Lämpökaivokenttä lämmönlähteenä
Lahti, Tommi (2013)
Lahti, Tommi
2013
Ympäristö- ja energiatekniikan koulutusohjelma
Luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2013-12-04
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201312191522
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201312191522
Tiivistelmä
Maalämpöpumppu siirtää lämpöä maa- tai kallioperästä ja nostaa lämmönsiirtoaineen lämpötilaa käyttökohteen vaatimusten mukaan. Rakennus ja käyttövesi lämpiävät lämpöpumpun tuottamalla lämpöenergialla. Lämpö voidaan kerätä pystysuoralla lämpökaivolla kallioperästä ja vaakasuoralla lämmönkeruupiirillä maaperästä. Vaakasuora lämmönkeruupiiri asetetaan muutaman metrin syvyyteen ja pystysuora lämpökaivo porataan yleensä maksimissaan noin 200 metriin, mutta poraaminen 300 metriin on mahdollista. Lämmönkeruupiirin voi myös asettaa järven pohjalle tai sedimenttiin. Maan pintakerroksista kerätty lämpö on peräisin Auringosta ja syvemmältä kerätty lämpö on geotermistä energiaa. Aurinko lämmittää Maan pintakerroksia ja geoterminen energia syntyy syvällä Maan sisällä.
Diplomityössä esitetään lämmönsiirtoa lämpökaivossa ja sen ympäristössä eri mallien avulla. Mallit olettavat, että lämpö siirtyy maa- tai kallioperästä lämmönsiirtoputkeen vain johtumalla. Lämmönsiirtoa voidaan arvioida lämpökaivon lämpövastuksella. Lämpökaivon lämpövastus voidaan ratkaista analyyttisesti, numeerisesti, kokeellisesti tai lämpöpiirimenetelmällä. Lämmönsiirtoon lämpökaivossa vaikuttavat eri asiat. Vierekkäiset kaivot vaikuttavat toistensa toimintaan. Pohjaveden virtaus ja luonnollinen konvektio pohjavedellä täytetyssä lämpökaivossa voivat tehostaa lämmönsiirtoa kallioperästä. Pohjavesi voi kuljettaa lämpöä kaivoon, mikä voi tehostaa kaivon toimintaa huomattavasti. Kallioperän rakenne ja koostumus vaikuttavat lämmönsiirtoon lämpökaivon ympäristössä. Työssä esitellään erilaisia lämmönkeruuputkia, esimerkiksi tavallinen U-putki ja koaksiaaliputki.
Earth energy designer -ohjelmalla (EED) mitoitetaan lämpökaivoja kohteen lämmöntarpeen ja sijainnin mukaan. EED:llä tutkitaan myös Nokian Pitkäniemessä sijaitsevan pystysuoran lämpökaivokentän toimintaa ja mitoitetaan optimaalinen lämpökaivokenttä.
Maa- ja kaukolämpö kilpailevat samoista asiakkaista. Kaukolämpömarkkinoiden kilpailun sallimista on tutkittu eri malleilla. Mallit ovat säädetty kolmannen osapuolen markkinoille tulo (RTPA), neuvoteltu kolmannen osapuolen markkinoille tulo (NTPA) ja yksi ostaja -malli (SBM). Wårellin & Sundqvistin (2009) mukaan kaukolämpöverkon avaaminen kilpailulle pitäisi aloittaa suuressa paikallisessa verkossa, kuten Ruotsissa on toimittu Tukholman kaukolämpöverkon osalta. Kilpailua esiintyy paikallisilla kaukolämpömarkkinoilla Tukholmassa ja Kööpenhaminassa. Suomessa paikallisilla kaukolämpöyhtiöillä on luonnollinen monopoli, joten Suomessa ei ole kilpailua kaukolämpömarkkinoilla. The ground source heat pump’s function is to transfer heat from the ground and raise the temperature of the heat carrier fluid according to the subject in question. Space heating and domestic household water are the main applications of heat. Heat is collected from the ground with a vertical borehole heat exchanger and with a horizontal heat exchanger. The horizontal heat exchanger is set few meters underground. The vertical borehole heat exchanger can be placed from 200 to 300 meters underground. It is possible to place the horizontal heat exchanger pipe to the bottom of a lake or in the sediment layer. The heat collected from the surface layers of the Earth originates from the Sun and the heat collected from the deeper layers is called geothermal heat.
This Master’s thesis explores heat transfer within a borehole and in its surroundings with different models. The hypothesis of the models is that heat transfers from the ground to the heat exchanger pipe by conduction. Heat transfer can be modeled with borehole’s heat resistance. The resistance of a borehole can be solved analytically, numerically, experimentally or with a thermal circuit method. The heat transfer process in a borehole is affected with different factors. Contiguously placed boreholes have an effect on each other’s function. The flow of the groundwater and natural convection in a borehole filled with groundwater may have an effect on heat transfer from the bedrock. The groundwater transfers heat to the borehole which may accelerate its function significantly. The structure and consistency affect on heat transfer in the surroundings of the borehole heat exchanger. Different types of heat exchange pipes, such as U pipe and coaxial pipe, are presented in this Master’s thesis.
Earth energy designer (EED) software is designed to size boreholes according to the need of heat and location. In Pitkäniemi in Nokia region, EED is used to explore the function of borehole heat exchanger field and to size the optimal a new borehole heat exchanger field.
Geothermal heating and district heating are competing in the same market. Different models have been developed in order to permit the competition among district heating market. These models include regulated third party access (RTPA), negotiated third party access (NTPA) and single buyer model (SBM). According to Wårell & Sundqvist (2009) market opening in local district heating ought to be started of larger district heating networks. For instance there is competition on a certain level among local district heating market in Stockholm and Copenhagen. Currently there is no competition among the local district heating companies in Finland.
Diplomityössä esitetään lämmönsiirtoa lämpökaivossa ja sen ympäristössä eri mallien avulla. Mallit olettavat, että lämpö siirtyy maa- tai kallioperästä lämmönsiirtoputkeen vain johtumalla. Lämmönsiirtoa voidaan arvioida lämpökaivon lämpövastuksella. Lämpökaivon lämpövastus voidaan ratkaista analyyttisesti, numeerisesti, kokeellisesti tai lämpöpiirimenetelmällä. Lämmönsiirtoon lämpökaivossa vaikuttavat eri asiat. Vierekkäiset kaivot vaikuttavat toistensa toimintaan. Pohjaveden virtaus ja luonnollinen konvektio pohjavedellä täytetyssä lämpökaivossa voivat tehostaa lämmönsiirtoa kallioperästä. Pohjavesi voi kuljettaa lämpöä kaivoon, mikä voi tehostaa kaivon toimintaa huomattavasti. Kallioperän rakenne ja koostumus vaikuttavat lämmönsiirtoon lämpökaivon ympäristössä. Työssä esitellään erilaisia lämmönkeruuputkia, esimerkiksi tavallinen U-putki ja koaksiaaliputki.
Earth energy designer -ohjelmalla (EED) mitoitetaan lämpökaivoja kohteen lämmöntarpeen ja sijainnin mukaan. EED:llä tutkitaan myös Nokian Pitkäniemessä sijaitsevan pystysuoran lämpökaivokentän toimintaa ja mitoitetaan optimaalinen lämpökaivokenttä.
Maa- ja kaukolämpö kilpailevat samoista asiakkaista. Kaukolämpömarkkinoiden kilpailun sallimista on tutkittu eri malleilla. Mallit ovat säädetty kolmannen osapuolen markkinoille tulo (RTPA), neuvoteltu kolmannen osapuolen markkinoille tulo (NTPA) ja yksi ostaja -malli (SBM). Wårellin & Sundqvistin (2009) mukaan kaukolämpöverkon avaaminen kilpailulle pitäisi aloittaa suuressa paikallisessa verkossa, kuten Ruotsissa on toimittu Tukholman kaukolämpöverkon osalta. Kilpailua esiintyy paikallisilla kaukolämpömarkkinoilla Tukholmassa ja Kööpenhaminassa. Suomessa paikallisilla kaukolämpöyhtiöillä on luonnollinen monopoli, joten Suomessa ei ole kilpailua kaukolämpömarkkinoilla.
This Master’s thesis explores heat transfer within a borehole and in its surroundings with different models. The hypothesis of the models is that heat transfers from the ground to the heat exchanger pipe by conduction. Heat transfer can be modeled with borehole’s heat resistance. The resistance of a borehole can be solved analytically, numerically, experimentally or with a thermal circuit method. The heat transfer process in a borehole is affected with different factors. Contiguously placed boreholes have an effect on each other’s function. The flow of the groundwater and natural convection in a borehole filled with groundwater may have an effect on heat transfer from the bedrock. The groundwater transfers heat to the borehole which may accelerate its function significantly. The structure and consistency affect on heat transfer in the surroundings of the borehole heat exchanger. Different types of heat exchange pipes, such as U pipe and coaxial pipe, are presented in this Master’s thesis.
Earth energy designer (EED) software is designed to size boreholes according to the need of heat and location. In Pitkäniemi in Nokia region, EED is used to explore the function of borehole heat exchanger field and to size the optimal a new borehole heat exchanger field.
Geothermal heating and district heating are competing in the same market. Different models have been developed in order to permit the competition among district heating market. These models include regulated third party access (RTPA), negotiated third party access (NTPA) and single buyer model (SBM). According to Wårell & Sundqvist (2009) market opening in local district heating ought to be started of larger district heating networks. For instance there is competition on a certain level among local district heating market in Stockholm and Copenhagen. Currently there is no competition among the local district heating companies in Finland.