Deep-heat wells in bedrock are a new potential heat source for heat pumps. With a depth up to ten-fold compared to state-of-the-art boreholes, a deep-heat well could extract much more heat from the same area enabling installation of heat pumps in densely populated areas. In this thesis, comprehensive thermal analyses were made to better understand the performance of such systems. For this purpose, a simulation model for deep-heat wells was developed with the COMSOL Multiphysics software.
The performance of a deep well is influenced by many geophysical, thermophysical, and engineering factors. For example, a higher thermal conductivity and thermal gradient increases the thermal output of the borehole heat exchanger. There is a strong link between the well performance and inlet temperature of fluid and mass flow rate.
The simulations indicate that a 2 km deep well with a coaxial borehole heat exchanger produces 110 kW (55 W/m) at steady state. The yearly heat energy output would be 30-fold com-pared to a traditional borehole.
Different operational strategies and well configurations were also analyzed. The deep-heat well can be used for heat storage, e.g. with power-to-heat schemes enabling quite high charging power levels up to 1 MW for shorter periods. Using multiple wells increases the overall performance, but the wells start to interfere each other’s performance with more than four wells with 30 m well distance.
The borehole heat exchanger contains some special issues due to its length. To avoid thermal short-circuiting, a vacuum tube type of solution is recommended instead of plastic pipes, which could drop the heat output by even 50%. Setting an optimal flow rate is also important, as the electricity needed for pumping the heat transfer fluid could easily reduce the system COP by up to 10%, or even more in non-optimal systems.
The thesis results emphasize careful planning and design of deep-heat systems, in particular in geoengineering and thermal engineering, when moving to practical pilot project. Comprehensive optimization of deep-heat systems would be relevant for future work to establish standard designs for practitioners.Syväkaivolämpö on uusi lupaava lämmönlähde lämpöpumpuille. Se on jopa kymmenen kertaa syvempi kuin perinteiset porareiät, jolloin se pystyy ottamaan huomattavasti enemmän lämpöä samalta pinta-alalta mahdollistaen lämpöpumppujen laajemman käytön kaupunkialueilla. Tässä diplomityössä tutkittiin perusteellisesti syväkaivojen lämpöteknistä toimintaa ja suorituskykyä. Työssä laadittiin simulointimalli syväkaivolle COMSOL Multiphysics -ohjelmiston avulla.
Syväkaivon toimintaan vaikuttavat monet geofysikaaliset ja lämpötekniset parametrit ja tekniset ratkaisut. Esimerkiksi korkeampi kallion lämmön johtavuus ja lämpögradientti parantavat syväkaivon lämmön tuotantoa. Virtausnopeus ja sisään menevän nesteen lämpötila vaikuttavat suuresti kaivon suorituskykyyn.
Simuloinnit osoittavat, että 2 km syvä koaksiaalinen lämpökaivo voisi tuottaa lämpöä 110 kW (55 W/m) tasapainotilassa. Syväkaivon vuosituotto on tällöin jopa 30-kertainen tavanomaiseen porareikään verrattuna.
Työssä tutkittiin myös erilaisia toimintastrategioita. Syväkaivoa voidaan käyttää lämmön varastointiin esimerkiksi ’power-to-heat’-konversion yhteydessä mahdollistaen lyhyillä latausjaksoilla jopa 1 MW lataustehon. Useampia kaivoja käytettäessä suorituskyky paranee, mutta kaivot alkavat vuorovaikuttamaan vahvemmin keskenään, kun niiden määrä kasvaa yli neljän, mikä tiputtaa yhdestä kaivosta saatavan lämmön määrää.
Syväkaivoon liittyy erityispiirteitä sen pituudesta johtuen. Termisen oikosulun välttämiseksi on suositeltavaa käyttää tyhjiöputkiratkaisua muoviputkien sijaan, jotka saattavat pudottaa saatavan lämpötehon jopa puoleen. Lämmönsiirtonesteen virtausnopeuden optimaalinen asetus on myös tärkeää, koska pumppaukseen tarvittava sähkö voi helposti pudottaa lämpöpumpun lämpökerrointa 10% tai jopa enemmän, jos virtausnopeus on optimiarvoa paljon korkeampi.
Diplomityön johtopäätökset painottavat syväkaivojen huolellista suunnittelua ja erityisesti erilaisten lämpö- ja geoteknisten seikkojen huomioon ottamista, kun edetään käytännön projekteihin. Syväkaivojen kattava optimointi olisi tulevaisuudessa hyödyksi suunnittelukäytäntöjen vakiinnuttamiseksi
