Energipålar - Termiskt responstest på prefabricerad energipåle i betong

Sammanfattning: 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.