Metodika automatického měření a vyhodnocování teplot v hlubinných vrtech

Petr Vojčinák

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertace se zabývá problematikou návrhu komplexně pojaté metodiky zaměřené na popis, měření a vyhodnocování hodnot vybraných termo-fyzikálních vlastností horninového prostředí (tj. součinitel tepelné vodivosti, součinitel tepelného odporu, neovlivněná teplota) v rámci realizace tzv. TRT experimentů. Hlavní cíl při jejich evaluacích spočívá v nalezení souvislostí mezi geovědním hlediskem (tj. z pohledů geografie, geomorfologie, geologie konkrétní zkoumané lokality), příslušným analytickým či numerickým matematickým popisem a výsledky reálných in-situ TRT testů, zahrnujících původní základní a doplňkové metodické postupy. Při samotném vyhodnocování takto nashromážděných dat jsou použity a diskutovány – díky uvedenému matematickému aparátu – nejen jednodušší analytické přístupy (evaluačně založené na konvenční Kelvinově teorii liniového zdroje a souvisejících teoriích), ale také složitější analytické přístupy (pro popis jednotlivých tepelných odporů ve vrtu dle Hellströma a pro řídicí rovnice teplotních procesů uvnitř vrtu v závislostech na geometrii vrtaného tepelného výměníku a na jeho konfiguraci dle Eskilsona a Claessona). V této souvislosti jsou rovněž nastíněny příklady využití numerických přístupů (založených na metodách konečných prvků a konečných diferencí) pro vytváření komplexněji pojatých úloh v rámci multifyzikálního modelování v prostředích COMSOL Multiphysics a FEFLOW. V praktické části (tj. v rámci navržené metodiky realizace a evaluace TRT experimentů) jsou diskutovány nejen možné prakticky využitelné přístupy měření teplotních profilů (pomocí teplotních snímačů typů Pt1000, Dallas DS18B20 a pomocí optického kabelu), ale také navržená ustálená sekvence 4 procedur (tj. měření neovlivněného teplotního profilu, realizace TRT testu spojená s prvním stupněm evaluace dat, měření ovlivněných teplotních profilů, druhý stupeň evaluace dat), postupně aplikována u 13 realizací TRT experimentu a 12 realizací samotných TRT testů (tj. bez ostatních procedur); detailní popis realizace a evaluace TRT experimentu je uveden pro lokalitu Ovčárna pod Pradědem. Z obecného hlediska slouží výsledky TRT experimentů – v přímé návaznosti na certifikovanou metodiku, viz [1] – jako metodické podklady v oblastech praktického návrhu, dimenzování svislých vrtaných výměníků tepla (napojených na tepelná čerpadla typu země/voda) a jejich případné výkonové optimalizace v závislostech na specifickém horninovém prostředí a plánované spotřebě tepelné energie pro danou lokalitu.

Abstract:

This dissertation deals with issue of designing a comprehensively solved methodology focused on description, measurement and evaluation of certain thermo-physical rock environment parameters (i. e., coefficient of thermal conductivity, coefficient of thermal resistance, and an uninfluenced temperature) at performing so-called TRT experiments. At their evaluation, the main aim is to find relationships for a geoscience viewpoint (i. e., viewpoints of geography, geomorphology, and geology for certain examined locality), a relevant analytical or a numerical mathematical description, and results of in-situ TRT tests, including principal and supplemental procedures. In case of evaluating data acquired by this way, there are used and discussed – due to the given maths description – not only some simpler analytical approaches (based on conventional Kelvin line-source theory and on related theories), but also complicated analytical ones (i. e., descriptions of thermal resistances inside a borehole by Hellström, and control equations of temperature processes inside the borehole, namely in dependencies on geometry of a borehole heat exchanger and its configuration by Eskilson & Claesson). In this context, some samples using numerical approaches (based on methods of finite elements and finite differences) are also introduced to creating advanced and complex models within a multiphysical modelling by using COMSOL Multiphysics and FEFLOW. In the practical part of this dissertation (related to the designed methodology for performance and evaluation of the TRT experiments), there are discussed not only applicable practical approaches to measuring temperature profiles (by using temperature sensors of Pt1000 and Dallas DS18B20, and by using an optical cabel), but also designed fixed 4-procedure sequence (i. e., measuring an uninfluenced temperature profile, performing the TRT test with the first data evaluation stage, measuring influenced temperature profiles, and the second data evaluation stage), gradually applied to 13 performances of the TRT experiment and 12 performances of the TRT test (i. e., with no supplemental procedures); detailed description centred on performing and evaluating the TRT experiment is introduced to the locality of Ovčárna pod Pradědem. Generally, results of the TRT experiments – directly related to the certified methodology, see [1] – can serve as a methodological material for practical design and dimensioning of vertical borehole heat exchangers (connected to ground-water heat pumps), and their performance optimization in dependencies on features of the rock environment and planned heat energy consumption for a certain locality.

Keywords

analytické modely, Cauchyho problém, COMSOL Multiphysics, Dallas DS18B20, energie, FEFLOW, geografie, geologie, geomorfologie, horninové prostředí, horninový masiv, matematické modelování, metodika, měření, numerické modely, neovlivněný teplotní profil, okrajové podmínky (BC), ovlivněný teplotní profil, odporový teplotní snímač (RTD)

Keywords

analytical models, Cauchy problem, COMSOL Multiphysics, Dallas DS18B20, energy, FEFLOW, geography, geology, geomorphology, rock environment, rock massif, mathematical modelling, methodology, measurement, numerical models, undisturbed temperature profile, boundary conditions (BC), disturbed temperature profile, resistance temperature detector (RTD)

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 5. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2015
• Supervisor: Jiří Koziorek
• Reader: Pavel Nevřiva, Zdeněk Kaláb, Dagmar Janáčová

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme / field:
Elektrotechnika / Technická kybernetika