Ekskursjon til Melhus sentrum Grunnvann til oppvarming 11. mars 2014

Transkript

1 Ekskursjon til Melhus sentrum Grunnvann til oppvarming 11. mars 2014 Utarbeidet av Randi Kalskin Ramstad, Bernt Olav Hilmo, Gaute Storrø og Bjørn Frengstad. Innhold Generelt om bruk av grunnvann til oppvarming og kjøling... 1 Skjematisk dannelse av randås begravd i leire... 3 Grunnvarmeanlegg basert på oppumpet grunnvann i Melhus sentrum... 4 Lena terrasse... 4 Produksjonsbrønnen... 4 Forslag til tiltak... 5 Grunnvannsnivå ved Melhuset og vannføring i Gaula... 6 Grunnvannets temperatur Idégården og Thoragården... 8 Generelt om bruk av grunnvann til oppvarming og kjøling Der de geologiske forholdene ligger til rette for det, er bruk av grunnvann til oppvarming og kjøling en effektiv og god løsning (figur 1). Store energimengder tas direkte ut fra grunnvannet, og energipotensialet er bestemt av mengde vann som kan pumpes opp og temperaturen på vannet. Et vannuttak på 10 m 3 /time tilsvarer 11,6 kw for hver grad C temperaturen endres (figur 2). Vannkvaliteten har også betydning for drift av anlegget og må undersøkes. Grunnvannsbrønner med høy kapasitet finnes først og fremst i områder med sand- og grusavsetninger. Før etablering av grunnvarmeanlegg, må det gjøres hydrogeologiske forundersøkelser for å vurdere områdets egnethet for uttak av grunnvann, uttaksmengder, grunnvannskvalitet og grunnvannstemperatur (figur 3). Hydrogeologiske forundersøkelser, og eventuell prøvepumpingsperiode før endelig prosjektering av grunnvarmeanlegg tar minimum 0,5-1 år. 1

2 Figur 1 Eksempel på åpen løsning der oppumpet grunnvann nyttiggjøres direkte. Grunnvann pumpes opp (a) til varmepumpen som overfører energi fra vannet. Returvannet infiltreres i egen brønn (b), sendes i avløp (c) eller ut i åpent vassdrag (d) (Kilde: NGU). Generelt: Fordeler: Ulemper: Brønndybde meter Brønndiameter cm Vannkapasitet liter/sekund Middels store anlegg Effektivt energiuttak, 11,6 kw per C temperaturen endres. God lønnsomhet Avhengig av geologi Krever god vannkvalitet (lavt innhold av jern, mangan, kalsium) Krever grunnvannstemperatur høyere enn 3-4 C. Krever detaljerte forundersøkelser. Figur 2. Effekt i kilowatt (kw) fra oppumpet grunnvann beregnes fra den lineære sammenhengen mellom uttaksmengden av grunnvann, temperaturuttaket DT og vannets spesifikke varmekapasitet. Levert varmeeffekt fra varmepumpen vil være effekten fra grunnvannet pluss den elektriske effekten som trengs for å drive varmepumpens kompressor. Vanligvis er forholdet mellom levert varmeeffekt og tilført elektrisitet til varmepumpeanlegget basert på oppumpet grunnvann mellom 3,5:1 og 4:1. Det vil si at mellom henholdsvis 71 til 75 % av varmeeffekten som leveres er fra grunnvannet. 2

3 Figur 3. Sammenligning av lufttemperaturen, elvetemperaturen (Glomma) og grunnvannets temperatur ved Elverum vannverk i Grunnvannets temperatur holder seg noenlunde stabil rundt ca. 5 C, men det sees antydning til en svak og forsinket årstidsvariasjon med lavere temperatur om våren og forsommeren og høyere temperatur om høsten. Den stabile temperaturen gjennom vinteren gjør at grunnvann er godt egnet som varmekilde for varmepumper. Skjematisk dannelse av randås begravd i leire Figur 4. Melhusryggen eller Meeggen nord for Melhus sentrum består av sorterte sand- og grusavsetninger som er begravd i leire. Dette er en randås, dvs en breelvsavsetning dannet på fjordbunnen foran en smeltende isbre. Det finnes også lag eller kanaler av grus begravd i dypet under Melhus sentrum. Hvordan disse er dannet og hvordan de kommuniserer med hverandre er ennå ikke helt klarlagt. Figuren viser en standard dannelse av en randås, men mangler en videre utbredelse av sand og grus på innsiden av ryggen slik vi finner ved Melhus. 3

4 Grunnvarmeanlegg basert på oppumpet grunnvann i Melhus sentrum Figur 5 Oversiktskart over Melhus sentrum der 7 kjente grunnvarmeanlegg er avmerket med navn og ca. etableringsår. 4 av anleggene har produksjons- og infiltrasjonsbrønn, mens 3 av anleggene kun har produksjonsbrønn. For disse anleggene føres returvannet til overvannsnettet og ut i Gaula. Lena terrasse Grunnvarmeanlegget ved Lena terrasse er basert på oppumpet grunnvann og består i dag av en uttaksbrønn og en infiltrasjonsbrønn. Anlegget ble etablert på starten av 2000-tallet, men på grunn av problemer med utfelling av jern og mangan i pumper, varmevekslere og i infiltrasjonsbrønnen har anlegget stått de siste åra. Det pågår nå en rehabilitering av hele varmeanlegget, grunnvannsbrønnene inkludert. Produksjonsbrønnen Produksjonsbrønnen ved Lena terrasse er avmerket med rødt på kartet i figur 4. Brønntoppen er plassert i en ca. 2,5 m dyp brønnkum. Brønnen har følgende dimensjoner (tabell 1). Tabell 1. Dimensjoner for produksjonsbrønnen. Alle mål er fra brønntopp, det vil si 2,5 m under terrengoverflaten. Totalt brønndyp Brønndimensjon Grunnvannsnivå Filterplassering Sumprør 36,91 m 168 mm 18,08 m 23,94-33,93 m (10 m filter) 33,93-36,91 m (3 m sumprør) 4

5 Videoinspeksjon av produksjonsbrønnen viste betydelig rustutfelling i nivå 22,26-24,61 m, det vil si i nedre deler av brønnrøret og i øvre deler av brønnfilteret. Brønnfilteret er her nesten helt tett. Dette skyldes sannsynligvis at grunnvannsnivået tidvis er senket ned i filteret og at det dermed har blitt tilgang på oksygen som igjen gir utfelling av jernhydroksid (rust). En slik senkning av grunnvannet kan ha skjedd fordi brønnpumpa har vært plassert nede i filteret. Under 24,6 m var det ingen tegn til gjentetting av brønnfilteret, og det ses heller ikke rustbelegg på grusmassene utenom filteret. Figur 5 viser bilder fra videoinspeksjonen ved henholdsvis 24,55 m og 24,65 m. Figur 64. Bilde av brønnfilter fra henholdsvis 24,55 m og 24,65 m. Det ble observert et markert skille i utfelt jern på 24,6 meters dyp. Forslag til tiltak Etablering av ny brønn For å opprettholde grunnvannsnivået i området må varmevekslet grunnvann fortsatt reinfiltreres. I og med at eksisterende infiltrasjonsbrønn neppe kan benyttes må det etableres en ny brønn. Det foreslås derfor å bore en ny brønn ca. 10 m fra gammel infiltrasjonsbrønn. Eksakt plassering bestemmes i samråd med oppdragsgiver. Brønnen bores som en vanlig Ø219 mm rørbrønn med 6 m langt filter med 1,5 mm lysåpning. Nøyaktig filterdyp bestemmes på grunnlag av nedboring av fôringsrøret, men det vil være en fordel å få filteret så dypt som mulig, og helst under 30 meters dyp. Grunnvannsnivået vil være m under terrengoverflaten. Denne brønnen kan dermed enten benyttes som uttaksbrønn eller som infiltrasjonsbrønn. Rehabilitering av eksisterende brønn Rehabilitering av eksisterende brønn kan gjøres samtidig som filtertiltrekking av ny brønn i og med at det kreves mye av det samme utstyret. Hensikten med rehabiliteringen er å fjerne utfellinger av jernhydroksid (rust) i øvre deler av brønnfilteret. Dette kan gjøres med seksjonsvis filtertiltrekking i kombinasjon med spyling med varmt vann (steaming). Etter brønnrehabiliteringen bør brønnfilteret inspiseres med videokamera for å dokumentere effekten. 5

6 Testpumping av ny brønn og eksisterende brønn Det bør monteres en dykkpumpe med kapasitet over dimensjonerende vannforbruk, men helst lavere enn brønnens maksimale kapasitet i en av brønnene (15-20 l/s). Brønnens kapasitet og vannkvalitet testes i en korttids pumpetest hvor vannstanden i brønnen måles mot uttaksmengden, samt at det etter en tids pumping (ca. ett døgn) tas en vannprøve for fysiskkjemiske analyser. Oppumpet vann infiltreres i den andre brønnen. Det er også viktig å måle grunnvannsnivået i denne brønnen både før og under testpumpingen. Etter ca. ett døgns pumping flyttes brønnpumpa over i den andre brønnen og hele prosessen gjentas. Resultatene av disse pumpetestene vil benyttes til å avgjøre hvilken brønn som skal være produksjonsbrønn og hvilken som skal være infiltrasjonsbrønn. Etter at dette er bestemt bør anlegget testkjøres en periode for å bestemme uttaksmengden under permanent drift på bakgrunn av grunnvannstemperatur og effektbehovet. Grunnvannsnivå ved Melhuset og vannføring i Gaula Figur 7. Historiske vannføringsdata er hentet fra NVE sin målestasjon ved Gaulfoss ca. 23 km oppstrøms Melhus sentrum. 6

7 Figur 8. Grunnvannsnivået i pumpebrønnen ved Melhuset plottet mot vannføringsdata hentet fra NVEs målestasjon ved Gaulfoss ca. 23 kilometer oppstrøms i Gaula. De to kurvene følger hverandre og viser at vannstanden og vannføringen i Gaula styrer grunnvannsnivået i pumpebrønnen ved Melhuset i Melhus sentrum. Dataene er fra Figur 9. Tilsvarende figur som ovenfor, men med data for Flommen 16. august hvor blant annet deler av Ålen sentrum ble ødelagt av Gaula, vises tydelig og sammenfaller med vannivået i pumpebrønnen ved Melhuset. Det er gjort kontinuerlige målinger av grunnvannsnivået i pumpebrønnen ved Melhuset siden 2003 og frem til i dag. 7

8 Grunnvannets temperatur Idégården og Thoragården Figur 10. Temperaturen på vannet fra produksjonsbrønnen («Temp. opp» - rød kurve) og på vannet som returneres i infiltrasjonsbrønnen («Temp. ned» - blå kurve) ved Idégården. I fyringssesongen om vinteren varierer «Temp. opp» mindre, men følger samme mønster som «Temp. ned». Det vil si at noe av det kaldere vannet som returneres i infiltrasjonsbrønnen, pumpes opp igjen i produksjonsbrønnen. Infiltrasjonsbrønnen er ca. 70 meter sørvest for produksjonsbrønnen (se figur 4). Figur 11. Temperaturen på vannet fra produksjonsbrønnen («Brønn_inn» - rød kurve) og på vannet som returneres i infiltrasjonsbrønnen («Brønn_ut» - blå kurve) ved Thoragården. På samme måte som for Idégården, men enda tydeligere, følger temperaturen på grunnvannet fra produksjonsbrønnen temperaturen på det kalde vannet som returneres i infiltrasjonsbrønnen ca. 40 meter sørvest for produksjonsbrønnen (se figur 4). 8