Afwerking van het boorgat voor verticale warmtewisselaars (versie 3.2)

Afwerking van het boorgat voor verticale warmtewisselaars (versie 3.2) Auteurs: N.Huybrechts, L.François Datum: 03/05/2013

Deze studie werd uitgevoerd in het kader van het IWT-VIS traject Smart Geotherm (2011-2017)

Afwerking boorgat 03/05/2013 versie3.2

1

Inhoudstafel 1

Functie van de afwerking van een boorgat..................................................................................... 4

2

Soorten afwerkingen....................................................................................................................... 5 2.1

Vulmateriaal............................................................................................................................ 5

2.2

Het aanbrengen van grout over de volledige lengte............................................................... 6

3

Richtlijnen voor de keuze van het juiste afdichtmateriaal ............................................................. 7

4

Eigenschappen ................................................................................................................................ 9 4.1

4.1.1

Eisen .............................................................................................................................. 10

4.1.2

Bepalende parameters.................................................................................................. 10

4.1.3

Testmethoden ............................................................................................................... 10

4.2

permeabiliteit........................................................................................................................ 12

4.2.1

Eisen .............................................................................................................................. 12

4.2.2


4.2.3

Testmethoden ............................................................................................................... 13

4.3

Krimp ..................................................................................................................................... 13

4.4

Bleeding ................................................................................................................................ 13

4.4.1

Omschrijving ................................................................................................................. 13

4.4.2


4.4.3

Testmethode ................................................................................................................. 14

4.5

5

Thermische geleidbaarheid..................................................................................................... 9

Viscositeit en verpompbaarheid ........................................................................................... 15

4.5.1

Algemeen ...................................................................................................................... 15

4.5.2

Bepalende factoren ....................................................................................................... 15

4.5.3

Testmethoden ............................................................................................................... 16

Beschrijving van grouts ................................................................................................................. 17 5.1

Pure bentoniet ...................................................................................................................... 17

5.2

Bentoniet/zand mengsels ..................................................................................................... 17

5.3

Cement-gebaseerde grouts .................................................................................................. 18

5.4

Bentoniet/zand/cement mengsels ....................................................................................... 18


2

6

7

Aanbrengen van vulmateriaal ....................................................................................................... 19 6.1

Voorbereidend werk ............................................................................................................. 19

6.2

Doseren en mixen ................................................................................................................. 19

6.3

Aanbrengen van vulmateriaal ............................................................................................... 20

6.4

Kwaliteitszorg ........................................................................................................................ 20

6.5

Voorbeeld van bestektekst voor vulmateriaal en grouts ..................................................... 21

Bijlagen .......................................................................................................................................... 22 7.1

Bijlage 1 ISSO-publicatie 73, specificatieblad 2.3-2 .............................................................. 22

7.2

Bijlage 2 VDI 4640 Blatt 2 / Part 2 ......................................................................................... 23

7.3 Bijlage 3 Grouting for vertical geothermal heat pump systems, Engineering design and field procdures manual ............................................................................................................................. 24 8

Referenties .................................................................................................................................... 25


3

1

Functie van de afwerking van een boorgat

Na het boren van het boorgat en de installatie van de verticale warmtewisselaar, dient het boorgat op een degelijke wijze te worden afgewerkt. Deze afwerking is niet alleen verplicht omwille van de milieuwetgeving, maar is ook bepalend voor het rendement van de geothermische installatie. 1. Milieutechnische redenen  De bescherming van het grondwater tegen oppervlakte verontreinigingen o Vlarem II, sectorale voorwaarden, Artikel 5.55.1.2.  De boring wordt uitgevoerd volgens de regels van goed vakmanschap, zoals opgenomen in de code van goede praktijk voor boren, exploiteren en afsluiten van boorputten voor grondwaterwinning, vastgesteld in bijlage 5.53.1 bij dit besluit. Elke verontreiniging van het grondwater wordt vermeden, zowel tijdens de aanleg als tijdens de exploitatie.



Het vermijden van cross-contaminatie tussen verschillende watervoerende lagen (aquifers) o Vlarem II, sectorale voorwaarden, Artikel 5.55.1.2.  Het boorgat wordt bovenaan afgedicht om verontreiniging van de grondwaterlagen te voorkomen. Het is verboden verschillende watervoerende lagen met elkaar in verbinding te brengen. Inzonderheid worden er ter hoogte van de scheidende lagen kleistoppen geplaatst of wordt de ruimte ter hoogte van scheidende lagen gecementeerd.

  

Het vermijden van het verlies in natuurlijke druk van een aquifer. Herstel of verbetering van het oorspronkelijk hydrogeologisch regime Het voorzien van een extra barrière tegen mogelijke lekken van het fluïdum (water/glycol)

2. Het verbeteren van de energie-uitwisseling tussen de bodemwisselaar en de omringende bodem Afwerking boorgat 03/05/2013 versie3.2

4

Om een energie-uitwisseling met de bodem te creëren, is een degelijke thermische geleidbaarheid tussen de warmtewisselaar en de bodem noodzakelijk. Deze thermische geleidbaarheid wordt enerzijds bepaald door de thermische geleidbaarheid van het vulmateriaal, maar ook door de eventuele aanwezigheid van holten en/of micro-annuli die ontstaan tijdens of na het aanbrengen van het vulmateriaal.

2

Soorten afwerkingen

Afhankelijk van de plaatselijke omstandigheden en de voorschriften in het bestek, kan men verschillende afwerkingen onderscheiden. Een eerste onderscheid wordt gemaakt in het type afwerkmateriaal:  Vulmateriaal: materiaal zonder bepaalde eisen aan de permeabiliteit  Grout: weinig permeabel materiaal gebaseerd op bentoniet, kleikorrels en/of cement

In de paragraaf ‘beschrijving van afdichtingsmaterialen’ worden verschillende vulmaterialen beschreven.

2.1 Vulmateriaal Het boorgat wordt volledig gevuld met fijn grind, zand of het fijne materiaal afkomstig van de boorspecie. De bovenste drie meter wordt voorzien van een kleistop. Deze werkwijze is slechts toegestaan als het boorgat geen verbinding brengt tussen verschillende watervoerende lagen en kleiner is dan 50m. Dit kan in de hieronder beschreven gevallen zijn: a. het boorgat bevindt zich over zijn volledige lengte in een niet met water verzadigde grondlaag waarvan het maximaal geregistreerde grondwaterniveau zich minstens 7.5m onder de bodem van het boorgat bevindt. b. het boorgat bevindt zich over zijn volledige lengte in één en dezelfde watervoerende laag (aquifer) c. het boorgat bevindt zich over zijn volledige lengte in een homogene, weinig-permeabele grondlaag (aquitard) die zich verder voldoende diep onder de boorgatbodem bevindt.In het betreffende geval moet men rekening houden met een verminderde thermische geleidbaarheid voor het gedeelte boven de grondwaterspiegel. Afwerking boorgat 03/05/2013 versie3.2

5

In alle gevallen dient er een kleistop van minimum 3 meter aan de bovenzijde te worden aangebracht.

2.2 Het aanbrengen van grout over de volledige lengte Deze werkwijze moet worden toegepast indien aan bovenstaande voorwaarden niet voldaan is en/of indien de vooropgestelde thermische geleidbaarheid maatgevend is.


6

3

Richtlijnen voor de keuze van het juiste afdichtmateriaal

het boorgat verbindt geen verschillende watervoerende lagen.

ja

vulmateriaal met kleistop is toegelaten.

kies een vulmateriaal dat voldoet aan de eisen voor de thermische geleidbaarheid

neen grout over de volledige lengte van het boorgat

komt minstens één van deze aspecten voor? -enkel warmte-onttrekking -droge grond -Cl-concentratie water > 1500ppm -hardheid water > 500 ppm -elektrische geleiding > 1000 microsiemesn per cm -grote grondwaterstromingen

ja

kies géén pure bentoniet grout, maar een bentoniet/zand/cement mengsel

neen kies een grout in overstemming met de vereiste thermische geleidbaarheid (zie tabel)


7

krimp

0,80-0,90

< 10- 7

< 10- 11

laag

10- 6 - 10- 5

aandachtspunt bij droge grond

aandachtspunt bij droge grond

bleeding

viscositeit/verpompbaarheid

korte verwerkingstijd

hoe meer zand, hoe moeilijker verpompbaar

gevaar op wegspoelen niet toegestaan bij >500 ppm

max chloride concentratie

niet toegestaan bij >1500 ppm

onverzadigde ondergrond

niet toegestaan


1,5-2,0

hoog

1,5-2,35

laag

laag

< 4x 10- 8

hoe meer zand, hoe moeilijker verpompbaar kans op ontwateren van mengsel --> geen binding tussen grout en boorwand

max hardheid water

vorstbestandheid

zand: 1,2-1,9 2,4 silicaatzand: 1,4-2,7

aandachtspunt

porositeit van de ondergrond grote grondwaterstromingen

thermische grouts

1,2-1,5

bentoniet/zand/cement/superplast

> 2,4

bentoniet/zand/cement

bentoniet/zand

thermische verbeterde bentoniet

0,64-0,74

zand/cement

10- 4 - 10- 2

cement

permeabiliteit (cm/sec), eis Vlarem: 10- 6

pure bentoniet

vulmateriaal thermische geleidbaarheid (W/m°K)

droog: 0,5 vochtig: 1,6-2,7

aandachtspunt

slecht niet toegestaan bij pure warmteonttrekking

8

4

Eigenschappen

Ideale grouts hebben een hoge thermische geleidbaarheid voor een efficiënte warmte-uitwisseling:  een goede hechting met de wisselaar om een goede thermische binding te behouden wanneer de wisselaar uitzet en krimpt t.g.v. temperatuursveranderingen.  behouden hun thermische karakteristieken over een lange periode: thermische geleidbaarheid en geen fysische krimp waardoor holten tussen wisselaar en grout , tussen grout en boorwand worden vermeden.  weinig tot geen zetting of krimp na het aanbrengen van het grout zodat er geen ruimte of micro-annuli ontstaan die het warmtetransport tussen de warmtewisselaar en de boorgatwand verminderen een lage permeabiliteit ter bescherming van het grondwater  Het grout moet een hydraulische geleidbaarheid (permeabiliteit) hebben die minstens een ordegrootte kleiner is dan de oorspronkelijke bodem, lager dan 10-6 cm/s is echter niet nodig (Vlarem).  een relatief lage viscositeit om de ruimte tussen de boorgatwand en de wisselaar te vullen zonder dat er holtes ontstaan die het warmtetransport verminderen Voldoende duurzaamheid  Het grout mag geen verontreinigingen bevatten (soms is het gebruik van polymeren verboden)  Het grout moet chemisch en fysisch compatibel zijn met de wisselaar en de bodem om voldoende hechting tussen de wisselaar en het grout enerzijds en tussen het grout en de grond anderzijds te verkrijgen.  Het grout moet voldoende snel hydrateren en een sterkte ontwikkelen om te weerstaan aan de hydraulische axiale krachten  Het grout moet het vermogen hebben om de vervormingen van het boorgat of de wisselaar te kunnen volgen. De vervormingen kunnen het gevolg zijn van grondzettingen of thermische veranderingen van de wisselaar.  Het grout moet een levensduur hebben als hydraulische barrière die minstens deze van de wisselaar is.

4.1 Thermische geleidbaarheid De juiste keuze van het grout is belangrijk omdat ze een grote impact heeft op de warmteoverdracht van de warmtewisselaar naar de bodem en omgekeerd. Ze beïnvloedt hierdoor de efficiëntie van het hele systeem. De boorgatweerstand (Rb) is immers gerelateerd aan de geleidbaarheid van het vulmateriaal van de boorgat annulus (grout), de boorgatdiameter, de thermische kortsluiting (warmtelekkage tussen de upflow en downflow in de warmtewisselaar of U-buis), de thermische weerstand, van de Ubuiswand en aan het dragerfluïdum.


9

De thermische geleidbaarheid van het vulmateriaal wordt niet enkel bepaald door de materiaaleigenschappen, maar hangt ook af van een degelijk contact tussen de warmtewisselaar en het vulmateriaal enerzijds en tussen het vulmateriaal en de boorwand anderzijds. Een slecht contact kan veroorzaakt worden door  Krimp van het vulmateriaal  Uitdroging of ontwatering van het vulmateriaal  Holten ontstaan tijdens een onzorgvuldige plaatsing

4.1.1

Eisen

De minimum thermische geleidbaarheid wordt vastgelegd in de technische specificaties van het project. Algemeen wordt gesteld dat de thermische geleidbaarheid van het vulmateriaal deze van de omliggende grond moet benaderen of verbeteren.

4.1.2

Bepalende parameters

Het materiaal zelf:   

Pure bentoniet en cement-gebaseerde grouts hebben een betrekkelijk lage thermische geleidbaarheid Grouts met een hoog kwartsgehalte hebben een hoge thermische geleidbaarheid Hogere watergehaltes in cementgrouts verhogen de verpompbaarheid, maar verlagen de thermische geleidbaarheid en verhogen de permeabiliteit

Krimp: 

4.1.3

Portland cement gebaseerde grouts hebben de neiging om weg te krimpen van de bodemwisselaar Testmethoden

De thermische geleidbaarheid kan in situ of in het labo worden bepaald. Hieronder worden enkel de laboproeven besproken. Er zijn verschillende manieren om de thermische geleidbaarheid te meten. Elk van deze is geschikt voor een beperkte range van materialen, afhankelijk van zijn thermische eigenschappen en de gemiddelde temperatuur. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen steady-state en transiente methodes Over het algemeen is de steady-state methode bruikbaar als de temperatuur van het materiaal niet verandert gedurende de tijd. Dit maakt de analyse van het signaal gemakkelijk. Het nadeel is wel dat er een weloverwogen en ontworpen proefopzet nodig is. De Divided Bar-methode is het meest gebruikt voor geconsolideerde rotsmonsters.


10

 

ASTM C177 - 10 Standard Test Method for Steady State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded Hot Plate Apparatus ASTM E1530 - 11 Standard Test Method for Evaluating the Resistance to Thermal Transmission of Materials by the Guarded Heat Flow Meter Technique

Transiente methoden meten tijdens het opwarmingsproces. Het voordeel is dat de meting sneller gebeurt. De metingen worden meestal uitgevoerd met plaat- of naaldsondes. 

ASTM C1113 / C1113M - 09 Standard Test Method for Thermal Conductivity of Refractories by Hot Wire (Platinum Resistance Thermometer Technique)

Plaatsondes. Hierbij wordt de plaatvormige sonde tussen twee identiek monsters geplaatst. De sonde bestaat uit een continue dubbele spiraal van nikkel waardoor er stroom vloeit zodat de sonde opwarmt. De warmte vloeit door het monster; de snelheid van het warmtetransport is afhankelijk van de thermische karakteristieken. 

ISO/DIS 22007-2 Plastics - Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity Part 2: Transient plane heat source (Hot Disk) method

Bij een aangepast model van plaatsonde wordt er slechts aan één zijde een monster geplaatst. Hierdoor is het mogelijk om zowel vaste monsters, als vloeistoffen, poeders en pasta’s te meten. De naaldmethode of transient line source methode is de tweede methode. Hierbij wordt het temperatuursverloop gemeten op een vaste afstand van de warmtebron. In harde vaste stoffen wordt er een gat geboord waarin de meetnaald wordt bevestigd; 

ASTM D5334-08 Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure)


11

4.2 permeabiliteit 4.2.1

Eisen

De permeabiliteit of hydraulische conductiviteit is een materiaaleigenschap die beschrijft in welke mate een vaste stof een andere stof, in dit geval een vloeistof, doorlaat.

Vlarem II Artikel 5.55.2.5. § 1. Als het derde lid van artikel 5.55.1.2 om technische redenen niet kan worden uitgevoerd, wordt na het inbouwen van de leidingen de boring opgevuld van onder naar boven en onder continue overdruk met een afdichtende grout met een -8 -6 doorlatendheid van maximaal 10 m/s (of 10 cm/s).

4.2.2


Type cement Hoogovencement is beter dan portlandcement omdat er meer cementgel gevormd wordt.

Wijze van verdichting Goed verdichte grouts zijn minder permeabel dan slecht verdichte mengsels

Watergehalte Hoe lager het watergehalte van het grout, hoe lager de permeabiliteit. Er moet echter voldoende water aanwezig zijn om een goede verdichting en hydratatie te garanderen. Het gebruik van een (super-)plastificeerder kan hierbij goede resultaten opleveren

Bentoniet gehalte Hoe hoger het gehalte aan vaste stof, hoe lager de permeabiliteit

Ouderdom van het grout Hoe ouder de cementgrout, hoe lager de permeabiliteit

Korrelgrootte en korrelverdeling Hoe fijner de korrels, hoe lager de permeabiliteit. De aanwezigheid van toeslagstoffen zoals silica fume doet de permeabiliteit dalen.


12

Voor een gegeven korreldiameter is een niet-uniforme korrelverdeling minder permeabel dan een uniforme verdeling.

Bentoniet Een lage permeabele grout kan voorzien worden door een klei-matrix zoals bentoniet Grouts met een hoog kwartsgehalte en een voldoende hoog cement of bentoniet-gehalte hebben niet alleen hoge thermische geleidbaarheid, maar verzekeren ook een lage permeabiliteit. De colloïdale eigenschappen van de fijne delen verlagen immers de permeabiliteit. 4.2.3

Testmethoden

DIN 18130-1: Laboratory tests for determining the coefficient of permeability of soil. ASTM D 5084: Standard Test Methods for Measurement of Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter.

4.3 Krimp Door krimp kunnen er holten ontstaan tussen enerzijds de warmtewisselaar en het grout en/of anderzijds tussen het grout en de boorwand. Lucht in deze holten is een slechte geleider waardoor de thermische geleidbaarheid van het geheel afneemt. Bentoniet-grout zal wegkrimpen van de boorwand als er teveel water verloren gaat in de omringende droge bodem. Als dit gevaar van krimpen bestaat, is het best om over te gaan naar een bentoniet-zandmengsel en een zo hoog mogelijk gehalte vaste stof te gebruiken. Als cement reageert met water komt er warmte vrij (hydratatiewarmte). Deze warmte kan de warmtewisselaar doen uitzetten en inkrimpen zodat er micro holtes achterblijven in het grout. Cementgebaseerde grouts hebben geen duurzame fysische en thermische hechting met het plastiek leidingmateriaal. Dit is ten nadele van een goede thermische geleidbaarheid en permeabiliteit. Omwille van bovenstaande redenen worden cement-grouts gemodificeerd met bijvoorbeeld zand en/of andere producten zoals plastificeerders, vertragers of bentoniet

4.4 Bleeding 4.4.1

Omschrijving

Bleeding is een ontmenging waarbij een deel van het water naar het oppervlak van de vers afgewerkte grout drijft. De componenten hebben onvoldoende vermogen om het water aan zich te binden waardoor bleeding optreedt. Een lichte vorm van bleeding is onschadelijk. Teveel bleeding leidt echter tot ontmenging van het grout met kwaliteitsvariaties over de lengte van de Afwerking boorgat 03/05/2013 versie3.2

13

boorgatvulling als gevolg. Bovendien kan het micro-annuli veroorzaken waardoor het warmtetransport wordt verhinderd.

4.4.2


Het bleedinggedrag is sterk afhankelijk van het watergehalte. Een verlaging van het watergehalte met behoud van de verwerkbaarheid en de verpompbaarheid is mogelijk door de korrelopbouw van het mengsel te optimaliseren. Het toevoegen van een waterreducerende hulpstof is een andere mogelijkheid. De toevoeging van deze hulpstoffen verminderen ook vaak de stabiliteit van het mengsel. Het onoordeelkundig toepassen van (super-)plastificeerders kan de stabiliteit zeer nadelig beïnvloeden. Om de stabiliteit van het mengsel dan terug te verbeteren, wordt de hoeveelheid fijn materiaal verhoogd door bijvoorbeeld een vulstof toe te voegen. In sommige gevallen kan met behulp van een luchtbelvormer die fijn verdeelde lucht toevoegt, de stabiliteit verbeteren. Het watervasthoudend vermogen van een mengsel wordt hoofdzakelijk bepaald door de fijnheid en korrelopbouw van de allerfijnste delen. De eigenschappen van de verschillende producten zoals kalksteenmeel, poederkoolvliegas, kunnen zeer sterk uiteenlopen. Kleine hoeveelheden bentoniet kunnen toegevoegd worden aan cement-grouts om het bleeding effect te verminderen.

4.4.3

Testmethode

Het bleedinggedrag kan worden gemeten door het mengsel in een maatbeker te gieten en de waterafscheiding te meten. De waterafscheiding moet beperkt blijven tot 1 à 2% (bron ThermoCem, Heidelbergcement)


14

4.5 Viscositeit en verpompbaarheid 4.5.1

Algemeen

Viscositeit is een fysische materiaaleigenschap, die de traagvloeibaarheid of stroperigheid van een vloeistof of van een gas weergeeft. Preciezer uitgedrukt: het is de eigenschap van een fluïdum die aangeeft in welke mate deze weerstand biedt tegen vervorming t.g.v. een schuifspanning. Het grout moet een lage viscositeit hebben om een adequate plaatsing ter verzekeren. Hoe kleiner immers het boorgat, hoe moeilijker de plaatsing van het grout.

4.5.2

Bepalende factoren

Watergehalte Hoe hoger het watergehalte, hoe lager de viscositeit Fijn materiaal Fijn kalksteenmeel werkt als een “smeermiddel” en verbetert de verwerkbaarheid van beton, meer bepaald wanneer dit gepompt moet worden. De toevoeging van kalksteenmeel verleent aan het cement een goed vermogen om water vast te houden, waardoor de risico’s op ontmenging worden beperkt, het verdichten wordt vergemakkelijkt en het grout duurzamer wordt. Bentoniet Cement-bentoniet mengsels zijn gemakkelijker te verwerken dan pure bentoniet-grouts. Ze hebben een langere verwerkingstijd en zijn minder gevoelig voor de gebruikte mengmethode en afwijkingen t.o.v. het ontwerpmengsel. Het mengsel is gemakkelijk aan te passen aan variaties in temperatuur, pH en zuiverheid van het water. Pure bentoniet mengsels echter moeten zorgvuldig gedoseerd en gemengd worden. De viscositeit en verpompbaarheid van betoniet-zand mengsels zijn afhankelijk van het type bentoniet en de verhouding zand/bentoniet. Zandgranulaat Verhoging van de zandfractie verhoogt de viscositeit en bemoeilijkt de verpompbaarheid. Bij de selectie en de specificatie van een grout dat geplaatst wordt met de conventionele pomp en stortpijp methode, moet men rekening houden met de meng- en verpompeigenschappen van het grout in de slurryvorm. In vele gevallen zijn de boorgaten relatief diep en vereisen een stortpijp. In dat geval zal een grout met een hoge viscositeit resulteren in hoge pompdrukken.


15

4.5.3

Testmethoden

De Marsh funnel De vloeibaarheid wordt gemeten door de Marsh funnel. Terwijl men de onderzijde van de trechter met de vinger dichthoudt, wordt 1 liter van het grout door de zeef gegoten. De tijd dat de trechter leeg stroomt, is een maat voor de viscositeit. Marsh viscositeiten tussen 40 en 100 seconden worden beschouwd als goed verwerkbare grouts. norm: EN ISO 13500: Petroleum and natural gas industries ― Drilling fluid materials ― Specifications and tests ― Barite 4,1

De omrekening van de tijd (t) ,naar de effectieve viscostiteit in centipoise gebeurd op basis van de volgende formule: μ = ρ (t - 25) met μ = effective viscositeit in centipoise ρ = densiteit in g/cm³ t = funnel tijd in seconden

Druk op de pomp De druk die ontwikkeld wordt door de pomp tijdens het plaatsen van het grout is een belangrijke kwaliteitsparameter die aangeeft of het grout degelijk gedoseerd en gemengd is. Als de pompdruk te hoog is, dan kan dit wijzen op te warm aanmaakwater of een te hoog gehalte aan vast materiaal. Is de pompdruk lager dan normaal, dan is er teveel aanmaakwater gebruikt en daalt de kwaliteit van het grout.


16

5

Beschrijving van grouts

5.1 Pure bentoniet Bentoniet is een natuurlijk voorkomend kleimineraal dat al veel jaren in de grondwaterwinning wordt toegepast. Het is in vele vormen beschikbaar (chips, pellets, poeder, grove en fijne granulaten) en kan worden gegoten of verpompt. Bentoniet geeft een flexibele hechting met een lage permeabiliteit (lager dan 10-7 cm/s of 10-9 m/s) en ontwikkelt geen hydratatiewarmte. Hoewel het een lage thermische geleidbaarheid heeft (0.64-0.74 W/m°K), kan het gebruikt worden in formaties met een gelijkaardige of lagere thermische geleidbaarheid. Er bestaat evenwel thermische verbeterde kleikorrels op basis van grafiet met een thermische geleidbaarheid groter dan 2.4 W/m°K. Als het grondwater een totale hardheid heeft groter dan 500ppm en/of een chloride concentratie groter dan 1500ppm, is bentoniet niet de beste keuze omdat de hardheid en de chlorideconcentratie de zwellingscapaciteit van de klei aantast. Als bentoniet grout wordt geplaatst in een verzadigd of relatief vochtig boorgat, dan zal deze een goede sluiting vormen over een oneindig lange periode. Maar als dit product wordt gebruikt in een droge grond gecombineerd met een significante warmte-onttrekking, dan bestaat de kans dat het bentoniet zijn water verliest. Zonder bescherming tegen dit fenomeen, zal het bentoniet wegkrimpen van de boorwand afhankelijk van de hoeveelheid water dat verloren gaat en de oorspronkelijke hoeveelheid vast materiaal. Als dit gevaar van krimpen bestaat is het best om een zo hoog mogelijk gehalte vaste stof te gebruiken.

5.2 Bentoniet/zand mengsels Bentoniet/zandmengsels zijn de meest verspreide grouts voor geothermische toepassingen. Ze hebben een lage permeabiliteit en een hogere thermische geleidbaarheid dan pure bentoniet. Hoe hoger het gehalte aan zand, hoe beter de geleidbaarheid. Deze mengelingen hebben wel een specifieke meng- en pompinstallatie nodig. Het is immers belangrijk dat het bentoniet goed vermengd is met het zand om een goede thermische geleidbaarheid te verkrijgen. Bovendien staat het betoniet door de lage permeabiliteit in voor de bescherming van het grondwater. Silicaatzand heeft ongeveer hetzelfde effect als kwartzand: het verdubbelt de thermische geleidbaarheid t.o.v. pure bentoniet. Het zand moet meer dan 99% silica bevatten. Zand met een lager silicaatgehalte kan een lagere en een niet-uniforme thermische geleidbaarheid hebben. Het gebruik van te grof zand (>2mm) kan uitzakkingen in het mengsel veroorzaken, hetgeen de thermische geleidbaarheid negatief beïnvloedt. Bovendien heeft grof zand een lagere thermische geleidbaarheid omdat het minder contactpunten heeft met de omliggende korrels dan fijn zand. Afwerking boorgat 03/05/2013 versie3.2

17

Te fijn zand (< 125 m) heeft echter ook nadelen: het kost meer en verhoogt de viscositeit omdat er een grotere interactie is tussen de korrels. De hoeveelheid water is ook kritisch. Teveel water leidt tot het uitzakken van de bestanddelen en verlaagt de thermische geleidbaarheid. De aanwezigheid van zand vermindert de kans op krimp bij droge omstandigheden en maakt het grout meer stabiel. Het zand verlaagt echter de permeabiliteit en maakt het grout moeilijker verpompbaar.

5.3 Cement-gebaseerde grouts Cement-gebaseerde grouts zijn interessant in omgevingen met een hoge hardheid en chloridegehalte. Ze geven een starre, laag permeabele grout met een zekere druksterkte. Pure cementmengsels hebben een lage thermische geleidbaarheid (0.80-0.90 W/m°K) Het type en de fijnheid van het cement bepalen de eigenschappen van deze grout. De geleidbaarheid kan variëren in functie van de fabrikant, de densiteit van de cementslurry en de verhardingstemperatuur. Als cement reageert met water komt er warmte vrij (hydratatiewarmte). Deze warmte kan de warmtewisselaar doen uitzetten en inkrimpen zodat er micro holtes achterblijven in het grout. Lucht in deze holten is een slechte geleider waardoor de thermische geleidbaarheid van het geheel afneemt. Cement heeft water nodig om te binden. In poreuze gronden kan het grout ontwateren waardoor er geen hydraulische binding meer is tussen het grout en de warmtewisselaar en tussen het grout en de boorwand. Cementgebaseerde grouts hebben geen duurzame fysische en thermische hechting met het plastiek leidingmateriaal ten nadele van een goed thermische geleidbaarheid en permeabiliteit Omwille van bovenstaande redenen worden cement-grouts gemodificeerd met volgende ingrediënten:   

zand en/of andere toeslagstoffen zoals fillers om de thermische geleidbaarheid te bevorderen hulpstoffen zoals plastificeerders en vertragers bentoniet

5.4 Bentoniet/zand/cement mengsels Bentoniet en zand zijn gebruikelijke toeslagstoffen om van pure cementslurries de schuifweerstand te verhogen en de densiteit te verlagen. Afwerking boorgat 03/05/2013 versie3.2

18

Aanbevolen gewichtsverhoudingen zijn:    

6

Betoniet: 10% à 25% Cement: 10% Zand: 25% à 30% Water: 40% à 50%

Aanbrengen van vulmateriaal

6.1 Voorbereidend werk Het boorgat moet open blijven totdat het vullen is voltooid. De warmtewisselaar wordt gevuld met water en afgedicht om vervormingen en het opdrijven te voorkomen. Er worden eventueel bijkomende gewichten aan het einde van de warmtewisselaars bevestigd. De injectiepijp voor het grout wordt kort aan het einde van de warmtewisselaar vastgemaakt. De warmtewisselaar wordt voorzichtig en verticaal in het boorgat neergelaten. Het vullen moet onmiddellijk na het aanbrengen van de wisselaar worden gestart. De maximale lengte van de wisselaar is afhankelijk van de densiteit van het grout. Zie onderstaande tabel voor richtwaarden;

6.2 Doseren en mixen Het groutmateriaal kan vooraf industrieel gedoseerd, gemengd en verpakt zijn. Het grout wordt aangemaakt volgens de instructies van de fabrikant. In het andere geval moeten de samenstellende bestanddelen op de werf worden gedoseerd en gemengd. De doseer-, meng- en pomptijd moeten zodanig op elkaar worden afgestemd dat het stortproces continu kan verlopen.


19

6.3 Aanbrengen van vulmateriaal Indien het boorgat wordt gevuld met zand, fijn grind of het fijne materiaal afkomstig van de boorspecie, dan dient dit te gebeuren met een valpijp. Het vullen gebeurt van onder naar boven. De valpijp wordt in stages naar boven getrokken, waarbij telkens voldoende tijd wordt voorzien om het materiaal te laten bezinken. De laatste 3 meter wordt voorzien van een kleistop. Indien het boorgat wordt gevuld met een grout, dient dit met een injectiepijp onder overdruk te gebeuren. Het grout wordt door de injectiepijp gepompt naar de bodem van het boorgat. Tijdens het grouten wordt de injectiepijp langzaam naar boven gehaald, er voor zorgend dat gedurende het volledige proces de mond van de injectiepijp onder het stortniveau blijft. Bij zeer diepe boorgaten kan het terugtrekken van de injectiepijp moeilijk verlopen. In dit geval worden er twee pijpen aangebracht. Eén pijp wordt aan de onderzijde van de warmtewisselaar bevestigd en zal ook later in het boorgat achterblijven. Na de stortfase blijft deze injectiepijp blijvend gevuld met grout. Halverwege het boorgat wordt een tweede pijp voorzien die tijdens de stortfase wel wordt teruggetrokken. Het groutproces is afgelopen als het product dat uit het boorgat stroomt de vereiste groutkwaliteit heeft.

6.4 Kwaliteitszorg Het totale volume (m³) verwerkt afvulmateriaal en de totale hoeveelheid gebruikte vaste stof (kg, per component) worden per boorgat gedocumenteerd (ISSO 73, p.95). Een afwijking van meer dan 10% t.o.v. het theoretisch volume, duidt op een anomalie (BRGM/RP-53675-FR) Eén dag na het aanbrengen van het grout wordt gecontroleerd in hoeverre het materiaal is ingezakt. Indien noodzakelijk wordt extra grout aangebracht. (ISSO 73,p.95) De leidingen van de warmtewisselaar worden op testdruk gebracht.

Voorbeeld van checklist/opleveringsverslag:


20

Thermische geleidbaarheid Permeabiliteit Krimp Bleeding Densiteit Marsh viscositeit Vorst-dooi bestandheid

Norm Zie § 4.1 Zie § 4.3

Waarde Volgens bestek Volgens bestek Max. 2%

EN ISO 13500 Permeabiliteit dooicyclus

na

40-100 vorst- Volgens bestek

Druksterkte na 7 dagen?

6.5 Voorbeeld van bestektekst voor vulmateriaal en grouts Voor boorgaten dieper dan 50m en/of boorgaten die verschillende acquifers doorboren: 



Na het plaatsen van de met water gevulde warmtewisselaar, wordt het boorgat van onder naar boven gevuld onder druk gevuld met een grout. Deze grout heeft een maximum permeabiliteit van 10-8 m/sec en een thermische geleidbaarheid van minstens ….. W/m°K. De grout moet deze eigenschappen behouden over een periode van ….jaar rekening houdend met de bodemeigenschappen. De eigenschappen van de grout worden aangetoond d.m.v. de technische fiches van de fabrikant.

Voor boorgaten gelegen in één acquifer: 

Na het plaatsen van de met water gevulde warmtewisselaar, wordt het boorgat van onder naar boven gevuld d.m.v. een standpijp met een zuiver vulmateriaal van zand, grind of het fijne materiaal afkomstig van de boorspecie.


21

7

Bijlagen

7.1 Bijlage 1 ISSO-publicatie 73, specificatieblad 2.3-2


22

7.2 Bijlage 2 VDI 4640 Blatt 2 / Part 2 The filling suspension must be suited for all the respective deployment temperatures. Especially for pure heat extraction, it must be ensured that the suspension is frost proof. In practice, bentonite ( a natural clay mineral)/HOZ (high furnace cement)/water or bentonite/HOZ/sand/water suspensions have proven successful. Pure bentonite/water suspensions are not suitable as they have a poor thermal conductivity on the one hand (< 0.7 W/(m · K) at 10 °C) and on the other hand are not frost resistant. The addition of cement enables the use at temperatures in the range of around –15 °C, through the addition of quartz sand or quartz meal, the thermal conductivity increases (over 0.8 W/(m · K) at 10 °C). For bentonite/HOZ/sand/water suspensions the percentage ratio of bentonite and cement should each be approx. 10 %, and sand approx. 30 %. Too high cement quantities are to be avoided in the same way as grouting with pure cement milk or fine mortar so that the borehole filling remains slightly plastic and the thermal dilation of the borehole heat exchanger is not prevented. The addition of quartz sand can cause a higher wear on the grouting pumps. The addition of quartz meal instead of quartz sand is as possible as grouting with pure bentonite/HOZ/water suspensions, which are then added in the ratios of e.g. 25/25/50 % weight. Instead of bentonite, other swelling clays or ground claystone can also be considered. Special cases For permeable unconsolidated rocks (porous aquifers) and boreholes generally not exceeding 50 m depth, the aforementioned type of filling can be deviated from. Prerequisite is that the borehole heat exchanger only stands in the upper aquifer along the whole of its length. In these cases, fine gravel or if it is sufficiently fine-grained the drill cuttings, can be washed in. Above the average ground water level, either the borehole has to be grouted following the preceeding guidelines, or the relevant meters of borehole have to be considered with lower specific heat extraction values in accordance to Table 2. A clay seal is to be applied at the surface and possible provisos of the water authorities must be observed. For unstable underground, the natural closure of the unconsolidated rock can be used around the borehole heat exchanger also, after washing out possibly stabilizing drilling mud and removal of auxiliary casing. The existing drilling mud can be used as an adequate suspension for the conclusive grouting of the annular space after the installation of the borehole heat exchanger and one or more grouting pipes. An industrially produced dammer (e.g. bentonite/cement with a ratio of 5:1 or other substances such as limestone meal) must be added to the drilling mud. The insertion of this drilling mud is achieved via one or more grouting pipes using the ”contractor method“. After a certain volume has been pumped in, an appropriate length of the grouting pipe is removed and a new section is grouted. The emergence of the drilling mud with dammer at the mouth of the borehole is the sign of proper grouting.


23

7.3 Bijlage 3 Grouting for vertical geothermal heat pump systems, Engineering design and field procdures manual


24

8

Referenties 1. M.L. Allan and A.J. Philippacopoulos, Properties and performance of cement-based grouts for geothermal heat pump applications , nov. 1999 2. M.L. Allan and A.J. Philippacopoulos Brookhaven National Laboratory, Ground water protection issues with geothermal heat pumps, in BNL-66666 3. M.L. Allan and A.J. Philippacopoulos Brookhaven National Laboratory, Performance characteristics and modelling of cementious grouts for geothermal heat pumps, proceedings World Geothermal Congress 2000, juni 2000 4. M.L. Allan, Brookhaven National Laboratory, Geothermal Heat pump Grouting Materials, BNL-65676 5. M.L. Allan, Brookhaven National Laboratory, Thermal conductivity and other properties of cementious grouts, BNL-65640 6. BANKS, An introduction to Thermogeology : Ground source Heating and cooling, WileyBlackwell, 2008. 7. Betoniek 9/14, Pompen van beton, april 1993 8. Betoniek 9/13, cement-betoniet, maart 1993 9. Betoniek 7/22, colloïdaalbeton, feb.1988 10. Betoniek 12/13, cement in de grond, mrt 2002 11. BRGM, Capteurs géothermiques verticaux pour pompes à chaleur – Aspects règlementaires, règles de l’art et qualification des entreprises de forage – Rapport final. BRGM/RP-53675-FR. Janvier 2005 12. J. Desmedt, G. Draelants (IF Flanders), Studie best beschikbare boortechnieken en evaluatie geschikte hydrothermische technieken in Brussel: aanvraag, kritische analyse en milieuexploitatievoorwaarden, Eindrapport, feb. 2009 13. J.Desmedt, J.Van Bael, H.Hoes, N.Robeyn, Experimental performance of borehole heat exchangers and grouting materials for ground source heat pums, juni 2011 14. DIN 18130-1, Laboratory tests for determining the coefficient of permeability of soil, mei 1998 15. Walter J.Eugster. Installation and grouting, chapter 10 in GEOTRAINET TRAINING MANUAL, 2011, p.81-86 16. Stephen P.Kavanaugh, Marita L.Allan, Testing of Thermally Enhanced Cement Ground Heat Exchanger Grouts 17. Michigan Department of Natural Resources & Environment Groundwater Division, Best Practices for Geothermal Vertical Closed-Loop Installations, april 2010, p.7-9 18. P.E. Mikkelsen, Cement-Bentonite Grout Backfill for Borehole Instruments,Geothechnical News, December 2002 19. Charles P.Remund, Borehole Thermal Resistance: Laboratory and Field Studies, 20. Collins Ryan, Toby McClain, An overview of Geothermal Grouts, okt. 2009 21. VDI 4640, Part 2 – Thermal use of the underground – Ground source heat pump systems 22. Geelen, C. P. J. M., Witte, H. J. L., ISSO-Publicatie 73 : Ontwerp en uitvoering van verticale bodemwarmtewisselaars, Stichting ISSO, 2005. 23. Vlarem II, sectorale voorwaarden hoofdstuk 5.55 24. H.J.L. Witte, A.J. van Gelder in opdracht van Novem - Nederlandse organisatie voor energie en milieu, Kwaliteitsrichtlijn voor verticale bodemwarmtewisselaars, mei 2003 25. McCray K.B., Guidelines for the construction of vertical boreholes for closed loop heat pump systems, National Ground Water Association, Westerville, Ohio, 1997


25

26. Hellstrom G., Thermal performance of borehole heat exchangers, Department of Mathematical Physics, Lund Institute of Technology 27. Geothermal Heat Pump Design Manual, Application Guide AG 31-008, McQuay Air Conditioning, 2002 28. Grouting for Vertical Geothermal Heat Pump Systems, Engineering Design and Field Procedures Manual, International Ground Source Heat Pump Association, Oklahoma State University, 2000


26

Afwerking van het boorgat voor verticale warmtewisselaars (versie 3.2)

Recommend Documents