Prvo terensko mjerenje toplinskih svojstava tla u Hrvatskoj

Prvo terensko mjerenje toplinskih svojstava tla u Hrvatskoj u svrhu projektiranja toplinskog sustava s dizalicom topline.

U sklopu znanstvenog projekta “Dizalice topline s korištenjem tla kao obnovljivog toplinskog spremnika”, u Laboratoriju za toplinu i toplinske uređaje Fakulteta strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu izveden je prvi pokretni uređaj za ispitivanje toplinskih svojstava tla.

1.inddSlika 1. Dvostruka U cijev s utegom; b) Poprečni presjek bušotine s izmjenjivačem topline i ispunom

Prvi put u Hrvatskoj na lokaciji Rugvica, na kojoj su izvedene tri probne bušotine dubine 100 m, provedena su terenska ispitivanja toplinskih svojstava tla (eng: Thermal Response Test – TRT).
U svrhu terenskih mjerenja korišten je pokretni uređaj koji je posebno razvijen za takvu namjenu. Takva mjerenja se u pravilu sastoje od višednevnog grijanja bušotinskog izmjenjivača topline s konstantnom snagom grijača. Iz dobivenih rezultata vremenske promjene temperature vode na ulazu i izlazu toplinske sonde te protoka vode i snage grijača izračunava se efektivna toplinska vodljivost tla koje okružuje bušotinski izmjenjivač topline te efektivni toplinski otpor unutar bušotinskog izmjenjivača topline. Metoda se temelji na matematičkom modelu linijskog izvora topline.
Poznavanje toplinskih svojstava tla koristi se za projektiranje dizalica topline povezanih s tlom, tehnologije koja bilježi jedan od najbržih porasta u području primjene obnovljivih izvora energije mjereno brojem instaliranih jedinica u svijetu.

  1. UVOD

Na lokaciji budućeg trgovačkog centra planirana je izvedba polja bušotina koje bi se koristile za grijanje i hlađenje objekata uz pomoć dizalica topline (u daljem tekstu DTPT – dizalice topline povezane s tlom, prema engleskom, GCHP – ground coupled heat pumps).
Da bi se omogućilo projektiranje polja bušotina potrebno je izvesti terenska ispitivanja mjerenjem toplinskog odziva (MTO), prema engleskom thermal response test (TRT), bušotinskih izmjenjivača topline. U engleskom jeziku se često koristi i  precizniji naziv geothermal response test (GRT). Takva mjerenja u pravilu se sastoje od višednevnog grijanja bušotinskih izmjenjivača topline, uz održavanje konstantne snage grijača [1-3]. Kao odziv mjeri se vremenska promjena temperature vode koja se održava u prisilnoj cirkulaciji. U svrhu terenskih mjerenja koriste se pokretni uređaji koji su posebno razvijeni za takvu namjenu.

Iz dobivenih rezultata vremenske promjene temperature vode izračunava se efektivna (prosječna, integralna) toplinska vodljivost tla koje okružuje bušotinski izmjenjivač topline i efektivni toplinski otpor unutar bušotinskog izmjenjivača topline. Metoda se temelji na modificiranom matematičkom modelu linijskog izvora topline.

Nakon utvrđivanja toplinske vodljivosti tla i otpora prolazu topline unutar bušotinskog izmjenjivača topline uz korištenje prikladnog softvera, moguće je proračunavati dugoročne promjene temperature tla, koje se mogu očekivati pri eksploataciji polja bušotina zadane konfiguracije. Unutar polja bušotina dugoročno raste negativni međuutjecaj pojedinih bušotina. Taj je međuutjecaj manji ako se trajno koristi u ljetnom i zimskom razdoblju, te opada sa smanjivanjem razlike između ukupno godišnje crpljene i utisnute topline. Načelno, polja s većim razmacima između bušotina imaju veću dugoročnu iskoristivost, a također su povoljnija izdužena polja (s većim opsegom) u odnosu na kompaktna polja jednake tlocrtne površine.

U fazi predprojekta i izrade studije izvodljivosti, za procjenu očekivanog toplinskog učinka izračunavaju se dugoročne promjene toplinske izdašnosti polja do kojih će doći u razdoblju od približno dvadeset godina. Rezultati se računaju korištenjem baza podataka koje sadrže bezdimenzijske karakteristike polja, izražene u obliku tzv. g-funkcija, koje predstavljaju toplinski odziv polja bušotina na tzv. odskočno opterećenje s konstantnim toplinskim tokom (engl. heat pulse, matematički definirano Heavisideovom funkcijom). U fazi razrade projekta u proračun se mogu uključiti i mjesečne promjene opterećenja s posebno izraženim vrijednostima i trajanjem vršnih opterećenja.

  1. PROVEDBA IN SITU MJERENJA

Na lokaciji budućeg trgovačkog centra IKEA izvedene su tri probne bušotine dubine 100 m, promjera 152 mm, s ciljem utvrđivanja toplinskih svojstava tla. U radu će biti prikazani rezultati mjerenja toplinske vodljivosti tla i toplinskog otpora bušotine na jednoj od tri ispitne bušotine.

Nakon bušenja u bušotinu je postavljena sonda, koja predstavlja izmjenjivač topline u obliku dvostruke U cijevi (Slika 1). Dvostruka U cijev izrađena je iz polietilena visoke gustoće PE 100 i promjera je 32 mm.
Slika 1 prikazuje litološki profil uzduž bušotine do dubine 100 m. Litološki profil ukazuje na značajan udio vodonosnika u strukturi tla u prvih 100 metara bušotine.
Ispitivanje termodinamičkih svojstava tla i bušotinskih izmjenjivača topline provedeno je na tri pokusne bušotine snimanjem njihovog toplinskog odziva pri grijanju, uz održavanje konstantnog i stabilnog toplinskog toka između sonde i tla tijekom cijelog ispitivanja. Mjerenje toplinskog odziva tla sastoji se u snimanju temperature vode na ulazu i izlazu iz bušotinskog izmjenjivača topline, te narinute konstantne snage električnog grijača (u ovom slučaju napajane uz pomoć diesel-agregata).

1.inddKontrola toplinskog toka predavanog tlu obavlja se prilikom obrade podataka nakon provedenih mjerenja, a na temelju kontinuiranog mjerenja protoka recirkulirane vode. Za svaku je bušotinu mjerenje trajalo tri dana, pri čemu su mjerene veličine automatski bilježene svakih pet minuta. Iako dulje ukupno trajanje mjerenja osigurava preciznije podatke, smatra se da je za komercijalnu primjenu dovoljno ako mjerenje traje oko 50 sati.

Slika 2: Kvalitativni litološki profil bušotine

Vrijeme tb koje je potrebno za uspostavljanje kvazistacionarnog stanja unutar bušotine određeno je jednadžbom u kojoj je rb polumjer bušotine, dok a predstavlja difuzivnost temperature tla, koja je određena jednadžbom u kojoj brojnik predstavlja toplinsku vodljivost tla, a nazivnik volumni specifični toplinski kapacitet tla. Za određivanje toplinske vodljivosti tla i toplinskog otpora bušotine mjerodavni su samo podaci registrirani nakon isteka vremena tb.

  1. REZULTATI MJERENJA

1.inddPrije provedbe MTO izvršeno je mjerenje prosječne neometane temperature tla uzduž sonde. Cirkulacijom vode kroz sondu utvrđena je u intervalu od 15. i 30. minute prosječna temperatura vode od 13,5 °C. Ulazni parametri testa termičkog odziva tla na bušotini br. 2 dani su u Tablici 1. Ispitivanje je trajalo 71 sat.
Tablica 1: Ulazni parametri za bušotinu

1.inddNa Slici 3 prikazani su rezultati mjerenja temperature optočne vode, a na slici 4 je prikaz istih rezultata s vremenom u logaritamskom mjerilu. Regresijskom analizom dobiven je nagib pravca k, pa je na temelju toga utvrđen koeficijent toplinske vodljivosti tla iz sljedeće jednadžbe:

Slika 3: Rezultati mjerenja temperature optočne vode i okoliša

1.inddSlika 4: Rezultati mjerenja temperature optočne vode s rezultatom regresijske analize

Zatim su izračunavane vrijednosti efektivnog otpora unutar BIT, tako da je za vremenski interval dobivena prosječna vrijednost  = 0,074 (m.K)/W.

  1. ZAKLJUČAK

Na lokaciji budućeg trgovačkog centra IKEA u Rugvici i mogućeg budućeg polja bušotina provedeno je in situ ispitivanje svojstava tla i unutarnjeg toplinskog otpora na tri pokusne bušotine. Mjerenja su izvršena korištenjem pokretnog mjernog uređaja izrađenog na Fakultetu strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu. Budući da se nije moglo osigurati priključak na električnu mrežu, mjerenje je provedeno tako da je trofazni električni grijač optočne vode napajan uz pomoć diesel-agregata. Iako je cijena električne energije iz agregata višestruko veća, stabilnost napona pri takvom napajanju pokretnih mjernih uređaja, kako to pokazuju i brojna svjetska iskustva, osjetno je smanjena. Stabilnost napona, a time i snage grijača, predstavlja preduvjet za dobivanje pouzdanih podataka u mjerenju toplinskog odziva tla i bušotinskih izmjenjivača topline. Pokazalo se da se tijekom mjerenja napon agregata mijenjao ovisno o vanjskoj temperaturi, tako da je pri velikim temperaturnim razlikama između dana i noći došlo do nedopuštenih fluktuacija snage grijača. Zbog toga su se, unatoč „lijepom“ vremenu, rezultati mjerenja na bušotini br. 1 pokazali neupotrebljivi, jer su razlike između noćnih i dnevnih temperatura bile i preko 24 °C. Za vrijeme mjerenja na bušotini br. 2 je, zahvaljujući oblačnom vremenu, fluktuacija temperature bila je unutar intervala od 8 °C, pa su ostvarena i najpouzdanija mjerenja. Izmjerene su vrijednosti toplinske vodljivosti tla od 1,69 W/(m . K), te toplinskog otpora bušotine od 0,074 (m . K)/W.

prof.dr.sc. Vladimir Soldo, dipl.ing.stroj.
doc.dr.sc. Miroslav Ruševljan, dipl.ing.stroj.

PODIJELI