SE530593C2 - Anordning och förfarande vid energibrunn - Google Patents

Description

25 30 530 553 En lösning på dessa probleni är att borra nya, fler eller djupare brunnar, vilket dessvärre är kostsamt.

För att öka verkningsgraden kan man vidare öka temperatur- skillnaden mellan värmebäraren och marken, men detta medför bland annat större svårigheter att ta tillvara på den utvunna värmen eller kylan i en eventuell värmepump.

Det skulle således vara önskvärt att öka verkningsgraden vid utvinning av värme eller kyla från en energibrunn, utan att behöva påverka utformningen av brunnen som sådan.

Vidare vore det önskvärt att på ett enkelt och billigt sätt kunna mäta eller övervaka grundvattennivån i en energibrunn.

Föreliggande uppfinning löser de ovan beskrivna problemen.

Således hänför sig uppfinningen till ett förfarande för att öka verkningsgraden vid uppvärmning eller nedkylning med hjälp av' en åtminstone delvis vätskefylld energibrunn, där ett kylmedium bringas att strömma genom brunnen i ett från vätskan i brunnen isolerat rörsystem och genom värmeväxling utvinna värme eller kyla ur det kring brunnen belägna materi- alet och utmärks av att vätskan i brunnen med hjälp av en pumpanordning' bringas att cirkuleras så att en ökad. mängd värmeenergi bringas att överföras mellan det kring brunnen belägna materialet och rörsystemet genom konvektion i väts- kan.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj, med hänvisning till exemplifierande utföringsformer av uppfinningen och de bifogade ritningarna, av vilka: 10 15 20 25 30 530 593 Figur 1. är en översiktlig tvärsnittsvy från sidan över en energibrunn enligt uppfinningen.

Såsom visas i Figur l förefinns ett hål l anordnat i marken 2. Hålet l är en energibrunn och kan vara borrat eller anord- nat på annat sätt, beroende på syftet med tillämpningen av uppfinningen, markens beskaffenhet och andra omständigheter.

Dessutom inses det att föreliggande uppfinning kan tillämpas på en redan befintlig energibrunn, drift, som redan kan vara i lika väl som vid anläggningen av en ny energibrunn.

Hålet 1 är åtminstone delvis vätskefyllt, exempelvis på grund av att grundvatten tränger in i hålet l. Det inses emellertid att vätska kan tillföras hålet l på annat sätt utan att frångå uppfinningens idé.

Genom hålet 1 bringas ett kylmedium att strömma, via ett rör- system 3. Rörsystemet 3 är företrädesvis ett isolerat system, vilket skall tolkas som att kylmediet är isolerat från väts- kan. Rörsystemet 3 sträcker sig åtminstone delvis under den i hålet l förefintliga vätskans yta 5 och kylmediet är anordnat att uppta eller avge värmeenergi från eller till vätskan, be- roende på driftssätt. Rörsystemet 3 är vidare kopplat till en lämplig anordning 4 för att ta tillvara det från vätskan in- hämtade värmet, alternativt den inhämtade kylan, beroende på driftssättet. Att ”den inhämtade kylan tillvaratas” innebär således med andra ord att värmeenergi överförs från anord- ningen 4 till vätskan. Anordningen 4 kan exempelvis utgöras av en värmepump, en värmeväxlare, etc.

Eftersom den i hålet l förefintliga vätskan överför värme eller kyla från hålets 1 väggar och dess omgivande mark till det i rörsystemet 3 förefintliga kylmediet, kan således i 10 15 20 25 30 530 583 marken 2 lagrad kyla eller värme utnyttjas, via anordningen 4, för att exempelvis kyla eller värma en fastighet eller dylikt (inte visad). Med andra ord sker en värmeväxling mel- lan marken 2 och kylmediet, via vätskan i hålet l.

Hålet 1 kan naturligtvis ha varierande dimensioner. En lämp- lig typ av hål l för tillämpning av föreliggande uppfinning är borrhål avsedda för bergvärme eller -kyla, vars diameter vanligen ligger inom intervallet llO - l4O millimeter. Vidare kan hålets l djup också variera, men ett föredraget djup är sådant att den i hålet l förefintliga vätskepelaren är om- kring 5O - 120 meter djup.

Ett rör 6 med öppna ändar är anordnat i hålet l och sträcker sig väsentligen parallellt med hålet l längs med en väsentlig del av hålets 1 längd. Röret 6 kan ha vilka lämpliga dimen- sioner som helst, men rör med innerdiametrar av omkring 20 - 50 millimeter har visat sig vara fördelaktiga.

Röret 6 är förankrat, med hjälp av ett lämpligt förankrings- organ 7, i en tyngd eller fästanordning 8, vars syfte är att förankra röret 6 vid en lämplig plats i hålet 1. Förankrings- organet 7 är anordnat så att det inte tätar rörets 6 nedre mynning, utan låter vätska fritt strömma in i och ut ur röret 6 genom mynningen. Företrädesvis innefattar förankringsorga- net 7 slitsar, ett galler eller dylikt, för att hindra större bitar material, såsom exempelvis delar av borrkax etc., att föras in i röret 6.

Rörets 6 övre mynning är företrädesvis anordnad över vätskans yta 5. Rörets 6 övre ände kan, men behöver inte, vara förank- rad, exempelvis i hålets l innerväggar med hjälp av lämpliga fästorgan (inte visade). 10 15 20 25 30 530 553 Ned genom röret 6, ned till ett djup som väsentligen motsva- rar rörets 6 nedre ändes djup, men inte djupare än så, löper vidare ett tilloppsrör 9 med en öppen mynning. Tilloppsröret 9 kan ha vilka lämpliga dimensioner som helst, beroende på syftet med den aktuella tillämpningen, men tilloppsrör 9 med innerdiametrar av omkring 3 - 10 ndllimeter har visat sig vara fördelaktiga för att uppnå uppfinningens fördelar.

Tilloppsröret 9 matas i det i Figur l illustrerade utförings- exemplet, via en kompressor 10, med trycksatt luft. Det inses emellertid att kompressorn 10 kan tillföra vilket lämpligt gasformigt medium som helst förutom luft.

Luften kommer således att strömma ut ur tilloppsröret 9 vid dess mynning nere i hålet 1 och inne i röret 6, nära det se- nares nedre ände. Kompressorn 10 kan tillföra tryckluft med vilket lämpligt tryck som helst, men det har visat sig för- delaktigt med omkring lO - 20 bars tryck. Detta medför att luft kan tillföras vid ungefär 100 - 200 meters djup i hålet l.

De luftbubblor ll som på detta sätt bildas kommer, på grund av det ndnskande vätsketrycket, att växa när de stiger mot vätskeytan 5. I närheten av vätskeytan 5 har bubblornas ll typiska diameter växt till att nwtsvara åtminstone ungefär rörets 6 innerdiameter, varför de på ett effektivt sätt trycker vätskan uppåt inne i röret 6. På detta sätt uppstår en pumpverkan inne i röret 6 och vätska pumpas uppåt genom röret 6. En sådan anordning, som genom en kompressor 10 till- för luft inne i ett rör 6 på ett visst djup och därmed åstad-_! kommer en pumpverkan inne i röret 6, benämns häri mammutpump. 10 15 20 25 30 530 533 Det kan i vissa fall vara fördelaktigt att inte anordna till- loppsrörets 9 mynning vid hålets l botten. Så är exempelvis fallet när hålet l är mycket djupt, eftersom det då kan vara problematiskt att uppnå tillräckligt högt tryck i kompressorn 10. Därför är det föredraget att i sådana fall anordna till- loppsrörets 9 mynning på ett mindre djup, exempelvis på som mest 100 meters djup i förhållande till vätskeytan 5.

Den uppåt i röret 6 pumpade vätskan strömmar ut genom rörets 6 övre nwnning och åter ned i. de utanför röret 6 belägna delarna av hålet l. för att åter Där sjunker vätskan nedåt, sugas in genom rörets 6 nedre öppna mynning och pumpas uppåt i röret 6. På detta sätt skapas en cirkulation av vätskan i väsentligen hela eller åtminstone en stor del av vätskevoly- men i hålet l. Genom denna cirkulation ökar verkningsgraden hos den ovan beskrivna värmeväxlingen, eftersom värmeenergi genom cirkulationen kan överföras mer effektivt på grund av den uppkomna konvektionen i vätskan i hålet l. Med andra ord kan. en ökad mängd värmeenergi överföras mellan den kring hålet l belägna marken 2 och rörsystemet 3.

I Figur l avdelas således hålet 1 med hjälp av en barriär i form av röret 6. På detta sätt bildas två delvis separerade kamrar, en inne i röret 6 och en utanför.

Eftersom röret 6 sträcker sig väsentligen vertikalt nedåt, längs med hålet l, sker denna uppdelning längs med hålets 1 längdriktning.

Det inses emellertid att det inte är nödvändigt att använda ett i hålet l anordnat rör 6, utan att det väsentliga är att åstadkomma en avdelning av den volym av hålet l, som är väts- kefylld i åtminstone två delvis separerade kamrar och att den barriär som åstadkommer separationen är öppen i båda ändarna, så att vätska kan passera mellan kamrarna i båda dessa ändar. 10 15 20 25 30 530 593 När en sådan avdelning åstadkoms kan sedan vätskan bringas att cirkulera genom att sätta den i rörelse i en eller flera av kamrarna och därefter återströmma genonr en annan eller flera andra kammare. anordnad Företrädesvis är barriären väsentligen i hålets 1 längdriktning.

Det i Figur l visade hålet l är anordnat väsentligen verti- kalt i förhållande till marken 2. Det inses emellertid att hålet l kan vara anordnat vid en vinkel i förhållande till såväl marken 2 som till lodlinjen.

I Figur l är rörsystemet 3 anordnat så att det helt och hål- let löper inne i den kammare, som bildas utanför röret 6. Det inses emellertid att rörsystemet 3 även, beroende på den aktuella tillämpningen, kan vara anordnat så att det löper inne i två eller flera av de genom barriären bildade kamrarna och även inne i den inre av kamrarna om dessa är koncentriskt anordnade såsom illustreras i Figur l.

Ofta är det önskvärt att mäta eller övervaka djupet hos väts- kepelaren i hålet 5. Detta åstadkoms fördelaktligen genom att en Inanometer 12 anordnas på tilloppsröret 9, företrädesvis vid ett lättillgängligt ställe ovan marken 2, som mäter väts- ketrycket i tilloppsröret 9. Eftersom vätsketrycket i till- loppsröret 9 motsvarar trycket på det djup i vätskepelaren i hålet l, vid vilket luften pressas ut i vätskan genom till- loppsrörets 9 mynning, kan det av manometern 12 uppmätta vätsketrycket användas som ett mått på det djup, vid vilket tilloppsrörets 9 mynning är anordnad. Eftersom mynningen är anordnad på ett känt ställe i hålet l kan därefter vätskepe- larens djup j_ hålet l_ beräknas. Detta djup kan exempelvis användas för att beräkna grundvattennivån i hålet 1. Genom 10 15 20 25 30 530 533 att mäta vätskedjupet på detta sätt undviker man att behöva dra ytterligare ledningar och/eller kablar ned i hålet.

Vid borrning av hålet l är det vanligt att en del borrkax, som inte kan tas omhand vid borrningen, hamnar på hålets 1 botten. För att inte riskera att sådant borrkax sätter igen rörets 6 nedre mynning och därmed hindrar cirkulationen av vätska i hålet l, är det föredraget att tyngden 8 är utformad som en långsträckt kropp och så lång att den är längre än djupet hos ett på botten av hålet 1 beläget lager l3 av borr- kax eller i tillämpliga fall annat på botten av hålet l belä- get material. På detta sätt garanteras att inget borrkax kan få tillträde till rörets 6 nedre mynning och täppa igen myn- ningen.

I Figur l har tyngden 8 en yttre diameter, som väsentligen motsvarar den för röret 6 och tyngden 8 visas i ett läge där den i viss utsträckning är nedsjunken i lagret 13 av borrkax.

Det inses emellertid att tyngden 8 även kan vara utformad med en form och tvärsnittsdimensioner, som väsentligen motsvarar de för hålet 1. I detta fall kommer tyngden 8 att sjunka ned i hålet 1 och slutligen vila ovanpå lagret 13 av borrkax.

Härvidlag undviks, på samma sätt som beskrivits ovan, igen- sättning av rörets 6 nedre mynning.

I Figur l är en mammutpump anordnad för att skapa cirkulation i vätskan i hålet l. Det inses emellertid att det räcker att uppnå cirkulation hos vätskan längs med en väsentlig del av hålets l längd för att uppnå uppfinningens fördelar i termer av ökad konvektiv värmeöverföring i hålet l. Därför är även andra sätt att skapa sådan cirkulation användbara, både i kombination med en mammutpump såväl som fristående, beroende på den aktuella tillämpningen av uppfinningen. 10 15 20 25 30 530 533 Ett exempel är således att anordna en dränkbar pump i röret 6 på ett lämpligt djup i hålet 1 under vätskeytan 5. Den dränk- bara pumpen kan sedan användas för att skapa en uppåtgående cirkulation inne i röret 6 på samma sätt som beskrivits i anslutning till beskrivningen av mammutpumpen ovan.

Cirkulation kan även åstadkommas genom att anordna en pump under vätskeytan 5, men i närheten av vätskeytan 5, som pum- par vätska nedåt i utrymmet utanför röret 6 i hålet l.

Det inses att liknande pumpanordningar, innefattande enstaka eller flera pumpar, även kan anordnas på dessa och/eller andra ställen i hålet l och att de kan vara anordnade att pumpa vätska uppåt såväl som nedåt i vilken som helst av de kamrar, som bildas av den eller de barriärer, som förefinns anordnade i hålet l.

För att uppnå maximal konvektiv värmeöverföring i vätskan i hålet l och därmed maximal effektivitetsökning vid värmeväx- lingen i hålet l, är den eller de i hålet l anordnade pumpar- na anordnade att åstadkomma turbulent flöde hos den cirkule- rande vätskan i hålet 1. Med andra ord dimensioneras pumpen eller pumparna så att den sammanlagda pumpverkan, i kombina- tion med den geometriska utformningen hos hålets l innerväg- gar och den i hålet l anordnade barriären eller de i hålet anordnade barriärerna, blir tillräckligt hög för att åstad- komma en sådan turbulent strömning i en väsentlig del av hålets vätskefyllda volym.

Föreliggande uppfinning åstadkommer således en ökad effekti- vitet vid utvinning av värme och/eller kyla ur energibrunnar.

Således motverkas de negativa konsekvenserna av långsiktig 10 15 20 530 593 l0 uppvärmning/nedkylning som beskrivits ovan, såväl som gene- rell uppvärmning/nedkylning vid höga koncentrationer av ener- gibrunnar. Effektivitetsökningen åstadkoms med hjälp av för- hållandevis enkla och billiga standardkomponenter och utan att utformningen hos brunnen som sådan behöver påverkas. Den uppnådda effektivitetsokningen kan dock naturligtvis likväl användas vid nyanläggning av energibrunnar, varvid dessa ex- empelvis kan göras grundare än vad som annars hade varit fal- let.

Dessutom åstadkommer föreliggande uppfinning ett enkelt och billigt sätt att mäta grundvattennivån i energibrunnar.

Ovan har föredragna utföringsformer beskrivits. Emellertid kommer det att vara uppenbart för fackmannen att många för- ändringar kan göras av de beskrivna utföringsformerna utan att frångå uppfinningens tanke. Sålunda skall uppfinningen inte vara begränsad av de beskrivna utföringsformerna, utan snarare vara möjlig att variera inom ramen för de bifogade kraven.

Claims (22)

10 15 20 25 30 530 553 ll P A T E N T K R, A. V

1. Förfarande för att öka verkningsgraden vid uppvärmning eller nedkylning med hjälp av en åtminstone delvis vätske- (1), i ett från vätskan i brunnen (1) fylld energibrunn där ett kylmedium bringas att strömma genom brunnen (1) isolerat rörsystem (3) och genom värmeväxling utvinna värme eller kyla ur det kring brunnen (1) belägna materialet, k ä n n e - t e c k n a t a v att vätskan i brunnen (1) med hjälp av en pumpanordning bringas att cirkuleras så att en ökad xnängd värmeenergi bringas att överföras mellan det kring brunnen (1) belägna materialet och rörsystemet genom konvektion i vätskan. att

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v brunnen bringas att vara ett borrat hål (1) i marken (2) avsett för bergvärme och/eller -kyla.

3. Förfarande enligt krav 1. eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v att brunnen (1) bringas att avdelas i åtminstone två (6), och längs med delvis separerade kamrar med hjälp av en barriär SOm bringas att sträcka sig inne i brunnen (1) brunnens (1) huvudsakliga längdriktning, Så att barriären (6) åtminstone delvis är öppen i dess båda respektive ändar, varvid vätska kan passera mellan kamrarna i dessa ändar och av att vätskan i hålet (1) bringas att cirkuleras genom att pumpanordningen bringas att sätta vätskan i åtminstone en, men inte samtliga av kamrarna i rörelse.

4. Förfarande enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t att a v brunnen (1) med hjälp av en barriär i form av ett längsgående rör (6) bringas att avdelas i en inre och en yttre kammare. 10 15 20 25 30 35 530 553 12

5. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t a v att det längsgående rörets (6) övre ände bringas att vara anord- nad ovanför vätskeytan (5) i brunnen.

6. Förfarande enligt något av kraven 1 - 5, k ä n n e - t e c k n a t a v att brunnen (1) bringas att sträcka sig i vertikal riktning och av att pumpanordningen bringas att innefatta en mammutpump, som sänks ned i brunnen (1) till en nivå väsentligen under den befintliga vätskeytan (5).

7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t a v att (9), sänks ned till önskat djup i brunnen (1) och genom vilket ett mammutpumpen bringas att innefatta ett tilloppsrör som gasformigt medium bringas att pumpas ut i. brunnen (1) med hjälp av en kompressor (10), av att en manometer (12) bringas att mäta trycket i tilloppsröret (9) vid ett läge ovanför vätskeytan (5) (12) och av att ett mätvärde från manometern används som ett indirekt mått på vätskenivån (5) (1). i brunnen

8. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t a v att tilloppsröret (9) bringas att ha en innerdiameter av mellan 3 och 10 millimeter.

9. Förfarande enligt något av kraven 4 _ 8, k ä n n e “ t e c k n a t a v att det längsgående röret (6) bringas att ha en innerdiameter av mellan 20 och 50 millimeter.

10. Förfarande enligt något av kraven 2 - 9, k ä n n e - t e c k n a t a v att vätskepelaren i. brunnen (1) bringas att vara mellan 50 och 200 meter djup.

11. ll. Förfarande enligt något av kraven 2 - 10, k ä n n e - t e c k n a t a v att brunnen (1) bringas att ha en inner- diameter av mellan 110 och 140 millimeter. 10 15 20 25 30 530 593 13

12. Anordning för att öka verkningsgraden vid uppvärmning eller nedkylning med hjälp av en åtminstone delvis vätske- (1), ett från vätskan i. brunnen (1) fylld energibrunn genom vilken ett kylmedium strömmar i (3) och genom värmeväxling' utvinner värme eller kyla ur det kring isolerat rörsystem brunnen HJ belägna materialet, k ä n n e t e c k n a d a v att en pumpanordning' är anordnad att cirkulera vätskan i brunnen (1) så att en ökad mängd värmeenergi överförs mellan det kring brunnen (1) belägna materialet och rörsystemet (3) genom konvektion i vätskan.

13. Anordning enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d a v att brunnen (1) är ett borrat hål (1) bergvärme och/eller -kyla. i marken (2) avsett för

14. Anordning enligt krav 12 eller 13, k ä n n e t e C k n 8 d a v att en barriär (6) är anordnad att avdela brunnen (1) i åtminstone två delvis separerade kamrar, där barriären (6) sträcker sig inne i brunnen (1) och längs med brunnens (1) huvudsakliga längdriktning, åtminstone så att barriären (6) delvis är öppen i dess båda respektive ändar varvid vätska kan passera mellan kamrarna i dessa ändar och av att pumpan- ordningen är anordnad att kunna cirkulera vätskan i hålet (1), genom att sätta vätskan i åtminstone en, men inte samt- liga av kamrarna i rörelse.

15. Anordning enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a d a v att en barriär i form av ett längsgående rör (6) är anordnat att avdela brunnen (1) i en inre och en yttre kammare.

16. Anordning enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a d a v att det längsgående rörets (6) övre ände är anordnat ovanför vätskeytan (5) i brunnen. 10 15 20 25 30 530 593 14

17. Anordning enligt något av kraven 12 - 16, t e c k n a d k ä n n e - a v att brunnen (1) sträcker sig i vertikal riktning och av att pumpanordningen innefattar en mammutpump, som är nedsänkt i brunnen (1) till en nivå väsentligen under den befintliga vätskeytan (5).

18. Anordning enligt krav 17, k ä n n e t e c k n a d a v att mammutpumpen innefattar ett tilloppsrör (9), som är ned- sänkt till önskat djup i brunnen (1) och genonl Vilket en kompressor (12) är anordnad att pumpa ut ett gasformigt medi- (l), (12) mäta trycket i tilloppsröret (9) vid ett läge ovanför vätske- (5), (12) nat att kunna användas som ett indirekt mått på vätskenivån um i brunnen av att en manometer är anOrdfläd att ytan varvid ett mätvärde från manometern är anord- (5) i brunnen (1).

19. Anordning enligt krav 18, k ä n n e t e c k n a d a v att tilloppsröret (9) har en innerdiameter av mellan 3 och 10 millimeter.

20. Anordning enligt något av kraven 15 - 19, k ä n n e - t e c k n a d a v att det längsgående röret (6) har en in- nerdiameter av mellan 20 och 50 millimeter.

21. Anordning enligt något av' kraven 13 - 20, k ä n n e - t e c k n a d a v att vätskepelaren i brunnen (1) är mellan 50 och 200 meter djup.

22. Anordning enligt något av' kraven 13 - 32, k ä n n e - t e c k n a d a v att brunnens (1) innerdiameter är mellan 110 och 140 millimeter.