹; c) uk³ad centryczny [1] Tabela 2 Jakoœciowa charakterystyka otworowych wymienników ciep³a wg konstrukcji z rysunku 4 Parametr Rodzaj konstrukcji wymiennika otworowego wg rysunku 4 a b c Koszty inwestycyjne najmniejsze œrednie najwiêksze Koszty eksploatacyjne najwiêksze œrednie najmniejsze Moc grzewcza najmniejsza œrednia najwiêksza W otworach specjalnie wykonanych w celu pozyskiwania ciep³a ziemi mo liwe jest zastosowanie dowolnej konstrukcji. Najczêœciej do g³êbokoœci 150 m wykonuje siê instalacje w postaci u-rurek, a przy wiêkszych g³êbokoœciach instalacje z wymiennikiem centrycznym. Ze wzglêdu na du ¹ liczbê otworów wykonanych w Polsce na potrzeby naftowe powsta³a idea adaptacji wyeksploatowanych odwiertów na otworowe wymienniki ciep³a [14]. 559

6 Jest ona korzystna wówczas, gdy w pobli u takich odwiertów znajduje siê odbiorca ciep³a (ch³odu) najlepiej niskotemperaturowego. Takich przypadków w kraju mo na znaleÿæ wiele, a zdecydowana wiêkszoœæ starych odwiertów zosta³a wykonana na Podkarpaciu i w Ma³opolsce, i do tego w pobli u zabudowañ wymagaj¹cych ogrzewania. Na rysunku 5 pokazano liczbê likwidowanych rocznie odwiertów w po³udniowo-wschodniej Polsce. Rys. 5. Liczba odwiertów zlikwidowanych przez Zak³ad Robót Górniczych Sp. z o.o. w Kroœnie [1] W istniej¹cych odwiertach mo na niezale nie od g³êbokoœci zastosowaæ konstrukcjê wymiennika najkorzystniejsz¹ pod wzglêdem kosztów eksploatacyjnych i parametrów wymiany ciep³a, czyli konstrukcjê centryczn¹. Zastosowanie konstrukcji centrycznej wymaga zapewnienia odpowiedniej szczelnoœci obudowy odwiertu. W przypadku braku szczelnoœci rur ok³adzinowych po odizolowaniu najwy szego horyzontu produktywnego mo na zastosowaæ uk³ad zbudowany z u-rurek i po ich zainstalowaniu w odwiercie wykonaæ uszczelnianie, które bêdzie równoznaczne z doszczelnieniem konstrukcji odwiertu. W odwiertach wczeœniej zlikwidowanych tak e mo na zastosowaæ instalacjê wymiany ciep³a z górotworem [13]. Konieczne jest wtedy czêœciowe przywrócenie funkcjonalnoœci odwiertu. Wymaga ono jednak wykonania prac wiertniczych, co zwi¹zane jest z wiêkszymi kosztami. W odwiertach zlikwidowanych z odzyskiem rur nale y zwierciæ przypowierzchniowy korek uszczelniaj¹cy. W odwiertach zlikwidowanych z pozostawieniem rur ok³adzinowych najczêœciej wystarczy zwierciæ tylko krótszy ni poprzednio korek przypowierzchniowy i wprowadziæ rury wewnêtrzne, wykonuj¹c uk³ad centrycznego wymiennika, po korzystnym wyniku próby szczelnoœci, albo uk³ad u-rurek przy braku szczelnoœci. Na rysunku 6 przedstawiono porównawcze zestawienie konstrukcji jednego z odwiertów z³o a Turaszówka s³u ¹cego do eksploatacji ropy naftowej (a) oraz odwiertu po jego likwidacji (c), a tak e odwiertu zaadaptowanego na otworowy wymiennik ciep³a (b) i otworowego wymiennika powsta³ego po przywróceniu zlikwidowanego odwiertu (d). 560

7 a) b) c) d) Rys. 6. Schemat mo liwej konstrukcji odwiertu zaadaptowanego na wymiennik otworowy (b), odwiertu po likwidacji (c) i wymiennika otworowego powsta³ego po przywróceniu zlikwidowanego odwiertu (d) na bazie odwiertu naftowego z³o a Turaszówka (a): A rury ok³adzinowe, B korek uszczelniaj¹cy, C kolumna rur wewnêtrznych w uk³adzie wspó³osiowym, D kolumna rur wewnêtrznych w postaci podwójnej u-rurki [13] 3. MO LIWOŒCI WYMIANY CIEP A POMIÊDZY POWIERZCHNI A GÓROTWOREM Otworowy wymiennik ciep³a mo na nazwaæ urz¹dzeniem s³u ¹cym do transferu ciep³a pomiêdzy górotworem a powierzchniow¹ instalacj¹ grzewcz¹, ch³odnicz¹ lub grzewczo- -ch³odnicz¹. W celu prowadzenia badañ wymiany ciep³a pomiêdzy powierzchni¹ terenu a górotworem na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH w Krakowie utworzono Laboratorium Geoenergetyki. W tabeli 3 podano litologiê ska³ przewierconego profilu do g³êbokoœci 78 m. Wczeœniej na g³êbokoœci 82 m stwierdzono strop utworów jurajskich. Parametry termiczne by³y wyznaczone na podstawie literatury. Przyjmowano g³êbokoœæ wymiennika otworowego równ¹ g³êbokoœci otworu. Poprawka uwzglêdniaj¹ca g³êbokoœæ studzienki to 1,8 m (tab. 3 strop warstwy nr 1). Jednym z podstawowych parametrów profilu jest jego pierwotna temperatura œrednia (wzory (1) i (9)). W przypadku otworów Laboratorium Geoenergetyki wielkoœæ ta by³a wyznaczana szwajcarskim przyrz¹dem pomiarowym NIMO-T. Na rysunku 7 przedstawiono profil temperatury w jednym z otworowych wymienników ciep³a. We wszystkich wymiennikach 561

8 profil ten by³ identyczny. Temperatura warstw przypowierzchniowych (ok. 20 m) jest specyficzna dla daty pomiaru. By³ to pocz¹tek lipca 2008 r. Œrednia temperatura profilu z rysunku 7 wynosi 12,4 o C. W strefie wymienników otworowych przebiega magistrala ciep³ownicza, która zaburza naturalny modelowy profil temperatury i powoduje podwy szenie temperatury œredniej. Instalacja wymiany ciep³a laboratorium umo liwia pozyskiwanie ciep³a z górotworu na cele grzewcze oraz wprowadzanie ciep³a do górotworu podczas klimatyzacji. Tabela 3 Litologia w profilu przewierconym otworami na terenie Laboratorium Geoenergetyki WWNiG AGH (z uwzglêdnieniem g³êbokoœci studzienek). Parametry termiczne podano na podstawie analizy literaturowej [1] Lp. Strop, m p.p.t. Sp¹g, m p.p.t. Mi¹ szoœæ warstwy, m Litologia Przewodnoœæ cieplna, W m 1 K 1 Ciep³o w³aœciwe objêtoœciowe, MJ m 3 K 1 1 1,8 2,2 0,4 grunty gliniaste 1, ,2 2,6 0,4 namu³y 1,5 2,2 3 2,6 4,0 1,4 piasek drobny i pylasty ,0 6,0 2 piasek drobny 2,2 2,5 5 6,0 15,0 9 pospó³ka i wir 1,8 2,4 6 15,0 30,0 15 i³ szary 2 2,3 7 30,0 78,0 48 i³o³upek szary 2,1 2,3 Œrednia wa ona 2,039 2,309 Rys. 7. Pierwotny profil temperatury w otworowych wymiennikach ciep³a Laboratorium Geoenergetyki WWNiG AGH (2 lipca 2008 r.) 562

9 4. EFEKTYWNOŒÆ ENERGETYCZNA Rozk³ad temperatury w górotworze T bêd¹cy funkcj¹ czasu t i promienia r od osi otworowego wymiennika ciep³a podczas pracy ze sta³¹ moc¹ ciepln¹ q opisuje równanie liniowego Ÿród³a ciep³a [2]: u q e q 4α t Trt (, ) = T+ du T+ ln γ π λ 2 u π λ r 4 2 r 4αt (1) gdzie: T 0 œrednia temperatura profilu, K, q straty ciep³a na jednostkê g³êbokoœci, W m 1 : Q q = H (2) Q moc grzewcza, W, H g³êbokoœæ otworu, m, λ przewodnoœæ cieplna ska³, W m 1 K 1, α dyfuzyjnoœæ cieplna okreœlona wzorem (6), r promieñ od osi otworu, m, γ sta³a Eulera, γ = 0, , u wielkoœæ okreœlona wzorem: 2 r u = 4 α t (3) W warunkach prowadzenia testu reakcji termicznej [2] temperatura noœnika ciep³a w funkcji czasu w uk³adzie pó³logarytmicznym przybiera charakter liniowy. Nachylenie krzywej mo e zostaæ u yte do oceny efektywnej przewodnoœci cieplnej za pomoc¹ wzoru: Q λ ef = 4 π H k (4) gdzie k jest wspó³czynnikiem nachylenia linii trendu (prostej), przedstawiaj¹cej przebieg temperatury noœnika ciep³a w funkcji logarytmu naturalnego czasu trwania fazy grzewczej testu TRT. 563

10 Efektywny wspó³czynnik przewodzenia ciep³a ska³ mo na obliczyæ tak e ze wzoru [1]: 2 q t 2 r ( 1 2 ) ln o t t + 4 π t1 4 α t1 t2 λ ef = Tt ( 2) Tt ( 1) gdzie: t 1 czas pocz¹tkowy, s, t 2 czas koñcowy, s, T(t 1 ) œrednia temperatura noœnika ciep³a w czasie t 1, T(t 2 ) œrednia temperatura noœnika ciep³a w czasie t 2, q straty ciep³a na jednostkê g³êbokoœci wg wzoru (2), W m 1, α s dyfuzyjnoœæ cieplna ska³, m 2 s 1 : λ α= ρ c gdzie: ρ gêstoœæ (masa w³aœciwa) ska³, kg m 3, c ciep³o w³aœciwe masowe ska³, J kg 1 K 1. Rezystancjê termiczn¹ otworowego wymiennika ciep³a, w m K W 1, wyznacza siê natomiast ze wzoru: (5) (6) R q α t r o = ln + γ 4 π λ 2 r 4 α t o (7) W praktyce wyra enie 2 r o 4 α t pomija siê, a wzór przyjmuje postaæ: R 1 4 α t = ln γ q 4 π λ 2 ro Rezystancja termiczna otworowego wymiennika ciep³a okreœlona jest zale noœci¹: α t Rb = ( Tœr T0) Rq = ( Tœr T0) ln γ q q 4 2 π λ ro gdzie: T œr œrednia temperatura noœnika ciep³a, T œr = (T z + T p )/2, o C, T z temperatura zasilania, o C, T p temperatura powrotu, o C, r o promieñ otworu, m, λ przewodnoœæ cieplna ska³, W m 1 K 1, t czas, s. (8) (9) 564

11 Efektywna przewodnoœæ cieplna ska³ oraz rezystancja termiczna otworu maj¹ bezpoœredni wp³yw na potencjaln¹ moc grzewcz¹ otworowego wymiennika ciep³a. W tabelach 4 6 przedstawiono wartoœci cieplnej przewodnoœci efektywnej oraz opornoœci cieplne otworów zmierzone w otworowych wymiennikach ciep³a Laboratorium Geoenergetyki WWNiG AGH. Wartoœci te uzyskano na podstawie analizy krzywej wzrostu temperatury noœnika ciep³a podczas testów reakcji termicznej (TRT). TRT wykonywano przy trzech wartoœciach strumienia objêtoœci noœnika ciep³a, przy sta³ej mocy grzewczej wynosz¹cej 4 kw. Parametry konstrukcyjne otworowych wymienników ciep³a Laboratorium Geoenergetyki zestawiono w tabeli 4. Wszystkie otwory maj¹ g³êbokoœæ 78 m i œrednicê 143 mm. Uk³ad wymiany ciep³a podczas badañ TRT by³ wype³niony wod¹. W tabelach 5 7 liter¹ K oznaczono klasyczny kierunek cyrkulacji noœnika ciep³a (przestrzeni¹ pierœcieniow¹ w dó³ i rur¹ wewnêtrzn¹ do góry) w wymienniku nr 1, a liter¹ O kierunek odwrotny. Wartoœci parametrów zosta³y okreœlone dla przedzia³u czasowego testu od chwili 5r o 2 /α s (r o œrednica otworu, α s dyfuzyjnoœæ cieplna ska³) do koñca fazy grzewczej testu. Przewodnoœæ cieplna ska³ obliczana by³a ze wzorów (4) oraz (5). Opornoœæ termiczna otworowych wymienników by³a okreœlana za pomoc¹ wzoru (9), przy czym za wartoœæ l przyjmowano przewodnoœæ ciepln¹ ska³ λ s (tab. 3) oraz przewodnoœæ efektywn¹ λ ef. Tabela 4 Budowa otworowych wymienników ciep³a Laboratorium Geoenergetyki WWNiG AGH Wyszczególnienie Zabudowa otworu Wype³nienie otworu (uszczelnienie) Iloœæ substancji wype³niaj¹cej rury wymiennika ciep³a Otwór AGH LG 1 rura ok³adzinowa PE Ø 90 mm o gruboœci œciany 5,4 mm; rura wewnêtrzna PE Ø 40 mm o gruboœci œciany 2,4 mm zaczyn uszczelniaj¹cy na bazie cementu (λ=1,2 W m 1 K 1 ) Otwór AGH LG 2 pojedyncza u-rurka PE Ø 40 mm o gruboœci œciany 2,4 mm zaczyn uszczelniaj¹cy na bazie cementu (λ =1,2 W m 1 K 1 ) Otwór AGH LG 3 pojedyncza u-rurka PE Ø 40 mm o gruboœci œciany 2,4 mm zaczyn uszczelniaj¹cy (Thermocem) na bazie cementu o podwy szonej przewodnoœci ciep³a (λ =2,0 W m 1 K 1 ) Otwór AGH LG 4 pojedyncza u-rurka PE Ø 40 mm o gruboœci œciany 2,4 mm wir o granulacji 8 16 mm oraz dwa korki i³owe Compactonit (λ =1,8 W m 1 K 1 ) Otwór AGH LG 5 podwójna u-rurka PE Ø 32 mm o gruboœci œciany 2,4 mm zaczyn uszczelniaj¹cy na bazie cementu (λ =1,2 W m 1 K 1 ) 0, m 3 0, m 3 0, m 3 0, m 3 0, m 3 565

12 Tabela 5 Wartoœci efektywnej przewodnoœci cieplnej oraz opornoœci termicznej wymienników otworowych 3 przy strumieniu objêtoœci noœnika ciep³a V & =12 dm /min Lp Tabela 6 Wartoœci efektywnej przewodnoœci cieplnej oraz opornoœci termicznej wymienników otworowych 3 przy strumieniu objêtoœci noœnika ciep³a V & = 20 dm /min (w przypadku otworowego wymiennika ciep³a nr 5 wartoœæ œrednia z dwóch testów TRT) * Oznaczenia jak w tabeli 5. Obliczany parametr Numer otworowego wymiennika ciep³a 1 (K) 3 Przewodnoœæ cieplna ska³ dla temperatury zasilania T z, λ ef (T z ), W m 1 K 1 2,0756 2,0082 Przewodnoœæ cieplna ska³ dla temperatury powrotu T p, λ ef (T p ), W m 1 K 1 2,0743 2,0079 Przewodnoœæ cieplna ska³ dla temperatury œredniej T œr, λ ef (T œr ), W m 1 K 1 2,0749 2, Przewodnoœæ cieplna ska³ okreœlona wzorem (5), λ ef, W m 1 K 1 1,6994 1, Lp. Opornoœæ otworowego wymiennika dla R q ze wzoru (8) i przewodnoœci ska³ wg tabeli 3, R b dla λ s, m K W 1 0,2125 0,1389 Opornoœæ otworowego wymiennika dla R q ze wzoru (8) i przewodnoœci ska³ wg pozycji 3, R b dla λ ef, m K W 1 0,1702 0,1274 Opornoœæ otworowego wymiennika dla R q ze wzoru (7) i przewodnoœci ska³ wg tabeli 3, R b` dla λ s, m K W 1 0,212 0,1384 Opornoœæ otworowego wymiennika dla R q ze wzoru (7) i przewodnoœci ska³ wg pozycji 3, R b` dla λ ef, m K W 1 0,1696 0,1269 Obliczany parametr* Numer otworowego wymiennika ciep³a 1 (K) 1 (O) λ ef (T z ) 2,3848 2,2302 1,9575 2,0554 2,0267 2, λ ef (T p ) 2,3849 2,2301 1,9577 2,0549 2,0269 2, λ ef (T œr ) 2,3849 2,2301 1,9576 2,0552 2,0268 2, λ ef 1,8914 1,7751 1,7397 1,9920 1,9750 1, R b dla λ s 0,1603 0,1705 0,1415 0,0991 0,1136 0, R b dla λ ef 0,1287 0,127 0,1142 0,0893 0,0953 0, R b` dla λ s 0,1599 0,1701 0,141 0,0985 0,1132 0, R b` dla λ ef 0,1281 0,1264 0,1135 0,0887 0,0948 0,

13 Tabela 7 Wartoœci efektywnej przewodnoœci cieplnej oraz opornoœci termicznej wymienników otworowych 3 przy strumieniu objêtoœci noœnika ciep³a V & = 27 dm /min Lp. Obliczany parametr* Numer otworowego wymiennika ciep³a 1 (K) λ ef (T z ) 2,4458 2,3459 2, λ ef (T p ) 2,4457 2,3808 2, λ ef (T œr ) 2,4457 2,3632 2, λ ef 1,8072 2,0554 2, R b dla λ s 0,1621 0,1406 0, R b dla λ ef 0,1098 0,1301 0, R b` dla λ s 0,1617 0,1402 0, R b` dla λ ef 0,1092 0,1296 0,0959 * Oznaczenia jak w tabeli 5. Opornoœæ termiczna otworowego wymiennika ciep³a o konstrukcji pojedynczej u-rurki zale y od dystansu pomiêdzy osiami rur u-rurki, co pokazuje rysunek 8, a tak e od rodzaju wype³nienia przestrzeni ska³a rury wymiennika ciep³a. Sposoby uszczelniania tej przestrzeni pokazano na rysunku 9. Opór cieplny, m K W 1 1 Wspó³czynnik przewodzenia ciep³a materia³u uszczelniaj¹cego, W m 1 K Rys. 8. Opór cieplny otworu dla pojedynczej u-rurki jako funkcja wspó³czynnika przewodzenia ciep³a materia³u wype³niaj¹cego wymiennik otworowy dla trzech ró nych pozycji u-rurki w otworze [1] 567

14 a) b) c) Rys. 9. Po³o enie rurki do wprowadzania zaczynu uszczelniaj¹cego na przekroju poziomym otworowego wymiennika ciep³a (obszar zakreskowany) dla wymiennika: a) z pojedyncz¹ u-rurk¹; b) z podwójn¹ u-rurk¹; c) centrycznego Jak pokazuje rysunek 10, wartoœæ przewodnoœci cieplnej efektywnej otworowego wymiennika ciep³a wraz ze wzrostem strumienia objêtoœci noœnika ciep³a siê zwiêksza, a opornoœæ termiczna siê zmniejsza. Efektywna przewodnoœæ cieplna, W m λ ef R b dla λ s Opornoœæ termiczna wymiennika otworowego, m K W 1 1 K 1 Rys. 10. Zale noœæ efektywnej przewodnoœci cieplnej w wymienniku otworowym nr 3 oraz opornoœci termicznej od strumienia objêtoœci noœnika ciep³a 568

15 5. WNIOSKI 1. Efektywnoœæ wymiany ciep³a jest zale na przede wszystkim od efektywnej przewodnoœci cieplnej ska³, a tak e od opornoœci termicznej otworu. Moc grzewcza zale y g³ównie od radialnego gradientu temperatury noœnik ciep³a górotwór. Natomiast iloœæ mo liwej do pozyskania (zmagazynowania) energii zale y od wielkoœci rezerwuaru udostêpnionego wymiennikami otworowymi (od liczby wymienników otworowych, ich rozmieszczenia i g³êbokoœci). 2. W celu prowadzenia badañ nad efektywnoœci¹ wymienników otworowych o ró nych konstrukcjach na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH utworzono Laboratorium Geoenergetyki. Laboratorium jest wyposa one w piêæ otworowych wymienników ciep³a o g³êbokoœci 78 m ka dy. 3. W celu okreœlenia efektywnej przewodnoœci cieplnej ska³ i opornoœci termicznej otworowych wymienników ciep³a wykonano szereg testów reakcji termicznej (TRT). 4. Na podstawie testów reakcji termicznej mo na stwierdziæ, e wyznaczona efektywna przewodnoœæ cieplna wzrasta w niewielkim stopniu wraz ze wzrostem strumienia objêtoœci noœnika ciep³a podczas testu. Natomiast opornoœæ termiczna otworowych wymienników ciep³a maleje. Obserwuje siê tak e polepszenie parametrów w przypadku zwiêkszonej przewodnoœci cieplnej uszczelnienia wymienników otworowych. 5. W konstrukcji z podwójn¹ u-rurk¹ i uk³adu centrycznego wartoœci efektywnej przewodnoœci s¹ wy sze ni w przypadku zastosowania pojedynczej u-rurki. 6. Dobór konstrukcji wymienników otworowych do konkretnej instalacji powinien uwzglêdniaæ zarówno efektywnoœæ energetyczn¹, jak te ekonomiczn¹. LITERATURA [1] Gonet A. (red.): Metodyka identyfikacji potencja³u cieplnego górotworu wraz z technologi¹ wykonywania i eksploatacji otworowych wymienników ciep³a. Wydawnictwa AGH, Kraków [2] Gonet A., Œliwa T.: Testowanie otworowych wymienników ciep³a (TRT). GLOBEnergia, nr 1, s. 14, 17. [3] Kujawa T.: Characteristics of Extracting Geothermal Heat for One-Hole Systems. Proceedings of European Geothermal Congress 2007, Unterhaching, Germany [4] Kujawa T., Nowak W.: Shallow and Deep Vertical Geothermal Heat Exchangers as Low Temperature Sources for Heat Pumps. Proceeding of World Geothermal Congress 2000, Kyushu-Tohoku, Japan [5] Kujawa T., Nowak W.: Thermal Calculations of Geothermal Heat Utilising One-Well Systems with Both Injection and Production. Proceeding of World Geothermal Congress 2000, Kyushu-Tohoku, Japan [6] Kujawa T., Szaflik W.: Thermal Field in an Aquiferous Layer behind a Vertical Heat Exchanger. Proceeding of World Geothermal Congress 2000, Kyushu-Tohoku, Japan

16 [7] Paj¹k L.: Usage of Existing Deep Bore-Hholes as Heat Exchangers. Proceeding of World Geothermal Congress 2000, Kyushu-Tohoku, Japan [8] Rak P.: Zestawienie wykonywanych otworowych wymienników ciep³a. Demax Drill, Komorniki [9] Rybach L.: Market Penetration of BHE Coupled Heat Pumps the Swiss Success Story. Geothermal Resources Council Transaction, vol. 22, 1998, s [10] Rybach L., Signorelli S.: Country Update of Switzerland. Proceedings of World Geothermal Congress 2010, Indonesia, Bali [11] Schellschmidt R., Sanner B., Pester S., Schulz R.: Geothermal Energy Use in Germany. Proceedings of World Geothermal Congress 2010, Indonesia, Bali [12] Skowroñski G.: Zestawienie wykonywanych otworowych wymienników ciep³a. Sator, Kozienice [13] Œliwa T., Gonet A.: Koncepcja wykorzystania likwidowanych odwiertów z³o a Turaszówka do pozyskiwania ciep³a celem ogrzewania krytej p³ywalni. Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 23/1, 2006, s [14] Œliwa T.: Techniczno-ekonomiczne problemy adaptacji wykorzystanych odwiertów na otworowe wymienniki ciep³a. AGH WWNiG, Kraków 2002 (rozprawa doktorska). [15] Œliwa T.: Wybrane systemy geotermalne w ska³ach suchych. Konferencja Naukowa Aktualny stan i perspektywy rozwoju górnictwa w aspekcie ochrony œrodowiska, Dniepropietrowsk, Ukraina