Test Reakcji Termicznej - (TRT) - sposób na prawidłowe zaprojektowanie instalacji z otworowymi wymiennikami ciepła

Wstęp

Do prawidłowego zaprojektowania instalacji bazującej na otworowych wymiennikach ciepła wraz z gruntową pompą ciepła ważne są informacje o:

• uzysku energetycznym otworowego wymiennika ciepła $(P_j)$,
• przewodności cieplnej przewiercanego profilu skał $(\lambda_{ef})$,
• oporności termicznej wymiennika otworowego $(R_b)$,
• średniej temperaturze górotworu $(T_0)$.

Badanie, które pozwala na określenie wyżej wymienionych informacji to Test Reakcji Termicznej (TRT).

Historia TRT

Pierwszy test termicznej reakcji został przeprowadzony w Szwecji (Mogensen, 1983). Mogensen przedstawił koncepcję testu i jego zastosowanie do pomiarów, które miały na celu oszacowanie przewodności cieplnej górotworu przewierconego przez otworowy wymiennik ciepła. W 1995 roku na Oklahoma State University rozpoczęto prace nad eksperymentalnym sprzętem, który został opisany przez Austina w 1998 roku (Austin, 1998). W tym samym okresie, niezależnie od siebie, prowadzono badania w Szwecji.

Pierwszy przeprowadzony test został opisany przez Eklofa w 1996 roku (Eklof i Gehlin, 1996). (Gehlin i Nordell, 1998) w 1998 roku przedstawili wyniki interpretacji TRT. Aby prawidłowo zaprojektować otworowe wymienniki ciepła, należy przeprowadzić TRT na miejscu, w pierwszym otworze (badawczym), przy użyciu mobilnego sprzętu badawczego.

Pierwszy test termiczny otworów, który był podobny do TRT, przeprowadzony w Polsce i opisany w literaturze, został przedstawiony przez Czekalskiego w 2006 roku (Czekalski i Obstawski, 2006). Pierwszy komercyjny (przemysłowy) TRT w Polsce został wykonany w 2007 roku, co zostało opisane przez Śliwę w 2011 roku (Śliwa i Gonet, 2011).

Test Reakcji Termicznej

System pomiarowy do realizacji TRT musi z jednej strony uwzględniać schemat modelowy pomiaru, a z drugiej strony być dostosowany do specyfiki i warunków otworowych wymienników ciepła. Struktura otworowych wymienników ciepła pozwala na transfer energii przez ogrzewany nośnik ciepła, który krąży w zamkniętym obiegu, co odpowiada liniowemu źródle ciepła otoczonego skałami.

Podczas pomiaru mierzone i rejestrowane są wartości temperatury nośnika ciepła wypływającego i wpływającego do wymiennika otworowego. Dodatkowo, przez cały czas pomiaru monitorowany jest strumień objętości przepływającego nośnika ciepła oraz dostarczaną moc grzewcza. Te dwa parametry powinny utrzymywać stałą wartość przez cały czas trwania TRT (Śliwa, 2012).

Warunkiem otrzymania poprawnych wyników oraz umożliwienie poprawnej ich interpretacji jest odpowiednio długi czas przeprowadzenia testu. Czas ten powinien umożliwić doprowadzić do zmian temperaturowych nie tylko w obrębie materiału wypełniającego otwór, ale także otaczających górotworu. Czas trwania TRT uzależniony jest od warunków geologicznych, minimalny czas określa się na 70 godzin (Złotkowski, 2019)

Podczas pomiaru w układzie powierzchniowym należy minimalizować wpływ warunków atmosferycznych na realizowany cykl badawczy. Dobrym rozwiązaniem jest owinięcie rur przyłączeniowych termoizolacją między urządzeniem TRT, a otworowym wymiennikiem ciepła (Śliwa i Gonet, 2011).

Określenie średniej temperatury otworowego wymiennika ciepła

Do późniejszej interpretacji wyników TRT potrzebna jest informacja o średniej temperaturze otworu. Firma GeoTec Energy Sp. z o.o. wykonuje profilowania temperatury dwoma metodami w celu dokładnego określenia temperatury.

Metoda I (logger NIMO-T)

Metoda polega na wpuszczeniu do otworowego wymiennika ciepła loggera, który odczytuje wartości temperatury oraz ciśnienia podczas swobodnego opadania na dno wymiennika otworowego. Po odczytaniu danych oblicza się średnią temperaturę na całej głębokości otworowego wymiennika ciepła.

Metoda II (cyrkulacja nośnika ciepła)

Przed rozpoczęciem fazy grzewczej wykonuje się cyrkulacje nośnika ciepła między wymiennikiem otworowym a urządzeniem do TRT w celu określenia średniej temperatury. Czas trwania cyrkulacji to 24 h.

Interpretacja wyników

Po przeprowadzonym TRT wykonuje się interpretacje wyników. Firma GeoTec Energy wykonuje ją trzema metodami:

• metoda klasyczna (I),
• metoda punktowa (II),
• metoda stałej rezystancji (III).

Poniżej przedstawiono tabelę z danymi uzyskanymi po przeprowadzeniu interpretacji wyników TRT. (dane przykładowe).

Nazwa wartości	Wartość
Głębokość otworowego wymiennika ciepła	$H_w$ = 100 m
Efektywna przewodność cieplna w wymienniku otworowym	$\lambda_{ef}$ = 1,94 $\frac{W}{mK}$
Jednostkowa moc wymiennika otworowego	$P_j$ = 37,58 $\frac{W}{m}$
Opór termiczny wymiennika otworowego	$R_b$ = 0,088 $\frac{mK}{W}$
Średnia temperatura naturalna w wymienniku otworowym	$T_0$ = 10,54$\degree$C

Literatura

• Austin, W., 1998. Development of an In-Situ System for Measuring Ground Thermal Properties. Oklahoma: Oklahoma State University.
• Czekalski, D. i Obstawski, P., 2006. Procedura testowania pionowego wymiennika gruntowego w warunkach eksploatacyjnych. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, Issue 4, pp. 18-21.
• Eklof, C. i Gehlin, S., 1996. A mobile Equipment for Thermal Response Test. Lulea: Lulea University of Technology, Sweden.
• Gehlin, S. i Nordell, B., 1998. Thermal Response Test of Boreholes - Results from In Situ Measurements.
• Mogensen, P., 1983. Fluid to Duct Wall Heat Transfer in Duct System Heat Storages., Swedish Council for Building Research.
• Śliwa, T. i Gonet, A., 2011. Otworowe wymienniki ciepła jako źródła ciepła lub chłodu na przykładzie Geoenergetics Laboratory WWNiG AGH (Borehole heat exchangers heat or cool source on the basis of Laboratory of Geothermics of Drilling, Oil and Gas Faculty in AGH University of Krakow). Wiertnictwo, Nafta, Gaz, 28(1-2), pp. 419-430.
• Śliwa, T., 2012. Badania podziemnego magazynowania ciepła za pomocą kolektorów słonecznych i wymienników otworowych. Kraków
• Złotkowski, A., 2019. Opracowanie wieloetapowego testu reakcji termicznej otworowych wymienników ciepła. Kraków: Rozprawa doktorska - AGH.