Examensarbete - Utvrdering Av Borrhlslagret i Vllingby Centrum

  • Published on
    10-Apr-2015

  • View
    815

  • Download
    3

Transcript

Utvrdering av borrhlslagret i Vllingby centrumPatrik GrnkvistExaminator: Bjrn Palm Handledare: Jan-Erik Nowacki Hans hlenExamensarbete Stockholm, Sverige Augusti 2006Abstract: With rising energy prices the use of geothermal heating will get more common. In Vllingby Centrum a geothermal heating facility has been constructed to provide the centre with both heating and cooling. The facility comprises 132 boreholes in different directions to embrace as large rock volume as possible. After measurements it was determined that the boreholes differed from the drilling plan which caused a discussion about how much the difference would affect the function of the facility. To estimate the techno-economic consequences, the theoretical drilling plan was compared with the real drilling result. The simulation was done using nodes and resistances modelled in Excel. The average temperature was calculated hour by hour in the bore holes, using the same output powers that was used during the dimensioning phase of the storage. As a result of the simulation it was concluded that the bore hole layer will have the same function as intended. The differences in evaporation temperatures while extracting heat from the storage during winter is very small. This thesis describes a simplified and rough estimation method were Excel is used. The method is fast and effective but does not provide the same degree of accuracy as programs especially designed for this purpose. For the comparison between two alternative drilling plans, the method is judged as good enough though.2Sammanfattning: D energipriset blir dyrare och dyrare brjar bergvrme bli allt vanligare. I Vllingby centrum har en bergvrmeanlggning byggts fr att frse centrumet med bde vrme och kyla. Bergvrmeanlggningen skulle best av 132 st borrade hl i olika riktningar fr att omfamna en s stor bergvolym som mjligt. Efter inmtning kunde man konstatera att borrningen avvek frn borrplanen vilket franledde en diskussion om hur mycket felborrningen skulle pverka lagrets funktion. Fr att uppskatta effektminskningen har den teoretiska borrplanen jmfrts mot det verkliga utfallet genom att simulera noder och resistenser i Excel. Medeltemperaturen berknades i borrhlen timme fr timme vid de effektlaster som antogs vid dimensioneringen. Som resultat av simuleringen kunde man konstatera att borrhlslagret kommer att ha samma funktion som beskrevs i frfrgningsunderlaget. Avvikelsen i frngningstemperatur vid vrmning vintertid r mycket liten. Detta arbete beskriver en frenklad verslagsmetod dr Excel anvnds. Metoden r snabb och effektiv men ger naturligtvis inte samma noggrannhet som specialprogram inom omrdet. Fr jmfrelser mellan tv alternativa borrplaner bedms dock metoden ge tillrcklig noggrannhet.3Innehllsfrteckning: 1 Inledning.................................................................................................................................. 5 1.1 Frord:.............................................................................................................................. 5 1.2 Bakgrund: ......................................................................................................................... 5 1.3 Syfte: ................................................................................................................................ 5 1.4 Metod: .............................................................................................................................. 6 1.5 Avgrnsningar: ................................................................................................................. 6 2 Teknisk bakgrund:................................................................................................................... 7 2.1 Bergvrme: ....................................................................................................................... 7 2.21 Bestmning av markens termiska egenskaper:........................................................... 8 2.22 In-situmtningar (delvis citerat ur [2]): ...................................................................... 8 2.3 Bergvrmesystem med fler n ett borrhl: ....................................................................... 9 2.4 Termisk influens:............................................................................................................ 10 2.5 Vrmepump:.................................................................................................................. 13 2.6 Formler fr vrmeledning: ............................................................................................. 14 3 Genomfrande....................................................................................................................... 17 3.1 Problemstllning: ........................................................................................................... 17 3.2 Val av metod: ................................................................................................................. 18 3.21 Metod 1: ................................................................................................................... 18 3.22 Metod 2: ................................................................................................................... 22 4 Resultat.................................................................................................................................. 26 5 Slutsats/Diskussion................................................................................................................ 28 6 Bilagor................................................................................................................................... 29 7 Kllfrteckning, referenser.................................................................................................... 3041 Inledning1.1 Frord: Examensarbetet r det sista momentet som skall utfras p civilingenjrsutbildningen p Kungliga Tekniska Hgskolan, Stockholm. Arbetet motsvarar 20 pong av de totalt 180 som utbildningen omfattar. Arbetet har utfrts fr Projektbyrn AB. Jag vill framfrallt tacka Jan-Erik Nowacki, Institutionen fr Energiteknik, Hans hln, Projektbyrn AB fr handledning, vrdefulla synpunkter och givande diskussioner. Jag vill ven rikta ett tack till de fretag som har tagit sig tid att svara p frgor under arbetets gng. Fr att frst hur programmet r uppbyggt r blir det lttare om man har de bifogade programmen Verkliga berkningar, Teoretiska berkningar och Inmtningar ppna fr att kunna associera rapporten till dem. Dessa kan hmtas frn fljande lnk:http://www.esnips.com/web/exjobb1.2 Bakgrund: Vllingby centrum invigdes 1954 och var Sveriges frsta ABC-stad, Arbete Bostad Centrum. De ca 50 ren som har gtt efter invigningen har satt sina spr. Drfr har Svenska Bostder beslutat att en omfattande upprustning och ombyggnad ska ske. Fr utvinning av vrme alternativt kyla ska man anvnda sig av bergvrme. Borrhlslagret skulle best av 132 st borrade hl i olika riktningar fr att hlen ska utnyttja en s stor bergvolym som mjligt. Efter att de frsta 25 hlen var borrade s gjorde man en inmtning och sg att hlen avvek frn borrhlsplanen, detta franledde tvivel om hur mycket detta skulle pverka den slutliga effektutvinningen. Efter mnga diskussioner beslutades det att elva extra hl skulle borras fr att kompensera effektminskningen dr kraftig termisk influens uppkommer. Genom detta ville bestllaren gra en underskning om de extra elva hlen var tillrckligt fr att erhlla samma funktion som beskrevs i frfrgningsunderlaget. Mitt examensarbete gr drfr ut p att frska gra en jmfrelse av hur borrhlslagret kommer att fungera jmfrt med det dimensionerande fallet efter det att de elva extra borrade hlen har tillsatts. 1.3 Syfte: Syftet med detta examensarbete r att skapa en mycket frenklad metod fr att kunna utvrdera ett borrhlslager. Ska en mer avancerad berkning gras rekommenderar jag att man anvnder ett mer sofistikerat program t.ex. det som Gran Hellstrm p Lunds Tekniska Hgskola har framstllt. Sjlva problemstllningen fr examensarbetet r hur stor effektminskning har den avvikande borrningen medfrt?51.4 Metod: Fr att f en uppfattning om vad som hnder i bergrunden nr man tar ut vrme respektive kyla har jag simulerat noder och resistenser mellan noderna i Excel. Fr att frska uppskatta effektminskningen har jag frst anvnt den teoretiska borrplanen vid olika djup och sedan jmfrt utfallet om man anvnder den faktiska verkliga hlritningen. Jag har drfr plottat in alla hl p olika djup och sedan berknat medeltemperaturen i borrhlen timme fr timme under ett r vid de effekter fr ett typr som antogs vid dimensioneringen. 1.5 Avgrnsningar: Jag har av berkningstekniska skl anvnt horisontella skikt med 40 m tjocklek. Naturligtvis hade noggrannheten blivit bttre om jag anvnt tunnare horisontella skikt. I berkningarna har jag ocks anvnt noder som sedda ovanifrn r 1x1 m. Hlen har antagits vara en sdan 1x1 m nod. Min simulering var under ett typr, fr ett mer detaljerat svar hade det varit bst att kra programmet under 20 r och se hur mycket avvikelsen i borrplan skulle ha pverkat. P grund av tidsbrist gick inte detta att gra.62 Teknisk bakgrund:2.1 Bergvrme: Nr man ska utnyttja bergvrme anvnder man sig utav vrme som r lagrad i jorden. Vrmen tillfrs huvudsakligen frn solen men ven till en liten grad frn jordens innandme. I detta fall kommer vi ven att f ett vrmetillskott p sommaren d vi laddar upp berget med vrme frn kylningen av centrumanlggningen. Eftersom vi laddar upp berget p sommaren fr systemet en bttre balans, mlsttningen r att ta ut lika mycket vrme som kyla. Nr man dimensionerar ett borrhlslager brukar man inte rkna med att man har vrme frn fldande grundvatten. Nr man ska ta ut vrme ses fldande grundvatten som en bonus. Det r vldigt svrt att frutse hur grundvattenstrmmarna rr sig varfr man inte dimensionerar efter dem. Temperaturen i bergrunden varierar om man bor i norra eller sdra Sverige. I norra Sverige ligger temperaturen p ca +2 grad C och i sdra Sverige ligger den p ca +10 grad C. Nr man ska utvinna energi r det inte bara temperaturen som spelar roll utan ocks markens vrmekonduktivitet. I Sverige r bergrunden huvudsakligen sammansatt av granit och gnejs som har en vrmekonduktivitet som ligger mellan 3-4 W/mK. I sdra Sverige finns det mycket kalksten och skiffer som har en lgre vrmekonduktivitet som ligger mellan 1.5-3 W/mK. Det r vldigt komplext att rent geologiskt ta reda p markens vrmekonduktivitet varfr man vid strre anlggningar brukar gra ett termsikt responstest (kap 2.2). Temperaturen i borrhlet kommer inte heller vara konstant ret om utan den varierar med rstid samt hur mycket effekt man tar ut. Eftersom temperaturen r varmare i sdra Sverige finns det mer energi att hmta, nackdelen r att marken p mnga platser inte leder vrme lika bra som i norra Sverige dr dock temperaturen r lgre. Hur effektiv energibrunnen r beror allts p hur mycket vrme som marken kan transportera samt hur hg temperatur bergrunden har. Fr att ta upp vrme frn berget s mste man borra hl i berget. Antal hl varierar med hur mycket effekt man vill ta ut. I de borrade hlen stts en kollektorslang med en kldbrarvtska som ofta brukar best av en blandning av vatten och etanol (ofta 72 % vatten och 28 % etanol) som cirkuleras runt i systemet. Den kalla kldbraren vrms av berget och transporteras sedan till en vrmepumpanlggning dr den anvnds fr uppvrmning. I vrmepumpen fr ett kldmedium frngas vid lg temperatur. D kldmediet tar upp vrmen s vergr det allts till gasfas. Gasen komprimeras drefter, varvid temperaturen kar vsentligt. Kondensering av den p s stt upphettade gasen gr att man sedan kan vxla vrmen mot husets tappvarmvatten och radiatorsystem och nyttiggra vrmeupptagningen frn berget.72.2 Termiskt responstest: Man gr detta test fr att ta reda p hur effektiv en energibrunn r. Effektiviteten r viktig fr att t ex ta reda p hur mnga hl man behver borra fr att klara driftvillkoren. Effektiviteten hos energibrunnen beror p ett flertal faktorer s som markens vrmekonduktivitet, energibrunnens konstruktion och driftfrhllanden. Utan responstest r man tvungen att bestmma markens egenskaper utmed hela borrhlsdjupet. Nu fr man istllet ett sammanfattande vrde.2.21 Bestmning av markens termiska egenskaper:Markens frmga att transportera vrme r vldigt betydelsefull nr det gller energibrunnens effektivitet. Vrmetransporten i bergrunden r i huvudsak beroende av bergarten men ven frekomsten av sprickor och spricksystem, grundvatten och grundvattenrrelse har betydelse. Vilken bergart eller jordart som frekommer inom ett visst omrde kan man ta reda p genom att studera geologiska kartor eller provborra. Nr vl bergarten r bestmd s finns det tabeller att anvnda sig av fr att ta reda p materialens termiska egenskaper. Bergrunden i Sverige bestr huvudsakligen av granit och gnejs Berggrundens effektiva vrmekonduktivitet pverkas ocks av grundvattenrrelser, vattenmttnad och ven hur mycket kvarts som bergarten innehller. I dimensioneringssammanhang brukar man vanligen anvnda medelvrdet fr vrmekonduktiviteten hos den aktuella bergarten/bergarterna. Fr de sm anlggningarna rcker det med att man anvnder sig av de tabellerade vrdena fr den aktuella bergarten, men fr de strre anlggningarna s r det motiverat med en exaktare bedmning av de lokala termiska egenskaperna i berggrunden.2.22 In-situmtningar (delvis citerat ur [2]):Med ett termiskt responstest (In-situ mtningar) kan man m h a ett testborrhl frsett med en kollektortyp bestmma markens och energibrunnens effektivitet dr energibrunnsanlggning ska ligga. Mtningen gr till s att man kopplar samman energibrunnens kollektorslangar med en slinga bestende av en cirkulationspump, en elektrisk vrmare och en temperaturgivare fr ingende och utgende temperatur till borrhlet. Vrmebraren i slangen ska cirkulera i ca 50 timmar medan en datalogger registrerar temperaturfrndringen av vrmebraren samt den tillfrda vrmeeffekten. Utifrn dessa data kan man m h a simuleringsmodeller bestmma berggrundens effektiva vrmekonduktivitet samt temperaturfrlusterna i borrhlet. Man kan uppskatta vrmekonduktiviteten genom att tillfra en konstant effekt och se hur temperaturen i borrhlet kar med tiden, ju brantare temperaturen stiger desto smre vrmekonduktivitet. Temperaturdifferansen mellan vrmebrare och borrhlsvgg uppskattas genom berkningar.82.3 Bergvrmesystem med fler n ett borrhl: Nr samhllet lgger allt strre vikt vid energieffektivisering har man brjat anvnda bergrunden som energiklla fr allt strre fastigheter som ofta har behov av bde kyla och vrme. Dessa system r i behov av fler borrhl, detta ger upphov till frgor om hur hlen pverkar varandra termiskt. En vanlig frga r om det spelar ngon roll om man borrar tv hl p 75 m eller 1 hl p 150 m, svaret p denna frga r ja. Vrmeuttaget frn en energibrunn medfr att temperaturen i berget kring borrhlet snks. Om man placerar tv energibrunnar nra varandra s kommer dessa att pverka varandra termiskt. Det betyder att vi kommer att f en lgre temperatur p kldbrarvtskan n nr avstndet mellan dem r stort eller vid ett enda djupt hl. Vrmepumpen fr d en lgre vrmefaktor och frbrukar drmed mer energi vilket ger en hgre driftkostnad. Fr att f samma temperatur p kldbraren som om hlen lg lngt ifrn varandra eller om ett enda hl anvnts, s mste man ka borrhlsdjupet. Allts tv nraliggande energibrunnar krver ett strre totalt borrhlsdjup, vilket ger upphov till en kad anlggningskostnad. Avstndet mellan energibrunnarna r avgrande fr hur mnga borrhlsmeter man mste borra. Hur lngt ifrn mste d tv borrhl ligga ifrn varandra fr att inte pverka varandra? Generellt kan man sga att brunnar i svensk bergrund p strre avstnd n 30 m frn varandra kan sgas vara opverkade av varandra. Men ven om energibrunnarna ligger lngt ifrn varandra brukar det nd vara lnsamt att borra djupt fr temperaturen i berget kar med 1-2 grad C per hundra meter, energibrunnarna fr vrmeuttag blir allts effektivare p strre djup.92.4 Termisk influens:Taget frn Svenska vrmepumpfreningen artikel 2000-03-07 Bergvrmesystem med fler n en energibrunn [1].Vrme strmmar frn det varma berget till den kalla energibrunnen. Temperatursnkningen r strst nrmast borrhlet men avtar med avstndet frn borrhlet. Vrmeledningen r en relativ lngsam process vilket medfr att omrdet fr termisk influens blir betydligt mindre. I svenskt urberg r storleken ca 10 meter efter ett r, ca 20 meter efter 5 r, o.s.v. Fr mark med lgre vrmekonduktivitet blir rckvidden kortare. Som nmndes tidigare om ett borrhl ligger inom ett omrde fr termisk influens s fr man allts en lgre temperatur p kldbrarvtskan till vrmepumpen vilket medfr kade driftkostnader. Hur stor denna snkning r beror huvudsakligen p omgivande energibrunnars rliga energiuttag per meter borrhl och p avstndet till dessa. Figur 1a och 1b visar bergstemperaturen i ett horisontellt plan genom tv energibrunnar. Figurytorna r kvadratiska med sidolngden 100 m. De frsta fyra figurerna visar hur temperatursnkningen kring tv brunnar med 20 meters avstnd har brett ut sig efter 1, 5, 10 och 25 r. Ostrd bergtemperatur p detta djup ges av den ljusgrna frgen medan mrkbltt motsvarar ca tre graders snkning. Det r uppenbart att den termiska influensen r liten efter 1 r men att den sedan tilltar. Figur 1b illustrerar hur den termiska influensen efter 10 r blir minskar d avstndet mellan energibrunnarna kar. Avstndet r 5 m, 10 m, 20m och 40 m.)Taget direkt frn Svenska vrmepumpfreningen artikel 2000-03-07 Bergvrmesystem med fler n en energibrunn [1].A) Temperatursnkningens utbredning kring tv brunnar med 20 meters avstnd efter 1, 5, 10 och 25 r.B) Den termiska influensen efter 10 r p avstndet 5, 10, 20 och 40 meter. Figur 1. Bergtemperaturen i ett horisontellplan genom tv energibrunnar10Hur lngt frn borrhlet nr temperaturndringen? Temperaturstrningen i marken minskar med kande avstnd frn energibrunnen. Amplituden p strningen minskar ocks med kande avstnd. En meter frn brunnen r amplituden ver ret ca 1.5 grader, medan temperatursnkningen r jmn och bara ngon tiondels grad p 20 meters avstnd frn brunnen. P strre avstnd n fem meter frn brunnen r det i stort sett bara rsmedeleffektuttaget som pverkar temperaturen.Figur 2: Temperaturstrning i marken p olika avstnd frn en energibrunn som vrmer ett svenskt normalhus under 10 driftsr. Taget direkt ur Energi och milj nummer 1 r 2000 [1]Placeringen r ocks av stor betydelse nr man ska borra hl, figuren nedan jmfr nio energibrunnar som har placerats i olika formationer (linje, L-form, kvadratisk form) med prestanda fr en enskild energibrunn. Dimensioneringen avser att ge samma minimitemperatur p kldbrarvtskan till vrmepumpen vis maxlast under 15 rs drift. P.g.a. termisk influens mste effektuttaget per meter borrhl reduceras i frhllande till en enskild energibrunn. Reduktionen kar med minskat avstnd mellan borrhlen. Den kvadratiska formationen ger n strre reduktion n de andra p.g.a. att borrhlen ligger ttare.Figur 2. KvadratformL-formLinjeformFigur 3: Olika stt p hur man kan placera hlen .11Figur 4: Prestanda fr 9 st energibrunnar som placerats i linje, L-form resp. kvadrat, jmfrt med enskild brunn; Taget frn Svenska vrmepumpfreningen artikel 2000-03-07 Bergvrmesystem med fler n en energibrunn [1].Problemet nr man ska placera hlen r att det inte alltid finns s mycket plats att placera hlen p speciellt i ttbebyggt omrde drfr gller det att f ut maximalt frn varje hl. Fr att f maximal prestanda brukar man drfr borra hlen i olika vinklar fr att f en s stor utbredning p borrhlen som mjligt, mlet r att utnyttja en s stor bergvolym som mjligt. Man brukar vinkla hlen 0-30 grader frn vertikalen. Har man fler hl kommer man inte att kunna undvika den termiska influensen men genom en aktiv terladdning s man frndra energibalansen s att den minskar. Mlet i Vllingby r att man ska ta ut lika mycket vrme som man stoppar in.122.5 Vrmepump: Hur fungerar en vrmepump? Den strsta energikllan vi har r solen, den vrmer upp luften, jorden och vattnet. Vi anvnder bara en minimal mngd av den gratisenergin som finns att ta upp. Uppvrmning krver energi. Vrmepumpen kan ge oss energisnl uppvrmning utan att smutsa ner miljn med farliga utslpp eller frbruka mer av naturens resurser n ndvndigt. Genom att anvnda en vrmepump kan man dra nytta av lagrad vrmeenergi oavsett om det handlar om energi i luften (uteluft eller ventilationsluft), markens yt- eller djupskikt, bergrunden eller i spillvattnet s finns energin dr redo att transporteras och omvandlas till hgvrdigare energi. I vrmepumpen flyttas energin frn luft, mark, berg eller vatten in i huset. Vrmepumpen bestr av fyra huvuddelar; frngare, kompressor, kondensor och expansionsventil. Komponenterna sammanbinds med rr i vilka ett kldmedium cirkulerar. I frngaren verfrs vrme frn kldbrarvtskan till kldmediet som kokar och frngas. ven efter uppvrmning r kldmediet fr kallt fr att kunna anvndas direkt fr uppvrmning. Temperaturen mste drfr hjas, vilket grs i kompressorn. Vid kompression kar trycket varvid temperaturen ocks hjs. Kompressorn r eldriven och det r den elenergin som man mste betala fr. Nr kldmediet gr in i kondensorn vergr mediet frn gas till vtska varvid vrme avges till vrmebraren. Sedan tergr kldmediet via expansionsventilen som snker trycket och temperaturen tillbaka till frngaren som startar om processen.Kondensor Exp ventil KompressorFrngareFigur 5: VrmepumpKldmedierna som man anvnder i vrmepumpen kan ha en kokpunkt som r s lg som -40 grader C vid atmosfrtryck, drfr kan man anvnda dem vid lga temperaturer, ganska hga tryck och resonabelt hg densitet vid kompressorinloppet. Vid dimensionering s gr man inte efter det hgsta effektbehovet eftersom det inte r lnsamt fr d skulle vrmepumpen kosta fr mycket. Man brukar drfr dimensionera efter ca 50-70 % av det totala effektbehovet. Gr man detta brukar ca 85-95 % av rets energibehov tckas av vrmepumpen. Tillsatsenergi fr d t.ex hmtas frn oljepanna, elpatroner eller dylikt.132.6 Formler fr vrmeledning: Fr att underltta frstelsen fr hur programmet r uppbyggt tnkte jag frklara alla formler som har anvnts. Denna ekvation beskriver temperaturen i de frenklade borrhlen:T = T f + t (T 2+T 3+T4 +T 54 *T f ) / (R * C ) + t * q / CDr T = Temperaturen i borrhlsnoden i slutet av tidssteget[C] Tf= Temperaturen i borrhlet i brjan av tidssteget [C] T2= Temperaturen i berget runt om borrhlet (frn hger i brjan av tidssteget) [C] T3= Temperaturen i berget runt om borrhlet (frn vnster i brjan av tidssteget) [C] T4= Temperaturen i berget runt om borrhlet (framifrn i brjan av tidssteget) [C] T5= Temperaturen i berget runt om borrhlet (bakifrn i brjan av tidssteget) [C] R=d/(*A) d= avstndet mellan noderna [m] = vrmekonduktiviteten fr berggrunden [W/mK] R= Vrmemotstndet [K/W] A= kontaktarean mellan noderna [m2] C= Cp**V [J/K] V= nodens volym [m3] Cp= vrmekapaciteten [J/K] def. hur mnga J/kg som tgr att hja massans temperatur 1C t= tidssteget [s] q= fldet [W/m] Denna ekvation beskriver temperaturen i berget omkring borrhlen : T =T f + t (T 2+T 3+T4 +T 54 *T f ) / (R * C ) Den sista termen har allts fallit bort. Vrmemotstndet i det stillastende vattnet mellan slangarna och hlvggen [3]:& Q = S (t1 t 2 ) x= (r1 + r2 e 2 ) 2r1 r2 2L ln( x + x 2 1 )2 2S=R 1hl = 1 / * S14Dr & Q = Fldet [W] = vrmekonduktiviteten i vattnet runt slangarna [W/mK] S = formfaktorn [m] t1 =temperaturen p kldbrarvtskan [C] t 2 =temperaturen lngs bergvggen [C] r1 =radien fr kollektorslangen [m] r2 =radien fr borrhlet [m] R1hl =vrmemotstndet fr ett hl [K/W] L =dubbla aktiva borrhlsdjupet [m] e=halva avstndet mellan slangarnas centraVrmemotstndet genom slangen:& * Am * t Q= ry ri Am = 2L ry ri ry ln( ) riR 1hl = (r y r i ) / * A mDr Am =effektiva medelarean p slangen mellan inre och yttre radie[m2] p aktiva borrhlsdjupet. t =temperaturdifferansen [C] mellan slangvggens insida och utsida ry =yttre diametern [m]ri =inre diametern [m]Vrmemotstndet frn slangens insida till kldbrarvtskan [3]:R 1hl = 1 /(h * 2 *r i *L)Re = * *D h / Nu = h *D h / k i Nu = 0,023 Re 0,8 * Pr 0, 4 r i =inre diametern p kollektorslangen [m] k i = kollektorslangens vrmekonduktivitet [W/mK] h = Vrmevergngskoefficienten [W/m2K] Di = innerdiametern p slangen [m] (=2*ri)15 =densiteten [kg/m3] = klbrarvtskans hastighet [m/s] =dynamiska viskositeten [kg/ms]Nu =Nusselts tal Re =Reynolds tal Pr =Prandtls tal Pr= *Cp/ = dynamiska viskositeten [kg/ms] = vrmekonduktiviteten [W/mK] Cp= vrmekapaciteten [J/K]Pr r allts en ren materialkonstant som man kan lsa ut om endast temperaturen r approximativt knd fr kldbraren.Kyleffekten fr vrmepumpen har antagits flja ekvationen:Pkyl= A e ( B *t 0) e (C *t c)P kyl = kyleffekten A = konstant = 413,7 C = konstant = -1,14 % B = konstant = 3,43 % tc = kondenseringstemperaturen t0= frngningstemperaturenEleffekten fr vrmepumpen har antagits flja ekvationen:P el = D e ( E*t 0 ) e ( F *t c )D = 33,7 E = 0,40 % F = 1,79 % tc = kondenseringstemperaturen t0= frngningstemperaturenBerkning av kldfaktorn vid kylning av fastigheterna:EER = Pkyl / Pel EER = kldfaktornBerkning av vrmefaktorn vid vrmning av fastigheterna:COP1 = (Pkyl + Pel)/Pel163 Genomfrande3.1 Problemstllning: Fr att utvinna kyla respektive vrme i Vllingby centrum skulle en bergvrmeanlggning byggas med 132 st borrade hl i olika riktningar. Hlen skulle vara frdelade s jmnt som mjligt inom bergvolymen fr att kunna uppn den dimensionerande funktionen. Enligt frfrgningsunderlaget skulle varje hl vara 200 m lngt, minsta avstndet mellan hlen skulle vara 4 m samt medelavstndet p borrhlsbotten skulle vara 13 m.Som mtinstrument har ett Multi Smart instrument anvnds fr att se borrningens utfall. Instrumentet mter fr varje mtstation hlets lutning och bring, varefter lget berknas med hjlp av knnedomen mellan mtstationerna. Nr man borrar i berg har bergets kvalitet en stor betydelse fr utfallet. Bergets kvalitet kan man utvrdera genom fljande klassificeringssystem RMR (Rock Mass Rating) och QSystemet (Rock Mass Quality). Vanligast av dessa Q- systemet som definieras av fljande parametrar: 1. 2. 3. 4. 5. 6. RQD = Uppsprickningsgraden Jn = Antal sprickor Jr = Sprickytans rhet Ja = Sprickans omvandlingsgrad Jw = Grundvattenfrhllanden SRF = SpnningsreduktionsfaktorEnligt detta system kan man berkna bergkvaliteten genom fljande formel: Q = ( ROD / J n) ( J r / J a) ( J w/ SRF ) Det numeriska vrdet p Q varierar inom intervallet 0.001 till 1000 och bergkvaliteten kan klassificeras enligt: G F E D C B A A A Exceptionellt dligt berg Extremt dligt berg Mycket dligt berg Dligt berg Medelbra berg Bra berg Mycket bra berg Extremt bra berg Exceptionellt bra berg 0.001-0.01 0.01-0.1 0.1-1 1-4 4-10 10-40 40-100 100-400 400-1000Bergrunden i Stockholmsomrdet klassas enligt Q metoden till kategori B och C med en tillrinning under 500 liter/timme fr ett borrhl p 200m. I Vllingby klassas bergrunden till kategori E-F vilket mycket dligt till extremt dligt berg. Bergrunden bestr av ett grovkristalliniskt granitiskt berg. Borrhlsvggen r tmligen grova, det ppna spricksystemet frklarar den extrema vattentillrinningen i borrhlen.17Efter den frsta inmtningen av borrhlen s kunde man se att avvikelsen frn borrhlsplanen var extremt stor vilket uppgav till en tvist om hur mycket detta skulle p verka borrhlslagrets funktion. Efter frhandling mellan bestllare och entreprenr beslutades det att elva extra hl skulle borras som kompensation dr hlen ligger fr nra varandra. Examensarbetet ska utvrdera hur lagret kommer att fungera.3.2 Val av metod:3.21 Metod 1:Frsta iden var att titta p ett hl i taget fr att gra berkningarna s sm som mjligt d det antogs att Excel inte skulle klara strre berkningar. Metod1 vergavs och ersattes med Metod2 senare varfr Metod1 endast anges versiktligt hr nedan. Tanken var att om man frst berknar fram vrmemotstndet till berget runt varje hl, sedan vrmemotstndet mellan lagret och det nrmaste berget som omger lagret och slutligen vrmemotstndet mellan detta omgivande berget och ostrt berg (samt alla kapacitanser), s skulle effekten kunna berknas. Tanken var att man skulle finna ett medelavstnd mellan hlen i varje horisontellt skikt. Det fiktiva motstndet R1 kommer ocks att variera med tiden. Frn brjan r det mycket litet men kar sedan med tiden.Figur 6: Metod 1Eftersom R1 varierar med arean runt hlet studerades hur R1 varierade med storleken p arean runt borrhlet vid en viss given tid: 4x4 m2 6x6 m2 10x10 m2 20x20 m2Omrdet runt varje enskilt hl i lagret speglas i sina grannhl s ingen vrme verfrs frn ett hl till ett annat.18Figur 7: SpeglingFr att kunna rkna ut R1 byggdes ett Excel-program med noder och resistenser som r sammankopplade med varandra. Frn brjan antogs temperaturen i hela bergmassan vara ostrt det vill sga 8C. Vid tiden 0 snktes temperaturen i borrhlet momentant till temperaturen till 0C (stegfunktion). Varje nod r uppbyggd av denna formel: T = T f + (T 2+T 3+T 4+T 54T f ) t / (C R ) Tf= Temperaturen i borrhlet [C] fre tidssteget T2= Temperaturen i berget runt om borrhlet [C] (frn hger) T3= Temperaturen i berget runt om borrhlet [C] (frn vnster) T4= Temperaturen i berget runt om borrhlet [C] (framifrn) T5= Temperaturen i berget runt om borrhlet [C] (bakifrn) T= Nya temperaturen i noden [C] Programmet byggdes upp efter avstndet mellan varje borrhl. Om borrhlsavstnden var t ex 10 m antogs varje borrhl motsvarar en yta av 10 x 10 m. Skikttjockleken horisontellt var 1 m i dessa berkningar enligt metod 1. Varje nod ansattes i dessa berkningar till 0,2 x 0,2 m. Nr modellerna var klara kunde man se hur R1 varierade med storleken vid en momentan tidpunkt vald till 240 dygn (en uppvrmningsssong).Vrmemotstndet R1 som funktion av arean (240 dygn)1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 100 200 300 400 500 Arean m^2 Vrmemotstndet [K/W]Figur 8: Vrmemotstnd frn borrhl till omgivande bergmassa som funktion av den influerade bergmassan vid kvadratisk delning mellan hlen och 1 m skikttjocklek (=3 W/mK).19Ju strre yta som borrhlet motsvarar ju lngre bort kommer ocks nodens tyngdpunkt att placera sig frn sjlva borrhlet. Kapacitansen i bergmassan som omger hlet kar emellertid ocks - s temperatursnkningshastigheten minskar p grund av det. Det p detta stt berknade fiktiva vrmemotstndet kar med tiden. Temperaturfrndringar pverkar ju kortsiktigt endast berget nrmast hlet och vrmemotstndet blir d litet. Temperaturfrndringar p lngre sikt fr ett stort vrmemotstnd d vrmen mste ta sig lngre ut i bergmassan.Vrmemotstndet R1 som funktion av tiden0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 50 100 150 Antal dygn 200 250 300Figur 9: I brjan r det ltt att f in vrmen frn berget nrmast hlet. Sedan kar motstndet. Influerad bergmassa 100 m vid 1 m skikttjocklek (=3 W/mK).Nsta steg var att titta p hur hela lagret fungerar p rsbas fr att kunna f ut R1, R2 och C2. Man kan sga att lagret omges av en bergmassa som pverkas av frndringar i lagrets temperatur, med lagret menar man bergmassan som omger de olika hlen. Runt denna bergmassa finns ostrt berg.K/WFigur 10: Behandling av omrdet utanfr borrhlslagretFr att f ut parametrarna R2 och R3 (C2 blir ju given) gjorde man p liknande stt som de frra modellerna som beskrev ett enskilt borrhl. Temperaturen antogs momentant i ett steg sjunka till 0C fr hela borrhlslagret. Nu anvndes dock noder p 10 m x 10 m och 1 meters skikttjocklek. Tjockleken p den 20pverkade massan runt lagret antogs till 20 m. Modeller byggdes upp med fljande storlekar p borrhlslagret: 30x110 m2 50x110 m2 130x130 m2 90x90 m2 70x70 m2 50x50 m2 100x100 m2Genom att berkna medeltemperaturen fr bergmassan runt lagret kundes R1 och R2 berknas genom fljande formel: T ber = ((T 2/ R 2 +T 3/ R 3 ) C 2 dT / dt ) /(1 / R 2 +1 / R 3 )) Dr Tber= Den teoretiska medeltemperaturen i det pverkade berget [C] T2= Temperaturen i borrhlslagret [C] T3= Temperaturen fr ostrt berg [C] R2= Vrmemotstndet till berget som omger lagret [K/W] R3= Vrmemotstndet till ostrt berg [K/W] C2= Kapacitiviteten [J/K] = (volymetriska kapacitiviteten fr berg)*(volymen fr bergmassan fr 1 meters skikt) dT/dt= Skillnaden i temperatur genom tiden Eftersom R2 och R3 sks gjordes en minsta kvadratanpassning fr att berkna dem dem. Figurerna nedan visar R2 och R3 som funktion av arean.R2 som funktion av areanVrmemotstndet [K/W] 0,02 0,015 0,01 0,005 0 0 5000 10000 Arean m^2 15000 20000Figur 11: Motstndet R2 mellan lagret och det pverkade berget vid 1 m horisontell skikttjocklek (=3 W/mK), x motsvarar ytan omkring hlet och y motsvarar vrmemotstndet. R2 r konstant och plottad enligt ordningen ovan.21R3 som funktion av arean0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0 0 5000 10000 Arean m^2 15000 20000 Vrmemotstndet [K/W]Figur 12: Motstndet R3 mellan det pverkade berget och ostrt berg vid 1 m skikttjocklek (=3 W/mK). R3 r konstant och plottad enligt ordningen ovan.Tanken var att, med knnedom om medelhlavstnd och formen p lagret skikt fr skikt, berkna R1, R2 och R3 samt C1 och C2 och drur berkna temperaturresponsen fr dels det tnkta lagret och dels det praktiskt utfrda lagret. Fr att det skulle bli s enkelt som mjligt gjordes ett samband fr att hitta medelhlavstnden fr de olika skikten. Hela Metod1 vergavs emellertid innan ngon fullstndiga analys hann gras. Anledningen var att den av Bjrn Palm freslagna metoden med hela borrhlslagret och omgivande berg simulerat med 1 x 1 m stora noder visade sig bde framkomlig och bttre. Frn brjan s trodde inte min handledare Jan-Erik Nowacki att det var mjligt med s stora simuleringar i Excel.3.22 Metod 2:D ett av problemen i Metod 1 var att hitta ett samband fr hur medelavstndet varierade freslog Bjrn Palm att alla hl skulle plottas in direkt i Excel fr att frska hitta medeltemperaturen i borrhlen fr hela lagret. Fr att det skulle g att gra inom rimligt tid s delade jag upp lagret i 40-metersskikt. Modellen r uppbyggd efter huvudsakligen tv formler: T = T f * t (T 2+T 3+T4 +T 54 * T f ) / R * C T = T f * t (T 2+T 3+T4 +T 54 * T f ) / R * C + t * q / CVarav den vre formeln beskriver temperaturen i noder utan vrme till- eller bortfrsel annat n genom vrmeledning och den undre beskriver temperaturen i borrhlen. Modellen r uppbyggd av 200x200 celler i Excel dr hlen har plottats in efter dels den teoretiska och dels den verkliga borrplanen i fem st 40 m tjocka horisontella skikt. Den teoretiska borrplansmodellen gjordes frst. Eftersom modellen skulle vara uppdelat i 40metersskikt behvdes en omrkning av de teoretiska koordinaterna gras eftersom dessa var endast givna i markplanet.22Hlen hade en total borrlngd p 200 m. Koordinaterna skulle berknas p 20, 60, 100, 140 och 180 meters djup. Koordinaterna var givna enligt fljande stt (exempel): Xstart 82136,94594 Ystart 89814,49599 Vinkel i gon frn xaxel (h) 203,9720612 Vinkel i grader frn vertikalen (v) 20,0Fr att koordinaterna skulle bli lttare att arbeta med s subtraherades alla x-koordinater med medelvrdet av alla x-koordinater, p samma stt gjordes med y-koordinaterna. Nr koordinaterna var enklare kunde omrkningen brja enligt fljande formler: Horisontella utstrckningen: H R= 200 sin( v ) Vertikala utstrckningen: V R= 200 cos( V ) Sen berknades slutpunkterna enligt: X slut= X start+ H R cos( h) Y slut=Y start+ H R sin( h) Koordinaterna som funktion av djupet: X d = X start+ ( X slut X start) d / Vr Y d =Y start+ (Y slutY start) d / Vr d= det aktuella djupet Nr de verkliga koordinaterna s smningom erhlls ganska sent i projektet, var dessa givna p oregelbundna djup, hlen antogs dock vara linjra ven om en viss krkning frekom. Med knnedom om start och slutpunkterna kunde frenklade linjra koordinater rknas fram fr de olika djupen. Nr koordinaterna var berknade var det dags att plotta in dessa i modellen. Eftersom det r 10 skikt totalt, fr bde den teoretiska och verkliga borrplanen, som ska lggas in, var det orimligt att gra detta fr hand, drfr skrevs ett makro i Visual Basic som gr detta automatiskt. Koden bifogas i de tv Excel filerna Teoretiska berkningar och Verkliga berkningar under fliken verktyg -> Makro-> hlutstttning. Vid simuleringen har samma vrme- respektive kyleffekt till lagret anvnts som Gran Hellstrm anvnt i ursprungssimuleringen. Den simuleringen beskriver effektupptaget och kldbrarvtskans medeltemperatur timme fr timme. Efter det att borrhlen var inlagda var det dags att kra programmet. Fr att f ett s bra svar som mjligt ska varje skikt berknas enligt Hellstrms modell med vilket menas med effektuttaget timme fr timme ska in i programmet vilket kommer att bli 8760 st berkningar per skikt. Eftersom man rknar p 40-meterskikt mste man naturligtvis berkna varje effektuttag per 40 m. Ett makro gr detta automatiskt. Alla medeltemperaturer som berknas sparas fr varje skikt, berkningar 0-40 m, berkningar 40-80 m osv. Makrot r bifogat i filerna Verkliga berkningar och Teoretiska berkningar under fliken Verktyg--> Makro--> Hellstrm. Denna berkning gav medeltemperaturen vid borrhlsvggen fr hela lagret. Sedan berknades medeltemperaturen fr kldbrarvrtskan ut time fr timme genom formeln: 23T kb=T bv + R Q Dr Tkb= kldbrarvtskans medeltemperatur [C] Tbv= medeltemperaturen vid borrhlsvggen [C]Q = effektinsats [W/40m] R = vrmemotstndet [K/W] Vrmemotstndet frn borrhlsvggen till kldbrarvtskan var berknat av Gran Hellstrm vilket redovisades i frfrgningsunderlaget fr borrhlslagret se bilaga 1. En jmfrelse mellan modellen med de teoretiska koordinaterna och Gran Hellstrms medeltemperaturer p klbrarvtskan gjordes och man kunde konstatera att modellens vrden stmmer vldigt bra verens med Hellstrms timme fr timme. Man kan konstatera att korrelationskoeficienten mellan mina berknade vrden fr kldbrarvtskans temperatur timme fr timme och Hellstrms vrden (i kvadrat) blir 98,77 % fr den teoretiska borrplanen.. Jag fick dock generellt sett lite mindre ndringar p kldbrartemperaturen n Hellstrm, bara 93% av hans variationer.Hellstrms vrden mot minaHellstrm [grad C] 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 Mina teoretiska [grad C]Figur 13:Korrelation mellan Hellstrms berknade KB temperaturer och minay = 0,9346xEfter det att klbrarvtskans medeltemperatur bestmdes s terstod det att bara att berkna fram temperaturen in i frngaren. Detta bestmdes genom att frst berkna fram t som r skillnaden mellan ingende temperatur till borrhlet och utgende temperatur till frngaren. Detta bestmdes genom:t = Q / m c p Dr: t= skillnaden mellan ingende och utgende klbrartemperatur i borrhlen [C] Q= Effektuttaget fr ett hl [kW] m= flden fr ett borrhl [l/s] cp= specifika vrmekapaciteten [kJ/kgK] Nr t var berknat rknades temperaturen in i frngare ut genom: Tif= Tkb+ t/2 Tuf=Tkb-t/224Eftersom vrmepumpen mste frnga p en lgre temperatur n den temperatur som gr ut ur frngaren s r frngningstemperaturen inte densamma som temperaturen ut ur frngaren. Fr att f frngningstemperaturen s kan man anvnda en grovuppskatning fr att berkna frngningstemperaturen, t ex 4C lgre n utgende kldbrare. Frngningstemperaturen berknas d enligt: Tf= Tuf-4 Fr att kunna jmfra borrhlslagret p bsta mjliga stt s tas kldfaktorn fram fr de teoretiska och verkliga koordinaterna timme fr timme. Kondenseringstemperaturen har antagits ligga 2C ver det utgende vattnet frn kondensorn. Kldfaktorn ges av: EER=Pel/Pkyl P el = D e ( E t 0 ) e ( F t c )P kyl = A e ( Bt 0 ) e ( C t c )Fr en skruvkompressor har vi fljande konstanter antagits (Givna av J-E Nowacki): A=413,7 B=3,43 % C=-1,14 % D=33,7 E=0,4 % F= 1,79 % tc= kondenseringstemperaturen [C] t0= frngningstemperaturen [C] Fr att anpassa konstanterna A och D till skruvkompressorn som man anvnder i Vllingby centrum s rknades eleffekten och kyleffekten ut. Sedan jmfrdes dessa med de dimensionerande effekterna, (se Excelfil Verkliga berkningar under fliken Utdata). Vattnet in i kondensorn ansattes till 45C, anledningen till denna grova frenkling var att det ju var lagrets funktion som var det intressanta. Kondenseringstemperaturen pverkas i verkligheten av alla undercentraler som bestmmer hur mycket vrme/kyla som Vllingbycentrumet behver. Eftersom det r flera hus inblandade skulle det ta lng tid att berkna utgende vattentemperatur ur kondensorn drfr ansattes vattnet ut ur kondensorn till 45 C. Kondenseringstemperaturen kommer d att bli 47C. Nr kldfaktorn var berknad timme fr timme s kunde man jmfra de tv borrhlslagren mot varandra, och se hur mycket den avvikande borrningen verkligen pverkade.254 ResultatFr att jmfra det dimensionerande fallet mot det verkliga utfallet jmfrs frngningstemperaturen, och den frbrukade elenergin nr lagret kyls vid vrmepumpdrift. Skillnaderna i frngningstemperatur, i genomsnitt ver rets timmar blir endast -0,028C. Det leder teoretiskt till en merkonsumtion av ca 2 MWh eller 0,26% vilket ligger helt inom felmarginalen fr den berkningsmetod som anvnts. Skillnaden mellan det teoretiska fallet och det verkliga r allts mycket liten vilket innebr att felborrningen inte kommer att ha ngon betydelse fr vare sig borrhlslagrets funktion eller ekonomi. De elva extra borrhlen kompletterar vl effektminskningen som har uppsttt d borrhlen hamnat fr nra varandra. Figurerna nedan visar skillnaden mellan det teoretiska fallet och det verkliga fallet. R2 sger hur bra kurvorna stmmer verens med varandra. Fr frngningstemperaturen kan man sga att det teoretiska fallet stmmer till 99,99 % verens med det verkliga fallet.Frngningstemperatur teoretisk mot verkligt20 Teoretisk [grad C] 15 10 5 0 -5 -5 0 5 10 15 20 0,9897xVerklig [grad C]Figur 14: Korrelation mellan teoretisk och verklig frngningstemperaturKldfaktorn teoretisk mot verkligt4 Teoretisk 3 2 1 0 0 1 2 Verklig 3 4 0,9996xFigur 15: Korrelation mellan teoretisk och verklig kldfaktor26Eleffekt teoretisk mot verkligt1000 Teoretisk [kW] 800 600 400 200 0 0 200 400 600 8001,0021x1000Verklig [kW ]Figur 16: Korrelationen mellan teoretisk och verklig eleffekt275 Slutsats/DiskussionEnligt resultatet ovan kommer borrhlslagret i detta fall att f den nskade funktions som beskrevs i frfrgningsunderlaget. Nr hlen hamnar fr nra varandra uppstr termisk influens vilket pverkar lagret p ett negativt stt, drfr - vid borrning av stora lager - br inmtning ske p ett tidigt stadium fr att se hur bergrunden r att borra i. Ser man att hlen tenderar att avvika frn borrplanen br styrd borrning anvndas. Avvikelser frn borrplanen behver inte ndvndigtvis pverka resultatet. Lagret pverkas frmst om hlen ligger fr nra varandra en lngre strcka. Om tv hl korsar varandra kanske man bara fr termisk influens under ngon meter vilket inte motiverar att borra ett nytt hl. Man mste titta p hur mnga meter hlen ligger fr nra varandra fr att ta reda p om och hur mnga hl nya hl som kan behvas.286 BilagorEftersom det r s vldigt mnga vrden har jag valt att bifoga bilagorna i programmen som finns bifogade. Bilaga 1 Teoretiska koordinater Finns i programmet Inmtningar under flik Teoretiska koordinater Bilaga 2 Verkliga koordinater Finns i programmet Inmtningar under flik Verkliga koordinater Bilaga 3 Givna verkliga koordinater frn JVAB Finns i programmet Inmtningar under flik Givna koordinater frn JVAB Bilaga 4 Resultat frn Teoretiska berkningar Finns i programmet Teoretiska berkningar under flik Utdata Bilaga 5 Resultat frn Verkliga berkningar Finns i programmet Verkliga berkningar under flik Utdata Bilaga 6 Effektprofil frn Gran Hellstrm Finns i programmen Teoretiska och Verkliga berkningar under flik Indata297 Kllfrteckning, referenser1. Gran Hellstrm, Signhild Gehlin, Borrhlet och dess funktion, Energi &milj nummer 1 r 2000 eller http://www.svepinfo.se/dbcontent.php?action=a&id=8 2. Gran Hellstrm, Signhild Gehlin, Bervrmesystem med fler n en energibrunn, Energi &milj nr 2 r 2000, p 53 eller http://www.svepinfo.se/dbcontent.php?action=a&id=9 3. Signhild Gehlin, Gran Hellstrm, Termisk Responstest -att ta reda p energibrunnens effektivitet eller http://www.svepinfo.se/dbcontent.php?action=a&id=27 4. Eric Granryd, Heat Transfer Collection of formulas, Royal Institute of Technology, Department of Applied Thermodynamics and Heat Transfer, Stockholm 2001. 5. Svenska Bostder, Vllingby centrum frnyelseprojektet, Frfrgningsunderlag; kyl och vrmelager i mark, entreprenadnummer E3175-06 6. ngpannefreningen, Gunnar Wernstedt, Utvrdering 3 av Energilager Vllingby C Slutresultat av genomfrda borrningar30

Recommended

View more >