Przy określaniu jednostkowej mocy chłodniczej pozyskiwanej z pionowego gruntowego wymiennika ciepła na potrzeby pompy ciepła konieczne jest wykonanie rozpoznania geologicznego czy to z map geologicznych, czy też dokumentacji wykonanych już w przeszłości odwiertów. Na podstawie znajomości grubości poszczególnych warstw gruntu i współczynnika przewodzenia ciepła każdej z warstw - wylicza się średnią wartość współczynnika przewodzenia ciepła jako średnią ważoną dla wszystkich warstw gruntu, w których zostanie zabudowany pionowy wymiennik ciepła.

     Wyliczona w ten sposób wartość współczynnika A nie uwzględnia intensywności przepływu wód podziemnych i konwekcji naturalnej w otoczeniu otworu wiertniczego. Ponieważ pomiędzy wynikami obliczeniowymi a uzyskanymi później efektami w eksploatacji dolnego źródła ciepła występowały rozbieżności, w połowie lat dziewięćdziesiątych rozpoczęto coraz powszechniej wykonywać pomiary współczynnika przewodzenia ciepła przez grunt za pomocą metody określanej w literaturze jako TRT lub GRT (thermal response test lub geothermal response test).
Badania metodą TRT wykonywane są za pomocą ruchomego (przewoźnego) zestawu pomiarowego. W miejscu, gdzie ma zostać zlokalizowane pole pionowych gruntowych wymienników ciepła najczęściej wykonuje się jeden lub, w przypadku bardzo dużego pola sond, więcej pomiarów współczynnika X.

     W wykonanym otworze (lub przy większym polu sond w kilku otworach) osadza się sondę, a następnie dokonuje się pomiaru współczynnika efektywnego przewodnictwa cieplnego gruntu.
Przez efektywne przewodnictwo cieplne gruntu należy rozumieć przewodnictwo wypadkowe:
• tworzywa, z którego wykonana jest sonda geotermalna,
• wypełnienia otworu wiertniczego,
• gruntu otaczającego sondę.

     Zmierzony efektywny współczynnik przewodzenia ciepła jest średnią dla wszystkich warstw, w których osadzona jest sonda. Pomiar przeprowadza się po termicznym ustabilizowaniu odwiertu. Czas termicznej stabilizacji odwiertu z sondą i wypełnieniem zależny jest od rodzaju zastosowanego wypełnienia. Wyznaczanie współczynnika efektywnej przewodności cieplnej metodą TRT polega na iniekcji poprzez sondę do gruntu energii cieplnej o stałej i znanej wartości. Czynnik wypełniający sondę cyrkuluje w obiegu zamkniętym sonda-urządzenie pomiarowe i przekazuje ciepło do gruntu. Temperatura czynnika na wlocie do sondy i wylocie z sondy geotermalnej jest cały czas rejestrowana. Pomiar prowadzi się do ustabilizowania przepływu ciepła w gruncie. Na rys.1 i 2 pokazano urządzenie w trakcie pomiaru [1,3], a na rysunku 3 schemat instalacji pomiarowej [2],

      Współczynnikefektywnego przewodnictwa gruntu wyznacza się korzystając z równania przepływu ciepła w funkcji czasu wg Busso,Georgieva i Rotha [4].

T(t) = (Q/4 x n x H x A){ln(4 x a x t/r2)
                             - 0,5772} + Rbx(Q/H)+T0                          (1)

 gdzie:

T - temperatura czynnika w wymienniku ciepła w °C
t - czas w godzinach
Q - ciepło iniekcji w W
H - długość (głębokość) wymiennika ciepła w m
X - współczynnik efektywnej przewodności gruntu w W/(m x K)
a - współczynnik dyfuzji termicznej a = /(cp x p) w m2/h
Cp- ciepło właściwe W x h/kg x K
p - gęstość w kg/m3
Rb- oporność cieplna otworu w m x K/W
T0 - temperatura początkowa gruntu (przed rozpoczęciem pomiaru w0 C)
r - średnica wymiennika w m

Wyniki uzyskane w trakcie pomiaru dwu wybranych z literatury [5, 6] pomiarów przedstawiono na rys. 4 i 5.

Równanie (1) można zapisać w funkcji zlinearyzowanej, gdzie k jest współczynnikiem kierunkowym prostej na wykresie, gdzie temperatura jest na osi Y, a czas w godzinach przedstawiony jest w skali logarytmicznej na osi X.

T(t) = kxln(t) + m                  (2)

Na rys. 6 (1) i 7 (7) pokazana jest zależność średniej temperatury od czasu, przy czym oś OX jest w skali logarytmicznej.

gdzie:

k = Q/(4xnxHxX)                        (3)

Stąd wyznaczamy współczynnik efektywnego przewodnictwa cieplnego gruntu X.

A = Q/(4xnxHxk)             (4)

     Badania przedstawioną metodą wykonywane są w wielu krajach Europy, USA, Kanadzie, Korei Południowej, Chinach i Japonii za pomocą urządzeń pomiarowych skonstruowanych przez instytucje czy firmy prowadzące badania. Czas prowadzenia testu według różnych źródeł wynosił od 50 do 70 godzin. Stwierdzono, że przedłużanie czasu powyżej 70 godzin nie ma znaczącego wpływu na wynik pomiaru.

    Wyznaczanie jednostkowegostrumienia mocy cieplnej sondy q [W/mb] w oparciu o współczynnik przewodzenia ciepła X. Według R. Barthela [9] dla wyznaczenia q (jednostkowa moc chłodnicza [W/m]) możemy się posłużyć zależnością:

q = 20X dla 1 < X < 3             (5)

Z kolei wg SIA 384/6 [8] do wyznaczania q można posłużyć się wykresem przedstawionym na rysunku 8.

Wyniki współczynnika przewodnictwa cieplnego gruntu wyliczone i zmierzone za pomocą TRT przedstawiono na rysunku 9.

Ja kwidać, na rysunku bardzo często występują rozbieżności między wartościami wyliczonymi a wartościami zmierzonymi.

Przeanalizowano wpływ tych wartości na podstawie dwu par wyników z wykresu dla dwóch odwiertów zaznaczonych na rysunku jako punkty A i B:

Odwiert A (wartość wyliczona jest wyższa niż wartość zmierzona)

X wyliczone = 2,05 W/m K wyliczone '
X zmierzone = 1,36 W/m K zmierzone '

Odwiert B (wartość wyliczona jest niższa niż wartość zmierzona)

X wyliczone = 2,05 W/m K wyliczone '
X zmierzone = 3,10 W/mK zmierzone '

Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli.

Wartość średnią q wyznaczono z wzoru Barthela i zależności SIA 384.

Dla odwiertu A przy przewód ności cieplnej gruntu X wyliczone = 2,05 W/mK wyznaczona wartość jednostkowej mocy chłodniczej wynosi q = 36,75 W/m. Oznacza to dla przyjętego do rozważań zapotrzebowania na moc chłodniczą dolnego źródła pompy ciepła konieczność wykonania co najmniej 6803 m odwiertu. Na podstawie wartości zmierzonego przewodnictwa cieplnego X zmierzone = 1,36 W/mk zachodzi konieczność wykonania 9766 m odwiertu. W tym wypadku dolne źródło wykonane w oparciu o X wyliczone jest niedowymiarowane. Wykonanie odwiertów o długości łącznej wynikającej z wyliczonego współczynnika przewodnictwa ciepła gruntu oznacza:

• szybki spadek temperatury płynu roboczego (roztworu glikolu) w sondach,

• znaczące zmniejszenie współczynnika SPF (średniorocznej sprawności pompy ciepła),

• zamrożenie dolnego źródła po wyczerpaniu pojemności cieplnej gruntu w otoczeniu odwiertu.

Odwrotne wyniki uzyskamy dla odwiertu B. Długość odwiertów wykonanych w oparciu o X wyliczone wynosi 7576 m  i jest większe od długości wyznaczonej na podstawie X zmierozne, które wynosi 4717 m. W tym wypadku dolne źródło jest przewymiarowane, co wpływa na niepotrzebny wzrost kosztów inwestycyjnych. Wieloletni, przyszły rozkład temperatur czynnika roboczego w sondach przy znanym współczynniku przewodnictwa cieplnego gruntu oraz zapotrzebowaniu budynku na ciepło i chłód dla dużych pól sond geotermalnych wyznacza się w oparciu o programy symulacyjne, np. EED wersja 3.16.
Program ten pozwala sprawdzić, czyzałożony pobór ciepła z gruntu nie spowoduje zamrożenia otoczenia sond, co może doprowadzić w konsekwencji nawet do ich trwałego uszkodzenia.

Źródła:
1. HJ. Lohr, Wykorzystanie geotermii płytkiej do ogrzewania i chłodzenia budynków kongres VELTA 2005
2. N. Mattsson, G. Steinmann, L. Laloui, In-Situ Thermal Response Testing-New Developments, Europejski Kongres Geotermalny 30 maja -1 czerwca 2007, Unterhaching, Niemcy
3. Info 08/2006 Nutzung von Erdwärme zur Energieversorgung, www.hgc-fg.de
4. J. Kapuściński, A. Rodzoch, Geotermia niskotemperaturowa w Polsce - stan aktualny i perspektywy rozwoju, Warszawa, październik 2006
5. B. Sanner, E. Mands, M. Sauer i E. Grundman, Technology, development status, and routine application of Thermal Response Test, Europejski Kongres Geotermalny 30 maja - 1 czerwca 2007, Unterhaching, Niemcy
6. A.M. Gustafsson, Thermal Response Test. Numericalsimulationsandanalyses, Universityof Technology, Lulea 2006
7. B. Sanner, G. Hellström, J. Spitlers, S. Gehlin, Thermal Response Test -Current Status and World-Wide Application, Światowy Kongres Geotermalny Antalya, Turcja 24-29 kwiecień 2005
8. WJ. Eugster, SIA 384/6 Erdwärmesonden - Normung in der Schweiz
9. R. Barthel, Hydrogeologie und Umwelt, Heft 33Würzburg 2005
10. www.ubeg.de/gtr_erfahrungen.html (dostęp 14.02.2011)

•Stanisław Zbrojkiewicz