Grunnvannsbevegelse: forskning og praksis for energibrønner med lukket kollektor

Abstract

I denne tredelte oppgaven er det undersøkt ulike virkninger grunnvannsbevegelse kan ha på energibrønner med lukket kollektor. Det er også forsket på mulige metoder for å enkelt påvise hvor vidt en energibrønn tilføres energi fra grunnvannsbevegelse. Til slutt er det undersøkt temperaturutviklingen i brønnparken til to grunnvarmeanlegg i drift.

For at et grunnvarmeanlegg skal fungere over tid, er det avgjørende at anlegget er dimensjonert i henhold til faktisk energiuttak fra berggrunnen. For et grunnvarmesystem med lukket kollektor er grunnens effektive varmeledningsevne λeff, og termisk motstand mellom varmeveksler (kollektorslange) og bergmassen Rb, viktige parametre i dimensjoneringen. Forbest mulig varmeveksling ønskes høy λeff og lav Rb. En termisk responstest (TRT) er enutbredt metode for å bestemme disse parametrene. Under en slik test tilføres varme tilkollektorvæsken, hvilket induserer konveksjonsstrømmer i brønnvannet. En såkalt multiinjectionrate thermal response test (MIR TRT) er en TRT med flere ulike effekttrinn i serie. En slik test kan avsløre hvordan λeff og Rb endres ved endret tilført effekt, som vil si endret konveksjon. I første del av denne oppgaven er det utført én MIR TRT, men med en relativtsterk vannstrøm påsatt brønnvannet under hele forsøket, for å simulere sterk konveksjon.Testdataene ble sammenlignet med testdataene for en lignende MIR TRT utført tidligere uten påsatt vannstrøm. Det ble vist at påsatt vannstrøm ikke har noen innvirkning på målt λ eff, mensenker trolig Rb noe. Påsatt vannstrøm forbedrer effektiviteten til et grunnvarmeanlegg i for liten grad til at teknologien kan tenkes å være lønnsom. Linjekildemodellen som analyseverktøy harmonerer trolig dårlig med MIR TRT.

Grunnvannsbevegelse overfører varme ved konveksjon, som er langt mer effektivt enn varmeoverføring ved varmeledning. Riktig dimensjonering av grunnvarmeanlegg avhenger følgelig av riktig estimert energibidrag fra grunnvannsbevegelse. Det er derfor ønskelig å utvikle en metode for å påvise mulig energibidrag som grunnvannsbevegelse vil ha til et planlagt grunnvarmeanlegg. I denne oppgavens andre del er det gjort en grundig analyse av tenkelige potensielle metodeverktøy. Resultatene indikerer at energibidrag fragrunnvannsbevegelse i en brønn kan påvises ved å tolke et temperaturprofil av brønnen.Temperaturprofilet måles noen timer etter at brønnen er varmet opp, for eks. etter en TRT. Imetoden foreslått i oppgaven tallfestes de eventuelle avvikene som vises mellom temperaturprofilet og et tenkt temperaturprofil upåvirket av grunnvannsbevegelse. Det finnes foreløpig ingen offisielle standarder for å måle slike temperaturprofiler, og metoden utviklet i denne oppgaven har et stort forbedringspotensial.

I oppgavens tredje del er energibrønners temperatur og ytelser gjennom fyringssesongen 2010/11 for to grunnvarmeanlegg i drift dokumentert. Begge anleggene var velfungerende. Undersøkelsen som er gjort gir en økt forståelse av hvordan grunnvarmeanlegg fungerer i praksis. Gode overvåkningsdata av grunnvarmeanleggs ytelser gir økt forståelse av betydningen av grunnvannsbevegelse, og hva som kan gjøres for å forbedre teknologien.

In this thesis consisting of three parts, it is examined the different effects groundwater movement can have on energy wells in a closed-loop borehole heat exchanger (BHE) system. It is done research on different possible methods that easy could point out whether groundwater flow provides a BHE with energy. Finally, the energy well temperatures in two existing ground heat plants are examined.

A ground heat plant's lifetime depends on correct dimensioning according to the actual energy consumption from the underground. In a closed-loop system, the effective thermal conductivity of the ground λ eff, and the borehole thermal resistance Rb, are important parameters. The heat exchange efficiency increases with increased λeff, and lowered Rb. A thermal response test (TRT) is a well-known method used to determine both λ eff and Rb. During such a test, a borehole heat exchanger fluid is heated up, which induces a convective flow in the water filled borehole. A so-called multi-injection rate thermal response test (MIRTRT) is a TRT with multiple heat injections in series. This test can reveal how λeff and Rb maychange due to change in heat injection, i.e. change in convection. In the first part of the thesis, it is performed one MIR TRT. During the test, a relatively strong water flow was induced in the borehole with the help of a well pump, to simulate strong convective flow. The test results were compared with results from a similar, earlier MIR TRT done without the well pump. It was shown that a forced water flow does not change the measured λ eff, but lowers Rb to some extent. The forced water flow improves the efficiency of a BHE in such small measures, so that the technology will likely not become a commercial success. The line-source model is most likely not feasible with a MIR TRT.

Groundwater flow transmits heat by convection, which is far more efficient than conductive heat transmission. Correct dimensioning of ground heat plants thus relies on good estimates of the energy contribution from groundwater flow. Therefore it would be practical with an easy method that could provide this knowledge. In the second part of this thesis, potential methods are examined. The results indicate that a well's temperature profile can be used to determine the energy from groundwater flow. The profile is measured few hours after the well is heated up, e.g. after a TRT. In the method suggested in the thesis, the total deviation between measured profile and a constructed profile not influenced by groundwater flow is calculated. So far, it does not exist any official standards of how to make temperature profiles, and the method developed here has a big potential for improvements.

In the third part of the thesis, energy wells' temperature and performance in two ground heatplants are documented. Both plants showed good performance. The examination helps to understand how ground heat plants function in practice. Adequate surveillance data over the performance of ground heat plants increase the knowledge of the importance of groundwater flow, and how to develop the ground heat technology further.