Modelarea Impactului Geotermic al Sistemului Hvac în Zona Infrastructurii Eli – Np Măgurele

Universitatea din București

Facultatea de Geologie și Geofizică

Departamentul de Inginerie Geologică

LUCRARE DE LICENȚĂ

Modelarea impactului geotermic al sistemului HVAC în zona infrastructurii ELI – NP Măgurele

Coordonator

Prof.dr.ing. Daniel Scrădeanu

Absolvent

Simion Ionuț-Răzvan

Introducere

Odată cu aprobarea proiectului European ce are ca scop construirea unui laser suficient de puternic pentru a fi folosit cu scopul distrugerii deșeurilor nucleare, printre țările gazdă ale proiectului se numără și România. Proiectul denumit ELI – NP (Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics) a fost amplasat la Măgurele, lângă Insitutul de Fizică și Inginerie Nucleară (IFIN).

În cadrul amplasamentului, proiectarea unei pompe de căldura de tip HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) necesită modelarea matematică a dispersiei geotermice, bazată pe curgerea apei subterane, în subsolul infrastructurii ELI – NP, pentru a observa și evalua impactul acesteia asupra întregii hidrostructuri din zona Măgurele.

Obiectivul lucrării:

Realizarea modelului matematic necesită determinarea parametrilor geotermici ai orizonturilor acvifere din hidrostructură. Studii hidrogeologice premergătoare au dus la amplasarea unei stații pilot alcătuită din foraje de testare hidrogeologică și geotermică de adâncimi diferite. Datele obținute din testele efectuate în foraje, vor fi prelucrate conform unei baze teoretice de lucru ce vor ajuta la realizarea unui model cu parametrii necesari pentru o interpretare preliminară a hidrostructurii Măgurele din punct de vedere geotermic.

Un al doilea obiectiv, constă în modelarea regimului termic al hidrostructurii, utilizând parametrii obținuți din testele geotermice și simularea impactului termic al sistemului HVAC în trei variante, dintre care una sau mai multe vor determina adâncimea și intervalul de temperatură în care sistemul HVAC va fi proiectat.

Metodologia utilizată:

Testarea termică a acviferelor granulare din hidrostructura Măgurele a fost realizată într-o primă etapă din teste de răspuns termic (TRT) și ulterior din teste geotermice ce au constat în circularea unui fluid încălzit în forajele de injecție și realizarea măsurătorilor în forajele de observație. Prelucrarea datelor obținute, a fost realizată conform unei baze teoretice privind procesul de termoconducție radial – plană, în condiții staționare, atât de tip conservativ cât și neconservativ.

Impactul sistemului HVAC asupra regimului termic al hidrostructurii Măgurele, a fost modelat cu ajutorul programului Modflow, folosind modelul spatial în diferențe finite și pachetul numeric MT3DMS, pentru simularea transferului termic în hidrostructură de-a lungul unei perioade de 4000 de zile.

Caracterizarea hidrostructurii Măgurele

Localizare :

Localitatea Măgurele se află în vecinătatea de sud-vest a municipiului București și este un oraș-satelit al Capitalei

Orașul Măgurele, se învecinează cu localitățile: Jilava și Dărăști la est, cu Bragadiru și Cornetu la vest, la nord cu municipiul București, iar la sud există limita administrativă cu județul Giurgiu.

Din punct de vedere al poziționării față de căile de transport, orașul Măgurele este situat între Șoseaua Alexandriei, la vest (DN 6) și Șoseaua Giurgiului, la est (DN 5). Șoseaua București – Măgurele străbate aria orașului, prin centrul localității pe direcție nord – sud. Aceasta se ramifică mai departe spre satele componente. Între localitățile Alunișu – Măgurele – Vârteju, legătura se realizează prin drumul județean DJ 401A care din Vârteju, duce mai departe spre Bragadiru, iar din Alunișu spre comunele Dărăști și Jilava.

Platforma de cercetare – proiectare, Măgurele, este situată în partea de est a orașului, în Pădurea Măgurele. Aceasta cuprinde Institutul de Fizică Atomică și Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Pământului.

Caracteristici geologice:

Din punct de vedere geologic, zona studiată, face parte din unitatea structurală a Platformei Moesice. Formațiunile principale ce fac parte din această unitate aparțin Paleozoicului, Mezozoicului și Cenozoicului. Acestea sunt depuse pe un fundament cutat, probabil alcătuit din șisturi verzi. O parte din soclul platformei aflorează în Dobrogea centrală (zona șisturilor verzi) (Săndulescu, 1984).

Din punct de vedere genetic, Câmpia Română, reprezintă rezultatul unor procese de acumulare într-o zonă cu caracter subsident, pe un fundament cretacic, aparținând Platformei Moesice. Formațiunile cretacice au o înclinare de la sud spre nord, afundându-se la 900 – 1000 m în zona paralelă Bucureștiului și ajungând până la aproximativ 3 – 4 km adâncime în fața orogenului carpatic.

Coloana de deasupra, este reprezentată din formațiuni neogene și cuaternare, iar discontinuitățile existente indică fazele când teritoriul a fost exondat, lipsind condițiile de sedimentare. Se poate observa la sud de București zone unde teritoriul a fost exondat din Cretacicul superior până în Sarmațianul inferior.

Formațiunile de vârstă Pliocen, sunt alcătuite din calcare marnoase, argile, marne și nisipuri. Ultima fază romaniană a lacului pliocen, a fost cea în care s-au depus formațiunile fluvio-lacustre ce caracterizează coloana litologică de sub depozitul loessoid.

Formațiunile de vârstă Cuaternar, le acoperă pe cele pliocene și sunt alcătuite din pietrișuri, nisipuri, argile și depozite loessoide.

Caracterul morfologic descris de gradul de neregularitate și mai ales mobilitatea soclului au influențat caracterul cuverturii sedimentare, precum și suprafața acestei unități. Câmpia Română, din punct de vedere al evenimentelor paleogeografice, a fost formată pe parcursul a două cicluri : ciclul pleistocen și ciclul holocen.

Ciclul pleistocen: înălțările ce au avut loc în Pliocenul superior, au dus la eroziunea fluviatilă, care concomitent cu retragerea lacului getic spre est, a lăsat în urmă, în depresiunea dintre Carpați și Balcani, o cuvertură de pietrișuri și nisipuri fluviatile.

Pleistocenul mediu este caracterizat de o revenire a apelor și de depunerea unor formațiuni cu marne. Există diferențieri între partea estică și cea vestică. La vest, conurile de dejecție cu extensie foarte mare, au determinat apariția unor țărmuri sinuoase ale lacului getic. Conul de dejecție cu direcție perpendiculară față de cele coborâte din Carpați, a forțat treptat retragerea lacului getic către est, concomitent cu prelungirea Dunării, a cărei tendință de înaintare ar fi avut orientare estică.

Punerea în evidență a subsidenței de la depresiunea Lom, a făcut fluviul să alunece pe conul său de dejecție către sud și l-a forțat apoi să-și sape terase pe bordura sudică acestuia. Între Argeș și Olt, adică culoarul Calnistei, reprezintă o zonă de întâlnire a pietrișurilor balcanice și carpatice. Această zonă joacă în continuare un rol de ax depresionar către care se îndreaptă râurile laterale.

Pleistocenul superior este descris prin retragerea lacului getic spre est, pe fondul unor înaintări și retrageri succesive. Dunărea înaintează și își formează albia pe țărmul lacului getic. De asemenea, pleistocenului superior îi corespunde în cea mai mare parte depunerea depozitelor de nisipuri, cunoscute sub numele de “nisipurile de Mostiștea” din partea centrală a Câmpiei Române. Peste acestea urmează depozite loesssoide de origine eoliană sau deluvială, ce încheie seria depozitelor continentale ce acoperă interfluviile cât și o bună parte din terase.

Ciclul Holocen: caracterizat de retragerea celor din urmă resturi ale lacului getic și accentuarea zonei de subsidență. Din punct de vedere al evoluției reliefului în Câmpia Română, în epoca Holocen, se remarcă dune ce împânzesc relieful și versanții de pe malul drept al Ialomiței. Printre structurile specifice fac parte limanele fluviatile ce s-au format prin anastomozarea gurilor unor afluenți mai mici ai râului Ialomița și Argeș, de asemena lărgirea chiuvetelor prin procese de sufoziune ale loessului și apariția de crovuri ca forme depresionare de tasare în loess, multe dintre ele devenind văi cu forme tentaculare.

Stratigrafia:

Pleistocenul inferior: peste romanian, ce este format dintr-o alternanță de argile și argile nisipoase, vărgate sau negricioase, cu intercalații de nisipuri, urmează un strat de pietrișuri și nisipuri cunoscut sub numele de “stratele de Frătești”. Stratele de Frătești sunt alcătuite din nisipuri mărunte și fine, uneori grosiere și micacee la partea superioară, iar în bază se găsesc predominant pietrișuri și bolovănișuri ce sunt alcătuite din cuarțite, gresii, calcare, micașisturi, tufuri calcaroase și silexuri. În zona Bucureștiului, stratele de Frătești se găsesc în foraje, de la sud la nord, la adâncimi din ce în ce mai mari (90 m – sud), (180 m – nord). La sud de linia Jilava – Progresu, spre nord, orizontul singular al stratelor de Frătești se desparte în două și apoi trei orizonturi de pietrișuri și nisipuri, prin intercalarea unor strate de argilă (A, B, C). În zona de studiu, Măgurele, partea superioară a stratelor de Frătești a fost interceptată la adâncimi cuprinste între 60 m în sud și 90 m în nord.

Plestocenul mediu: este alcătuit dintr-o succesiune de marne argile și nisipuri, cunoscută sub denumirea de “Complexul marnos”. (E. Liteanu, 1952).

În zona orașului Măgurele, acest complex prezintă o grosime de aproximativ 50 – 60 m. Din foraje, reiese faptul că această formațiune este în general alcătuită dintr-o succesiune de marne și argile puțin nisipoase, cu intercalații de nisipuri fine la partea inferioară, ce trec spre partea superioară la o succesiune de nisipuri medii și depozite argiloase. Argilele au aspect plastic, culoare vânătă cu vine ruginii ce trec de multe ori la diferite nuanțe de gălbui, cenușiu, albăstrui sau chiar negru, cu intercalații calcaroase de diferite forme și dimensiuni. Mai există și cazuri în care argilele trec la marne compacte diferit colorate, cu multe concrețiuni calcaroase.

Nisipurile existente în complexul marnos, sunt similare nisipurilor fine din stratele de Frătești și de asemenea sunt caracterizate prin lipsa de elemente calcaroase.

Pleistocenul superior: este descris printr-un orizont de nisipuri mărunte în bază, ce este intercalat de concrețiuni grezoase, argiloase, calcaroase și prezintă grosimi de 8 – 20 m. Acest orizont este cunoscut sub numele de “nisipurile de Mostiștea” (E. Liteanu, 1953). Această formațiune nisipoasă, suportă depozite de argile, argile nisipoase sau uneori cu aspect loessoid, cu o grosime de 5 – 20 m, reprezentând “depozitele intermediare”.

Peste acestea, în unele zone chiar deasupra nisipurilor de Mostiștea se observă apariția unui orizont alcătuit de pietrișuri, încadrat în limitele vechiului curs al Argeșului, denumit “pietrișurile de Colentina”. Din punct de vedere al compoziției, acestea sunt constituite din fragmente de cuarțite, gnaise, micașisturi și gresii. Stratul nu se mai regăsește pe linia Otopeni – Ștefănești – Afumați, grosimea acestuia reducându-se treptat de la sud la nord.

Având în vedere poziția lor stratigrafică și fiind acoperite de depozitele loessoide, “pietrișurile de Colentina” sunt de vârstă Pleistocen superior.

Există și situații în care eroziunea a îndepărtat “depozitele intermediare”, iar “nisipurile de Mostiștea” împreuna cu “pietrișurile de Colentina” să vină în contact direct. Acest lucru se poate observa în zona Vasilați.

Ultimul orizont al Pleistocenului superior este caracterizat prin depozite loessoide (5 – 15 m grosime) și pietrișuri aluvionare.

Holocenul: alcătuit din depozite loessoide ce fac parte din terasa inferioară a râului Argeș, precum și din aluviuni grosiere ale terasei inferioare ale Argeșului. Depozitele ce aparțin de partea inferioară a terasei sunt atribuite Holocenului superior.

În zona Măgurele au fost executate foraje ce au ajuns până la adâncimi de 120 m. Acestea au traversat orizonturi cuaternare alcătuite din loessuri, argile, argile nisipoase, pietrișuri. Două dintre aceste foraje au fost realizate pe strada Atomiștilor F. Fabrica de vopsele) și pe strada Călugăreni (F. Imobil). Primul dintre acestea a ajuns până la adâncimea de 120 m, iar al doilea până la 67 m. Formațiunile traversate de acestea sunt reprezentate în coloanele stratigrafice din Figura 1.3.

Caracteristici hidrogeologice :

În cadrul incintei studiate, datele de cunoaștere, au fost furnizate din forajele de alimentare cu apă a diferitelor obiective industriale sau sociale. Acestea au demonstrat că stratele acvifere ce corespund cerințelor cantitative, calitative și economice de alimentare sunt localizate în orizonturile poros-permeabile ale depozitelor cuaternare.

.

Complexul acvifer de mică adâncime: este identificat în baza depozitelor loessoide, în “pietrișurile de Colentina”.

Rocile rezervor fac parte din categoria pietrișurilor, intercalate cu nivele de nisipuri grosiere. Intervalul de adâncime pe care se dezvoltă pietrișurile de Colentina, în zona Măgurele, este între 4.0 m și 18.0 m. Acestea sunt constituite din două niveluri: unul superior, cuprins între 4.0 m și 13.0 m și un nivel inferior, cuprins între 12.9 și 18.0 m.

Nivelul suprafeței piezometrice este identificat în intervalul de adâncime 5.22 m și 5.45 m, cota nivelului fiind între 69.03 m și 68.8 m. Direcția de curgere a apei subterane este orientată NW-SE.

Conductivitățile hidraulice au valori destul de mari, peste 100 m/zi, potrivit constituției rocilor magazin, iar transmisivitățile sunt mai mari de 800 .

Din acviferul freatic, în zona Măgurele, se exploatează debite de apă de aproximativ 3 – 6 l/s, pentru denivelări de până la 5.0 m. Apa este nepotabilă în mare parte.

Una din problemele principale este adâncimea redusă la care se găsește. Acest lucru a dus la poluarea stratului acvifer prin drenarea apei din cursurile de suprafață, în care se deversează substanțe poluante.

Complexul acvifer de adâncime medie: este identificat în formațiunile poros – permeabile din baza pleistocenului superior, în “nisipurile de Mostiștea” și în pleistocenul mediu, în “complexul marnos”.

Intervalul de adâncime la care se găsesc “nisipurile de Mostiștea” este cuprins între 25 m și 35 m.

Există situații în care stratele argiloase ce separă “pietrișurile de Colentina” de “nisipurile de Mostiștea” se efilează, aducând cele două acvifere în contact.

Curgerea apei subterane este orientată NV-SE. Adâncimile nivelelor piezometrice sunt întâlnite la 7.90 m și 7.95 m, cota nivelului fiind între 71.0 m – 66 m. Din punct de vedere al caracteristicilor hidraulice, nisipurile de Mostiștea au conductivități hidraulice ce variază între 5 și 20 – 25 m/zi, iar transmisivitățile sunt cuprinse între 100 și 300 .

Există multe zone în care forajele au deschis atât partea bazală a pietrișurilor de Colentina cât și nisipurile de Mostiștea. Acest lucru a dus la contaminarea resursei de apă înmagazinată în nisipurile de Mostiștea.

Complexul acvifer de mare adâncime: apa cantonată în acest complex se găsește în “stratele de Frătești”, cu o grosime de aproximativ 70.0 m, ce sunt interceptate între adâncimile 62.0 m și 90.0 m, iar în nordul Bucureștiului ating grosimi de 150.0 m și apar la adâncimi mai mari de 180.0 – 200.0 m. În zona București, precum și în sud, stratele de Frătești se divid în 3 orizonturi: A, B și C, alcătuite din nisipuri medii ce trec spre nisipuri grosiere în amestec cu pietrișuri cuarțoase în bază.

În zona Măgurele, orizontul A se găsește în intervalul de adâncime 62.0 m și 80.0 m. Orizonturile B și C se dezvoltă în intervalul 91.0 m și 92.0 m în profunzime. Din punct de vedere litologic, acestea sunt constituite din roci arenitice grosiere pe intervalele 91.0 m – 114.0 m. Pe intervalele 117.0 m – 126.0 m și 148.0 m – 126.0 m există intercalații de nisipuri fine cu trecere la nisipuri argiloase. Peste 148.0 m se consideră trecerea de la depozitele pleistocene inferioare la cele romaniene.

În zona Măgurele, forajele stației pilot au deschis separat orizontul A și orizonturile B+C, datorită limitei litologice pelitice dintre acestea.

Curgerea apei subterane este orientată NV – SE local, iar în zona institutului de la Măgurele este orientată V – E. Gradienții hidraulici sunt mai mici decât cei din complexul acvifer de adâncime medie, nivelul piezometric variind între 41.0 m și 44.0 m pentru orizontul A, iar pentru orizontul B fiind la adâncimea de 32.5 m.

Din punct de vedere al caracteristicilor hidrogeologice ale stratelor de Frătești, variațiile sunt mari, transmisivitățiile variază între 700 – 800 și chiar peste 1000 . Se constată scăderi pe verticală ale conductivității și transmisivității, datorită faciesului psamitic grosier și cel psefitic, ce este înlocuit de nisipurile fine cu trecere înspre nisipurile argiloase.

În zona Institutului de cercetare de la Măgurele, testele hidrodinamice au scos în evidență valori ale transmisivității de 324 , iar conductivitățile hidraulice au fost calculate, rezultând 21,4 m/zi.

Modelul parametric

Pentru realizarea și modelarea impactului geotermic al sistemului de foraje asupra hidrostructurii de la Măgurele, a fost necesară efectuarea de teste geotermice pentru obținerea parametrilor termici ai rocilor din aria respectivă. Într-o fază inițială, s-au realizat teste de răspuns termic (TRT) și ulterior au fost realizate două teste geotermice.

Energia geotermală, reprezintă din punct de vedere tradițional, exploatarea căldurii din interiorul Pământului. În acest mediu, temperaturile cresc aproximativ, într-un interval mediu de 18 – 20 de grade Celsius pe kilometru de adâncime (Skinner et al., 2004). Sistemele geotermale pot fi clasificate în două categorii : de energie mică și cele generatoare de energie mare, în cele mai multe cazuri asociate unor adâncimi rezonabile. Sistemele geotermale de energie mare, sunt realizate prin pomparea directă a geofluidului încălzit dintr-un foraj și injectarea geofluidului răcit într-un alt foraj, la suprafață existând un schimb de căldură, ce transformă în vapori geofluidul purtător de căldură, acționând mai departe o turbină pentru electricitate (Wood, 2009). În cazul sistemelor de energie mică, acestea sunt realizate pentru funcționarea unor pompe de căldură, ventilație și chiar aer condiționat, având în vedere că în perioadele de vară, temperatura terenului, la adâncime mică, este scăzută.

Pentru sistemele de energie mică, există două tipuri caracteristice ce pot fi investigate în prezent:

În medii cu formațiuni geologice ce au permeabilitate mare, prin urmare existența apelor subterane reprezintă un factor important în acest caz (Castello, 2004). În felul acesta, se pot realiza sisteme geotermale cu “buclă deschisă”, în care apele subterane sunt pompate la suprafață, trec prin sisteme ce realizează schimbul de căldură, în final fiind deversate către o altă sursă, un foraj, râu sau lac, în funcție de condițiile de mediu locale.

În medii cu permeabilitate redusă, nesaturate, din care apa subterană nu poate fi exploatată. Se pot instala sisteme geotermale de tip “buclă închisă”, ce constau în injectarea unui geofluid special și circulația acestuia prin sistemul închis de conducte îngropate. Geofluidul reține căldura din teren, o colectează și o transferă la suprafață, apoi este recirculat. În timpul verii, procesul este inversat, prin înmagazinarea căldurii în interiorul terenului.

Baza de date

Pentru obținerea datelor termice, a fost nevoie de o serie de lucrări de testare geotermică pentru evaluarea condițiilor specifice zonei de pe platforma Măgurele. Lucrările au avut ca start execuția a 4 perechi de foraje de probă (Figura 2.1). Acestea au fost realizate cu sape de foraj, având diametrul Φ 160 mm. Adâncimile atinse de grupul de foraje au fost de 35, 60, 90 și 120 m.

În interiorul forajelor executate s-a introdus o coloană, în formă de U, din PVC – PE – RC “U RAUGEO” Φ 32 mm (PN 16). Următoarea etapă a constat în umplerea găurii de sondă cu un material mixat, constituit din 75 % pietriș cuarțos (1 – 3 mm) și 25 % noroi bentonitic.

Din figura 2.1, observăm că forajele stației pilot pentru testarea geotermică au fost amplasate exact lângă forajele pentru testarea hidrogeologică.

Prima etapă în investigarea geotermică a fost realizarea testelor de răspuns termic (TRT) (Aposteanu). Testele au fost efectuate pe forajele , , , și . Pe ultimul dintre acestea și anume , testul de răspuns termic a fost repetat.

Testele de răspuns termic reprezintă o metodă experimentală de determinare a parametrilor termici necesari proiectării unor sisteme geotermale ce au ca fundament principal de funcționare schimbul de căldură cu structurile din interiorul Pământului.

Principiul de funcționare al testelor de răspuns termic (TRT) constă în introducerea unui agent termic (apa) și circularea în buclă închisă prin forajul geotermal (Figura 2.2 ).

Este injectat un flux constant de căldură. Temperaturile T1 și T2 sunt înregistrate la fiecare 20 de secunde, adâncimile și diametrul forajului fiind cunoscute.

Cea de-a doua etapă a fost testarea geotermică. Aceasta a constat în injectarea de energie prin intermediul unui fluid încălzit, în cazul de față, apa, prin coloanele instalate în forajele și . Observațiile asupra variației de temperatură au fost efectuate atât în forajele hidrogeologice F2A și F2M, cât și în forajele geotermice și .

Instrumentul folosit a fost datalogger de tip Diver. Acest tip de instrument este des utilizat în determinarea nivelului piezometric, a conductivității precum și a temperaturii. În cazul de față a fost înregistrată temperatura cu o precizie de . Instrumentele au fost plasate sub nivelul piezometric în forajele hidrogeologice. Datalogger – ul a fost instalat în forajul F2A, ce a deschis orizontul A al stratelor de Frătești și a înregistrat temperatura la adâncimea de 70 m. Pentru forajul F2M, datalogger-ul s-a instalat la adâncimea de 40 m. Forajele F2A și F2M se găsesc la distanța de 2.5 m față de forajele și , după cum se observă și în figura 2.1.

Forajele și de observație geotermală, se găsesc la o distanță de 5 m față de forajele sursă, ce emit căldură și anume și . Instrumentele de înregistrare a temperaturii, în cazul forajului , au fost amplasate la adâncimile de 80 m, 70 m, 56 m. În cazul acesta, s-a înregistrat temperatura din dreptul argilei, din baza orizontului A al stratelor de Frătești și în dreptul limitei impermeabile dintre Complexul A al stratelor de Frătești și acviferul cantonat în nisipurile de Mostiștea.

De asemenea, forajul a fost echipat cu 3 instrumente de înregistrare a temperaturii, ce au fost fixate la adâncimile de 50 m, 40 m, 22 m. Acestea au corespuns argilei din baza acviferului din nisipurile de Mostiștea și nivelului impermeabil superior nisipurilor de Mostiștea.

Rezultatele obținute în urma testării geotermice sunt sintetizate în tabelele 2.1 – test 1 și 2.2 – test 2, și prezintă fluxul termic injectat, temperaturile apei pe tur, la injecție și pe retur. În forajele de observație sunt prezentate rezultatele obținute din măsurători, adică temperaturile și variațiile de temperatură.

Tabel 2.1. Rezultatele testării geotermice ce a fost efectuată în decursul lunii iunie 2014 – TEST 1

Tabel 2.2. Rezultatele testării geotermice ce a fost efectuată în decursul lunii iunie 2014 – TEST 2

Metodologia de prelucrare a datelor geotermice – baza teoretică.

Pentru a satisfice modelul parametric în cazul injectării sau cedării de căldură cu ajutorul unor lucrări cu foraje, am pornit de la fenomenul de propagare a căldurii în crusta terestră, descris prin ecuațiile fundamentale ale termoconducției radial-plane.

Am pornit de la cazul termoconducției radial-plane nestaționare și neconservative într-un strat de conductivitatea termică ridicată, λ, difuzivitatea termică, , grosimea M și temperatură T=T(t,r), mărginit la partea inferioară de un strat ce are conductivitatea termică redusă, , difuzivitatea termică, , grosimea și temperatura pe suprafața sa inferioară, iar deasupra printr-un alt strat de conductivitatea termică redusă, , difuzivitatea termică, , grosimea și temperatura pe fața superioară (Fig. 2.3) (Albu, 1984).

Pornind de la ecuația fluxului de căldură a lui Fourier, scrisă în coordonate cilindrice (Figura 2.4) și anume ecuația (2.1), fluxul elementar de căldură, calculat pentru o prismă dreaptă de volum , este reprezentat potrivit legii lui Fourier, de un flux de căldură rezultat din însumarea fluxurilor elementare prin bazele de arie ale prismei, adică:

În cazul în care temperaturile și se mențin constante și egale cu atunci:

, iar ecuația (2.1) fiind particularizată pentru , este

preluată cu notațiile :

S-au folosit următoarele notații:

λ = conductivitatea termică ;

T = temperatura ;

= difuzivitatea termică [;

r = raza față de punctul de propagare a căldurii – raza forajului ;

M = grosime strat ;

= densitatea ;

c = căldura specifică ;

= Capacitatea volumetrică de căldura ;

t = timpul ;

= factor de neconservativitate termică.

Cazul termoconducției radial-plane, staționare și conservative. În teorie, aceasta este descrisă în vecinătatea unui neck activ (Albu, 1984), dar în ceea ce privește studiul de față, se poate asocia unei găuri de sondă. Având în vedere căldura ce se propagă față de aceasta, fiind invariabilă în timp, iar stratul prin care se realizează acest fenomen netransmițând efect termic pe verticală, rezultă următoare condiții :

Densitatea fluxului (fluxul unitar) de termoconducție radial-plană, , depinde de distanța “”, față de axa forajului.

Particulariând mai departe pentru termoconducția axial-simetrică cu fluxul Q=constant într-un strat omogen și izotrop de grosime uniformă, M, și exprimând densitatea „” a fluxului de termoconducție prin raportul dintre fluxul Q și aria secțiunii sale de front “” se ajunge la ecuația:

Din integrarea acestei ecuații, mai întâi între marginea axei de foraj, unde pentru corespunde și o secțiune de front oarecare, situată față de axa forajului la distanța unde temperatura este , rezultă ecuația de variație a temperaturii:

S-au folosit următoarele notații:

= temperatura față de forajul în care se injectează căldura;

=temperatura în gaura de foraj ;

=cantitatea sau fluxul de căldură ;

=distanța față de foraj, la care corespunde temperatura ;

=raza forajului care cedează sau în care se injectează căldură .

Cazul anterior se poate asocia cu cel pentru curgerea radială și staționară într-un acvifer sub presiune, folosit pentru determinarea parametrilor unui acvifer.

În felul acesta, pornind de la ecuația, , ce exprimă curgerea printr-o secțiune circulară, și din moment ce transimisivitatea, T, este un produs al grosimii acviferului, M, și conductivității hidraulice, K, ecuația poate fi exprimată ca și poate fi rearanjată:

Prin derivarea ecuației (2.7), ce folosește legea lui Darcy pentru a exprima scurgerea sau descărcarea apei dintr-un foraj, în situația curgerii pe orizontală rezultă:

,

Presupunând existența a două foraje de observație, iar sarcina piezometrică măsurată în acestea este , respectiv , iar distanța celor două foraje de observație față de forajul de pompare este , respectiv rezultă prin integrarea ecuației (2.8) (Fetter, 1988):

S-au folosit următoarele notații :

=sarcina piezometrică la distanța de forajul de pompare ;

= sarcina piezometrică la distanța de forajul de pompare;

=debitul de pompare ;

=transimisivitatea acviferului .

Cazul termoconducției radial-plane staționare și neconservative, presupune un foraj ce are raza , suficient de mică pentru a se putea presupune nulă și este caracterizată printr-un factor de neconservativitate, = constant, și printr-un flux, = constant, în stratul principal de grosime = constantă, și conductibilitate termică = constantă, iar diferența de temperatură , ce depinde numai de coordonata cilindrică și deci , atunci ecuația (2.3) devine :

sau

împreună cu condiția

Se ajunge prin demonstrație matematică la soluția ecuației (2.11):

S-au folosit următoarele notații:

= creștere a temperaturii față de starea inițială sau cea de referință;

= funcțiile Bessel modificate de speța a doua și ordinul zero;

= factor de neconservativitate termică = .

Testele de răspuns termic (TRT)

Reluând ideea de bază, adică testarea geotermică, aceasta a fost realizată în două etape, iar în prima variantă s-au prelucrat datele obținute din testele de răspuns termic (TRT). Testele au fost efectuate pe fiecare dintre forajele stației pilot. O aproximare a evoluției temperaturii este descrisă de relația:

S-au folosit notațiile:

= reprezintă temperatura la momentul t ce este dependentă de coordonata cilindrică r [].

= temperatura medie înregistrată în interiorul găurii de sondă [].

= conductivitatea termică medie [

= raza găurii de sondă [m]

Q = cantitatea de căldură injectată în gaura de sondă [W]

= difuzivitatea termică medie [

= constanta lui Euler, ce are valoarea de 0.5772156649 …

Metoda de calcul are o eroare de maxim 10 % dacă se respectă criteriul de timp (Goterm.) :

Căldura specifică volumică medie și difuzivitatea medie termică, au o importanță mai redusă în teorie în cazul testelor de răspuns termic. Se folosesc mai mult la calculul rezistenței termice dintre agentul termic ce circulă prin colectoare și peretele găurii de foraj (Rb).

Pentru calcularea căldurii specifice volumetrice se folosesc tabelele și litologia forajelor de test.

Coeficientul de difuzivitate termică se calculează conform relației:

= căldura specifică atât a materialului din gaura de sondă cât și a materialului din imediata vecinătate.

Evaluarea parametrilor geotermici

În concordanță cu soluțiile ecuațiilor (2.6) și (2.13), s-au prelucrat datele obținute în regim staționar din urma testelor geotermice efectuate.

În cazul acestor două soluții, parametrii ce au fost calculați au corespuns mediului geologic pe fiecare strat în parte. Cu ajutorul datelor de bază, descrise prin intervalele lito-stratigrafice, tipurile litologice, intervalelor de adâncime și cu ajutorul datelor de intrare, reprezentate de fluxul termic injectat – Q, grosimea stratului geologig – M, temperatura de injecție – , temperatura măsurată – T, raza forajului de injectare – și raza până la punctul de măsură – r, s-au calculat și determinat parametrii termici pentru intervalele lito-stratigrafice cercetate și anume: conductivitatea termică (λ), coeficientul de difuzie termică () și factorul de neconservativitate termică (B)

Parametrii calculați, sunt reprezentați în tabelele 2.3 și 2.4. În primul tabel (2.3), sunt testările geotermice ce au vizat acviferul cantonat în “nisipurile de Mostiștea” și o parte din complexul Marnos. În cel de-al doilea tabel (2.4), datele sunt rezultatele testărilor geotermice efectuate în forajele corespunzătoare acviferului din “stratele de Frătești” – orizontul A.

Dacă în cazul soluțiilor ecuațiilor (2.6) și (2.13), parametrii ce au fost calculați au corespuns mediului geologic pe fiecare strat în parte, în situația soluției ecuației (2.14), parametrii calculați sunt globali și iau în considerare atât materialul izolant din interiorul forajului cât și transferul termic cu mediul geologic pe întreaga grosime în ansamblu. Datele obținute sunt reprezentate în tabelul 2.5.

Tabel 2.3. Rezultatele obținute din testarea geotermică în forajele corespondente acviferului din nisipurile de Mostiștea și complexului Marnos.

Tabel 2.4. Rezultatele obținute din testarea geotermică în forajele corespondente acviferului din stratele de Frătești – orizontul A

Tabel 2.5. Rezultatele obținute în urma evaluării datelor obținute din testele de răspuns termic (TRT)

Aposteanu, 2014

Interpretarea rezultatelor

În cazul valorilor reprezentate în tabelul 2.3, adică parametrii termici obținuți pentru acviferul din nisipurile de Mostiștea și complexul Marnos, se pot observa conductivitățile termice, ce sunt specifice nisipurilor fine saturate cu apă. Valorile sunt cuprinse între 1.55 – 1.85 . Coeficienții de difuzivitate termică corespunzători acestor nisipuri au valori cuprinse între 0.128 – 0.153 . Conform valorilor factorilor de neconservativitate ce sunt cuprinse între 0.69 – 1.03 m, în condițiile unui transfer termic acesta se poate produce și pe fețele bazale ale structurilor acvifere.

Potrivit complexului argilos din acoperișul acviferului din nisipurile de Mostiștea, conductivitatea termică este mai mare și anume 2.51. Coeficientul de difuzie termică, specific propagării areolare a căldurii prin termoconducție atinge o valoare de 0.556 . Factorul de neconservativitate are o valoare de 1.08 m și poate fi comparat cu cele calculate și în cazul formațiunilor acvifere.

Stratul argilos dintre complexul A al stratelor de Frătești și nisipurile de Mostiștea + Complexul Marnos se caracterizează prin conductivitatea termică cu valoare de 2.55 , iar coeficientul de difuzie termică este de 0.566 , fiind similar cu cel din stratul argilos din acoperișul acviferului de Mostiștea. Datele au fost obținute din testele efectuate pe forajele geotermice , F2M și .

Testele geotermice pentru structurile permeabile și impermeabile ale stratelor de Frătești – complexul A, au fost efectuate prin intermediul forajelor , F2A și . Testarea a constat în injecția de căldură în forajul și observații asupra variațiilor termice în forajele F2A și .

Pe baza observațiilor din forajul F2A, acviferul existent în complexul A al stratelor de Frătești, scoate în evidență după prelucrarea datelor, o conductivitate termică de 1.86 , în timp ce pe baza observațiilor din forajul , datele evidențiază o conductivitate termică de 2.24 (tabelul 2.4). Difuzia termică variază între 0.154 – 0.185 . Factorul de neconservativitate se află în intervalul de 0.75 – 1.44 m. Raportând valorile obținute aici, în cazul acviferului din orizontul A al stratelor de Frătești cu valorile obținute pentru acviferul din nisipurile de Mostiștea, cele corespunzătoare stratelor de Frătești sunt comparabile ca ordin de mărime, acestea fiind mai mari decât cele specifice acviferului cu poziție stratigrafică superioară. Motivul creșterii valorice poate fi pusă pe seama schimbării faciale a rocilor magazin.

Conductivitatea termică înregistrată în cazul forajului F2A pentru nivelul impermeabil din acoperișul orizontului A al stratelor de Frătești este mai mică decât cea din apropierea forajului F2M. Valoarea coeficientului de difuzivitate termică are aceeași tendință de scădere. Acest lucru se poate datora variației petrografice pe lateral, cât și poziției senzorilor de înregistrare în adâncime ( – 50 m și – 56 m).

Pentru stratul impermeabil din baza complexului A al stratelor de Frătești, conductivitatea termică are o valoare de 2.23 și este mai mică decât în cazul argilelor din acoperiș. Coeficientul de difuzivitate termică scade la o valoare de 0.494 . Factorul de neconservativitate este de 1.58 m.

Rezultatele obținute în urma testelor de răspuns termic (TRT) scot în evidență conductivități termice mai mari decât în cazul nivelurilor litologice testate separat.Valorile de conductivitate variază între 3.26 – 3.67 . Coeficienții de difuzivitate termică sunt între 0.156 – 0.175 .

Variația în cazul valorilor obținute este destul de redusă, cu un grad de omogenitate ridicat, fiind caracteristic predominanței materialului de umplutură al forajelor în raport cu mediul geologic. Aceste valori reprezintă caracteristica globală atât a mediului geologic până la adâncimea de execuție a fiecărui foraj, cât și a caracteristicilor materialului de umplutură din interiorul forajelor geotermice. Aceste caracteristici se pot întâlni și la forajele pentru testele geotermice cu observații la distanță, dar influența acestor factori constructivi este destul de redusă în raport cu parametrii specifici ai mediului geologic.

Modelul regimului termic al hidrostructurii Măgurele

Metodologia de prelucrare – baza teoretică

Modelarea regimului termic a hidrostructurii Măgurele, are la bază modelul parametric de transfer termic. Acesta este condiționat de extinderea modelului spațial cât și de variabilitatea parametrilor calculați sau măsurați și utilizați pentru a-l descrie.

Modelul spațial în diferențe finite

Modelul realizat este de tip multistrat și poate fi rezolvat numeric prin diferențe finite, utilizând programul Surfer, pentru stocarea datelor, determinarea limitelor modelului, pentru reprezentarea grafică și pregătirea fișierelor de transfer în programul Modflow. Principalele elemente de schematizare în Modflow sunt: modelul spațial în diferențe finite, modelul parametric și condițiile pe frontiere.

Extinderea modelului spațial a fost aleasă în funcție de suprafața zonei investigate în subsolul infrastructurii ELI – NP, adică hidrostructura Măgurele. În plan orizontal, suprafața este de aproximativ 1200 – 1250 ha, iar pe verticală, adâncimea investigată este de aproximativ 120 m. Suprafața în plan orizontal, transformată în sistemul metric este de aproximativ 4000 m x 3000 m.

Prin urmare, principalele caracteristici ale modelului spațial în diferențe finite sunt:

Extinderea pe axa OX: 4000 m

Extinderea pe axa OY: 3000 m

Extinderea pe axa OZ: 110 m

Numărul de rânduri: 75

Numărul de coloane: 100

Numărul de strate: 6

Coordonatele colțurilor modelului rectangular sunt :

De asemnea, pe verticală, modelul hidrostructurii se regăsește în intervalul:

Modelul parametric

Modelul parametric al hidrostructurii Măgurele a fost realizat împreună cu modelul spațial pentru a rezulta modelul hidrodinamic și modelul de transfer termic.

Testele geotermice din zona Măgurele au fost realizate de AsaGeoExchange Expert S.R.L, în perioada 27.05.2014 – 12.06.2014, iar datele se regăsesc în tabelul 3.1.

Teste hidrodinamice efectuate în zona Măgurele au fost realizate de INHGA în perioada 10.05.2014 – 25.05.2014. Datele obținute au ajutat la determinarea spectrelor hidrodinamice ale acviferelor din adâncime, spectre pe care le-am inclus în lucrarea de față pentru a observa și analiza direcția de curgere a apei subterane. Acest lucru m-a ajutat în modelarea regimului termic al sistemului HVAC.

Tabel 3.2. Datele obținute în perioada 10.05.2014 – 25.05.2014. Modelul parametric hidrodinamic – INHGA

Tabel 3.3. Datele modelului parametric geotermic

Alte date utilizate pentru realizarea modelului parametric provin din studiile hidrogeologice realizate în zona Măgurele

Modelul parametric realizat pentru regimul hidrodinamic, atribuie parametrii constanți pe fiecare unitate hidrostratigrafică în parte, deoarece variabilitatea parametrilor în plan orizontal se află sub limita de senzitivitate a modelului hidrodinamic.

Modelul parametric realizat pentru transferul termic, nu are nevoie de o diferențiere nici în plan vertical, pentru că testarea termică realizată nu indică variații ce sunt peste limita de senzitivitate a modelului MT3DMS.

Modelul parametric în diferențe finite

Din punct de vedere al modelului parametric în diferențe finite, acesta este definit de cele trei acvifere, cu parametrii finali medii, regăsiți în tabelul 3.2, acvifere ce sunt separate prin câte două orizonturi impermeabile.

Pentru acviferul freatic cantonat în pietrișurile de Colentina, am introdus un al patrulea interval impermeabil, la partea superioară, care elimină efectul alimentării din infiltrații, infiltrații care nu modifică dinamica, fiind uniform distribuite și cu valori reduse.

Condițiile aplicate pe frontiere în modelul cu diferențe finite

În zona hidrostructurii Măgurele sunt amplasate 7 puțuri de captare cu debite relativ reduse (Figura 3.2). În timpul pompării, zonele de influență nu reușesc să ajungă la limitele modelului, motiv pentru care condițiile pe frontieră ale modelului în diferențe finite sunt:

Sarcină piezometrică constantă pe conturul rectangular al modelului în cazul acviferului Colentina

Sarcină piezometrică constană pe conturul rectangular al modelului pentru acviferul de Mostiștea

Sarcină piezometrică constantă pe conturul rectangular al modelului pentru acviferul de Frătești.

Dinamica apelor subterane este reprezentată de prezența celor 7 puțuri de captare din interiorul modelului (Figura 3.2), puțuri a căror funcționare este descrisă a fi permanentă pe o durată de 4000 de zile, ce am considerat a fi perioada de simulare a procesului de transfer termic din hidrostructura Măgurele.

Transferul termic – baza matematică

Realizarea modelului de transfer termic a fost efectuată cu ajutorul programului de modelare a curgerii și anume, MODFLOW, ce folosește mai departe pentru modelarea transportului în soluție, codul numeric MT3DMS. MT3DMS este un cod în diferențe finite cu peste 20 de ani de folosință în activitățile din domeniu (Jozsef Hecht-Mendez et al. 2010).

La prima vedere, pachetul numeric de modelare, este avantajos în cazul descrierii transportului unui solut în apele subterane cu dinamică inițială, iar transferul termic nu își are locul. Dar din punct de vedere al descrierii matematice, există similitudini între ecuația de transport în soluție și ecuația de transfer termic.

Ecuațiile ce guvernează transferul termic și transportul de soluție pot fi reprezentate de ecuații diferențiale similare.

Ecuația diferențială parțială (3.1) descrie transportul unui solut într-un sistem de curgere tranzitoriu al apei subterane și este rezolvată de MT3DMS (Zheng și Wang 1999)

Reprezintă un termen tranzitoriu, multiplicat de factorul de retardare, R. Acest factor, adimensional, arată raportul dintre concentrația totală de solut și concentrația totală de solut mobil, dată de distribuția contaminantului în fluid și faza solidă.

Reprezintă termenul dispersiei hidrodinamice, ce include difuzia moleculară () și dispersia mecanică ().

Advecția

Sursa de generare a masei ce intră sau ce iese din domeniul cercetat.

Analog, ecuația de transfer termic poate fi caracterizată de principiul conservării de căldură, incluzând conducția și convecția (Marsily 1986):

Presupunând că temperatura apei și a terenului sunt similare și de asemenea, nu există un transfer net între cele două faze, se definește prin urmare echilibrul termic (Nield și Bejan, 2006). Termenul din stânga ecuației (3.2) poate fi exprimat ca :

Unde, descriu capacitatea volumică de căldură a mediului poros.

Folosind ecuațiile (3.2) și (3.3) rezultă din rearanjarea acestora :

Ecuația (3.4) reprezintă ecuația treansferului termic în medii poroase și saturate, în condiții cu dinamică inițială, tranzitorii, rezultată din egalitatea sau echilibrul termic dintre fluid și matricea minerală (3.3), la care se adaugă principiul de conservare a temperaturii ce include conducția și convecția (3.2).

S-au folosit următoarele notații:

= greutatea specifică aparentă sau greutatea volumică;

= coeficient de distribuție;

= porozitatea;

= concentrația totală a soluției;

= difuzia moleculară;

= dispersivitatea longitudinală;

= viteaza apei subterane;

= masa care intră sau care iese din sistemul sau domeniul studiat;

= densitatea scheletului mineral;

= capacitatea calorică a matricii minerale;

= capacitatea volumică de căldură a mediului poros;

= densitatea apei;

= capacitatea calorică a apei;

= temperatura soluției;

= conductivitatea termică;

= căldura injectată sau extrasă.

Pentru a dovedii legătura între cele două ecuații (3.1) și (3.4) și anume,

am comparat coeficienții în funcție de rolul și implementarea lor în MT3DMS.

Factorul de retardare și coeficientul de distribuție :

Factorul de retardare, R și coeficientul de distribuție, , sunt descriși în ecuația de transport a solutului ca proces de sorbție. Aceștia pot fi echivalent asociați în ecuația de transport termic cu schimbul de căldură dintre matricea mineral solidă și fluid (apă).

Factorul de retardare pentru căldură, este exprimat ca raportul dintre capacitatea volumică de căldură a mediului poros (faza totală) și capacitatea volumică de căldură a apei (faza mobilă) (Shook, 2001).

Coeficientul de distribuție, este descris ca raportul dintre capacitatea specifică de căldură sau capacitatea calorică a matricei solide și capacitatea volumică de căldură a apei.

Implementarea coeficientului de distribuție în MT3DMS, se află în pachetul “Chemical Reaction”. Tipul de sorbție trebuie setat pentru o izotermă lineară “(ISOTHM = 1)” pentru ca rata schimbului de temperatură dintre solid și apă să fie menținută constant, independentă de schimbările termice (Jozsef Hecht-Mendez et al. 2010)

Coeficienții de difuzie și dispersie :

În privința termenilor de difuzie și de dispersie ai ecuației diferențiale parțiale pentru transportul solutului (3.1), se pot identifica două părți. Prima este reprezentată de termenul de difuzie moleculară (, ce reprezintă un proces acționat numai de gradientul de concentrație. Pe de altă parte, în ecuația de transfer termic, acesta este echivalent cu difuzivitatea termică, acționat de gradientul de temperatură.

A doua parte a ecuației (3.1) este dispersia hidrodinamică ( ce reprezintă un proces generat de diferențele în vitezele de curgere, la nivelul porilor. Pentru implementarea coeficienților de difuzie și dispersivitate în MT3DMS, sunt setați din pachetul “Dispersion”.

Sursa și scurgerea din domeniul studiat:

Termenii de sursă și scurgere sau eliminare, în ecuația de transport, reprezintă masa ce intră și părăsește domeniul studiat. În ecuația de transfer termic acești termeni sunt asociați cu energia de injecție și extracție.

Programul de modelare utilizat :

Programul de lucru utilizat pentru modelarea regimului termic în zona hidrostructurii de la Măgurele a fost Schlumberger Visual Modflow, iar versiunea folosită pentru studiul recent este 2011.1.

Pentru simularea transportului termic prin mediile poros – permeabile ale hidrostructurii Măgurele, am utilizat pachetul numeric MT3DMS. După cum am detaliat la punctul anterior, simularea termică cu ajutorul MT3DMS este posibilă, dat fiind similitudinea matematică dintre descrierea transferului termic și descrierea transportului unui solut în apă – ecuațiile (3.1) și (3.4).

MT3DMS rezolvă transferul de căldură prin folosirea unei analogii complete la ecuația transportului de solut. Acesta nu ia în considerare neliniaritatea ce rezultă din evoluția valorilor parametrilor (F. Fossoul et al, 2011).

Programul Modflow este capabil să descrie o zonă rectangulară și de a o parametriza pentru a reproduce curgerea apei subterane în unul sau mai multe acvifere. (Figura 3.3)

MT3DMS are anumite limitări având în vedere că pentru a simula transferul termic, acesta folosește principiul regimului de curgere, prezis de către simulatoarele de curgere, cum ar fi Modflow 2000 (Harbaugh et al. 2000), fără nici un fel de feedback. În principiu, acest lucru este important deoarece variațiile de temperatură pot afecta vâscozitatea apei, densitatea, ce pot influența mai departe conductivitatea hidraulică. Totuși, variațiile de temperatură în acviferele de adâncime mică nu sunt atât de semnificative, deci erorile de simulare termică generate din atribuirea vâscozității și densității constante modelului, sunt mici și acceptabile (Jozsef Hecht-Mendez et al. 2010).

Simularea impactului geotermic al sistemului HVAC asupra hidrostructurii Măgurele

Regimul termic al hidrostructurii Măgurele a fost realizat și analizat în 3 variante:

Cele trei acvifere nu sunt puse în comunicare directă prin realizarea forajelor sistemului HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning). Acviferul cantonat în “pietrișurile de Colentina” este singurul ce a fost deschis de către acest sistem. (MODELUL GT1: Colentina)

Numai primele două acvifere sunt puse în comunicare direct prin execuția forajelor sistemului HVAC și anume cele regăsite în “pietrișurile de Colentina” și “nisipurile de Mostiștea”. Acviferul cantonat în “stratele de Frătești” rămâne sigilat. (MODELUL GT2: Colentina + Mostiștea)

În varianta a – III – a toate cele trei acvifere sunt puse în comunicare directă prin execuția forajelor pentru sistemul HVAC (MODELUL GT3: Colentina + Mostiștea + Frătești)

Observații asupra regimului hidrodinamic în hidrostructura Măgurele

Înainte de a modela impactul geotermic al sistemului HVAC, am observat că din punct de vedere hidrodinamic, cele trei acvifere, într-o primă perspectivă și anume GT1 – când nu sunt puse în comunicare directă, spectrele lor hidrodinamice indică direcții de curgere diferite, așa cum se cunoaște din studiile anterioare.

În variantele corespunzătoare punerii în comunicare a celor trei acvifere succesiv prin forajele sistemului HVAC (GT2, GT3), are loc o modificare a spectrului hidrodinamic pentru fiecare acvifer în parte. Se poate deduce din acest lucru, activarea unei drenanțe ce orientează curgerea apei subterane spre acviferele din adâncime. Sensul drenanței este descendent pe întreaga grosime a hidrostructurii Măgurele, destinația fiind acviferul de Frătești.

Cauza efectului de drenanță este poziția nivelelor hidrostatice ale celor trei acvifere. Nivelul hidrostatic al acviferului Colentina se află la aproximativ 70 m față de nivelul de referință (N.R), iar nivelul hidrostatic al acviferului Mostiștea se află la aproximativ 68 m. Acest lucru duce la o drenanță cu sens descendent, dinspre Colentina, spre Mostiștea, indiferent de tipul acviferului. De asemenea, nivelul hidrostatic al acviferului Frătești A, se află la aproximativ 50 m față de nivelul de referință, fiind destinația finală al efectului de drenanță.

Schematizând aceste lucruri, pe secțiunea E-V (Figura 3.7) și pe secțiunea N-S (Figura 3.8), am reprezentat poziția nivelelor hidrostatice și sensul drenanței pe grosimea hidrostructurii. Secțiunile au fost realizate folosind programul Modflow. Nivelele hidrostatice sunt reprezentate schematic, nu sunt realizate la scară.

De asemenea, am reprezentat spectrele hidrodinamice ale acviferelor, din perspectiva celor trei variante (GT1, GT2, GT3), pentru a observa curgerea apei subterane în funcție de acviferele deschise (Figura 3.9, Figura 3.10, Figura 3.11).

Modelul de transfer termic

Simularea regimului termic pentru hidrostructura Măgurele a fost realizată prin corelarea coeficienților celor două ecuații, de transport a solutului (3.1) și de transfer termic (3.4), utilizând parametrii ce au fost furnizați de AsaGeoExchange Expert S.R.L.

Simularea a constat în injectarea unui impuls termic ce a reprezentat variația periodică a temperaturii fluidului injectat în puțurile sistemului HVAC. Temperatura fluidului injectat a fost cuprinsă între 8 și 18 .

Pachetul numeric, MT3DMS, a simulat transferul termic pentru o perioadă de 4000 de zile (aproximativ 11 ani). Au fost simulate cele trei variante: GT1, GT2 și GT3 (Figurile 3.4; 3.5; 3.6).

Spectrele hidrodinamice realizate la subcapitolul anterior au pus în evidență direcția de curgere a apei subterane atât în plan orizontal cât și în plan vertical. Transferul termic este de asemenea dirijat către acviferele din adâncime.

Varianta GT1

Se poate observa spectrul transferului de căldură în orizontul specific acviferului de Colentina, motivul fiind modelarea în varianta GT1. Cele două acvifere inferioare, Mostiștea și Frătești, nu sunt afectate de variații termice.

Varianta GT2

Modelul transferului termic în varianta GT2 pentru acviferul Mostiștea l-am simulat pe parcursul a trei perioade de timp pentru a pune în evidență distribuția spectrului de căldură de-a lungul direcției de curgere a apei subterane și de asemenea activarea drenanței pe verticală de la Colentina spre Mostiștea.

Perioadele reprezentate sunt de : 735 zile (2 ani), 1725 zile (~5 ani) și ultima perioadă de 4000 zile (~11 ani)

Varianta GT3

În cazul acviferului Colentina, modelul de transfer termic a fost simulat pentru varianta GT3, în decursul a două perioade de timp și anume: 360 zile (~ 1 an) și ultima perioadă de 4000 de zile (~ 11 ani).

De-a lungul acestor două perioade se observă o scădere valorilor de temperatură în spectrul de căldură, ceea ce concluzionează activarea drenanței descendente pe grosimea hidrostructurii ce dirijează transferul termic în adâncime.

Pentru varianta GT3 a modelului regimului de transfer termic am realizat trei secțiuni pe direcția E-V la trei perioade de simulare: 360 zile, 1000 zile și 4000 zile (Figurile 3.29; 3.30; 3.31).

Concluzii și interpretări

În urma testelor geotermice efectuate pe platforma de la Măgurele, datele măsurate și parametrii calculați au condus la „Modelarea impactului sistemului HVAC asupra infrastructurii ELI – NP de la Măgurele”. Modelarea a scos în evidență o serie de factori importanți în proiectarea sistemului HVAC.

Prezența celor trei acvifere (Colentina, Mostiștea și Frătești) are o importanță deosebită în alegerea tipului de executare a sistemului. În cazul de față, un sistem cu „buclă deschisă” este ideal, acesta fiind proiectat în zonele cu formațiuni permeabile și saturate cu apă.

Regimul de curgere al apelor subterane, favorizează transferul termic, iar dinamica lor inițială nu permite modificarea regimului termic.

Un factor de luat în considerare în proiectarea sistemului HVAC îl reprezintă activarea unei drenanțe accentuate în zona de execuție a forajelor, datorită poziției nivelelor hidrostatice ale acviferelor, de asemenea dirijând și transferul termic tot spre acviferele din adâncime, destinația finală fiind acviferul Frătești.

Modelul de transfer termic, realizat cu ajutorul codului numeric MT3DMS, a scos în evidență, pentru fiecare variantă în parte (GT1, GT2, GT3) spectrul temperaturii în fiecare acvifer și valoarea maximă a temperaturii la sfârșitul perioadei de simulare de 4000 de zile.

În prima variantă, GT1, transferul termic este realizat în orizontul ce înmagazinează acviferul Colentina. Nu există transfer sau perturbații termice în celelalte două acvifere din adâncime. Temperatura injectată este cuprinsă între 8 – 18 , iar la sfârșitul perioadei de 4000 de zile se stabilizează în intervalul 12 – 13 .

Varianta GT2, deschide primele două acvifere, Colentina și Mostiștea. Se observă transferul termic pe vertical, spre acviferul Mostiștea și spectrul de căldură orientat pe direcția de curgere a acestuia. Valorile de temperatură, după o perioadă de simulare de 735 zile (~ 2 ani) sunt cuprinse în intervalul 13 – 14 , stabilizându-se ulterior după 2000 de zile până la 4000 de zile, la fel ca în varianta GT1, între 12 – 13 .

Varianta GT3, pune în comunicare directă cele trei acvifere, Colentina, Mostiștea și Frătești (orizontul A) . Transferul termic se produce până în acviferul Frătești, existând aceleași cauze ca în variantele anterioare. Drenanța influnțează transferul termic pe vertical, după o perioadă de 360 de zile (~ 1 an) de simulare, temperatura în acviferul Frătești fiind egală cu temperatura maximă injectată – 18 . Pe măsură ce perioada de simulare crește, dinamica inițială a apei favorizează transferul termic și diminuează modificarea regimului termic. În final, după 4000 de zile (~ 11 ani), temperatura se stabilizează în intervalul normal de 12 – 13 .

Se recomandă proiectarea sistemului de foraje HVAC în a doua variantă, GT2. Având în vedere adâncimea la care acviferul Frătești se regăsește (~ 120 m), este recomandat ca acesta să fie ferit de orice riscuri de contaminare. Aceste riscuri nu pot fi prevenite în cazul deschiderii acestuia cu ajutorul puțurilor pentru sistemul HVAC, luând în considerare efectul de drenanță accentuată și dispersivitatea mare a acestuia. Adâncimea maximă de proiectare este recomandat să fie de 60 m – 65 m.

În concluzie, având în vedere intervalul de căldură al fluidelor circulate în subsol (8 – 18 ), echilibrul termic nu e perturbat. Intervalul de temperatură din subsolul infrastructrurii ELI – NP se stabilizează în jurul valorilor de 12 – 13 la sfârșitul perioadei de simulare de 4000 de zile, iar sistemul HVAC nu reprezintă un dezechilibru termic asupra hidrostructurii Măgurele.

Bibliografie

D. Scrădeanu, M. Palcu, 2014, Model matematic al curgerii apelor subterane și dispersiei geotermice în subsolul infrastructurii ELI – NP Măgurele, județul Ilfov

J. Hecht – Mendez, N. Molina – Giraldo, P. Blum, P. Bayer, 2010, Use of MT3DMS for heat transport simulation of shallow geothermal system

F. Fossoul, P. Orban, A. Dassargues, 2011, Numerical simulation of heat transfer associated with low enthalpy geothermal pumping in an alluvial aquifer: 45 – 47

J. Hecht – Mendez, N. Molina – Giraldo, P. Blum, P. Bayer, 2010, Evaluating MT3DMS for heat transport simulation of closed Geothermal Systems: 741 – 746

M. Albu, 1984, Ed. Tehnică, București, Termodinamica crustei terestre: 188 – 190; 193 – 194; 200 – 202; 206

A. Dassargues, R. Charlier, B. Francois, 2010, Shallow geothermy – Geothermal properties of soil and rocks

I. Kukkonen, A. Lindberg, 1998, Thermal properties of rocks at the investigation sites: measured and calculated thermal conductivity, specific heat capacity and thermal diffusivity

K. Midttomme, E. Roaldset, P. Aagaard, 1997, Thermal conductivity of selected claystones and mudstones from England