Simulering av grunne geotermiske systemer med naturlig konveksjon i borehull

Abstract

Introduksjon: Grunne geotermiske systemer benyttes til oppvarming og kjøling av husholdninger og større bygg. I etableringsfasen av slike systemer anvendes det modelleringsverktøy for ̊a beregne optimal dimensjonering av systemet, slik at det opprettholdes en balanse mellom oppvarming og kjøling over lengre tid. En underdimensjonert brønnpark vil over tid føre til at det må suppleres med alternative energiløsninger. Motsatt vil en overdimensjonert brønnpark gi større etableringskostnader enn nødvendig. En programvare som brukes for å beregne optimal dimensjoneringen av anlegget er det semi-analytiske simuleringsverktøyet pygfunction. Pygfunction er laget for forhold der borehullet er fylt med fyllmasse. I grunnvannsfylte borehull vil det oppstå naturlig konveksjon i borehullet. Pygfunction tar dermed ikke hensyn til denne faktoren i sine beregninger. I denne oppgaven gjøres en matematisk beskrivelse av prosessen i og rundt et borehull, som ligger til grunn for simuleringsverktøyet pygfunction. Pygfunction modifiseres til å inkludere naturlig konveksjon i simuleringene for et borehull bestående av en enkel U-formet kollektorslange. Videre undersøkes det hvilken effekt det har å ikke inkludere naturlig konveksjon i pygfunction ved dimensjonering av brønnparker. Oppgaven inkluderer også en analyse av usikkerheten i inngangsparametrene for den modifiserte pygfunc- tion, og hvordan disse influerer usikkerheten i utgangsverdien som modellen gir. Resultat: Ved bruk av et spesifikt eksempel finner vi at simulering av grunnvannsfylte borehull uten inkludering av naturlig konveksjon resulterer i en overdimensjonering av brønnparken på 11-14 %. Dette resultatet har en usikkerhet på ±10 %. Usikkerheten i varmeledningsevnen i grunnen og den uforstyrrede grunntemperaturen er de største bidragene til denne usikkerheten. I tillegg vil borehull-lengden, radien til borehullet og kollektorvæskens spesifikke varmekapasitet ha middels store bidrag. Ved bruk av et konkret eksempel demonstreres det videre at varmeledningsevnen i rommet mellom kollektorslangen og borehullveggen minst må dobles for å tilsvare effekten av naturlig konveksjon. Konklusjon: Simulering av grunnvannsfylte borehull med en modell som ikke betrakter naturlig konveksjon vil føre til en signifikant overdimensjonering av brønnparken, og dermed unødvendige høye etableringskostnader. Dette er grove estimat, men gir en pekepinn på viktigheten av å være kritisk til hvilke forhold modellen simulerer. For å redusere usikkerheten i resultatet anbefales det spesielt å redusere usikkerheten i varmeledningsevnen i grunnen og den uforstyrrede grunntemperaturen. Funnene i denne oppgaven understreker viktigheten av å være kritisk ved bruk av modeller som ikke tar hensyn til naturlig konveksjon.