Sesonglagring av solenergi i termisk borehullslager med koaksiale borehullsvarmevekslere

Abstract

Sesonglagring av solenergi i termisk borehullslager gjør det mulig å bruke solenergi til oppvarming hele året. Et termisk borehullslager består hovedsakelig av et volum av berggrunn eller løsmasser, som gir termisk lagringskapasitet, og borehullsvarmevekslere som brukes til å overføre varme til og fra lagervolumet. Teknologien har vist gode resultater i stor skala. I 2016 startet oppføring at et test- og demonstrasjonsanlegg for sesonglagring av solenergi i småskala termisk borehullslager ved NMBU. Hensikten med testanlegget er å videreutvikle teknologen for å bli attraktiv også i mindre skala. Dersom solvarmesystem med sesonglagring i termisk borehullslager kan tas i bruk i norske eneboliger kan dette begrense boligenes behov for elektrisitet fra kraftnettet betydelig, også i vinterhalvåret. Denne masteroppgaven handler om varmeoverføring og sesonglagring av solenergi i småskala termisk borehullslager. I varmesystem med solfangere og termisk borehullslager bør borehullslager ha tilstrekkelig kapasitet for varmeoverføring til å sikre god samdrift med solfangeranlegg. I første del av masteroppgaven ble termisk motstand i en nyutviklet koaksial borehullsvarmeveksler fra Anergy AS, testet gjennom termiske responstester. Termisk motstand i kollektoren ble estimert til 0,054 W/mK og 0,051 W/mK i tester med volumstrøm henholdsvis 0,28L/s og 0,33L/s. Videre ble metode for numerisk simulering av varmeoverføring med koaksialkollektor, i CFD-programvaren Solidworks flow simulation, utarbeidet. Simuleringsmetoden ble teste mot måledata fra de termiske responstestene. I siste del av oppgaven ble det dimensjonert og utformet et termisk borehullslager tilpasset enebolig i Ås. Det ble satt opp CAD-modell og analyseprosjekt for simulering av sesonglagring av solenergi i borehullslageret, basert må utarbeidet simuleringsmetode. Det ble dessverre ikke tid til å gjennomfør simuleringer av sesonglagring i borehullslageret innenfor tidsrammen av dette masterarbeidet.

Borehole thermal energy storage makes it possible to utilize solar energy for space heating in winter as well as summer. A borehole thermal energy storage mainly consists of a large volume of rock or soil, for thermal storage capacity, and a number of borehole heat exchangers for heat transfer to and from the storage volume. The technology has shown good results in large scale heating systems. In 2016 the construction of a test- and demonstration facility for small scale borehole thermal energy storage was initiated at NMBU. Appliance of solar heating systems with borehole seasonal storage, in Norwegian homes, could reduce demand for electric power considerably, even in the winter. The theme of this master thesis is heat transfer and seasonal storage of solar energy, in small scale borehole thermal energy storage. First, thermal resistance in a new coaxial borehole heat exchanger was tested in two thermal response tests. Thermal resistance in the borehole heat exchanger was estimated to 0,054 W/mK and 0,051 W/mK in tests with flowrates of respectively 0,285 L/s and 0,333 L/s. Further on, a method for simulation of heat transfer in coaxial borehole heat exchangers, in the CFD-software Solidworks flow simulation was established. The simulation method was testes by comparison of simulation results and measured temperature data from the practical tests. Finally, a borehole thermal energy storage was sized and designed to meet the space heating needs of a residence in Ås. A CAD-model and analysis project for simulation of seasonal storage of solar energy in the borehole thermal energy storage was established. Unfortunately, there were not enough time to carry out simulation with the model, within the timeframe of this thesis.