Testing av ulike optimaliseringsstrategier for bergvarmepumper

Abstract

Masteroppgaven omhandler ulike måter å optimalisere et bergvarmepumpeanlegg, bestående av vertikale varmevekslere koblet i parallell. Problemstillingen ble oppdelt slik at flere ulike strategier for optimalisering kunne utforskes. Til grunn for oppgaven ligger en allerede eksisterende kode som tar utgangspunkt i energioptimalisering av pumpen. Koden fokuserte på å finne de optimale volumstrømmene i hver varmeveksel, ved å ta utgangspunkt i den laveste oppnåelig trykkfall i systemet. Den laveste trykkfallet tok utgangspunkt i den predefinerte total systemstrømningshastighet i systemet.

Oppgaven forsøker å besvare tre ulike forskningsspørsmål.Første var å undersøke om det er rimelig å benytte andre verktøy, som er gratis og tilgjengelig for alle. I dette tilfellet ble den svært allsidige programmeringsspråket C++ benyttet, fordi C++ kan lett tilpasses mange ulike funksjonaliteter. C++ er et programmeringsspråk som kan kompileres og kjøres på flere ulike operativ systemer uten krav for omskriving av koden. Det forsøkes å omskrive og utvide den tilgjengelige Matlab koden uten å miste funksjonaliteten.

Den andre forskningsspørsmålet forsøke å koble opp den volumetriske optimaliseringen mot topografisk optimalisering, og finne en relasjon som kan være nyttig for fremtidig arbeid. Den opprinnelige koden ble forbedret og sju symmetrisk utformede caser ble utarbeidet og simulert. Alle anleggene hadde total rørføringslengde på 2000 meter. Den symmetriske utformingen av anlegget sikret at hver enkel varmeveksel i systemet hadde samme borelengde. Resulatet ble tre systemer som hadde fire varmevekslere hver boret 200meter dypt, to systemer som har tre varmevekslere der hver har en lengde på 333meter, og to systemeter som hadde to varmevekslere hver på 500m. Alle systemene har total volumetrisk strømningshastighet på 1.44l/s. Den ble beregnet ved å ta hensyn til den øvre grenseverdien på 0.72 l/s, fra den opprinnelige masteroppgaven. Den oppsamlede strømningen som passerer pumpen beveger seg frem til et fordelingspunkt der strømningen splittes til enhver varmeveksel i systemet. Væskestrømningen beveger seg nedover til den når bunnen av varmevekselen, på bunnen er det en U-formet bøyning som tvinger væskestrømmen oppover. Strømningene ut av enhver varmeveksel i systemet samles i samlekumen. Den oppsamlede strømningen beveger seg videre til pumpa, som hever trykket i fluidet og muliggjør kontinuerlig sirkulasjon.

Den tredje forskningsspørsmålet omhandlet utvidelse av koden med hensyn til varmetransport delen. Den totale resistansen R(t) mellom berggrunnen og den sirkulerende mediet i varmeveksleren ble estimert ved hjelp av en empirisk utledet Rb-funksjon som beregnet varmeoverføringen i selve varmeveksleren, og en G-funksjon som estimerte den tidsavhengige delen av varmeoverføringsprosessen som oppsto mellom veggen av varmeveksleren og berggrunnen. Den termiske responsen kunne estimeres bare for en enkel varmeveksel, derfor måtte det antas at avstanden mellom varmevekslerne var stor nok for å unngå termisk interferens. Den termiske responsen ble beregnet enkeltvis for enhver varmeveksel i systemet. Temperaturen ut av enhver varmveksel ble beregnet, og deretter benyttet for å beregne fellestemperaturen av strømningen etter samlekumen. Varmeutvinningen ble fremtilt visuelt for enhver case, både ved fordamperen og ved kondensatoren. Kostnadsanalyse ble også utført for å sammenligne utvinningskapasiteten og energiforbruket.

Forandring i temperatur skjer ikke øyeblikkelig. Det tar tid for varme å bevege seg gjennom de ulike underjordiske lagene. I tillegg har varmepumpeanlegget to driftsmodus, oppvarming og nedkjøling. Oppvarmingsbehovet dekkes ved opphenting av termisk energi og kjølingsbehovet dekkes ved dumping av termisk energi i berggrunnen. Uavhengig av modus vil den kontinuelige driften føre til forandringer i berggrunnens temperatur. Grafene presentert i masteroppgaven tar hensyn til temperaturendringen i løpet av en fyringssesong på seks måneder.

Den viktigste funnet fra forskningsarbeidet relatert til FS1 var at MATLAB har en interaktiv og brukervennlig grensesnitt som gjør den til en bedre egnet verktøy for beregning av tunge nummeriske oppgaver. Den har velutviklede verktøyskasser som egnes godt for optimaliseringsarbeidet. Videreutvikling av koden ble derfor utført i MATLAB.\par Funnene fra FS2 bekreftet påliteligheten til koden. Strømningshastighetene i hvert varmeveksel i systemet ble beregnet til å være like, dersom nettverkskonfigurasjonen har en symmetrisk utforming. Resultatende var som forventet og stemte godt med teorien.\par FS3 viste at varmeutvinningskapasiteten til systemene synker når lengden og strømningshastigheten på varmevekslerne reduseres, selv når antall varmevekslere i systemet øker. Systemer med få men lengre vertikale varmevekslere som har høyere strømningshastighet opplever størst trykkfall. Stor trykkfall resulterer i høyere strømsrelaterte kostnader, men til gjengjeld hentes det betydelig mer termisk varme ut av berggrunnen.