Geotermikus modellezés

 

Témafelelős: Merényi László

Geotermikus numerikus modellek

A számítógépes numerikus modellező szoftverekkel tanulmányozzuk a felszín alatti rétegek advektív és konvektív hőtranszport folyamatait, valamint ehhez kapcsolódóan, a rétegek és a víztermelő kutak, talajhőcserélők (talajszondák) közötti hőátadást. A modelleket az alábbi feladatokhoz használjuk:
  • a felszín alatti hőáram- és hőmérsékletmérés lehetőségeinek vizsgálata, a még kimutatható hőtér-változások és termikus anomáliák mennyiségi meghatározása, a mérési eredmények értékelése,
  • geotermikus hőkivétel folyamatának vizsgálata, optimalizálása:
  1. kitermelhető hévízmennyiség becslése, fenntarthatóság, visszasajtolás (hidrodinamikai modellek),
  2. hőveszteség becslése a termálvíz felszínre érkezésig,
  3. zártkörű (hőszondás, talajhőcserélős) hőkitermelés lehetőségei, különböző paraméterek (talajvízáram, inhomogén közeg, cementezés, stb.) hatásának becslése. Hőutánpótlódás, ciklikus üzemeltetés (szezonálisan váltakozó hőtárolás + hőkivétel), fenntarthatóság.
A számításokhoz a HST3D nevű hidrogeológiai és hőtranszport modellező szoftvert valamint saját fejlesztésű talajhőcserélő-modellező szoftvermodulokat használunk. A modellrendszerrel talajhőcserélők (talajszondák) esetén a következő paraméterek hatását tudjuk vizsgálni:
  • a talajszonda anyagának, méreteinek és a fúrólyuk cementezésének hatása a rövid és hosszú távú teljesítményre,
  • koncentrikus talajszonda fel-és leszálló ága közötti hőcsere,
  • a fogyasztás időbeli változása (pl. napi, vagy szezonális fogyasztása ciklusok, időszakosan váltakozó fűtés/hűtés),
  • különböző hő- és vízvezető-képességű rétegek hatása,
  • kiindulási természetes hőmérsékleti gradiens hatása,
  • talajvízáram hatása,
  • termikus konvekciós áramok kialakulásának lehetősége a vízadó rétegekben,
  • felszíni hőmérséklet-változás, csapadékbeszivárgás hatása,
  • több kutas rendszer együttes viselkedése.

Példa egy modelleredményre

Az 1. ábra egy koncentrikus-típusú, 100 méter mély talajszonda 50 napos folyamatos működése után kialakult hőmérséklet-változást mutatja be, 5 kW hőenergia-kivétel esetén. A talajt hűtő szonda vízzáró és nagy permeabilitású vízvezető rétegeken is keresztülhalad. A vízáramlást jelképező nyilak és a hőmérsékletmező szerint termikus konvekció is kialakulhat a talajvíz cső melletti lehűlése miatt (a lehűtött víz az impermeábilis alsó réteg felé mozog és ott szétterül). Jobb oldalon a talajszonda mentén az egységnyi hosszra jutó hőcsere-teljesítmény látható W/m-ben. Érdemes megfigyelni, hogy vízadó rétegekben a talajszonda lényegesen jobban működik, mint (az amúgy hasonló hővezetési tényezőjű) vízzáró agyagrétegben.
 
1. ábra. Koncentrikus-típusú, 100 méter mély talajszonda 50 napos folyamatos működése után kialakult hőmérséklet-változása.
 

Példa időben váltakozó energiafogyasztás hatására

Az előbbi modellt alapul véve időben váltakozó energiafogyasztás hatására is bemutatunk egy példát (2. ábra). A fiktív példában feltételezzük, hogy a fogyasztó negyed évig folyamatosan hőenergiát von el a talajból (pl. téli fűtés), negyed évig nem használja a talajszondát, negyed évig hőenergiát ad le a talajba (pl. nyári légkondicionálás), majd negyed évig megint nem használja a talajszondát. A következő animáció két egymást követő éves ciklus során ábrázolja a talaj hőmérséklet-változását (az alsó skálán az idő múlása látható).
 
2. ábra. Két egymást követő éves ciklus során a talaj hőmérséklet-változásának modelje.
 
Ilyen és ehhez hasonló modellekkel konkrét, gyakorlati problémákat is vizsgálni lehet, mint például:
  • egy adott tulajdonságú földtani közeg hogyan reagál a fogyasztás rövid távú változásaira, mekkora a maximálisan kinyerhető csúcsteljesítmény (a modellel akár perces időbontással is definiálni lehet a fogyasztás változását),
  • a földtani közeg hogyan reagál a fogyasztás hosszú távú, szezonális változásaira,
  • a földtani közeg hogyan képes hosszú távon tárolni az energiát.