Heat from the ground and sun: An energy-optimizing project at Mære Landbruksskole

Abstract

Grunnvarme som ein kilde til lagring og uttak av varme kan redusere utslepp av CO2 til atmosfæren betrakteleg og samtidig føre til økonomiske gevinster. Utfordringa ligg i å senke kostnadar til installasjon og drift av grunnvarme-systemer, auke det bærekraftige uttaket av energi frå kvart borhol og utvikle teknologi for å ta i bruk grunnvarme på nye områder.Det er difor utvikla eit forskningsprosjekt ved Mære landbruksskole i Nord-Trøndelag dereit dynamisk system skal utviklast og testast for å benytte seg av solvarme frå eit veksthus om sommaren, energibrønner og eit korttids varmelager.

Som ein del av forskningsprosjektet på Mære er det i masteroppgåva fokusert på å undersøke geologiske parametre nødvendig for dimensjonering av brønnparken. I tillegg har innstallering av to ulike typer kollektorslanger i ein testbrønn, ein vanleg og ein turbo kollektor, gjortdet muleg å undersøke ulikheitar mellom desse i samme brønn. Turbo kollektoren er dyrare enn ein standard kollektor, men riller på innsiden skal gje større varmeoverføring og mindre trykktap. Ein differensial trykkmålar innstallert på termisk responstest hengaren kombinertmed vibrasjonsmålarar festa direkte på kollektoren gjorde det muleg å undersøke trykktapog vibrasjonar for kollektorane ved ulike strømningshastigheiter. Turbulent strømning gjer betre varmeoverføring men krev ein høgare strømningshastigheit og dermed større trykktap,og difor er det interessant å undersøke overgongen mellom laminær og turbulent strømning.

Det vart påvist lite grunnvannstrømning i området, men sprekker i og rundt området avbrønnparken tyder på at det kan skape utfordringar ved boring. Utfallet av ein termisk responstest under ein langvaring kuldeperiode viste at det ikkje er gunstig å gjennomføre tester i kuldeperioder utan å kontrollere med temperaturloggarar plassert i brønnen undertesten. Resultatet frå felttesten viste ein termisk konduktivitet på 4.0 W/(m · K), menslaboratorieforsøk med kjerneprøver tatt i området viste verdier på 3.0 W/(m · K). Den termiskekonduktiviten var 25 % høgare målt parallelt med foalisjonen enn normalt på, mestsannsynleg på grunn av kvartsårer. Boreholsmotstanden var lik for begge kollektorer, ogkalkulert som 0,07 (K · m)/W. Simulering viser at ein brønnpark med desse eigenskapaneer stabil over lang tid. I tillegg viser simulering at det ikkje er tilrådeleg økonomisk å kunbruke generiske verdier ved dimensjonering av anlegg, men supplere med laboratorieforsøkeller termisk responstester. Ved Reynolds tal over 10 000 har dei to kollektorane sametrykktap. Derimot viser lågare Reynolds-tal noko overraskande at standard kollektoren harlågare trykktap enn turbo kollektoren, noko som betyr at den har lågare friksjonfaktor ogat pumpa bruker mindre energi. Tala for turbo kollektoren er unormalt høge, og det det erdifor ikkje muleg å konkludere med kva for kollektor som viser dei beste eigenskapane. Vibrasjonsanalysaviser ikkje noko eintydig overgong mellom laminær og turbulent strømning.

Det er anbefalt å gjennomføre fleire tester på trykktap i felt med Reynolds tall under 10000 for å verifisere eller avkrefte resultatane som viser at standard kollektoren har lågare trykktap enn turbo kollektoren. Vidare vil det vere av interesse å visualisere strømningar iein gjennomsiktig slange med same eigenskapar som turbo kollektoren. Vibrasjonsmålingarbør gjennomførast på nytt basert på erfaringar frå denne oppgåva.

Using the ground as a heat source or sink may significantly reduce CO2 emissions in the atmosphere while at the same time leading to economic gain. However, the technology must be made more competitive by cost reduction, sustainable use and expansion of technology for new applications. Thus, a project at Mære Landbruksskole in Nord-Trøndelag, Norway,has been initiated to develop and test a dynamic system for using heat from the sun through a greenhouse during summer, energy wells and short-term storage of heat.

As a part of the research-project at Mære, this master’s thesis focuses on investigating the geological parameters necessary to design the borehole thermal energy storage (BTES). The installation of two different borehole heat exchangers in a test-well, a standard and a turbo collector, made it possible to examine the differences between these in the same well. The turbo collector is more expensive than the standard collector, but micro fins on the inside gives a better heat transfer and lower pressure drop. A differential pressure transmitter installed on the test equipment in combination with a vibration indicator set directly on the collector, allowed an investigation of the pressure drop and vibrations for the collectors at different flow velocities. Turbulent flow gives a higher heat transfer but requires a higher flow velocity and thus a higher pressure drop. It is therefore of great interest to investigate the transition between laminar and turbulent flow.

The presence of groundwater flow was not found to be significant, but fractures in and around the field site might create challenges in drilling operations. The duration of a thermal response test in a cold period showed that it is not favorable to carry out field tests in cold periods without controlling the measurements by placing temperature loggers in the well during the test. Results from the field test revealed a thermal conductivity of 4.0W/(m · K), while laboratory tests using core samples showed values of 3.0 W/(m · K). Thethermal conductivity was 25 % higher for measurements parallel to the foliation comparedwith normal oriented, most likely because of quartz ores. The borehole thermal resistancewas similar for both collectors, and calculated as 0.07 (K · m)/W. Simulations show that a BTES with these properties is stable over time. Simulations also show that it is notadvisable for economic reasons to only use generic value when dimensioning a system of thissize, but necessary to supply with laboratory tests or thermal response tests. At Reynoldsnumbers above 10 000, both collectors have the same pressure drop. Quite surprisingly,lower Reynolds numbers show that the standard collector have a lower pressure drop thanthat of the turbo collector, thus having a lower friction factor and less need for energy from the pump. The values for the turbo collector are abnormally high, and no conclusion as to which collector is a better choice can be reached. The vibration analysis does not portray a definite transition between laminar and turbulent flow.

Further experiments regarding pressure drop should be performed with Reynolds numberless than 10 000 to verify or undermine the results which show a lower pressure drop for the standard collector than the turbo collector. A visualization of flow through a transparent pipe with similar features as the turbo collector would be of great interest. It is also recommended to perform new vibration measurements with the experiments from this thesis in mind.