Analyse og modellering av dype energibrønner

Abstract

SammendragI energibrønnene installert på Skoger barneskole i Drammen, blir varme trukket ut eller injisert fra fluidet som sirkulerer i én enkel u-rør kollektor til berget rundt. Systemet består av fem 500 meter dype energibrønner som brukes som energikilde for varmepumpesystemet. Driftsdata siden 2011 er brukt til å forutsi langtidsytelsen for energibrønnene som er installert på Skoger ved bruk av en 2-dimensjonal og en 3-dimensjonal modell utviklet i COMSOL Multiphysics.3D-modellen ble brukt til å beregne borehullsmotstanden, som er den termiske motstanden mellom borehullsveggen og fluidet inne i kollektoren, for forskjellige varme-ekstraksjon og injeksjonsrater, og til å evaluere ytelsen til energibrønnene ved forskjellige fluidhastigheter. 2D-modellen ble utviklet for å forutsi den langsiktige ytelsen til energibrønnene installert på Skoger, siden 3D-modellen var ineffektiv for langtids simuleringsperioder på grunn av relativt store krav til datamaskinens kapasitet. Borehullsmotstanden ble utregnet fra 3D modellen og brukt som en input for 2D-modellen ved evaluering av ulike berg- og systemtilstander slik som termisk interaksjon mellom borehullene, konduktivitet til berget og bergets temperaturgradient langs borehullet og deres innflytelse på energibrønnenes langtidsytelse.Borehullsmotstanden for u-rør kollektoren installert på Skoger er vist å være avhengig av fluidhastigheten inne i kollektoren, tetthetsgradienten til vannet rundt kollektoren, mengden av varme trukket ut eller injiseret og hvorvidt varme blir trukket ut eller injisert til energibrønnene. En betydelig økning i borehullmotstand for en konstant varme-ekstraksjonseffekt er funnet når varmeoverføringseffekten fra naturlig konveksjon er utelatt i beregningsmodellen. Å inkludere varmeoverføringseffektene fra naturlig konveksjon i beregningsmodeller er derfor av stor betydning for kort- og langtidssimulering for grunn-vannsfylte borehull. Hvis den volumetriske strømningshastigheten økes ved en konstant varmeinjeksjon- eller ekstraksjonseffekt, vil temperaturprofilene langs borehullets dybdeakse bli mer lineær for det oppad? og nedadstrømmende fluidet. Dette vil forbedre ytelsen til energibrønnene, men vil komme på bekostning av høyere pumpeeffekt.Langtidsytelsen til et energibrønnsystem er i stor grad avhengig av den årlige energidiffe-ransen mellom energi trukket ut og injisert fra energibrønnene samt en nøyaktig bestem-melse av bergets termiske konduktivitet. Dette er fordi lave energiinjeksjonsrater og en overvurdering av bergets konduktivitet i designprosessen av energibrønnsystemet vil kunne føre til dårligere arbeidsforhold for varmepumpen og i verste fall systemfeil.