Acta Montanistica Slovaca Ročník 11 (006), mimoiadne číslo 1, 149-153 Zkušenosti s ealizací testu teplotní odezvy ve vtech po tepelná čepadla Jiří Ryška 1 Expeiences with pefoming a themal esponse test in boeholes fo heat pumps This pape pesents a Themal Response Test (TRT) pefomed in two testing boeholes fo heat pumps in the Czech Republic. The TRT is a special in-situ technique used aboad fo the detemination of key paametes needed fo the pope boehole design: the undistubed gound tempeatue, themal conductivity of ock massif and the boehole esistance. Key wods: themal esponse test, heat pump, boehole Úvod Učení adekvátní hloubky vtu po tepelné čepadlo v závislosti na geologických podmínkách lokality a objektem požadovaném topném/chladícím výkonu je kitickým paametem celého pojektu vytápění/chlazení pomocí tepelných čepadel. Testy teplotní odezvy slouží po stanovení někteých fyzikálních vlastností honin pomocí měření ve vystojeném vtu. Tyto vybané fyzikální vlastnosti honin slouží jako jedny ze vstupních hodnot softwae EED.0, kteý je v Evopě používán po dimenzování hloubek vtů. Testy teplotní odezvy Základním poblémem po učení adekvátních hloubek vtů je učení vybaných fyzikálních vlastností honin na dané lokalitě. V pvé fázi byly fyzikální vlastnosti učovány laboatoně na vzocích honin upavených z vtných jade. Tato metoda má však tyto podstatné nedostatky: vlastnosti honin jsou učovány bez ohledu na někteé úložní podmínky např. přítoky podzemních vod do vtu, jádování vtu je nákladné zvláště v poměnlivých geologických podmínkách, není možné zjistit vliv vystojení vtu na přenos tepla ze stěny vtu do plastového vtového výměníku tzv. kolektou. Poto výzkumní pacovníci (Švédsko, USA) vyvinuli speciální polní zkoušku test teplotní odezvy, kteá na základě přestupu tepla z plastového kolektou do honinového masivu zjišťuje tepelné vlastnosti honin. Tento test byl postupně vyvíjen ve Švédsku a USA, a to od začátku 90. let. V Evopě je znám pod názvem Themal Response Test (dále TRT). TRT je ealizován na dané lokalitě ve zkušebním vtu, kteý je vystojen stejně jako standatní vt po tepelné čepadlo. Účelem testu je zjistit hodnoty: tepelné vodivosti honin λ, celkového tepelného odpou ve vtu R b, teplotu neovlivněného honinového masivu T ug. a to jako jedinou agegátní hodnotu epezentující celý vt. Tyto fyzikální paamety honin jsou následně dosazeny do softwae EED.0, kteý vypočte adekvátní hloubky vtů po zadané požadavky objektu na tepelný a chladící výkon. Adekvátní hloubky vtů jsou takové hloubky, kteé zajistí, aby v čase nedocházelo k nevatnému vychlazování honinového masivu. Zkušební vt se pak stane součástí pojektovaného pole vtů po vytápění/chlazení objektu. Schéma testovací apaatuy je na Ob. 1. Pincipem TRT testu je zpavidla řízené vytápění honinového masívu pomocí kolektou ve vtu po dobu 50 70 hodin nepřetžitě. Přitom jsou snímány teploty kapaliny v kolektou na vstupu a výstupu z vtu v závislosti na době tvání zkoušky a z jejich vyhodnocení jsou učovány výše uvedené fyzikální vlastnosti honin. 1 Ing. Jiří Ryška, OKD, DPB, a.s. Česká epublika (Recenzovaná a evidovaná vezia dodaná 11. 8. 006) 149
Jiří Ryška: Zkušenosti s ealizací testu teplotní odezvy ve vtech po tepelná čepadla jednotka sběu dat kapotovaný přívěs elektokotel oběhové čepadlo teplotní čidla přívod el. enegie (380V, 50 Hz) polyetylénový kolekto ve vtu Ob. 1. Zjednodušené schéma mobilní měřící apaatuy po ealizaci TRT na vtu. Fig. 1. Simplified scheme of the mobile measuing equipment fo ealizing TRT boehole. Teoetické základy po vyhodnocení TRT testů V současné době je ve světě nejozšířenější analytické řešení testů TRT, kteé vychází z následujících předpokladů: přestup tepla v honinách je čistě kondukční, kolem osy vtu platí adiální symetie, vedení tepla podél osy vtu je zanedbatelné. Při vytápění vtu elektokotlem tepelný odpo R b mezi kapalinou v kolektou a stěnou vtu podmiňuje teplotní ozdíl mezi teplotou kapaliny v kolektou T f a teplotou honin na stěně vtu T b po zvolenou konstantní hodnotu q topného výkonu elektokotle vztaženého na 1m hloubky vtu: T f - T b = R b * q (1) kde T f.. teplota kapaliny v kolektou [K], T b. teplota honin na stěně vtu [K], R b. tepelný odpo mezi kapalinou v kolektou a stěnou vtu [K/Wm], q... topný výkon elektokotle vztažený na 1m hloubky vtu [W/m]. Teplota T f je definována jako půmě vstupní a výstupní teploty kapaliny v kolektou, kteý je vytápěn pomocí elektokotle. Teplotní odpo vtu R b je dán součtem odpou mateiálu tubek kolektou a injektážní směsi ve vtu. Rovnice po teplotní pole v okolí vtu dle Caslawa a Jaegea je funkcí času t a poloměu kolem liniového zdoje (tj. kolektou vytápěného elektokotlem) s konstantním q: T (,t) = q 4πλ 4at u e q du = E1( / 4at) u 4πλ () 150
Acta Montanistica Slovaca Ročník 11 (006), mimoiadne číslo 1, 149-153 kde E 1 je tzv. exponenciální integál, po vysoké hodnoty paametu at / může být apoximován jednoduchým výazem: 4at at E 1( / 4at) = ln( ) γ 5 γ Euleova konstanta = 0,577 λ. tepelná vodivost honin [W/mK]. (3) Teplotní vodivost honin a : a = λ / c p (m /s) (4) c p. měná tepelná kapacita honiny [J m -3 ]. Rovnici (1) lze převést na tva: T ( t) = T ( t) + q * R (5) f b b Pak funkce závislosti teploty nemznoucí směsi v závislosti na čase má tva: T ug q 4at T f ( t) = (ln( ) γ ) + q * Rb + T 4πλ. teplota neovlivněného honinového masivu [K]. Při vyhodnocování dat z TRT testu se vypouští pvních 10-15 hodin měření: v této peiodě dochází k překonávání tepelného odpou vtu a ustálení teplotních poměů v okolí vtu. Vlastní vyhodnocení testu TRT je pováděno pomocí matematického modelu na základě metody konečných ozdílů: cílem je učení hodnot tepelné vodivosti λ a tepelného odpou vtu R b tak, aby bylo dosaženo nejlepší shody tj. nejmenšího ozdílu - mezi naměřenou a vypočítávanou křivkou závislosti teploty kapaliny v kolektou T f na době testování t. Pvní TRT testy byly v České epublice povedeny v dubnu 005 na lokalitě Ostava Pouba, kde pobíhala výstavba auly a centa infomačních technologií po technickou univezitu Vysokou školu báňskou. Testy byly vyhodnoceny doc. Göanem Hellstömem z Lund Univesity (Švédsko), kteý je také autoem návhu švédské mobilní testovací apaatuy viz Ob.. Paktické zkušenosti s TRT testy v České epublice ug (6) Ob.. Testovací zařízení na zkušebním vtu po technickou univezitu VŠB v Ostavě. Fig.. Testing equipment at the boehole of Technical Univesity V+SB in Ostava. V pvní fázi byly odvtány dva zkušební vty o hloubce 130 m, kteé jsou od sebe vzdáleny cca 150 m a lokalizované v pojektovaném poli vtů po tepelná čepadla. Účelem bylo ověřit vliv případné změny geologických podmínek na výsledky testu. Oba vty byly standatně vystojeny (dvoutubkový PE-kolekto ø40mm, injektáž stvolu vtů) po budoucí připojení k tepelnému čepadlu. Geologické poměy ověřené zkušebními vty byly následující: 151
Jiří Ryška: Zkušenosti s ealizací testu teplotní odezvy ve vtech po tepelná čepadla Geologie/Vt Vt č. 1 Vt č. 0 14,m: jíly, štěkopísky, jílovité písky, 0 14m: jíly, štěkopísky, jílovité písky, kvaté nepatný přítok vody nepatný přítok vody miocén 14, 6m: tuhé jíly, žádný přítok vody 14 83,5m: tuhé jíly, žádný přítok vody 6 130m: jílovce, pachovce s polohami 83,5 130m: jílovce, pachovce s polohami spodní kabon pískovců, silný přítok vody v cca 105m pískovců, žádný přítok vody TRT apaatua byla pomocí ychlospojek napojena na ústí kolektou napojení bylo obaleno izolační hmotou, aby se zabánilo ovlivnění testu teplotou ovzduší. V pvní fázi byla po učitou dobu cikulována kapalina v kolektou bez zapojení elektokotle. Tímto způsobem byla zjištěna teplota neovlivněného honinového masivu T ug jako jediná agegátní hodnota po celý vt. Poté byl zapnut elektokotel a po dobu několika dnů pobíhal nepřetžitě vlastní TRT test. Půběh testů ve zkušebních vtech včetně vyhodnocených tepelných vlastností honin je uveden v následující tabulce: Paamet Vt č. 1 Vt č. Topný výkon do vtu 8, kw 7,6 kw Půmě. litáž čepadla při testu 0,83 l/s 0,87 l/s Doba vytápění vtu elektokotlem 71,5 hodin 93,3 hodin Teplota Tug 10,8 0 C 10,8 0 C Tepelná vodivost honin λ, W/mK,1 W/mK Tepelný odpo R b 0,16 K/Wm 0,1 K/Wm Injektážní směs cement + bentonit Stüwathem 000Z Je zřejmé, že hodnoty jsou velmi blízké nižší tepelný odpo R b ve vtu č. byl dán typem aplikované injektážní směsi jednalo se o speciální pytlovanou směs cement + bentonit + křemitý písek. Cílem bylo snížit tepelný odpo vtu R b pomocí směsi s lepší tepelnou vodivostí, kteá je dána přítomností tříděného křemitého písku. Stanovení celkového počtu vtů po vytápění objektu tepelnými čepadly Výsledky TRT testů měly být podkladem po výpočet celkového počtu vtů nezbytného po vytápění objektu auly + CIT VŠB v Ostavě. Vzhledem k nedostatku finančních postředků na zadání výpočtu univezitě v Lundu byl poveden odboný odhad. Tento odhad vycházel z: analogického případu - vytápění městské víceúčelové haly v Opavě tepelnými čepadly s vty, zahaničních zkušeností v obdobných geologických podmínkách (Německo), oientačního výpočtu metáže vtů pomocí softwae EED.0. Základní vstupní údaje po kvalifikovaný odhad byly převzaty z enegetického auditu stavby auly + CIT VŠB: topný výkon tepelných čepadel: 650 kw očekávaný chladící výkon tepelných čepadel: 35 kw tepelná enegie vyobená tepelnými čepadly za ok: 1 35 MWh Odboný odhad na základě analogického případu - vytápění městské víceúčelové haly v Opavě tepelnými čepadly Poovnáním geologických podmínek vyplývá, že: na lokalitě Opava se vyskytovaly přítoky podzemní vody v kvaténích štěkopíscích a u mnoha vtů také v pískových vložkách v miocénu na lokalitě Ostava Pouba se přítok podzemní vody vyskytl jen na jednom ze dvou zkušebních vtů, jinak byly oba vty bez zvodnění na lokalitě Ostava Pouba byly navíc zastiženy skalní honiny spodního kabonu jejich eliéf asi bude hloubkově kolísat (zkušební vty vzdáleny od sebe cca 150m a přitom ozdíl v hloubce eliéfu kabonu činí cca 0m) Z technického hlediska lze oientačně stanovit tepelný zisk z jednoho hloubkového metu vtu. Např. na lokalitě Opava se bude jednat o podíl celkového topného výkonu (tj. 455 kw) a celkové metáže vtů (tj. 8 100m). Tepelný zisk z jednoho metu vtu takto oientačně učený činí cca 56 W m -1. Na lokalitě Ostava Pouba lze konzevativně předpokládat hoší tepelný zisk z důvodu nižších přítoků podzemních vod. Na základě německých zkušeností s obdobnými geologickými podmínkami ( suché jíly + skalní honiny) a z nutnosti zabánit možnému pozvolnému dlouhodobému vychlazování honinového masívu 15
Acta Montanistica Slovaca Ročník 11 (006), mimoiadne číslo 1, 149-153 velkým množstvím vtů napojených na tepelná čepadla tepelný zisk na lokalitě Ostava Pouba lze předpokládat na úovni cca 45 W m -1. Tato oientační hodnota znamená, že po požadovaný celkový topný výkon tepelných čepadel bude potřeba 14 500m vtů tj. 11 vtů o hloubce 130 m. Dlouhodobému vychlazování honinového masivu bude ovněž zabáněno klimatizací objektu auly + CIT - tzn., že v letním období bude přebytečné teplo z objektu uskladňováno do vtů, ze kteých bude naopak využíváno elativního chladu honinového masivu. Oientační výpočet metáže vtů pomocí softwae EED.0 Na základě paametů enegetického auditu, výsledků TRT testů a znalosti litáže oběhového čepadla na pimání staně tepelného čepadla (Q = 3,4 m s -1 ) byl poveden oientační výpočet celkové metáže vtů pomocí softwae EED.0 s následujícími výsledky: Vty/typ inj. směsi Inj. směs klasická Inj. směs s křemitým pískem hloubka vtů 130 m 130 m oientační celková metáž 15 000 m 14 000 m počet vtů 116 108 Tento výpočet je nutné chápat jako oientační z následujících důvodů: není zohledněno dobíjení vtů tepelnou enegií odebanou z objektu při jeho klimatizaci, spotřeba tepelné enegie v objektu po jednotlivých měsících byla do softwae dosazena pouze oientačně bez hlubší analýzy, v ČR se jedná zatím o pvní pokus takovéhoto výpočtu po velký stavební objekt a z toho vyplývají malé zkušenosti autoa s tímto softwae. Závě Vytápění velkých objektů pomocí tepelných čepadel s řádově desítkami vtů je nezbytné povádět dle pojektu vtů stanovených na základě vyhodnocení TRT testů. Apaatuy po TRT testy mají k dispozici v USA (dokonce již v kufříkovém povedení), Kanadě, Švédsku, Německu, Holandsku, Nosku, Švýcasku, Velké Bitánii a Tuecku. TRT testy včetně kompletního vyhodnocení jsou zatím finančně (cca 7 500 EURO test -1 ) a časově náočné poto jsou aplikovány u objektů s mnoha vty. Jsou však vyvíjeny metody vyhodnocení, kteé by mohly vést ke zkácení těchto testů. V České epublice byl poveden pvní TRT test na zkušebních vtech po vytápění auly a centa infomačních technologií Vysoké školy báňské v Ostavě. Tato akce byla spolufinancována Českou enegetickou agentuou. Vyhodnocení těchto testů TRT bylo povedeno švédským odboníkem. Následný výpočet celkového počtu vtů byl poveden oientačně z důvodu nedostatků finančních postředků na jeho zadání zahaničním odboníkům. V konečné fázi bylo ozhodnuto o ealizaci celkově 10 vtů o hloubce 130 m (celková metáž: 15 600 m) z důvodu použití klasické injektážní směsi (Stüwathem způsobuje poblémy na čepací technice) a ponechání učité ezevy topného výkonu honinového masivu. Instalace tepelných čepadel včetně ealizace vtů budou z velké části hazeny z postředků Evopského fondu po egionální ozvoj a Ministestva životního postředí. Refeences Eskilson, P.: Themal Analysis of Heat Extaction Boeholes. Sboník efeátů, Univesity of Lund, Švédsko, 1987. Hellstőm, G., Sanne, B.: Eath Enegy Designe, Vesion.0. Uživatelský manuál softwae, 000, Univesity of Lund, Švédsko. Gehlin, S.: Themal Response Test. Doctoal thesis, 00, Lulea Univesity of Technology. Kunz, A., Ryška, J., Koníček, J., Bujok, P.: Využití honinového postředí jako stálého efektivního zdoje enegie po tepelná čepadla. Sboník přednášek Nové poznatky v oblasti vŕtania, ťažby, dopavy a uskladňovania uhľovodíkov. Podbánské 00, s. 69-75, ISBN 80-7099-895-4 Belica, P., Křupka, J.: Aula a CIT VŠB - TU Ostava Pouba. Enegetický audit 004. Gmela, A., Aldof, J.: VŠB Technická univezita Ostava, aula + CIT vty po tepelná čepadla na pac. 1738/30 a 1738/37, k.ú. Pouba.Pojekt vodního díla po územní ozhodnutí a stavební povolení, 005. Ryška J.: Pováděcí pojekt vtů po tepelné čepadlo č. DPV 047-0-03-005. OKD, DPB, a.s. 153