Amalia Lekić Brettschneider, mag.ing.petrol. i izv. prof. dr. sc. Luka Perković
Dekarbonizacija sustava grijanja i hlađenja predstavlja poseban izazov u gusto naseljenim područjima zbog povećane koncentracije potrošnje toplinske i rashladne energije. Jedna od mogućnosti je i korištenje plitkih geotermalnih sustava pri čijem dimenzioniranju treba predvidjeti i maksimalno izbjeći neželjeni efekt pothlađivanja i pregrijavanja ležišta s ciljem dugoročno energetski učinkovitog zadovoljavanja potreba za grijanjem i hlađenjem. Intenzitet neželjenih efekata ovisi o brojnim fizikalnim parametrima ležišta i strujanju podzemnih voda, kao i dinamikom potražnje za grijanjem i hlađenjem objekata na površini.
Izravno korištenje geotermalne energije najčešće se odnosi se na geotermalne toplinske pumpe, pri čemu se sustav koristi za grijanje i hlađenje prostora različitih namjena (Lebbihiat et al., 2021.). Mogućnosti korištenja dizalica topline ovise o svojstvima tla (toplinska provodnost, termički gradijent, hidraulička provodnost, nagib), dimenzijama i svojstvima bušotinskih izmjenjivača topline (eng. Borehole Heat exchangers – BHE) kao i vanjskim čimbenicima poput vanjske temperature i količine padalina. Svojstva BHE su: duljina, promjer, debljina stijenke i svojstva cementne obloge. Vertikalni sustavi su učinkovitiji i za njihovu ugradnju je potrebna manja prostorna površina (Chen et al., 2022.). Vertikalni zatvoreni sustavi su se pokazali učinkovitiji od otvorenih na primjeru zagrijavanja staklenika (Benli, 2013.). Na vrijednosti toplinske provodnosti tla utječu litološka i fizikalna svojstva, poput poroznosti, teksture, zasićenosti vodom, hidrauličkom i toplinskom vodljivosti i dr. (Luo et al., 2016.).
Računalna simulacija jednog takvog sustava provedena je na području grada Zagreba. Simulacija je provedena na modelu kvadratnog oblika veličine 100x100 m i dubine 120 m. Bušotinski izmjenjivači topline nalaze se na dubini od 100 m. Razmatrana su 3 slučaja različite litologije: slučaj A (glina, šljunak, pijesak), slučaj B (glina i šljunak) i slučaj C (glina i pijesak), prikazani na slici 1.
Slika 1. Litologija 3 razmatrana slučaja
Svaki pojedini slučaj testiran je s 4 vrste konfiguracije bušotinskih izmjenjivača topline (16 BHE, 10 BHE, 6 BHE i 3 BHE) poredanih u pravokutnu mrežu prikazanu na slici 2. Time je dobiveno 12 razmatranih scenarija.
Slika 2. Konfiguracije bušotinskih izmjenjivača topline
Model ležišta (slika 3) sadrži početne i rubne uvjete. Rubni uvjeti su hidraulička visina tlaka na sjevernoj i južnoj strani, fiksni temperaturni profil na sjevernoj strani, fiksna temperatura na gornjoj i donjoj strani i granični uvjet nultog gradijenta na bočnoj istočnoj i zapadnoj strani za protok fluida i transport topline. Početni uvjeti postavljeni su za temperaturu i hidraulički gradijent. Za početne uvjete i sjevernu stranu granice primjenjuje se linearni porast temperature po dubini.
Slika 3. Shematski prikaz rubnih i početnih uvjeta (a) i mreže oko BHE (b)
Simulacija svakog od 12 scenarija se provodi na godišnjoj razini sa satnim vrijednostima te će, s obzirom na količinu podataka, biti prikazani rezultati scenarija C-03-BHE (slika 4). Prikazana je bilanca za cijelu godinu i dva odabrana tjedna, 1. i 26. tjedan u godini, koji predstavljaju potrebu za grijanjem zimi i potrebu za hlađenjem ljeti.
Slika 4. Bilanca električne i toplinske energije za scenarij C-03-BHE za cijelu godinu i dva odabrana tjedna: tjedan #01 (zima) i tjedan #26 (ljeto)
Distribucija temperature pokazuje da scenarij s visokom propusnošću, B-16-BHE rezultira manjim promjenama temperature u ležištu, dok scenarij C-03-BHE značajno utječe na temperaturno polje, posebno u blizini bušotinskih izmjenjivača topline (slika 5). Pregrijavanje i pothlađivanje ležišta je zanemarivo za B-16-BHE zbog konvektivnog prijenosa topline, ali je značajno za C-03-BHE. Točnije, za C-03-BHE, u blizini BHE temperatura ležišta može ići do 40 °C tijekom hlađenja i pasti na 4 °C tijekom sezone grijanja. Pregrijavanje i pothlađivanje ležišta smanjuje koeficijent djelovanja dizalice topline.
Slika 5. Raspodjela temperature između B-16-BHE (visoka hidraulička propusnost) i C-03-BHE (niska hidraulička propusnost)
Tijekom radnog vijeka dizalice topline, ležište prolazi kroz faze pothlađivanja i pregrijavanja. Pothlađivanje se događa zimi, kada se toplina akumulirana u ležištu koristi za zagrijavanje prostora, a temperatura ležišta se smanjuje. Pregrijavanje se događa ljeti. Hlađenjem prostora akumulirana toplina se vraća natrag u ležište. Na taj se način spremnik djelomično regenerira, čime se produžuje radni vijek dizalice topline.
Slika 6. Prosječna temperatura ležišta tijekom jednogodišnjeg razdoblja za svih 12 scenarija
Slika 6 prikazuje prosječne temperature ležišta unutar jedne godine za svih 12 scenarija. Litološka svojstva slučaja C pokazuju najveće oscilacije temperature ležišta, dok su litološka svojstva slučaja B najkonstantnija.
Tijekom sezone grijanja glavni pokazatelj učinkovitosti dizalice topline je koeficijent učinkovitosti (engl. Coefficient of performance - COP). COP je mjera koja se koristi za procjenu učinkovitosti sustava dizalice topline. Predstavlja omjer željenog učinka (hlađenje ili grijanje) prema potrebnom unosu (obično u obliku električne energije). Što je veći COP, to je bolja učinkovitost dizalice topline. Na slici 7 prikazani su odnosi između COP-a i funkcije gustoće vjerojatnosti (engl. Probability Density Function - PDF) za svih 12 scenarija tijekom sezone grijanja. Za sva tri litološka slučaja, COP je orijentiran udesno, a pomiče se ulijevo (smanjuje se) smanjenjem broja BHE zbog potrebe za više energije za dobivanje željene količine topline iz manjeg broja BHE. Litološka svojstva slučaja B pokazala su se najboljima.
Slika 7. COP histogram tijekom sezone grijanja za svih 12 scenarija
Rezultati pokazuju da litološki uvjeti imaju značajan utjecaj na rad dizalice topline i mogu biti odlučujući čimbenik u određivanju strukture površinske opreme, uglavnom broja BHE i potrebnog kapaciteta dizalice topline i uređaja za pomoćno grijanje. Prijenos topline između ležišta i BHE pod znatnim je utjecajem konvekcije podzemne vode, a ta konvekcija ovisi o hidrauličkoj vodljivosti slojeva. Kretanje prosječne temperature ležišta ovisi o litologiji i broju bušotinskih izmjenjivača topline. COP se smanjuje sa smanjenjem broja BHE.
NOMENKLATURA
e energija kWh
P snaga kW
ϕ toplinski tok kW
INDEKSI
B baterija
BHE bušotinski izmjenjivač topline
curt ograničenje
dem potražnja
exp izvoz
HE grijač
HP toplinska pumpa
imp uvoz
PV solari
REFERENCE
- Lebbihiat, N., Atia, A., Arıcı, M., Meneceur, N., Geothermal energy use in Algeria: A review on the current status compared to the worldwide, utilization opportunities and countermeasures, Journal of Cleaner Production, 302, 126950, 2021.
- Chen, K., Zheng, J., Li, J., Shao, J., Zhang, Q., 2022. Numerical study on the heat performance of enhanced coaxial borehole heat exchanger and double U borehole heat exchanger, Applied Thermal Engineering, 203, 117916.
- Benli, H., 2013. A performance comparison between a horizontal source and a vertical source heat pump systems for a greenhouse heating in the mild climate Elaziğ, Turkey, Applied Thermal Engineering, 50, 197-206.
- Luo, J., Rohn, J., Xiang, W., Bertermann, D., Blum, P., 2016. A review of ground investigations for ground source heat pump (GSHP) systems, Energy & Buildings, 117, 160-175.
Amalia Lekić Brettschneider, mag. ing. petrol. je asistentica na Zavodu za naftno-plinsko inženjerstvo i energetiku na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu.
E-portfolio: https://moodle.srce.hr/eportfolio/view/view.php?id=66523
Google Scholar
CROSBI
https://www.bib.irb.hr/pretraga?operators=and%7CLeki%C4%87,%20Amalia%20%2834236%29%7Ctext%7Cprofile
dr. sc. Luka Perković je izvanredni profesor na Zavodu za naftno-plinsko inženjerstvo i energetiku na Rudarsko-geološko-naftni fakultet Sveučilišta u Zagrebu.
E-portfolio: https://moodle.srce.hr/eportfolio/user/view.php?id=40334
Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?user=d2BuQsEAAAAJ&hl=hr&oi=ao
CRO-RIS: https://www.croris.hr/crosbi/searchByContext/2/27914