BORRHÅL OCH VÄRMEPUMPSSYSTEM MED PV&PVT TEKNIK OCH EKONOMI Nelson Sommerfeldt, Doktorand Geoenergidagen, 4 oktober 2018
Tack till våra sponsorer och industripartners BRF Moranviken 2
Bakgrund Solenergi Solvärmemarknaden har givit vägen till solceller (PV) Svensk solcellsmarknad växer med ca. 40% per år Solceller är viktig del av nollenergibyggnader 3
Bakgrund Solvärmepump Lång forskningshistoria med solfångare och värmepumpar Ny trend med PV och VP Växande intresse i system med PV-termiskhybrid 4 Poppi et al. Techno-economic review of solar heat pump systems for residential heating applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2018, 81: 22-32. doi:10.1015/j.jrser.2017.07.041
Vad är solvärmepump? 1. Börja med värmepumpsystem 2. Lägg till några solpaneler 3. Ansluta dem 5
Vad är solvärmepump? 1. Börja med värmepumpsystem 2. Lägg till några solpaneler 3. Ansluta dem 6
Vad är solvärmepump? 1. Börja med värmepumpsystem 2. Lägg till några solpaneler 3. Ansluta dem 7
Den valda systemkonfigurationen Oglaserad, oisolerad PVT fångare Serie konfiguration Motivation 8 Enkel integration Flexibel kontroll Direkt tillgång till borrhål Låg-kostnad PVT Sommerfeldt, N., Madani, H. Review of Solar PV/Thermal Plus Ground Source Heat Pump Systems for European Multi-Family Houses. 11th ISES Eurosun Conference, Palma de Mallorca, Spain, October 2016
TRNSYS modell Komplett systemmodell Tre minuter tidssteg 20 år simulering 9
Målbyggnad Typiskt 1980 90 s hus 30 lgh / 2000 m2 uppvärmd yta Uppvärmning:125 kwh/m2-yr VV: 38 kwh/m2-yr Frekvensstyrd värmepump 21-88 kwth 3600 m total borrhållslängd 12 bh x 300 m x 20 m avstånd 144 PVT fångare 10 40 kwp / 236 m2
Solvärmepumps energiflöde Värme produktion/efterfrågan El produktion/efterfrågan MWh th 40 30 20 10 0 MWh el 12 10 8 6 4 2 0 Uppvärmning + VV PVT Termisk Ekomp PVT El 11
PVT energileverans MWh th 25 20 15 10 5 0 Värme (90 MWh/år) MWh el 6 5 4 3 2 1 0 El (37 MWh/år) jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Till VP Till BH Till VP Till Lgh Till Elnät 12
Borrhålsenergi och -temperatur Förångares inloppstemp Energibalans i borrhålen Temperatur ( C) 25 20 15 10 5 0 0 2000 4000 6000 8000 Timme under året MWh th 25 15 5-5 -15-25 -35 utan PVT PVT till VP PVT till BH Uttag Tillförsel Netto 13
Test fall Borrhål Bas K1 K2 K3 Antal 12 10 8 6 Avstånd (m) 20 15 10 5 Total Längd (m) 3600 3000 2400 1800 PVT 6/6 5/6 4/6 3/6 2/6 Antal 144 120 96 72 48 Yta (m 2 ) 236 196 157 118 79 PV Kap. (kw p ) 40.3 34.2 26.4 19.8 13.2 14
Vad händer med färre borrhål? 3.6 3.2 4% SPF 4 2.8 2.4 2.0 1.6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 År 20/3600 20/3000 20/2400 20/1800 12+PVT 10+PVT 8+PVT 6+PVT Punkterna markerar åren när borrhålsväggen når 0 C 15
Vad händer med mindre avstånd? 3.6 SPF 4 3.2 2.8 2.4 13% 2.0 1.6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 År 20/3600 15/3600 10/3600 5/3600 20+PVT 15+PVT 10+PVT 5+PVT Punkterna markerar åren när borrhålsväggen når 0 C 16
Färre borrhål och mindre avstånd 3.6 SPF 4 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 År 23% 60% 20/3600 15/3000 10/2400 5/1800 Bas+PVT K1+PVT K2+PVT K3+PVT Punkterna markerar åren när borrhålsväggen når 0 C 17
Köldbärartemp ut från BH 10/2400 (K2) Köldbärartemp ( C) 12 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 År med PVT utom PVT Streckade linje är medelvärden, fasta linjer är min/max, alla värden är månadsmedel 18
Borrhålväggstemperatur 10/2400 (K2) Borrhålväggstemp ( C) 12 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 År med PVT utom PVT 19
Minskad PVT yta 15/3000 (K1) SPF 4 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 År 20/3600 15/3000 K1+144 K1+120 K1+96 K1+72 K1+48 Punkterna markerar åren när borrhålsväggen når 0 C 20
Minskad PVT yta 10/2400 (K2) SPF 4 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 År 20/3600 10/2400 K2+144 K2+120 K2+96 K2+72 K2+48 Punkterna markerar åren när borrhålsväggen når 0 C 21
Minskat krav på markyta 2400 m 2 300 m 2 87% 22
Minskat krav på markyta 2400 m 2 600 m 2 75% 23
Total livscykelskostnader (20 år) MSEK 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Fjärrvärme = 3.83 MSEK Sol Restvärde BH Restvärde TLCC El Solpaneler Borrhål 20x3600 20x3600 20x3600 15x3000 10x2400 Värmepump +144 PV +144 PVT +48 PVT +144 PVT Alla kostnader inkl. moms och solenergibidrag 24
Fixa underdimensionerade borrhålsfält SPF 4 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3.0 2.9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 År 20/2400 8+2 BH 8+4 BH 8+6 BH 20/3600 48 PVT 96 PVT 144 PVT Punkterna markerar åren när borrhålsväggen når 0 C 25
Jämförelse investering o besparing 1200 1000 ksek 800 600 400 200 Restvärde (30 år) Besparing (30 år) Netto (30 år) Investering 0 4 BH 96 PVT 6 BH 144 PVT Alla kostnader inkl. moms och solenergibidrag 26
Slutsatser (1/2) PVT-hybrider i serie inte höjer SPF markant men tillåter minskningen av borrhålslängd och/eller -avstånd med minimal risk Bergvärme med typiskt borrhålfält och solceller är det mest energi- och kostnadseffektiva alternativet när det finns tillräckligt med utrymme PVT-hybrider kan vara ett kostnadseffektivt alternativ till borrning i renoveringsobjekt men kräver större investering 27
Slutsatser (2/2) PVT har potential att expandera bergvärmemarknaden för flerfamiljshus, vilken tidigare var otillgänglig pga otillräckligt markutrymme Eventuell modifiering av borrhålsfälten pga PVT integration bör simuleras i ett systemmodelleringsverktyg före konstruktion 28
Framtidsarbete Vidare borrhålsanalys (e.g. borrhålstermiskkapacitet) Vidare värmeväxlare-, pumpar-, ventil-, och vätskeanalys Minska PVT fångare- och anläggningskostnader Testsystem och modellvalidering 29
Vidare information Effsys Expand Slutrapport KTH Projectwebsidan 30
Tack för mig