Bergvärme rme och bergkyla Installation och drift

Transkript

1 NORDBYGG 2006 Bergvärme rme och bergkyla Installation och drift Göran Hellström Lund Tekniska HögskolaH Markkopplade värmepumparv Första markvärmepumpen rmepumpen 1945 Indianapolis, USA 1

2 Markkopplade värmepumparv Världsmarknaden Antal anläggningar USA 900,000 Sverige 250,000 Övriga Europa 250,000 Fort Polk, Louisiana, USA Militärf rförläggning med 4003 fristående hus 4003 markkopplade värmepumpar,, 8006 borrhål 2

3 Bergvärme rme 30,000 energibrunnar borras varje år r i Sverige Sveriges totala energibehov för f r uppvärmning och kylning är r ca 100 TWh År r 2000 kom ca 15% av denna energi från n energibrunnar År r 2010 beräknas borrhålssystemens bidrag att ha fördubblatsf SGU - Brunnsarkivet Energibrunnar i Stockholm 3

4 SGU - Brunnsarkivet Energibrunnar i Göteborg Energibrunnar Normer för f r utformning av energibrunnar Erfarna energibrunnsborrare 4

5 Energibrunnar Utvecklad industriell tillverkning av komponenter till energibrunnar nnar Borrhålsv lsvärmeväxlare Borrhålsinstallationen har lång l teknisk livslängd 5

6 Värme- och kylcentral Värmepumpar Bergvärme rme och bergkyla Ökat intresse för f r stora system som kräver många m borrhål 6

7 Stora bergvärme/bergkyla rme/bergkyla projekt Sverige Antal borrh rrhål l Borrhålsdjup Kemicentrum (IKDC), Lund m Vällingby Centrum, Stockholm m Musikhögskolan, Örebro m Näsby Parks Slott, Stockholm m Projekt Lulevärme, Luleå m Q-MED, Uppsala m InfraCity, Upplands-Väsby sby m Anneberg, Stockholm m Språk- och litteraturcentrum, Lund m IKEA, Helsingborg m Hotellet, Storforsen m Stadsgårdskajen, Stockholm m Astronomihuset, Lund m * University of Ontario, Kanada m Stora bergvärme/bergkyla rme/bergkyla projekt Sverige Antal borrh rrhål l Borrhålsdjup Kemicentrum (IKDC), Lund m Vällingby Centrum, Stockholm m Musikhögskolan, Örebro m Näsby Parks Slott, Stockholm m Projekt Lulevärme, Luleå m Q-MED, Uppsala m InfraCity, Upplands-Väsby sby m Anneberg, Stockholm m Språk- och litteraturcentrum, Lund m IKEA, Helsingborg m Hotellet, Storforsen m Stadsgårdskajen, Stockholm m Astronomihuset, Lund m 7

8 Stora bergvärme/bergkyla rme/bergkyla projekt Sverige Antal borrh rrhål l Borrhålsdjup Kemicentrum (IKDC), Lund m Vällingby Centrum, Stockholm m Musikhögskolan, Örebro m Näsby Parks Slott, Stockholm m Projekt Lulevärme, Luleå m Q-MED, Uppsala m InfraCity, Upplands-Väsby sby m Anneberg, Stockholm m Språk- och litteraturcentrum, Lund m IKEA, Helsingborg m Hotellet, Storforsen m Stadsgårdskajen, Stockholm m Astronomihuset, Lund m Stora bergvärme/bergkyla rme/bergkyla projekt Sverige Antal borrh rrhål l Borrhålsdjup Kemicentrum (IKDC), Lund m Vällingby Centrum, Stockholm m Musikhögskolan, Örebro m Näsby Parks Slott, Stockholm m Projekt Lulevärme, Luleå m Q-MED, Uppsala m InfraCity, Upplands-Väsby sby m Anneberg, Stockholm m Språk- och litteraturcentrum, Lund m IKEA, Helsingborg m Hotellet, Storforsen m Stadsgårdskajen, Stockholm m Astronomihuset, Lund m 8

9 Bergvärme rme och bergkyla kw borrhål m djup 4-12 m borrhålsavstånd 2004: ca 300 installationer Varför r fungerar bergvärme rme och bergkyla? VINTERTID SOMMARTID Marken är r varmare än n lufttemperaturen Marken är r kallare än n lufttemperaturen Värme/kyla passivt lagras in mellan säsongerna. songerna. Markens medeltemperatur är r ungefär r lika med årsmedel i luft. 9

10 Bergvärme rme vintertid 1 1/3 VP ºC 2/ ºC 5-10 ºC Bergkyla sommartid Direktkylning (utan kylmaskin) ºC ºC 10

11 Bergkyla sommartid 1 1/3 VP ºC 4/ ºC 5-15 ºC Bergvärme rme och bergkyla VINTER Värmepumpen (VP) hämtar energi från marken via borrhålen 1 kw tillförd elektricitet 3-4 kw värme Frikyla vid behov VÄRME VP KYLA 11

12 Bergvärme rme och bergkyla SOMMAR (Låg kyllast) Frikyla 1 kw tillförd elektricitet =>30-50 kw kyla VÄRME VP KYLA Bergvärme rme och bergkyla SOMMAR (Hög kyllast) Värmepumpen används som kylmaskin Överskottsvärme från kondensor lagras i marken (VÄRME) VP KYLA 12

13 Energibalans för marklagret? Värme Kyla Energibalans för marken påverkar utformningen Borrhålsplacering Obalans Balans Kompakt system kräver en rimlig balans mellan uttag och tillförsel av värme v till marken 13

14 Borrhålsplacering Borrhålen kan vinklas sås att erforderlig markyta minskas och borrhålsavst lsavståndet ökas Återladdning med naturenergi Vinterkyla Uteluft Ytvatten Snö och is Sommarvärme rme Uteluft Ytvatten Sol VÄRME KYLA (Spillvärme) 14

15 Uteluft Kylmedelskylare, Astronomicentrum, Lund Solvärme Takintegrerade solfångare, Anneberg, Danderyd 15

16 Älvvatten Hotell Storforsen Sjövatten Borrhål Vattenintag Vattenretur Näsbyparks Slott 16

17 Näsby parks slott Bergvärme rme med återladdning från n sjö 48 borrhål VP Näsbyviken Geologiska förutsättningarttningar Jordskikt Tjocklek Grundvattennivå Berg Bergart (borrbarhet) Värmeledningsförmåga Marktemperatur 17

18 Termisk responstest Termisk responstest används nds för att mäta markens värmeledningsförmåga Dimensioneringsmodeller Förprojektering Detaljprojektering Detaljerad modeller för f r systemsimulering 18

19 Samverkan mark och klimatsystem Byggnadens klimatsystem Energilast (klimat) Energi Effekt Temperatur (styrkurva) Värmepump Värmefaktor Marklagret Köldbärarens temperaturvariation Dynamisk samverkan! Astronomihuset, Lund Bergvärme rme och bergkyla (frikyla utan kylmaskin) + fjärrv rrvärmerme Bruttoyta m 2, lokalyta m 2 19

20 Energilast Värme: Värmebehov 350 MWh Dim. effekt 250 kw Värmepump 125 kw Kyla: Kylbehov Dim. effekt Frikyla 140 MWh 150 kw 80 kw Borrhål Borrhål 20 borrhål, djup 200 m, köldbärartemperatur 4,5-12,5 C 20

21 Energibalans Energibalans Drift mars februari 2003 Värme från n värmepumpv Kyla från n marklager (frikyla+få+komp) +komp) El till värmepumpskompressorv Fjärrv rrvärme rme (tappvarmvatten + spetslast) El till cirkulationspumpar (mark och kondensorkrets) 475 MWh 155 MWh 104 MWh 40 MWh 7 MWh Nyckeltal Drift mars februari 2003 Värmefaktor värmepump v (inkl. cirkulation) Kylfaktor frikyla Värme och kylbehov (BTA 4900 m2) Köpt energi Energifaktor värmepump+kylav Energifaktor värmepump+frikyla+fjv rmepump+frikyla+fjärrvärmerme 4, kwh/m 2 31 kwh/m 2 5,7 4,4 Kombination av olika fastigheter BOSTAD KONTOR VINTER 21

22 Kombination av olika fastigheter BOSTAD KONTOR VÅR Kombination av olika fastigheter BOSTAD KONTOR FRIKYLA SOMMAR 22

23 Kombination av olika fastigheter BOSTAD KONTOR HÖST Kombination av olika fastigheter BOSTAD KONTOR Gemensamt energilager i mark 23

24 Avantor-Nydalen, Oslo Radisson Hotell Universitet Markenergilager (borrhål) Kontor Bostadshus Lokalyta : m 2 Energilager : 90 borrhål, djup 200 m + 70 borrhål, djup 260 m Bergvärme rme och bergkyla (värmepumpen används nds som kylmaskin) Avantor-Nydalen, Oslo Avantor Nydalen, april 2003 Borrhålsinstallation med förbindelserf rbindelserör r (under parkeringsgarage) 24

25 Värmelast IKDC Kemicentrum Kemicentrum, Lund Arkitekthuset IKDC Kemicentrum Energilager 165 borrhål Energibalans genom att kombinera fastigheter med olika last 25

26 Kyllast Arkitekthuset IKDC Kemicentrum NORDBYGG 2006 Bergvärme/bergkyla rme/bergkyla för f r stora hus Baserad påp etablerad teknik Låg g driftskostnad (energi, underhåll) Payoff tid år Säsongslagring av energi Utvecklingspotential Värme och kyla Stora andel förnyelsebar f energi (75-80 %) Värme Återladdning med naturenergi (vatten, luft, sol) Ett bra och miljövänligt alternativ! 26

27 NordBygg 25 januari 2006 Kemicentrum i Lund; En av Europas största värme-/kylanläggningar med energilager i berg Rune Simonsson Malmberg Water AB rune.simonsson@malmberg.se webbsite: Specialistföretaget vattenrening energi miljöhantering borrning 1

28 Fakta om Malmberg Företaget grundas 1866 Vatten som affärsidé Familjeägt i fjärde och femte generationen Ca 200 MSEK i omsättning 80 anställda Kontor i Sverige, Kina, Litauen, Lettland Kvalitetscertifierad ISO 9001 Miljöledningssystem i linje med ISO Här finns vi Huvudkontor och tillverkning i Åhus vid den vackra sydöstra kusten i Sverige. 2

29 Funktion värme/kylsystem med lagring i grundvatten energi Dimensionering Vp ca 50% av max effekt Energitäckning >90% Dimensionering energi 3

30 Varför värmepumpsystem Via lager kan värme-/kylproduktion med fördel kombineras Använder endast 1/3 primärenergi vid värmeproduktion Vid frikyla energifaktor större än 30 Tar mer än 2/3 av sin producerade energi från naturen Således miljövänligt Lönsam investering Vid ökning av pris på primärenergi påverkas driftkostnaden endast med 1/3 av energiprisökningen energi Investering Komplett anläggningar för produktion av värme eller kombinerat värme-/kyla Grundvattensystem: Bergsystem: SEK/kW SEK/kW Mycket beroende av geologin vid borrning. energi 4

31 Lönsamhet Återbetalningstid (investering/besparing) Grundvattensystem Bergsystem 5-8 år 7-10 år Energipris från värmepumpanläggning inkl kapitalkostnad SEK/MWH energi Kemicentrum Lund energi 5

32 energi Kemicentrum Lund Beställare: Akademiska Hus i Lund AB Färdigställt: 2005/2006 Värmeeffekt: 8500 kw Kyleffekt: 3000 kw Värmeeffekt KVP: 1800 kw Kyleffekt lager: 1200 kw Köldmedium: R134 Brunnslager: 153 st, 230 m djupa bergbrunna ca m borrning energi 6

33 Brunnslager Brunnslager: Geologi: Borrmetod: Problem: Övrigt 153 st, 230 m djupa bergbrunna 40 m lermorän som överlagrar berget Lerskiffer Grovkorniga diabasgångar Kraftiga krosszoner (diabas/skiffer) Wassarautrustning Ras gav problem vid vissa kollektorinstallationer Ojämna förhållanden Sprickzoner ger hög vattenföring energi Språk och Litteraturcentrum, Lund energi 7

34 Språk och Litteraturcentrum, Lund Beställare: Akademiska Hus i Lund AB Färdigställt: 2004 Värmeeffekt: 1400 kw Värmeenergi: 1375 MWh/år Kyleffekt: 730 kw, spetsprod med KVP Kylenergi: 550 MWh Kylvärmepumpar: 400 kw, spetseffekt med fjärrvärme Köldmedium: Propan Brunnslager: 33 st 170 m djupa bergbrunnar energi Lunds Akademiska Golfklubb energi 8

35 Lunds Akademiska Golfklubb Beställare: Räftens Fastighetsbolag Färdigställt: 2004 Värmepumpeffekt: 30 kw (spetslast elpanna) Kyleffekt: 50 kw Brunnslager: 5 st, 165 m djupa bergbrunna energi 9

36 Bjerking AB Q-Med NPU Energiborrhål för värme och kyla BJERKING AB Box 1351 SE Uppsala SWEDEN Bjerking AB Byggnadsobjektet Nybyggnad av produktionslokaler för medicinteknisk tillverkning Byggnad bestående av 4 plan inkl källare Bruttoarea ca 7020 m 2 Värme- och kylcentral förberedd för framtida höglager ca 2000 m 2 1

37 Bjerking AB Tekniska förutsf rutsättningar ttningar Dimensionerande förutsättningar effekt / energi: Värme vinter Värme sommar Kyla vinter Kyla sommar Dim. effekt 410 kw 160 kw 90 kw 330 kw Energiförbrukning/år 925 MWh 50 MWh 190 MWh 305 MWh Förutsättningar för systemuppbyggnaden: Borrhål dimensioneras för max tilloppstemp +14 C Samtliga kylbatterier dimensioneras för C Samtliga värmebatterier dimensioneras för C Bjerking AB Geologiska förutsf rutsättningarttningar 25 meter lös lera 5 meter silt / sand Grundvattennivå ca 4 meter under markyta Granit 2

38 Bjerking AB Systemlösning sning Radiatorer Kylbatterier i luftbehandlingsaggregat Luftvärmare Markvärme rme VVX Kylbafflar Elpanna VVX Etanol 29% VP VP VP VP VP VP 38 st borrhål 6 st värmepumparv Borrplan Bjerking AB Borrhålen borras från ett dike längs fastighetsgränsen och vinklas in under fastigheten för att erhålla lämpligt avstånd mellan borrhålen 3

39 Bjerking AB Borrhål 38 st borrhål för värmepump och frikyla 168 mm foderrör av stål ned till ca 30 m 140 mm borrhål ned till 200 m 2 x 40 mm PEM U-slang i varje hål Borrhål grundvattenfyllda ODEX 168 mm borrning för foderrör. Bortförsel av vatten och borrkax till container Bjerking AB Borrhål l forts. Installationsutrustning för PEM 40 mm U-rör. Rör fyllda med 29% etanolvattenlösning Montage av 168 mm foderrörslock för 2 st PEM 40 mm rör. 4

40 Bjerking AB Kollektorsystem Horisontella lager av PEM-rör som skall värmeisoleras med Rockwool markskiva Elektrisk smältsvetsning av borrhålens PEM 40 mm rör till de två horisontella lagren med PEM 50 mm fördelningsrör. PEM-rör in i källare för anslutning till fördelningsrör Bjerking AB Fördelningsrör Fördelningsrör av rostfritt stål med avstängnings- och reglerventiler för respektive hål. 5

41 Bjerking AB Värme- och kylcentral 6 st värmepumpar á 41 kw varav 3 st med hetgasväxlare för uppvärmning av tappvarmvatten Köldmedium R407C 1 st elpanna 255 kw Värmepumpar IVT Greenline F40H i värme- och kylcentral Bjerking AB Lönsamhetskalkyl, investering Alternativ 1 Konventionell anläggning med fjärrvärme och kylmaskin Anslutningsavgift fjärrvärme Fjärrvärmecentral Kylcentral 700 tkr 400 tkr 1650 tkr 2750 tkr Alternativ 2 Bergvärme, värmepumpar och naturkyla Tillkommande anslutningsavgift för utökad elservis samt kraftmatningar Borrentreprenad Värmepumpar / kylcentral 200 tkr 2600 tkr 850 tkr 3650 tkr Merkostnad investering 900 tkr (exkl moms) 6

42 Bjerking AB Lönsamhetskalkyl, driftkostnad/år Alternativ 1 Konventionell anläggning med fjärrvärme och kylmaskin Värme vinter Värme sommar Kyla vinter Kyla sommar 925 MWh x 530 kr 50 MWh x 400 kr 190 MWh x 820 kr / 3,0 (COP) 305 MWh x 820 kr / 3,0 (COP) 490 tkr 20 tkr 52 tkr 83 tkr 645 tkr Alternativ 2 Bergvärme, värmepumpar och naturkyla Värme vinter Värme sommar Kyla vinter Kyla sommar 925 MWh x 820 kr / 3,0 (COP) 50 MWh x 820 kr / 3,0 (COP) 11 MWh x 820 kr (energi cirk.pump) 11 MWh x 820 kr (energi cirk.pump) 253 tkr 14 tkr 9 tkr 9 tkr 285 tkr Besparing 360 tkr / år (exkl moms) Bjerking AB Lönsamhetskalkyl, pay-off tid Merkostnad investering: Minskad driftkostnad: 900 tkr 360 tkr/år Rak pay-off tid: 2,5 år 7

43 BJERKING AB Box 1351 SE Uppsala SWEDEN 8

44 Bjerking AB Anneberg, Danderyds kommun Säsongslagring av solvärme Bostadsområdet det Anneberg Bjerking AB Danderyds kommun 50 lägenheter i form av radhus/parhus med sammanlagd yta ca 6000 m 2 Ekonomiskt stöd för projektet genom EU-bidrag HSB Bostad Sthlm exploatör PEAB totalentreprenör Projektet ett av de 10 största i Europa med taksolfångare och säsongslagring av värme i berg. 1

45 Bostadsområdet det Bjerking AB Situationsplan för området Tekniska förutsf rutsättningarttningar Bjerking AB Lågtemperatursystem används, solfångare blir mer effektiva och värmeförluster i lager blir mindre. Solvärmeandelen beräknas uppgå till 60-70% av totala värmebehovet Beräknad energibalans per år för de 50 lägenheterna: Solfångare MWh Spets el värme VV MWh Förluster i lager MWh Förluster kulvert MWh Uppvärmning hus MWh Tappvarmvatten MWh Teknikcentraler - 30 MWh 2

46 Geologiska förutsf rutsättningarttningar Bjerking AB Höjdplatå med berg i dagen, moränmark, några meter mäktig lera Stockholmsgranit, homogen med få sprickor, alltså god kvalitet för värmelagring med borrhålsteknik Grundvattennivå 3-4 meter under markytan Solfångarna Bjerking AB Plana, glastäckta och integrerade i de södervända taken Tillverkas i moduler ca 2,5x8,0 meter, totalt 2400 m 2 Värmeutbyte beräknat till minst 400 kwh/m 2,år Laddar först ackumulatortankar (som också förvärmer tappvarmvattnet) ger sedan vid behov värme till golvvärmeslingor och laddar därefter värmelagret 3

47 Värmelager Bjerking AB 100 st borrhål med 115 mm diam Dubbla U-rör 32 mm PEM Avstånd c/c 3,0 m, djup 65 m Markyta 27x27 m, volym m 3 Isolerat med 10 cm cellplast på ovansida Beräknad lagertemperatur under året max +60 C och min +30 C Laddas med solvärme huvudsakligen april-september Uttag värme under 6 månader oktober-mars då medeltemp sjunker från +45 C till +30 C Övergångsskede vår och höst med växelvis laddning respektive uttag av värme Systemlösning sning Bjerking AB Solfångare 2400 m2 Värmelager i berg Separata system för solfångarkretsar (propylenglykol/vatten) 13 st teknikcentraler betjänande 2, 4 eller 7 bostäder Ett gemensamt system för värmelager och golvvärmesystem (vatten) FTX-ventilation 4

48 Systemlösning sning 13 st teknikcentraler betjänar 2, 4 eller 7 bostäder Värmeväxlare mellan solvärmekretsar och lager Bjerking AB 2400 m² solfångare Golvvärmesystem lågtemp C VVB i varje lgh för slutvärmning av tappvarmvatten med el Elpanna i varje lgh för spetsvärme till golvvärmesystem Ackumulatortankar/ buffert, liter för förvärmning av tappvarmvatten och solvärmeladdning av lager Erfarenheter Bjerking AB Ett kulverthaveri inträffade med sprängning av PEX-rör dim 63 p g a felaktigt ventil. Riskbedömning (skållningsrisk) För säkerhets skull ansågs nödvändigt att bytta alla PEXrör mellan solfångarkretsar och teknikcentraler (13 st) till kopparrör Kulvertbyte utfördes sommaren 2002 som därmed inte kunde nyttjas som en första laddningssäsong av berglagret 5

49 Erfarenheter forts Bjerking AB Läckage i bottenböj på kollektorslangar i värmelager inträffade 2004 Betongvikt med ögla, egentillverkat oskyddat U-rör. Troligen förorsakat hål p g a längdutvidgning Läckage har uppstått i 5 st borrhål av 100 Erfarenheter forts Bjerking AB Utbyte av samtliga kollektorslangar utfördes

50 Några ytterligare erfarenheter Bjerking AB Smutsigt vatten i stora systemet, igensättningar Teknikutrymmen för små ur servicesynpunkt Glasrutor över 9 st kollektorer i solfångare har spruckit p g a temperaturspänningar Levererar uppvärmt vatten till värmepump i kommunens sjukhem Området är populärt ur boendesynpunkt Enkelhet i tekniklösningarna istället för fullkomlighet bör vara en ledtråd för framtida projekt av denna typ Sammanfattning Bjerking AB 1999 Projektering 2000 maj Första spadtaget 2000 dec Värmelager färdigt 2002 april Helt driftsatt och inflyttat. Laddning värmelager påbörjades 2002 sommar Läckage kulvert, utbyte kulvert 2003 Laddning värmelager (se kurva) 2004 senhöst Läckage kollektorslangar i borrhål 2005 sommar Utbyte kollektorslangar i borrhål (byte i halva lagret per etapp) 2005 augusti Augusti 2005 var lagret åter igång och temperatur steg till +40 C, utnyttjades och tömdes under hösten januari Lagrets temp +27 C (kan ej utnyttjas). Vid snöfria tak i jan-feb kommer laddning åter att starta 7

51 Trots allt Bjerking AB I hus på 120 m² är förbrukning av hushållsel ca 4000 kwh/år och el för uppvärmning ca kwh/år nu när all värms av el. Trots uppkomna problem bedöms att 70% av uppvärmningsel skall kunna komma från solfångare/värmelager Temperatur värmelagerv Bjerking AB 8

52 Rapport Bjerking AB BJERKING AB Box 1351 SE Uppsala SWEDEN 9

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76 Bergvärmepumpar i fastigheter Jan-Erik Nowacki Verksam vid: Svep KTH Nowab Nilsholgersson om fjärrvärme Kr/kWh inkl moms Priser för fjärrvärme enligt Nils Holgersson 2005 konsekutivt ordnade Bergvärme Fortum Kolla För bergvärmen har följande antaganden gjorts: kr/kw 4500 h/år 1 kr/kwh 3 Värmefaktor 3% ränta 15 år 8.3% annuitet 0.28 Kapital VP Energi 0.33 VP 0.61 Summa VP Låg ränta, högt energipris = guldläge för värmepumpar 1

77 Hur ser det ut? Värmepump Rör ut Några brunnar på gården vinklade hål? Var kan man borra? Elledningar Fjärrvärme Gasnät Vatten Avlopp Tele Markförhållanden Sättningar Åtkomlighet Grundvattenförhållanden Grannfastigheter Användning för kyla? 2

78 Använda för kyla? Skåvsjöholm med värme och kyla 3

79 Tvätta och torka Berg Radiator (även sommartid) Hjälp till i fjärrvärmen värmepumpen kan bli en vän 80 C 130 C 120 C 70 C 70 C 110 C 100 C Värmefaktor = 0,6 * ( ) 60 = 4 4

80 Beräkning av en fastighet Fel som jag sett Ofullständiga kontrakt Obegripliga systemritningar Felmärkning köldmedium Brist på köldmedium Borrprotokoll saknas ej utmärkt Köldbärarledningar oskyddade Otillräckliga temperaturer varma sidan 5

81 Tack för mig! 6