Bergvärme och bergkyla

Transkript

1 Detta material är till stora delar taget ur den kurs som sedan 2004 ges av G. Hellström och B. Nordell för Energi- och miljötekniska föreningen, Stockholm. Bergvärme och bergkyla Prof. Bo Nordell Norsk Kjøleteknisk Møte Bodø 23 februari 2012

2 Presentation: Bo Nordell ( ) Energilagring, främst med borrhålssystem, och förnyelsebar energi [Dr. (1994), Docent (1997), and Professor (2000-) i Vattenteknik vid LTU] Huvudsakliga forskningsområden; Termisk energilagring inkl. snölagring Is- och snö Milstolpar inom området; Borrhålslager för säsongslagring av värme (Nordell, B. 1994) Termisk responstest (Gehlin, S. 2002) Snölager för säsongslagring av kyla (Skogsberg, K. 2006) Undervisning om bergvärme Naturvärmekursen vid LTU har getts i mer än 25 år (om borrhålssystem) Bergvärmekurs för konsulter har sedan 2004 getts 1-3 ggr per år i Stockholm

3 Bergvärme Bergkyla

4 Värmepumpen och markvärmens utveckling 1805 Evans Fluid Compression-Expansion Cycle för kylning 1834 Perkins & Hague konstruerade första systemet 1835 Första fungerande värmepumpen 1852 William Thomson (Kelvin) - för uppvärmning av byggnader 1870 Värmepumpsprincipen (teorierna utvecklades senare) 1910 Luftkonditionering Los Angeles 1912 Zoelly (Schweiz) - patent på VP-system för markvärme 1947 Ytjordvärme Minneapolis 1975 Ytjordvärme Danmark/Sverige 1976 Ett borrhål för lagring sol i Huddinge 1977 Värmelager 42 borrhål i Sigtuna 1982 Högtemperaturlager 120 borrhål vid LTU 1983 Förslag om mobil termisk responstest (Mogensen) 1995 Kraftig ökning av markvärme 1996 Termisk responstest utvecklas vid LTU 2012 Markvärmesystem står för 15% av all uppvärmning i Sverige Jacob Perkins apparat från patentskrift år 1834

5 Varför fungerar bergvärme/bergkyla? I klimat med tydliga säsonger, dvs sommar och vinter, är markens medeltemperatur årsmedeltemperaturen i luft. VINTER SOMMAR Marken är varmare än lufttemperaturen Marken är kallare än lufttemperaturen Detta gör marken lämplig för både kylning och uppvärmning

6 Varifrån kommer värmen?

7 Skillnad mellan högsta och lägsta månadsmedeltemperatur

8 Frikyla och frivärme Vinter Sommar

9 Genomsnittlig svensk bergvärmebrunn Baserat på marknadsundersökning (450 svar) och fältstudier (SP) Borrhålsdjup, 132 m Aktivt borrrhålsdjup, 117 m Värmepumpskapacitet, 7.5 kw Lägsta köldbärartemperaturn, -3/0 o C Distributionstemperatur, 50/40 o C Värmeproduktion, kwh/år Årsvärmefaktor 2.9 Energibesparing, kwh/år Årligt uttag ca 155 kwh/m (medel 18 W/m) Ca installationer i Sverige Värmepump teknisk livslängd år Energibrunn teknisk livslängd år Payback tid, 6-9 år tank för varmvatten värmepump borrhålsvärmeväxlare golvvärmesystem för låg temperatur

10 Bergvärme - Geoenergi Enfamiljshus Stadsbebyggelse

11 Större borrhålssystem Figur: Geoenergi as, Oslo

12 Energibalans? HEAT COLD Marklagrets energibalans påverkar borrhålskonfigurationen

13 Borrhålskonfiguration (borrhålens inbördes placering) Obalans Balans Kompakta system kräver en rimlig balans mellan uttag och tillförsel av värme till marken

14 Geoenergi HÖST-VINTER Värmepumpen (HP) tar värme från borrhålen HEATING COOLING 1 kw tillförd elektricitet 3-5 kw värme Frikyla tillgängligt vid behov HP

15 Geoenergi TIDIG SOMMAR Frikyla 1 kw elektricitet => kw kyla HEATING COOLING HP

16 Geoenergi HÖGSOMMAR Värmepumpen används som kylmaskin 1 kw elektricitet 3-5 kw kyla Överskottsvärme från kondensorn återförs till marken via borrhålen (eventuellt även till luft via kylmedelskylare) (HEATING) HP COOLING

17 Återladdning med naturenergi Vinterkyla Uteluft Ytvatten Snö och is Sommarvärme Uteluft Ytvatten Sol Mark

18 Storforsen hotell vid Piteälven Återladdning med älvvatten

19 Återladdning med uteluft Kylmedelskylare

20 Oglasad solfångare, polyetenslang diameter 40mm Absorberad energimängd kwh/m 2 (svart yta) Solvärme

21 Sammankoppling av borrhål Seriekoppling till samlingsrör

22 Sammankoppling av borrhål Seriekoppling till samlingsrör

23 Sammankoppling borrhål och värmecentral Parallell Samlingsrör Serie Serie Samlingsrör Parallell

24 Sammankoppling av borrhål Avantor-projektet, Oslo (180 borrhål)

25 Seriekoppling utan samlingsrör SERSO projektet, Schweiz

26 Borrhålsvärmelager i Emmaboda

27 Fördelningsrör vid lagret i Emmaboda

28 Borrhålsvärmeväxlare borrhålsvägg liner (mjukt eller hårt innerrör) Olika typer 1U-rör (vanligast) 2U-rör 3U-rör Öppet koaxialrör Slutet koaxilarör Flerkammarrör Flerrörstyper Spiralrör.. U-rör (1U, 2U, 3U) slutet system Koaxialrör öppet system Koaxialrör slutet system

29 Beräknad temperatur i borrhål och omgivande mark Matematiska metoder

30 Enkelt U-rör Borrhålsvärmeväxlare

31 Vertikal temperaturprofil Termisk kortslutning Enkelt U-rör: Vertikal temperaturprofil i köldbärarfluid (Acuna et al, 2008)

32 Burgdorf, Schweiz Flerkammarrör

33 Double U-pipe BHE distanshållare Neckarsulm, Tyskland

34 Reynold's number Köldbärarflöde och rördiameter mm 32 mm 40 mm Rekommenderat intervall enligt ASHRAE 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Flow rate (litre/sec) Kompromiss mellan bra värmeöverföring och lågt pumpeffekt

35 Termisk responstest (TRT) Termisk responstest Mäter markens effektiva värmeledningsförmåga längs borrhålet Mäter värmemotståndet mellan köldbärarfluid och borrhålsvägg (borrhålsmotstånd) Loggning av marktemperatur i borrhålet Marktemperaturen i borrhålet mäts före termisk responstest med temperaturgivare (kabellod) Mätning av grundvattenyta

36 Mobil utrustning för termisk responstest (TRT) Termisk responstest rekommenderas som standardprocedur vid dimensionering av större anläggningar. Används idag i ett 40-tal länder.

37 Termisk responstest (TRT)

38 Avantor-Nydalen, Oslo Universitet Hotell Markenergilager Bostadshus (borrhål) Kontor Lokalyta : m 2 Energilager : 90 borrhål, djup 200 m + 70 borrhål, djup 260 m Bergvärme och bergkyla (värmepumpen används som kylmaskin)

39 Kemicentrum, Lund Arkitekthuset Kemicentrum IKDC Energilager 153 borrhål Energibalans genom att kombinera fastigheter med olika last

40 Hybrid system - Boreholes with summer recharge from lake Näsby Parks Slott

41 Näsby Parks Slott Näsby Parks Slott Boreholes Water intake Water outlet Heat load from buildings ( m 2, 3600 MWh) marked in yellow

42 Näsby Parks Slott 48 boreholes x 180 m Granite 3,9 W/m,K Temperature 8,5 C Heat pump 400 kw Run hours 6000 h Heat supply 2400 MWh 48 boreholes HP Cost of borehole storage 230,000 EUR Lake Borehole storage without lake recharge: 80 boreholes 400,000 EUR

43 Näsby Parks Slott 83 kw 6 kw 48 boreholes +11,2 +13,2 17 l/s 2,2 kw 11 l/s +38,0 +9,7 70 kw 180 kw 250 kw HP 263 kw +5,8 +41,8 +9,8 Lake Energy flows and temperatures

44 Lönsamhetskalkyl Uppskattad helårsbersparing baserad på 7 månaders drift (juni-december 2004) Alternativ 1. Enbart olja Alternativ 2. Värmepump och olja Merkostnad investering: Minskad driftkostnad: 6.7 Mkr 1.6 Mkr/år Rak pay-off tid: 4.2 år * Minskad oljeförbrukning 79 % Minskad köpt energi (el & olja) 57 % * Pga ökade energipriser blev pay-off tiden 2.4 år

45 Sammanfattning Sveriges totala årliga uppvärmning kräver ca 100 TWh Mer än 15% av denna energi från borrhålssystem Bergvärme är ett beprövat och tillförlitligt system Ca 70% av bergvärmen är förnyelsebar Frikyla är en bonusmöjlighet I Sverige byggs årligen små bergvärmesystem (0.4 M /år) Utvecklingen går mot större system H/C (ca 2000 system) Trots viss mättnad är det en mycket stor utbyggnadspotential i Sverige Denna potential är ännu mycket större i Norge NGU och NTNU har bra kunskap inom området