Χαρακτηρισμός μακροπρόθεσμων συνθηκών υπόγειων υδάτων και λιθολογίας για το σχεδιασμό εναλλάκτη θερμότητας γεωτρήσεων μεγάλης κλίμακας
Το υπέδαφος της Γης παραμένει σε σχετικά σταθερή θερμοκρασία σε ένα δεδομένο βάθος παρά τις καθημερινές και εποχιακές αλλαγές του καιρού στην επιφάνεια. Ο βράχος και το έδαφος έχουν επίσης την ικανότητα να αποθηκεύουν θερμική ενέργεια για μεγάλα χρονικά διαστήματα.
Τα συστήματα επίγειας αντλίας θερμότητας (GCHP) μπορούν να αποθηκεύσουν ή να εξάγουν θερμική ενέργεια από την επιφάνεια χρησιμοποιώντας θερμαινόμενο ή ψυχρό νερό που αντλείται μέσω μιας σειράς γεωτρήσεων, που αναφέρεται ως εναλλάκτης θερμότητας γεωτρήσεων (BHE) ή εναλλάκτης θερμότητας εδάφους . Η ενέργεια από τα κτίρια μπορεί να αποθηκευτεί στο υπέδαφος το καλοκαίρι για ψύξη. Η ενέργεια μπορεί επίσης να μεταφερθεί από το υπόγειο στο κτίριο το χειμώνα για θέρμανση. Οι αντλίες θερμότητας είναι αποτελεσματικές καθώς απλώς μεταφέρουν ενέργεια από το ένα μέρος στο άλλο. Στην περίπτωση των συστημάτων GCHP, η θερμότητα μεταφέρεται μεταξύ του εδάφους και των κτιρίων μέσω ενός κυκλοφορούντος ρευστού για θέρμανση και ψύξη.
Τα μεγάλης κλίμακας συστήματα GCHP γίνονται όλο και πιο κοινά καθώς ιδρύματα όπως κολέγια, κρατικοί φορείς και εταιρείες βρίσκουν τρόπους να μειώσουν το αποτύπωμα άνθρακα και τους χώρους εργασίας θερμότητας και ψύξης πιο αποτελεσματικά. Πρόσφατα συστήματα στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Μιζούρι, στο Πανεπιστήμιο Ball State, στο Robert Stockton College και στα Capitols του Κολοράντο και του Μίσιγκαν ολοκλήρωσαν πρόσφατα αυτά τα μεγάλης κλίμακας συστήματα GCHP. Το σύστημα του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Μιζούρι αντικατέστησε ένα παλιό εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας με καύση άνθρακα και έκτοτε έχει αναφέρει μείωση 57 τοις εκατό στην κατανάλωση ενέργειας, μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα κατά 25.000 τόνους και μείωση της κατανάλωσης νερού κατά 18,7 εκατομμύρια γαλόνια ετησίως .
Παρά την αύξηση της κατασκευής αυτών των μεγάλων συστημάτων, πολύ λίγη προσοχή δίνεται στις συνθήκες των υπόγειων υδάτων πριν από την κατασκευή. Ο σχεδιασμός του συστήματος εξαρτάται από μια ενιαία δοκιμή θερμικής απόκρισης (TRT) η οποία γενικά διεξάγεται σε περίοδο 48 ωρών. Το TRT καθορίζει τις συνολικές θερμικές ιδιότητες του πετρώματος και του εδάφους στο υπέδαφος. Αυτό υπαγορεύει το μέγεθος ενός BHE, όπως το βάθος και τον αριθμό των γεωτρήσεων.
Σε δύο πρόσφατες εργασίες, «Η επίδραση του εποχιακού κορεσμού των υπόγειων υδάτων στην αποτελεσματικότητα των μεγάλων εναλλακτών θερμότητας γεωτρήσεων σε έναν καρστικό υδροφόρο ορίζοντα» και «Οι παρατηρούμενες επιδράσεις των αλλαγών στη ροή των υπόγειων υδάτων σε έναν εναλλάκτη θερμότητας γεωτρήσεων μιας μεγάλης κλίμακας εδάφους συζευγμένης αντλίας θερμότητας σύστημα», που δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο Geothermics , David Smith, A.C. Elmore και Jordan Thompson δείχνουν ότι οι αλλαγές στον υδροφόρο ορίζοντα για μεγάλες χρονικές περιόδους, όπως ο κορεσμός και η ροή των υπόγειων υδάτων, μπορούν να επηρεάσουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση αυτών των συστημάτων GCHP μεγάλης κλίμακας.
Η μελέτη επικεντρώθηκε στην απόδοση ενός μεγάλου BHE 144 πηγαδιών που βρίσκεται στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Μιζούρι για μια περίοδο αρκετών ετών. Το BHE κατασκευάστηκε σε έναν πολύ παραγωγικό υδροφόρο ορίζοντα από καρστικό δολομίτη και ψαμμίτη που γενικά θα παρουσίαζε αλλαγές στα επίπεδα του νερού μεταξύ 30-40 πόδια και επίσης μέτριες αλλαγές στη ροή λόγω της λειτουργίας μεγάλων δημοτικών πηγαδιών γύρω από την τοποθεσία.
Η έρευνα έδειξε ότι κατά τη διάρκεια ξηρών περιόδων όπου τα επίπεδα του νερού στον υδροφόρο ορίζοντα μειώθηκαν και ο κορεσμός μειώθηκε, η αποτελεσματικότητα του BHE θα μειωνόταν επίσης έως και 50 τοις εκατό. Το BHE έτεινε να έχει την υψηλότερη απόδοση στα τέλη της άνοιξης, όταν τα επίπεδα του νερού ήταν υψηλότερα λόγω των πρόσφατων βροχών. Η ροή των υπόγειων υδάτων αποδείχθηκε επίσης ότι επηρεάζει την απόδοση του BHE, ωστόσο, οι αλλαγές στη ροή ήταν μικρές και οι επιπτώσεις στο BHE ήταν επίσης μικρότερες σε σύγκριση με τις επιπτώσεις των αλλαγών στα επίπεδα των υπόγειων υδάτων.
Τα έγγραφα παρουσιάζουν ισχυρές ενδείξεις ότι η δοκιμή απλής θερμικής απόκρισης από μόνη της μπορεί να μην είναι αρκετή για τον σωστό σχεδιασμό αυτών των μεγάλων ακριβών συστημάτων. Μια ενιαία δοκιμή θερμικής απόκρισης θα μπορούσε να οδηγήσει σε υπερμεγέθυνση ή μικρότερο μέγεθος ενός συστήματος ανάλογα με το πότε εκτελείται. Ο σωστός χαρακτηρισμός του υπεδάφους όπως η λιθολογία, τα μακροπρόθεσμα επίπεδα υπόγειων υδάτων και η ροή των υπόγειων υδάτων σε συνδυασμό με πολλαπλές δοκιμές θερμικής απόκρισης θα δώσει στους σχεδιαστές αυτών των συστημάτων μια σειρά από υπόγειες συνθήκες για τις οποίες μπορεί να σχεδιαστεί το σύστημα.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στα άρθρα με τίτλο, Η επίδραση του εποχιακού κορεσμού των υπόγειων υδάτων στην αποτελεσματικότητα των μεγάλων εναλλακτών θερμότητας γεωτρήσεων σε έναν καρστικό υδροφόρο ορίζοντα και Τα παρατηρούμενα αποτελέσματα των αλλαγών στη ροή των υπόγειων υδάτων σε έναν εναλλάκτη θερμότητας γεώτρησης μεγάλης κλίμακας. σύστημα αντλίας, που δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Geothermics . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους David Smith, A.C. Elmore και Jordan Thompson από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Μιζούρι.
Αναφορές:
- Smith, D.C., Elmore, A.C. and Thompson, J., 2018. Η επίδραση του εποχιακού κορεσμού των υπόγειων υδάτων στην αποτελεσματικότητα μεγάλων εναλλακτών θερμότητας γεωτρήσεων σε καρστικό υδροφόρο ορίζοντα. Geothermics, 75, σσ.164-170.
- Smith, D.C. and Elmore, A.C., 2018. Οι παρατηρούμενες επιδράσεις των αλλαγών στη ροή των υπόγειων υδάτων σε έναν εναλλάκτη θερμότητας γεώτρησης ενός συστήματος αντλίας θερμότητας με επίγεια σύνδεση μεγάλης κλίμακας. Geothermics, 74, σσ.240-246.
