Celkový průběh

 

Geotermální teplo horninového prostředí je využíváno pomocí technologie tepelných čerpadel, která je rozvíjena během posledních 40 let. Běžně se realizují zdroje nízkopotenciálního tepla ve svislých vrtech či z plošného tepelného sběrače tzv. půdního kolektoru. V nedávné době byly učiněny zkoušky v tunelových stavbách, kde byl kolektor tvořen smyčkami sběrných trubek zabetonovaných do tunelového ostění.

Hlavní myšlenkou realizovaného projektu bylo využití liniových staveb (tunelů silničních, železniční a technických) pro vytvoření funkčních systémů zdrojů hromadného vytápění. Efektivitu využití geotermálního tepla zlepšuje aplikace tepelně vodivé hmoty.

Cílem výzkumného projektu bylo zefektivnění tepelného kolektoru instalovaného v tunelových stavbách. Výsledkem výzkumu je tepelný kolektor, který se skládá z vrstvy tepelně vodivé hmoty, z vrstvy hydroizolace a ze sběrných trubek.

Výzkum postupoval v krocích: aktualizace rešerše literatury – laboratorní výzkum – terénní výzkum – matematické modelování.

Z aktualizace rešerše vyplývá, že realizované projekty zaměřené na jímání nízkopotenciální geotermální energie z rozhraní horninového prostředí a výměníkového kolektoru se zaměřují na hlavní dva způsoby extrakce tepla. Prvním způsobem je využití netkané geotextilie, do níž je zabudováno potrubí výměníku. Tento způsob je využíván v hloubených tunelech s betonovým ostěním, kde je textilie umístěna mezi primární a sekundární ostění. Druhým způsobem, využívaným v tunelech ražených razícím štítem, je zabudování potrubí výměníku přímo do betonových segmentů tvořících stěny tunelu.

V průběhu vývoje tepelně vodivé hmoty bylo zjištěno, že nelze vyrobit takový materiál, který by měl dobrou tepelnou vodivost a zároveň dobré izolační vlastnosti proti vodě. Další pokračování výzkumu bylo proto směřováno do vývoje sendvičového řešení, tzn. dvouvrstvé konstrukce sestávající z vrstvy tepelně vodivé vrstvy a hydroizolační vrstvy. Pro hydroizolační vrstvu sendvičového řešení byl vybrán materiál Polyurea GME, který je rychle vytvrzující a aplikuje se nástřikem. Jako tepelně vodivá vrstva byla vyvinuta směs na silikátové bázi s nanomateriály.

Laboratorní výzkum se zaměřil především na následující parametry nových materiálů: tepelná vodivost, tepelná kapacita, hydraulická vodivost, otevřená pórovitost, objemová hmotnost, pevnost v prostém tlaku, pevnost v tahu (příčném i přímém), přetvárné vlastnosti v prostém tlaku a přetvárné vlastnosti v jednoosém stlačování v edometru. Řídícím parametrem pro vhodnost využití materiálu byla jeho tepelná vodivost. Porovnáním výsledků měření součinitele tepelné vodivosti přístroji ISOMET a KYOTO byla zjištěna shoda obou stanovení. Významný rozptyl hodnot měření na jednom vzorku na různých místech je pravděpodobně způsoben nehomogenitou materiálu. Pro přesné stanovení tepelné vodivosti je třeba rovněž testovat referenční materiál o známé tepelné vodivosti. Při použití více metod je třeba měřit stejný počet vzorků na stejných místech vzorků. Z výsledků laboratorních měření vyplývá, že průměrná hodnota měrné tepelné vodivosti kontrolních vzorků odebraných při aplikaci tepelně vodivé hmoty na experiment III strojovna je 9,14 W.m-1.K-1. tato hmota se při zatížení 2,2 MPa v edometru se vzorky zdeformují o 15 až 19 % a to nezávisle na tom, zdali těleso obsahuje trubku. To indikuje, že je hmota dostatečně tuhá a přenese aplikované napětí. Z měření vyplývá, že 5 cm mocný vzorek přenese napětí odpovídající mocnosti nadloží cca. 100 m, aniž by byla ohrožena funkčnost teplosběrného kolektoru způsobená nadměrnou deformací trubek. Koeficient hydraulické vodivosti materiálu Polyurea GME, který byl následně využit jako vrstva hydroizolace, má hodnotu nižší než 1×10-14 m.s-1.

V rámci laboratorního výzkumu bylo dále sestrojeno unikátní zařízení, které umožňuje simulovat měření jímání tepla z horninového masivu. Hlavním cílem experimentu bylo ověření funkčnosti systému, ovládání a sběr dat. To se podařilo, a proto bylo následně přistoupeno k přenosu systému do podzemí. Laboratorní zařízení rovněž sloužilo ke kalibraci matematického modelu.

V letech 2014 – 2016 byly v dole Skalka v Mníšku pod Brdy postaveny celkem tři teplosběrné kolektory. Experimenty se lišily rozměry, podkladní vrstvou tvořenou horninou nebo betonem a postupně se snižující teplotou vstupního chladícího média (8,5°C, 7,0°C, 2,4°C). Monitoring teplot se skládal celkem ze 13 (experiment I) až 24 odporových snímačů teploty Pt 100 a Pt 1000. Teploměry měřící experimentem neovlivněné pozadí horninového masivu ukazovaly kolísání teplot mezi 10,6°C (únor-březen) a 11,6°C (srpen-září). Teploměry umístěné v mělčích vrtech dosahovaly rychleji vyšších výkyvů než teploměry umístěné hlouběji v masivu. To indikuje snížení vlivu povětrnostních podmínek způsobených přirozeným větráním dolu směrem do hloubky masivu. V průběhu chladících experimentů reagovaly teploměry poklesem hodnot, po ukončení experimentu se vrátily na hodnoty původního neovlivněného masivu. Ustalování teplot trvalo přibližně dva týdny. Teploměry umístěné poblíž trubek s chladícím mediem měly během chlazení nižší teplotu než teploměry v ploše experimentu. Teploty rovněž rostly směrem nahoru tj. ve směru proudění chladícího média. Ovlivnění horninového masivu během chlazení na 2,4°C bylo sledováno až do hloubky 2,5 m. Vliv ohřívání experimentu vzduchem byl zamezen pomocí tepelné izolace PUR pěnou. V závislosti na velikosti experimentu a teplotě vstupního média bylo z horninového masivu získáno 0,6°C až 5,5°C.

Z měření vodních tlakových zkoušek vyplývá, že po dlouhodobém vychlazování se změnily hydraulické vlastnosti horniny v etážích nejblíže ke stěně s instalovaným výměníkem. Oproti úvodnímu stavu došlo k rozevření puklin a k jejich částečnému hydraulickému propojení. Hydraulické vlastnosti horniny v etáži od výměníku vzdálenější se nezměnily.

Z výsledků matematicko-fyzikálních simulací vyplývá, že aplikace tepelně vodivé hmoty podstatně zlepšuje možnosti jímání tepla z okolí liniové konstrukce, zejména v počátečním období odběru (první desítky let). Aplikace tepelně vodivé hmoty umožňuje uspořit množství jímacích trubic tepelného kolektoru. Vrstva 2 mm hydroizolace polyurea (byť s relativně nízkou tepelnou vodivostí) téměř nijak nelimituje možnosti jímaného tepla z ostění liniové stavby. Zvýšené množství jímaného tepla použitím tepelně vodivé hmoty klesá s narůstající dobou jímání. Jev je způsoben tím, že významnější teplotní rozdíly jsou situovány mimo oblast zlepšených termálních charakteristik za přispění hmoty.

Poznatky zjištěné při simulaci laboratorního experimentu s paralelním rozvodem byly využity při návrhu tepelných výměníků pro in situ experimenty. V dalších instalacích byl výměník tvořen jednoduchou trubicí bez větvení.

Pro každý in situ experiment a jeho kvazi ustálený stav byla sestavena energetická bilance z měřených dat. Experimenty se mezi sebou primárně lišily v rozměru kolektoru a použité směsi teplonosné kapaliny (různý poměr vody a etanolu nebo glykolu). Pro jeden experiment se ustálené stavy liší ve vstupní teplotě, zaizolování kolektoru nebo velikosti průtoku kolektorem. Nejdůležitějšími výsledky je celkové množství jímaného tepla, a jímané teplo vztažené na jednotku plochy. Nejlepších tepelných zisků bylo dosahováno při třetím experimentu před zaizolováním kolektoru. Tento fakt je dán, největší plochou kolektoru a nejnižší vstupní teplotou. Na ploše 37.5 m2 bylo jímáno téměř 850 W, což odpovídá zisku přes 22 W∙m-2.

Z výsledků modelu bylo možné extrapolovat pole teplot i mimo bodově měřené polohy v masivu. Ovlivnění teplot masivu zasahovalo maximálně jednotky metrů od kolektoru. Z modelu třetího experimentu bylo separováno teplo pocházející z okolní atmosféry a přímo z horniny. Bez zaizolování pocházelo téměř 80 % tepla z okolí a jen 20 % z horniny. Po nanesení 4 cm polyuretanové izolace, při stejných vstupních podmínkách, klesl celkový výkon o 25 %. Poměr původu tepla se ale zcela obrátil a jen 11 % pocházelo z okolí a zbylých 89 % z přilehlého masivu. Po navýšení průtoku z 0.036 l∙s-1 na 0.06 l∙s-1 se zvýšilo i jímané teplo na 780 W, což odpovídá cca 20 W z jednoho čtverečného metru kolektoru.

Sumarizace poznatků z provozu experimentů a jejich modelového vyhodnocení, jejichž cílem bylo provést vyhodnocení vlivu rozměrových parametrů na množství jímaného tepla a tak poskytnout orientační podklady pro návrh tepelných kolektorů v liniových stavbách, ukázala že:

  • Menší rozestup trubic vede k vyššímu odběru tepla, nicméně mezní přírůstek není lineární a je nutné tento parametr dále uvažovat se zvýšenými náklady na instalaci kolektoru.
  • Čím by byl úsek ostění s kolektorem s jednou hadovitě stočenou trubicí užší, tím by pravděpodobně byla nákladnější instalace zařízení pro jímání tepla. Analyzovány byly úseky o šířce 2.5, 5, 10 a 25 m. Z výsledků simulací vyplynula lineární závislost mezi šířkou úseku a množstvím jímaného tepla. Ve všech variantách vychází obdobné množství tepla na jeden běžný metr liniové stavby.
  • Výpočet celkového jímaného množství tepla z liniové stavby a na ovlivnění teplot v okolí tunelu probíhal na lokalitě tunelu Klimkovice. Důvodem byla dostupnost dat o vývoji teplot v tunelu, jeho ostění a v horninovém masivu. Výsledky simulací a rozložení teplot prokázali, že dlouhodobé jímání 20 W tepla z běžného metru tunelu je trvale udržitelný a nedochází podchlazení kolektoru a okolí stavby.

Výsledky výzkumu byly právně ochráněny pomocí osvědčení o zápisu užitného vzoru číslo 28192 Hmota pro získávání tepelné energie z horninového prostředí z okolí podzemních staveb a osvědčení o zápisu užitného vzoru číslo 28193 Prostředek pro přenos tepelné energie z horninového masivu.

 

 

2016

 

V roce 2016 byly na projektu FR-TI4/269 realizované laboratorní, terénní a matematické práce. Laboratorní zkoušky zahrnovaly stanovení tepelné vodivosti a stlačitelnosti vzorků tepelně vodivé hmoty odebraných v říjnu 2015 během nástřiku experimentu III strojovna. In situ měření na výše zmíněném experimentu bylo spuštěno v lednu 2016 a pokračovalo do září 2016. Za účelem eliminování vlivu důlních větrů byl experiment v březnu 2016 tepelně izolován pomocí PUR pěny. Experiment jímal geotermální energii do srpna 2016. Díky prodloužení projektu bylo v závěrečné fází testování použito výkonnější oběhové čerpadlo, které proces jímání zefektivnilo. Součástí terénního testování bylo i zopakování série vodních tlakových zkoušek v jádrovém vrtu JS-1. Modelové práce realizované v tomto roce se zaměřily na dokumentaci modelové vyhodnocení třetího experimentu v důlním díle Skalka.

Z výsledků laboratorních měření realizovaných v roce 2016 vyplývá, že průměrná hodnota měrné tepelné vodivosti kontrolních vzorků odebraných při aplikaci tepelně vodivé hmoty na experiment III strojovna je 9,14 W.m-1.K-1. To je více než hodnoty naměřené na kontrolních vzorcích v roce 2015 (průměr 7,58 W.m-1.K-1) a na vzorcích receptury připravených v laboratoři (průměr 6,80 W.m-1.K-1). Důvodem zvýšení tepelné vodivosti může být delší doba zrání materiálu po jeho přípravě.

Z výsledků stanovení jednoosé stlačitelnosti v edometru simulující spolupůsobení tepelně vodivé hmoty mezi vrstvami primárního a sekundárního ostění je patrné, že se při zatížení 2,2 MPa vzorky zdeformují o 15 až 19 % a to nezávisle na tom, zdali těleso obsahuje trubku. To indikuje, že je hmota dostatečně tuhá a přenese aplikované napětí. Edometrický modul se při zatěžovacím stupni 0,8 -> 1,6 MPa pohybuje u všech vzorků okolo 10 MPa.

Z výsledku monitoringu experimentu III strojovna vyplývá, že teploměry umístěné poblíž trubek s chladícím mediem měly během chlazení nižší teplotu než teploměry v ploše experimentu. Teploty rovněž rostly směrem nahoru tj. ve směru proudění chladícího média. Ovlivnění horninového masivu během chlazení na 2,4°C bylo sledováno až do hloubky 2,5 m. Vliv ohřívání experimentu vzduchem byl zamezen pomocí tepelné izolace PUR pěnou. Z horninového masivu bylo získáno až 5,5°C.

Z výsledku monitoringu I sklad dílna a II slepá jáma bylo zjištěno, že po ukončení experimentů se teploty vrátily na hodnoty původního neovlivněného masivu. Ustalování teplot trvalo přibližně dva týdny.

Teploměry měřící experimentem neovlivněné pozadí horninového masivu ukazovaly kolísání teplot mezi 10,6°C (únor-březen) a 11,6°C (srpen-září). Teploměry umístěné v mělčích vrtech dosahovaly rychleji vyšších výkyvů než teploměry umístěné hlouběji v masivu. To indikuje snížení vlivu povětrnostních podmínek způsobených přirozeným větráním dolu směrem do hloubky masivu.

Z výsledků  měření vodních tlakových zkoušek vyplývá, že po dlouhodobém vychlazování se změnily hydraulické vlastnosti horniny v etážích jádrového vrtu nejblíže ke stěně s instalovaným výměníkem. Oproti úvodnímu stavu došlo k rozevření puklin a k jejich částečnému hydraulickému propojení. Hydraulické vlastnosti horniny v etáži od výměníku vzdálenější se nezměnily.

Z výsledku matematického modelování vyplývá, že z plochy 15 × 2.5 m bylo v maximu jímáno přes 800 W tepla. Díky nástrojům modelu bylo separováno teplo pocházející z horninového masivu a z okolní atmosféry kolektoru. Bez tepelné izolace je jímáno téměř 80 % tepla z okolního vzduchu, po zaizolování pochází až 90 % tepla z masivu. Po dobu běhu experimentu došlo k tepelnému ovlivnění okolní horniny jen v prvních jednotkách metrů směrem od kolektoru.

V roce 2016 byl vypracován dokument „FUNKČNÍ VZOREK Tepelný výměník pro získávání tepelné energie z horninového prostředí“ navazující na Užitný vzor číslo 28192 Hmota pro získávání tepelné energie z horninového prostředí z okolí podzemních staveb a Užitný vzor číslo 28193 Prostředek pro přenos tepelné energie z horninového masivu. Dokument shrnuje metodiku extrakce geotermální energie.

 

 

2015

 

V roce 2015 v rámci etapy 4.a spolupracoval kolektiv pracovníků z Technické univerzity v Liberci na pracích souvisejících s experimenty v dole Skalka. V roce 2015 probíhal in situ experiment II slepá jáma. Předkládaná zpráva navazuje na výsledky z minulých let. Z části se věnuje obecným principům měření a použitému hardwaru. Následuje obecný postup jak na grafy pohlížet, jakých údajů si všímat a co naopak přehlížet. To nám umožní lépe popsat naměřená dat. Poté následuje série samotných grafů s naměřenými hodnotami.

 

V roce 2015 v rámci etap 4.b pracoval kolektiv pracovníků ze společnosti GME s.r.o. na optimalizaci vybrané receptury pro vodivou hmotu s ohledem na aplikace v nižších teplotách v podmínkách tunelových a podzemních staveb. Záměrem bylo při technologických aplikacích v terénu dosažení standardních parametrů vodivé hmoty. Výsledkem byla optimální tepelně vodivá hmota, jejíž tepelná vodivost se pohybuje mezi 4,98 – 8,52 W/mK. Ekonomika výroby hmoty se odvíjí od ceny chemikálií, při současném stavu cen na trhu cena výroby 1 kg vodivé hmoty se může pohybovat okolo 60-70 CZK.

V rámci laboratorního výzkumu došlo v roce 2015 ke zvětšení počtu vzorků testovaných hmot. Během realizace projektu se totiž zjistilo, že s ohledem na projektované výsledky projektu by bylo vhodné rozšířit počet a rozsah zkoušek, aby uskutečněné závěry byly podloženy statisticky významným počtem dat. Z tohoto důvodu se stanovení měrné tepelné vodivosti a měrné tepelné kapacity rozšířilo na 17 nových vzorků tepelně vodivé hmoty a jeden vzorek horniny z dolu Skalka. U jedné sady vzorků bylo provedeno kontrolní stanovení na jiném pracovišti pomocí dvou různých přístrojů. Testovány byly dvě kontrolní (z nástřiku v dole Skalka) a tři sady vzorků tepelně vodivé hmoty, které sloužily k výzkumu vlivu strojní aplikace a receptury. Během výzkumu bylo dosaženo zvýšení tepelné vodivosti z hodnot 2,12 W.m-1.K-1 (průměr experiment II slepá jáma) na hodnoty 7,58 W.m-1.K-1 (průměr experiment III strojovna). Porovnáním stanovení tepelné vodivosti na třech různých přístrojích byla zjištěna shoda. Naměřené hodnoty se neliší o více než 10%. Průměrná hodnota tepelné vodivosti vzorku arkózového pískovce z jádrového vrtu JS-1 vrtaného u experimentu III strojovna je 2,03 W.m-1.K-1. Jako vhodný orientační indikátor tepelné vodivosti se ukázala vysušená objemová hmotnost resp. rozdíl nasycené a vysušené objemové hmotnosti, který odráží její pórovitost.

V roce 2015 rovněž pokračoval terénní výzkum. V prvním realizovaném in situ testu (Experiment I – Ložisko - sklad dílna) byla hmota na horninové prostředí aplikována ručně. Voděizolující vrstva aplikovaná na takto vytvořenou plochu sice měla dostatečnou adhezi pro funkci zkoušky, nicméně k jejímu odtržení nebyla nutná extrémně velká síla. Pro další zkušební pole (Experiment II – slepá jáma a Experiment III – strojovna) bylo proto nutné ověřit jiný způsob nanášení tepelně vodivé hmoty a to strojním způsobem. Účelem bylo zvýšení produktivity ověřené technologie a vytvoření hrubého povrchu ke zvýšení přilnavosti vodě izolující vrstvy. V rámci etapy byla vyvinuta technologie strojní směšování a nástřiku vodivé hmoty na skalní a betonové podloží. Předmíchání směsi pro nástřik se provedla pomocí spec. míchačky IPERBET. Technologie nástřiku GME POLYUREA byla také upřesněna na základě dříve získaných zkušeností a to zejména v oblasti směšování. Aplikace nástřiků je fyzicky značně namáhavá vzhledem k transportu velkého objemu surovin ve stísněných poměrech důlních chodeb. Finální transport se prováděl v pytlích a vědrech ručně. Celkové množství 3,1 tuny materiálu aplikovat v těžko dostupných místech vyžaduje mobilní technologii nástřiku a směšování. Vyzkoušená technologie vyhovuje náročným požadavkům.

 

V roce 2015 v rámci etap 4.c spolupracoval kolektiv pracovníků ze společnosti ISATech s.r.o. na pracích souvisejících s experimenty v dole Skalka. Koncem roku 2014 byl ukončen experiment na lokalitě I – „Ložisko“ a řídicí jednotka byla začátkem roku 2015 přemístěna na lokalitu II – „Slepá jáma“, kde experiment s jímáním tepla z horninového prostředí pokračoval v období 10.4.2015 - 29.10.2015. Od 7.1.2016 bude probíhat experiment na lokalitě III – „Strojovna“. V rámci rozšíření projektu byl odvrtán monitorovací vrt JS-1 hloubky 7,77 m, který je osazen 2 teploměry pro měření pozaďových teplot horninového prostředí v místě odběru tepla. Před osazením teploměrů byly ve vrtu ve třech etážích provedeny úvodní vodní tlakové zkoušky, jejímž cílem bylo stanovit přirozené hydrogeologické charakteristiky horniny neovlivněné experimentem. Teplotní monitoring byl doplněn o dalších 12 teploměrů osazených na pravé křídlo experimentálního polygonu a do jádrového vrtu.

V červenci roku 2015 proběhly v nově realizovaném vrtu JS-1 na lokalitě „Strojovna“ dolu Skalka testy horninového masivu na propustnost pro vodu. Před realizací vlastních testů byly stěny vrtu prohlédnuty optickou kamerou, s cílem posoudit technický stav vrtu a vymezit případné úseky vrtu nevhodné pro realizaci testů a na základě zhodnocení kamerové prohlídky byly vybrány intervaly pro testy propustnosti. Následně proběhla úvodní série vodních tlakových zkoušek ve třech hloubkových intervalech: 5,3-6,1 / 6,1-6,9 / 6,9-6,77 m, s cílem stanovit referenční hodnoty hydraulické vodivosti na vybraných úsecích. Z vodních tlakových zkoušek vycházejí hodnoty koeficientu hydraulické vodivosti neovlivněného horninového masivu menší než 1,63×10-12 m.s-1. Následovat bude série vodních tlakových zkoušek na hornině po dlouhodobém teplotním zatěžování (ochlazování), provedená v identických zkoušených intervalech a v identických podmínkách. Srovnání výsledků propustnosti obou sérií testů umožní posoudit možný vliv dlouhodobého jímání tepla na geotechnické vlastnosti horniny.

 

V roce 2015 v rámci etap 4.d a 4.e pracoval kolektiv pracovníků ze společnosti PROGEO s.r.o. na modelovém vyhodnocení druhého in situ experimentu v důlním díle Skalka. Experiment byl proveden s cílem ověření technologie jímání tepla z odlišné horniny (oproti prvnímu experimentu) a k validaci postupů numerického modelování. Hodnotící numerický model byl validován novou sadou měřených dat. Při užití tepelně vodivé hmoty bylo z plochy 5.5 * 2.5 m možné odebírat až 220W. Z výsledků simulací byl přesněji stanoven koeficient přestupu tepla mezi atmosférou důlního díla a ostěním. Z důlní atmosféry pocházelo až 30% jímaného tepla.

Pro zobecnění získaných poznatků při experimentech jímání tepla z ostění důlního díla, byla provedena modelová analýza alternativ geometrie uspořádání teplosběrného výměníku a aplikace výměníku v prostorách reálné stavby. V první části analýz byl studován vliv počtu trubic výměníku v ostění tunelu. V druhé části je modelován vliv šířky segmentu jednoho výměníku v tunelu. Ve třetí části jsou aplikovány poznatky na reálné liniové stavbě - tunelu Klimkovice. Studium vlivu počtu trubic ukazuje, že množství jímaného tepla neroste lineárně s nárůstem počtů trubic. Tři trubice jímají přibližně dvojnásobek oproti jedné trubici, se 40 trubicemi je jímán dvojnásobek oproti třem trubicím. S narůstajícím počtem trubic procentuální přínos tepelně vodivé hmoty klesá. Po 10 letech jímání je navýšené množství tepla s kolektorem z TVH od 31 % pro jednu trubici a 4 % pro trubice s rozestupem 0.5 m (40 trubic) oproti variante s trubicemi umístěnými v betonu. Při analýze vlivu zemského tepelného toku byl zaznamenán minimální rozdíl mezi modely s a bez uvážení zemského toku. Ačkoli je geotermální energie považována za obnovitelný zdroj, simulace ukazují, že při jímání jsou využity především stacionární zásoby tepla. Běžný zemsky tepelný tok na území ČR (30 – 70 mW∙m-2) kryje odběr tepla pouze z malé části. Pro trvalé využití horninového masivu podél tunelové stavby jako zdroje tepla je proto doporučováno v letních měsících teplo do horninového masivu dodávat. Tento postup může přinést další ekonomické úspory, pokud teplo pochází z budov, které by byly ochlazovány klasickou klimatizací. Studium vlivu šířky segmentu ukázalo, že délka segmentu není pro stanovený průtok a vstupní teplotu teplonosné kapaliny významná – šířku segmentu lze volit na základě jiných kritérii, než je požadované množství jímaného tepla. Ve všech variantách je po pěti letech jímáno 30 W na běžný metr tunelu. Toto množství postupně klesá až k hodnotě 20 W/m po 30 letech.

Z výsledků numerické simulace jímání tepla v tunelu Klimkovice vyplývá, že nastavený odběr tepla v celé délce tunelu odpovídá 43 kW, během jednoho roku může být odebráno až 377 MWh. V blízkém okolí linií tubusů vychází snížení teploty k 5 °C, nicméně ovlivnění mizí do první stovky metrů od tunelu. Simulované snížení teploty dokazuje, že při jímání 20 W tepla na běžný metr tunelu nepovede k promrzání ostění a blízkého okolí výměníku. Modelové snížení teploty dokazuje, že jímání 20 W tepla na běžný metr tunelu je trvale (po desetiletí) udržitelné.

 

V roce 2015 v rámci etap 4.d spolupracoval kolektiv pracovníků ze společnosti ARCADIS CZ a.s. na pracích souvisejících s experimenty v dole Skalka.

Chlazení teplosběrného média v rámci laboratorního experimentu v dole Hlubina realizovaném v roce 2013 až 2014, in situ experimentu I dílna sklad v dole Skalka realizovaném v roce 2014 a in situ experimentu II slepá jáma v dole Skalka realizovaném v letošním roce bylo zajišťováno pomocí tepelného čerpadla vzduch-voda LWRc-8kW. Kvůli nízké okolní teplotě v dole Skalka a zvýšení efektivnosti tepelného kolektoru byla teplota chlazení snižována. V rámci experimentu II slepá jáma bylo dosaženo teploty chlazení 7°C. V současnosti se testuje chiller Geotek, který dosáhne teploty chlazení 2°C.

Dále byly zvětšeny rozměry experimentu III na 14,1×2,7 m tj. cca. 38,1 m2. Na této ploše bylo rozmístěno celkem 82 m PEX-Al-PEX trubek. Oproti předchozím experimentům se tak délka teplosběrného potrubí 2,2-2,4krát prodloužila. Plocha jímacího kolektoru se zvětšila 2,8-3,2krát. Ve všech případech byly trubky na horninu nebo beton uchyceny v šesti řadách s rozestupem, který byl pomocí numerického modelu optimalizován na 0,5 m.

Rovněž byl zvýšen počet monitorovacích prvků. Hlavním důvodem pro zvýšení počtu měřících sond bylo zvětšení plochy experimentu III. Jejich výhodou je nezávislost na počítači Dixell, které ovládá jímací a chladící okruh a je proto možno monitorovat teploty na více experimentech najednou. Další výhodou je zachování jejich funkčnosti při výpadku elektrické energie. Monitorovací systém experimentu III slepá jáma byl také rozšířen o jeden jádrový vrt, který slouží k monitorování teplot v e vzdálenosti 1,5 a 2,5 m od chladící plochy experimentu. Dalšími funkcemi jádrového vrtu byly zpřesnění geologické a petrografické charakteristiky a realizace vodních tlakových zkoušek ke zjištění možného narušení horninového masivu chladícím experimentem.

 

Osvědčení o zápisu užitného vzoru číslo 28192 Hmota pro získávání tepelné energie z horninového prostředí z okolí podzemních staveb a osvědčení o zápisu užitného vzoru číslo 28193 Prostředek pro přenos tepelné energie z horninového masivu jsou součástí samostatných příloh výzkumné zprávy 4.e.

 

 

2014

 

V roce 2014 v rámci etap 3.a a 3.h spolupracoval kolektiv pracovníků ze společnosti ISATech s.r.o. na pracích souvisejících s experimenty v dolech Hlubina a Skalka. V první polovině roku byl ukončen experiment v bývalém dole Hlubina, kde bylo vyzkoušeno zařízení simulující přestup a odběr tepla z horninového prostředí. Řídící jednotka byla převezena do místa in situ experimentu, dolu Skalka, kde byla předem vytipována a připravena tři místa pro tři různé kombinace testů. Na prvním místě, zvaném Ložisko, byl na stěnu namontován potrubní rozvod, který byl překryt nástřikem nejdříve tepelně vodivé hmoty a poté izolační vrstvou polyurey GME. Po připojení řídicí jednotky byl spuštěn in situ experiment. V průběhu experimentu byla sledována závislost odběru tepla za daných podmínek vyhodnocováním průběžného monitoringu teplot uvnitř i vně experimentální plochy a různými kombinacemi hodnot průtoku a vstupních teplot.

Hlavním parametrem, který se ve všech experimentech sleduje, je teplota. Teplota odezvy horninového masivu, teplota okolí v rozrážce, teplota média na vstupu a výstupu a teploty v jednotlivých částech experimentálního pole. Cílem práce byla interpretace dat získaných během měření teplot a průtoků jak na zařízení v Hlubině, tak při in situ experimentu ve Skalce.

U laboratorního pokusu v Hlubině byla nalezena závislost teploty na změnách průtoku, a to tak, že čím vyšší byl průtok, tím menší byl rozdíl teplot. Nejefektivněji se jevila konfigurace uzavření sudé větve systému s vyššími průtoky.

U in-situ experimentu prováděného ve Skalce byl vliv průtoku na změnu teploty zanedbatelný. Systém však zareagoval na změnu teploty média na vstupu. Snížením této teploty o 1,7°C nedošlo na výstupu ke snížení o stejnou hodnotu, ale jen o cca 1°C. Snížením vstupní teploty tak došlo k zefektivnění celého procesu přenosu tepla.

Vysvětlení pro tyto opačné výsledky může být několik. V obou případech se použila jiná vodivá hmota i izolace, které mohly mít na přenos tepla vliv. Svoji roli mohlo hrát také zapojení trubek – zatímco na Hlubině bylo paralelní, ve Skalce by se dalo označit spíše jako sériové. Rozdílný byl například i rozestup trubek, podkladový materiál (cementotřísková deska vs. hornina), prostředí (venkovní a důlní) apod.

Přestože byly výsledky rozdílné, podařilo se dosáhnout předem stanovených cílů – na experimentu Hlubina se ověřila funkčnost řídící jednotky a potvrdil se princip přenosu tepla stanovenou metodikou. Důležité bylo také potvrzení možnosti kalibrace modelu tepelného proudění. Experiment v dole Skalka byl pak sestaven tak, aby odpovídal možnostem aplikace v podzemních liniových stavbách. V takovémto prostředí je samozřejmě nutná jednoduchost a schopnost přizpůsobivosti v daných podmínkách.

Získané poznatky budou sloužit jako podklady pro matematické modelování a simulace, na nichž bude postaven v roce 2015 druhý experiment v dalším vybraném místě dolu Skalka, a to na lokalitě Slepá jáma.

 

V roce 2014 v rámci etapy 3.b spolupracoval kolektiv pracovníků z Technické univerzity v Liberci na pracích souvisejících s experimenty v dolech Hlubina a Skalka. V roce 2014 pokračovalo měření a ladění zařízení v laboratorních podmínkách tunelu Hlubina GME. V červenci 2014 bylo zařízení přestěhováno do dolu Skalka v Mníšku pod Brdy, kde probíhal experiment I in situ. Zařízení se ukázalo principiálně funkční, tzn. chladící i topný okruh fungoval bez problémů, tepelné čerpadlo pracovalo bezchybně, i celý princip ochlazování/ohřevu, přenosu energií mezi jednotlivými větvemi byl v podstatě podle očekávání. Stejně tak vzdálený přístup i stahování a ukládání dat probíhalo bez nejmenších problémů. Proto bylo celé zařízení beze změn přestěhováno do dolu Skalka, kde bylo následně zprovozněno. V tuto chvíli už celé zařízení několik měsíců funguje a v reálných podmínkách ověřuje základní myšlenky celého projektu.

 

V roce 2014 byly v rámci etap 3.c a 3.f kolektivem pracovníků ze společnosti ARCADIS CZ a.s. provedeny mapovací a průzkumné práce v dole Skalka a laboratorní měření stanovující tepelné a mechanické vlastnosti tepelně vodivých hmot.

V roce 2014 byl proveden inženýrskogeologický popis horninového prostředí experimentu I Skalka dílna. Z místa byly odebrány vzorky a byl proveden petrografický popis. V místech budoucího experimentu II Slepá jáma a experimentu II Strojovna byl proveden geofyzikální průzkum, jehož účelem bylo zjištění případných kaveren a dutin za betonovým ostěním, které by měly vliv na experimenty. Z výsledků prací vyplývá, že experiment I Dílna se nachází v prostředí jemnozrnných křemenných pískovcích až prachovcích, které jsou červenohnědé, na lomu černošedé, deskovité až lavicovitě vrstevnaté, tektonicky rozpukané, na diskontinuitách hojně vysráženy sekundární minerály. Hornina obsahuje okolo 40 objemových procent Fe2O3. Georadarovým měřením na místech experimentu II Slepá jáma a experimentu III Strojovna s velkou pravděpodobností nebyly zjištěny kaverny větších rozměrů. Extrémní hodnoty v příslušných řezech izolinií amplitud odraženého signálu mohou být, mimo jiné, odezvou na diskontinuity na rozhraní litý beton – horninové prostředí. Dle řezů ve vzdálenosti od cca 35 cm vyplývá, že horninové prostředí je bez výraznějších porušených míst. Na experimentální ploše Strojovna je možná, ve směru vertikálním, změna tloušťky betonového ostění od úrovně cca 1.3 m směrem ke stropu.

V roce 2014 pokračovaly laboratorní práce na vzorcích vyrobených z navržených materiálů a s příměsí. Sledovaly se následující parametry nových materiálů: tepelná vodivost, tepelná kapacita, pevnost v prostém tlaku, pevnost v tahu, přetvárné vlastnosti, hydraulická vodivost, a otevřená pórovitost. Stanovení tepelné vodivosti a kapacity bylo realizováno na 14 typech tepelně vodivých materiálů a 3 typech horniny a betonu. Dále byly opakovaně měřeny 4 vzorky dodané v roce 2013. Měření tepelné vodivosti bylo ověřeno in situ v dole Skalka. Hydraulická vodivost, pevnost v prostém tlaku, pevnost v tahu a přetvárné vlastnosti byly testovány na 5 typech tepelně vodivých hmot. V roce 2014 byly dále externě provedeny stanovení tepelné vodivosti, mikroskopie kompozitních materiálů a vyluhovací experimenty. Z výsledků laboratorních zkoušek z přelomu 2013/2014 vyplývá, že nejvyšší hodnoty měrné tepelné vodivosti (přes 6 W.m-1.K-1) dosahují směsi s koloidními pojivy 14, 15 a 24 a to i po odstranění veškeré volné vody. V roce 2014 bylo zjištěno, že přidáním metakaolinu do těchto systémů se sice výrazně zlepší jejich mechanické vlastnosti, materiály ale ztrácí tepelnou vodivost. Rozdílná tepelná vodivost hematitu v dole Skalka (1,65 – 3,11 W.m-1.K-1) může být způsobena heterogenitou jednotlivých vzorků. Vliv na tepelnou vodivost tepelně vodivé hmoty z dolu Skalka (3,46 – 4,84 W.m-1.K-1) může mít příprava vzorku (jiné otáčky míchadel), sedimentace nebo teplota prostředí, v kterém vzorky vznikají. Vliv stárnutí vzorků na hodnoty tepelné vodivosti nebyl po cca. 10 měsících prokázán. Tepelná vodivost vzorků 14 a 24 se snižuje, vzorku 15 naopak roste. K aplikaci tepelně vodivé hmoty v areálu dolu Hlubina byla vybrána směs s koloidními pojivy č. 24. Její vlastnosti jsou následující: měrná tepelná vodivost vysušeného vzorku po 10 měsících 5,13 W.m-1.K-1, měrná tepelná objemová kapacita vysušeného vzorku po 10 měsících 1,55 MJ.m-3.K-1, hydraulická vodivost 3,85×10-9 m.s-1, otevřená pórovitost 59%, pevnost v prostém tlaku 7 MPa, pevnost v příčném tahu 0,84 MPa, modul pružnosti 10,44 GPa a Poissonovo číslo 0,35. K aplikaci tepelně vodivé hmoty v dole Skalka byla použita směs s metakaolinem. Její měrná tepelná vodivost se pohybuje mezi 3,46 a 4,84 W.m-1.K-1. Porovnáním výsledků měření součinitele tepelné vodivosti přístroji ISOMET a KYOTO byla zjištěna shoda obou stanovení. Významný rozptyl hodnot měření na jednom vzorku na různých místech je pravděpodobně způsoben nehomogenitou materiálu. Pro přesné stanovení tepelné vodivosti je třeba rovněž testovat referenční materiál o známé tepelné vodivosti. Při použití více metod je třeba měřit stejný počet vzorků na stejných místech vzorků. Studium mikrostruktury ukázalo, že Všechny analyzované materiálové vzorky jsou tvořeny následujícími základními složkami s různým podílem zastoupení v objemu materiálu:

• šedá vytvrzená polymerní matrice nebo matrice promíchaná s bílou gelovitou hmotou;

• bíle nebo šedobíle zbarvené nepravidelné útvary gelovité hmoty průměru 30 μm až 3 mm;

• tmavě zbarvené minerální šupinky nebo jehličky velikosti 5 × 20 až 110 × 1500 μm;

• kulovité nebo elipsovité bublinové póry (30 μm až 3 mm) a ve vzorcích 14 a 15K nepravidelné dutinky (0,8 až 3,0 mm)

 

Z výsledků vyluhovacích testů vyplývá, že ve zvýšeném množství se vyskytuje pouze sodík a draslík, což je způsobeno přítomností solí, vzniklých z volných iontů Na a K při sušení vzorku. Zvýšené množství sodíku se pohybuje mezi 263 mg/l a 1701 mg/l. Jinak výluhy ze vzorků vyhovují normám o ukládání odpadu.

 

V roce 2014 byly v rámci etap 3.d a 3.g pracoval kolektiv pracovníků ze společnosti PROGEO s.r.o. na modelových vyhodnoceních laboratorního experimentu jímání tepla a jímání tepla v in situ podmínkách z důlního díla Skalka.

Během prací roku 2014 byly ověřeny možnosti modelové reprezentace procesů odběrů tepla a bylo provedeno vyhodnocení laboratorního experimentu jímání tepla. Hodnotící numerický model byl kalibrován a validován měřenými daty. Z výsledků simulací vyplynulo doporučení využití rozdílné geometrie trubic jímacího výměníku. Použitá hřebenová geometrie nezajišťuje rovnoměrné rozložení rychlostí v jednotlivých trubicích. Rozložení rychlostí je nejen nerovnoměrné, ale zároveň poměr jednotlivých rychlostí se mění s celkovým průtokem. Tento jev dále omezuje možnosti optimalizace jímání, proto bylo v následujících pracích doporučeno použití sériového zapojení trubic.

V roce 2014 proběhla v důlním díle Skalka první fáze in situ experimentu jímání tepla s dobou trvání 105 dnů. Teplosběrný kolektor byl umístěn na rostlé hornině hematitové žíly. Tepelně vodivá a hydroizolační funkce kolektoru je docílena sendvičovým uspořádáním vyvíjené tepelně vodivé hmoty, stříkané hydroizolace a trubice s teplonosnou kapalinou. Zaznamenaná data teplot byla vyhodnocena a využita jako podklad pro numerický model. Z plochy 15 m2 bylo odebíráno 100 až 180 W tepla v závislosti na zvolené teplotě a průtoku teplonosné kapaliny. V modelové předpovědi je vypočtena hodnota dlouhodobého (trvalého) odběru tepla z kolektoru 150 W.

V další etapě prací bude sledován a následně simulován vývoj teplot horninového masivu po ukončení odběru tepla. V dole Skalka jsou plánovány další dva experimenty jímání tepla v podmínkách odlišného horninového typu a v podmínkách rozdílné vstupní teploty.

 

V roce 2014 byly v rámci etap 3.e pracoval kolektiv pracovníků ze společnosti GME s.r.o. na konstrukci dvou unikátních zařízení, které umožňují měření jímání tepla z horninového masivu. První zařízení se skládá ze tří okruhů. První okruh simuluje masiv a ohřívá desku. Druhý okruh jímá teplo. Třetí okruh slouží k udržování konstantní teploty druhého okruhu na vstupu do rozvodu trubek na desce. Toto zařízení je umístěno v tunelu GME Hlubina v Ostravě. Druhé zařízení se skládá ze dvou okruhů. Protože je umístěno in situ v dole Skalka v Mníšku pod Brdy, zůstal ohřívací okruh simulující masiv nezapojen. Jímání tepla je provedeno pomocí teplosběrných trubek, vrstvy tepelně vodivého cementu a hydroizolace Polyurea. Funkční vzorek 1 umístěný v Ostravě byl z důvodu odstranění vlivu výkyvů teplot okolního prostředí izolován rovněž tepelně.

Dále byly v roce 2014 provedeny kontroly a zkoušky nástřiku Polyurey v dole Rožná. Lze konstatovat, že systém Polyurea GME vykazuje stabilní chování v podmínkách metamorfovaných hornin. Nástřik je v celém úseku stabilní a na celé ploše bez zjevného narušení vlivem tlakových pohybů důlního díla. Místní narušení (velikost maximálně 5x10 cm) je patrné pouze v místech, kde nebyla hornina dostatečně očištěna, a kde nástřik nebyl proveden na stabilní plochu.

 

 

2013

 

V roce 2013 bylo v rámci etapy 2.a a 2.b kolektivem pracovníků ze společnosti GME a Technické univerzity v Liberci sestrojeno a testováno unikátní zařízení, které simuluje jímání tepla z horninového masivu. Zařízení bylo umístěno v tunelu GME s r.o., který je situován v areálu bývalého dolu Hlubina v Ostravě. Jde o přístupový tunel k jámovému stvolu těžní jámy Dolu Hlubina. Zařízení se skládá ze tří okruhů. První okruh simuluje masiv a ohřívá desku. Druhý okruh jímá teplo. Třetí okruh slouží k udržování konstantní teploty druhého okruhu na vstupu do rozvodu trubek na desce. Sběr dat teplot probíhá pomocí průmyslově řízeného počítače (PLC) – konkrétně výrobku firmy Dixell Xweb500. Po přesunu části zařízení do podzemní stavby bude nahrazen ruční odečet průtoku jímacího okruhu odečtem digitálním (Datalogger COMET S7021).

Práce s webovým rozhraním je vcelku intuitivní, přičemž ale k základnímu zprovoznění je nutná znalost obecných principů síťových komunikací (TCP/IP), komunikací po sběrnicích (RS485), principů měření teplot a obecně používání teplotních senzorů a v neposlední řadě určitý náhled na celou problematiku. Celý systém funguje bezproblémově, a proto se předpokládá kompletní přenos systému na vybranou lokalitu.

Z výsledků první a druhé fáze testování je patrné, že se voda po průchodu jímacím okruhem zahřívá o cca. 1 až 3°C při průtoku 0,1 l/s. Přestup tepla z vyhřívacího okruhu byl zlepšen pomocí hmoty z laboratoře TUL. Vliv teploty okolního prostředí byl minimalizován pomocí izolace.

V další fázi bude vybrána vhodná tepelněvodivá hmota, která bude aplikována na jímací okruh, a celý experiment bude izolován od vnějšího prostředí. Velký důraz bude kladen na funkčnost trojcestného ventilu a oběhového čerpadla, jejichž poruchy ukončily první respektive druhou fázi testování. Rovněž bude pečlivě sledován provozní tlak zařízení.

 

V roce 2013 byly v rámci etapy 2.c a 2.d kolektivem pracovníků ze společnosti GME a Technické univerzity v Liberci provedeny práce na zlepšení vodivosti navržených plastů. Celkem bylo testováno přes 60 různých směsí. Laboratorní výzkum se realizoval na vzorcích vyrobených z navržených materiálů s příměsí. Vývoj sledoval směr zlepšení vodivosti stávajících systémů pomocí příměsových materiálů, jejich přidáním do známých hydroizolačních systémů, vytvořit tepelně vodivou a zároveň hydroizolační hmotu. Pro vývoj jako základní hmoty byly použity POLYUREA GME (nástřiková hmota) a organicko minerální polyuretanový systém SUPERMIN (pro laminaci a nástřik). V druhé fázi vývoje bylo přistoupeno na sendvičovou konstrukci tepelně vodivého pláště. Toto řešení předpokládá dvojitou vrstvu, první vrstvu jako hydroizolační a další vrstvu jako tepelně vodivou pro předání tepla do výměníkového systému. Při tom předpokládá aplikaci známých hydroizolačních systémů přímo na rub výlomu, instalaci výměníkového systému a následnou aplikaci vodivé hmoty na výměníkový systém.

Sledovaly se následující parametry nových materiálů: tepelná vodivost, tepelná kapacita, hydraulická vodivost, pevnost v prostém tlaku a pevnost v tahu. Z výsledků laboratorních zkoušek vyplývá, že nejvyšší hodnoty měrné tepelné vodivosti (přes 6W/m.K) dosahují směsi s koloidními pojivy a to i po odstranění veškeré volné vody.

Koeficient hydraulické vodivosti materiálu SUPERMIN má hodnotu 3×10-11 m/s, přidáním příměsí roste až na 2×10-8 m/s. Otevřená pórovitost během stanovení propustnosti roste, důvodem je vyplavování NaHCO3. Koeficient hydraulické vodivosti materiálu POLYUREA GME má hodnotu nižší než 1×10-14 m/s.

Pevnost v prostém tlaku materiálu SUPERMIN se pohybuje okolo 50 MPa a s přidáním příměsí klesá, pevnost v příčném tahu je okolo 7 MPa. Pevnost v přímém tahu směsí SUPERMIN se pohybuje mezi 4,15 a 8,90 MPa a pevnost v přímém tahu hmoty POLYUREA se pohybuje mezi 17,7 a 21,1 MPa. Hmota povlaku POLYUREA je velmi dobře přilnuta k podkladu, s kterým je pevně spojena. Nerovnosti v povrchu horniny i betonu jsou zcela vyplněny hmotou. Na kontaktu nejsou patrné mezery, dutiny ani j