Termisk responstesting

Transkript

1 Norges teknisknaturvitenskapelige universitet NTNU Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi Institutt for geologi og bergteknikk Prosjektoppgave i studieretning for Miljø og gjenvinningsteknikk Høsten 2002

2 Norges teknisknaturvitenskapelige universitet NTNU Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi Institutt for geologi og bergteknikk FAG SIG0590 Studentens navn: Studieretning: Tittel: Faglærer: Samarbeidspartner, bedrift el.l: Utfyllende tekst for oppgaven: Miljø og gjenvinningsteknikk Bjørge Brattli Kirsti Midttømme ved NGU Oppgaven omhandler bruken av termisk responstesting ved dimensjonering av energibrønner. Teorien blir beskrevet, samt fremgangsmåter og analysemetoder for en mobil termisk responstester, TED. Rapporten beskriver også et eksempel på en termisk responstest ved NGU, Trondheim. Muntlig presentasjon: Innleveringsfrist: Faglærer

3 Forord Denne oppgaven er skrevet i forbindelse med obligatorisk prosjektarbeid i 5.årskurs ved Institutt for geologi og bergteknikk, NTNU. Prosjektet er skrevet i samarbeid med Norges Geologiske Undersøkelser, NGU. Prosjektveileder har vært Bjørge Brattli ved Institutt for geologi og bergteknikk, NTNU. Kontaktperson ved NGU har vært Kirsti Midttømme. Jeg vil rette en stor takk til Jorunn Haltbakk og Knut Reistad som tok seg tid til å lese over og komme med gode råd angående prosjektet, midt i den travle eksamenstiden. Prosjektet var tiltenkt en praktisk form der mye av oppgaven var å prøve ut TED testeren i flere borehull i Trondheimsområdet og sammenligne resultatene med andre loggdata fra de samme hullene. Problemer med selve maskinen og mangel på erfaring førte til en forsinkelse og kansellering av testingen. Prosjektoppgaven ble derfor forandret til en mer teoretisk rettet litteraturoppgave.

4 Innhold INNHOLD... 4 SYMBOLLISTE... 5 SAMMENDRAG... 6 INNLEDNING... 7 TEORI VARMEOVERFØRING Varmeoverføringer i fjell Varmeoverføringer grunnet energi- initiering i grunnen DIMENSJONERING AV TERMISKE ENERGISYSTEMER Egenskaper i grunnen Forhold ved overflaten, geotermisk gradient og T sur Grunnvannsstrøm Egenskaper i borehullet Termisk respons TED OPPBYGGING FREMGANGSMÅTE Hvordan utføre en test Måle upåvirket temperatur i grunnen, T sur DATAANALYSE HVORDAN ULIKE PARAMETERE PÅVIRKER RESPONSTESTEN Parametere i grunnen Parametere i borehullet Parametere i varmevekslingen FEILKILDER Varmelekkasjer Variasjon av elektrisk spenning Upåvirket temperatur i grunnen Variasjoner av termisk konduktivitet Grunnvannstrøm Hydraulisk likevektsforflytning Feilkilder pga operatør eller utstyr Unøyaktigheter ved analyse og beregninger TED -TESTING VED NGU, TRONDHEIM INNLEDNING DATA Logging og loggeresultater og TED resultater FREMGANGSMÅTE REFERANSER VEDLEGG VEDLEGG VEDLEGG

5 Symbolliste a Q H λ r γ R b T b q T f Tabelliste [m 2 /s] [W] [m] [W/m] [m] [dim.løs] [K/(W/m)] [år] [W/m] [K] = diffusivitet = varmeenergi = borehullsdybde = termisk konduktivitet = borehullsradius = Eulers konstant = termisk motstand = brytningstiden = varmeenergi initiert pr borehullslengde = gjennomsnittstemperaturen i kollektor slangen Tabelliste Tabell 4.1 Generelle data fra borehullet ved NGU Figurliste Figur Figur Figur Figur Figur Systemskisse av hvordan TED testeren er bygget opp. Hydraulisk likevektsforflytning Gjennomsnittsverdi av den målte Tf etter hver fjerde time. Gjennomsnittsverdi av den målte Tf etter hver time Sammenligning av teoretisk Tf med Rb=0,08 og målt Tf 5

6 Sammendrag Hensikten med oppgaven er å belyse bruken av termisk responstesting ved dimensjonering av energibrønner. TED er en svenskprodusert mobil termisk responstester som er et viktig hjelpemiddel for bedre å kunne måle de faktiske forhold i en energibrønn. Første del av rapporten beskriver den generelle teorien knyttet til varmeoverføringer i fast fjell. Her blir tre ulike mekanismer innen varmeoverføring beskrevet og hvordan de ulike mekanismene virker i en energibrønn. Ved termisk responstesting initierer man varme ned i et borehull i berggrunnen ved å la vann eller sirkulasjonsvæske bli oppvarmet og sirkulere i en kollektorslange nede i borehullet. Temperaturen på sirkulasjonsvæsken blir målt inn og ut av borehullet og varmetapet registreres. Den varme sirkulasjonsvæsken avgir varme til den omkringliggende berggrunnen, og det oppstår en termisk prosess. Det blir utledet et formelverk for å belyse hva som skjer i den termiske prosessen. Dette formelverket benyttes for å beregne tre ulike parametere i borehullet, den effektive termiske konduktiviteten, den termiske responsen og den urørte temperaturen i grunnen. Rapporten beskriver også hvordan forskjellige parametere påvirker dimensjonering av energibrønner og hvilken effekt de ulike parametere har for virkningsgraden i en energibrønn. Neste del av rapporten beskriver en TED tester. Her blir selve apparaturen beskrevet og fremgangsmåte og analysemetode beskrives også. Det blir beskrevet hvordan man skal benytte formelverket for å beregne termisk konduktivitet, termisk respons og urørt temperatur i grunnen. Ved responstesting er det nyttig å være klar over eventuelle forhold eller unøyaktigheter som kan påvirke resultatet i testen. Forskjellige parametere og forhold i grunnen beskrives derfor for å forklare hvordan disse virker inn på responstestingen, dette gjelder også mulige feilkilder som kan påvirke resultatet. Til slutt har jeg valgt å ta med et eksempel på en termisk responstest som ble foretatt ved NGU, Trondheim tidligere i oktober i år. Det foreligger mye data fra borehullet og resultatene fra responstesten stemmer godt overens med tidligere loggedata. Rapporten presenterer en rekke data fra hullet og viser fremgangsmåten for å finne den effektive termiske konduktiviteten og den termiske responsen i borehullet. 6

7 Innledning Energiknapphet og Norges forpliktelser i forbindelse med Kyotoavtalen har gitt et økende behov for alternative og fornybare energikilder i Norge. Fra offentlig hold satses det betydelig på energifleksibilitet med vannbåren varme basert på bioenergi, varmepumper og spillvarme. Dette var innledningen til en rapport som NGU skrev om grunnvarme i Siden den gang har interessen for grunnvarme økt betraktelig og stadig flere energibrønner settes i produksjon i Norge. Bruk av grunnvarme i energibrønner er en billig, god og ikke minst miljøvennlig energikilde. Tilgangen på grunnvarme er meget stor, om ikke uendelig, og potensialet for større utnyttelse i Norge er enormt. En av hovedutfordringene ved bergvarmesystemer er på en enkel måte å kunne optimalisere brønnene slik at en høyest mulig effektivitet oppnås til en minst mulig pris. Det finnes i dag en rekke databaserte simuleringsprogram til dimensjonering av bergvarmesystemer som i utgangspunktet fungerer bra. Problemet er at de ikke eksakt klarer å bestemme brønnens faktiske termiske kapasitet in situ. Dette kan gjøres med en termisk responstest, som måler de faktiske forhold i brønnen. Fordelene med termisk responstest er at egenskaper til brønninstallasjoner og lokale forhold kan tas med i en dimensjoneringsberegning. Effektiviteten til en energibrønn vil være sterkt avhengig av den termiske motstanden i borehullet. Ved varmeoverføring mellom bergrunn og varmebærer vil det være et temperaturtap på grunn av termisk motstand i borehullsinstallasjoner. Denne motstanden er bl.a. påvirket av rørmateriale, fyllingsmateriale og strømningsforhold i kollektorslangen. Det er ønskelig med så liten motstand som mulig. Med en termisk responstest er det mulig å måle denne motstanden. Man kan sammenligne flere ulike installasjoner for å få mest mulig effekt ut av brønnen. Luleå University of Technology i Sverige konstruerte en prototyp av en termisk responstester i , en såkalt TED. Denne har blitt noe videreutviklet siden den kom, men prinsippene er de samme. NGU kjøpte i år en slik TED fra Sverige. Det ble bevilget ressurser til en videre utprøving av denne termiske responstesteren og med hjelp fra NTNU ble det foreslått et studentprosjekt på området. Prosjektet var i utgangspunktet tiltenkt en praktisk form der mye av oppgaven var å utprøve TED testeren og sammenligne resultatene med andre loggedata. Problemer med selve maskinen og mangel på erfaring om termisk responstesting førte til en forsinkelse og kansellering av en rekke planlagte målinger. Prosjektoppgaven ble derfor mer teoretisk rettet litteraturoppgave. 7

8 Teori 2.1 Varmeoverføring Overføring av varme kan skje ved hjelp av tre mekanismer; Konveksjon, konduksjon og stråling. For å få til en varmeoverføring må det være en temperaturforskjell innenfor et medium (konduksjon) eller mellom medier (konveksjon og radiasjon). Konduksjon Konduksjon vil si varmeoverføringer grunnet temperaturgradienter innenfor et medium. Hvor mye varme som kan bli overført er avhengig av den termiske diffusiviteten, a, til mediet. Diffusiviteten til et medium beskriver egenskapene mediet har til å overføre varme ved hjelp av konduksjon. Diffusiviteten til en bergart er definert som den termiske konduktivitet til bergarten over varmekapasiteten til bergarten. a = λ/c [m 2 /s] Konveksjon Konveksjon er varmeoverføringer mellom to eller flere medier. I berggrunnen er det som regel varmeoverføringer mellom grunnvann og fjell, der konveksjonen skjer i sprekkesystemer. Sprekkene er ofte fylt med vann som avgir eller tar opp varme fra fjellet. Ved naturlig konveksjon vil det oppstå en bevegelse av grunnvann med en annen temperatur enn den omkringliggende berggrunnen. Dette fører til at vannet varmer opp eller kjøler ned grunnen. Konveksjonen er avhengig av både materialets varmeledningsevne og tistanden på strømningen. Stråling Varmeoverføringer grunnet stråling forekommer kun når energien blir transportert ved hjelp av elektromagnetiske bølger Varmeoverføringer i fjell I homogent, isotropt fjell er det som regel konduksjon som er den viktigste varmeoverføringsmekanismen. Dette er lett å forstå, siden homogent, isotropt fjell kun består av massivt materiale. Ofte er det slik at fjellet er verken homogent eller isotropt. Det kan inneholde store sprekker som kan være fylt med luft og/eller vann. I slike tilfeller vil både konveksjon og konduksjon kunne opptre. Hvor mye varme som overføres ved hjelp av konveksjon avhenger av størrelsen på sprekkene og egenskapene til mediet som sprekkene er fylt med. Som regel er sprekkene fylt med vann eller luft og konveksjonen blir da mellom luft/vann og berggrunnen. 8

9 2.1.2 Varmeoverføringer grunnet energi- initiering i grunnen. Ved termisk responstesting initierer man varme ned i grunnen. Den termiske prosessen som oppstår kan deles inn i tre faser: 1. En transient fase, hvor temperaturen i grunnen stiger. 2. En stasjonær fase, hvor temperaturen i grunnen ikke lenger stiger, men er konstant. Dette fordi varmen som forlater grunnen er lik den initierte 3. En overliggende puls, hvor temperaturen i grunnen ligger over den stasjonære temperaturen. Dette skyldes varians i effekten på pumpen. Den transiente fasen vil etter en tid gå over til den stasjonære fasen, der temperaturen er konstant. En videre økning av temperaturen er kun mulig med varierende varmetilførsel. Effekten på pumpa er ikke nødvendigvis konstant, og en økning i effekt fører til en økt varmetilførsel. En slik varmetilførsel vises som en overliggende puls. Den transiente fasen fører til en temperaturøkning i forhold til den urørte temperaturen i grunnen, T sur. Etter en tid vil systemet nå den stasjonære tilstanden og temperaturen man måler vil være lik den stasjonære brønntemperaturen, T r. Temperaturen forårsaket av pulsen vil ligge høyere enn den stasjonære brønntemperaturen. Transiente fasen: T r (t) = T sur + T rq (t) T r (t) - brønntemperaturen etter en tid, t. T r - stasjonære brønntemperaturen Overliggende pulsen: T r (t) = T r + T rq (t) T sur - urørte temperatur i grunnen T rq (t)- temperaturen pga energiinitieringen I termisk responstesting vil den termiske prosessen som oppstår i berggrunnen aldri rekke å nå den stasjonære fasen. Man ser derfor kun på den transiente fasen ved termisk responstesting. Tiden det tar for prosessen å gå fra den transiente fasen til den stasjonære fasen blir kalt brytningstiden, og er avhengig av borehullets lengde og termisk diffusivitet. Brytningstiden mellom transient og stasjonær prosess er gitt ved t b = H 2 / 9a Man kommer fram til likningen for brytningstiden ved å sette utrykket for den stasjonære fasen, [1], lik utrykket for den transiente fasen. Q Q a Q Q H t 4 1 ln( ) + ln γ Rb = ln Rb H H 2 4πλ 4πλ r H H r πλ STASJONÆR TRANSIENT 9

10 Dette gir et uttrykk for brytningstiden, t b. 16at = 0 t = t 2 b = H γ 2 H 9a EKSEMPEL Borehullsdybde, H = 100m Termisk diffusivitet a = 1,59E -06 t b = H 2 / 9a = /9*1,59E -06 = 22 år Verdiene i eksempelet er tilfeldige, men typiske for et borehull i fjell. Man ser fra eksempelet at brytningstiden normalt blir mye større enn den tiden det tar å gjennomføre en termisk responstest. En responstest tar 2-3 døgn, mens brytningstiden er normalt år. Dette vil med andre ord si at ved termisk responstesting ser man kun på den transiente fasen. Den generelle formelen for termisk varmeoverføring fra en punktkilde er gitt ved T q = Tq ( r, t) = 8( πλt) 3 / 2 e 2 r / 4at λ a = (likning 1) c r = ( x x ) + ( y y ) + ( z z ) 2 T q (r,t) er temperaturen i punktet (x,y,z). Punktkilden med en energi q er lokalisert i punktet (x,y,z ). Initialtemperaturen av materialet er 0 C. I termisk respons testing er det borehullet som er energikilde eller mer nøyaktig kollektorslangen nede i hullet. Energikilden kan ikke regnes som en punktkilde, men en linjekilde. Det termiske feltet som dannes rundt en lineær energikilde er integralet av likningen for punktkilden. Det termiske feltet med hensyn på tid og radius rundt borehullet blir beskrevet som en lineær funksjon med konstant initiering, [1 og 2]: T ( r, t) q q 1 2 s = e ds 4 πλ r s (likning 2) 2 at T q (r,t) = temperaturstigningen q = varmeenergien initiert pr borehullslengde λ = termisk konduktivitet a = termisk diffusivitet t = tiden etter initieringen har startet r = radiusen til borehullet Integralet ovenfor har to løsninger avhengig av hva man vil ha opplysninger om. Ved termisk responstesting vil det være nyttig å ha informasjon om hvordan temperaturen forandrer seg over tid ved en bestemt radius fra borehullet. Løsning på (likning 2) blir da: 10

11 Q 4at T q ( r, t) = ln γ forutsatt at 2 4πλH r r γ T sur 2 5rb t ( likning 3) a = borehullsradius = Euler s konstant = upåvirket temp i grunnen Denne likningen antar At temperaturen langs borehullet er konstant. I praksis er ikke dette helt riktig. Det vil være en liten aksial temperaturgradient som øker nedover i hullet, men denne gradienten er mye mindre enn den radielle og er derfor neglisjerbar. Et uendelig langt borehull. I praksis vil borehullets lengde være mye større enn radiusen og for korte perioder kan vi se bort fra ende effekten,[3]. En viktig faktor ved design av energibrønner er termisk respons eller motstand. Den termiske motstanden, R b, mellom borehullsveggene og den varmebærende væsken er den motstanden som måles ved termisk responstesting. Denne er definert som: T f Q Tb = Rb der T b = Tq ( r, t) + Tsur (likning 4) H T f = væsketemperaturen i kollektorslangen T b = temperaturen ved borehullsveggen Q = varmefluksen [W/m] H Sammenfattes likning 3 og likning 4 blir resultatet en ligning, som viser oss forholdet mellom T f, λ og R b. Q Q a Q T f t 4 = ln( ) + ln γ + Rb + T H H 2 4πλ 4πλ r H sur (likning 5) T f = middeltemperatur Q = varmeenergien initiert λ = termisk konduktivitet a = termisk diffusivitet t = tiden etter initieringen har startet r = borehullsradius γ = Eulers konstant R b = termisk motstand (væske- borehullsveggen) 11

12 2.2 Dimensjonering av termiske energisystemer Ved dimensjonering av energibrønner er det vanlig å starte med en gitt varme- injeksjonsrate, (eller som det ofte er en varme- ekstraksjonsrate) som varierer gjennom året. Det man ønsker å finne er temperaturen på sirkulasjonsvæsken ved forskjellige tider av året. For å finne temperaturen er det er rekke parametere som må være kjent: Egenskaper i grunnen λ - termisk konduktivitet [W/m,K] C- termisk kapasitet[j/m³] T sur upåvirket temperatur i grunnen[ºc] Egenskaper i borehullet H dybde[m] r radius[m] Egenskaper i varmevekslingen R b termisk resistans mellom væsken og borehullsveggen [K/(W/m)] I tillegg til de overnevnte parametrene er det en del andre parametere som er med på å bestemme temperaturen til væsken, men disse er neglisjerbare ved bruk av likning Egenskaper i grunnen Egenskapene i grunnen er av stor betydning ved dimensjonering av energibrønner. De kan ikke neglisjeres og kan være vanskelig å finne. Skal man benytte seg av energibrønner er det viktig å finne en lokalitet med gode grunnforhold. Termisk konduktivitet Konduktiviteten til en bergart er bestemt ut i fra konduktiviteten til de forskjellige mineralene i bergarten. Mineralenes termiske egenskaper er avhengig av størrelsen på krystallene og hvordan de henger sammen i et mineralgitter. Termisk konduktivitet i berggrunnen er av stor betydning i energibrønner. Ser man på likningen for termisk varmeoverføring likning 5 ser man at den termiske konduktiviteten, λ, er omvendt proporsjonal med temperaturdifferansen, T f - T sur. Dette vil si at dersom λ er stor, blir temperaturdifferansen mellom væsketemperaturen i kollektorslangen og temperaturen i grunnen liten. Dette betyr at mye varme har blitt overført fra grunnen til varmebæreren. Ofte er det slik at berggrunnen ikke er homogen, men består av lag med forskjellig termisk konduktivitet. Dette påvirker energibrønnen, men det er trygt å benytte en middelverdi for λ så lenge variansen ikke er altfor stor. Variasjonen i termisk konduktivitet mellom forskjellige bergarter regnes som liten. Dersom det ligger et tykt lag med jord over selve berggrunnen bør en aritmetisk middelverdi av konduktiviteten brukes. Den termiske konduktiviteten til jord er mye lavere enn for bergarter, og dersom jordlaget er tykkere enn 10 meter bør man ta hensyn til dette,[4]. 12

13 Eskilson foretok numeriske simuleringer av dype borehull i granitt (λ=3,5w/m, K = 2Btu/hrft-F) med et 5 m tykt topplag (λ=1,5w/m, K=0,9Btu/hr-ft-F) Han fant ut at de termiske egenskapene forandret seg mindre enn 2 % for et 100 m dypt hull. Ut i fra dette konkluderer han med at innvirkning av topplag er neglisjerbare så lenge de har en tykkelse under 10 m. Varmekapasitet Varmekapasiteten for en bergart er som for den termiske konduktiviteten avhengig av mineralsammensetningen til bergarten. Varmekapasiteten påvirker den termiske prosessen kun ved den transiente fasen og er der omvendt proporsjonal med diffusiviteten, a. Ser man på likning 5 ser man at en liten diffusivitet gir liten temperaturdifferanse T f - T sur. Det er derfor en fordel med så stor varmekapasitet i berggrunnen som mulig Forhold ved overflaten, geotermisk gradient og T sur Urørt temperatur i grunnen (T sur ) er en viktig parameter ved dimensjonering av energibrønner. Det er temperaturgradienten mellom væsketemperaturen og temperaturen i omkringliggende berggrunn som driver varmeoverføringen fra berggrunnen til væsken. En større gradient gir en større varmeoverføring. I overflaten og ned til et dyp på m vil den upåvirkete temperaturen i grunnen være avhengig av tilgang på solenergi og varmevekslingsprosesser med atmosfæren. Varmeveksling mellom jord og luft er avhengig av en rekke parametere som lufttemperatur, vind, snø og frost. Dersom brønnen er dypere enn 100 m kan effekten fra overflaten neglisjeres,[1]. Lengre nedover i dypet vil ikke solenergien lenger ha noe innvirkning på temperaturen. Her er det i hovedsak den geotermiske gradienten som bestemmer temperaturen og temperaturen vil øke med dybden. Ved dimensjonering av energibrønner er det vanlig å bruke en middelverdi for T sur og ofte ser man bort i fra den geotermiske gradienten. Dette forenkler måling av temperaturen i grunnen betraktelig og feilen blir relativt liten. Det er delte meninger om hvor vidt man kan neglisjere den geotermiske gradienten eller ikke, men en generell regel er at dersom borehullet ikke er alt for dypt vil den geotermiske gradienten være av mindre betydning. Det er også en felles oppfatning at den geotermiske gradienten har liten påvirkning på systemer med høye temperaturer. I urbane områder vil temperaturlekkasjer fra rør og bygninger ha en stor innvirkning på temperaturen i grunnen og en mer detaljert analyse av grunntemperaturen bør gjennomføres Grunnvannsstrøm Påvirkning av grunnvannsstrømmer kan normalt neglisjeres ved dimensjonering av energibrønner. I berggrunn der det kun er naturlige grunnvannsstrømmer med homogen spredning er påvirkningen fra grunnvannsstrømning tilnærmet lik null. I berggrunnen med store sprekkesystemer vil grunnvannsstrømning kunne bli ganske stor. Disse grunnvannsstrømmene vil kunne avgi eller ta opp varme i borehullet og påvirke de termiske egenskapene til hullet. Effekten av slike sprekkesystemer vil være vanskelig å kartlegge, men uansett ha en stor innvirkning på ytelsen,[1]. 13

14 2.2.4 Egenskaper i borehullet Dybde og radius Ut i fra likning 5 er det lett å se viktigheten av dybden til borehullet. Dybden H er omvendt proporsjonal med temperaturdifferansen (T f T sur ). Desto dypere borehullet er desto mindre temperaturdifferanse ved en konstant varmetilførsel. Sammenhengen mellom radiusen til borehullet og temperaturdifferansen er mer komplisert. I den transiente fasen er temperaturdifferansen (T f T sur ) proporsjonal med logaritmen til den inverse radiusen opphøyd i annen, altså (T f T sur ) α ln(1/r²). Dette betyr at dersom radiusen øker vil temperaturdifferansen minke. Det er en fordel med et dypt hull og en stor radius med hensyn på hvor mye varme som blir overført. Men her spiller økonomi også en viktig rolle. Det er en kjensgjerning at dype hull blir dyrere å lage enn grunne hull. Termisk isolasjon av borehullet De øverste delene av et borehull er ofte isolert for å unngå at varmebærervæsken avkjøles på kalde dager. Isolasjonen kan sies å ha to fordeler. For det første hindrer den et varmetap til omgivelsene og for det andre hjelper den med å holde temperaturen til varmebæreren mer konstant Termisk respons Varmevekslingen mellom den varmebærende væsken og den omkringliggende berggrunnen er avhengig av utformingen på installasjoner, egenskapene til væsken og tilstanden på strømning i kollektorslangen. Den termiske resistansen i en energibrønn er summen av tre forskjellige motstander. termisk resistans mellom væsken og veggen i kollektorslangen termisk resistans over materialet til kollektorslangen termisk resistans mellom ytre vegg i kollektorslangen og omkringliggende berggrunn For å få ut så mye energi som mulig må resistansen reduseres til er minimum. Dette gjøres ved å redusere tykkelsen på kollektorslangen og benytte et materiale med god ledningsevne. Det er også viktig å ha turbulent strøm i kollektorslangen da dette er med på å redusere den termiske motstanden. Viskositeten og strømningsraten av væsken er med på å bestemme graden av turbulent strøm. 14

15 TED 3.1 Oppbygging Basisutstyret for en TED tester er ganske enkelt; den består av en vannpumpe, et varmeelement som varmer opp sirkulasjonsvæsken, to tanker til sirkulasjonsvæsken, temperatur sensorer for å måle temperaturen inn og ut av borehullet og en datalogger for registrering og innsamling av data. For å gjøre utstyret mobilt er det montert på en bilhenger. Det eneste man da er avhengig av i tillegg er tilstrekkelig elektrisitet. Responstesteren er koblet til kollektorslangen som går ned i brønnen ved hjelp av hurtigkoblinger som lett kan koples til og fra hverandre. Kollektorslangen ligger som et U-rør nede i brønnen og danner en lukket krets når den er koblet til responstesteren. 2A 2B Borehull 7 systemgrense. Figur En systemskisse av hvordan en TED testeren er bygget opp,(gehlin, 1996). 1. Hurtigkoblinger 2. 2 plasttanker 3. Vannpumpen 4. Trykkmåler 5. Ekspansjonstank 6. Varmeelementet 7. Elektrisk enhet 8. Varmemåler 9. Temperatursensorer 15

16 Figur viser skjematisk hvordan en TED tester er bygd opp og hvordan de forskjellige komponentene er koblet sammen i et totalt lukket system sammen med kollektorslangen nede i borehullet. Sirkulasjonsvæsken blir pumpet fra tankene gjennom varmeelementet der den blir varmet opp med en konstant varmetilførsel, for så å strømme ned i kollektorslangen. Det er plassert en temperatursensor rett etter varmeelementet som måler temperaturen på væsken før den strømmer ned i hullet. Det er også plassert en temperatursensor rett etter at vannet kommer opp fra brønnen som måler temperaturen på væsken etter påvirkning fra hullet. Temperatur, dato og tidspunkt blir registrert og lagret i dataloggeren. Registreringsintervallet kan varieres, og det er vanlig å bruke et intervall på 10 minutter. Ekspansjonstanken tillater væsken å utvide seg når temperaturen stiger og opprettholder dermed konstant trykk i systemet. Trykkmåleren slår av pumpen dersom trykket ikke har nådd en minimumsverdi etter en gitt tid, og åpner trykkventilene dersom trykket når et maksimumsnivå. 16

17 3.2 Fremgangsmåte Hvordan utføre en test Man starter med å måle urørt temperatur i grunnen. Dette gjøres ved å starte sirkulasjon av væsken uten å tilføre varme. Man måler temperaturen på væsken inn og ut av borehullet og etter en viss tid vil temperaturene stabilisere seg og den upåvirkede temperaturen i grunnen avleses. Tiden systemet bruker for å stabilisere seg varierer selvfølgelig noe fra sted til sted, men som regel er en halvtime til en time tilstrekkelig tid. Etter at man har målt urørte temperaturen i grunnen kan selve testen starte. Man tilfører sirkulasjonsvæsken en bestemt varme og temperaturen ved inn - og utløp av kollektorslangen registreres. Temperaturen vil selvfølgelig øke både ved inn- og utløp, og økningen vil være sterkest i starten. Etter hvert vil temperaturøkningen stabilisere seg, og responstesten kan avsluttes. Det er ulike meninger om hvor lang tid det er nødvendig å teste, og tiden avhenger av hva slags materiale man tester i. Alt fra timer er foreslått som tilstrekkelig tid for å oppnå stasjonær tilstand,[5 og 6]. Penger er også en viktig faktor når det gjelder tidsperioden på testen. Jo lengre tid man logger desto bedre blir resultat, men testen blir også dyrere. Når temperaturøkningen har stabilisert seg skrus varmetilførselen av og testen er ferdig. Dersom man ønsker å teste i avkjølingsfasen fortsetter sirkulasjon av væsken etter at varmetilførselen er skrudd av. Temperaturene måles frem til initialverdien er oppnådd, det vil si at den målte temperaturen ut av kollektorslangen er lik den upåvirkede temperaturen i grunnen Måle upåvirket temperatur i grunnen, T sur. Temperaturen i grunnen kan være relativt stor og man må ta hensyn til denne ved beregninger i en termisk prosess. Temperaturen vil variere noe med dybden og den geotermiske gradienten fører til en økning på fra 0,5 3 K per 100m [4]. I termisk responstesting måler man en middelverdi for temperaturen i grunnen. Det er særlig to metoder som er mye brukt for å måle denne temperaturen. Man kan senke en termokuppel ned i hullet og måle temperaturen i forskjellige dybder. De målte temperaturene benyttes til å regne ut en aritmetisk middeltemperatur for borehullet. En annen, og mer brukt metode, er å benytte seg av responstesteren. Man starter sirkulasjon av væsken og måler kontinuerlig væsketemperaturen inn og ut av borehullet uten å tilføre varme fra varmeelementet. Etter en viss tid vil temperaturen på væsken inn i borehullet være tilnærmet lik temperaturen på væsken ut av borehullet, og den midlere upåvirkede temperaturen i grunnen avleses. Et problem ved bruk av denne metoden er at systemet får tilført varme fra sirkulasjonspumpa. Gehlin sammenlignet resultat fra to forskjellige metoder for estimering av temperaturen i grunnen. Borehullet var lokalisert i fjell og kollektorslanger var montert. Først ble det foretatt en manuell måling av temperaturene i borehullet. Deretter ble kollektorslangen koblet til en TED. Kollektorvæsken sirkulerte i mer enn 70 timer uten varmetilførsel og temperaturen inn og ut ble registrert hvert 10. sekund. Temperaturene fra den manuelle målingen og temperaturmålingene fra de første minuttene av sirkulasjonen ble sammenlignet og viste en forskjell mindre enn 0.1 C. Temperaturen fra den manuelle målingen ble også sammenlignet med temperaturmålingene etter henholdsvis 20, 30 og 60 minutters sirkulasjon og viste at 17

18 pumpa tilførte systemet en varme på 0.4 C allerede etter 30 minutter. Påvirkningen fra pumpa er selvfølgelig avhengig av hvilken effekt pumpa har. En pumpe med stor effekt vil ha større påvirkning sterkere enn en pumpe med liten effekt,[7]. 3.3 Dataanalyse Ideen bak termisk responstesting er å initiere en konstant varmeenergi i et borehull der man kjenner dybde og radius. I tillegg trenger man opplysninger om varmekapasitet til borehullet. Ved å måle temperaturen på den varmebærende væsken inn og ut av borehullet, finner man forskjellige termiske egenskaper i brønnen. Ut av testresultatene finner man den effektive termiske konduktiviteten, λ, den termiske responsen, R b, og den urørte temperaturen i grunnen, T sur. Den upåvirkede temperaturen i grunnen avleses fra temperaturkurvene for inn- og utløp i perioden før varmetilførselen startes. Metoden er beskrevet ovenfor. Under testen registreres temperaturen til sirkulasjonsvæsken ved inn- og utløp av kollektorslangen, altså T inn og T ut. Vi tar utgangspunkt i likning 5. Q Q a Q T f t 4 = ln( ) + ln + Rb + T H H r γ 2 4πλ 4πλ H b sur der T f T = inn + T 2 ut Denne likningen kan skrives som en lineær likning T f = k ln( t) + m Q der k = og m = 4πλH Q πλh 4 a 4 ln + r γ 2 b Q H R b + T sur De ukjente parametrene i likningen er den termiske konduktiviteten, λ, og den termiske responsen, R b. For å finne λ plotter vi den målte T f mot ln(t). Vi får en tilnærmet lineær graf hvor vi ved hjelp av en trendlinje finner stigningstallet som er gitt ved: k Q = 4πλH Ved å snu litt på uttrykket er det enkelt å regne ut den effektive termiske konduktiviteten λ = Q 4πkH (likning 6) 18

19 For å finne R b må man gjennomføre en mer omfattende prosedyre. Man tar utgangspunkt i likning 5 og setter inn forskjellige verdier for R b. Man regner så ut T f for de forskjellige R b verdiene og den effektive konduktiviteten λ. Man får en rekke ulike serier med ulike R b - verdier som man plotter i samme diagram. I det samme diagrammet plotter man også den målte T f med hensyn på tiden. Disse kurvene sammenlignes, og den serien som ligger nærmest den målte T f, er den serien med riktig termisk respons, R b. 3.4 Hvordan ulike parametere påvirker responstesten I kapittel 2.2 ble det beskrevet hvordan forskjellige parametere påvirker dimensjonering av energibrønner. I dette kapittelet går man mer inn på responstesten og beskriver hvordan resultatene fra responstesten påvirkes av forskjellige parametere Parametere i grunnen Termisk konduktivitet Et av målene med termisk responstest er som nevnt å finne den effektive termiske konduktiviteten. Den målte, effektive termiske konduktiviteten, som inkluderer virkningen fra sprekker, grunnvannsstrøm og berggrunnen er noe høyere enn den teoretiske. Varmekapasitet Ved responstesting er det nødvendig å anta en termisk varmekapasitet for berggrunnen. Det finnes tabeller hvor den termiske varmekapasiteten for forskjellige bergarter er beskrevet. Typiske verdier for varmekapasiteten for norske bergarter er 2,2-2,4 MJ/kg,K Forhold i grunnen, geotermisk gradient og upåvirket temperatur i grunnen Som tidligere beskrevet er det er mulig å finne den upåvirkede temperaturen, T sur, i grunnen ved hjelp av termisk responstesting. Denne verdien er et mål på middeltemperaturen i hullet og inkluderer effekten av geotermisk gradient og værforholdene ved overflaten. Hvor stor påvirkning været har å si på den målte T sur -verdien er avhengig av dybden på brønnen. For en dyp brønn vil ikke lufttemperaturen ha noen innvirkning på T sur. Det er kun ved grunne brønner at man bør ta hensyn til årstiden og foreta en nærmere analyse av forholdene ved overflaten. Grunnvannstrømning Effekten av grunnvannstrømning ved termisk responstesting er vanskelig å forutse. Dersom grunnvannstrømning kjøler ned brønnen vil den termiske responstestingen gi en høyere effektiv konduktivitet enn den faktiske for berggrunnen. Den vil også gi en lavere termisk respons enn forventet. Dette er ikke noe problem. Dersom brønnen skal brukes til varme injeksjon, vil den målte termiske konduktiviteten og den målte termiske responsen vise reelle verdier for forholdet i brønnen. Dersom brønnen skal brukes til varme ekstraksjon eller til en del av et varmelagringsanlegg, vil den målte termiske konduktiviteten og den målte termiske responsen gi et uttrykk for at brønnen er bedre egnet enn den faktisk er. Grunnvann kan også ha en høyere temperatur enn den omkringliggende berggrunnen og derfor gi et varmebidrag til brønnen. Da vil resultatene fra responstesten gi et for dårlig bilde av brønnen. 19

20 3.4.2 Parametere i borehullet Dybde og radius Dybden og radiusen til borehullet skal ikke kunne påvirke resultatet til den termiske responstesten dersom de er målt korrekt og brukt riktig i likningssettet. Dersom målet med den termiske responstesten er å registrere den termiske responsen for installasjoner i borehullet er det viktig å huske på at den termiske responsen er avhengig av borehullsradiusen. Termisk isolasjon av de øvere deler av borehullet Isolering av de øvrige deler i et borehull vil ikke kunne påvirke resultatene i termisk responstesting Parametere i varmevekslingen Termisk motstand, fyllingsmateriale, egenskaper i rør og varmebærer. Verdien av termisk motstand funnet ved termisk responstesting er en samlet verdi for motstanden i installasjoner, varmebærer, fyllingsmateriale og motstand pga strømningsforhold. Man kan altså ikke direkte finne motstanden for en spesifikk installasjon ved hjelp av termisk responstesting. På den annen side er det lett å se hvordan den termiske motstanden forandrer seg ved å forandre på forskjellige installasjoner i borehullet. 20