Det här verket har digitaliserats vid Göteborgs universitetsbibliotek och är fritt att använda. Alla tryckta texter är OCR-tolkade till maskinläsbar text. Det betyder att du kan söka och kopiera texten från dokumentet. Vissa äldre dokument med dåligt tryck kan vara svåra att OCR-tolka korrekt vilket medför att den OCR-tolkade texten kan innehålla fel och därför bör man visuellt jämföra med verkets bilder för att avgöra vad som är riktigt. Th is work has been digitized at Gothenburg University Library and is free to use. All printed texts have been OCR-processed and converted to machine readable text. Th is means that you can search and copy text from the document. Some early printed books are hard to OCR-process correctly and the text may contain errors, so one should always visually compare it with the ima- ges to determine what is correct. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 C M Rapport R33:1988 Teknikutveckling för värmelagring med vertikala rör i jord och berg Peter Wilén e . Anders Johansson Ingvar Rhen INSTITUTET FÖR' BYGGDÛKIMN1A s 10». Accnr PJaa R33:1988 TEKNIKUTVECKLING FÖR VÄRMELAGRING MED VERTIKALA RÖR I JORD OCH BERG Peter Wilén Anders Johansson Ingvar Rhen Denna rapport hänför sig till forskningsanslag 840591-5 från Statens råd för byggnadsforskning till Geologiska institutionen, Chalmers tekniska högskola, Göteborg. REFERAT Rapporten är slutrapport för ett samarbetsprojekt mellan Jordvärmegruppen på CTH och Danmarks Geotekniske Institut i Lyngby. Projektet behandlar metoder att anlägga värme­ lager i mark med vertikala rörsystem. Projektets första del är redovisad i rapporten "Metoder och kostnader för anläggande av värmelager i mark med vertikala rör. För­ studie". Den är utgiven i Jordvärmegruppens vid CTH serie, nr 21 1986. I den redovisas en inventering av neddrivnings- och borrningsmetoder för värmeväxlare i lös lera och berg, jämförelser mellan olika typer av värmeväxlare samt kost­ nadsberäkningar . Samarbetsprojektet redovisas med två separata slutrapporter, en för varje land och detta är slutrapporten för den svenska delen. Den innefattar resultat från utförda ned­ dri vningsförsök i lera samt kostnadsberäkningar. Den nya tekniken som utvecklats vid CTH för att sätta enkla U-rör i lera baseras på att U-röret sätts ned oskyd­ dat i ett moment med en neddrivningslans. Neddrivnings- metoden fungerade utmärkt på försöksplatserna i Söder­ köping och Göteborg och neddrivning gjordes ned till 18 m djup med pålkran. I Söderköping gjordes en kapacitetstest som visar på att 120 U-rör per dag går att sätta med en pålkran. Kostnadsmässigt innebär de nya neddrivningsmetoderna att ett lager i lera kan byggas till lägre kostnad än tidigare. Ett lager med enkla U-rör med ett hålavstånd på ca 2 m kan byggas för ca 8 kr/m3 eller ca 40 kr per meter nedstick, oisolerat i markytan. I Byggforskningsrådets rapportserie redovisar forskaren sitt anslagsprojekt. Publiceringen innebär inte att rådet tagit ställning till åsikter, slutsatser och resultat. Denna skrift är tryckt på miljövänligt, oblekt papper. R33:1988 ISBN 91-540-4882-6 Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm Svenskt Tryck Stockholm 1988 INNEHALL FÖRORD SAMMANFATTNING INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 INLEDNING 1 1.1 Beskrivning av projektet 1 1.2 Sammanfattning av förstudien 2 2 NEDDRIVNINGSMETODER I LERA 4 2.1 Tidigare använda metoder 4 2.2 Utveckling av neddrivningsmetoder 5 3 FÄLTFÖRSÖK I SÖDERKÖPING 8 3.1 Geotekniska förhållanden 8 3.2 Neddrivning med dubbla U-rör (BPA) 9 3.3 Neddrivningsförsök med enkla U-rör (CTH) 11 3.4 Kapacitetstest (CTH) 18 4 FÖRSÖK I GÖTEBORG, SÄVEDALEN 18 4.1 Geotekniska förhållanden 18 4.2 Utförda försök med enkla U-rör (CTH) 19 5 BELASTNING PA SLANG VID NEDDRIVNING I LERA 20 5.1 Beskrivning av belastningen 20 5.2 Allmänna egenskaper för polyetenrör 20 5.3 Hål 1fasthetsegenskaper för polyeten 21 5.4 Fältmätningar av töjning och spänning i slangen vid neddrivning 28 5.5 Spänningar i slangen i förhållande till lerans skjuvhållfasthet 30 6 NEDDRIVNINGSFÖRSÖK UTFÖRDA AV DGI 34 6.1 Inledning 34 6.2 Beskrivning av försöksmetoder och resultat 34 6.3 Kostnader 35 7 VÄRMEÖVERFÖRING MELLAN FLUID OCH LAGER 36 7.1 Allmänt 36 7.2 Jämförelse mellan olika typer av värmeväxlare 40 ANLÄGGNINGSKOSTNAD FÖR VÄRMELAGER MED VERTIKALA RÖR 43 8.1 Allmänt 43 8.2 Anläggningskostnad för lager i lera 45 8.3 Kostnader för lager i moränlera och berg 54 9 SLUTSATSER 56 9.1 Lager med vertikala rör i lera 56 REFERENSER 58 BILAGA 60 FÜRORD Föreliggande rapport är slutrapport för ett samarbetsprojekt mel­ lan Jordvärmegruppen på CTH och Danmarks Geotekniske Institut (DGI) i Lyngby. Projektet behandlar metoder att anlägga värmela­ ger i mark med vertikala rörsystem. Projektets första del är re­ dovisad i rapporten "Metoder och kostnader för anläggande av vär­ melager i mark med vertikala rör. Förstudie". Den är utgiven i Jordvärmegruppens vid CTH serie, nr 21 1986. I den redovisas en inventering av neddrivnings- och borrningsmetoder för värmeväxla­ re i lös lera och berg, jämförelser mellan olika typer av värme­ växlare samt kostnadsberäkningar. Samarbetsprojektet redovisas med två separata slutrapporter, en för varje land och detta är slutrapporten för den svenska delen. Den innefattar resultat från utförda neddrivningsförsök i lera samt kostnadsberäkningar. I projektet har Bernt Bäckström varit projektledare för den svenska delen. I projektet har förutom DGI även högskolorna i Luleå och Lund, BPA, Göteborgs Betongpålar samt Statens Geotek- niska Institut (SGI) medverkat. Vi tackar Mogens Porsvig och Ellis Sörensen vid DGI, och alla andra som medverkat i projektet för ett gott samarbete. Göteborg i juni 1987 Peter Wilén SAMMANFATTNING Samarbetsprojektet behandlar neddrivningsmetoder för värmeväxlare i lera, sand/silt, moränlera och berg samt kostnaderna för att bygga värmelager för säsongslagring. I en förstudie till den svenska delen av projektet konstaterades kostnadsläget och tek­ nikläget för lager med vertikala rör i lera, sand och berg, och i detta projekt har en metod för enkla U-rör i lera utvecklats och provats. Samtidigt har BPA utvecklat en metod för dubbla U-rör i lera som också redovisas. Danmarks Geotekniske Institut (DGI) har provat tre olika metoder i sand och moränlera. En samlad framställning av projektets resultat framgår av nedan­ stående figur. Kostnadsberäkningarna gäller dels en mindre an­ läggning med värmepump på 5-10 kW till ett enbostadshus (stapel A, C, E), dels ett större värmelager med en lagerkapacitet på ca 500 MWh vid 10°C temperaturutnyttjande i lagret (stapel B, D, E). Lagren är jämställda ur värmeöverföringssynpunkt och är inte isolerade i markytan. För det större lagret ingår även en admi­ nistrationskostad på 10%. KOSTNAD PER METER HÅL 180 - - 160- 100 - LOS LERA MORÄN LERA BERG Den nya tekniken som utvecklats vid CTH för att sätta enkla U-rör i lera baseras på att U-röret sätts ned oskyddat i ett moment med en neddrivningslans. Genom att använda en neddrivningslans med en slank profil och en speciell spets som skyddar slangens nedre del och bereder väg kan dragkrafterna som uppstår på slangen minime- ras. Neddrivningsförsök har utförts i Söderköping och i Sävedalen i Göteborg. Försöken i Söderköping gjordes i en lera med inslag av silt och sandskikt som tilltog mot djupet. I Sävedalen gjordes försöken i en helt annan typ av lera, en lös lera som närmast kan beskrivas som en kvicklera. Neddrivningsmetoden fungerade utmärkt på båda försöksplatserna och gjordes ned till 18 m djup med pål- kran. I Söderköping gjordes en kapacitetstest som visar på att 120 U-rör per dag går att sätta med en pålkran. Töjningarna på slangarna vid neddrivningen mättes vid båda för­ söksplatserna. I Sävenäs blir påfrestningen på slangen liten (neddrivningslansen sjönk av sin egen och hejarens vikt till fullt djup i den lösa leran). Sand och siltskikten i leran i Sö­ derköping gjorde att neddrivningen på slutet måste göras genom att slå med hejaren varvid töjningen på slangen vid ett tillfälle blev på gränsen till vad som kan tillåtas. BPA:s metod med dubbla U-rör användes vid bygget av värmelagret i Söderköping. Med metoden sätts dubbla U-rör ned helt skyddade till 18 m djup med pålkran. Kapaciteten var i genomsnitt 25 dubb­ la U-rör per dag till 18 m djup. Kostnadsmässigt innebär de nya neddrivningsmetoderna att ett la­ ger i lera kan byggas till lägre kostnad än tidigare. De båda metoderna bör gå att använda för ett lagerdjup på 25 m (den hög­ sta höjd som en pålkran enkelt kan förlängas till) med bibehållen kapacitet. Då kan ett lager med enkla U-rör med ett hål avstånd på 3 ca 2 m byggas för ca 8 kr/m eller ca 40 kr per meter nedstick, oisolerat i markytan. En utveckling av kopplingar och lednings­ system i markytan kan ytterligare sänka kostnaden. För att lagret ska vara intressant vid högre lagringstemperaturer måste metoder att isolera lagret mot förluster uppåt studeras. 11 INLEDNING 1.1 Beskrivning av projektet Projektets syfte var att undersöka metoder för att anlägga värme­ lager i berg, sand/silt och lera. Uppdelningen av projektet har varit att Danmark undersökt medelfasta och fasta jordtyper (sand, silt och moränlera) och Sverige lös lera och berg. Inom projektet har fyra samarbetsmöten hållits, 1984 två möten den 24 januari på CTH och den 10 oktober på DGI, 1985 den 5 sep­ tember på CTH och det sista mötet den 3 september 1987 på DGI. I projektets första del gjordes en inventering av olika metoder samt kostnadsberäkningar för värmelager i lera, sand/silt och berg. Resultaten från den första delen visade att det är två del­ kostnader som är mest intressanta att försöka reducera. Det gäl­ ler kostnader för neddrivning och borrning samt rör- och samman­ kopp! ingskostnader. Den andra delen av projektet som denna rapport gäller innefattar utveckling av metoder och neddrivningsförsök i lera. Parallellt har motsvarande borrnings och neddrivningsförsök gjorts i sand/ silt och moränlera av DGI i Danmark. DGI:s arbete är mycket kort­ fattat beskrivet i kapitel 6 i denna rapport. Utifrån resultaten från försöken har nya kostnadsberäkningar för värmelager med ver­ tikala rör utförts. Den första delen av projektet var huvudsakligen inriktad på låg- temperaturlager i mark med värmepump. Det är dock även intressant att lagra värme vid högre temperaturer, t ex lagring av spillvär­ me och solvärme. Vid lagring vid högre temperaturer än 15-20°C måste olika möjligheter att isolera lagrets överyta undersökas. Det har inte ingått i detta projekt men är en väsentlig punkt vid denna typ av lagring. Det gäller speciellt om värmepump inte an­ vänds vilket ställer höga krav på lagertemperaturen vid energiut­ tag under uppvärmningssäsongen. 2Den danska slutrapporten med titeln "Vertikale jordslanger - Ned- bringingsmetoder" är utgiven i Energiministeriets värmepumpforsk­ ningsprogram rapportserie. Rapporten distribueras genom Tekniska Institutets förlag. 1.2 Sammanfattning av förstudien Kostnaden för att anlägga ett värmelager i mark med vertikala rör som värmeväxlare kan huvudsakligen delas upp i tre delar: 1. Borrning och neddrivning av de vertikala rören, värmeväxlar­ na. 2. Hopkoppling av de vertikala rören med horisontella samlings- ledningar i markytan. 3. Arbeten i markytan, schaktning, återställning och eventuell isolering. Neddrivningen av värmeväxlare kan i lös lera göras genom ned- pressning av en ihålig påle eller lans med en speciellt utformad spets som skydd. I friktionsmaterial kräver neddrivningen jämfört med lera större och dyrare maskiner, eventuellt med rotation, spolning och vibrering. I det svenska urberget är hammarborrning med topp- eller sänkham- mare dominerande. Idag sker brunnsborrning nästan uteslutande med sänkhammarriggar i dimensionen 4.5"-6.5" ned till ca 200 m djup. Den hydrauldrivna topphammarriggen har dock klara fördelar vid mindre dimensioner (<3") och håldjup under 75 m. Borrningskost- naden för mindre borrhålslager och korta borrhålslängder bör där­ med kunna reduceras betydligt jämfört med borrning med sänkham- marutrustning. Olika typer av värmeväxlare har jämförts, men då U-rör av poly- etenplast förefaller vara lämpligast med hänsyn taget till kost­ nad, hantering, täthet, sammankoppling och beständighet har ar­ betet begränsats till dessa. 3Vid anläggande av marklager i befintlig bebyggelse måste lagret betala största delen av schakt- och återställningsarbetena i markytan. Vid utförandet av lagret är det därför viktigt att schaktning undvikes och speciellt att transport av schaktmassor minimeras. Vid nyproduktion eller i de fall att markytan ska be­ arbetas oavsett om ett marklager ska anläggas behöver inte hela kostnaden för markarbetena bekostas av lagret. Inom förstudien gjordes kostnadsberäkningar för några mindre låg- temperaturlager. I beräkningarna förutsätts att schaktningsarbe- tena minimeras och att ingen isolering görs av lagrets överyta och sidor. Speciellt kostnaderna för lager i sand och silt var betydligt mer osäkra än för de övriga marktyperna. Följande kost­ nader (i 1986 års priser) per meter värmeväxlare erhölls: berg 160-200 kr sand/silt ca 75 kr lös lera 60-70 kr I förstudien bedömdes kostnadssänkningar vara möjliga i samtliga fall men den största reduktionen bedömdes möjlig i lös lera där upp mot en halvering borde vara möjlig att uppnå. Även i berg borde kostnaden kunna sänkas något om borrningskostnaden kan sän­ kas, vilket kan vara möjligt med utvecklingen som pågår på topp- hammarborrning. 42 NEDDRIVNINGSMETODER I LERA 2.1 Tidigare använda metoder De värmelager med vertikala värmeväxlare som hittills byggts i Sverige har utförts genom nedpressning (nedtryckning) med pål- kran, mindre traktorgrävare eller manuellt. I Lindälvsskolan i Kungsbacka och i Kullavik gjordes neddrivning- en med pålkran och en ihålig påle med rektangulärt tvärsnitt. Installationen görs i flera moment. Först pressas pålen ned i marken till önskat djup (vid Lindälvsskolan skarvades 2 st 18 m långa pålar till 35 m djup). En platta tätar i pålens botten. I pålen "foderröret" för man sedan ned ett förti 11 verkat U-rör med hjälp av ett lod. Slangen vattenfylls varefter tryckluft ansluts som skjuter ut locket i botten så att leran tränger in och låser fast U-röret i leran. Därefter lyfts foderröret upp, skänklarna hålls isär av lodet som följer med upp. Skänkelavståndet blir ca 15 cm och i genomsnitt sätts 15-20 nedstick per dag (en pålkran och tre man). Neddrivning av oskyddade U-rör direkt utan foderrör har gjorts i Alingsås där ett par anläggningar till ett djup av 16 m har byggts. En speciell spets skyddar slangen vid neddrivningen som gjordes manuellt med en kedjematare (en utrustning som normalt används för geotekniska undersökningar). Försök med en mindre bandgående borrutrustning har gjorts av VIAK i ett tidigare BFR-projekt. Försöken gjordes på några olika stäl­ len i stockholmstrakten med en hydraulisk borrigg typ Borros samt en borrbandvagn även den av Borros fabrikat. Maximal tryckkraft för utrustningen var 70 kN och dragkraft 110 kN. Vid försöken undersöktes dels erforderlig kraft och möjligt neddrivningsdjup i olika fasta leror, dels gjordes en test av kapaciteten. Vid för­ söken användes polyetenslang PEM 32 mm som drevs ned oskyddade som U-rör med en speciell spets som skydd. Som neddrivningsrör användes borrstänger 32 mm i 2.5 m längder som skarvades under neddrivningen. 5I spetsen ligger slangen i en halvcirkelformad skåra med en bredd obetydligt större än slangdiametern. Det installerade U-röret får ett skänkelavstånd på ca 30 cm. Sammanfattningsvis fungerar meto­ den bra i lös lera med en max skjuvhål1 fasthet av ca 20 kPa och ett max neddrivningsdjup av 15-20 m. Vid fastare leror eller större lerdjup erfordras en förankring av borriggen vilket sänker kapaciteten för metoden. Om borrriggen inte förankras kan tre man sätta i max 3 nedstick per timme (inkl neddrivning, koppling, vattenfyllning och provtryckning). Praktiskt bör ca 20 nedstick per 8-timmars arbetsdag vara möjligt att erhålla. Kapacitetstes- ten gjordes till 14 m djup och utan förankring av borrjeepen. 2.2 Utveckling av neddrivningsmetoder Målsättningen med en utvecklad neddrivningsmetod är att sänka kostnaden för lagret, vilket medför en sänkt kostnad för den energi som lagras och används. Effektivare värmeväxlare ger även de en lägre kostnad för den lagrade energin eftersom energi ut­ nyttjandet inom givet temperaturintervall blir större. Bäst re­ sultat erhålls givetvis vid en kombination av dessa två utveck­ lingsmöjligheter. Motståndet vid neddrivning består av spetsmotstånd och friktion/ kohesion. Tvärsnittsarean och spetsens form avgör spetsmotståndet och mantelarean avgör friktionen/kohesionen. De bör vara så små som möjligt, ökat motstånd kräver kraftigare utrustning, både maskinutrustning och foderrör/neddrivningslans. Det medför högre kostnader för neddrivningen. En neddrivningslans med bred spets medför dock möjlighet till effektivare värmeöverföring per meter värmeväxlare, (t ex större skänkelavstånd vid U-rör eller dubbla U-rör). Detta reducerar antalet nedstick. En slank konstruktion av neddrivningslansen kan samtidigt ge både en god värmeväxlare och utföras med en liten neddrivningskraft. Olika typer av värmeväxlare ställer olika krav på neddrivnings- utrustning. Det gäller t ex storlek på maskin och möjligheter att skarva neddrivningspåle. Ytterligare en skillnad mellan olika värmeväxlare är omfattningen av anslutningsarbetet mellan de ver- 6ti kal a rören och samlingsledningar i markytan. Det bör gå att hitta lagringskoncept som ger byggnadskostnader som är betydligt lägreän de som byggts hittills. Genom att prova nya neddrivnings- metoder, analysera värmeväxlarnas effektivitet och bedömma om­ fattningen av arbetsmomenten i markytan kan nya koncept studeras. BPA har utvecklat en metod att med pålkran sätta ned dubbla U-rör som värmeväxlare, en metod och utformning som har använts för lagret vid Ramunderskolan i Söderköping. Metoden och hur den fungerar är beskrivet i kapitel 4.2. Med den sätts dubbla U-rör av polyeten ned till 18 m djup och ett skänkelavstånd av ca 0.5 m. I den första delen av detta projekt visades på möjligheten att förenkla neddrivningen och minska arbetsmomenten genom att låta slangen följa med neddrivningslansen delvis oskyddad utanpå den­ samma. I Kungsbacka gjordes vissa försök med detta med en påle med en rektangulär profil för ett par år sedan. Töjningen på slangen visade sig bli allt för stor och försöken avbröts. Genom att använda en slank profil som ger en obetydlig undanträngning av jorden och om slangen delvis kan skyddas av neddrivningslansen bör dessa dragkrafter minska betydligt. I förstudien föreslogs att försök borde göras med oskyddad slang och en neddrivningslans med en U- eller I-profil som tvärsnitt. Det är utvecklingen av den utrustningen och försök med den som varit det huvudsakliga arbetet i detta projekt. Med den metoden kan enkla U-rör med skänkel avstånd på 10-50 cm eventuellt större sättas. En beskriv­ ning av utrustningen och försöken i Söderköping och Sävenäs finns beskrivet i kap 3.3 och kap 4. Kapaciteten vid neddrivning av olika typer av värmeväxlare har ställts samman av Statens Geotekniska Institut. Uppgifterna är hämtade från olika entreprenörer som utfört anläggningar och uti­ från dessa erfarenheter uppskattat kapaciteten även för dubbla och trippla U-rör. Av figur 2.1 där resultatet är sammanställt framgår att kapaciteten genomgående minskar då skänkelavståndet ökar. Dubbla och trippla U-rör och sanddränen ger ökade kostnader för neddrivningen (minskad kapacitet) jämfört med det enkla U- röret. 7NUMBER OF INSTALLED EARTH HEAT EXCHANGERS PER DAY a •SINGLE U-PIPE '• DOUBLE U-PIPE TRIPLE U-PIPE N SINGLE U-PIPE '•OOUBLE U-PIPE '•TRIPLE U-PIPE -1-------- 1-------- [—---- !------- 1—> DISTANCE BETWEEN 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 SHANKS (m) -------------U-PIPE IN CLAY ONLY ------------- U-PIPE IN CORE OF SAND Figur 2.1 Kapacitet vid neddrivning av värmeväxlare i lera. (Hellström, Palmgren, Rydell 1985) 3 FÄLTFÖRSÖK I SÖDERKÖPING 3.1 Geotekniska förhållanden Neddrivningsförsöken utfördes oktober 1986 vid Ramunderskolan i Söderköping i samband med att BPA utförde ett värmelager på plat­ sen. Geotekniska undersökningar har tidigare utförts av Hylanders Geobyrå AB och för blivande bad och sporthall med värmelager av Statens Geotekniska Institut. Denna kortfattade beskrivning är huvudsakligen hämtad från SGI :s undersökningar. Provområdet ligger på en vidsträckt sedimentslätt. I den västra delen av området finns en utomhusbassäng och vid platsen för vär­ melagret där försöken skett finns en grusad parkeringsplats. Lagerföljden har följande uppbyggnad: överst finns ett lager av 0.5-1.0 m sand och grus. Därefter följer 1-2 m torrskorpelera som överlagrar 16-17 m lera. Leran är homogen ned till ca 4 m och därunder innehåller den silt och sandskikt. Skikten är några mm tjocka ned till ca 11 m, därefter cm-tjocka och tätt förekommande ned till 18 m djup. På 8 m djup finns ett ca 10 cm tjockt skikt. Den varviga leran övergår på ca 17 m djup till varvig silt med 1er- och sandskikt. Leran är något överkonsoliderad, 10-20 kPa och skjuvhållfastheten varierar mellan 10 och 25 kPa. Sensitiviteten är ca 13. Densite- 3 ten varierar från 1500 kg/m i den homogena leran till 3ca 1800 kg/m i den undre delen av jordprofilen. Vattenkvoten är ca 90% i den homogena leran och varierar mellan 70 och 80% på större djup än 4 m. Se figur 3.1 och bilaga 1. 9© Kv St I *4.77 50 <0 1001 Figur 3.1 Sammanställning av geotekniska parametrar för för- söksplatsen. 3.2 Neddrivninq med dubbla U-rör (BPA) BPA har tidigare utvecklat en metod för neddrivning av U-rör i lera. Metoden användes vid lagren i Kungsbacka och Kull av i k och är beskriven i kap 2. I samband med projekteringen av lagret i Söderköping utvecklade BPA metoden för att sätta ned dubbla U-rör med ett skänkelavstånd på ca 0.5 m. Det är en värmeväxlarutform­ ning som är betydligt mer effektiv än ett enkelt U-rör med 15- 20 cm skänkelavstånd som användes i Kungsbacka. Båda metoderna är patenterade. Neddrivningen utförs med en slank neddrivningslans med ett kryss­ tvärsnitt. Längst ut på krysset sitter fyra skyddsrör som löper utefter hela lansens längd. I dessa ligger värmeväxlarna skyddade 10 vid neddrivningen och vid nederänden skyddar en skyddsplåt värme­ växlarna. Metodens fördelar är dels att slangen är helt skyddad under hela neddrivningen, dels att en effektiv värmeväxlare er­ hålls. Kortfattat går neddrivningen till på följande sätt: 1. Lansen tas helt upp och hänger fritt i pålkranen. U-rören stoppas in färdiga nedifrån in i skyddsrören. 2. Skyddsplåten av plattjärn najas fast underst och hela lansen sätts ned på marken och riktas in. 3. Neddrivning med pålkranens hejare. Vid försöksplatsen sjönk lansen av sin egen och hejarens tyngd de första 6-10 m där­ efter fullföljdes neddrivningen med hejaren. 4. Då fullt djup erhållits skruvas de fyra skyddshylsor av som sitter överst på rören. Vatten fylls därefter i slangarna varefter skyddshylsorna skruvas på igen. En tryckluftsslang ansluts till ett av de fyra rören på lansen (rören har för­ bindelse med varandra) tryckluften släpps på från kompres­ sorn samtidigt som lansen dras upp en kort bit. På detta vis lossar skyddsplåten från lansen och U-rören förankras i le­ ran . 5. När lansen dragits upp ett par meter släpps trycket och lan­ sen dras upp hela vägen och värmeväxlarslangen sitter kvar i marken. 6. Lansen skottas ren från lite lera, flyttas till platsen för nästa värmeväxlare och är klar att laddas igen. Två man arbetar med dessa arbetsmoment och en man sköter pålkra­ nen. Dessutom arbetar en man med att kapa och svetsa ihop U-rören och en man provtrycker de installerade värmeväxlarna. Totalt sat­ tes i genomsnitt 25 värmeväxlare per arbetsdag då lagret i Söder­ köping byggdes. Kapaciteten är därmed betydligt högre än den upp­ skattning som tidigare gjorts för neddrivning av dubbla U-rör, se figur 2.1. Det var första gången metoden användes och den kan troligen utvecklas så att arbetsmomenten kan minskas och kapaci­ teten därmed öka ytterligare något. I figur 3.2 visas bilder från arbetena med metoden i Söderköping. 11 Figur 3.2 Bilder som visar olika moment vid neddrivning av dubbla U-rör. 3.3 Neddrivninqsförsök med enkla U-ror (CTH) Metoden bygger på att arbetsmomenten vid neddrivningen bör kunna minska .betydligt om värmeväxlarslangen kan följa med delvis oskyddad utanpå neddrivningslansen. Problemen som uppstår med töjning av slangen kan minimeras och bemästras med en slank pro­ fil hos neddrivningsbalken som minskar jordundanträngningen och därmed friktionen mellan slang och omgivande jord. 12 Försöken utfördes med en standard I-bal k IPE-300 med mått enligt figur 3.3. Två stycken 10 m långa inköptes och skarvades på plat­ sen. övre änden byggdes om så att den passade in i slagdynan på pålkranen. Vid den nedre delen spetsades flänsarna och spetsar i form av standard 1 ikf1 ans i g vinkelstång som fungerar både som skydd och som förankring togs fram. Några olika utformningar av spetsar togs fram och provades, se figur 3.4. Neddrivningen går till på följande vis: 1. Neddrivningslansen är uppe helt. Spetsen med U-röret sätts under lansens spets och hålls fast. 2. Lansen riktas in och neddrivning med pålkranens hejare görs tills önskat djup har nåtts. 3. Upptagning av lansen görs direkt och kranen flyttas till platsen för nästa nedstick. Metoden fungerade helt enligt planerna. Eftersom balken dras upp ur marken direkt efter neddrivningen hinner inte någon lera fast­ na vid den. Därmed bibehålls det slanka tvärsnittet hela tiden. Spetsarnas utformning som ankare fungerade perfekt, ingen tendens att någon slang ville följa med upp igen fanns vid något försök. Däremot skadades ett par slangar vid neddrivningen, de klämdes sönder mellan lansen och spetsen. Detta orsakades av att några spetsar var något felaktiga och inte satt riktigt på plats då neddrivningen startade. Utformningen av spetsarna och materialval för dessa kräver en del ytterligare arbete, men i princip funge­ rar utformningen bra. Vid neddrivning på detta vis då slangarna ligger oskyddade utsätts de för töjning. Vid försöken i Söderkö­ ping mättes töjningen på enklaste sätt med hjälp av vajrar. Be­ skrivning av dessa mätningar och resultaten framgår av kapitel 5. Vid försöken matades slangen ned manuellt vilket kräver två man. Kranen kan kompletteras med styrningar för värmeväxlarslangen. Då skulle totalt två man förutom pålkransföraren krävas vid ett la­ gerbygge. I figur 3.5 och 3.6 visas några bilder från försöken. 13 Figur 3.3 Neddrivningsbalk av I-profil IPE300. Figur 3.4 Exempel på utformning av spetsar. 14 Figur 3.5 Bilder som visar några av momenten vid neddrivning av enkla U-rör med I-balk. Figur 3.6 Bilder som visar några av momenten vid neddrivning av enkla U-rör med I-balk. 16 3.4 Kapacitetstest (CTH) För att kunna göra en uppskattning av hur många U-rör som kan sättas ned på en arbetsdag gjordes en enkel kapacitetstest i sam­ band med försöken i Söderköping. 15 U-rör med spetsar iordning­ ställdes och neddrivningen gjordes av den ordinarie arbetsstyrkan vid pålkranen. Försöken gick till så att två man drog fram det färdiga U-röret, satte dit spetsen och höll fast den vid neddriv- ningslansens nedre ände. Under neddrivningen matade de ned varsin slang in i I-balkens vinklar. Efter neddrivningen drogs neddriv- ningslansen upp direkt, ett nytt U-rör och spets togs fram och pålkranen sattes i läge för nästa neddrivning. P detta vis sattes de 15 U-rören på 40 minuter. Detta gjordes utan att personalen hade någon speciell vana vid metoden, man kan därför förvänta sig att resultatet kan förbättras något. Vid byg­ ge av ett helt lager tillkommer en del arbetsmoment som inte är taget hänsyn till vid den ovan angivna kapaciteten. Vid försöken gjordes ingen förflyttning av pålkranen och därmed inte heller någon förflyttning av pålkransmattorna. Detta ger ett litet till- lägg varför ett rimligt antagande kan vara att 15 U-rör i genom­ snitt sätts på en timme, dvs vi antar att pålkransförflyttning, mattförflyttning och lite annat tar ca 20 minuter per timme. Det innebär att ca 120 U-rör bör kunna sättas på en 8-timmars arbets­ dag. Kan tekniken utvecklas ytterligare kan denna siffra öka. I Söderköping hade leran rikligt med silt- och sandskikt de sista 5-6 meterna vilket medförde att pålkransföraren fick slå ett an­ tal slag för att få ned I-balken. I en lösare lera där balken sjunker av egen och hejarens tyngd går neddrivningen snabbare vilket förbättrar kapaciteten. Kapaciteten med denna metod att driva ned U-rören oskyddade är avsevärt högre än den tidigare använda metoden med ett skyddande foderrör. Jämför figur 2.1. Om dragpåkänningen på slangen kan accepteras ur hållfasthets- och täthetssynpunkt kan kostnaden för lagret sänkas. Beräkningar för hur totalkostnaden för lagret kan påverkas redovisas i kapitel 8. 17 Kapaciteten bör inte minska om en något större I-balk används, som medger ett skänkeiavstånd på 35-45 cm. Ur värmeöverförings- synpunkt bör en I-balk av typ IPE-400 vara lämplig som neddriv- ningslans. Den bör ge ett skänkelavstånd på ca 35 cm. Att ytter­ ligare öka skänkelavståndet för enkla U-rör ger endast marginella förbättringar, (se kapitel 7 där olika värmeväxlare jämförs). 18 4 NEDDRIVNINGSFÜRSÖK I GÜTEBORG, SÄVEDALEN 4.1 Geotekniska förhållanden Försöken gjordes till sammans med Göteborgs Betongpålar AB i sam­ band med att de utförde provpålning för en utbyggnad av Sävenäs sopstation. En geoteknisk undersökning för området har utförts av Flygfältsbyrån i Göteborg varifrån den geotekniska beskrivningen huvudsakligen är hämtad. Försöken gjordes i december 1986. Området är beläget på södra sidan av Sävenäs dalgång och utgörs idag huvudsakligen av en avgrusad yta. Jordlagren består överst av fyllning med matjord till 0.4-1.7 m djup. Under fyllningen följer en torrskorpelera med en varierande mäktighet, 0.4-0.8m. Under torrskorpeleran följer en högsensitiv lera, (kvicklera) ned till ca 35 m djup. Lerans skjuvhål1 fasthet har uppmätts till 8- 10 kPa strax under torrskorpel eran och den ökar svagt mot djupet. Portrycksfördel ningen är relativt rätlinjig med en trycknivå strax under nuvarande markyta. En sammanställning av undersök­ ningarna framgår av figur 4.1. VolJenUvoi W % Figur 4.1 Skjuvhål!fasthet, vattenkvot, sensitivitet och skrymdensitet vid försöksplatsen, Sävenäs. 19 4.2 Utförda försök med enkla U-rör (CTH) Neddrivningsförsöken gjordes på samma sätt, med samma neddriv- ningslans och samma typ av spetsar som vid försöken i Söderkö­ ping. Fyllningsmateriaiet närmast markytan och en kortare mast på pålkranen gjorde försöken något omständigare att göra. Med en pryl skapades först ett hål med en diameter av ca 0.3 m och ca 3 m djup i vilket I-balken med spetsen ditsatt placerades. Därefter drevs bal ken med värmeväxlaren ned till fullt djup ca 19 m under markytan. Detta innebar att inget kapacitetstest kunde göras men metoden provades och fungerade lika bra som i Söderkö­ ping. Den annorlunda leran krävde mycket liten kraft för att pe­ netreras, I-balken med värmeväxlaren sjönk av egen och hejarens vikt ned till fullt djup. Spetsen fungerade väl som ankare och höll kvar slangen då balken drogs upp. Töjningsmätning gjordes på samma sätt som i Söderköping och dessutom provades att mäta kraf­ terna som slangen utsätts för med hjälp av en lastcell. Resulta­ ten från dessa mätningar framgår av kapitel 5. I figur 4.2 visas en bild från försöken i Sävenäs. Figur 4.2 Neddrivningsförsök vid Sävenäs, Göteborg. 20 5 BELASTNING PA SLANG VID NEDDRIVNING I LERA 5.1 Beskrivning av belastningen Vid fältförsöken som utfördes av Geologiska institutionen, CTH, i- Söderköping och i Sävenäs har plastslangen delvis varit oskyddad vid neddrivningen (försöken är beskrivna i kapitel 3 och 4). Det innebar att plastslangen utsattes för en dragbelastning vid ned­ drivningen. Belastningen på slangen innebär att den töjs under en kort tidsperiod, och att töjningen kan ligga kvar en tid efter neddrivningen. Aven om dragpåkänningen inte är så stor att den ger brott kan den påverka slangens hål 1fasthetsegenskaper och livslängd. Det är därför väsentligt att studera vilken belastning som påfördes slangen vid försöken och att studera plastslangens draghållfasthetsegenskaper. 5.2 Allmänna egenskaper för polyetenrör Polyeten är en termoplast som tillverkas genom polymerisation av etengas. Genom att variera tillverkningsbetingelserna, tryck och temperatur, samt genom tillsats av katalysatorer, erhålls polye­ ten med olika egenskaper. De olika kvaliteterna klassificeras efter densiteten, enligt följande: PEL 920-930 kg/m3 PEM 930-940 kg/m3 PEH 940-960 kg/m3 PEX (ca 940 kg/m3) PEX är ett speciellt högdensitetspolyeten som genom en speciell tillverkningsprocess ges en mera förnätad struktur än konventio­ nell PEH. Skillnaderna i egenskaper är att PEH är styvare och tätare än PEL. Hårdhet och draghållfasthet är också högre för PEH, som också är mera resistent mot kemikalier. Vad gäller de termiska egenskaperna så ökar värmeledningsförmågan och värme­ kapaciteten med densiteten, medan värmeutvidgningskoefficienten minskar. Egenskaperna för PEM ligger nära PEH, utom vad gäller kemi kalieresistens och tryckhållfasthet där egenskaperna helt motsvarar PEH. Speciellt för PEX-rör är att hållfastheten minskar betydligt långsammare med stigande temperatur än för övriga PE- rör. 21 PEX-rör kan användas vid driftstemperaturer upp till 80-90°C, me­ dan övriga PE-rör har en övre gräns vid ca 60°C. Både PEM- och PEH-rör är väl lämpade för användning i jordvärmelager, såvitt inlagringstemperaturen inte är för hög. PEH har något bättre hållfasthetsegenskaper och värmetekniska egenskaper, men är något dyrare. I de försök som redovisas i denna rapport är det genomgå­ ende PEM-rör, tryckklass PN 6.3, som använts. 5.3 Hållfasthetsegenskaper för polyeten Polyeten har liksom andra plaster mycket speciella hållfasthets- egenskaper. Det är ett viskoelastiskt material, dvs en belastning leder till en momentan elastisk töjning samt en tidsberoende krypning. Såväl materialets E-modul som brottdragspänningen är starkt beroende av temperatur och tid. PEH och PEM har god spän- ningskorrosionsresistens mot normalt förekommande medier, men oxiderar långsamt i luft vilket medför en försprödning. Oxidatio­ nen ökar med ökad temperatur och under inverkan av UV-ljus. Som skydd mot detta tillsätts därför antioxidant och sot, vilket skyddar mot UV-ljus. Eftersom PE-rör har använts huvudsakligen för VA-ändamål är de dimensioneringsregler som finns baserade på hållfastheten i rent vatten. I dessa sammanhang är det långtids- hållfastheten som är dimensionerande, normalt 50 år vid 20°C, medan det vid neddrivning av slang i jord är korttidshållfasthe­ ten, vilken är betydligt högre. I figur 5.1 framgår tillåtet inre tryck i PEH- och PEM-rör av olika tryckklass och som funktion av temperatur. Diagrammet gäller för 50 års belastning. 22 Tillåtet inre tryck MPa PN 10 Temp. UC Figur 5.1 Tillåtet inre tryck för PEH- och PEM-rör vid 50 års livslängd. Lasttöjningssambandet för polyeten är principiellt framställt i figur 5.2. För PEH-rör gäller att draghån fastheten (flyt- gräns) vid korttidsbelastning är ca 20 MPa. Töjning till flyt- gränsen är 16% medan brottöjningen är 600% eller mer. Detta gäl­ ler vid 20°C. 23 er Figur 5.2 Principiellt spännings-deformationssamband för poly- eten. E-modulen vid korttidsbelastning brukar anges till 800-900 MPa, men som framgår av figur 5.2 är sambandet mellan spänning och deformation ej rätlinjigt i något intervall. Detta innebär att, för att Hooke's lag ska kunna tillämpas, måste värdet på E-modu- len väljas med hänsyn till spänning, tid och temperatur. I figur 5.3 redovisas E-modulens variation med spänningen vid olika be- lastningstider. 24 E—modul MPa Dragspänning MPa Figur 5.3 E-modul för PEH-rör vid +20°C som funktion av spän­ ning. Brottdragspänningens beroende av temperatur och belastningstid för PEH-slang framgår av figur 5.4. Det vänstra diagrammet är hämtat ur Svensk Standard SS 3362. Enligt en fabrikantuppgift, högra diagrammet, har polyetenet idag bättre hållfasthetsegenska- per. 25 Dragspänning MPa Dragspänning kp/cm Belastningstid i timmar Belastningstid i timmar • Prov enligt DIN 8075 Part 2 Figur 5.4 Samband mellan brottspänning och belastningstid för PEH, enligt Svensk Standard SS 3362 resp för ror tillverkade av Unifos DGDS 2467BL. Vid neddrivning av slang i jord är hållfasthetens tidsberoende mindre intressant. Själva neddrivningen tar bara ca en halv mi­ nut, varefter belastningen minskar. Hållfasthetens temperaturbe­ roende däremot har stor betydelse. Figur 5.5 redovisar dragbrott- spänningens relativa variation med temperaturen. PE-rör som lig­ ger ute i solsken sommartid kan uppnå en temperatur där hållfast­ heten bara är hälften av den vid +20°C. Vid lägre temperaturer än +20°C ökar hållfastheten kraftigt, men i gengäld ökar sprödheten vilket kan leda till brott om röret stötbelastas. 26 [•/•] 140- 130- 120- 110- 100- 90- 80- 70- 60- 50- 40- 30 t i i----------------1----------------1----------------1----------------1----------------1----------------r*- r o -, 0 10 20 30 40 50 60 70 80 T [ Cj Figur 5.5 Brottdragspänningens relativa variation med tempera­ turen vid korttidsbelastning av PEH-rör. Enligt normkraven i SS 3362 ska PEM-rör tåla ett inre tryck av 11.8 MPa under en timma vid 20°C. För PEH-rör gäller samma krav under belastningen 14.7 MPa. Hållfastheten för PEM är alltså ca 80 t av den för PEH. Vid de neddrivningsförsök som utförts har PEM-rör med följande tillverkningsdata använts: Tryckklass 6.3 Ytterdiameter 25 mm Väggtjocklek 2.0 mm För att bestämma dess egenskaper har dragprov utförts i lab. vid 20°C. Proven utfördes under så kort tid, ca en minut, som ned- drivningen tar. I tabell 5.1 refereras uppnådd draghållfasthet, till flytgräns, och i figur 5.6 är sambandet mellan spänning och töjning framställt. Dessutom dragtestades slangar som skarvats med rak muff eller L-rör. Slutsatsen av dessa prov är att en väl utförd skarv inte utgör en försvagning av slangen. 27 Tabell 5.1 Uppmätt flytgräns för PEM-rör, korttidsbelastning vid temperaturen 20UC. Försök Flytgränslast ( N ) Flytspänni ( MPa ) 1 2100 14.4 2 2300 15.9 3 2250 15.6 4 2150 14.9 5 2050 14.2 medel v. 2170 15.0 [MPa] 5 10 15 [•/.] Uppmätt spännings-töjniijgssamband, korttidsbelast­ ning vid temperaturen 20 C. Figur 5.6 28 5-4 Fäitmätningar av töjning och spänning i slangar vid ned- drivning Töjningsmätningar genomfördes i Söderköping och Sävenäs. De ut­ fördes på så sätt att en vajer fästes i botten på U-röret och en annan vajer 1 eller 2 m högre upp i slangen. En vajer inuti var­ dera U-rörsskänkel leddes så upp till markytan. Genom att under neddrivningen mäta hur mycket som vajrarna drogs in i slangarna erhölls ett mått på töjningarna. I figur 5.7 illustreras mätning­ arna och i tabellerna 5.2 och 5.3 redovisas resultaten. Inför neddrivningen tillverkades också en lastcell, i form av ett tunt stålrör med trådtöjningsgivare, för att direkt kunna mäta 1 astpåkänningen på slangen under neddrivning. Lastcellen skarva­ des in i ena skänkeln av U-röret, en meter från botten. Av tids­ skäl användes lastcellen bara en gång, vid en neddrivning i Säve­ näs. Resultatet från det försöket och spänningen beräknad utifrån töjningsmätningarna och a-e-diagrammet i figur 5.6 redovisas i tabell 5.4. Värdena är korrigerade med hänsyn till temperaturen vid neddrivningstillfället. = ///= /r/s/r/äJf 0= övre fästpunkt för vajer N = nedre —- Figur 5.7 Töjningsmätning, principskiss 29 Tabell 5.2 Töjningsmätningar vid neddrivningsförsök i Söderkö­ ping. L = 18 m och 1 = 2 m (enligt figur 5.1). Försök Töjning övre nedre (mm) (mm) Medeltöjning (mm/m) {%) Max.töjning (mm/m) {%) 1 80 100 5.6 0.56 10 1.0 2 80 210 11.6 1.16 65 6.5 3 100 100 5.6 0.56 5.6 0.56 Medelvärde 0.74 2.7 Tabell 5.3 Töjningsmätningar Göteborg. L = 16 m vid neddrivningsförsök i och 1 = 1 och 2 m. Sävenäs, Försök 1 (m) Töjning övre nedre (mm) (mm) Medeltöjning (mm/m) (%) Max.töjning (mm/m) {%) 1 1 125 130 8.1 0.81 5 0.5 2 2 75 90 5.6 0.56 12.5 1.25 3 1 90 100 6.3 0.63 10 1.0 Medel värde 0.67 0.92 Tabell 5.4 Erhållna max. spänningar vid neddrivningsförsök Försök Söderköping Sävenäs (MPa) (MPa) 1 4.3 1.8 2 12.6 3.9 3 3.3 4 2.7 (lastcell) Medel värde 8.5 2.9 30 5.5 Spänningar i slangen i förhållande till lerans skjuv- hâl1 fasthet Den påförda belastningens storlek bör bero av två saker, dels lerans skjuvhållfasthet, dels den andel av slangens mantelyta som påförs skjuvkrafterna. Lasten kan således tecknas: L 0 P = d d r dö d>< där x är 1ängdkoordinaten längs med slangen, e är den vinkel som anger hur stor del av slangens omkrets som skjuvkrafterna verkar på och r anger slangens ytterradie. Vid nedtryckningen av lansen med den special gjorda spetsen rörs leran om något och lerans skjuvhållfasthet närmast slang bör vara lägre än Tfu> den odränerade hållfastheten. Slangen ligger inne i ett vinkelrätt hörn av bal ken varför skjuvkrafterna kan förmodas verka på ca 0.5 av slangens omkrets, dvs e=nrad. I figur 5.8 och 5.9 är Tfu och Tf schematiserade utifrån de geotekniska undersök­ ningarna. Om skjuvspänningen antas jämnt fördelad längs slangen och 0=nrad erhålls en mobiliserad skjuvspänning längs slangen enligt tabell 5.5, med hänsyn till uppskattad last enligt tabell 5.4. I tabell 5.6 anges lerans medelskjuvhållfasthet över neddrivningsdjupet. Av tabellerna 5.5 och 5.6 framgår att i Söderköping mobiliserades ca 10% och i Sävenäs ca 5% av odränerade skjuvhål1 fastheten (T^ ) samt är i samma storleksordning som T • Spetsen (neddrivnings- donet) för slanginstallationen i leran har därmed haft en väsent­ lig betydelse för att sänka lerans skjuvhållfasthet i slangens närhet. Detta har sannolikt haft en mycket gynnsam effekt för att reducera belastningen på slangen vid neddrivningen. 31 Tabei 1 Tabei 1 Figur 5.5 Beräknad 9=nrad. påförd skjuvspänning på slang från L P T (m) (N) (kPa) Söderköping 18 1230 1.74 Sävenäs 16 420 0.67 5.6 Lerans skjuvhållfasthet. djup. (Data enligt figur Medelvärde över 5.8 och 5.9. ) Djup (m) Tfu (kPa) Tr (kPa) Söderköping 218 17 2.2 Sävenäs 316 14.5 0.2 10 n — 20 Tf “ J 2 Xr-------- 1--------- ». 5H 10 15 [kPa] [kPa] Z [m] 5.8 Skjuvhål1 fasthet, Söderköping. (T beräknad med hän­ syn till i utredning angiven sensibilitet) 32 Z [m] Figur 5.9 Skjuvhållfasthet, Sävenäs. (T beräknad med hänsyn till i utredning angiven sensibilitet) Av fabrikanter av PEM-slang rekommenderas inte töjningar över 5.5% även vid en korttidsbelastning som det är frågan om här. Vid ett av försöken i Söderköping överskreds detta värde varför det också enligt figur 5.6 kan antas att spänningen i slangen varit relativt hög. Försöken i Söderköping var emellertid något speci­ ella. I och med att siltskiktens antal och mäktighet ökade mot djupet ökade motståndet för neddrivningen av slangen. Under ned- drivningens första del sjönk lansen av sin egen och hejarens tyngd. Vid neddrivningens sista del användes hejaren för att slå ned lansen som sjönk i-1 m vid varje slag. Slagens styrka varie­ rade beroende på hur högt hejaren lyftes vid varje slag. Starka slag ger en puls genom lansen som resulterar i en relativt kraf­ tig töjning av slangen. Töjningsförsöken i Söderköping är således även påverkade av hur hejaren användes av pålkransföraren och inte enbart av lerans skjuvhållfasthet. Vid försöket då 6.5% töj­ ning erhölls utsattes lansen för kraftiga slag med hejaren. Metoden är sannolikt användbar i lösa leror ned till 25-30 m djup då U-rören kan sättas ned helt utan slag. Då utsätts slangen inte för några krafter som försämrar slangens livslängd. I leror med 33 större inslag av sand- och siltskikt där lansen inte sjunker av egen och hejarens tyngd är det viktigt att neddrivningen görs med försiktiga slag och att töjningsmätningar utförs då och då under arbetets gång. 34 6 NEDDRIVNINGSFURSÖK UTFÖRDA AV DGI 6.1 Inledning Danmarks Geotekniske Institut - DGI i Lyngby har utfört försök att sätta ned värmeväxlare med tre olika metoder på fyra olika platser. Försöken har utförts med relativt lätt utrustning och arbetet har varit helt inriktat på metoder som kan tillämpas för mindre anläggningar, t ex för villabebyggelse. I detta kapitel sammanfattas mycket kortfattat försöksresultaten. För mer infor­ mation hänvisas till DGI:s egen slutrapport för projektet. 6.2 Beskrivning av försöksmetoder och resultat En förutsättning vid val av försöksutrustning för att bygga ver­ tikala värmelager för villabebyggelse är att utrustning måste finnas tillgänglig och den måste vara billig. DGI har provat tre metoder, augerborrning, jordförträngningshammare och spolutrust- ning. Av dessa metoder visade sig endast augerborrningen ge till­ fredsställande resultat. Även jordförträngningshammaren fungerade men inte tillräckligt bra för att kunna användas praktiskt och ekonomiskt. Med augerborrning erhölls ett djup på ca 20 m vid de fyra lokalerna efter 1-2 timmars borrning. I det borrade hålet, 0150 mm, sattes därefter ett U-rör som värmeväxlare med ca 100 mm skänkelavstånd. Hålet efterfylldes med sand. Jordförträngningshammare används normalt för att driva rör hori­ sontellt t ex under vägar. Den provade modellen var en cylindrisk tryckiuftshammare. Försök gjordes med PVC-rör som foderrör och med 1" och 1 1/4" galvaniserade stål rör som trycktes ned framför hammaren. Bra resultat erhölls inte med någon av metoderna. Störst djup erhölls med stålrören (10-15 m) som då själv utgör värmeväxlare (yttre röret i en coaxial värmeväxlare). Då PVC-rö- ret används som foderrör är det risk att tryckluftshammaren fast­ nar i marken och det är en dyrbar utrustning att förlora på 20 m djup. Den metoden anses därmed inte praktiskt användbar. Vid spolförsöken användes en konventionell spol utrustning för rensning av avloppsledningar. Metoden provades endast vid en lo­ kal och tillfredsställande resultat erhölls ej. Stopp på stenar 35 och att hålet faller in omkring spolrör och skarvmuffar var åter­ kommande problem. Metoden kräver större vattenmängder än vad som användes vid försöken och kan då ge bättre resultat. 6.3 Kostnader Tillfredsställande resultat erhölls endast vid försöken med au- gerborrning och det är däför endast den metoden som är aktuell vid en kostnadsberäkning. Kostnaden baseras på en mindre mobil borrigg eller mindre lastvagn med kran. Borriggen och installa­ tionen av värmeväxlare sköts av 3 man. Med de kapaciteter som erhölls vid försöken blir borrningskostnaden 40.7-75.8 DKK per meter (35-65 SEK/m). För en mindre anläggning för t ex en villa i Danmark (5 borrning­ ar till 20 m) blir totalkostnaden för en installation inkl etab- lering, borrning, U-rör och installation och sandfyllning totalt 88-123 DKK per meter (76-106 SEK/m). För en större anläggning (10 borrningar till 20 m) blir motsva­ rande kostnader 70-105 DKK per meter (60-90 SEK/m). 7 VÄRMEÖVERFÖRING MELLAN FLUID OCH LAGER 7.1 Allmänt Värmeöverföringen mellan värmebäraren (fluiden) och lagret (mar­ ken) har studerats teoretiskt av Göran Hellström vid Högskolan i Lund. Beskrivningen finns i Handboken Markvärme del 2. Teorin i detta kapitel följer den i Markvärmeboken och för ytterligare studier hänvisas till den. Värmeöverföringen mellan fluiden och marken kan beskrivas med värmemotståndet m^. I ett fall med en konstant effekt som avges från en markvärmeväxlare inträder efter en transient insväng- ningstid ett sk "steady-flux"-tillstånd, (temperaturprofilen om­ kring markvärmeväxlaren har en tidsoberoende form). Skillnaden mellan fluidtemperaturen T^(t) och den lokala medel temperaturen Tm(t) blir konstant och proportionell mot effekten: Tf - Tm = q ' msf Detta gäller effektpulser med längre varaktighet, med tidskravet: 2 a . t/Rj = 0.2 (för hexagonalt rörgitter) Samma gäller med stor noggrannhet även för kvadratiskt gitter, a är temperaturledningstalet för marken som kan variera mellan 3.10 m /s för lera och 1.5.10 m /s för berg. Typiska värden på t blir då vid ett hålavstånd av 2 m i lera ca 15 dygn och vid ett hålavstånd i berg på 4 m ca 6.2 dygn. 36 -f-t —t-- -6- 1 !B i L-t-J i -4---- ---- i-- Figur 7.1 Hexagonalt och kvadratiskt rörgitter 37 Värmemotståndet mellan fluiden och omgivande mark m$f kan delas upp i flera delmotstånd: Värmemotsåndet mp mellan fluiden och marken strax utanför slangen består av tre komponenter: m, : värmemotstånd mellan fluid och plaströrets innervägg fc m : " över plastmaterialet mc: " mot omgivande jord mfc beror huvudsakligen av strömningsförhål 1 andena i plastslang­ en. m beror av rörmaterialets värmeledningsförmåga, m beror av P L kontakten mellan rör och omgivande jord och vars inverkan inte ar helt klargjord. För ett markvärmelager i lera, sand och silt bestäms värmemot­ ståndet msf till stor del av mg, värmemotståndet i marken. För värmeväxlarsystem i jord har U-rör visat sig vara en ur kostnads­ synpunkt och neddrivningssynpunkt lämplig utformning jämfört med koncentriskt enkelt rör. Här redovisas därför kortfattat värme­ motståndet mg för enkla och dubbla U-rör. För övriga typer av markvärmeväxlare hänvisas till Markvärmeboken del 2. För ett enkelt U-rör i mark kan värmemotståndet m£f delas upp i två komponenter: msf = mg + mp/2 I ett hexagonal t rörgitter kan värmemotståndet mg tecknas: R B m = J- (ln (/) - I + b2 - è.1 n( 1-b4) - i.ln(^)) g ^irX Kp ‘t P Rp <<: Rl’ Bu>3-Rp (se figur 3'2) där Rp = rörets ytterradie b = Bu/(2.R1) 38 Figur 7.2 Enkelt och dubbelt U-rör i hexagonalt rörgitter. Från BFR-rapport T17:1985. För ett dubbelt U-rör blir motsvarande värmemotstånd: msf = mg + V4 På motsvarande sätt och med samma förutsättningar kan värmemot­ ståndet nig för det dubbla U-röret tecknas: m = 9 1 2 TT X :in R1 {RT} + b ln(l-D ) - f ln( 0.1733) I figur 7.3 jämförs värmemotståndet mg för enkla och dubbla U-rör i lera vid olika skänkelavstånd B .u 39 mg K/(w/m ) Enkelt U-rör 0,30 - Dubbelt U-rör0,20 - Skänkel- avstånd Figur 7.3 Variation av m (K/(W/m)) med skänkelavstånd för ett enkelt och diAbelt U-rör i hexagonal t rörgitter. X = 1.0 W/mK, Rp = 0.008 m, B = 2.0 m m^c beror huvudsakligen av flödesförhållandena i plastslangen. Om flödet i rören är turbulent är värmemotståndet mellan fluid och rörvägg (m^ ) i stort sett försumbart. Vid laminära förhållanden kan det bli förhållandevis stort, >0.1 (K/(W/m)). Värmemotståndet över rörväggen mp är direkt beroende av rörväg­ gens tjocklek och rörmaterialets värmeledningsförmåga: nr = 2 •tr • in (^) Pi 40 där Rpy resp Rpi rörets Yttre resp innre radie och xp är rör- materialets värmeledningsförmåga. mc är kontaktmotståndet mellan mellan röret och omgivande marks vars inverkan inte är helt klargjord. Förmodligen varierar det med jordart och vattenhalt och tecknas allmänt: mc 2 1 ••iï-Xs In + py ar —) där R är kontaktskiktets tjocklek och xs dess värmeledningsför­ måga. Om skiktet har en värmeledningsförmåga som är väsentligt lägre än jordmaterialet kan det ha betydelse i dessa sammanhang. Vid vattenmättade förhållanden kan värmeledningen för kontakt­ skiktet dock inte bli sämre än för vatten och m bör därför iC dessa fall i stort sett sakna betydelse. 7.2 Jämförelse mellan olika typer av värmeväxlare Med användning av sambanden i avsnitt 7.1 kan olika typer av vär­ meväxlare jämföras. Genom att införa begreppet volymetrisk värme- överföringskoefficient av (W/m3K) erhålls ett mått på värmeväxla­ rens prestanda (Claesson, J mf1). För ett värde på akan därmed olika U-rörskonfigurationer jämföras. Värmeövergångskoefficienten definieras av sambandet: “v = qv/(Tf " V (W/m3K) qy anger inmatad effekt per volymsenhet av lagret, (W/m3). För ett lågtemperaturlager där värmepump används vid energiuttag och laddning sker med lågtemperatursolfångare eller vindkonvek- torer kan en relativt hög, drivande temperaturdifferens T^-T accepteras, därmed kan avara lågt. För ett högtemperaturlager utan värmepump som laddas med medel- eller högtemperatursolfång- are kan det vara önskvärt att lagret kan ta emot och avge högre effekter per volymsenhet, samtidigt som det vid energiuttag kan vara väsentligt att ha ett litet temperaturfall mellan fluid och 41 1agertemperatur. Då erhålls ett högre värde på a . Genom att ut­ nyttja ett korttidslager med vatten för utjämning mellan dag och natt och med 1ågtemperatursystem för värmedistribution (golv el­ ler luftvärme) kan lager med ett lågt „v även vara möjliga vid lagring vid högre temperaturer utan värmepump. I praktiken innebär ett lågt värde på aatt avståndet mellan nedsticken ökar, nedsticken blir färre och lagret billigare. Ett högt värde på a innebär på samma lagervolym fler, tätare ned- stick och därmed ett dyrare lager. I tabell 7.1 och 7.2 jämförs olika typer av värmeväxlare vid a = 0.5 (W/m K) respektive 3 va = 2.0 (W/m K). Jämförelsen gäller enkla U-rör med skänkelav- ståndet 0.35 m och dubbla U-rör med skänkelavståndet 0.45 m. I tabellerna anges avstånd mellan nedsticken samt antal värmeväxla- 3 re som krävs för ett värmelager med volymen 50 000 m och ned- sticksdjupet 20 m. PEM-slang med dimensionen 16 och 25 är upp­ tagna, den klenare dimensionen är lämplig i ett lager där ned­ sticken kopplas parallellt och den grövre där nedsticken kopplas gruppvis i serie. För ett lager med täta stick är det förmodligen nödvändigt att gå upp ytterligare i dimension t ex till 32 mm för det seriekopplade alternativet. Tabell 7.1 Hålavstånd och antal nedstick för ejikla och dubbla U-rör som värmeväxlare, a= 0.5 W/m K Värmeväxlare Skänkelavstånd Hålavstånd Antal nedstick (m) (m) Enkelt U-rör 0 16 mm 0.35 2.24 575 Enkelt U-rör 0 25 mm 0.35 2.36 520 Dubbelt U-rör 0 16 mm 0.45 2.77 376 Dubbelt U-rör 0 25 mm 0.45 2.87 350 42 Tabell 7.2 Hålavstånd och antal nedstick för enkla och dubbla U-rör som värmeväxlare, a= 2.0 W/rrrK Värmeväxlare Skänkelavstånd Hålavstånd Antal nedstick (m) (m) Enkelt U-rör 0 16 mm 0.35 1.24 1872 Enkelt U-rör 0 25 mm 0.35 1.32 1653 Dubbelt U-rör 0 16 mm 0.45 1.61 1108 Dubbelt U-rör 0 25 mm 0.45 1.69 1010 Ovanstående jämförelse gäller pulser med längre varaktighet, s k "steady-flux"-tillstånd. För korta effektpulser är växelverkan mellan nedsticken och även skänklarna i varje nedstick försumbar. Värmeöverföringen är då proportionell mot den totala värmeväxlar­ ytan i lagret, dvs den totala mängden slang i marken. I det fal­ let är lager med dubbla U-rör något bättre, då lagret i ovanstå­ ende exempel innehåller följande värmeöverförande area: TT.0. Antal nedstick . 20m . 4 (m2) Lagret med enkla U-rör innehåller på motsvarande sätt följande area : TT.0. Antal nedstick . 20m . 2 (m2) Lagerexemplen i tabell 7.1 och 7.2 har utnyttjats vid kostnads­ beräkningarna i kapitel 8. 43 8 ANLÄGGNINGSKOSTNAD FÖR VÄRMELAGER MED VERTIKALA RÖR 8.1 Allmänt Kostnaderna som tagits fram i detta avsnitt baseras dels på de tidigare uppgifterna från förstudien, dels på uppgifter från byggda och projekterade värmelager i lera. Kostnaderna för ned- drivning av värmeväxlare har beräknats utifrån de verkliga kapa­ citeter som erhållits vid försöken inom detta projekt samt den kapacitet som BPA erhöll med sin metod i Söderköping. Kostnaderna för samlingsledningar, ventiler och luftning har reducerats något jämfört med de kostnader som finns redovisade för projekterade och utförda anläggningar. Det går att förenkla utförandet av det­ ta vilket motiverar denna reducering. Någon reducering är inte gjord med hänsyn till utveckling av enklare och billigare kopp­ lingar utan gäller den teknik som finns idag. Kostnadsberäkningar har gjorts för två typer av värmelager som redovisas i kapitel 7. 3 1. Värmelager med asj = 0.5 W/m K. Det är ett lågtemperaturlager med värmepump alternativt ett medel-högtemperaturlager med en stor, drivande temperaturdifferens (T^-T ). Detta lager benämns fortsättningsvis för lågtemperaturlagret. 3 2. Värmelager med 0= 2.0 W/m K. Ett medel-högtemperaturlager som utnyttjar värmen direkt för uppvärmning. Lagret har en relativt låg, drivande temperaturdifferens. Detta lager be­ nämns fortsättningsvis högtemperaturlagret. 3 Antagen lagervolymen är 50 000 m , djupet 20 m och lagret upptar 2därmed en markarea av 2 500 m . Med en värmekapacitet av 1.0 kWh/m^K och ett temperatursving av 10°C i lågtemperaturlagret kan ca 500 MWh tas ut vid varje 1agringscykel. Vid ett motsvaran­ de temperatursving i högtemperaturlagret av 20°C kan 1000 MWh tas ut vid varje lagringscykel. Kostnader för eventuell värmepump eller korttidslager, solfångare och topplastpanna tillkommer. Kostnadsberäkningarna har gjorts för två kopplingsprinciper, en där alla U-rör är parallellkoppl ade och en där U-rören är kopp- 44 lade gruppvis i serie. Detta påverkar dels vilken rördimension som kan väljas ur flödessynpunkt, dels kostnaderna för kopplingar och ledningar i markytan. För dessa beräkningar har inte några noggranna dimensioneringsberäkningar ur flödessynpunkt utförts. I stället har rimliga rördimensioner valts utifrån tidigare arbe­ te. För parai 1 el 1 koppi ing har 0 16 mm U-rör valts och fördel - ningsledningar med 0 63 mm. För seriekoppling är U-rören 0 25 mm och anslutna direkt vid kopplingsblock till samlingsledningarna. Lagret är kvadratiskt med sidlängden 50 m. Vid parai 1 el 1koppl ing löper samlingsledningarna antingen mitt i lagret eller utefter två av lagrets sidor. Dessa lösningar har valts för det projek­ terade lagret vid Karl Staaffsgatan resp lagret vid Lindälvssko- lan, se figur 8.1 och figur 8.2. Kostnadsmässigt är dessa lös­ ningar troligen ganska likvärdiga. Figur 8.1 Planskiss över projekterat värmelager i lera, Karl Staaffsgatan (BFR-rapport R89:1986). 45 4^—t-—+<—+*—t1—f-f-f—f— Figur 8.2 Planskiss över värmelagret vid Lindälvsskoian (BFR- rapport R86:1986) Sami ingsrören är genomgående 0 180 mm och samtliga rör av PEM. Vid seriekoppling löper samlingsledningar med kopplingsblock även utefter två av lagrets yttre sidor. Fluiden går från pannrummet ut centralt i lagret, fördelas ut via kopplingsblocken till de seriekopplade nedsticken och samlas åter utefter två av lagrets sidor och går tillbaka. Vid varje kopplingsblock sitter avstäng- ningsventiler och luftare. Det gör att flödet kan forceras genom vissa slingor samt att en del av lagret kan kopplas bort vid eventuellt läckage. Det senare gäller även för det parallellkopp- 1 ade lagret. Mängden nedstick för de olika värmeväxlartyperna har hämtats från kapitel 7, tabell 7.1 och 7.2. 8.2 Anläggningskostnad för lager i lera Kostnaderna baseras på följande priser på material och arbets­ moment och gäller 1986 års kostnadsnivå. Plaströr PEM, PN6.3 0 16 nim 2 kr/m PN6.3 0 25 mm 3 kr/m PN6.3 0 63 mm 15 kr/m PN6.3 0 180 mm 150 kr/m 46 Plaströrskopplingar svetsmufftyp: 50 kr/ U-rör (3 st) Kopplingsarbete för varje nedstick: 50 kr Fördelningsledningar, totallängd = 2 . hålavstånd . antal nedstick . 1.1. (PEM 0 63 mm) Sammankoppling av serieledningarna kräver samma totallängd men av PEM 0 25 mm i stället. Koppiingsblocken består av förti11 verkade PE-rör med avstick för fördelningsledningar eller series!ingor. Till varje kopplings- block ansluts 6-10 ledningar och här sitter en avstängningsventil samt luftare. Koppiingsblocken är svetsade till samlingsledningen och avstängningsventilen är åtkomlig från markytan via ett enkelt rör med lock (inspektionsbrunn). Koppl ingsblocket kostar komplett med luftare och avstängningsventil 2000 kr/st. Arbetskostnaden för montering av varje kopplingsblock är beräknat till 500 kr och varje fördelningsledning kostar 100 kr att ansluta till kopp- 1 ingsblocket. Neddrivningskostnaden är beräknad utifrån en dagskostnad på 8000 kr för pålkran med tre man. Kapaciteten för dubbla U-rör till 20 m djup är 25 per dag och för enkla U-rör 120 per dag.3Schaktkostnaden är 100 kr/m , schaktdjup 0.5 m ger en kostnad på 2 ?50 kr/m . Äterstäl lningsarbetet är satt till 20 kr/m . Isolering av överytan för högtemperaturlagret har ansatts till 2 2 50 kr/m och räknat på en yta av 3000 m . Isoleringen uppåt för detta lager är en viktig fråga som inte alls behandlats i detta projekt. För att inte få för stora värmeförluster uppåt bör lag­ ret isoleras även åt sidorna från markytan och ned minst 5 m. Ra­ tionella metoder för att göra detta och dess kostnader har inte behandlats. På alla kostnader har sist lagts en administrationskostnad på 10%. 47 3 Kostnaden för ett värmelager i lera med = 0,5 W/m K utfört med enkla U-rör till 20 m djup baserat på ovanstående priser blir då enligt tabell 8.1 ca 510 kkr för det seriekopplade alternativet och ca 485 kkr för det parallellkopplade. Motsvarande värmelager utfört med dubbla U-rör kostar ca 635 kkr utfört med seriekoppling och ca 600 kkr utfört med parallellkopp­ lade nedstick. Se Tabell 8.2. Kostnaden per årligt lagrad kWh blir då 0.97-1.27 kr för lagret med av = 0.5 W/m3K. Tabell 8.1 Kostnad i SEK för lågtemperaturlager i l&ra, Enkla U-rör, Skänkel avstånd 0.35 m, av = 0.5 W/nrK Serie Parallell rördimension/antal vvx 0 25/520 0 16/575 Neddrivning av U-rör 40200 43400 U-rör 62400 46000 Fördeln.ledningar 8100 42500 Kopplingsblock 64000 32000 Samiingsledningar 52500 37500 Kopplingsarbete 62300 63900 Schaktning 125000 125000 Återställning 50000 50000 Administration 46500 44000 Total kostnad 511000 484000 Kostnad per meter U-rör 49 42 0 Kostnad per m lager 10.2 9.7 48 Tabell 8.2 Kostnad i SEK för 1ågtemperaturlager i lera, Dubbla U-rör Skänkelavstånd 0.45 m, ay = 0.5 W/nrK. rördimension/antal vvx Serie 0 25/350 Parallell 0 16/376 Neddrivning av U-rör 117000 125300 U-rör 84000 60200 Fördeln.ledningar 6600 34300 Koppl ingsblock 64000 32000 Samiingsledningar 52500 37500 Koppl ingsarbete 79900 81100 Schaktning 125000 125000 Återställning 50000 50000 Administrati on 58000 54500 Total kostnad 637000 600000 Kostnad per meter vvx 90.1 80 Kostnad per m 1 ager 12.7 12 För högtemperaturlagret blir motsvarande kostnader om enkla U-rör används ca 1100-1140 kkr vid parallell- respektive seriekoppling av nedsticken, se tabell 8.3. Motsvarande lager utfört med dubbla U-rör kostar ca 1600 kkr en­ ligt tabell 8.4. Anläggningskostnaden per årligt lagrad kWh blir då enligt tabell 8.3 och 8.4 mellan 1.10 och 1.68 kr. 49 Tabell 8.3 Kostnad i SEK för högtemperaturlager i l^ra, Enkla U-rör, Skänkelavstånd 0.35 m, av = 2.0 W/m K. rördimension/antal vvx Serie 0 25/1653 Parallell 0 16/1872 Neddrivning av U-rör 115200 129800 U-rör 200800 150000 Fördeln. ledningar 14400 76500 Kopplingsblock 96000 48000 Samiingsledningar 105000 75000 Kopplingsarbete 181400 197500 Schaktning 125000 125000 Isolering av överytan 150000 150000 Återställning 50000 50000 Administration 104000 100000 Totalkostnad 1142000 1102000 Kostnad per meter U-rör 34.5 29.4 3 Kostnad per m lager 22.8 22 Tabell 8.4 Kostnad i SEK för högtemperaturlager i lera, Dubbla U-rör, Skänkelavstånd 0.45 m, ay = 2.0 W/m K. rördimension/antal vvx Serie 0 25/1010 Paral 1 el 1 0 16/1108 Neddrivning av U-rör 328200 354600 U-rör 242400 177300 Fördeln.ledningar 11300 58900 Kopplingsblock 96000 48000 Samiingsledningar 105000 75000 Kopplingsarbete 419200 452500 Schaktning 125000 125000 Isolering av överytan 150000 150000 Återställning 50000 50000 Administration 152700 149200 Totalkostnad 1680000 1641000 Kostnad per meter vvx 83.2 74 3 Kostnad per m lager 33.6 32.8 50 Det framgår tydligt att kostnaderna för fördelnings- och sam- 1 ingsledningar samt koppi ingsarbetet med dessa är höga. Ett sätt att direkt minska den kostnaden är att bygga lagret djupare om jordmäktigheten tillåter det. Lagret i Kungsbacka är byggt till 35 m djup med en metod som är beskriven i kapitel 2. Värmeväxlar­ na är enkla U-rör med ett skänkelavstånd på ca 15 cm. I tabell 8.5 redovisas kostnader för två värmelager byggda med den meto­ den, ett med av = 0.5 och ett med ay = 2.0 W/m^K. Volymen är den­ samma som tidigare, djupet är 35 m och därmed markytan reducerad 2 till ca 1430 m . Antal nedstick för 1ågtemperaturfal 1 et blir 370 och för högtemperaturfallet 1210. Tabell 8.5 Kostnad i SEK för värmelager i lera, enkla U-rör 016, skänkelavstånd 0.15 m och djup 35 m. Lågtemp Uv=0.5) Högtemp Uv=2.0) Hål avstånd/Antal vvx 2.12/370 1.17/1210 Neddrivning av U-rör 202300 650300 U-rör 26 km resp 85 km 52000 170000 Fördeln.ledningar 25900 46700 Kopplingsblock 24000 40000 Samiingsledningar 28500 57000 Kopplingsarbete 43000 131000 Schaktning 71500 71500 Isolering av överytan 80000 Äterställning 28600 28600 Administration 47600 127500 Total kostnad 524000 1403000 Kostnad per meter U-rör 40.5 33.1 Kostnad per m lager 10.5 28.1 Kostnad per årligt lagrad kWh 1.05 1.4 51 En samlad bild av kostnaderna för att bygga ett lågtemperaturvär- O melager på 50 000 m i lera med de olika metoderna (sammanställ­ ning av tabell 8.1, 8.3 och 8.5) framgår av figur 8.3. En motsvarande sammanställning för ett högtemperaturvärmelager (tabell 8.2, 8.4 och 8.5) framgår av figur 8.4. LÅGTEMPLAGER I LERA a =0.5 kkr 600- 500- 400- 300- ENKELT U-RÖR DUBBELT U-RÖR ENKELT U-RÖR SERIE PARALLELL SERIE PARALLELL PARALLELL 35 m DJUP kr/m 49 42 90.1 80 40.5 kr/m3 10,2 9.7 12,7 12 10,5 CEN. ADM. ÅTERSTÄLLNING ISOLERING I ÖVERYTAN SCHAKTNING KOPPLINGAR ♦ SAML. LEDN. VERT. SLANGAR BORRNING + MONTERING Kostnadssammanställning för 1ågtemperaturvärmelager i lera. ay=0.5 W/im K. Figur 8.3 52 HÖGTEMPLAGER I LERA a = 2.0 kkr 2000- 1 500 - 1 000 - 500- ENKELT U-ROR DUBBELT U-ROR ENKELT U-ROR SERE PARALLELL SERIE PARALLELL PARALLELL 35 m DJUP kr/m 34.5 29.4 8 3.2 74 3 3.1 kr/m 22.8 22 33.6 32.8 28.1 CEN. ADM. □ ÅTERSTÄLLNING ISOLERING I ÖVERYTAN SCHAKTNING KOPPLINGAR ♦ SAML. LEDN. VERT. SLANGAR BORRNING + MONTERING Figur 8.4 Kostnadssammaställning för högtemperaturvärmelaqer i lera, av=2.0 W/nrK. Inverkan av det ökade lagerdjupet och därmed minskade kostnader för samlingsledningar och kopplingar är påtagligt. Kostnaden för lagret med 35 m djup är nästan densamma som för lagret med enkla oskyddade U-rör och något lägre än för lagret med dubbla U-rör. Då fler och tätare stick görs blir metoden med enkla oskyddade U-rör klart lägre än de övriga. 53 Det finns pålkranar på marknaden idag som kan byggas upp till närmare 30 m höjd. Det är således möjligt att sätta värmeväxlare till åtminstone 25 m djup utan skarvning av lans med dubbla skyd­ dade U-rör eller enkla oskyddade U-rör. Jämfört med kostnaderna i figurerna 8.1-8.4 innebär detta 25% ökade kostnader för U-rör samt något ökade kostnader för neddrivningen, uppskattningsvis 10%. Samtidigt ökar lagervolymen från 50 000 m3 till 62 500 m3. Kostnaderna för ett lager kopplat parallellt med ^ = 0.5 W/m K blir då enligt tabell 8.6. Tabell 8.6 Kostnad i SEK ,för värmelager,i lera till 25 m djup volym 62 500 m , „v = 0.5 W/mJK Enkla U-rör Dubbla U-rör Antal nedstick 575 376 Totalkostnad 509000 651000 Kostnad per meter vvx 35.4 69.3 3 Kostnad per m lager 8.2 10.4 Kostnad per årligt lagrad kWh At = 10°C 0.82 1.04 Kostnadsreduktionen är således 15-20% genom att utnyttja kranshöjden maximalt för ett glest lager. För ett lager med nedstick a = 2.0 W/nrK framgår kostnaden av tabell 8.7. Tabell 8.7 Kostnad i SEK,för värmelager,i lera till 25 m volym 62 500 m , a = 2.0 W/m K. Enkla U-rör Dubbla U-rör Antal nedstick 1872 1108 Total kostnad 1179000 1787000 Kostnad per meter vvx 25.2 64.5 3 Kostnad per m lager 18.9 28.6 Kostnad per årligt lagrad kWh it = 20°C 0.94 1.43 Kostnadsreduktionen blir i detta fall ca 15%. 54 8.3 Kostnader för lager i moränlera och berg Kostnaderna i detta avsnitt baseras på samma baskostnader som lagren i lera (kap 8.2) förutom borrnings- och neddrivningskost- naderna som har tagits dels från DGI1s försök i moränlera, dels från förstudien (JVG-rapport nr 21). Neddrivningskostnaden är satt till 100 kr/m i berg (topphammarborrning till 60 m djup, 0 75 mm ) och 35 kr/m i moränlera (augerborrning). Lagren är samma som i avsnitt kap 7 och 8, dvs en lagervolym av 350000 m och 20 m djup. Lagret i berg avviker och har djupet 60 m 3 samt har en större volym, 84000 m med hänsyn till bergmateria­ lets lägre värmekapacitet. Moränlera beräknas ha en värmekapaci­ tet av 3.5*10® J/m^K och berg 2.1-10® J/m^K. Värmekonduktiviteten är 1.75 W/mK för moränlera och 3.5 W/mK för berget. O 1 tabell 8.8 redovisas lagret i moränlera med ay = 0.5 och 2.0 W/mK och i tabell 8.9 lagret i berg vid samma förutsättningar. Tabell 8.8 Kostnad i SEK för värmelager i moränlera, enkla U- rör 0 16, skänkelavstånd 0.10 m och djup 20 m. Borr­ ning med augerborrning enligt kapitel 6. Lågtemp Högtemp Uv=0.5) Uv=2.0) Hål avstånd/Antal vvx 2.6/455 1.4/1540 Neddrivning av U-rör 318500 1078000 U-rör 18.2km resp 61.6km 36400 123200 Fördeln.ledningar 39000 71100 Kopplingsblock 16000 32000 Samiingsledningar 37500 75000 Kopplingsarbete 54300 178000 Schaktning 125000 125000 Isolering av överytan 125000 Aterställning 50000 50000 Administration 67600 185700 Total kostnad 745000 2043000 Kostnad per meter U-rör 82.4 66.3 3 Kostnad per m lager 14.9 40.8 Kostnad per årligt lagrad kWh 1.49 2.0 55 Tabell 8.9 Kostnad i SEK för värmelager i berg, enkla U-rör 0 25mm i 0 75mm topphammarborrade borrhål till 60 m djup. Lagervolym 84 000 m . Lågtemp (a/0.5) Högtemp (av=2.0) Hålavstånd/Antal vvx 3.5/115 2.0/350 Borrning 690000 2100000 U-rör 13.8km resp 42km 41400 126000 Fördeln.ledningar 13900 23100 Koppiingsblock 8000 16000 Samiingsledningar 28500 57000 Kopplingsarbete 15500 47000 Schaktning 70000 70000 Isolering av överytan. 80000 Återställning 28000 28000 Administration 89500 254700 Totalkostnad 985000 2800000 Kostnad per meter U-rör 143 133 3 Kostnad per m lager 11.7 33.3 Kostnad per årligt lagrad kWh 1.97 2.8 56 9 SLUTSATSER 9.1 Lager med vertikala rör i lera Om kostnadssammanstäl1 ningarna i kap 8 granskas kan man kortfat­ tad beskriva läget för värmelager i lera med följande punkter: 1. Den utveckling av neddrivningsmetoder som gjorts inom pro­ jektet och av BPA har inneburit en kostnadsreduktion jämfört med tidigare metoder vid lagerdjup mindre än 20-25 m. Kost­ naderna för ett lager med vertikala rör i lera om ett djup av 25 m sammanfattas i tabell 9.1. Tabell 9.1 Sammanställning av kostnader för värmelager i lera med vertikala rör. Typ av lager ay=0.5 W/m3K av=2.0 W/m3K U-rörstyp enkl a dubbla enkl a dubbl a SEK per m vvx 35.4 69.3 25.2 64.5 SEK per m3 lager 8.2 10.4 18.9 28.6 SEK/kWh och år 0.82 1.04 0.94 1.43 Observera att kostnaden per årligt lagrad kWh gäller 10°C temp- utnyttjande vid av=0.5 och 20°C vid a =2.0. 2. Samiingsledningar, fördelningsledningar samt arbetet med koppling av dessa och de vertikala rören står för stora kostnader vid denna typ av lager. 3. Det är mycket små skillnader i kostnad mellan seriekopplade U-rör och lager med parai 1 el 1kopplade, skillnaden ligger inom felmarginalen för beräkningarna. 57 4. Kostnaden för lagret ökar betydligt om nedsticken sätts tä­ tare. Om samtidigt ett ökat temperaturspann utnyttjas i lag­ ret behöver dock inte kostnaden för den lagrade energin bli 3 högre. Lagret med av=0.5 W/m K motsvarar ungefär de prestan­ da som tidigare diskuterats för lager i lera (hålavstånd ca 2 m). Lagret med a = = 2.0 W/m K har ca 3 ggr så stor värme­ växlaryta och medger därmed värmeöverföring med betydligt lägre temperaturdifferenser mellan fluid och omgivande mark. Om stora temperaturdifferenser kan accepteras t ex användan­ de av högtemperatursolfångare med utjämningsmagasin och låg- temperaturdistributionssystem kan ett glesare och därmed betydligt billigare marklager användas även för system utan värmepump. Sätts istället U-rören tätt kanske utjämningstan­ ken kan minskas och eventuellt helt sparas, vilket totalt sett kanske blir billigare. För att klara ut detta krävs värmetekniska beräkningar för hela system och kopplat till detta kostnadsberäkningar, som inte ingår i detta projekt. 5. Totalt sett lägst kostnad erhålls för enkla U-rör som drivs ned oskyddade. Skillnaden i kostnad ökar då nedsticken görs tätt. 58 REFERENSER Adolfsson, K, Sällfors, G, 1987: Energilagring i lera. Värme­ strömning, värmeväxlarutformning och påverkan av lerans geo- tekniska egenskaper. (Byggforskningsrådet) Rapport R23:1987. Stockholm. Andersson, 0 H, 1981: Borrning och dokumentation. Borrningsteknik jämte metodik för geologisk datainsamling under borrningens gång. Thesis 8. Dep. of Quaternary Geology, University of Lund. Claesson, J, m fl, 1985: Markvärme, en handbok om termiska analy­ ser, Del II. (Byggforskningrådet) Rapport T17:1985. Stock­ holm. Engwall, L, 1984: Energilagring i lera. Test av ny metod för in­ stallation av värmeväxlarrör. Särtryck av uppsats. Nordiska Geoteknikermötet 1984, Linköping 1-3 juni. Ericsson, L 0, 1985: Värmeutbyte mellan berggrund och borrhål vid bergvärmesystem. (Geologiska inst., CTH/GU) Publ. A52, Göte­ borg. Franck, P-Â, 1986: A study of heat pump systems with low-tempera­ ture seasonal heat storage in clay. (CTH, Institutionen för värmeteknik och maskinlära). Göteborg. Gräslund, J, m fl, 1986: Sunclay-projektet. Utvärdering av sun- clay-systemet. Andra generationens systemlösning. (Bygg­ forskningsrådet) Rapport R84:1986. Stockholm. Hellström, G, Palmgren, C, Rydell, B, 1985: Heat storage in clay - A technical and economical evaluation of vertical earth heat exchangers. Proceedings from III International Confer­ ence on energy storage for building heating and cooling, Toronto, Canada, Sept 22-26, 1985. Ramundervärme - Statens geotekniska institut. 59 Rhen, I, Wilén, P, 1984: Vertikala rörsystem för lagring i sand och silt. Förstudie. (Jordvärmegruppen, Chalmers tekniska högskola) Rapport 14:1984. Göteborg. Schunnesson, H, 1985: Borrning av värmelager. Teknik för produk- tionsborrning av långa grova hål för borrhålsvärmelagring i berg. (Högskolan i Luleå) Teknisk rapport 1985:24T. Luleå. 60 BILAGA Sammanställning av laboratorieundersökningen, SGI Söderköping, värmelager. SGF nr 31. 1978 Lonproduktcr Linköping © Svenska Geotekniska Föreninger Sektion/borrhål Djup/nivå Benämning enligt 1981 års system Densitet Q t/m> Vatten­ kvot w •/. Finleks* tal WF •It Sensiti­ vitet eni. konprov S| Skjuvhål Ifasthet (oreducerad) Tf kPa *) Jord- arts- för- kortn övriga under­ sök­ ningar**) Anm. Tryckprov Konprov 103 forts. 11,0 Brungrå, varvig lera med tunna 1,62 63 59 14 16 v Le ( sa) (s: .) finsand- och siltskikt 11,5 Brungrå, varvig lera med finsand- 1,63 65 63 (14) (19)*v Le sa si *Stor spridning och siltskikt Tfu=16-23 kPa 12,0 Brungrå, varvig lera med finsand- 1,62 69 66 15 20 v Le sa si och siltskikt 13,0 Brungrå, varvig lera med tunna 1,69 76 75 (13) (20)*v Le ( sa) (s .) *Stor spridning finsand- och siltskikt Tfu=15-24 kPa 14,0 Brungrå, varvig lera med täta 1,70 63 61 19 25 v Le si siltskikt 15,0 Brungrå, varvig lera med täta 1,81 56 51 (22) (22)*v Le si *Stor spridning siltskikt Tfu=13-31 kPa 16,0 Brungrå, varvig lera med täta L ,78 47 44 (17) (20) *v Le sa si *Stor spridning finsand- och siltskikt Tfu=16-22 kPa 17,0 Grå, varvig silt med täta lerskikt L ,81 581 541 O.ö)1 10) * v Si Le *Stor spridning 332 Tfu=5,l-21 kPa 1gjord på le Ogjord på Si 18,0 Grå, varvig lera med täta finsand- 1,81 42 39 (15) (14)* v Le ( 3a) (s. .) *Stor spridning och siltskikt Tfu=10-21 kPa 19,0 Grå siltig finsand med siltskikt ( 2,07) (22) si Sa si Fritt vatten H o 1 CO LO 3 LO 1 1 to W O LO \ LO O 1 M to s u> *) Understreckning av värden anger att skjuvhAllfastheten bör reduceras. Rekommenderade korrektionsfaktorer anges i ledig kolumn eller i bilaga 1 kPa = 1 kN/m» ^ 0,1 Mp/m» Lediga kolumner Sr avsedda för resultat av speciaiundersök- ningar, t. ex. Atterbergs gränser, glödgningsförlust, kapillaritet, tjälfarlighet, permcabilitet. ’*) övriga undersökningar (se bilagor) skj = direkta skjuvförsök pac = packningsförsök komp = kompressionsförsök korn = kornfördelning ............................................. 5 2 rt «8 O » a 5 H t S 1 K2 W O wo w 2w ►3 H* JO w § O: C Cb 3 (0 Qi a Q ** M 0« < »ÖH- R 3 3(D I Hl O» < H p» " i C CD O. H* H- p CD iQ CD H > 09 O 73 il z » O F m s as t;z zo > TO SG F n r 3 1. 19 78 lon pr od vk ta r L in kö pi ng © Sve ns ka G eo te kn isk a F ör en in ge n Företag/institution STATENS GEOTEKNISKA INSTITUT SAMMANSTÄLLNING AV LABORATORIEUNDERSÖKNINGAR Projekt Ramundervärme - värmelager i lera i Söderköping, förstudiePROVTAGNING datum 83-09-13 LABORATORIEUNOERSOKNINGAR datum 83—09—23 PROVTAGNINGSREDSKAP Kv St I GODKÄND dan 83-09-23 laboratorieförest J —M S/CEW Dnr 1-174/83 Littera, uppdragsnr e. likn. Tabellnr, planschnr e. likn. TJ •0 •H P CO ï> Ur CO O ••r~» > > > TJ > CP «U P u G P 0 0 •0 0 Ü •0 G •H > > Cb p •r—i Ûr *H en CP P 0 P 0 TJ 0 TJ G »-I Ai T) TJ JM P G 5m 5m fÖ P p O *H 0 O > P «0 «o -r—i ** P t-4 •r-i i—1 G p p CP 0| G CP rH •0 O co co - n >CM c Pr X D 5 - ? 1—i--------g 'O in I -P p p p p O P so o T> 0 4-1 Ai -W-1 (1) d) w CD pi —, ^ — ; (0 0 > W > W| 0) a 0 0 -H J CO 0 \ J —, *H 0 CO > CO I 0 ■ J ■ 0 P 4-» P Ai O <0 CP O 'fE E n^.S2I ro i H I r» cm il I« co ^ co CO co CN «-< co r-- OJ co co f" kO kO 50 kO CP kO c » » s~ 5 ■* s <*! in in kO I TJ G 0 0 Ai 0 •rH P 0 p P 0 en G >1 G TJ TJ TJ en CP CP G 0 0 0 •H •H P B P 6 P B o en Ai Ai Ai Ai c p U u TJ 0 •H 0 0 0 •H 0 "E •0 !0 «0 0 P Ai 5M JM 5m Ai P E I—1 1—1 B 0 en 0 0 0 en 0 SCO P p 1—1 P rH rH rH P rH c CO TJ TJ 0 rH r—i® CP •H •H P CP •H CP CP CP •H CPCQ P P 0 •H en •H •H •H en •H rH rH rH P > > > > > p G G Ai P G 5M P P G P •H •0 P Ü CP *H •H Ai > Ü) P P 0 r—( > -H W •fö Ä P U Ü o fö u > o (Ö u > o 0 P p y, 0 -H i—I Ai U) CP P 0 > »H P fÖ TJ> 0 •0 P P rH CP -H G en G p tr» CQ -H CP I P > rH P -H 0 en > Ä - U ’0 O P CP I g 'd cq en \ g •Hen <ô eô g G G P TJ 0 S 0 P 0 fÖ 0 Ai P Ai •0 TJ •0 •0 •0 TJ •0 P P 0 p 0 P G P p P G P O Ai > Ai B CP 0 CP CP CP 0 CP Ai 0 0 0 P G en G G G en G en P P Ai G G G G G G G G G o0 G P •H P •H P P P •H P P O P O 0 AC CQ P CQ CQ CQ P CQ CP *5 O rH en CP -H •h en & .G fÖ u > o - I •0 TJ P G CP fö G en G G P -H CQ P CP -H •h en > P G 0 O > o 0 G G G P TJ 0 B P X 0 -H P Ai 0 en i—i P i—i CP -H - I G •0 TJ P P G O CP 0 Ai G en en G G G P CQ 4m CP >• I •0 TJ P G CP 0 G en G G P -H CO P S O -Qt) e”« :iik c fc ~ ~ C °lo £ t>œ‘: I Denna rapport hänför sig till forskningsanslag 840591-5 från Statens råd för byggnadsforskning till Geologiska institutionen, Chalmers tekniska högskola, Göteborg. R33: 1988 ISBN 91-540-4882-6 Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm Art.nr: 6708033 Abonnemangsgrupp : Ingår ej i abonnemang Distribution: Svensk Byggtjänst, Box 7853 103 99 Stockholm Cirkapris: 39 kr exkl moms