Artiklar

Termisk Responstest -att ta reda på energibrunnens effektivitet

2002-08-25

Hur många meter borrhål krävs för att klara ett visst energibehov med en viss effektvariation för att klara rimliga driftsvillkor (teknisk funktion och ekonomi)? Vilka mått finns på en energibrunns effektivitet? Som diskuterats i tidigare artiklar (E&M 1/2000, 2/2000) beror effektiviteten hos energibrunnen på ett flertal faktorer, dels hos själva marken och dels hos energibrunnens konstruktion och driftsförhållanden. Emellertid är de förhållanden som bestäms av projektören enkla att ta reda på (t ex temperaturnivåer, driftsförhållanden, kollektortyp m m) medan t ex markens egenskaper utmed hela borrhålsdjupet är betydligt svårare att bestämma. Bestämning av markens termiska egenskaper Markens förmåga att transportera värme är mycket betydelsefull för energibrunnars effektivitet. Värmetransporten i berggrunden är i huvudsak beroende av bergartstypens mineralsammansättning och struktur, men även av förekomsten av sprickor och spricksystem, grundvatten och grundvattensrörelse. Vilken bergart eller jordart som förekommer inom ett visst område kan man ta reda på genom att studera geologiska kartor eller besöka platsen. När bergarten är bestämd finns tabeller att tillgå för statistiska uppgifter om de olika bergarternas termiska egenskaper. Värmeledningsförmågan för en viss bergartstyp varierar inom ett visst intervall. I Sverige är de vanligaste bergarterna graniter och gnejser, och för dessa bergarter är värmeledningsförmågan angivet i ett intervall som varierar med ca 30% kring medelvärdet, till största delen beroende av kvartsinnehåll. Berggrundens värmetransporterande förmåga (effektiva värmeledning) påverkas även av grundvattenrörelser och vattenmättnad. I dimensioneringssammanhang används vanligtvis medelvärdet för värmeledningsförmågan hos den aktuella bergarten. För små bergvärmeanläggningar är det i de flesta fall tillräckligt noggrant att använda de tabellerade värdena för den aktuella bergarten i området, men för större anläggningar är det viktigare med en exaktare bestämning av de lokala termiska egenskaperna i berggrunden. In-situ mätningar = Termisk Responstest Med en termisk responstest kan man med hjälp av ett testborrhål försett med aktuell kollektortyp, bestämma markens och energibrunnens effektivitet på den aktuella platsen för energibrunnsanläggningen. Testborrhålet får sedan ingå i den färdiga anläggningen. Mätningen går principiellt till så att man kopplar samman energibrunnens kollektorslangar med en slinga bestående av en cirkulationspump, en elektrisk värmare och temperaturgivare för ingående och utgående temperatur till borrhålet. Värmebäraren i slangarna får cirkulera i minst 50 timmar medan en datalogger registrerar temperaturförändringen hos värmebäraren, samt den tillförda värmeeffekten. Utifrån dessa data - den termiska responsen - kan man med hjälp av simuleringsmodeller bestämma berggrundens effektiva värmeledning, samt temperaturförlusterna i borrhålet. Den effektiva värmeledningen i berggrunden är kan uppskattas från hur temperaturen i borrhålet ökar med tiden för en konstant tillförd värmeeffekt. Ju brantare temperaturökning, desto sämre värmeledning. Temperaturförlusterna mellan värmebärare och borrhålsvägg kan bestämmas utifrån temperaturnivån i borrhålet. Termisk responstest för energibrunnar är en relativt ny teknik. Den föreslogs för första gången vid en energikonferens i Stockholm 1983 av forskaren Palne Mogensen och användes vid några tillfällen på färdigkonstruerade flerbrunnssystem för att bekräfta simuleringsteorier. Men tekniken tog ordentlig fart först 1995-96 då de första mobila apparaterna för termisk responstest konstruerades i vid Luleå tekniska universitet i Sverige och vid Oklahoma State University i USA. Sedan dess har tekniken spritt sig till de flesta länder som nyttjar bergborrade borrhålssystem för uttag och lagring av värme och kyla. Svensktillverkade responstestapparater finns i Sverige, Norge och Turkiet. I Tyskland, Holland, England, Frankrike och Schweiz finns europeiska enheter, och i Kanada och USA finns idag ett antal responstestutrustningar som används i stor skala både kommersiellt och i forskning. TED Den svenska responstestutrustningen går populärt under namnet TED, och dimensionerades i ett studentprojekt vid avdelningen för Vattenteknik, Luleå tekniska universitet, hösten 1995. Efter dimensioneringen fortsatte projektet i form av ett examensarbete och byggdes av IdéArktica i Övertorneå. Apparaten testades och utvärderades under våren 1996, och resultaten sammanfattades i examensarbetet "TED - A mobile equipment for thermal response test" av Eklöf & Gehlin, hösten 1996. Examensarbetet övergick sedan i ett doktorandarbete och resulterade i en licentiatavhandling "Thermal response test - In Situ measurement of thermal properties in hard rock", 1998. Doktorandprojektet är nu inne i sitt slutskede och en doktorsavhandling ska bli klar under 2002. Avhandlingen behandlar olika typer av mätutrustningar, analysmetoder och inverkan av grundvattenflöde i sprickor på responstest och energibrunnar i drift. Sedan 1996 har ett drygt trettiotal responstestmätningar utförts i Sverige. Hälften av dessa har utförts i forskningssyfte på testborrhål vid Luleå tekniska universitet, och övriga mätningar har gjorts vid kommersiella borrhål på olika platser i Sverige, huvudsakligen borrhålsbaserade direktkylanläggningar i syd- och mellansverige. Inte för enskilda brunnar När det gäller enskilda energibrunnar för till exempel småhusuppvärmning är det vanligtvis billigare att dimensionera för ett konservativt värde på berggrundens värmeledningsförmåga och borra några meter extra för att vara på den säkra sidan. Ska man däremot borra många hål till ett större energibrunnssystem blir det rimligt ur kvalitetssäkringssynpunkt att göra en in-situ mätning för att noggrannare bestämma den effektiva värmeledningen hos berggrunden på den specifika platsen. Ju fler borrhål som ingår i systemet, desto mer värdefullt är det att utföra termiska responstest på platsen. Att borra fler borrhål än man behöver kostar pengar, och att borra för få hål än vad som behövs, för att man antagit alltför goda termiska förhållanden, kan bli mycket dyrt eftersom det äventyrar systemets funktion. Termisk responstest kan även användas för att testa temperaturförlusterna i nya kollektortyper, och för att kontrollera befintliga energibrunnar om en tvist skulle uppstå. Exempel på framtida frågeställningar där termisk responstest som mätmetod kan komma till nytta, är hur man ska hantera borrhål med låg grundvattenyta och hur effektiviteten hos borrhål påverkas av att det "ger mycket vatten" vid borrning. Tekn. Lic Signhild Gehlin Avd. för Vattenteknik, Luleå tekniska universitet Gehlin@sb.luth.se Docent Göran Hellström Avd. för Matematisk Fysik, Lunds tekniska högskola Goran.hellstrom@matfys.lth.se Mer information om termisk responstest: · Eklöf C, Gehlin S (1996). TED - A Mobile Equipment for Thermal Response Test (testing and evaluation). Examensarbete 1996:198 E. Avd. för Vattenteknik, Luleå tekniska universitet. pp. 61. http://epubl.luth.se/avslutade/0349-6023/ 1996/198/HLU_EX_1996198E_SE.pdf · Gehlin S (1998). Thermal Response Test - In-situ measurements of thermal properties in hard rock. Licentiatavhandling 1998:37. Luleå Tekniska universitet. http://epubl.luth.se/1402-1757/1998/37/LTU-LIC-9837-SE.pdf · Länkar till termisk responstest: http://www.sb.luth.se/~gehlin/ted2.ht Figur 1: Värmeledningsförmåga för några vanliga bergarter i Sverige Figur 2: Principen för en termisk responstest. Figur 3: Termisk responstest i Sverige - TED. Figur 4: Typisk responskurva från termisk responstestmätning med god respektive dålig värmeledning. Artikeln publicerad i Energi & Miljö nr 3/2002