Koaksiaalisen lämpövarastokaivon lämmönsiirto ja simulointi

Abstract

Lämmitysenergian tarve vaihtelee voimakkaasti vuodenaikojen mukaan. Energiajärjestelmälle on eduksi, jos tätä vaihtelua pystytään tasamaan. Eräs ratkaisu tähän ovat lämpövarastokaivot. Kandidaatintyössä perehdytään syviin lämpövarastokaivoihin, jotka ovat rakenteeltaan koaksiaalisia. Erityisesti tarkastellaan niiden lämmönsiirtoa ja siihen vaikuttavia tekijöitä, sekä tutustutaan kaivon toiminnan mallintamiseen. Mallinnus on edellytys esimerkiksi kaivon suorituskyvyn ja näin lämpövarastokaivoprojektin kannattavuuden arvioimiseksi. Yksinkertainen simulaatio toteutetaan Ansys Fluent-ohjelmalla.

Lämpövarastokaivon lämmönsiirto on luonteeltaan kaksiulotteista ja transienttia. Tärkein kaivon toimintaan vaikuttava ja samalla sen tehoa rajoittavin tekijä on kallion lämmönjohtavuus. Muut geologiset olosuhteet voivat olla paikallisesti merkittäviä. Kaivoa voidaan mallintaa analyyttisilla tai numeerisilla menetelmillä. Analyyttiset menetelmät vaativat merkittäviä yksinkertaistuksia, mutta soveltuvat pitkien aikaskaalojen simulointiin. Täsmällisempi malli vaatii numeeristen menetelmien, kuten CFD:n käyttöä.

Työssä luotiin 2 km syvästä koaksiaalisesta lämpövarastokaivosta aksiaalissymmetrinen 2D-malli, ja sen toimintaa simuloitiin 28 vrk mittaisten lataus- ja purkujaksojen ajan. Vakio massavirralla 10 kg/s mallia voitiin ladata 622 kW ja purkaa 696 kW keskimääräisillä tehoilla. Tulokset ovat oletuksiin nähden melko realistisia, mutta tehot ovat liian suuria lämpövaraston pitkän aikavälin toiminnan kannalta. Lämpövarastokaivon simulointi on mahdollista Fluent-ohjelmalla, mutta se ei monessa tapauksessa ole tähän soveltuvin työkalu.

There is significant seasonal variation in demand for heating. The ability to level the variation is in the interest of energy systems. One solution for this is energy storage in boreholes. This bachelor’s thesis explores deep borehole thermal energy storages, which are coaxial in structure. Special interest is given to heat transfer and the properties affecting it in these boreholes, as well as modelling of them. Modelling is a prerequisite for any performance analysis and, for instance, profitability assessment for an energy storage project. Here a simple simulation is created with Ansys Fluent.

Heat transfer in borehole thermal energy storage is transient and two-dimensional in nature. The single most important factor affecting as well as limiting the performance of a borehole is the thermal conductivity of bedrock. Other geological factors can be locally significant. Both analytical and numerical methods exist for modelling these boreholes. Analytical methods require significant simplifications but are suitable for long-term simulations. More detailed models necessitate the use of numerical methods such as computational fluid dynamics.

For this thesis an axisymmetric 2D-model of a 2 km deep borehole heat exchanger was created, and its operation was simulated for 28-day charging and discharging periods. With a steady 10 kg/s mass flow rate the model was charged with 622 kW and discharged with 696 kW average power. The results are quite realistic given the assumptions, but the powers are too high for the long-term function of the energy storage. It is possible to simulate borehole thermal energy storage with Fluent. However, in many cases it is not the most practical tool for this.