| dc.description.abstract | Vann- og varmetransport i grunnvannsakviferen i Melhus sentrum konseptuell vurdering er en masteroppgave skrevet av Inger Strøm Flugsrud høsten 2017. Arbeidet er gjort i forbindelse med emnet TGB4935 Miljø- og hydrogeologi, masteroppgave ved Institutt for Geovitenskap og Petroleum ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet. Oppgaven er på 92 sider.
Oppgaven er tilknyttet forskningsprosjektet ORMEL (Optimal ressursutnyttelse av grunnvann til oppvarming og kjøling i Melhus og Elverum). Hovedmålet for prosjektet er å fremskaffe et faglig solid og bærekraftig grunnlag for en optimal utnyttelse og forvaltning av grunnvannsressursene i de to kommunesentrene. Hensikten med masteroppgaven er å undersøke hvordan vann og varme transporteres i bakken, og hvordan de hydrogeologiske forholdene på Melhus påvirker disse prosessene. Det fokuseres på hydraulisk konduktivitet beregnet ved Kozeny-Carman og Kenneys formler og samvirke mellom varmetransport ved konveksjon og diffusjon.
Kozeny-Carman og Kenney utviklet empiriske fomler for beregning av hydraulisk konduktivitet. Kenney formel benytter d_5, diameteren som 5% av prøvens masse er mindre enn. Kozeny-Carman benytter spesifikt overflateareal S_0 og poretallet e, og begge parameterne kan måles eller beregnes fra kornfordeling. Sammenlikning av resultater i oppgaven viser at for prøvemateriale er S_0 tilnærmet omvendt proporsjonal med d_5, og for 2/3 av prøvematerialet er Kenney og Kozeny-Carmans formler tilnærmet like følsomme overfor endringer i mengden finstoff.
I et grunnvannsbasert grunnvarmeanlegg med åpent system pumpes grunnvann opp i en produksjonsbrønn og sendes gjennom en varmepumpe. Deretter blir vann med endret temperatur reinfiltrert i akviferen gjennom en returbrønn. Oppgaven har brukt eksisterende data til å beregne hydraulisk gradient og hydraulisk konduktivitet. Deretter undersøkes det hvordan variasjon i disse parameterne påvirker temperaturspredningen fra returbrønnen. Dersom produksjons- og returbrønnene er plassert ugunstig i forhold til grunnvannstrømningen, vil temperaturforskjellen mellom brønnene kunne utjevnes. Det reduserer effektiviteten til systemet. Hvordan varmen forplanter seg i bakken vil ha betydning for gunstig plassering av returbrønn.
Varmetransport er modellert med et lite program lagd i Fortran i forbindelse med denne oppgaven. Programmet ser kun på temperaturdistribusjon som følge av konveksjon-diffusjonslikningen mellom to brønner med konstant grunnvannshastighet. Det medfører svært mange forenklinger. Fordelen med et slikt program er at man enkelt kan sette seg inn i matematikken som ligger bak, og at det er mulig å teste mange tilfeller ved å regulere få parametere. Det er svært godt egnet for å øke forståelse. Modellering av varmetransport i denne oppgaven er utført på forenklede, konseptuelle scenarier. Ut ifra modellering av injeksjon av kaldt vann i en trelags akvifer, ble følgende trender funnet:
Størrelsen på varmeledningsevnen til akviferen påvirker i svært liten grad temperaturdistribusjonen.
Økning i hydraulisk konduktivitet medfører en økt horisontal utstrekning av sonen hvor temperatur påvirkes. Varmetransport ved konveksjon blir dominerende.
Økning i hydraulisk gradient medfører en redusert vertikal utstrekning av sonen hvor temperatur påvirkes, og økt horisontal utstrekning. Ved lav hydraulisk gradient vil varmetransport ved diffusjon spiller en større rolle.
Tiltak for å reduseres sjansen for at produksjonsbrønnen påvirkes av temperaturendringer fra returbrønnen kan inkludere å øke avstanden mellom brønnene. Det vil redusere den hydrauliske gradienten, og varmen vil i større grad spres til over- og underliggende lag. Det vil være en fordel å plassere returbrønnen slik at den naturlige hydrauliske gradienten motvirker den kunstige som oppstår ved pumping. Plasseringen av andre nærliggende grunnvarmelanlegg vil påvirke hvor man kan plassere returbrønnen.
Videre arbeid kan inkludere å vurdere om Kozeny-Carmans formel i praksis krever måling av porøsitet, eller om det finnes bedre empiriske porøsitetsformler basert på kornfordeling. Videre kan det lages et program eller bruke eksisterende programvare som FELFLOW til vurdere varmetransport på Melhus i detalj for å kunne si noe om og eventuelt når termisk kortslutning vil kunne inntreffe. | |
