ZASTOSOWANIE OTWOROWEGO WSPÓ OSIOWEGO WYMIENNIKA CIEP A DO WYKORZYSTANIA NIECZYNNYCH G ÊBOKICH OTWORÓW WIERTNICZYCH

Transkrypt

1 Koji MORITA National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 16-1 Onogawa, Tsukuba, Ibaraki , Japan Tel. : FAX : k.morita@aist.go.jp Proceedings of International Scientific Conference "Geothermal Energy in Underground Mines" November 21-23, 2001, Ustroñ, Poland ZASTOSOWANIE OTWOROWEGO WSPÓ OSIOWEGO WYMIENNIKA CIEP A DO WYKORZYSTANIA NIECZYNNYCH G ÊBOKICH OTWORÓW WIERTNICZYCH ONE POSSIBLE WAY TO UTILIZE ABANDONED DEEP WELLS - THE APPLICATION OF THE DCHE - S OWA KLUCZOWE: ogrzewanie pomieszczeñ, topienie œniegu, basen k¹pielowy, otworowy wspó³osiowy wymiennik ciep³a, energia geotermalna STRESZCZENIE Autor zaproponowa³ otworowy wspó³osiowy wymiennik ciep³a - OWWC (Downhole Coaxial Heat Exchanger) jako narzêdzie eksploatacji potencjalnych zasobów geotermalnych i przeprowadzi³ zwi¹zane z tym badania. G³ównymi cechami OWWC s¹: zastosowanie wewnêtrznej kolumny bardzo dobrze izolowanych rur, odwrócony (lewy) obieg (tzn. zat³aczanie zimnej wody w dó³ przestrzeni¹ pierœcieniow¹ pomiêdzy rurami ok³adzinowymi i rur¹ wewnêtrzn¹, któr¹ po ogrzaniu wyp³ywa gor¹ca woda) i ca³kowicie zamkniêty system. OWWC ma zastosowanie w bardzo ró norodnych warunkach geologicznych i temperaturach formacji (geologicznej). Mo e byæ wykorzystany do produkcji elektrycznoœci, ogrzewania pomieszczeñ i ch³odzenia, dla krytych basenów k¹pielowych i do topienia œniegu na drogach. Aby sprawdziæ koncepcjê OWWC autor przeprowadzi³ w 1991 r. eksperyment w otworze HGP-A na Hawajach. Eksperyment ten pokaza³, e mo na skonstruowaæ wysoko wydajny OWWC oraz e dok³adnoœæ programu numerycznej symulacji opracowanego przez autora i innych by³a bardzo wysoka. Byæ mo e jest mo liwe przekszta³cenie istniej¹cych w Polsce nieczynnych g³êbokich otworów wiertniczych w wymienniki ciep³a, w celu ich wykorzystania do ogrzewania pomieszczeñ lub rekreacji (baseny k¹pielowe) itp. Autor przeprowadzi³ wstêpne badania dla OWWC o g³êbokoœci 3000 m. Symulacja numeryczna zosta³a przeprowadzona dla przypadku ci¹g³ej pracy wymiennika. Najwiêksz¹ moc ciepln¹ netto 450 kw uzyskano w 180. dniu pracy w przypadku za³o enia temperatury zat³aczanej wody 5 C i natê enia przep³ywu cieczy 600 l/min. W warunkach rzeczywistych, w wiêkszoœci przypadków OWWC pracowa³by w sposób nieci¹g³y. Moc cieplna netto i temperatury na wyp³ywie wy sze od uzyskanych w symulacji powinny byæ osi¹gniête w tych przypadkach. OWWC ma równie zastosowanie dla p³ytkich i nisko-temperaturowych zasobów geotermalnych. Autor opracowa³ system topienia œniegu Gaia, który wykorzystuje grunt jako Ÿród³o ciep³a i cia³o magazynuj¹ce ciep³o. W tym systemie ciep³o s³oneczne absorbowane przez nawierzchniê drogow¹ jest pozyskiwane i magazynowane przez grunt w okresie lata. Tak wiêc, zarówno geotermalne jak i s³oneczne ciep³o jest u yte do topienia œniegu w zimie. Otworowy wymiennik ciep³a mo e byæ u ytecznym narzêdziem wykorzystania potencjalnych zasobów geotermalnych w Polsce. KEY WORDS: space heating, snow melting, swimming pool, downhole coaxial heat exchanger, geothermal ABSTRACT The author has proposed the Downhole Coaxial Heat Exchanger (DCHE) for exploitation of potential geothermal resources and has been carrying out related studies. The major features of the DCHE include the utilization of a highly insulated inner pipe, reverse circulation (i.e., cold water down the annulus and hot water up through the inner pipe) and a completely closed system. The DCHE is applicable to a wide variety of geological conditions and formation temperatures, and can be utilized for power generation, space heating and cooling, indoor swimming pools and for melting snow on roads. In 1991, the author carried out an experiment to prove the concept of the DCHE at the HGP-A well on the Island of Hawaii. Through this experiment, it was demonstrated that a highly efficient DCHE could be constructed and that the accuracy of the numerical simulation code developed by the author and others was very high. It may be possible to convert the many abandoned deep wells which exist in Poland into DCHEs to be used for space heating, swimming pools and so on. The author has carried out a preliminary study on a 3,000m deep DCHE. Numerical simulations have been carried out for the case of continuous operation of the DCHE. The greatest net thermal output at 180 days of elapsed time among the cases assumed in this study was about 450 kw at 5 C of injection temperature and 600 l/min of flow rate. In actual operations, the DCHE would be operated intermittently in most cases. In such cases, greater net thermal output and higher outlet temperatures than obtained in this study should be attained. The DCHE is also applicable to shallow and low temperature geothermal resources. The author has developed the Gaia Snow- Melting System, which utilizes the ground as a heat source and a heat storage body. In this system, solar heat absorbed in the pavement is recovered and stored in the ground over summertime. Hence, both geothermal heat and solar heat are used for melting snow in winter. The DCHE might be a useful tool for the utilization of potential geothermal resources in Poland. * * * * * * Recenzent / Reviewer: prof. dr hab. in. Andrzej Ziêbik 129

2 1. WSTÊP Potencjalne zasoby geotermalne istniej¹ powszechnie. Jednak e zasoby geotermalne ró ni¹ siê od energii s³onecznej i si³y wiatru du ¹ ró norodnoœci¹ form ich wystêpowania. W tym s¹ podobne do zasobów wêgla lub mineralnych. Ró ne metody eksploatacji zasobów wprowadzono z dobrym skutkiem w górnictwie. Aby wykorzystaæ szeroko rozprzestrzenione potencjalne zasoby geotermalne, konieczne jest udostêpnienie wielu metod eksploatacji ciep³a z tych zasobów. Zamkniêty system otworowych wymienników ciep³a wydaje siê byæ obiecuj¹cy dla eksploatacji nieudostêpnionych zasobów geotermalnych. Autor zaproponowa³ otworowy wspó³osiowy wymiennik ciep³a (OWWC, Ryc. 1) i przeprowadzi³ stosowne badania (e.g., Morita et al., 1985; Morita, 1994; Morita and Tago, 1995). Pocz¹tkowym celem tych badañ by³a eksploatacja wysokotemperaturowych i g³êbokich zasobów geotermalnych takich jak Gor¹ce Wilgotne Ska³y, Super Gor¹ce Ska³y przylegaj¹ce do magmy i magma przy zastosowaniu OWWC. Jednak e OWWC mo e byæ stosowany w ró norodnych warunkach geologicznych i temperaturach formacji, oraz mo e byæ wykorzystany nie tylko w produkcji elektrycznoœci, ale te do ogrzewania pomieszczeñ i ch³odzenia, dla krytych basenów k¹pielowych i do topienia œniegu na drogach. W niniejszym artykule przedstawiono w zarysie koncepcjê OWWC i wyniki wstêpnych badañ dotycz¹cych jego zastosowania w istniej¹cych nieczynnych g³êbokich otworach wiertniczych w Polsce. Zaprezentowano równie system topienia œniegu Gaia, który wykorzystuje termiczne funkcje p³ytkiego i nisko-temperaturowego gruntu przy u yciu OWWC. 1. INTRODUCTION Potential geothermal resources exist universally. However, geothermal resources are different from solar energy and wind power in regard to the wide variety of their existing forms. This is similar to coal or mineral resources. In mining, various methods have been developed for mining resources effectively. In order to utilize widespread potential geothermal resources, it is necessary to develop many types of heat mining methods. Closed system downhole heat exchangers seem to be very promising for the exploitation of undeveloped geothermal resources. The author has been proposing the Downhole Coaxial Heat Exchanger (DCHE, Fig. 1) and has been carrying out studies on it (e.g., Morita et al., 1985; Morita, 1994; Morita and Tago, 1995). The initial purpose of these studies was to exploit high temperature and deep geothermal resources such as Hot Wet Rock, Super Hot Rock adjacent to magma and magma with the DCHE. However, the DCHE is applicable to various geological conditions and formation temperatures, and can be utilized not only for power generation, but also for space heating and cooling, indoor swimming pools and melting snow on roads. In this paper, an outline of the DCHE and the results of a preliminary study on the application of the DCHE to abandoned deep wells in Poland are introduced. Also, the Gaia Snow-Melting System, which utilizes thermal functions of shallow and low temperature ground with the DCHEs, is introduced. 2. CZYM JEST OWWC? 2.1 Koncepcja OWWC Autor pokaza³ przy pomocy programu numerycznej symulacji, opracowanego przez niego i innych autorów (Morita et al., 1984; Morita, 1994), e mo na przeprowadziæ bardzo wydajne pozyskanie ciep³a poprzez wewnêtrzn¹ kolumnê bardzo dobrze izolowanych rur i odwrócony obieg (tzn. zat³aczanie zimnej wody w dó³ przestrzeni¹ pierœcieniow¹ miêdzy obudow¹ otworu i wewnêtrzn¹ rur¹, i pobierania gor¹cej wody t¹ rur¹) (Morita et al., 1985; Morita and Matsubayashi, 1986). Autor nazwa³ ten wymiennik ciep³a - "otworowy wspó³osiowy wymiennik ciep³a" (OWWC) - i rozpocz¹³ dotycz¹ce go badania. Ryc. 2 pokazuje profile temperatury w otworowym wspó³osiowym wymienniku ciep³a po 30 dniach ci¹g³ej pracy w przypadku odwróconego obiegu wody. Za³o- ono pocz¹tkow¹ temperaturê na powierzchni ziemi 15 C, a na dnie otworu 350 C, oraz natê enie przep³ywu równe 300 l/min. Widoczne jest z tej ryciny, e im mniejsza przewodnoœæ cieplna (tzn. wiêksza jakoœæ izolacji) wewnêtrz- Ryc. 1. Model koncepcyjny OWWC. Fig.1. Concept of the DCHE. 130

3 nej rury, tym wy sza temperatura gor¹cej wody na wyp³ywie wymiennika. Temperatura gor¹cej wody w przypadku przewodnoœci cieplnej rury wynosz¹cej 0,01 W/m K jest o 98 C wy sza ni w przypadku 46,1 W/m K wartoœci przewodnoœci stalowej rury. Ryc. 3 przedstawia zale noœæ pomiêdzy przewodnoœci¹ ciepln¹ wewnêtrznej rury i uzyskan¹ moc¹ ciepln¹ netto wymiennika ciep³a, którego dotyczy Ryc. 2. Uzyskana moc cieplna netto w przypadku przewodnoœci 0,01 W/m K jest ponad 10 razy wiêksza ni przy u yciu stalowej rury. Jest wiêc oczywiste, e zastosowanie bardzo dobrze izolowanej wewnêtrznej rury zwiêkszy znacz¹co moc ciepln¹ netto uzyskiwan¹ przez wymiennik. Z ryciny tej równie wynika, e wp³yw poprawy jakoœci izolacji na zwiêkszenie mocy cieplnej maleje przy wartoœciach przewodnoœci mniejszych ni 0,1 W/m K. Oznacza to, e jeœli bêdzie dostêpna izolowana rura o przewodnoœci mniejszej ni 0,1 W/m K, to mo na bêdzie otrzymaæ ju bardzo sprawny wymiennik ciep³a. Ryc. 4 pokazuje profile temperatury w wymienniku z izolowan¹ wewnêtrzn¹ rur¹ o przewodnoœci cieplnej 0.01 W/m K, po 30 dniach ci¹g³ej pracy dla przypadku prawego obiegu. Wtedy, w przestrzeni pomiêdzy rurami nast¹pi³by ubytek ciep³a z gor¹cej wody do otaczaj¹cej formacji na odcinku, w którym temperatura gor¹cej wody jest wy sza ni temperatura formacji, co widaæ na rycinie. Ponadto, wydobycie ciep³a jest ograniczone poni ej g³êbokoœci, na której temperatura gor¹cej wody osi¹ga wartoœæ temperatury formacji. Z tych powodów uzyskana tak moc cieplna netto wynosi oko³o 70% mocy uzyskanej w przypadku odwróconego obiegu wody. Aby osi¹gn¹æ efektywny odbiór ciep³a z formacji, konieczna jest maksymalizacja ró nicy temperatury pomiêdzy medium pobieraj¹cym ciep³o i formacj¹ oraz minimalizacja strat ciep³a. Odwrócony obieg minimalizuje ubytek ciep³a z wymiennika do formacji i zapobiega spadkom temperatu- Ryc. 3. Zale noœæ miêdzy przewodnoœci¹ ciepln¹ wewnêtrznej rury i uzyskan¹ moc¹ ciepln¹ netto po 30 dniach pracy dla przypadku odwróconego obiegu wody. Fig.3. The relationship between the thermal conductivity of the inner pipe and the net thermal output after 30 days of operation in the case of reverse circulation. Ryc. 2. Wp³yw przewodnoœci cieplnej wewnêtrznej rury na profile temperatury w otworowym wspó³osiowym wymienniku ciep³a po 30 dniach pracy dla przypadku odwróconego obiegu wody. Fig. 2. The effect of the thermal conductivity of the inner pipe on the temperature profiles in the coaxial type downhole heat exchanger after 30 days of operation in the case of reverse circulation. 2. WHAT IS THE DCHE? 2.1 The Concept of the DCHE The author has shown that very efficient heat extraction can be performed with a highly insulated inner pipe and reverse circulation (i.e., cold water down the annulus and hot water up through the inner pipe) (Morita et al., 1985; Morita and Matsubayashi, 1986) by using a numerical simulation code developed by the authors and others (Morita et al., 1984; Morita, 1994). The author has named this heat exchanger the Downhole Coaxial Heat Exchanger (DCHE) and initiated studies on the DCHE. Fig. 2 shows temperature profiles in the coaxial type heat exchanger after 30 days of continuous operation for the case of reverse circulation. In these cases, the initial ground surface and the bottom-hole temperatures are assumed to be 15 C and 350 C, respectively, and the flow rate to be 300 l/min. It can be seen from this figure that the lower the thermal conductivity (i.e., the higher the insulation performance) of the inner pipe, the higher the hot water temperature at the outlet of the heat exchanger. The hot water temperature in the case of a thermal conductivity of 0.01 W/m K is 98 C higher than that in the case of 46.1 W/m K which corresponds to the case of a steel pipe. Fig. 3 shows the relationship between the thermal conductivities of the inner pipe and the net thermal outputs of the heat exchanger corresponding to Fig. 2. The net thermal output in the case of 0.01 W/m K is more than 10 times greater than that with steel pipe. It 131

4 ry w wewnêtrznej rurze. Te zale noœci daj¹ w wyniku wiêksz¹ moc ciepln¹. St¹d OWWC jest uwa any za najbardziej wydajny otworowy wymiennik ciep³a. 2.2 Bardzo dobrze izolowana rura dla OWWC Wymiennik OWWC mo e byæ osi¹gniêty jedynie przy u yciu odpowiedniej bardzo dobrze izolowanej rury. Wymagania co do rury to wysoka jakoœæ jej izolacji przy zachowaniu cienkich œcian, wysoka odpornoœæ na temperaturê i dostatecznie du a dopuszczalna g³êbokoœæ, do której mo e byæ zapuszczona. Autor opracowa³ konstrukcjê takiej rury (e.g., Morita, 1989; 1992). Ostatecznie uzyskano odpowiedni¹ izolowan¹ rurê o wysokiej jakoœci izolacyjnej z ekwiwalentn¹ przewodnoœci¹ ciepln¹ oko³o 0,02 W/m K. Ryc. 5. pokazuje budowê rury izolowanej w miejscu ³¹czenia odcinków. Zasadniczo ta izolowana rura jest podwójn¹ rur¹ pró niow¹. G³ówn¹ jej cech¹ jest to, e przestrzeñ miêdzy wewnêtrzn¹ a zewnêtrzn¹ "œcian¹" rury jest wype³niona proszkiem i wytwarzana jest w niej pró nia. Wype³nienie proszkiem przestrzeni pozwala na zastosowanie cienkoœciennej rury jako œciany wewnêtrznej, poniewa proszek dzia³a jak podpora. W ten sposób, grubsza warstwa izolacyjna mo e byæ wykonana przy ograniczonej gruboœci œciany izolowanej rury. Proszek wype³niaj¹cy przestrzeñ daje mo liwoœæ uzyskania wysokiej jakoœci izolacji przy raczej ma³ym podciœnieniu. Ma³e podciœnienie jest korzystne w utrzymaniu pró ni czy te zapobie eniu pogorszenia siê jakoœci izolacyjnej przez d³ugi okres. Ryc. 6 przedstawia mierzon¹ ekwiwalentn¹ przewodnoœæ ciepln¹ odcinka rury obejmuj¹cego z³¹czkê. Ekwiwalentna przewodnoœæ cieplna i jakoœæ izolacji zmieniaj¹ siê nieco w zale noœci od materia³u u ytego do izolacji z³¹czki. Jednak e z ryciny jasno wynika, e wysoka jakoœæ izolacji mo e byæ osi¹gniêta dla opracowanej rury. Niestety, rura tego typu nie jest osi¹galna na rynku handlowym. Dostêpne na rynku s¹ izolowane rury produkowane przez Kawatetsu Tubic Company Ryc. 5. Budowa izolowanej rury opracowanej przez autora. Fig. 5. The structure of the insulated pipe developed by the author. Ryc. 4. Profil temperatury w otworowym wspó³osiowym wymienniku ciep³a przy zastosowaniu wewnêtrznej rury izolowanej o przewodnoœci cieplnej 0.01 W/m K w przypadku prawego obiegu wody. Fig. 4. Temperature profile in the coaxial type downhole heat exchanger using insulated inner pipe with 0.01W/m K of thermal conductivity in the case of forward circulation. is clear that the utilization of highly insulated inner pipe increases the thermal output of the heat exchanger significantly. Also, it can be seen from this figure that the effect of improvement of the insulation performance on enhancement of the thermal output decreases at less than 0.1 W/m K. This indicates that if the insulated pipe with less than 0.1 W/m K of thermal conductivity is available, a very efficient heat exchanger can be realized. Fig. 4 shows the temperature profile in the heat exchanger with insulated inner pipe, of which the thermal conductivity is 0.01 W/m K, after 30 days of continuous operation for the case of forward circulation. In such cases, heat loss from hot water in the annulus to the surrounding formation should occur, as can be seen in this figure, in the section where the hot water temperature is higher than the formation temperature. Besides this, the heat extraction is limited below the depth where the hot water temperature reaches the same temperature as the formation temperature. For these reasons, the net thermal output in this case is about 70% that of the reverse circulation. In order to achieve efficient heat extraction from the formation, it is necessary to maximize the temperature difference between the heat extraction medium and the formation, and to minimize the heat loss. Reverse circulation minimizes the heat loss from the heat exchanger to the formation. Also, the insulated inner pipe makes possible a greater temperature difference between the working fluid and the surrounding formation, and prevents temperature drops in the inner pipe. These functions result in greater thermal output. 132

5 Hence, the DCHE is thought to be the most efficient downhole heat exchanger. 2.2 Highly Insulated Pipe for the DCHE Ryc. 6. Ekwiwalentna przewodnoœæ cieplna izolowanej rury na odcinku z³¹czki. Liczby na rycinie odpowiadaj¹ liczbie próbek. Fig. 6. Equivalent thermal conductivity of the insulated pipe at the coupling section. Numbers in this figure denote a sample number. w Japonii. O ile autor jest zorientowany, firma ta mo e byæ obecnie jedynym wytwórc¹ izolowanych rur, które mog³yby byæ stosowane dla g³êbokich OWWC. S¹ to tak e rury podwójne, w których przestrzeñ miêdzy œcianami jest wype³niona obojêtnym gazem o niskiej przewodnoœci (argonem). Wed³ug producenta ekwiwalentna przewodnoœæ cieplna tych rur wynosi 0,07 W/m K. Tabela 1 przedstawia specyfikacjê parametrów rur produkowanych standardowo. Przedstawione tutaj rury izolowane s¹ odpowiednie do stosowania OWWC dla temperatur do 350 C. 3. EKSPERYMENTALNE SPRAWDZENIE KONCEP- CJI OWWC Pierwszy polowy eksperyment z OWWC zosta³ przeprowadzony w otworze HGP- A na Hawajach w 1991 r. By³ to miêdzynarodowy projekt badawczy, w którym uczestniczyli Pacific International Center for High Technology Research (PICHTR), USA, oraz Engineering Advancement Association of Japan (Morita et al., 1992a; 1992b). Ryc. 7 przedstawia profil rur ok³adzinowych otworu wiertniczego, w którym zainstalowano OWWC. G³êbokoœæ otworu wynosi 1962 m. Wymiennik ciep³a zosta³ wbudowany w rury ok³adzinowe o œrednicy 7". Do konstrukcji wewnêtrznej rury izolowanej wymiennika u yto 74 odcinki podwójnych rur pró niowych o œrednicy 3,5". Dno izolowanej rury wewnêtrznej posadowiono na g³êbokoœci 876,5 m. Formacjê skaln¹ stanowi bazalt na ca³ej d³ugoœci otworu wiertniczego. Temperatura na dnie testowanego odcinka wynosi³a 110 C przed rozpoczêciem eksperymentu (Ryc. 9). Ryc. 8 przedstawia gor¹c¹ wodê uzyskan¹ przy p³ukaniu wymiennika ciep³a po jego zainstalowaniu. P³ukanie przeprowadzono z odwróconym obiegiem wody. Zatem w rzeczywistoœci p³ukanie sta³o siê pierwsz¹ prac¹ OWWC. The DCHE can only be realized with a suitable highly insulated pipe. The requirements of the pipe are high insulation performance with thin walls, high temperature resistance and a sufficiently long allowable hanging depth. The author has carried out the development of such a pipe (e.g., Morita, 1989; 1992). Eventually, a suitable insulated pipe with high insulation performance, and with an equivalent thermal conductivity of about 0.02 W/m K, was developed. Fig. 5 shows the structure of the insulated pipe at the coupling section. This insulated pipe is essentially a double tube vacuum pipe. The major feature of this pipe is that the gap between the outer and inner tubes is filled with a powder and a vacuum is created in it. Filling the gap with the powder allows the utilization of a thin walled pipe for the inner tube, since the powder acts as a support. Thus, a thicker insulation layer can be formed in a limited wall thickness of insulated pipe. Also, the powder filling makes high insulation performance possible at rather low vacuum pressures. Low vacuum pressures have the advantage of maintaining the vacuum or preventing deterioration of insulation performance for long duration. Fig. 6 shows the measured equivalent thermal conductivity of a section of the pipe that includes the coupling. The equivalent thermal conductivity or insulation performance varies slightly depending upon the materials used to make the coupling insulator. However, it is clear from the figure that very high insulation performance can be achieved with the developed pipe. Unfortunately, this pipe is not available on the commercial market. Commercially available insulated pipes are pipes produced by Kawatetsu Tubic Company, Japan. As far as the author knows, this company may currently be the only manufacturer of insulated pipes applicable to the deep DCHE. These pipes are also double tube type pipes. In these pipes, the gap between two tubes is filled with a low conductivity inert gas (Argon). According to the company, the equivalent thermal conductivity of these pipes is 0.07 W/m K. Table 1 shows the specifications of the standard and optional pipes of the company. The introduced insulated pipes here are suitable for DCHE applications for temperatures up to 350 C. 3. AN EXPERIMENT TO PROVE THE CONCEPT OF THE DCHE The first field experiment for the DCHE was carried out on the Island of Hawaii at the HGP-A well in 1991 as an international cooperative project between the Pacific International Center for High Technology Research (PICHTR), USA, and the Engineering Advancement Association of Japan (Morita et al., 1992a; 1992b). 133

6 Tabela 1. Specyfikacja parametrów rur izolowanych produkcji Kwatetsu Tubic Company, Japonia. Table 1. Specifications of the insulated pipes produced by Kwatetsu Tubic Company, Japan. Standard Products Optional Products Size of Tubes (inch) 2.875X X X X X3.50 Weight (kg/m) Length (ft) 29 ~ 33 Outer Diameter (mm) Inner Diameter (mm) Warunki testu by³y nastêpuj¹ce: ciecz obiegowa wymiennika...woda wodoci¹gowa natê enie przep³ywu...80 l/min temperatura wody zat³aczanej na g³owicy...30 C ciœnienie wody zat³aczanej na g³owicy...1,5 kgf/cm 2 Powy sze wartoœci by³y sta³e w czasie eksperymentu. Analizê wyników eksperymentu przeprowadzono w celu zbadania jakoœci izolacji wewnêtrznej rury u ytej w wymienniku i okreœlenia charakterystyki przep³ywu ciep³a w formacji. Drugim celem by³o potwierdzenie dok³adnoœci programu symulacji opracowanego przez autora i innych. Ryc. 9 pokazuje temperaturê mierzon¹ w wewnêtrznej rurze i w urz¹dzeniach powierzchniowych w czasie cyrkulacji po up³ywie oko³o 93 godzin pracy. Profilowanie temperatury wykonano przy pomocy przyrz¹du Kuster. Na rycinie pokazano równie profil temperatury obliczony w 93 godzinie przep³ywu. Temperaturê obliczono dla przypadku, w którym ekwiwalentna przewodnoœæ cieplna rury wynosi 0,06 W/m K, a efektywna przewodnoœæ cieplna formacji - 1,6 W/m K. Na powierzchni temperatura gor¹cej wody mierzona przyrz¹dem Kuster by³a nieco ni sza ni mierzona w urz¹dzeniach powierzchniowych. Prawdopodobnie Ryc. 7. Profil wiercenia i obudowy otworu HGP-A z wymiennikiem OWWC. Fig. 7. Drilling and casing profile of the HGP-A well with the DCHE. Fig. 7 shows the casing profile of the well with the DCHE installed. The depth of the well is 1,962 m. The DCHE was constructed within the 7.0 interval. A total of 74 sections of 3.5 vacuum type double tube insulated pipe were used as the inner pipe of the DCHE. The bottom-end of the insulated inner pipe was set at a m depth. The formation is basaltic for the entire length of the well. The temperature at the bottom of the test interval was 110 C before the onset of the experiment (see Fig. 9). Fig. 8 shows produced hot water during the flushing of the DCHE after its completion. The flushing was carried out with reverse circulation. Hence, in actuality, this flushing became the first operation of the DCHE. The test conditions were as follows : Working fluid Tap water Flow rate 80 l/min Inlet water temperature 30 C Inlet water pressure 1.5 kgf/cm 2 The above values were kept constant during the experiment. An analysis of the experimental results was carried out to investigate the insulation performance of the inner pipe used in the DCHE and the heat transfer characteristics within the formation. Another purpose of this analysis was to confirm the accuracy of the simulation code which was developed by the author and others. Fig. 9 shows measured temperatures in the inner pipe and at the surface facility during circulation at around 93 hours in elapsed time. This temperature log was carried out using a Kuster tool. Also, computed temperature profile at 93 hours in elapsed time is shown in the figure. The computed temperatures are temperatures in the case of equivalent thermal conductivity of the inner pipe 0.06 W/m K and effective thermal conductivity of the formation 1.6 W/m K. At the surface, the hot water temperature measured by the Kuster tool was slightly lower than that measured at the surface facility. This was probably due to insufficient time to equilibrate the tool to the hot water temperature. The thermal capacity of the tool is rather great and it takes a longer time to equilibrate its temperature to the measurement environment. If the hot water temperature measured at the surface facility is regarded as the water temperature at the outlet of the DCHE, the temperature drop in the 134

7 spowodowane by³o to tym, e czas stabilizacji przyrz¹du do pomiaru w gor¹cej wodzie by³ niewystarczaj¹cy. Pojemnoœæ cieplna przyrz¹du jest raczej du a i potrzebuje on d³u szego czasu do zrównowa enia swojej temperatury wzglêdem œrodowiska pomiaru. Jeœli temperaturê gor¹cej wody mierzon¹ w urz¹dzeniach powierzchniowych uzna siê za temperaturê wody na wyp³ywie wymiennika, to spadek temperatury na odcinku od dna wewnêtrznej rury do wyp³ywu z wymiennika wynosi 1,2 C. Ryc. 10 przedstawia zale noœæ miêdzy ekwiwalentn¹ przewodnoœci¹ ciepln¹ wewnêtrznej rury i odpowiadaj¹cym jej spadkiem temperatury w tej rurze uzyskan¹ w wyniku numerycznej symulacji w 93. godzinie przep³ywu przy za³o eniu efektywnej przewodnoœci cieplnej formacji równej 1,6 W/m K. Z ryciny widaæ, e taki sam spadek temperatury jak zmierzony ma miejsce, gdy przewodnoœæ cieplna wewnêtrznej rury jest równa 0,06 W/m K. Zatem oszacowano, e ekwiwalentna przewodnoœæ cieplna rury wynosi 0,06 W/m K. Wynik ten wskazuje, e jakoœæ izolowanej rury u ytej jako rury wewnêtrznej jest wystarczaj¹co wysoka dla zastosowania OWWC. Wartoœæ oszacowanej efektywnej przewodnoœci cieplnej formacji wynosi 1.6 W/m K (Morita et al., 1992b; Morita and Bollmeier, 1995). Jest ona zgodna z przewodnoœci¹ ciepln¹ nasyconego wod¹ bazaltu hawajskiego (Horai, 1991). Ryc. 11 przedstawia porównanie mierzonych i obliczonych zmian temperatury gor¹cej wody. Zmiany obliczone uzyskano przyjmuj¹c oszacowan¹ jakoœæ izolacji wewnêtrznej rury i w³aœciwoœci fizyczne formacji. Na tej rycinie trudno zauwa yæ ró nicê pomiêdzy obliczonymi i mierzonymi zmianami temperatury gor¹cej wody. Tak dobra zgodnoœæ wskazuje, e mechanizm przep³ywu ciep³a w formacji w interwale odbioru ciep³a (od g³êbokoœci 300 m do dna wymiennika; ma³a Ryc. 10. Zale noœæ miêdzy ekwiwalentn¹ przewodnoœci¹ ciepln¹ wewnêtrznej rury i odpowiadaj¹cym jej spadkiem temperatury w rurze. Fig. 10Relationship between the equivalent thermal conductivity of the inner pipe and the corresponding temperature drop in the pipe. Ryc. 8. Gor¹ca woda uzyskana na wyp³ywie podczas p³ukania OWWC po jego zainstalowaniu Fig. 8. Produced hot water during the flushing of the DCHE after its completion. Ryc. 9. Profil temperatury mierzonej w wewnêtrznej rurze podczas przep³ywu wody w oko³o 93 godzinie pracy w porównaniu z obliczon¹ temperatur¹ dla tego samego czasu. Fig. 9. Measured temperature profile in the inner pipe during circulation at around 93 hours in elapsed time along with the computed temperature profile at the same elapsed time. interval between the bottom end of the inner pipe and the outlet of the DCHE is 1.2 C. Fig. 10 shows relationship between the equivalent thermal conductivity of the inner pipe and the corresponding temperature drop in the pipe, obtained by numerical simulations for the case of effective thermal conductivity of the formation is 1.6 W/m K, at 93 hours of elapsed time. It can be seen from the figure that the same temperature drop as the measured one occurs when the thermal conductivity of the inner pipe is 0.06 W/m K. Therefore, the equivalent thermal conductivity of the pipe is estimated to be 0.06 W/m K. This result indicates that the performance of the insulated pipe used as the inner pipe is sufficiently high for DCHE application. 135

8 iloœæ energii jest pozyskiwana w interwale od powierzchni ziemi do g³êbokoœci 300 m, ryc. 9) polega na "czystym" przewodnictwie, bowiem "czyste" przewodnictwo by³o za³o one w symulacji. Ryc. 12 pokazuje porównanie mierzonych i obliczonych zmian ciœnienia wody na wyp³ywie. Mierzone i obliczone zmiany ciœnienia wody na wyp³ywie pokrywaj¹ siê ca³kiem dobrze. Z ryciny wynika, e po 5 godzinach od rozpoczêcia cyrkulacji, ciœnienie na wyp³ywie jest wy sze ni ciœnienie wody wp³ywaj¹cej. To wskazuje, e wzrost ciœnienia w wymienniku dziêki ró nicy gêstoœci zimniejszej wody w przestrzeni miêdzy rurami i gorêtszej w wewnêtrznej rurze by³ wiêkszy ni straty w wyniku tarcia w wymienniku. Œwiadczy to o mo liwoœci przep³ywu wody w OWWC bez u ycia pomp w ci¹gu tego okresu. Zjawisko wyst¹pi³o jak to z góry przewidziano za pomoc¹ symulacji numerycznej. Poprzez ten eksperyment pokazano, e wysoce sprawny OWWC mo e zostaæ skonstruowany przy u yciu powszechnie stosowanej technologii, i e program symulacji numerycznej opracowany przez autora i innych posiada wysok¹ dok³adnoœæ w prognozowaniu temperatury i ciœnienia. Udowodniono zatem, e koncepcja OWWC jest racjonalna. 4. WSTÊPNE BADANIA MO LIWOŒCI WYKORZY- STANIA G ÊBOKIEGO OWWC W POLSCE Ryc. 13 przedstawia rozmieszczenie w Polsce, wszystkich wierceñ g³êbszych ni 3000 m i zakoñczonych w latach , zestawione przez dr Zbigniewa Ma- ³olepszego. Uwa a siê, e w Polsce istnieje kilka tysiêcy zlikwidowanych otworów wiertniczych (Bojarski, 1996). Ostaficzuk (2000) zaproponowa³ przekszta³cenie ich na otwory dostarczaj¹ce energiê geotermaln¹ przy zastosowaniu otworowych wymienników ciep³a lub wypompowywanie wody geotermalnej. Istniej¹ tak e opracowania dotycz¹ce p³ytkich i g³êbokich pionowych wymienników ciep³a (e.g., Kujawa and Nowak, 2000a, 2000b; Kujawa and Szafik, 2000). The effective thermal conductivity of the formation was estimated to be 1.6 W/m K (Morita et al., 1992b; Morita and Bollmeier, 1995). This value is concordant with the thermal conductivity of water-saturated Hawaiian basalt (Horai, 1991). Fig. 11 shows a comparison between the measured and computed hot water temperature changes. The computed change was obtained using the estimated insulation performance of the inner pipe and the physical properties of the formation. It is difficult to distinguish the difference between the measured and computed hot water temperature changes in this figure. Such good agreement indicates that the heat transfer mechanism in the formation in the heat extraction interval (between 300 m in depth and the bottom of the DCHE; little energy was extracted in the interval from the ground surface to 300 m in depth, see Fig. 9) is almost pure conduction, because pure conduction was assumed in the simulation. Fig. 12 shows a comparison between the measured and computed outlet water pressure changes. Measured and computed outlet water pressure changes also agreed quite well. It can be seen in this figure that an outlet pressure is higher than the inlet pressure for 5 hours after the onset of the circulation. This indicates that the pressure which had arisen in the DCHE due to the density difference between the colder water in the annulus and the hotter water in the inner pipe was greater than the friction loss in the DCHE. This indicates that it was possible to circulate water in the DCHE without a pump during this period. This phenomenon occurred as it had been predicted beforehand by numerical simulation. Through this experiment, it was demonstrated that a highly efficient DCHE can be constructed with current technology, and that the numerical simulation code developed by the author and others has very high accuracy for temperature and pressure predictions. The concept of the DCHE was thus proved to be sound. Ryc. 11. Porównanie mierzonych i obliczonych zmian temperatury gor¹cej wody. Fig. 11. Comparison between measured and computed hot water temperature changes. Ryc. 12. Porównanie mierzonych i obliczonych zmian ciœnienia na wyp³ywie. Fig. 12. Comparison between measured and computed outlet water pressure changes. 136

9 Ryc. 13. Lokalizacja g³êbokich otworów wiertniczych w Polsce (zestawi³ dr Zbigniew Ma³olepszy). Fig. 13. Deep wells in Poland (by the courtesy of Dr. Zbigniew Malolepszy). Autor przeprowadzi³ wstêpne badania odnoœnie OWWC o g³êbokoœci 3000 m przy wspó³pracy Prof. Stanis³awa Ostaficzuka i Dr Ma³olepszego. Wykonano symulacje numeryczne dla przypadku ci¹g³ej pracy OWWC. Celem tych badañ by³o poznanie ogólnej charakterystyki g³êbokiego OWWC, zw³aszcza zakresu uzyskiwanej mocy cieplnej i temperatury gor¹cej wody na wyp³ywie, oraz zdobycie podstawowych informacji do dalszych badañ. Ryc. 14 pokazuje profile wiercenia i obudowy otworu dla modelu OWWC przyjêtego w niniejszych badaniach. Za³o ono, e wewnêtrzna rura zbudowana jest z podwójnej rury izolowanej, wype³nionej miêdzy œcianami obojêtnym gazem. Ekwiwalentn¹ przewodnoœæ ciepln¹ przyjêto równ¹ 0,12 W/m K. Œrednice rury izolowanej, zewnêtrzna i wewnêtrzna, wynosz¹ odpowiednio 11,4 cm i 7,8 cm. Tabela 2 przedstawia fizyczne w³aœciwoœci materia³ów i formacji przyjête w niniejszych badaniach. Za- ³o ona przewodnoœæ cieplna formacji wynosi 3,0 W/m K. Ryc. 15 pokazuje za³o ony profil temperatury pocz¹tkowej formacji. Przyjêto temperaturê 13 C na powierzchni ziemi i 75 C na g³êbokoœci 3000 m. 4.1 Wp³yw d³ugoœci izolacji rury wewnêtrznej W celu zbadania wp³ywu zastosowania izolowanej rury wewnêtrznej na temperaturê na wyp³ywie i moc ciepl- 4. PRELIMINARY STUDY ON A DEEP DCHE IN POLAND Fig. 13 shows the distribution of wells in Poland, compiled by Dr. Zbigniew Malolepsy, all deeper than 3,000m and completed during the period from 1952 to It is said that there are several thousand abandoned wells in Poland (Bojarski, 1996). Ostaficzuk (2000) suggested turning these wells into geothermal energy suppliers by applying down-hole heat exchangers or by pumping out geothermal water. Also, there are studies regarding shallow and deep vertical heat exchangers (e.g., Kujawa and Nowak, 2000a and 2000b; Kujawa and Szafik, 2000). The author has carried out a preliminary study on a 3,000m deep DCHE in cooperation with Prof. Stanislaw Ostaficzuk and Dr. Malolepsy. Numerical simulations were carried out for the case of continuous operation of the DCHE. The purpose of this study was to gain an understanding of the general characteristics of the deep DCHE, especially the degrees of thermal output and hot water temperature, and to obtain basic information for further investigations. Fig. 14 shows the drilling and casing profiles along with the DCHE assumed in this study. As the insulated inner pipe, inert gas type double tube insulated pipe was assumed. The equivalent thermal conductivity of the pipe was assumed to be 0.12W/m K. Outer and inner 137

10 Tabela 2. Fizyczne w³aœciwoœci materia³ów Table 2. Physical properties of materials. Material Specific Weight ( kg / m 3 ) Specific Heat ( J /kg K) Thermal Conductivity ( W/ m K ) Steel 7, Cement 1, Formation 2, n¹ OWWC wykonano symulacje numeryczne dla ró - nych d³ugoœci izolowanego odcinka rury wewnêtrznej. Za³o ono posadowienie izolowanej rury od powierzchni ziemi oraz stalowej rury o parametrach 4 1/2" - 12,6 lb/ft w przed³u eniu poni ej izolacji do dna wymiennika OWWC. Wszystkie symulacje zosta³y wykonane dla 180 dni ci¹g³ej pracy wymiennika. Ryc. 16 i 17 pokazuj¹ odpowiednio zmiany temperatury na wyp³ywie i mocy cieplnej netto wymiennika dla ró nego stosunku d³ugoœci izolowanego odcinka do ca³kowitej d³ugoœci wymiennika. Za³o ono tutaj, e temperatura zat³aczanej wody i natê enie przep³ywu wynosz¹ 15 C i 400 l/min. Z rycin wynika, e na ogó³ im d³u szy odcinek izolowany, tym wy sza temperatura na wyp³ywie i tym wiêksza uzyskana moc cieplna netto. W przypadku, gdy stalowa rura stanowi ca³¹ d³ugoœæ wymiennika (tzn. przypadek 0%) to w 180. dniu pracy temperatura i moc cieplna netto na wyp³ywie wynosz¹ 17,3 C i 65 kw. Natomiast, przy 100% izolacji temperatura na wyp³ywie jest wy sza o 9,0 C, a moc cieplna netto 4,9 razy wiêksza ni w poprzednim przypadku. Godnym zauwa enia jest to, e po 180 dniach pracy temperatura na wyp³ywie i moc cieplna netto w przypadku 83% i 100% udzia³u odcinka izolowanego s¹ prawie takie same. Oznacza to, e nie ma potrzeby u ywaæ izolowanej rury na ca³ej d³ugoœci wymiennika, aby osi¹gn¹æ wysoce sprawne "wydobycie" ciep³a. Ryc. 18 przedstawia profile temperatury odpowiadaj¹ce przypadkom pokazanym na ryc. 16 i 17 w 180. Ryc. 15. Przyjêty profil temperatury pocz¹tkowej. Fig. 15. Assumed initial temperature profile. Ryc. 14. Budowa otworowego wspó³osiowego wymiennika ciep³a. Fig. 14. Structure of the DCHE. diameters of the insulated pipe are 11.4 cm and 7.8 cm, respectively. Table 2 shows the physical properties of materials and the formation assumed in this study. The thermal conductivity of the formation was assumed to be 3.0 W/m K. Fig. 15 shows the initial temperature profile of the formation assumed in this study. The temperatures at the ground surface and at 3,000m in depth are assumed to be 13 C and 75 C, respectively. 4.1 Effects of the Length of Insulated Inner Pipe In order to investigate the effect of the utilization of insulated inner pipe on the outlet temperature and on the thermal output of the DCHE, numerical simulations were carried out for different lengths of the insulated section of the inner pipe. The insulated pipe was assumed to be set from the ground surface and a 4 1/ lb/ft steel pipe was assumed in the section below the insulated section to the bottom of the DCHE. All the simulations in this study were carried out for 180 days of continuous operation of the DCHE. Figs. 16 and 17 show the changes in the outlet temperature and in the net thermal output of the DCHE for different ratios of the insulated section to the entire length of the DCHE, respectively. Here, the injection temperature of water and the flow rate were assumed to be 15 C and 400 l/min, respectively. From these figures, it can be said in general that the longer the insulated section, the higher the outlet temperature and the greater the net thermal output. In the case in which steel pipe is employed for the entire section of the DCHE (i.e., 0% case), the outlet temperature and the net thermal output at 180 days in 138

11 Ryc. 16. Zmiany temperatury na wyp³ywie OWWC dla ró nego udzia³u izolowanego odcinka rury. Fig. 16. Changes in outlet temperatures of the DCHE for different ratio of insulated section. dniu pracy. Przy u yciu stalowej rury na ca³ej d³ugoœci OWWC, ró nica temperatur wody w przestrzeni miêdzy rurami i wody w rurze wewnêtrznej jest ma³a, a ubytek ciep³a z p³yn¹cej w górê gor¹cej wody do otaczaj¹cej formacji nastêpuje na odcinku powy ej g³êbokoœci 400 m. To s¹ przyczyny niskiej temperatury na wyp³ywie i ma³ej uzyskanej mocy cieplnej. Tymczasem, przy zastosowaniu izolacji na ca³ej d³ugoœci rury, spadek temperatury p³yn¹cej w górê gor¹cej wody w wewnêtrznej rurze na odcinku pomiêdzy dnem OWWC a powierzchni¹ ziemi wynosi tylko 1,3 C. Oznacza to, e tylko niewielka poprawa sprawnoœci wymiennika mo e byæ uzyskana, nawet jeœli znakomicie izolowana rura by³aby dostêpna. Zatem, za³o on¹ jakoœæ izolacji uznaje siê za dostateczn¹ dla wykonania wysoko sprawnego OWWC w warunkach podobnych do przyjêtych w niniejszej analizie. Ryc. 18. Profile temperatury w OWWC w 180. dniu pracy dla ró nego udzia³u izolowanego odcinka rury. Fig. 18. Temperature profiles in the DCHE at 180 days of elapsed time for different ratio of insulated section. Ryc. 17. Zmiany uzyskanej mocy cieplnej netto OWWC dla ró nego udzia³u izolowanego odcinka rury. Fig. 17. Changes in net thermal output of the DCHE for different ratio of insulated section. elapsed time are 17.3 C and 65 kw, respectively. While, in the case of 100% insulation, the outlet temperature is higher by 9.0 C and the net thermal output is 4.9 times greater than that of the former case. It is noteworthy that the outlet temperature and the net thermal output for 83% and 100% of the ratio of the insulated sections are almost the same at 180 days of elapsed time. This indicates that it is not necessary to use the insulated pipe for the entire length of the DCHE for achieving highly efficient heat extraction. Fig. 18 shows temperature profiles in the DCHE, at 180 days of elapsed time, corresponding to the cases shown in Figs. 16 and 17. In the case where steel pipe is used for the entire section of the DCHE, the temperature difference between the water in the annulus and in the inner pipe is small, and the heat loss from up-flowing hot water to the surrounding formation occurs in the section shallower than 400m in depth. These are the reasons for the low outlet temperature and small thermal output. Meanwhile, when insulated pipe is used for the entire section, the temperature drop of up-flowing hot water in the inner pipe is only 1.3 C between the bottom of the DCHE and the ground surface. This means that only a slight improvement in the efficiency of the heat exchanger can be attained even if perfectly insulated pipe is available. Therefore, the insulation performance assumed in this study is thought to be sufficient to realize a highly efficient DCHE at conditions similar to those assumed in this study. Figs. 19, 20 and 21 show the relationship between the ratios of the insulated section and the outlet temperature or the net thermal output of the DCHE at 180 days of elapsed time for the different flow rates, 300, 400 and 500 l/min. In all these cases, the water injection temperature was 15 C. When steel pipes are used for the entire section of the DCHE, outlet temperatures for the different flow rates are the same at 17.3 C. On the other hand, the net 139

12 Ryc. 19, 20 i 21 pokazuj¹ zale noœæ miêdzy udzia- ³em izolowanego odcinka i temperatur¹ na wyp³ywie na lub moc¹ ciepln¹ netto przy natê eniach przep³ywu 300, 400 i 500 l/min, po 180 dniach pracy. We wszystkich przypadkach temperatura zat³aczanej wody wynosi³a 15 C. Przy u yciu stalowej rury na ca³ej d³ugoœci OWWC, temperatura na wyp³ywie dla ró nych wielkoœci natê- enia przep³ywu by³a taka sama i wynosi³a 17,3 C. Z drugiej strony, moc cieplna netto wzrasta proporcjonalnie do wzrostu natê enia przep³ywu. Temperatura na wyp³ywie i uzyskana moc cieplna netto dla tego samego natê enia przep³ywu w przypadkach u ycia rur izolowanych s¹ prawie takie same dla 83% i 100% udzia³u odcinka izolowanego. Stosunek uzyskanych mocy cieplnych netto przy 100% i 0% udziale odcinka izolowanego wynosi 6,4, 4,9 i 4,1 dla natê enia przep³ywu odpowiednio 300, 400 i 500 l/min. Wp³yw zastosowania izolacji rury wewnêtrznej na wzrost mocy cieplnej netto maleje ze wzrostem natê enia przep³ywu. Przyczyn¹ jest to, e wzrastaj¹ce natê enie przep³ywu przynosi wy sz¹ sprawnoœæ "wydobycia" ciep³a i udzia³ tego wzrostu jest wiêksza w przypadku 0% izolacji ni w pozosta³ych przypadkach izolacji rur. Fig. 19 Fig Wp³yw warunków pracy na parametry na wyjœciu i moc pompowania Wp³yw natê enia przep³ywu i temperatury zat³aczania na temperaturê na wyp³ywie, uzyskan¹ moc ciepln¹ netto i moc pompowania by³a badana dla przypadku zastosowania rury izolowanej na ca³ej d³ugoœci otworowego wymiennika ciep³a. Ryc. 22 pokazuje zale noœæ pomiêdzy natê eniem przep³ywu i temperatur¹ wody na wyp³ywie OWWC w 180. dniu pracy, a ryc. 23 zale noœæ pomiêdzy natê- eniem przep³ywu i uzyskan¹ moc¹ ciepln¹ netto w tym samym czasie. W przetestowanych przypadkach najwiêksz¹ moc ciepln¹ netto 450 kw uzyskano przy temperaturze za- Ryc. 22. Zale noœæ miêdzy natê eniem przep³ywu i temperatur¹ wody na wyp³ywie OWWC w 180. dniu pracy. Fig. 22. Relationship between the flow rate and the outlet temperature of the DCHE at 180 days of elapsed time. Fig. 21 Ryc. 19, 20, 21. Zale noœæ miêdzy udzia³em izolowanego odcinka rury i temperatur¹ na wyp³ywie lub moc¹ ciepln¹ netto przy natê eniu przep³ywu 300, 400 i 500 l/min. Fig. 19, 20, 21. Relationship between the ratio of the insulated section and the outlet temperature or the net thermal output for 300, 400 and 500 l/min of flow rate. thermal output increases proportionally to the increase in the flow rate in these cases. Among the cases where insulated pipes are used, the outlet temperatures or the net thermal outputs for the cases of 83% and 100% of the ratios of the insulated section are almost the same at the same flow rate. The ratio of the net thermal output of 100% insulated cases to 0% cases are 6.4, 4.9 and 4.1 for 300, 400 and 500 l/min of flow rates, respectively. The effect of utilizing insulated inner pipe in increasing net thermal output decreases with increasing flow rate. The reason for this is that an increasing flow rate brings higher heat extraction efficiency and the ratio of increase is greater in the 0% case than in the insulated cases. 140

13 Ryc. 23. Zale noœæ miêdzy natê eniem przep³ywu i uzyskan¹ moc¹ ciepln¹ netto OWWC 180. dniu pracy Fig. 23. Relationship between the flow rate and the net thermal output of the DCHE at 180 days of elapsed time. t³aczania 5 C i natê eniu przep³ywu 600 l/min, a odpowiadaj¹ca tej mocy temperatura na wyp³ywie wynosi 15,7 C. Jeœli przyjmiemy, e temperatura gor¹cej wody wymagana na wejœciu do sieci centralnego ogrzewania wynosi 45 C, temperatura zat³aczania wy sza ni 35 C by³aby wymagana i uzyskany poziom mocy cieplnej netto by³by ni szy ni 70 kw w warunkach podobnych do za³o onych w niniejszym opracowaniu. Jeœli równie przyjmiemy, e temperatura gor¹cej wody wymagana dla krytych basenów k¹pielowych wynosi oko³o 30 C, maksymalna uzyskana moc cieplna netto wyniesie oko³o 300 kw przy temperaturze zat³aczania 5 C i natê eniu przep³ywu 175 l/min. W praktyce, praca wymiennika OWWC bêdzie nieci¹g³a w wiêkszoœci przypadków. Wówczas bêdzie mo - na osi¹gn¹æ wy sze temperatury na wyp³ywie i wiêksz¹ moc ciepln¹ ni uzyskane w niniejszych badaniach. Jednak e w wiêkszoœci przypadków, dla efektywnego wykorzystania zlikwidowanych g³êbokich otworów wydaje siê konieczne po³¹czenie wymiennika ciep³a z pomp¹ ciep³a. Ryc. 25. Zale noœæ miêdzy temperatur¹ zat³aczanej wody i moc¹ pompowania w 180 dniu pracy Fig. 25. Relationship between the injection temperature and the pumping power at 180 days of elapsed time. Ryc. 24. Zale noœæ miêdzy natê eniem przep³ywu i moc¹ pompowania w 180. dniu pracy. Fig. 24. Relationship between the flow rate and the Pumping power at 180 days of elapsed time. 4.2 Effects of Operational Conditions on Outputs and Pumping Power The effects of flow rate and injection temperature on the outlet temperature, net thermal output and pumping power were investigated for cases where the insulated pipe is used for the entire section of the DCHE. Fig. 22 shows the relationships between the flow rate and the outlet water temperature of the DCHE at 180 days of elapsed time, and Fig. 23 shows the relationship between the flow rate and the net thermal output at the same elapsed time as Fig. 22. The largest net thermal output among the cases investigated here is 450 kw at 5 C of injection temperature and 600 l/min of flow rate, and a corresponding outlet temperature to this thermal output is 15.7 C. If we assume the hot water temperature required for space heating to be 45 C, a higher injection temperature than 35 C would be required and the degree of the net thermal output would be less than 70 kw at conditions similar to those assumed here. Also, if we assume the hot water temperature required for an indoor swimming pool to be 30 C, the maximum net thermal output would be about 300 kw at 5 C of injection temperature and 175 l/min of flow rate. In practical uses, the operation of the DCHE would be intermittent in most cases. In these cases, higher outlet temperatures and greater thermal output than those obtained in this study can be achieved. However, it seems necessary to combine the DCHE and a heat pump in most cases to utilize abandoned deep wells efficiently. Fig. 24 shows the relationship between the flow rate and the pumping power, required for circulating water in the DCHE at 180 days of elapsed time, in cases where injection temperature is 15 C. The efficiency of the pump was assumed to be 60 %. In this case, the pumping power is not necessary for circulating water in the DCHE when the flow rate is less than about 150 l/min. This is because of the gravity head which has arisen in the DCHE. 141

14 Ryc. 24 pokazuje zale noœæ pomiêdzy natê eniem przep³ywu i moc¹ pompowania, wymagan¹ dla obiegu wody w wymienniku w 180. dniu pracy, w przypadku gdy temperatura zat³aczanej wody wynosi 15 C. Za³o- ona wydajnoœæ pompy wynosi 60%. W tym przypadku, jeœli natê enie przep³ywu jest mniejsze ni 150 l/min obieg wody w wymienniku nie wymaga pompowania. Jest to spowodowane grawitacyjnym podnoszeniem siê poziomu wody w OWWC. Moc pompowania wzrasta gwa³townie ze wzrostem natê enia przep³ywu co widaæ na ryc. 24. Nale y zwróciæ uwagê, e pewne iloœci przyrostu mocy cieplnej netto wymiennika ze wzrostem natê enia przep³ywu s¹ pochodn¹ mocy pompowania. Na przyk³ad przy wzroœcie natê enia przep³ywu z 500 l/min do 600 l/min przyrost mocy cieplnej netto wynosi 15,5 kw. Tymczasem, wzrost mocy pompowania wynosi 11,3 kw. Oznacza to, e 6,8 kw (=11,3 0,6) wzrostu mocy cieplnej netto pochodzi od mocy pompowania a pozosta³e 8,7 kw jest wzrostem wydajnoœci odbioru ciep³a z formacji. W tym przypadku wzrost wydajnoœci odbioru ciep³a jest mniejszy ni wzrost mocy pompowania. Bior¹c pod uwagê moc pompowania, koszty instalacji pompy i wzrost wydajnoœci odbioru ciep³a, natê enie przep³ywu wiêksze ni 500 l/min wydaje siê byæ nieekonomiczne w warunkach podobnych do za³o onych w niniejszych badaniach. Ryc. 25 pokazuje zale noœæ pomiêdzy temperatur¹ zat³aczanej wody i wymagan¹ moc¹ pompowania w 180. dniu pracy. Z ryciny widaæ, e wp³yw temperatury zat³aczanej wody jest raczej ma³y przy zachowaniu tego samego natê enia przep³ywu. 4.3 Przysz³e zadania W niniejszych badaniach by³a analizowana ci¹g³a praca wymiennika. Wœród przypadków zbadanych w niniejszym opracowaniu, najwiêksz¹ moc ciepln¹ netto w 180. dniu pracy, wynosz¹c¹ 450 kw uzyskano przy temperaturze zat³aczanej wody 5 C i natê eniu przep³ywu 600 l/min. W wiêkszoœci w rzeczywistych warunkach pracy, wymiennik OWWC pracowa³by w sposób nieci¹g³y. Zatem konieczne jest przeanalizowanie pracy w takich warunkach w celu zbadania mo liwoœci wykorzystania zlikwidowanych g³êbokich otworów jako wymienników OWWC. W Polsce, dla wiêkszoœci przypadków wykorzystania w praktyce g³êbokiego OWWC bêdzie wymagane po³¹czenie tego wymiennika z pomp¹ ciep³a. Dlatego, równie taki uk³ad wymaga przeprowadzenia badañ. W celu dok³adniejszego prognozowania pracy OWWC, niezbêdna jest znajomoœæ efektywnej przewodnoœci cieplnej formacji in situ. W tym te celu autor kilkakrotnie przeprowadzi³ polowe doœwiadczenia z wymiennikiem OWWC. Analiza tych doœwiadczeñ wskazuje, e OWWC mo e byæ u yty do badañ efektywnej przewodnoœci cieplnej formacji in situ. Temperatura na wyp³ywie wymiennika otworowego wyraÿnie odzwierciedla efektywn¹ przewodnoœæ ciepln¹ forma- The pumping power increases rapidly with increasing flow rates as can be seen in Fig. 24. It should be noted that certain amounts of increment of the net thermal output of the DCHE with increasing flow rates are due to the pumping power. For example, the increment of the net thermal output is about 15.5 kw with an increase in the flow rate from 500 l/min to 600 l/min. Meanwhile, an increase in the pumping power is 11.3 kw. This means that 6.8 kw (=11.3 X 0.6) in the increment of the net thermal output is due to the pumping power and the rest 8.7kW is an increase in the heat extraction rate from the formation. In this case, the increase in the heat extraction rate is smaller than the increase in the pumping power. Taking into account the pumping power, the installation costs of the pump and the increase in the heat extraction rate, flow rates greater than 500 l/min seem to be uneconomical at conditions similar to those assumed in this study. Fig. 25 shows the relationship between the injection temperature and the required pumping power at 180 days of elapsed time. It can be seen from this figure that the effect of the injection temperature on the pumping power is rather small at the same flow rate. 4.3 Future Tasks In this study, the case of continuous operation was investigated. The greatest net thermal output at 180 days of elapsed time among the cases studied here was about 450 kw at 5 C of injection temperature and 600 l/min of flow rate. In actual operations, the DCHE would be operated intermittently in most cases. Hence, it is necessary to study such cases to investigate the possibility of utilizing deep abandoned wells as DCHEs. The combination of the DCHE and a heat pump would be required for most cases of practical utilization of the deep DCHEs in Poland. Hence, it is also necessary to study this case. In order to predict the operational behavior of the DCHE more accurately, it is necessary to know the in situ effective thermal conductivity of the formation. The author has carried out field experiments with the DCHE several times for this purpose. The analyses of the experimental results indicate that the DCHE can also be used to investigate the in situ effective thermal conductivity of the formation. In the case of the DCHE, the outlet temperature of the DCHE keenly reflects the in situ effective thermal conductivity because of the high heat extraction efficiency. Therefore, it is preferable to do a heat extraction experiment with the deep DCHE not only for demonstration, but also for acquiring data regarding the in situ effective thermal conductivity of the formation. 5T5. ANOTHER APPlICATION OF THE DCHEHE Shallow DCHEs combined with a heat pump can be used for space heating and cooling, indoor swimming 142

15 Ryc. 26. Szkic pogl¹dowy systemu topienia œniegu Gaia Fig. 26. Conceptual drawing of the Gaia Snow-Melting System. cji in situ poniewa efektywnoœæ wydobycia ciep³a jest wysoka. Tak wiêc, wskazane jest wykonanie doœwiadczenia odbioru ciep³a przez OWWC nie tylko dla demonstracji jego dzia³ania, ale tak e w celu zdobycia danych in situ odnoœnie efektywnej przewodnoœci cieplnej formacji. 5. INNE ZASTOSOWANIE OWWC P³ytki OWWC zintegrowany z pomp¹ ciep³a mo e byæ u yty w celu ogrzewania pomieszczeñ i ch³odzenia, dla krytych basenów k¹pielowych i topienia œniegu na drogach. Autor i inni opracowali system topienia œniegu Gaia, który wykorzystuje grunt jako Ÿród³o i "magazyn"ciep³a (Morita, 1997; Morita and Tago, 2000). Pierwszy system odtapienia œniegu Gaia zosta³ zainstalowany w grudniu 1995 r. w Ninohe, prefektura Iwate, w Japonii. Drugi zosta³ zbudowany w 1999 r. Tak e na 2001 r. s¹ zaplanowane cztery systemy do budowy. Wszystkie zosta³y zaprojektowane przy pomocy programu symulacji numerycznych, opracowanego przez Morita i Tago (1997). Program ten mo e byæ u yty dla systemu z³o- onego z otworowych wymienników ciep³a i pompy ciep³a. Poni ej przedstawiono system odtapiania œniegu Gaia. 5.1 System odtapienia œniegu Gaia Ryc. 26 przedstawia szkic pojêciowy systemu. Sk³ada siê on z otworowych wymienników ciep³a, pompy ciep³a i rur grzewczych wbudowanych w nawierzchniê drogow¹. W lecie ciep³o s³oneczne podnosi temperaturê nawierzchni, w któr¹ wbudowane s¹ rury grzewcze, do wartoœci pomiêdzy 30 C a 50 C. Ciep³o s³oneczne Ryc. 27. Budowa otworowego wymiennika ciep³a. Fig. 27. Structure of the DCHE. pools and for melting snow on roads. The author and others have developed the Gaia Snow-Melting system which utilizes the ground as a heat source and a heat storage body (Morita, 1997; Morita and Tago, 2000). The first Gaia Snow-Melting System was installed in December 1995 in Ninohe, Iwate Prefecture, Japan. The second system was constructed in Also, four systems are scheduled to be constructed in All these systems were designed using a numerical simulation code developed by Morita and Tago (1997). This code can treat the system combined with the DCHEs and a heat pump. Here, the Gaia Snow-Melting system is introduced. 5.1 The Gaia Snow-Melting System Fig. 26 shows conceptual drawing of the system. This system consists of DCHEs, a heat pump and heating pipes embedded in the pavement. In summer, solar heat raises the temperature of the pavement in which the heating pipes are embedded, up to between 30 to 50 C. The solar heat is recovered from the pavement and charged into the ground by directly connecting the DCHEs and heating pipes, and by circulating antifreeze in this loop. Forward circulation is employed for efficient heat charging. Thus, geothermal heat and summertime solar heat are used for melting snow. 5.2 Outline of the First Gaia Snow-Melting System The first Gaia system was installed by the government of Ninohe City at the downhill section of a curved road with a 9 % gradient in order to prevent accidents caused by skidding and sliding vehicles in winter. The area covered by the snow-melting system is 4 m wide and 65 m long, covering a total area of 266 m 2. The formation 143

16 jest pobierane z chodnika i akumulowane w gruncie przez bezpoœrednio po³¹czone wymienniki otworowe i rury grzewcze, oraz kr¹ ¹c¹ w tym obiegu ciecz trudno zamarzaj¹c¹. Zastosowano prawy obieg w celu efektywnego akumulowania ciep³a. Tak wiêc ciep³o geotermalne i ciep³o s³oneczne z letniego sezonu mo e byæ wykorzystane do topienia œniegu. 5.2 Pierwszy system topienia œniegu Gaia w zarysie Pierwszy system Gaia zosta³ zainstalowany przez w³adze miasta Ninohe na spadzistym zakrêcie drogi o nachyleniu 9%, aby zapobiec w zimie wypadkom w wyniku zarzucania i poœlizgów samochodów. System topienia œniegu obejmuje obszar 266 m 2, o szerokoœci 4 m i d³ugoœci 65 m. Formacjê geologiczn¹ stanowi trzeciorzêdowy tuf piaszczysty. Wstêpne symulacje numeryczne dla pierwszej zimowej pracy systemu pokaza³y, e efektywna przewodnoœæ cieplna formacji wynosi 1,3 W/m K. Temperatura na dnie jednego z wymienników, na g³êbokoœci 150,8 m wynosi³a 22,5 C przed rozpoczêciem pracy systemu. Zastosowano trzy otworowe wymienniki ciep³a (ryc. 27), ka dy o œrednicy zewnêtrznej 8,9 cm i d³ugoœci 150,2 m. Do budowy wewnêtrznej rury u yto rur z polibutenu o przewodnoœci cieplnej 0,20 W/m K. Zastosowano tak e pompê ciep³a napêdzan¹ silnikiem elektrycznym o mocy 15 kw i dwie pompy obiegowe o mocy 0,75 kw ka da. Do wykonania rur grzewczych, które zosta³y wbudowane w asfaltowo-betonow¹ nawierzchniê u yto rur polibutenowych o wewnêtrznej œrednicy 16 mm. Grzbiet rur znajduje siê 10 cm pod poziomem nawierzchni. Moc cieplna systemu Gaia wynosi oko³o 50 kwt. Ryc. 28. Warunki, w jakich odtapiano œnieg na górnym odcinku drogi w dniu 13 lutego 1993 r. Fig. 28. Snow-melting condition at the upper section of the road on Feb. 13, Ryc. 29. Œrednia dobowa temperatura na wyp³ywie wymiennika otworowego i temperatura otoczenia w sezonie odtapiania œniegu w 1997 r. Fig. 29. Daily average outlet temperatures of the DCHE and ambient temperatures in the 1997 snow-melting season. Tabela 3. Wa niejsze wartoœci charakterystyczne dla sezonu odtapiania œniegu Dane dla ka dego sezonu zimowego dotycz¹ okresu od 1 grudnia do koñca marca z wyj¹tkiem sezonu 1995 r., dla którego dane dotycz¹ okresu od 27 grudnia 1995 do 31 marca Table 3. Major characteristic values for snow-melting seasons. Data for each winter are for a period from the first of December to the end of March except for the 1995 snow-melting season. Data for 1995 are for a period from Dec. 27, 1995 to Mar. 31, Snow-Melting Season Total Snow depth Difference (cm) Avg. Low Temp. For January ( C) Operation Time of System(h) Operation Time of HP (h) Avg. Inlet Temp. of DCHE ( C) Avg. Outlet Temp. of DCHE ( C) Avg. Delivery Temp. of HP ( C) Avg. Return Temp. to HP ( C) Avg. Output of HP (kw t ) Heat Supply Rate per Unit Area (W t /m 2 ) Specific Heat Extraction Rate (W t /m) Electric Power Consumption (kw e h) 5,164 5,939 6,641 7,363 6,555 8,426 Avg. COP of HP (-) Avg. COP of Total System (-) Seasonal Performance Factor (-)

17 5.3 Charakterystyki robocze systemu Ryc. 28 przedstawia warunki, w jakich topiono œnieg w dniu 13 lutego 1996 r. Pokazano, e system Gaia jest skuteczn¹ metod¹ topienia œniegu na drogach. Ryc. 29 pokazuje zmiany temperatury cieczy trudno zamarzaj¹cej na wyp³ywie obserwacyjnego wymiennika ciep³a i temperatury otoczenia wg stacji meteorologicznej w Ninohe. System odtapiania œniegu Gaia zwykle pracuje przy temperaturach otoczenia w zakresie od œrednich do niskich. Dlatego na ryc. 29 pokazane temperatury otoczenia zawieraj¹ siê w przedziale od œrednich do niskich. Widocznym jest, e temperatury na wyp³ywie wymiennika s¹ wy sze od temperatur otoczenia o 1,4 do 20,4 C. Tabela 3 podsumowuje wa niejsze wielkoœci charakterystyczne dla systemu w okresie roboczym topienia œniegu. Zim¹ (z wyj¹tkiem pierwszej) w sezonie roboczym topienia, œrednia wydajnoœæ zasilania cieplnego rur grzewczych na jednostkê powierzchni dla odœnie anego terenu waha³a siê od 175 do 189 W/m 2. Œrednia w³aœciwa wydajnoœæ odbioru ciep³a przez wymienniki wynosi³a wtedy od 79 do 85 W/m. Te wysokie wydajnoœci odbioru ciep³a przy niskiej efektywnej przewodnoœci cieplnej formacji otrzymano dziêki ma³emu wspó³czynnikowi obci¹ enia roboczego systemu. Wspó³czynnik efektywnoœci energetycznej (COP) pompy ciep³a wynosi³ od 4,2 do 4,3, natomiast ca³ego systemu 3,4 do 3,6. Ryc. 30 pokazuje zmiany czasu roboczego wg czasu japoñskiego w sezonie akumulacji ciep³a w 1998 r. Dzienny czas pracy systemu by³ œciœle zwi¹zany z ca³kowitym czasem nas³onecznienia w ci¹gu dnia. Wiêkszoœæ nieroboczych dni w okresie od maja do po³owy paÿdziernika zgadza siê z tymi, podczas których wg stacji meteorologicznej w Ninohe, w ogóle nie œwieci³o s³oñce. Tabela 4 podsumowuje wa niejsze wielkoœci charakterystyczne dla systemu z piêciu sezonów akumu- Ryc. 31. Ciep³o zakumulowane i odebrane do marca 1999 r. Rok roboczy trwa³ od 1 kwietnia do koñca marca roku nastêpnego Fig. 31. Charged heat and extracted heat up to March 31, Operation year is from the first of April to the end of March in the next year. Ryc. 30. Okres pracy systemu wg czasu japoñskiego w sezonie akumulacji ciep³a w 1998 r. Fig. 30. Operation time of the system at Japanese Standard Time in the 1998 heat-charging season. consists of Tertiary sandy tuff. Preliminary numerical simulations for the first winter s operation indicated the effective thermal conductivity of the formation to be 1.3 W/m K. The temperature at the bottom of one of the DCHEs, m in depth, was 22.5 C before the initial operation of the system. Three DCHEs (Fig. 27), each 8.9 cm in outer diameter and m long are used. Pipes made of polybutene, with a thermal conductivity of 0.20 W/m K, were used as the inner pipe. Also, a heat pump driven by a 15 kw electric motor and two 0.75 kw circulation pumps are used. Polybutene pipes of 16 mm in inner diameter are used as heating pipes and were embedded in the asphalt concrete pavement at 20 cm intervals. The depth of the top of the heating pipes is 10 cm from the surface of the pavement. The thermal capacity of the Gaia System is approximately 50 kw t. 5.3 Operational Characteristics Fig. 28 shows the snow-melting conditions in It has been demonstrated that the Gaia system is an effective method to melt snow on roads. Fig. 29 shows the changes in the antifreeze temperature at the outlet of an observation DCHE and in the ambient temperature at a weather station in Ninohe. The Gaia snow-melting system normally works in an ambient temperature range between the average and the low temperatures. Hence, the ambient temperature ranges shown in Fig. 29 are ranges between the average and low temperatures. It can be seen that the outlet temperatures of the DCHE are higher than the ambient temperatures by 1.4 to 20.4 C. Table 3 summarizes the major characteristic values of the system in snow-melting operations for six winters. In winters (except for the first winter), the average supplied heat to the heating pipes per unit area of the snow-melting area over a snow-melting season ranged from 175 to 189 W/m 2, and the average specific heat extraction rates of the DCHEs ranged from 79 to 85 W/m. These high specific heat extraction rates at 145

18 lacji ciep³a. Wartoœci z pierwszego sezonu nie odzwierciedlaj¹ w pe³ni warunków pogodowych, poniewa przeprowadzono wtedy ustawienie parametrów systemu kontroli pracy. W sezonie akumulacji (z wyj¹tkiem pierwszego) œrednia wydajnoœæ pozyskania ciep³a na jednostkê powierzchni dla odœnie anego obszaru wynosi³a od 106 do W/m 2. Œrednia w³aœciwa wydajnoœæ akumulowania ciep³a przez wymienniki mieœci³a siê w zakresie od 63 do 76 W/m. Wydajnoœæ akumulowania ciep³a na jednostkowe zu ycie energii elektrycznej w sezonie akumulacji ciep³a wynosi³o od 22,4 do 29,4 kw t h/kw e h. Ryc. 31 przedstawia zakumulowane i odebrane z gruntu ciep³o w odniesieniu do poszczególnych sezonów roboczych od pocz¹tku dzia³ania systemu. Mo - na zauwa yæ, e im wiêksze ciep³o zakumulowano w gruncie w sezonie poprzedzaj¹cym, tym wiêksze odebrano w nastêpuj¹cym i odwrotnie. Skumulowane ciep³o "za³adowane" do gruntu do koñca listopada 2000 r. by³o o 35% wiêksze od skumulowanego ciep³a odebranego w tym samym okresie. Z tego powodu œrednie temperatury w wymienniku na odcinku od g³êbokoœci 10 m do dna otworu wzros³y nieznacznie. Jest oczywiste, e operacja akumulacji ciep³a zapobiega³ skutecznie pogorszeniu siê funkcji gruntu jako Ÿród³a ciep³a. a low effective thermal conductivity of the formation is mainly due to the small operation ratio of the system. Coefficients of performance (COP) ranged from 4.2 to 4.3 for the heat pump and 3.4 to 3.6 for the whole system. Fig. 30 shows changes in operation time in Japanese Standard Time in the 1998 heat-charging season. The length of daily operation time was closely related to the total daily insolation, and most nonoperation days in the period from May to the middle of October coincided with the days when no sunshine was observed at the weather station in Ninohe. Table 4 summarizes the major characteristic values of the system over five heat-charging seasons. Because adjustment of the setting parameters of the operation control system was performed, values for the first season did not fully reflect weather conditions. In charging seasons (except for the first season), the average heat recovery rate per unit area of the snowmelting area was 106 to 129 W/m 2. The average specific heat charging rates of the DCHEs ranged from 63 to 76 W/m. Heat charging rates per unit electric power consumption over a heat-charging season were 22.4 to 29.4 kw t h/kw e h. Tabela 4. Wa niejsze charakterystyczne wartoœci dla sezonu akumulacji ciep³a. Table 4. Major characteristic values for heat-charging seasons. Heat-ChargingSeason Total Insolation (kw t h/m 2 ) Operation Time of the System (h) Avg. Inlet Temp. of DCHE ( C ) Avg. Outlet Temp. of DCHE ( C ) Charged Heat (kw t h) 8,270 19,490 21,510 30,840 26,090 Recovered Heat / Unit Area (kw t h/m 2 ) Heat Recovering Rate (W t /m 2 ) Heat Charging Rate kw t ) Specific Heat Charging Rate (W t /m) Electric Power Consumption (kw e h) , Seasonal Performance Factor (-) Table 5. Annual power consumption and power cost of the Gaia Snow-Melting System along with those of electric heating cable systems in Ninohe city. Operation year is from the first of April to the end of March in the next year. Tabela 5. Roczne zu ycie energii i koszt energii systemu odtapiania œniegu Gaia w porównaniu z tymi samymi danymi dla sieci elektrycznego ogrzewania w mieœcie Ninohe. Rok roboczy trwa³ od 1 kwietnia do koñca marca nastêpuj¹cego roku Operation Year PowerConsumption(kWh/m 2 /y) Electric HeatingCable Gaia PowerCost(Yen/m 2 /y) Electric HeatingCable Gaia (17.0%) 4, (18.9%) (18.3%) 4, (19.0%) (18.5%) 4, (18.9%) (14.8%) 4, (17.0%) 146

19 Tabela 5 przedstawia roczne zu ycie energii przez system Gaia na jednostkê powierzchni dla odœnie anego obszaru w latach roboczych , i odpowiadaj¹ce temu koszty energii elektrycznej. Przytoczono równie dane dotycz¹ce sieci ogrzewania elektrycznego w mieœcie, zainstalowanego przez w³adze prefektury Iwate. Zu ycie energii w systemie Gaia wynosi³o od 15 do 19% zu ycia w sieci elektrycznej. Oznacza to, e wiêkszy ni 80% spadek zu ycia paliw kopalnych czy te emisji dwutlenku wêgla mo e byæ osi¹gniêty przez zast¹pienie sieci elektrycznej przez system Gaia. Roczne koszty energii elektrycznej w³¹cznie z kosztami mocy elektrycznej jak i zu ycia energii stanowi³y 17 do 19% takich kosztów w sieci elektrycznej. Przez ponad 5 lat dzia³ania systemu topienia œniegu Gaia pokazano, e jest on skuteczny w topieniu œniegu i przyjazny dla œrodowiska. Równie analiza ekonomiczna, przeprowadzona przez autora i innych pokaza³a, e system Gaia jest ekonomiczny. Wysoki wspó³czynnik obci¹ enia pompy ciep³a i wysoka w³aœciwa wydajnoœæ odbioru ciep³a uzyskana przy pomocy tego systemu wskazuje, e jego projekt by³ odpowiedni. 6. WNIOSKI Otworowy wspó³osiowy wymiennik ciep³a mo e byæ zastosowany do wykorzystania istniej¹cych nieczynnych g³êbokich otworów wiertniczych w Polsce. Wykonano wstêpn¹ analizê zastosowania g³êbokiego OWWC dla przypadku ci¹g³ej pracy. Poprzez t¹ analizê wyjaœniono ogólne w³aœciwoœci otworowego wymiennika. Jednak e, w rzeczywistym dzia³aniu, wymiennik otworowy mo e pracowaæ w sposób nieci¹g³y w wiêkszoœci przypadków. Wówczas powinno siê osi¹gn¹æ wiêksz¹ moc ciepln¹ netto i wy sz¹ temperaturê na wyp³ywie wymiennika ni te, które uzyskano w niniejszym opracowaniu. Tak e, po³¹czenie wymiennika otworowego z pomp¹ ciep³a mo e byæ wymagane w wiêkszoœci przypadków praktycznego wykorzystania g³êbokich wymienników otworowych w Polsce. Zatem niezbêdne s¹ dalsze prace w celu zbadania mo liwoœci wykorzystania g³êbokich nieczynnych otworów do budowy otworowych wymienników ciep³a. Z drugiej strony, aby przewidzieæ bardziej dok³adnie przebieg pracy otworowego wymiennika ciep³a, konieczne jest poznanie efektywnej przewodnoœci cieplnej formacji in situ. Efektywna przewodnoœæ cieplna mo e byæ okreœlona na podstawie danych z polowego eksperymentu "wydobycia" ciep³a przy pomocy wymiennika. Zatem zalecane jest wykonanie takiego eksperymentu nie tylko dla demonstracji, ale tak e w celu uzyskania danych odnoœcie efektywnej przewodnoœci cieplnej formacji in situ. System zintegrowany: otworowy wymiennik ciep³a - pompa ciep³a mo e byæ zastosowany w wykorzystaniu p³ytkich i nisko-temperaturowych zasobów geotermalnych do ogrzewaniu pomieszczeñ, dla krytych Fig. 31 shows the seasonal extracted and charged heat since the onset of the operation of the system. It can be seen that the greater the extracted heat in the preceding season, the greater the charged heat in the successive season, and vice versa. The cumulative charged heat into the ground up to the end of November 2000 was greater than the cumulative extracted heat over the same period by 35%. Because of this, the average temperatures in the DCHE over a section from 10 m in depth to the bottomhole have increased slightly. It is clear that the heat charging operation has been effective in preventing deterioration of the ground s function as a heat source. Table 5 shows the annual power consumption of the Gaia System per unit area of the snow-melting area for the operation years of 1996 to 1999, and the coinciding electric power costs. Values for electric heating cable systems in the city installed by the Iwate prefectural government are also shown in the table. The power consumptions of the Gaia System were 15 to 19% those of the electric heating cable systems. This means that more than an 80% decrease in fossil fuel consumption or carbon dioxide emission can be obtained by replacing electric cable systems with the Gaia System. Annual electric power costs, including those for electric capacity and for power consumption, were 17 to 19% those of the electric cable systems. Through more than 5 years of operation, it has been demonstrated that the Gaia Snow-Melting System is an effective system for melting snow and is environmentally benign. Also, an economic analysis, which was carried out by the author and others, indicated that the Gaia System is economical.the high load factor of the heat pump and a high specific heat extraction rate attained with this system indicated that the design of the system was adequate. 6. CONCLUSIONS The DCHE can be applied for utilizing deep abandoned wells in Poland. A preliminary study on the deep DCHE was carried out for the case of continuous operation. Through this study, the general characteristics of the DCHE were clarified. However, in actual operations, the DCHE would be operated intermittently in most cases. In such cases, greater net thermal output and higher outlet temperature than that obtained in this study should be attained. Also, a combination of the DCHE and a heat pump would be required for most cases in practical utilization of the deep DCHEs in Poland. Therefore, further studies are necessary to investigate the possibility of the utilizing deep abandoned wells with the DCHEs. On the other hand, in order to predict operational behaviors of the DCHE more accurately, it is necessary to know the in situ effective thermal conductivity of the formation. The effective thermal conductivity can be obtained analysing the data from the heat extraction 147

20 basenów k¹pielowych, i do topienia œniegu na drogach. Otworowy wymiennik ciep³a mo e byæ u ytecznym narzêdziem w wykorzystaniu potencjalnych zasobów geotermalnych w Polsce. Wydaje siê, e istnieje mo liwoœæ aby Polska posiada³a najbardziej zaawansowane technologie i doœwiadczenie odnoœnie g³êbokich otworowych wymienników ciep³a, poniewa istnieje tak wiele nieczynnych g³êbokich otworów. Dostarcz¹ one bardzo dobrego pola dla zdobycia danych i wiedzy oraz ulepszenia technologii. T³umaczy³a Maria G³adysz experiment with the DCHE. Hence, it is preferable to do a heat extraction experiment with the deep DCHE not only for demonstration, but also for acquiring data regarding in situ effective thermal conductivity of the formation. A combined DCHE heat pump system can also be used for utilizing shallow and low-temperature geothermal resources for space heating, indoor swimming pools, and for melting snow on roads. The DCHE might be a useful tool in utilizing potential geothermal resources in Poland. There seems to be the possibility that Poland will have the most advanced technologies and experience with deep downhole exchangers, because there are so many abandoned deep wells. They will provide very good places for acquiring data and knowledge and for improving technologies. LITERATURA REFERENCES 1. Bojarski, L., Programme Reconstruction of Abandoned Wells for Geothermal Use. Techn. Posz. (3-4), pp Horai, K., Thermal Conductivity of Hawaiian Basalt : A New Interpretation of Robertson and Peck s Data. J. of Geophys. Res., Vol.96, No.B3, pp Kujawa, T. and Nowak, W., Shallow and Deep Vertical Geothermal Heat Exchangers as Low Temperature Sources for Heat Pumps. Proc. World Geothermal Congress 2000, pp Kujawa, T. and Nowak, W., Thermal Calculations of Geothermal Heat Utilizing One-Well Systems with Both Injection and Production. Proc. World Geothermal Congress 2000, pp Kujawa, T. and Szafik, W., Thermal Field in an Aquiferous Layer behind a Vertical Heat Exchanger. Proc. World Geothermal Congress 2000, pp Morita, K., Yamaguchi, T., Karasawa, H. and Hayamizu, H., Development and Evaluation of Temperature Simulation Code for Geothermal Wells - Prediction of temperature behavior in and around geothermal wells (1st Report). J. of the Mining and Metallurgical Institute of Japan, Vol.100, No.1161, pp (in Japanese). 7. Morita, K., Matsubayashi, O. and Kusunoki, K., Downhole Coaxial Heat Exchanger Using Insulated Inner Pipe for Maximum Heat Extraction. Geothermal Resources Council Trans., Vol. 9, Part I, pp Morita, K. and Matsubayashi, O., The effect of Major Design parameters on the Performance of a Downhole Coaxial Heat Exchanger - Studies on the Downhole Coaxial Heat Exchanger (1st Report). J. of the Geothermal Research Society of Japan, Vol.8, No.3, pp (in Japanese). 9. Morita, K., Prototype Insulated Inner Pipe and Evaluation of its Insulation Performance - Development of insulated inner pipe for the Downhole Coaxial Heat Exchanger. Shigen, Vol.1, No.1, pp (in Japanese). 10. Morita, K., Second Test Production and Performance Evaluation - Development of insulated inner pipe for the Downhole Coaxial Heat Exchanger (4th Report). Shigen, Vol.4, No.1, pp (in Japanese). 11. Morita, K., Bollmeier, W. S. and Mizogami, H., 1992a. An Experiment to Prove the Concept of the Downhole Coaxial Heat Exchanger (DCHE) in Hawaii. Geothermal Resources Council Trans., Vol.16, Morita, K., Bollmeier, W. S. and Mizogami, H., 1992b. Analysis of the Result from the Downhole Coaxial Heat Exchanger (DCHE) Experiment in Hawaii. Geothermal Resources Council Trans., Vol.16, Morita, K., Research on a Novel Geothermal Energy Extraction Method The Downhole Coaxial Heat Exchanger (DCHE) System. Report of the National Institute for Resources and Environment, No. 13, pp (in Japanese). 14. Morita, K. and Bollmeier, W. S., Measurement of the In Situ Thermal Conductivity of Formations in a Geothermal Field Method and results of measurement. Proc. of the World Geothermal Conference 1995, Vol. 2, pp Morita, K. and Tago, M., Development of the Downhole Coaxial Heat Exchanger System : Potential for Fully Utilizing Geothermal Resources. Geothermal Resources Council Bulletin, Vol. 24, No. 3, pp Morita, K., Melting Snow with the Downhole Coaxial Heat Exchanger. Geothermal Resources Council Bulletin, Vol. 26, No. 3, pp Morita, K. and Tago, M., Prediction of the Operational Performance of the Gaia Snow-melting System by Numerical Simulation. Shigen to Kankyo, Vol.6, No. 4, pp (in Japanese). 18. Morita, K. and Tago, M., Operational Characteristics of the Gaia Snow-Melting System in Ninohe, Iwate, Japan. Proc. World Geothermal Congress 2000, pp Ostaficzuk, S., The Standard Synoptic Reports on Geothermal Potential. Proc. World Geothermal Congress 2000, pp