Efektywna przewodność cieplna i opór termiczny otworowych wymienników ciepła o różnych konstrukcjach

Sapińska-Śliwa, Aneta; Śliwa, Tomasz; Leśniak, Patryk

doi:10.7494/drill.2019.36.2.5

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Efektywna przewodność cieplna i opór termiczny otworowych wymienników ciepła o różnych konstrukcjach

Autorzy

Sapińska-Śliwa Aneta , Śliwa Tomasz , Leśniak Patryk

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.7494/drill.2019.36.2.5

Warianty tytułu

Effective thermal conductivity and borehole thermal resistance of borehole heat exchangers with different constructions

Języki publikacji

Abstrakty

Otworowe wymienniki ciepła to najlepszy sposób na pozyskanie energii zgromadzonej w górotworze niezależnie od litologii. Geotermalne pompy ciepła oparte na cieple niskotemperaturowym mogą być jedną z możliwości redukcji smogu w miastach. W zabytkowych częściach miast często nie ma odpowiednio dużego obszaru do wiercenia otworów. Jest to jeden z wielu powodów poszukiwania konstrukcji otworowych wymienników ciepła o dużej efektywności (jednostkowym transferze ciepła między nośnikiem a górotworem). Jednym ze sposobów na poprawę sprawności jest zastosowanie najbardziej wydajnej konstrukcji otworowego wymiennika ciepła. W artykule opisano badania efektywności cieplnej otworowych wymienników ciepła z wykorzystaniem testów reakcji termicznej. Badaniami objęto otworowe wymienniki ciepła należące do Laboratorium Geoenergetyki AGH oraz dwa testowe otwory o różnych konstrukcjach. Na podstawie interpretacji testów reakcji termicznej oraz wzorów empirycznych obliczono jednostkową wymianę ciepła. Opisano warunki realizacji otworowych wymienników ciepła w zabytkowych miejscowościach, przy małej powierzchni do wykonania wierceń i utrudnionym dostępie do obiektów. Warunki takie wymuszają niewielką liczbę otworowych wymienników ciepła, wobec tego ich większą głębokość, ukośny kierunek wiercenia i/lub specjalną wiertnicę do wiercenia z wnętrz obiektów.

Borehole heat exchangers are the best way to geothermal energy extraction from the ground independent on lithology. Geothermal heat pumps based on the low-temperature heat can be one of possibilities smog reduction in cities. There often is not big area for drilling in the down towns (often with monuments). There is the reason for looking for the constructions of borehole heat exchangers with high efficiency (unit heat transfer between heat carrier and ground). One of the ways to improve the efficiency is use the most efficient construction of borehole heat exchanger. In the paper is described a research of thermal efficiency of borehole heat exchangers with use thermal response tests. The Laboratory of Geoenergetics borehole heat exchangers was studied. Based on thermal response tests interpretation and on empirical formulas unit heat transfer was calculated. Other conditions for use borehole heat exchangers in down towns was discussed. The conditions with small area and with difficult access to the field of drilling forces small number of borehole heat exchangers; its higher depth; directional axis, special rig for drilling.

Słowa kluczowe

otworowe wymienniki ciepła ciepło geotermalne opór termiczny odwiertu geoenergetyka geotermalne pompy ciepła

borehole heat exchangers geothermal heat borehole thermal resistance geoenergetics geothermal heat pumps

Wydawca

AGH University of Science and Technology Press

Czasopismo

AGH Drilling, Oil, Gas

Rocznik

2019

Tom

Vol. 36, no. 2

Strony

5--28

Opis fizyczny

Bibliogr. 61 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Sapińska-Śliwa Aneta

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Laboratorium Geoenergetyki, Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Śliwa Tomasz

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Laboratorium Geoenergetyki, Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Leśniak Patryk

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Laboratorium Geoenergetyki, Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

[1] Nordell B.: Borehole heat store design optimization. PhD dissertation, Division of Water Resources Engineering Luleå University of Technology, 1994, http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-26447 [8.01.2018].
[2] Bujok P., Klempa M., Koziorek J., Rado R., Porzer M.: Evaluation of influence of climate conditions on rock mass energy balance in the research area of VSB – TU Ostrava. AGH Drilling, Oil, Gas, vol. 29, no. 1, 2012, s. 97–107.
[3] Koohi-Fayegh S., Rosen M.A.: Examination of thermal interaction of multiple vertical ground heat exchangers. Applied Energy, vol. 97, 2012, s. 962–969.
[4] Cassaso A., Sethi R.: Sensitivity analysis on the performance of a ground source heat pump equipped with a double U-pipe borehole heat exchanger. European Geosciences Union General Assembly, 2014, https://core.ac.uk/download/pdf/234903172.pdf [8.01.2018].
[5] Pollard H.J., Lee F.: Long term monitoring of borehole temperature profiles using a thermistor array in the ball state university ground-source geothermal system, [w:] Conference: 50th Annual GSA North-Central Section Meeting, January 2016, https://www.researchgate.net/publication/301642374_LONG_TERM_MONITORING_OF_BOREHOLE_TEMPERATURE_PROFILES_USING_A_THERMISTOR_ARRAY_IN_THE_BALL_STATE_UNIVERSITY_GROUND-SOURCE_GEOTHERMAL_SYSTEM [1.02.2018].
[6] Dijkshoorn L., Speer S., Pechnig R.: Measurements and Design Calculations for a Deep Coaxial Borehole Heat Exchanger in Aachen, Germany. International Journal of Geophysics, vol. 1–2, 2013, s. 2–14.
[7] Gehlin S., Andersson O., Bjelm L., Alm P.G., Rosberg J.E.: Country Update for Sweden, [w:] Proceedings World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, 2015, https://pangea.stanford.edu/ERE/db/WGC/papers/WGC/2015/01021.pdf [8.09.2015].
[8] Hellstrom G.: Ground Heat Storage Thermal Analyses of Duct Storage Systems Theory. Department of Mathematical Physics University of Lund, Sweden, 1991, https://portal.research.lu.se/portal/files/6178678/8161230.pdf [1.02.2018].
[9] Eskilson P.: Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes. Department of Mathematical Physics University of Lund, Sweden, 1987, https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwip_avW5urwAhWyxIsKHZbKA9IQFjAAegQIAhAD&url=https%3A%2F%2Fwww.buildingphysics.com%2Fdownload%2FEskilson1987.pdf&usg=AOvVaw2UyBY8Am3I8z4B0jJqC938 [1.02.2018].
[10] Rybach L., Eugster W.J.: Sustainability aspects of geothermal heat pump operation, with experience from Switzerland. Geothermics, vol. 39, 2010, s. 365–369, https://www.researchgate.net/publication/229389926_Sustainability_aspects_of_geothermal_heat_pump_operation_with_experience_from_Switzerland [1.02.2018].
[11] Rybach L., Hopkirk R.J.: Experience with borehole heat exchangers in Switzerland. Institute of Geophysics ETH-Hoenggerberg, Zurich, Switzerland, 1994. https://www.researchgate.net/publication/255003367_Experience_with_borehole_heat_exchangers_in_Switzerland [1.02.2018].
[12]Weber J., Ganz B., Schellschmidt R., Sanner B., Schulz R.: Geothermal Energy Use in Germany, [w:] Proceedings World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, http://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2015/01045.pdf? [24.08.2015].
[13] Schulte D.O., Modeling insulated borehole heat exchangers. Environmental Earth Sciences, vol. 75, article no. 910, 2016, https://link.springer.com/article/10.1007/s12665-016-5638-x [1.02.2018].
[14] Raymond J., Malo M., Tanguay D., Grasby S., Bakhteyar F.: Direct Utilization of Geothermal Energy from Coast to Coast: a Review of Current Applications and Research in Canada, [w:] Proceedings World Geothermal Congress 2015 Melbourne, Australia, 2015, http://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2015/28041.pdf [24.08.2015].
[15] Boyd T.L., Sifford A., Lund J.W.: The United States of America Country Update 2015, [w:] Proceedings World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, 2015, s. 1–12, http://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2015/01009.pdf [24.08.2015].
[16] Sasada M.: Geothermal heat pumps in Japan, [w:] Proceedings Japan International Geothermal Symposium 2002 Japan, http://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/Japan/2012/p17-Masakatsu_Sasada(Eng-Jpn).pdf [8.09.2015].
[17] Fang L., Diao N., Shao Z., Cui P., Zhu K., Fang Z.: Thermal analysis models of deep borehole heat exchangers. Conference: International Ground Source Heat Pump Association, 2018, https://www.researchgate.net/publication/327729921_Thermal_analysis_models_of_deep_borehole_heat_exchangers [12.02.2018].
[18] Javadi H., Ajatrostaghi S., Rosen M., Pourfallah M.: A Comprehensive Review of Backfill Materials and Their Effects on Ground Heat Exchanger Performance. Sustainability, vol. 10, no. 12, s. 4486, 2018, https://doi.org/10.3390/su10124486 [1.02.2018].
[19] Caulk R., Tomac I.: Reuse of Abandoned Oil and Gas Wells for Geothermal Energy Production. Renewable Energy, vol. 112, 2017, https://www.researchgate.net/publication/316897692_Reuse_of_Abandoned_Oil_and_Gas_Wells_for_Geothermal_Energy_Production [12.02.2018].
[20] Sliwa T., Rosen M.A.: Natural and artificial methods for regeneration of heat resources for borehole heat exchangers to enhance the sustainability of underground thermal storages: a review. Sustainability, vol. 7, no. 10, 2015, s. 13104–13125.
[21] Beier R.A., Acuña J., Mogensen P., Palm B.: Borehole resistance and vertical temperature profiles in coaxial borehole heat exchangers. Applied Energy, vol. 102, 2013, s. 665–675.
[22] Zarrella A., De Carli M.: Heat transfer analysis of short helical borehole heat exchangers. Applied Energy, vol. 102, 2013, s. 1477–1491.
[23] Zarrella A., Capozza A., De Carli M.: Analysis of short helical and double U-tube borehole heat exchangers: A simulation-based comparison. Applied Energy, vol. 112, 2013, s. 358–370.
[24] Li M., Lai A.C.K.: Heat-source solutions to heat conduction in anisotropic media with application to pile and borehole ground heat exchangers. Applied Energy, vol. 96, 2012, s. 451–458.
[25] Śliwa T., Kucper M.: Accessing Earth’s heat using Geothermal Radial Drilling for borehole heat exchangers. AGH Drilling, Oil, Gas, vol. 34, no. 2, 2017, s. 495–512.
[26] Mendrinos D., Katsantonis S., Karytsas C.: Pipe materials for borehole heat exchangers. Conference: European Geothermal Congress 2016, https://www.researchgate.net/publication/328232447_Pipe_materials_for_borehole_heat_exchangers [12.02.2018].
[27] Śliwa T., Gaweł M.: Ohorona atmosfernogo povìtrâ zavdâki vikoristannû vìdnovlûvanih džerel energìï v sistemah opalennâ ta oholodžennâ u gromads’kih ob’êktah u gmìnì Palečnìca, [w:] Improvement of energy management in typical public buildings of the city and Oblast Ivano-Frankivsk, Kraków – Zakopane, 9–12 September 2013, AGH University of Science and Technology in Kraków, 2013, s. 1–11, http://globenergia.pl/sklep/wydania-globenergia-elektroniczne-pdf/wydanie-elektroniczne-globenergia-4-2014-automat-24h-detail [12.02.2018].
[28] Gonet A., Śliwa T., Stryczek S., Sapińska-Śliwa A., Jaszczur M., Pająk L., Złotkowski A.: Metodyka identyfikacji potencjału cieplnego górotworu wraz z technologią wykonywania i eksploatacji otworowych wymienników ciepła. Wydawnictwa AGH, Kraków 2011.
[29] Alberti L., Angelotti A., Antelmi M., La Licata I.: A Numerical Study on the Impact of Grouting Material on Borehole Heat Exchangers Performance in Aquifers. Energies, vol. 703, no. 10, 2017, https://www.mdpi.com/1996-1073/10/5/703.
[30] Yoon S., Lee S.R., Xue J., Zosseder K., Go G.H., Park H.: Evaluation of the Thermal Efficiency and a Costanalysis of Different Types of Ground Heat Exchangers in Energy Piles. Energy Conversion and Management, vol. 105, 2015, s. 393–402.
[31] Lund J.W., Toth A.N.: Direct Utilization of Geothermal Energy 2020 Worldwide Review, [w:] Proceedings World Geothermal Congress 2020 Reykjavik, Iceland, April 26 – May 2, 2020, International Geothermal Association, https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2010/0102.pdf [24.08.2020].
[32] Lund J.W., Gawell K., Boyd T.L., Jennejohn D.: The United States of America Country Update 2010, [w:] Proceedings World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 2010, 1–18, http://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2010/0102.pdf [24.08.2015].
[33] Lee K.S.: Underground Thermal Energy Storage. Green Energy and Technology, 152, 2012, s. 15–26, https://doi.org/10.1007/978-1-4471-4273-7_2.
[34] Schneider D., Strothöffer T., Broßmann E.: Die 2800 m von Prenzlau oder die tiefste Erdwärmesonde der Welt. Geothermische Energie, vol. 16, 1996, s. 10–12.
[35] Clauser Ch.: Numerical Simulation of Reactive Flowing Hot Aquifers, Springer, Berlin2003, https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-3-642-55684-5 [24.08.2015].
[36] Rybach L., Eugster W.: Reliable long term performance of BHE systems and market penetration – The Swiss success story, [w:] Procedings, 2nd Stockton International Geothermal Conference, ed. L. Stiles, 1998, s. 41–57, https://www.researchgate.net/publication/228512800_Reliable_long_term_performance_of_BHE_systems_and_market_penetration-The_Swiss_success_story [12.02.2018].
[37] Rybach L., Hopkirk R.J.: Shallow and Deep Borehole Heat Exchangers – Achievements and Prospects, [w:] Proceedings, World Geothermal Congress 1995, Italy. 1995, s. 2133–2138, https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/1995/3-rybach.pdf [12.02.2018].
[38] Kohl T., Salton M., Rybach L.: Data Analysis of The Deep Borehole Heat Exchanger Plant Weissbad (Switzerland), [w:] Proceedings, World Geothermal Congress 2000, Kyushu-Tohoku, Japan, 2000, s. 3459–3464, https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2000/R0924.PDF [12.02.2018]
[39] Kohl T., Brenni R., Eugster W.: System performance of a deep borehole heat exchanger, Geothermics, vol. 31, 2002, s. 687–708, https://www.agw.kit.edu/english/278_2219.php [26.02.2018].
[40] Kohl T., Rybach L.: Projekt Statistik Geothermische Nutzung der Schweiz für die Jahre 2000 und 2001, 2003, https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/36/052/36052675.pdf [12.02.2018].
[41] Signorelli S., Wagner R., Kohl T., Rybach L.: Statistik der geothermischen Nutzung in der Schweiz, Ausgabe 2006 Überarbeitung der Geothermiestatistik von 1990 bis 2006, 2007 https://geothermie-schweiz.ch/wp_live/wp-content/uploads/2015/10/I_Geothermiestatistik-Schweiz2014.pdf [12.02.2018].
[42] Śliwa T., Kotyza J.: Dobór optymalnego otworowego wymiennika ciepła w otworze Jachówka 2K do głębokości 2870 m, [w:] Metodyka i technologia uzyskiwania użytecznej energii geotermicznej z pojedynczego otworu wiertniczego, red. J. Sokołowski, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energia PAN, Pracownia Geosynoptyki i Geotermii, Kraków 2000, s. 251–284.
[43] Sokołowski J., Ludwikowski B., Pawlik E.: O potrzebie wykonania ocen zasobów geotermalnych pod gminami województw: małopolskiego i śląskiego. Technika Poszukiwań Geologicznych, nr 2, 1999, s. 17–23.
[44] Deng J., Wei Q., He S. Liang M., Zhang H.: What Is the Main Difference between Medium-Depth Geothermal Heat Pump Systems and Conventional Shallow-Depth Geothermal Heat Pump Systems? Field Tests and Comparative Study. Applied Sciences, vol. 9, no. 23, 2019, s. 5120, https://www.researchgate.net/publication/337552592_What_Is_the_Main_Difference_between_Medium-Depth_Geothermal_Heat_Pump_Systems_and_Conventional_Shallow-Depth_Geothermal_Heat_Pump_Systems_Field_Tests_and_Comparative_Study [26.02.2018].
[45] Sapińska-Śliwa A., Rosen M., Gonet A., Śliwa T.: Deep Borehole Heat Exchangers – A Conceptual and Comparative Review. International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, vol. 24, no. 1, 2015, https://www.researchgate.net/publication/284554643_Deep_Borehole_Heat_Exchangers_-_A_Conceptual_and_Comparative_Review.
[46] Gehlin S.: Thermal Response Teast, Meathod Development and Evaluation. Doctoral Thesis, Luleå University of Technology, Sweden 2002, https://www.scirp.org/(S(i43dyn45teexjx455qlt3d2q))/reference/ReferencesPapers.aspx?ReferenceID=1716306.
[47] Śliwa T.: Badania podziemnego magazynowania ciepła za pomocą kolektorów słonecznych i wymienników otworowych ciepła. Wydawnictwa AGH, Kraków 2012, https://geotermia.agh.edu.pl/pliki/monografie/Badania.pdf [26.02.2018].
[48] Mogensen Palne, Fluid to Duct Wall Heat Transfer in Duct System Heat Storages [Conference], Stockholm: The International Conference on Subsurface Heat Storage in Theory and Practice, 1983, s. 652–657.
[49] Czekalski D., Obstawski P., Procedura testowania pionowego wymiennika gruntowego w warunkach eksploatacyjnych. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, r. 37, nr 4, 2006, s. 18–21.
[50] Gonet A., Śliwa T.: Thermal response test on example of borehole heat exchangers in Ecological Park of Education and Amusement “OSSA”, [w:] Procedings of XIV International Scientific-Technical Conference “New knowledge in the area of drilling, production, transport and storage hydrocarbons”, Technicka Univerzita Kosice, Pobanske, 2008, s. 42–47.
[51] Rybach L.: Shallow Systems, GEOWATT AG, Zurich, Switzerland 2012, https://www.researchgate.net/publication/288164052_Shallow_Systems [26.02.2018].
[52] Spitler J., Gehlin S.: Thermal response testing for ground source heat pump systems. An historical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 50, 2015, s. 1125–1137, https://econpapers.repec.org/article/eeerensus/v_3a50_3ay_3a2015_3ai_3ac_3ap_3a1125-1137.htm [26.02.2018].
[53] Badenes B., Mateo Pla M.Á., Lemus-Zúñiga L.G., Sáiz Mauleón B., Urchueguía J.F.: On the Influence of Operational and Control Parameters in Thermal Response Testing of Borehole Heat Exchangers. Energies, vol. 10, no. 9, 2017, https://www.mdpi.com/1996-1073/10/9/1328 [26.02.2018].
[54] Perina T.: Derivation of the Theis (1935) Equation by Substitution. Ground Water, vol. 48, iss. 1, 2010, s. 6–7, https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.2009.00610.x [26.02.2018].
[55] Sanner B., Hellström G., Spitler J., Gehlin S.: Thermal Response Test – Current Status and World-Wide Application (PDF), [w:] Proceedings World Geothermal Congress 2005, https://www.researchgate.net/publication/228849837_Thermal_Response_Test-Current_Status_and_World-Wide_Application [26.02.2018].
[56] Gonet A., Śliwa T., Złotkowski A., Sapińska-Śliwa A., Macuda J.: Thirty-Seventh Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford University, Stanford, California 2012.
[57] Lamarche L., Raymond J., Pambou C.H.: Evaluation of the Internal and Borehole Resistances during Thermal Response Tests and Impact on Ground Heat Exchanger Design. Energies, vol. 1, 2017, https://www.mdpi.com/1996-1073/11/1/38.
[58] Pawlikowski B.: Dokumentacja geologiczna wierceń dla przyszłej instalacji otworowych wymienników ciepła w celach naukowo-badawczych. AGH, Kraków 2008.
[59] Śliwa T., Gonet A.: Otworowe wymienniki ciepła jako źródło ciepła lub chłodu na przykładzie Geoenergetics Laboratory WWNiG AGH (Borehole heat exchangers as heat or cool source on the basis of Laboratory of Geothermics of Drilling, Oil and Gas Faculty in AGH University of Science and Technology). Wiertnictwo, Nafta, Gaz, t. 28, nr 1–2, 2011, s. 419–430.
[60] Śliwa T., Sapińska-Śliwa A., Knez D., Bieda A., Kowalski T., Złotkowski A.: Borehole heat exchangers: production and storage of heat in the rock mass. Laboratory of Geoenergetics, vol. 2, Drilling, Oil and Gas Foundation, Kraków 2016.
[61] Grygieńcza A.: Analysis of estimation methods of borehole heat exchangers power rating. MSc thesis, AGH University of Science and Technology, Drilling, Oil and Gas Faculty, Krakow 2009.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019)

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-c87520a3-1ca7-40e6-ae98-b3d324c80ae6