Sesonglagring av solvarme i termisk borehullslager : vurdering av sentrale systemkomponenters ytelse

Abstract

This thesis presents a method for seasonal storage of solar energy based on solar collectors combined with borehole thermal energy storage (BTES). A borehole thermal energy storage system consists of multiple borehole heat exchangers in an underground structure of soil and/or rock. Heat transfer fluid circulating through the system provides heat from the solar collectors to the thermal energy storage. By injecting thermal energy in the summer and extracting it in the winter, solar thermal energy can be utilized throughout the year. The object of this thesis was to evaluate thermal properties in different ground materials and their suitability for thermal energy storage. The effect of groundwater movement and different soil conditions in the energy storage area was evaluated. Advice was given to how the borehole field and thermal energy storage should be constructed. In addition to this, it has been looked in to how different operation situations effects key systems components. Investigations of heat transfer capacity in clay and dense rock could neither prove or dismiss any difference between the two materials. Borehole thermal energy storage in clay will theoretically have higher storage efficiency due to lower thermal conductivity and thermal diffusivity compared to dense rock. However, the same thermal properties may result in lower capacity to absorb and release heat at a rate sufficient to meet the requirements from the solar collector system in the summer and from the load in the winter. For borehole thermal energy storage in clay, risks associated with heating of clay must be taken in to consideration. Experiments demonstrate that the thermal shunt increases with decreasing flow rate in coaxial borehole heat exchangers where the flow conditions is laminar in the annular space and turbulent in the central pipe. Estimated vertical temperature profiles for water in the central pipe shows that approximately half of the thermal shunt flow appears in the upper third of the borehole. Solar irradiance data and air temperature measurements from Søråsfeltet weather station in Ås has been used to evaluate solar energy potential for solar collectors. The solar collector systems response to different operating situations in borehole thermal energy storage is evaluated and the importance of adequate radiation area is emphasized.

Sesonglagring av termisk energi gir muligheter for å utnytte termisk solenergi gjennom hele året. I denne masteroppgaven sees det nærmere på et system der solvarme lagres i termiske borehullslagre. Konseptet går i korte trekk ut på å omforme strålingsenergi fra solen til termisk energi som lagres i et volum av berggrunn og/eller løsmasser under jordskorpen. Borebrønner med varmevekslere benyttes for å overføre varme til og fra det termiske lageret. Energilageret utgjør en sentral del av systemet og kunnskap rundt dette er essensielt for riktig dimensjonering av anlegget. I denne masteroppgaven sees det nærmere på ulike egenskaper ved løsmasser og berggrunn som lagringsmateriale for termisk energi. Effekten av grunnvann og ulike termiske egenskaper ved de forskjellige materialene er vurdert. Videre gis det råd om hvordan brønnparken og termiske borehullslagre bør dimensjoneres i ulike geologiske materialer. I tillegg til dette er det vurdert hvordan ulike driftssituasjoner i anlegget påvirker blant annet termisk kortslutning i energibrønnene, energibrønnenes effektoverføringskapasitet og solfangeranleggets virkningsgrad. Forsøk for sammenligning av effektoverføring og termisk overføringsmotstand i leire og fjell kunne verken påvise eller utelukke forskjeller på de to geologiske materialene. Leire har generelt lavere termisk ledningsevne og diffusivitet enn fjell, og vil derfor være et teoretisk bedre lagringsmateriale for termisk energi på den måten at lagerets gjenvinningsgrad vil være høyere enn i fjell. Effektoverføringskapasiteten i leire vil derimot være dårligere enn i berggrunn grunnet lav termisk ledningsevne. Dette gjør at et termisk lager i leire vil respondere dårligere på høye effektkrav fra lasten og høy effekttilførsel fra solfangeranlegget. Ved etablering av termiske borehullslagre i leire må det også tas hensyn til varmetilførselens påvirkning på leirens geotekniske egenskaper i form av ustabiliteter og setninger. Resultater fra forsøk viser at den termiske kortslutningen i energibrønner med koaksialkollektor øker med redusert strømningshastighet. Dette gjelder for energibrønner der strømningsforholdet er laminært i ytre kanal og transturbulent eller fullt utviklet turbulent i indre rør. Estimerte temperaturprofiler for arbeidsvæsken i koaksialkollektorens indre rør viste at omkring halvparten av kortslutningseffekten ble overført i øvre tredjedel av energibrønnen. Meteorologiske data fra forskningsstasjonen på Søråsfeltet i Ås ble benyttet for vurdering av solenergipotensial i et område. Solfangeranleggets respons på ulike driftssituasjoner i et termisk borehullslager ble vurdert og kommentert. Viktigheten av tilstrekkelig innstrålingsareal fremheves. Det gis råd om videre arbeid knyttet til systemregulering og design av solfangeranlegg i tilknytning til termiske borehullslagre for sesonglagring av solvarme.