Syftet med detta arbete var att undersöka om olika utökningar av ett passivt borrhålslager kan påverka dess långsiktiga prestanda ur ett ekonomiskt samt ett tekniskt perspektiv. Målet var att genom överdimensionering av borrhålslagret försöka sänka de långsiktiga driftkostnaderna och därmed minska dess totala livscykelkostnader samt förlänga lagrets tekniska livslängd. För detta gjordes en fallstudie på ett projekterad borrhålslager belägen i Luleå kommun som projekterades av WSP till Alviksskolans alternativa bergvärmeanläggning. Borrhålslagret som från början består av 16 borrhål vardera med 300 meters djup utökades eller överdimensionerades genom addering av borrhål samt ökning av dess totala djup. Kombinationerna av dessa utökningsalternativ sammanställdes i olika fall som sedan utvärderades ekonomiskt samt tekniskt ur ett långtidsperspektiv. Fem olika fall undersöktes där ett borrhål adderades för varje fall med 16 borrhål som utgångspunkt i det första fallet upp till 20 borrhål i det femte fallet. Dessa kombinerades med tre olika borrhålsdjup på 300,- 350- samt 400 meter. Genom att addera borrhål samt öka dess totala djup kan medeltemperaturen av i borrhålslagret cirkulerande köldbärarvätskan ökas samt dess nedkylningstakt med åren minskas som kan förbättra bergvärmesystemets långsiktiga prestanda. Förbättringen av prestandan medför minskad energikonsumtion och därmed sänkta driftkostnader som under en längre tid kan medföra sänkta livscykelkostnader. För att se hur köldbärarvätskans temperatur i borrhålslagret påverkas hos de utökade fallen simulerades dess temperaturutveckling med hjälp av programvaran EED. Utifrån de simulerade temperaturprofilerna hos de utökade borrhålslagren räknades sedan den teoretiskt maximala COP ut samt dess degraderingstakt med tiden som för varje undersökta fall jämfördes med den ursprungligen projekterade lagrets uträknade maximala COP och dess degraderingstakt. På så sätt räknades en teoretisk procentuell förbättring fram av systemets långsiktiga prestanda hos de överdimensionerade fallen. Av dessa kunde sedan minskandet av energikonsumtionen hos de utökade fallen räknas ut varav dess livscykelkostnader kunde beräknas. Temperaturutvecklingen av köldbärarvätskan som simuleringarna visade hos de undersökta fallen plottades också upp i grafer för att se hur borrhålslagrets tekniska livslängd påverkas av de applicerade utökningarna. Resultaten visar att det långsiktigt inte är lönsamt att överdimensionera ett borrhålslager utifrån de beräknade livscykelkostnaderna. Hos alla de studerade fallen är livscykelkostnaderna av de överdimensionerade borrhålslagren alltid högre än av den ursprungligen projekterade borrhålslagret vilket resulterar alla dessa i ekonomiska förluster i slutändan. Det beror på de höga extra investeringskostnaderna som olika utökningar av borrhålslagret medför vilket inte kan kompenseras av den minskade energikonsumtionen. Tekniska livslängden förlängs däremot hos alla utökade fall vilket är en teknisk fördel som kan framtidssäkra borrhålslagret. Generellt presterar utökning mot djupet bättre än utökning av adderade borrhål både ur ett ekonomiskt och ett tekniskt perspektiv. Då energikonsumtionen minskar hos alla de undersökta utökade fallen blir också borrhålslagret mindre beroende av extern elproduktionen som indirekt kan minska användningen av fossila bränslen. Reducering av fossila bränslen till elproduktion kan därmed mildra koldioxidutsläppet och sakta ner globala uppvärmningen. Slutsatsen som kan alltså dras är att överdimensioneringen av ett borrhålslager i norra Sverige är ekonomiskt inte en fördelaktig investering på grund av de höga investeringskostnaderna som detta medför. Förlängningen av den tekniska livslängden samt minskandet av externa elproduktionen kan däremot vara fördelaktigt i längden.Arbetet begränsas av just den specifika fallstudien som görs på Alviksskolans projekterade bergvärmeanläggning. Den specifika platsen gör att endast unika utformningar kan appliceras på den tillgängliga ytan som tillsammans med platsspecifika klimatet gör att resultaten av denna studie inte kan generaliseras för andra borrhålslager belägna på andra platser. Framtida arbeten inom ämnet skulle därför kunna undersöka överdimensioneringar i andra klimat samt utvärdera långsiktiga effekterna av färre borrhål i kombination med djupare borrningar. / The purpose of this work was to investigate whether different expansions of a geothermal borehole field can affect its long-term performance from an economical as well as a technical perspective. The goal was to try to reduce the long-term operating costs and reduce its total life cycle costs by over-dimensioning the borehole field, as well as extending its technical lifetime. For this, a case study was made on a projected borehole field in Luleå municipality which was designed by WSP for Alviksskolan's alternative ground source heat pump (GSHP) system. The borehole field, which initially consists of 16 boreholes each with a depth of 300 meters, was expanded or over-dimensioned by adding boreholes and increasing their total depth. The combinations of these expansion options were compiled in different cases, which were then evaluated economically and technically from a long-term perspective. Five different cases were investigated where a borehole was added for each case with 16 boreholes as a starting point in the first case up to 20 boreholes in the fifth case. These were combined with three different borehole depths of 300, 350 and 400 meters. By adding boreholes and increasing their total depth, the average temperature of the coolant circulating in the boreholes can be increased and its cool-down rate reduced over time, which can improve the long-term performance of the GSHP system. The improvement in performance leads to reduced energy consumption and thus lower operating costs, which over a longer period can lead to lower life cycle costs. To see how the temperature of the coolant in the boreholes is affected when the cases are extended, its temperature development over time was simulated using the EED software. Based on the simulated temperature profiles of the extended borehole fields, the theoretical maximum COP and its degradation rate over time were then calculated, which for each investigated case were compared with the calculated maximum COP of the originally dimensioned borehole field and its degradation rate. In this way, a theoretical percentage improvement of the system's long-term performance in the oversized cases could be achieved. From these, the reduction in energy consumption of the extended cases could then be calculated, from which its life cycle costs could be acquired. The temperature evolution of the coolant obtained from the simulations of the investigated cases was also plotted in graphs to see how the technical life of the borehole layer is affected by the applied expansions. The results show that in the long term it is not financially profitable to oversize a well-dimensioned borehole field based on the calculated life cycle costs. For all the studied cases, the life cycle costs of the oversized variants are always higher than for the originally dimensioned borehole field, which results all these in financial losses in the long-term. This is due to the high additional investment costs that various expansions of the borehole field entail, which cannot be compensated by the reduced energy consumption. However, the technical lifetime is extended in all the extended cases, which is a technical advantage that can future proof the borehole field. In general, expansion towards depth performs better than expansion of added boreholes from both an economic and a technical perspective. As energy consumption decreases in all the investigated expanded cases, the borehole also becomes less dependent of external electricity production which can indirectly lower the usage of fossil fuels. Reduction of fossil fuels for electricity production can thus mitigate CO2 emissions and slow down global warming. The conclusion that can thus be drawn is that the over-dimensioning of a borehole field in northern Sweden is not economically an advantageous investment due to the high investment costs involved. The extension of the technical lifespan and the reduction of external electricity production can, however, be beneficial in the long run.The work is limited by the specific case study that is done on Alviksskolan's projected GSHP system. The specific location means that only unique designs can be applied to the available land area at the school which together with the site-specific climate means that the results of this study cannot be generalized to other borehole fields in other locations. Thus, future work on the subject could investigate oversizing in other climates as well as evaluate long-term effects of fewer boreholes in combination with deeper drilling.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:umu-214474 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Pázsit, Levente |
| Publisher | Umeå universitet, Institutionen för tillämpad fysik och elektronik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0112 seconds