Transcript Last ned ekskursjonsguide

Ekskursjon til Melhus sentrum –
Grunnvann til oppvarming 11. mars 2014
Utarbeidet av Randi Kalskin Ramstad, Bernt Olav Hilmo, Gaute Storrø og Bjørn Frengstad.
Innhold
Generelt om bruk av grunnvann til oppvarming og kjøling .................................................................... 1
Skjematisk dannelse av randås begravd i leire ....................................................................................... 3
Grunnvarmeanlegg basert på oppumpet grunnvann i Melhus sentrum ................................................ 4
Lena terrasse ........................................................................................................................................... 4
Produksjonsbrønnen ........................................................................................................................... 4
Forslag til tiltak.................................................................................................................................... 5
Grunnvannsnivå ved Melhuset og vannføring i Gaula ............................................................................ 6
Grunnvannets temperatur – Idégården og Thoragården ....................................................................... 8
Generelt om bruk av grunnvann til oppvarming og kjøling
Der de geologiske forholdene ligger til rette for det, er bruk av grunnvann til oppvarming og kjøling
en effektiv og god løsning (figur 1). Store energimengder tas direkte ut fra grunnvannet, og
energipotensialet er bestemt av mengde vann som kan pumpes opp og temperaturen på vannet. Et
vannuttak på 10 m3/time tilsvarer 11,6 kW for hver grad C temperaturen endres (figur 2).
Vannkvaliteten har også betydning for drift av anlegget og må undersøkes. Grunnvannsbrønner med
høy kapasitet finnes først og fremst i områder med sand- og grusavsetninger. Før etablering av
grunnvarmeanlegg, må det gjøres hydrogeologiske forundersøkelser for å vurdere områdets
egnethet for uttak av grunnvann, uttaksmengder, grunnvannskvalitet og grunnvannstemperatur
(figur 3). Hydrogeologiske forundersøkelser, og eventuell prøvepumpingsperiode før endelig
prosjektering av grunnvarmeanlegg tar minimum 0,5-1 år.
1
Figur 1 Eksempel på åpen løsning der oppumpet grunnvann nyttiggjøres direkte. Grunnvann pumpes opp (a) til
varmepumpen som overfører energi fra vannet. Returvannet infiltreres i egen brønn (b), sendes i avløp (c) eller ut i
åpent vassdrag (d) (Kilde: NGU).
Generelt:
Fordeler:
Ulemper:
•
•
•
•
•
•
•
Brønndybde 10-40 meter
Brønndiameter 15-35 cm
Vannkapasitet 5-100
liter/sekund
Middels – store anlegg
•
Effektivt energiuttak, 11,6 kW
per °C temperaturen endres.
God lønnsomhet
•
•
Avhengig av geologi
Krever god vannkvalitet (lavt innhold av jern, mangan,
kalsium)
Krever grunnvannstemperatur høyere enn 3-4 °C.
Krever detaljerte forundersøkelser.
Figur 2. Effekt i kilowatt (kW) fra oppumpet grunnvann beregnes fra den lineære sammenhengen mellom
uttaksmengden av grunnvann, temperaturuttaket – DT og vannets spesifikke varmekapasitet. Levert varmeeffekt fra
varmepumpen vil være effekten fra grunnvannet pluss den elektriske effekten som trengs for å drive varmepumpens
kompressor. Vanligvis er forholdet mellom levert varmeeffekt og tilført elektrisitet til varmepumpeanlegget basert på
oppumpet grunnvann mellom 3,5:1 og 4:1. Det vil si at mellom henholdsvis 71 til 75 % av varmeeffekten som leveres er
fra grunnvannet.
2
Figur 3. Sammenligning av lufttemperaturen, elvetemperaturen (Glomma) og grunnvannets temperatur ved Elverum
vannverk i 1983-1984. Grunnvannets temperatur holder seg noenlunde stabil rundt ca. 5 °C, men det sees antydning til
en svak og forsinket årstidsvariasjon med lavere temperatur om våren og forsommeren og høyere temperatur om
høsten. Den stabile temperaturen gjennom vinteren gjør at grunnvann er godt egnet som varmekilde for varmepumper.
Skjematisk dannelse av randås begravd i leire
Figur 4. Melhusryggen eller Meeggen nord
for Melhus sentrum består av sorterte
sand- og grusavsetninger som er begravd i
leire. Dette er en randås, dvs en
breelvsavsetning dannet på fjordbunnen
foran en smeltende isbre. Det finnes også
lag eller kanaler av grus begravd i dypet
under Melhus sentrum. Hvordan disse er
dannet og hvordan de kommuniserer med
hverandre er ennå ikke helt klarlagt.
Figuren viser en standard dannelse av en
randås, men mangler en videre utbredelse
av sand og grus på innsiden av ryggen slik
vi finner ved Melhus.
3
Grunnvarmeanlegg basert på oppumpet grunnvann i Melhus sentrum
Figur 5 Oversiktskart over Melhus sentrum der 7 kjente grunnvarmeanlegg er avmerket med navn og ca. etableringsår. 4
av anleggene har produksjons- og infiltrasjonsbrønn, mens 3 av anleggene kun har produksjonsbrønn. For disse
anleggene føres returvannet til overvannsnettet og ut i Gaula.
Lena terrasse
Grunnvarmeanlegget ved Lena terrasse er basert på oppumpet grunnvann og består i dag av en
uttaksbrønn og en infiltrasjonsbrønn. Anlegget ble etablert på starten av 2000-tallet, men på grunn
av problemer med utfelling av jern og mangan i pumper, varmevekslere og i infiltrasjonsbrønnen har
anlegget stått de siste åra. Det pågår nå en rehabilitering av hele varmeanlegget,
grunnvannsbrønnene inkludert.
Produksjonsbrønnen
Produksjonsbrønnen ved Lena terrasse er avmerket med rødt på kartet i figur 4. Brønntoppen er
plassert i en ca. 2,5 m dyp brønnkum. Brønnen har følgende dimensjoner (tabell 1).
Tabell 1. Dimensjoner for produksjonsbrønnen. Alle mål er fra brønntopp, det vil si 2,5 m under terrengoverflaten.
Totalt brønndyp
Brønndimensjon
Grunnvannsnivå
Filterplassering
Sumprør
36,91 m
168 mm
18,08 m
23,94-33,93 m (10 m filter)
33,93-36,91 m (3 m sumprør)
4
Videoinspeksjon av produksjonsbrønnen viste betydelig rustutfelling i nivå 22,26-24,61 m, det vil si i
nedre deler av brønnrøret og i øvre deler av brønnfilteret. Brønnfilteret er her nesten helt tett. Dette
skyldes sannsynligvis at grunnvannsnivået tidvis er senket ned i filteret og at det dermed har blitt
tilgang på oksygen som igjen gir utfelling av jernhydroksid (rust). En slik senkning av grunnvannet
kan ha skjedd fordi brønnpumpa har vært plassert nede i filteret. Under 24,6 m var det ingen tegn til
gjentetting av brønnfilteret, og det ses heller ikke rustbelegg på grusmassene utenom filteret. Figur
5 viser bilder fra videoinspeksjonen ved henholdsvis 24,55 m og 24,65 m.
Figur 64. Bilde av brønnfilter fra henholdsvis 24,55 m og 24,65 m. Det ble observert et markert skille i utfelt jern på 24,6
meters dyp.
Forslag til tiltak
•
Etablering av ny brønn
For å opprettholde grunnvannsnivået i området må varmevekslet grunnvann fortsatt reinfiltreres. I og med at eksisterende infiltrasjonsbrønn neppe kan benyttes må det etableres en
ny brønn. Det foreslås derfor å bore en ny brønn ca. 10 m fra gammel infiltrasjonsbrønn. Eksakt
plassering bestemmes i samråd med oppdragsgiver. Brønnen bores som en vanlig Ø219 mm
rørbrønn med 6 m langt filter med 1,5 mm lysåpning. Nøyaktig filterdyp bestemmes på
grunnlag av nedboring av fôringsrøret, men det vil være en fordel å få filteret så dypt som
mulig, og helst under 30 meters dyp. Grunnvannsnivået vil være 20-22 m under
terrengoverflaten. Denne brønnen kan dermed enten benyttes som uttaksbrønn eller som
infiltrasjonsbrønn.
•
Rehabilitering av eksisterende brønn
Rehabilitering av eksisterende brønn kan gjøres samtidig som filtertiltrekking av ny brønn i og
med at det kreves mye av det samme utstyret. Hensikten med rehabiliteringen er å fjerne
utfellinger av jernhydroksid (rust) i øvre deler av brønnfilteret. Dette kan gjøres med seksjonsvis
filtertiltrekking i kombinasjon med spyling med varmt vann (steaming). Etter
brønnrehabiliteringen bør brønnfilteret inspiseres med videokamera for å dokumentere
effekten.
5
•
Testpumping av ny brønn og eksisterende brønn
Det bør monteres en dykkpumpe med kapasitet over dimensjonerende vannforbruk, men helst
lavere enn brønnens maksimale kapasitet i en av brønnene (15 -20 l/s). Brønnens kapasitet og
vannkvalitet testes i en korttids pumpetest hvor vannstanden i brønnen måles mot
uttaksmengden, samt at det etter en tids pumping (ca. ett døgn) tas en vannprøve for fysiskkjemiske analyser. Oppumpet vann infiltreres i den andre brønnen. Det er også viktig å måle
grunnvannsnivået i denne brønnen både før og under testpumpingen. Etter ca. ett døgns
pumping flyttes brønnpumpa over i den andre brønnen og hele prosessen gjentas.
Resultatene av disse pumpetestene vil benyttes til å avgjøre hvilken brønn som skal være
produksjonsbrønn og hvilken som skal være infiltrasjonsbrønn. Etter at dette er bestemt bør
anlegget testkjøres en periode for å bestemme uttaksmengden under permanent drift på
bakgrunn av grunnvannstemperatur og effektbehovet.
Grunnvannsnivå ved Melhuset og vannføring i Gaula
Figur 7. Historiske vannføringsdata er hentet fra NVE sin målestasjon ved Gaulfoss ca. 23 km oppstrøms Melhus
sentrum.
6
Figur 8. Grunnvannsnivået i pumpebrønnen ved Melhuset plottet mot vannføringsdata hentet fra NVEs målestasjon ved
Gaulfoss ca. 23 kilometer oppstrøms i Gaula. De to kurvene følger hverandre og viser at vannstanden og vannføringen i
Gaula styrer grunnvannsnivået i pumpebrønnen ved Melhuset i Melhus sentrum. Dataene er fra 2003.
Figur 9. Tilsvarende figur som ovenfor, men med data for 2011. Flommen 16. august hvor blant annet deler av Ålen
sentrum ble ødelagt av Gaula, vises tydelig og sammenfaller med vannivået i pumpebrønnen ved Melhuset. Det er gjort
kontinuerlige målinger av grunnvannsnivået i pumpebrønnen ved Melhuset siden 2003 og frem til i dag.
7
Grunnvannets temperatur – Idégården og Thoragården
Figur 10. Temperaturen på vannet fra produksjonsbrønnen («Temp. opp» - rød kurve) og på vannet som returneres i
infiltrasjonsbrønnen («Temp. ned» - blå kurve) ved Idégården. I fyringssesongen om vinteren varierer «Temp. opp»
mindre, men følger samme mønster som «Temp. ned». Det vil si at noe av det kaldere vannet som returneres i
infiltrasjonsbrønnen, pumpes opp igjen i produksjonsbrønnen. Infiltrasjonsbrønnen er ca. 70 meter sørvest for
produksjonsbrønnen (se figur 4).
Figur 11. Temperaturen på vannet fra produksjonsbrønnen («Brønn_inn» - rød kurve) og på vannet som returneres i
infiltrasjonsbrønnen («Brønn_ut» - blå kurve) ved Thoragården. På samme måte som for Idégården, men enda
tydeligere, følger temperaturen på grunnvannet fra produksjonsbrønnen temperaturen på det kalde vannet som
returneres i infiltrasjonsbrønnen ca. 40 meter sørvest for produksjonsbrønnen (se figur 4).
8