Naslov
Eksperimentalno i teorijsko istraživanje geotermalne dizalice topline
(Experimental and theoretical research of geothermal heat pump)

Autori
Boban, Luka

Vrsta, podvrsta i kategorija rada
Ocjenski radovi, doktorska disertacija

Fakultet
Fakultet strojarstva i brodogradnje

Mjesto
Zagreb

Datum
30.04

Godina
2019

Stranica
128

Mentor
Soldo, Vladimir

Ključne riječi
plitka geotermalna energija ; dizalica topline ; bušotinski izmjenjivač topline ; toplinska svojstva tla
(shallow geothermal energy ; heat pump ; borehole heat exchanger ; ground thermal properties)

Sažetak
Razvoj svijesti o utjecaju čovjeka na okoliš doveo je do niza mjera s ciljem povećanja energetske učinkovitosti, smanjenja emisija CO2 i povećanja udjela energije iz obnovljivih izvora. Učinkovito rješenje za zadovoljavanje potreba za grijanjem i hlađenjem jesu dizalice topline povezane s tlom koje iskorištavaju plitku geotermalnu energiju. Iskorištavanje tog niskotemperaturnog izvora moguće je zbog postojanja toplinskog toka iz središta Zemlje uslijed zaostale topline formiranja jezgre i radioaktivnog raspada minerala. Potonji proces je kontinuiran te se stoga geotermalna energija ubraja u obnovljive izvore. Iako postoje različiti oblici povezivanja dizalice topline s tlom, u ovom radu obrađuje se indirektni sustav s vertikalnim bušotinskim izmjenjivačem u tlu. Složene termogeološke uvjete u tlu u literaturi, kao i u stručnoj praksi, uvriježeno je opisivati s temperaturom toplinski neporemećenog tla, efektivnom toplinskom provodnosti i efektivnim toplinskim otporom bušotine. Sva tri parametra određuju se ispitivanjem toplinskog odziva tla na izvedenoj bušotini pri čemu se tlo zagrijava ili hladi poznatim toplinskim tokom kako bi se dobile temperaturne krivulje medija na ulazu i izlazu iz bušotine. Za obradu toplinskog odziva tla najčešće se koristi analitički model beskonačnog linijskog izvora, dok se za složenije procese koriste modeli s konačnim izvorom te numerički ili hibridni numeričko-analitički modeli. U odnosu na konvencionalno ispitivanje odziva tla u kojem se mjere samo temperature polaza i povrata iz bušotine, više podataka moguće je prikupiti distribuiranim mjerenjem temperature po dubini bušotine. Upotrebom većeg broja temperaturnih osjetnika ili jednog kabela s optičkim vlaknom, moguće je odrediti temperaturni profil neporemećenog tla te praćenjem odziva pojedinih slojeva odrediti vertikalnu razdiobu svojstava. Za istu aritmetičku sredinu toplinskih provodnosti nehomogenog tla, redoslijed slojeva utječe na izlaznu temperaturu medija iz bušotine te u konačnici na efektivna svojstva dobivena iz ispitivanja toplinskog odziva. Različite konfiguracije heterogenog tla utječu i na razdiobu toplinskog toka po dubini bušotine za razliku od idealiziranog homogenog tla koje karakterizira linearna razdioba kao posljedica smanjenja razlike srednje temperature medija i tla s porastom dubine bušotine. Na temelju pregleda dostupne literature uočen je nedostatak istraživanja o utjecaju heterogenosti tla na dugoročni rad sustava dizalice topline povezane s tlom te je u tu svrhu na lokaciji Fakulteta strojarstva i brodogradnje izvedena istražna bušotina opremljena kabelom s optičkim vlaknom. Na samoj bušotini provedeno je prošireno distribuirano ispitivanje toplinskog odziva tla s dugotrajnim praćenjem oporavka tla nakon faze grijanja. Određena je vertikalna razdioba svojstava tla iz faze grijanja i faze oporavka te je izmjeren temperaturni profil toplinski neporemećenog tla s primjetnim negativnim gradijentom kao posljedicom utjecaja zgrade fakulteta na okolno tlo. Numeričkim modelom simuliran je dugogodišnji utjecaj zgrade Fakulteta i uspješno je repliciran negativni temperaturnim gradijent. Dodatno je razvijen i model za proširivanje spoznaja o toplinskom otporu izmjenjivača u izvedbi s dvostrukom U cijevi zbog nedostatka analitičkih izraza u literaturi pri čemu je analiza provedena za slučajeve kada cijevi unutar bušotinskog izmjenjivača topline nisu simetrično postavljene. Za potrebe simuliranja utjecaja heterogenog tla na rad dizalice topline odabran je otporničko-kapacitivni pristup modeliranju izmjenjivača topline u tlu. U navedenom modelu domena tla podijeljena je na n koncentričnih cilindara i m vertikalnih slojeva tla. Svaka ćelija tla u toplinskom je dodiru sa susjednim ćelijama iznad, ispod te ispred i iza nje. Izuzev ćelija u zadnjem radijalnom segmentu tla koje su u dodiru s toplinski neporemećenim tlom te u prvom segmentu gdje je definirana veza tla i bušotinskog izmjenjivača preko temperature zida bušotine. Unutar bušotine ispuna je podijeljena u dva dijela, središnji i vanjski, a svaka cijev i fluid u pojedinom presjeku modelirani su zasebno. Ulazni parametar u model bušotine i tla su protok i temperatura medija kroz izmjenjivač topline, a izlazni temperaturno polje u promatranom trenutku, odnosno izlazna temperatura iz bušotine. Validacija modela tla provedena je s beskonačnim linijskim izvorom za dugoročni odziv tla, a model bušotine i tla s dostupnim rezultatima numeričke simulacije za kratkoročni odziv tla. Model uspješno replicira izlaznu temperaturu medija iz bušotine izmjerenu tijekom ispitivanja toplinskog odziva tla, a u sezonskoj simulaciji ta je temperatura ulazni podatak za model dizalice topline. Model dizalice topline rekonstruiran je na temelju provedenih višednevnih mjerenja sustava u radu te je uspješno primijenjen za analizu nehomogene razdiobe svojstava tla na sezonsku učinkovitost sustava u sezoni grijanja i hlađenja za različite temperaturne profile toplinski neporemećenog tla.

Izvorni jezik
Hrvatski

Znanstvena područja
Strojarstvo

POVEZANOST RADA