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. www.emtf.se Bergvärme och bergkyla Prof. Bo Nordell Norsk Kjøleteknisk Møte Bodø 23 februari 2012
Presentation: Bo Nordell (1979.. ) 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; 1982-1990 Borrhålslager för säsongslagring av värme (Nordell, B. 1994) 1995-2002 Termisk responstest (Gehlin, S. 2002) 2000-2006 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
Bergvärme Bergkyla
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
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
Varifrån kommer värmen?
Skillnad mellan högsta och lägsta månadsmedeltemperatur
Frikyla och frivärme Vinter Sommar
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, 26000-30000 kwh/år Årsvärmefaktor 2.9 Energibesparing, 17000-20000 kwh/år Årligt uttag ca 155 kwh/m (medel 18 W/m) Ca 350.000 installationer i Sverige Värmepump teknisk livslängd 15-20 år Energibrunn teknisk livslängd 30-50 år Payback tid, 6-9 år tank för varmvatten värmepump borrhålsvärmeväxlare golvvärmesystem för låg temperatur
Bergvärme - Geoenergi Enfamiljshus Stadsbebyggelse
Större borrhålssystem Figur: Geoenergi as, Oslo
Energibalans? HEAT COLD Marklagrets energibalans påverkar borrhålskonfigurationen
Borrhålskonfiguration (borrhålens inbördes placering) Obalans Balans Kompakta system kräver en rimlig balans mellan uttag och tillförsel av värme till marken
Geoenergi HÖST-VINTER Värmepumpen (HP) tar värme från borrhålen HEATING COOLING 1 kw tillförd elektricitet 3-5 kw värme Frikyla tillgängligt vid behov HP
Geoenergi TIDIG SOMMAR Frikyla 1 kw elektricitet => 30-50 kw kyla HEATING COOLING HP
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
Återladdning med naturenergi Vinterkyla Uteluft Ytvatten Snö och is Sommarvärme Uteluft Ytvatten Sol Mark
Storforsen hotell vid Piteälven Återladdning med älvvatten
Återladdning med uteluft Kylmedelskylare
Oglasad solfångare, polyetenslang diameter 40mm Absorberad energimängd 2006 1700 kwh/m 2 (svart yta) Solvärme
Sammankoppling av borrhål Seriekoppling till samlingsrör
Sammankoppling av borrhål Seriekoppling till samlingsrör
Sammankoppling borrhål och värmecentral Parallell Samlingsrör Serie Serie Samlingsrör Parallell
Sammankoppling av borrhål Avantor-projektet, Oslo (180 borrhål)
Seriekoppling utan samlingsrör SERSO projektet, Schweiz
Borrhålsvärmelager i Emmaboda
Fördelningsrör vid lagret i Emmaboda
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
Beräknad temperatur i borrhål och omgivande mark Matematiska metoder
Enkelt U-rör Borrhålsvärmeväxlare
Vertikal temperaturprofil Termisk kortslutning Enkelt U-rör: Vertikal temperaturprofil i köldbärarfluid (Acuna et al, 2008)
Burgdorf, Schweiz Flerkammarrör
Double U-pipe BHE distanshållare Neckarsulm, Tyskland
Reynold's number Köldbärarflöde och rördiameter 8000 7000 25 mm 32 mm 40 mm 6000 5000 4000 3000 2000 1000 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
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
Mobil utrustning för termisk responstest (TRT) Termisk responstest rekommenderas som standardprocedur vid dimensionering av större anläggningar. Används idag i ett 40-tal länder.
Termisk responstest (TRT)
Avantor-Nydalen, Oslo Universitet Hotell Markenergilager Bostadshus (borrhål) Kontor Lokalyta : 180.000 m 2 Energilager : 90 borrhål, djup 200 m + 70 borrhål, djup 260 m Bergvärme och bergkyla (värmepumpen används som kylmaskin)
Kemicentrum, Lund Arkitekthuset Kemicentrum IKDC Energilager 153 borrhål Energibalans genom att kombinera fastigheter med olika last
Hybrid system - Boreholes with summer recharge from lake Näsby Parks Slott
Näsby Parks Slott Näsby Parks Slott Boreholes Water intake Water outlet Heat load from buildings (18.000 m 2, 3600 MWh) marked in yellow
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
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 040927
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
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 30-40.000 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