Energipålar - Termiskt responstest på prefabricerad energipåle i betong

Abstract (Swedish)

Energipålar är grundläggningspålar kombinerade med kollektorslangar som används som vertikala markvärmeväxlare. De har sedan 1980-talet använts i Centraleuropa, och används även frekvent i England. I Sverige har energipålar ännu inte slagit igenom, men de större byggföretagen börjar nu intressera sig för denna typ av grundläggning.
En fördel med energipålar jämfört med konventionella bergvärmebrunnar är att merkostnaden för uppvärmnings- och kylanläggningen blir mindre om ett grundläggningsarbete med pålar ändå ska utföras. Energipålar används med fördel i ett balanserat system med utvinning av både värme och kyla ur marken.
Peab Grundläggning har tillverkat tre prototyper av en typ av energipåle med en 10 meter lång prefabricerad standardpåle med kvadratiskt tvärsnitt i betong som bas. Betongpålarna har gjutits med ett tomt innerrör i centrum av pålen, och kollektorer har installerats i pålen efter det att den slagits ner i marken, varefter hålrummet har cementinjekterats. Tanken med denna utformning är att pålen ska kunna skarvas utan att extra kopplingsarbete av kollektorerna tillkommer.
Inom ramen för detta examensarbete har Peab Grundläggning och författaren i samarbete utformat, gjutit och installerat tre pålar. Med ytterligare hjälp från HP-Borrningar i Klippan har författaren och Peab Grundläggning funnit en testplats för pålarna, genomfört installation av kollektorerna i två av pålarna samt utfört ett termiskt test på en av pålarna. Pålarna installerades på en anläggning tillhörande HP-borrningar AB i Filbornas industriområde i Helsingborg.
Syftet med examensarbetet var att undersöka om Peabs påle lämpar sig som energipåle, att ta reda på pålens termiska egenskaper och att slutligen kunna ge riktvärden för designparametrar och effektuttag.
För att åstadkomma detta har ett termiskt responstest (TRT) genomförts på en påle. Ett termiskt responstest innebär att en uppvärmd vätska tillåts cirkulera i det slutna markvärmeväxlingssystemet (kollektorn i pålen). Temperaturen mäts innan vätskan går ner i marken och efter det att den kommit upp. De uppmätta temperaturerna plottas mot tiden, och då applicerad effekt på vätskevärmaren är känd kan markens värmeledningsförmåga beräknas med hjälp av grafen.
Den vanligaste utvärderingsmetoden för ett termiskt responstest, och den som tillämpats i detta försök, är den så kallade linjekälla-metoden. I denna metod antas den vertikala värmeväxlaren vara en oändligt lång värmeutstrålande linje. Med denna metod kan markens värmeledningsförmåga beräknas utifrån uppmätta värden, liksom värmeväxlarens termiska motstånd. Båda dessa är viktiga designparametrar när ett energisystem ska dimensioneras.
Pålens termiska motstånd beräknades till 0,191 (m∙K)/W och markens värmeledningsförmåga till 2,74 W/(m∙K).
En jämförelse mellan mätvärdet och teoretiskt beräknade termiska motstånd utifrån i litteraturen rapporterade metoder har givit att modellvärdena avviker som mest med drygt 20%, jämfört med resultatet från det termiska responstestet. Den modell som ansågs som lämpligast för denna påle (Remunds, se kapitel 2.5) gav ett predikterat termiskt motstånd på 0,198 (m∙K)/W vilket är väl jämförbart med testresultatet.
Det är värt att notera att en utvärdering av ett termiskt responstest enligt den här använda metodiken i sig har osäkerheter vid beräkning av värmelednings¬förmågan på mellan 5-10%, och på 10-20% vid beräkning av det termiska motståndet.
Då en koppling mellan uppmätt temperatur på vätskan och utelufttemperaturen kunde urskiljas efter testet, men inte kunde beräknas och klargöras med den använda utvärderingsmetoden, har resultaten osäkerheter. En analys av dessa har genomförts, och de erhållna mätresultaten bedöms vara rimliga då de stämmer bra överens med de förväntade och uppskattade värden som identifierats i en litteraturstudie.
En annan källa till osäkerhet är att den tillförda effekten antagits vara konstant, vilket troligen inte är korrekt. Om effekten mäts kontinuerligt i ett upprepat experiment, och linjekälla-metoden används med superposition av alla de uppmätta stegvisa förändringarna i tillförd effekt, samt utvärdering genomförs med parameteruppskattning, kan mer precisa och noggranna värden på både värmeledningsförmåga och det termiska motståndet beräknas. Detta bör vara nästa steg.
Även praktiska erfarenheter har dragits, exempelvis föreslås hur pålens termiska motstånd kan minskas genom att kollektorerna installeras med distanser för att öka avståndet mellan dem, och för att hålla dem på samma avstånd ifrån varandra.

Abstract

Energy piles are deep foundation piles combined with collector pipes. They are used as vertical ground heat exchangers, and have been used since the 1980s in Central Europe and frequently in England. Energy piles have not yet had its breakthrough in Sweden, but right now the bigger construction companies have turned their eyes to this type of deep foundation.
One advantage with energy piles, when compared to conventional borehole heat exchangers, is that the additional cost for the heating- and cooling facilities in a building decreases, given that a foundation work with piles is planned. Energy pile systems are most in advantageous in a balanced system, where both heating and cooling are augmented with the help of ground heat exchange.
The Swedish construction company Peab Grundläggning AB has designed and manufactured three prototypes of energy piles. They are based on a 10 meter long precast Swedish standard driven pile in concrete with square cross section. The piles are designed to have an empty inner pipe in the centre of the pile, where heat collectors have been installed. The installation of the collectors take place after driving the piles into the ground, and the cavity around the collectors is then filled with cement grout. This makes it possible to more easily splice the pile, and to adapt its final length without interfering with the collector system.
As a part of this thesis, Peab Grundläggning AB and the author have installed three piles of the new design. With much appreciated assistance from the geothermal specialist company HP-Borrningar i Klippan AB, the author and Peab Grundläggning have found a test location for the piles, installed collectors in two of the piles and conducted a thermal test on one of the piles. The piles are installed at a geothermal test site belonging to HP-Borrningar I Klippan AB in the Filborna industrial area in Helsingborg, southern Sweden.
The main purpose of this master thesis is to investigate if Peab´s new pile design has properties that justify its use as an energy pile. This is done by finding out the thermal properties of the pile. Another purpose was to evaluate and present recommended values used for design of an energy system with this type of pile and energy extraction.
To accomplish this, a thermal response test (TRT) has been conducted on a single pile. A thermal response test means that a heated fluid is circulated (by means of a pump) in the closed heat exchanger loop (the collector) in the pile. Meanwhile, the temperature is measured before the fluid enters the ground, and after it returns. The measured temperatures are plotted against time, and as the applied power on the heating device warming up the fluid is well known, the thermal conductivity of the ground can be calculated from the graph.
The most commonly used method for the evaluation of a thermal response test is the line source method, which also has been applied in this work. In this method the vertical heat exchanger is approximated with an infinitely long and thin line, with constant heat flowing radially from the line. With this method the thermal conductivity of the ground and further the thermal resistance of the heat exchanger can be calculated, which are both important design parameters for the design of an energy system.
A number of published models have been used to calculate predicted values for the energy pile tested. The largest deviation is just over 20%. The model that seemed to be the most appropriate one for this type of pile (Remund´s, chapter 2.5) gave a thermal resistance of 0.198 (m∙K)/W, which is close to the test result.
It should be mentioned that the evaluation of a thermal response test itself has uncertainties between 5-10% for calculating the thermal conductivity and between 10-20% for the thermal resistance.
The thermal resistance of the pile was calculated to 0.191 (m∙K)/W and the thermal conductivity of the ground was calculated to 2.74 W/(m∙K). The model data compared to the results of the TRT and the obtained results are therefore believed to be reasonable. They also match tabulated values found in the literature study.
As mentioned, the TRT test has some uncertainties that are discussed in the thesis. After the test a coupling between the measured fluid temperatures and the ambient temperature was observed.
Another source of uncertainty is that the applied power for heating was assumed to be constant which is probably not true. If, in a subsequent experiment, the power is measured, and the line source method is used with super-positioning of all the measured power change steps, and further the evaluation is made with parameter estimation, the results of the evaluation will be more accurate. This should be the next step.
Some important practical experiences have been made. For example it is suggested in the next how to reduce the thermal resistance by using spacers between the collector pipes and thereby increase the distance between them and to keep them at the same distance over the length of the pile.

Popular Abstract (Swedish)

Grundlägg byggnader och utvinn energi på samma gång
Peab Grundläggning AB tillverkade tre modifierade grundläggningspålar i betong, designade för energiutvinning i mark. På en av dessa så kallade energipålar har ett termiskt responstest genomförts för att undersöka pålens termiska egenskaper samt ta fram designparametrar.
I examensarbetet har ett termiskt test genomförts på en modifierad grundläggningspåle för att undersöka om den kan användas som energiutvinnare i mark. En anläggning med energipålar kan alltså fungera både som grundläggning för byggnaden och som energiförsörjare till hela eller delar av byggnaden. En fördel med en sådan anläggning är att merkostnaden för själva energisystemet blir mindre jämfört med exempelvis en bergvärmebrunn, om ett omfattande grundläggningsarbete ändå ska utföras för byggnaden.
Peab Grundläggning AB har under arbetets gång tillsammans med författaren tillverkat tre energipålar, och slagit ner dem i marken med en pålkran. Med ytterligare hjälp från borrfirman HP-Borrningar i Klippan AB har ett termiskt responstest genomförts på en av pålarna för att undersöka pålens termiska egenskaper. Resultatet från testet, bland annat energipålens termiska motstånd, ska kunna användas som ett ingående värde vid design av en energianläggning med denna typ av energipålar.
För att kunna jämföra testresultaten har också olika teoretiska modeller, som tar hänsyn till energipålens utformning, geometri och materialegenskaper, använts för att modellera energipålens termiska motstånd.
En del viktiga praktiska erfarenheter, exempelvis vid installation av pålen, har gjorts under arbetets gång. Rekommendationer för möjligt effektuttag för denna energipåle har också redovisats.
Slutsatserna som kunde dras var att Peabs energipåle kan användas som energiutvinnare i mark och en av de viktigaste designparametrarna kunde beräknas med hjälp av testet. För att få ytterligare klarhet bör fler tester genomföras på pålen.
Eftersom energipålar inte slagit igenom i Sverige än finns det fortfarande en del frågetecken kring energipålar och dess användbarhet i Sverige. Till exempel hur pålens bärförmåga påverkas av effektuttag under flera uppvärmningssäsonger. Detta examensarbete är därför en grund till ytterligare spännande projekt.

• author: Carlsson, Simon
• supervisor: Peter Jonsson; Philip Landkvist
• organization: Engineering Geology; Civil Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Energy piles - A Thermal Response Test on a pre-cast concrete energy pile
• course: VTG820 20151
• year: 2015
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: slagna pålar, termisk grundläggning, prefabricerad, termiskt responstest, energipåle
• publication/series: ISRN
• report number: LUTVDG/(TVTG—5142)/1-50/(2015)
• other publication id: LUTVDG/(TVTG—5142)/1-50/(2015)
• language: Swedish
• additional info: Examinator: Jan-Erik Rosberg
• id: 7758321
• date added to LUP: 2015-08-17 14:46:05
• date last changed: 2020-09-10 09:44:12