Thermal response tests influence of convective flow in groundwater filled borehole heat exchanger

Sammanfattning: Det huvudsakliga syftet med doktorsavhandlingen var att studera hur termiskt utlösta rörelser i grundvattnet (naturligt konvektivt flöde) påverkar värmetransporten i grundvattenfyllda borrhål och omkringliggande berg i ett system för bergvärme/kyla. Syftet var också att klargöra ifall termiska responstest kan användas för att upptäcka påverkan av det konvektiva flödet samt effekten på de utvärderade parametrarna för värmetransport; effektiv termisk konduktivitet i berget och borrhålets termiska resistans. För att öka kunskapen om hur konvektivt flöde påverkar värmeöverföringen i ett grundvattenfyllt borrhål gjordes numeriska 3D simuleringar i CFD (Computer Fluid Dynamics) med mjukvaran Fluent. Det visade sig att den naturliga konvektionen påverkade värdet på borrhålets termiska motstånd oavsett bergets karaktär (solitt eller sprucket). Detta motstånd minskade med ökande konvektivt flöde (beroende av densitetsgradienten) i borrhålet. Densitetsgradienten, och därmed konvektionen, påverkades av de uppnådda temperaturerna samt av det använda värmeflödet. Vid en vattentemperatur på 4ºC (maximal densitet) fick borrhålets resistans sitt maxvärde, vilket är i närheten för värdet för stillastående vatten. Under andra förhållanden kunde värmetransporten vara upp till 2,5 gånger högre, vilket sänkte resistansen med motsvarande faktor. Detta har studerats ytterligare med termiska responstest utförda i två borrhål vid Luleå tekniska universitet. Ett flertal flereffekts termiska responstest har körts, vilket är ett mätprotokoll där flera testperioder görs i en följd med olika tillförd värmeeffekt. Med detta protokoll kan påverkan av konvektivt värmeflöde upptäckas både för borrhålets termiska resistans och för den effektiva termiska konduktiviteten i berget. Det visade sig att den konvektiva påverkan enbart syntes i det konduktiva värdet i uppsprucket berget samt att ett större konvektivt värmeflöde ökade bergets effektiva värmekonduktivitet. De numeriska 3D simuleringarna användes även för att undersöka vissa vanliga förenklingar vid modellering av återfyllda borrhål, för att se om dessa också var lämpliga för grundvattenfyllda borrhål. Syftet var att finna förenklingar som möjliggör en enklare modell vid utvärdering av termiska responstest och vid dimensionering av system för bergvärme/kyla. Det visades att en modell med ekvivalent radie (borrhålsvärmeväxlaren ersätts av ett enskilt rör i mitten av borrhålet) istället för den mer komplexa geometrin med u-rör fungerande väl förutsatt att korrekt ekvivalent radie användes. För en total värmetransport, som tar med det konvektiva flödet, så ska den totala värmeöverförande ytan vara densamma som för u-rören. En annan förenkling som undersöktes var att använda ett randvillkor på yttre rörväggen istället för att simulera flödet inuti röret samt värmeflödet genom rörväggen. Det visades att de två vanliga randvillkoren, konstant temperatur och konstant värmeeffekt per kvadratmeter, gav likartade resultat vid användandet av total värmeöverföring men relativt olika resultat när endast konduktiv värmeberäkning användes. Det visade sig att ett konvektivt värmeflöde kunde ge relativt stora förändringar i de utvärderade värmetransportparametrarna. Det rekommenderades därför starkt att vid termiska responstest använda liknande mängd tillförd eller uttagen värme som i det planerade systemet. I Sverige använder de flesta system värmeuttag under delar av året. Därför har termiska responstest med värmeuttag ur grundvattenfyllda borrhål studerats. Det visade sig att vanliga utvärderingsmetoder inte gick att använda på grund av de stora variationerna i borrhålets termiska motstånd under mätningarna. Istället föreslogs en utvärderingsmetod där mättiden delades in i intervall och för varje intervall angavs ett nytt värde på borrhålsmotståndet. Samma numeriska modell som användes i den vanliga parameterutvärderingen för de andra mätningarna användes även här. Modellen kördes manuellt där varje nytt värde på borrhålets termiska resistans valdes så att den beräknande medelfluidtemperaturen för perioden matchade de uppmätta värdena. Det rekommenderas att använda intervall på 4 - 10 timmar beroende på hur snabbt medelfluidtemperaturen förändras under den aktuella perioden.