NORGES IDRETTSHØGSKOLE TERMISKE RESPONSTESTER SONDERINGSBORINGER INPUT FOR DIMENSJONERING AV GEOENERGIANLEGG FORPROSJEKT AUGUST 2015 Oppdragsgiver Moe AS Arve Bjørnli Oppdragstaker Futurum Energi AS Bjørn Gleditsch Borgnes Sted / Dato Asker, 07.08.15 Futurum Energi AS Adresse: Granbakken 4, 1386 Asker Telefon: +47 97 47 25 78 Epost: bgb@futurum-energi.no Org.nr: 993 365 211MVA Bankkonto: 1503.08.11892 www.futurum-energi.no
Sammendrag Ved Norges idrettshøgskole (NIH) i Oslo vurderes det etablering av et geoenergianlegg med varmepumper og energibrønner i fjell. Et geoenergianlegg gir høy energi- og miljøeffektivitet og gir betydelig reduserte kostnader til oppvarming og kjøling. Det er tidligere (juni 2014) utført en termisk responstest på en testbrønn i nærheten av hovedinngangen til NIH. Man har senere vurdert å flytte brønnparken til området vest for skolen. I det nye området er det boret to nye testbrønner á 250 meters dybde. På brønnene er det utført temperaturmålinger og måling av grunnvannsnivå, i tillegg til termiske responstester. Det er i tillegg utført åtte sonderingsboringer for å kartlegge dybden til fjell i aktuelt område for brønnpark. Med en termisk responstest kan fjellvolumets evne til å transportere energi måles, noe som er en av flere viktige inputparametre for å dimensjonere et større geoenergianlegg korrekt. Fast fjell ble ved de ti boringene påtruffet på mellom 3,5 og 11 meter, med et gjennomsnitt på 7,5 meter. Urørt temperatur i fjellgrunnen (gjennomsnitt i 250 meters brønn) er for de to testbrønnene målt til hhv. 8,1 og 8,3 C. Brønnene er kun effektive (aktive) i vannfylt del av brønndybden. Grunnvannsnivået er før termiske responstester målt til hhv. 4,8 og 7,8 meter under brønntopp for testbrønn 1 og testbrønn 2. For testbrønn 2 ble grunnvannsnivået også målt etter den termiske responstesten. Grunnvannsnivået hadde da steget til 6,7 meter under brønntopp. Økningen i grunnvannsnivået gjennom testperioden skyldes sannsynligvis at grunnvannet for denne brønnen ennå ikke hadde stabilisert seg på normalt nivå etter boringen. Testen ble igangsatt fem dager etter at brønnen var ferdig boret. Resultater fra de termiske responstestene gir termisk varmeledningsevne i fjellvolumet på 2,86 W/m,K (testbrønn 1) og 2,80 W/m,K (testbrønn 2). Dette er middels gode verdier sammenlignet med andre tester utført i Sør-Norge. Termisk borehullsmotstand er for begge testbrønnene målt/beregnet til ca. 0,1 K/(W/m) ved varmeopptak. Dette er en normal verdi for benyttet borehullsinstallasjon. Resultater fra boring av testbrønner, sonderingsboringer, temperaturmålinger, grunnvannsnivåmålinger og termiske responstester viser at området vest for idrettshøgskolen er rimelig godt egnet for etablering av et geoenergianlegg. I det videre arbeidet med prosjektet anbefales følgende: Spesifisere totalt tilgjengelige areal for boring av brønner Beregne effektbelastning mot brønnpark ved dimensjonerende varmepumpedrift (vinter) Beregne effektbelastning mot brønnpark ved dimensjonerende dumping av ladeenergi (sommer) Beregne månedlig energibudsjett for opptak fra brønnpark som følge av varmepumpedriften Beregne månedlig energibudsjett for tilbakelading/avlastning av brønnpark Sammen med resultatene fra temperatur-/grunnvannsnivåmålingene og de termiske responstestene vil dette gi nødvendig underlag for simuleringer og en endelig dimensjonering av energibrønnparken. NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 2 av 13
Innholdsfortegnelse Sammendrag... 2 1 Bakgrunn... 4 1.1 Om prosjektet... 4 1.2 Grunnen som energikilde... 4 2 Lokale forutsetninger... 5 2.1 Løsmassemektighet... 5 2.2 Testbrønner... 6 2.3 Bergart... 6 2.4 Grunnvannsnivå... 6 2.5 Temperaturgradient og gjennomsnittlig temperatur i brønner... 7 3 Termiske responstester... 8 3.1 Testbrønn 1 (TB1)... 8 3.1.1 Loggede data... 8 3.1.2 Analyse av måledata... 9 3.2 Testbrønn 2 (TB2)... 10 3.2.1 Loggede data... 10 3.2.2 Analyse av måledata... 11 3.3 Oppsummering, termiske responstester... 11 4 Resultater sett i sammenheng... 12 5 Videre arbeider - dimensjonering av brønnparken... 13 5.1 Generelt... 13 5.2 Inputdata for dimensjonering av brønnpark... 13 Vedlegg A: Brønnrapporter, testbrønn 1 og 2 NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 3 av 13
1 Bakgrunn 1.1 Om prosjektet Ved Norges idrettshøgskole i Oslo vurderes det å etablere et geoenergianlegg med varmepumpe og energibrønner. Futurum Energi AS er av Moe AS engasjert for å gjennomføre boring av to testbrønner i aktuelt område for brønnpark, samt utføre målinger inkl. termiske responstester på de to testbrønnene. Det er i tillegg utført åtte sonderingsboringer for å kartlegge dybden til fjell i området. Resultatene skal sammen med data for energi- og effektopptak fra brønnpark og tilbakelading av energi danne grunnlaget for simuleringer og dimensjonering av brønnpark. Praktisk gjennomføring av responstestene (opp-/nedrigging) og innledende målinger på testbrønnene er utført av Båsum Boring AS, som også utførte borearbeidene. 1.2 Grunnen som energikilde Grunnen som energikilde (geoenergi) kan i prinsippet utnyttes på følgende to måter: 1) Lukket system (kollektorer). Boring av x antall energibrønner, hvor det monteres plastkollektorer med sirkulerende vann-/etanol blanding. Kollektorene fungerer som varmevekslere mot omkringliggende fjellvolum. Energien som trekkes ut av fjellvolumet på et lavtemperaturnivå løftes vha. en varmepumpe opp til et tilstrekkelig temperaturnivå for bruk i et vannbårent varmesystem. 2) Åpent system (oppumpet grunnvann). Boring av x antall energibrønner (langt færre enn for et lukket system), hvor det monteres pumper for oppumping av grunnvann. Grunnvannet infiltreres normalt tilbake mot grunnen, etter utveksling av energi mot varmepumpen. Valg av system For både lukkede og åpne systemer kan et geoenergianlegg i tillegg til varme, også produsere kjøling. Når temperaturen i energibrønnene er tilstrekkelig lav kan bygget forsynes med frikjøling, ved direkte veksling mot brønnene. Når frikjøling ikke er tilstrekkelig kan varmepumpen kjøres som kjølemaskin, og overskuddsvarme kan dumpes mot energibrønnene. Dette gjør at man i mange tilfeller kan oppnå effektiv sesonglagring av energi. Et lukket system er det mest vanlige i Norge. Enkelte steder kan man imidlertid treffe på betydelige vannmengder i grunnen, som gjør at et åpent system er mer aktuelt. Kvaliteten på grunnvannet er også av betydning for hvordan et åpent system bygges. For dette prosjektet er det et lukket system med energibrønner og kollektorer som er aktuelt. NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 4 av 13
2 Lokale forutsetninger 2.1 Løsmassemektighet Dybde til fast fjell påvirker investeringskostnadene, da meterprisen for boring gjennom løsmasser er 3-4 ganger så høy som for fjellboring. I tillegg har løsmasser normalt dårligere varmeledningsevne enn fjell. Det ideelle for etablering av et geoenergianlegg er 1-2 meter overdekning, mao. tilstrekkelig løsmasser for graving av grøfter til rørføring mellom brønntopper og samlekum/energisentral. Ifm. boring av testbrønnene og de åtte sonderingsboringene er det avdekket dybde til fjell som vist i tabellen under. Det er også vist antall meter foringsrør som er benyttet. For Sond 5 ble det ikke satt foringsrør, da dette punktet kom i konflikt med planlagt brakkerigg. SOND 1 SOND 2 SOND 7 Tabell 1 SOND 3 SOND 6 SOND 8 TB 1 SOND 4 SOND 5 TB 2 Figur 1 Plassering av testbrønner og sonderboringer For sonderingsboringene (bortsett fra Sond 5) er det satt foringsrør som er boret minimum 1 meter inn i fast fjell. NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 5 av 13
2.2 Testbrønner Testbrønnene ble boret i perioden 13. 15. juli 2015 og har følgende karakteristika: Testbrønn 1 (TB1) Testbrønn 2 (TB2) Total dybde: 250 meter 250 meter Dybde til fjell: 7 meter 10 meter Foringsrør, L/D: 9 meter / 139 mm 12 meter / 139 mm Diameter, borehull: 115 mm 115 mm Kollektor: Enkel U, PEM 40mm. Glatt kollektor Enkel U, PEM 40mm. Glatt kollektor Kollektorvæske: HX35 HX35 Tabell 2 Se vedlegg A for ytterligere detaljer. 2.3 Bergart Fjellgrunnens evne til å transportere energi varierer fra bergart til bergart, og også innenfor èn og samme bergart. Jo høyere varmeledningsevne, dess bedre egnet er fjellgrunnen for etablering av et geoenergianlegg. Bergartene i området er iht. NGUs kartdatabase (se fig. 2); A. Monzodioritt (kjelsåsitt), lys, grovkornet. B. Skifer og kalkstein i veksling, knollekalk og skifer C. Skifer, siltig til sandig, med lag av kalkstein og sandstein. Kalkstein og knollekalk i toppen og bunnen, skifer i midten av formasjonen. D. Kalkrik sandstein, skifer og tynne kalksteinslag, stedvis kalksteinskonglomerat Figur 2 A B C D 2.4 Grunnvannsnivå Grunnvannsnivået er en viktig faktor ifm dimensjonering av et lukket geoenergianlegg, da varmeoverføringen mellom kollektoren og berget kun skjer i den vannfylte delen av energibrønnen. Over grunnvannsstanden er det luft som har stor termisk motstand, slik at varmeoverføringen her er ubetydelig. Ved lavt grunnvannsnivå kan det være aktuelt å injisere en termisk masse i den tørre delen av brønnen, slik at hele kollektoren får god termisk kontakt med fjellvolumet rundt brønnen. Dette er ofte et rimeligere tiltak enn å kompensere med flere borede brønnmeter. Grunnvannsnivået i testbrønnene er målt ifm de termiske responstestene, med følgende resultater: Testbrønn 1 (TB1) Testbrønn 2 (TB2) Før termisk responstest 4,8 meter 7,8 meter Etter termisk responstest Ikke målt 6,7 meter Tabell 3 Årsaken til det lavere grunnvannsnivået målt etter termisk responstest (TB2) kan være at grunnvannet ennå ikke hadde normalisert seg etter boringen. Med tette fjellformasjoner kan det ofte ta flere dager fra avsluttet boring til grunnvannsnivået er tilbake til normalnivå. Grunnvannsnivåmålinger ble utført hhv. 5 og 8 dager etter avsluttet boring. NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 6 av 13
2.5 Temperaturgradient og gjennomsnittlig temperatur i brønner Temperaturen i fjellvolumet og grunnvannet som omslutter energibrønnene varierer noe fra sted til sted, og er ofte direkte koblet mot stedets uteluft årsmiddeltemperatur. I østlandsområdet er gjennomsnittlig temperatur i de øvre 2-300 meter som regel mellom 7 og 10 C, mens i kaldere klima kan utgangstemperaturen ligge helt ned mot 3-5 C. For et geoenergianlegg som primært skal benyttes til oppvarming (lite eller ingen kjøling), er det bedre jo høyere temperaturen i utgangspunktet er. Figur 3 Måling av temperaturgradient For dimensjonering av en brønnpark er det nødvendig å vite hvilken urørt temperatur man har i fjellvolumet. Det er derfor foretatt målinger i testbrønnenes profil, både før (turkis/blå) og etter (oransje/rød) utførte termiske responstester (se figur 4). Målinger umiddelbart etter responstest blir gjort for å avdekke evt. betydelige grunnvannsbevegelser i og inn mot brønnen. Figur 4 Temperaturgradienter målt før og etter utførte termiske responstester Testbrønn 1 Gradienten målt før TRT viser et ganske normalt forløp, med jevnt stigende temperatur mot dypet. Gjennomsnittlig brønntemperatur er målt til ca. 8,1 C. Gradienten målt etter TRT er også relativt stabil, men med indikasjoner på innstrømning av grunnvann. Spesielt ses dette ved ca. 60 meters dyp, der den oppvarmede kollektoren tydelig blir avkjølt av kaldt grunnvann. Imidlertid ser det ut til at dette er relativt lokalt, noe som også underbygges av gradientmålingen før TRT. Det kan også se ut til at det er en mindre vannførende sprekk ved ca. 120 meters dyp. For øvrig tyder gradientene på ubetydelig påvirkning fra grunnvannsbevegelse i og rundt brønnen. Testbrønn 2 Gradientene både før og spesielt etter TRT viser spesielle forløp. Mye tyder på at denne brønnen har brukt lenger tid på å normalisere seg etter avsluttet boring, og at målingene er påvirket av dette. Dette underbygges også av at grunnvannsnivået i denne brønnen har steget med 1,1 meter ila testperioden. Temperaturmålinger gjort umiddelbart etter avsluttet TRT viser stigende temperatur mot toppen av brønnen. Denne målingen er åpenbart gjort i turledningen (fra TRT-rigg til brønn), noe som kan gi slike utslag. Mindre innslag av grunnvann kan registreres ved ca. 20, 90 og ved ca. 150 meters dyp. Gjennomsnittlig temperatur i denne brønnen ble før TRT målt til ca. 8,3 C. NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 7 av 13
3 Termiske responstester En termisk responstest utføres ved at man kobler en testrigg mot kollektorene i en ferdig boret energibrønn. Kollektorvæsken sirkuleres vha en pumpe i testriggen, typisk 0,4 1,0 l/s. Etter en periode med kun sirkulasjon slås elektriske varmeelementer på, og oppvarmet væske sirkulerer i kollektoren. Temperaturstigningen i kollektorvæsken, sammen med andre parametre, logges gjennom hele testperioden, som typisk varer i 60-70 timer. Jo flatere temperaturkurve, dess bedre evne har brønnen og omliggende fjell/grunnvann til å svelge tilført energi. 3.1 Testbrønn 1 (TB1) 3.1.1 Loggede data Termisk responstest ble gjennomført i perioden 17. 20. juli. Etter innledende sirkulasjon ble det satt på 6 kw (påstemplet) varmeelementer. Loggede parametre er vist i figurene under. Figur 5 Loggede temperaturer i kollektorvæske og uteluft, TB1 Figuren under viser tilført effekt til varmeelementene (+pumpe) og sirkulert mengde gjennom testperioden. Figur 6 Tilført effekt og sirkulasjon i testperiode, TB1 NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 8 av 13
3.1.2 Analyse av måledata Temperaturutviklingen i kollektorvæsken er lagt inn i et simuleringsprogram, og følgende representative verdier er beregnet: Fjellgrunnens effektive varmeledningsevne: Borehullets termiske motstand, varmeuttak: Borehullets termiske motstand, kjølemodus: Tabell 4 Testbrønn 2,86 W/m,K 0,10 K/(W/m) 0,08 K/(W/m) I figuren under er vist målt gjennomsnittlig temperaturutvikling (T/R) i kollektorvæsken (rød) gjennom testene, samt teoretisk beregnet kurve (blå) basert på verdiene over. Tilpasningene er meget tilfredsstillende. Figur 7 Tilpasningskurve, TB1 NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 9 av 13
3.2 Testbrønn 2 (TB2) 3.2.1 Loggede data Termisk responstest ble gjennomført i perioden 20. 23. juli. Etter innledende sirkulasjon ble det satt på 6 kw (påstemplet) varmeelementer. Loggede parametre er vist i figurene under. Figur 8 Loggede temperaturer i kollektorvæske og uteluft, TB2 Figuren under viser tilført effekt til varmeelementene (+pumpe) og sirkulert mengde gjennom testperioden. Figur 9 Tilført effekt og sirkulasjon i testperiode, TB2 NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 10 av 13
3.2.2 Analyse av måledata Temperaturutviklingen i kollektorvæsken er lagt inn i et simuleringsprogram, og følgende representative verdier er beregnet: Fjellgrunnens effektive varmeledningsevne: Borehullets termiske motstand, varmeuttak: Borehullets termiske motstand, kjølemodus: Tabell 5 Testbrønn 2,80 W/m,K 0,10 K/(W/m) 0,08 K/(W/m) I figuren under er vist målt gjennomsnittlig temperaturutvikling (T/R) i kollektorvæsken (rød) gjennom testene, samt teoretisk beregnet kurve (blå) basert på verdiene over. Med unntak av tidsintervallet mellom ca. 35 og 45 timer er tilpasningene tilfredsstillende. Det er ikke funnet noen god forkaring på hvorfor brønnen i denne perioden av testen tilsynelatende ikke klarte å ta unna like mye av den tilførte energien som i testperioden for øvrig. Temperaturøkningen i kollektorvæsken er ikke sammenfallende med økning av utetemperatur, noe som eliminerer en slik påvirkning. Figur 10 Tilpasningskurve, TB2 3.3 Oppsummering, termiske responstester Resultatene fra de to termiske responstestene kan oppsummeres som vist i tabellen under. Her er også, for sammenligningens skyld, resultater fra responstesten ved inngangspartiet (høst 2014) vist. Testbrønn 1 Testbrønn 2 Anbefalte repres. verdier Responstest utført høst 2014 Starttemperatur 8,1 C 8,3 C 8,1 C 8,7 C Fjellgrunnens effektive varmeledningsevne: 2,86 W/m,K 2,80 W/m,K 2,83 W/m,K 2,80 W/m,K Borehullets termiske motstand, varmeuttak: 0,10 K/(W/m) 0,10 K/(W/m) 0,10 K/(W/m) 0,10 K/(W/m) Borehullets termiske motstand, kjølemodus: 0,08 K/(W/m) 0,08 K/(W/m) 0,08 K/(W/m) 0,08 K/(W/m) Grunnvannsnivå 4,8 m 6,7 7,8 m 6 m 7 m Tabell 6 NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 11 av 13
4 Resultater sett i sammenheng I figurene under vises resultatene for testbrønn 1 (merket rødt) og testbrønn 2 (merket grønt) sammenlignet med øvrige termiske responstester (ca. 100) utført av Futurum Energi AS i perioden 2009 2015. Figur 11 Dybde til fjell Figur 12 Grunnvannsnivå Figur 13 Termisk varmeledning* Figur 14 Borehullsmotstand (varmeopptak) Figur 15 Starttemperatur i fjellgrunnen * For de fleste testene som har gitt svært høye varmeledningstall (over 5 W/m,K) har det vært helt spesielle forhold med betydelig påvirkning av grunnvannsbevegelse i og rundt testbrønnen. NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 12 av 13
5 Videre arbeider - dimensjonering av brønnparken 5.1 Generelt Energibrønnparken må dimensjoneres både for maksimal effektbelastning og for årlig energibelastning. Effektbelastningen er hva brønnene utsettes for ved dimensjonerende vinterforhold, dvs. når varmepumpen går for fullt 24 timer/døgn, eller evt. ved dimensjonerende sommerforhold, når det skal dumpes overskuddsenergi fra kjølemaskiner eller andre ladekilder. Effektbelastningen er normalt relativt kortvarig, og påvirker derfor primært hvor mange brønnmeter som må bores. Energibelastningen er summen av årlig energiuttak og evt. aktiv tilbakeføring av energi (lading). Energibelastningen påvirker normalt hvor stort volum brønnparken skal favne om, dvs. antall/dybde, innbyrdes avstand mellom brønner og brønnparkens formasjon. Volumet må være tilstrekkelig stort til at temperaturen i fjellet holder seg tilstrekkelig høy for god varmepumpedrift om vinteren, og evt. at temperaturen ikke blir for høy om sommeren i hele anleggets levetid. Først når ovennevnte er beregnet og simulert sammen med resultater fra de termiske responstestene, kan den endelige brønnparken dimensjoneres. 5.2 Inputdata for dimensjonering av brønnpark Under er oppsummert hvilke inputdata som må benyttes/innhentes for endelig dimensjonering av brønnparken. Simuleringer kan for eksempel utføres i programmet Earth Energy Designer (EED). Totalt tilgjengelig areal for boring av brønner Resultater fra temperaturmålinger, grunnvannsnivåmålinger og termiske responstester Effektbelastning mot brønnpark ved dimensjonerende varmepumpedrift (vinter) Effektbelastning mot brønnpark ved dimensjonerende dumping av ladeenergi (sommer) Månedlig energibudsjett for opptak fra brønnpark som følge av varmepumpedriften Månedlig energibudsjett for tilbakelading/avlastning av brønnpark NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termiske responstester, sonderingsboringer Side 13 av 13
NORGES IDRETTSHØGSKOLE Brønnrapporter, testbrønner VEDLEGG A Brønnrapporter
NORGES IDRETTSHØGSKOLE Brønnrapporter, testbrønner VEDLEGG A Brønnrapporter