Možnosti optimalizace vystrojení vrtaných tepelných výměníků sloužících jako primární okruh tepelných čerpadel země-voda.

Michal Porzer

Doctoral thesis

Possibilities of Optimization of the Completion of the Borehole Heat Exchangers for the Ground-Source Heat Pumps Utilization.

Abstract:

Prezentovaná disertační práce představuje nový koncept vystrojení vrtaných tepelných výměníků určených k produkci tepla pro tepelná čerpadla typu země-voda pomocí intervalové injektáže jeho stvolu. Pro segmentaci horninového prostředí na dané intervaly je v první části práce použito analytických a numerických modelů, které kvantifikují geotermální a geotermodynamické procesy nejen v nejsvrchnějších částech zemské kůry. Tato studie je prezentována především pro lokalitu VŠB-TU Ostrava. Použité postupy s velmi dobrou přesností reprezentují reálné procesy, jako jsou teploty zemské kůry a horninami produkované radiogenní teplo, vývoj teplot v hlubších částech horninového prostředí vlivem klimatických změn v průběhu posledních staletí a roční oscilace teplot v přípovrchových zónách. Další část této práce se zabývá vrtanými tepelnými výměníky a jejich schopností produkovat tepelnou energii. Je zde představena teorie jejich konstrukce, v níž hraje zásadní roli injektážní směs, která vyplňuje mezikruží těchto vrtů a její koeficient tepelné vodivosti. Kapitola zmiňuje také výstupy analytického modelu, které prezentují vliv změny jednotlivých konstrukčních parametrů na funkčnost tohoto výměníku – jeho tepelný odpor. Z analýzy vyplývá, že hodnota 2,5 W·m-1·K-1 je v běžných podmínkách maximální hodnotou koeficientu tepelné vodivosti injektážní směsi, který přináší efektivní zlepšení produkce tepla. V laboratořích Oddělení aplikované geologie, Institutu geologického inženýrství byly připraveny injektážní směsi, jejichž koeficient tepelné vodivosti byl zvyšován použitím příměsi přírodních materiálů. Vyvinuté receptury pokrývají rozsah 0,59~3,43 W·m-1·K-1 a všechny receptury s výjimkou použití mletého krystalického grafitu se ukazují být cenově výhodné. Intervalová injektáž pak byla testována numerickým modelem, jehož nastavená konfigurace byla ověřena v průběhu řešení. Výzkum injektážních směsí zase poskytl hodnoty jejich termodynamických parametrů. Reprezentativnost modelu byla verifikována pomocí dat měřených ve vrtech během utrácení tepla a pomocí analytického modelu pro produkci tepla. Koncept intervalové injektáže má za určitých podmínek opodstatnění.

Abstract:

New concept of the completion of the borehole heat exchangers which are designed for ground-coupled heat pumps utilization is presented in this dissertation thesis. This concept is based on selective grouting of rock environment segments. The segmentation of the underground is based on analytical and numerical models of geothermal and geothermodynamic processes in the upper zones of earth crust. This study is focused mainly on the campus of the VŠB-TU Ostrava. Conducted approach very well simulates the real processes such as radiogenic heat production, underground temperature changes due to the climate changes in the last centuries and also the yearly atmospheric temperature oscillations influence in the surficial ground zone. Following parts cover theory of the borehole heat exchanger completion in which the crucial role belongs to the grout that fills the annulus of the borehole. The influence of this and also other completion parameters on the ability of the borehole heat exchanger to produce the thermal energy – the borehole thermal resistance, is introduced as well. The analysis shows that the grout thermal conductivity of 2,5 W·m-1·K-1 is the reasonable value of which the further improvement will not significantly affect thermal production. Natural ingredients were added to the basic grout to improve it‘s thermal conductivity in the laboratories of Department of Applied Geology of the Institute of Geological Engineering. Developed grouts cover the thermal conductivity range of 0,59~3,43 W·m-1·K-1. The application of all grouts, but one with the natural graphite addition is feasible, from the reduced borehole length or increased thermal productivity point of view. The performance of the segmentally grouted borehole exchanger is evaluated by means of the numerical model. This models physical setting is verified by the field data for the underground heat storage process and by the analytical model for the heat production task. The presented results evaluating the concept of borehole heat exchanger completion by the grouting segmentation show certain potential in some specific conditions.

Keywords

nízkopotenciální tepelná energie, vrtaný tepelný výměník, tepelné čerpadlo země-voda, teploty horninového prostředí, intervalová injektáž, modelování přestupu tepla.

Keywords

low-potential geothermal energy, borehole heat exchanger, ground-coupled heat pump, underground temperatures, grouting segmentation, heat transfer modelling.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 6. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 25. 8. 2014
• Supervisor: Petr Bujok
• Reader: Pavel Pospíšil, Andrzej Gonet, Petr Hemza

VŠB - Technical University of Ostrava

Hornicko-geologická fakulta

Doctoral programme / field:
Geologické inženýrství / Geologické inženýrství