Bergvärme rme och bergkyla 18 mars 2004 Stockholm Prof. Bo Nordell Avd. för förnyelsebar energi Luleå tekniska universitet
Bergvärme rme Bergkyla
Hur vanligt är r bergvärme? rme? Det finns ca 800.000 borrhålssystem för f r värme v och kyla i världenv Hälften i USA och hälften h i Europa, varav hälften h i Sverige Det finns alltså 200.000 bergvärmebrunnar rmebrunnar i Sverige ökning ca 30.000/år Ca 10% av all Sveriges energi för f r värme v och kyla kommer från n marken Dessa 10 TWh är r förnyelsebar f energi
Marktemperatur Ostörd marktemperatur nära markytan är lika med årsmedeltemperaturen i luft Luleå Årsmedel i luft = 2,2 o C Årsmedel i grundvatten = 3,5 o C [Snötäcket isolerar från den strängaste kylan annars skulle de vara lika stora] Skåne Ca 10 o C i både mark och luft
Borrhål l i berg för f r kyla och värmev Bergvärme för typiskt småhus Borrdjup: ca 100-150 m Borrhålsdiameter: ca 110 mm Värmefaktor: 3-4 Uttag: 20000-30000 kwh varav ca ¼ är drivenergi till värmepump. Inv. kostnad ca: 100.000 kr Avkastning: 10% Ca 200.000 installationer i Sverige tank för varmvatten värmepump Borrhålsvärmeväxlare golvvärmesystem för lågtemperaturuppvärmning
Bergvärme rme vintertid och bergkyla sommartid 1 värme VP 1/3 (el) 2/3 värme Vinter uppvärmning 1 värme VP 1/3 (el) Sommar kylning 1 1 2/3 markvärme Kylmaskin alternativt direktkylning mot mark
Borrhålsinstallationer Det finns flera typer av borrhålsinstallationer: Borrhål Öppna cirkulationssystem: Rör koncentriska Koncentriskt rör Enkelt u-rör Slutna cirkulationssystem: enkla U-rör dubbla U-rör tripla U-rör
Vanlig brunn Pumpflöde; a/ 0,5 l/s b/ 1,0 l/s Vid vattenuttag sjunker vattennivån n i brunnen och dess närhet n tills dess att tillrinningen blir lika stor som pumpflödet. Om pumpflödet minskar sås stiger vattennivån n i brunnen. vattenflöde a b vattenflöde
Energibrunn T ut -T in = 2-3 o C T in T ut Värmeuttag; a/ 3 kw b/ 6 kw Vid värmeuttag v sjunker temperaturen i brunnen och dess närhet n tills dess att värmeflödet från n omgivande berg blir lika stort som värmeuttaget Om värmeuttaget v minskar så stiger temperaturen i brunnen. värmeflöde a b värmeflöde
Värmeflöde Geotermisk andel av värmeflödet
Långtidsmätning av temperatur längs borrhål 0 Temperature [ C] 4 6 8 10 12 14 16 0 10 10 20 December 1986 (undisturbed profile) 20 30 September 1987 30 Depth [m] 40 50 60 September 1988 September 1989 September 1990 40 50 60 Schweiz 1986-2001 70 70 September 1991 80 September 1996 80 90 September 1997 90 100 September 2001 September 1998 100 110 110 4 6 8 10 12 14 16
Bergvärme rme och bergkyla Teori Bergets förmåga att ta upp eller avge värme beror på: bergets temperatur bergets värmeledande förrmåga Borrhålsvärmeväxlare Aktivt borrhålsdjup Q = 2π λ H(T H ln( ) D o Q stationärt värmeuttag (W) H brunnens djup (m) T b brunnsväggens temperatur ( o C) T o ostörd marktemperatur ( o C) D brunnens diameter (m) λ bergets värmeledningstal (W/mK) T b )
Några berg och jordarters termiska egenskaper Lera (torr) Lera (våt) Gnejs Granit Kvartsit Vatten Is Värmeledningstal (W/m,K) 0,4-0,9 0,9-2,2 1,9-4,0 2,1-4,1 3,6-6,6 0,6 2,2 Värmeledningstal (rekommenderat) 0,4 1,6 2,9 3,4 6,0 0,6 2,2
Termisk responstest TED: Mobil testapparat för mätning av markens värmeledningsförmåga och värmemotstånd i borrhål.
Termisk responstest Heating Data acquisition Borehole Heat Exchanger T1 T2 Thermal response test unit Electric power
Termiskt responstest, typiska mätresultat 26 24 22 Inloppstemperatur Utloppstemperatur 20 Temp 18 16 14 12 10 14 okt 15 okt 16 okt 17 okt 18 okt 19 okt
Nyckeltal för f r bergvärme rme och bergkyla Bergvärme kontinuerligt uttag av bergvärme ca 7 x λ [W/bm] toppeffektuttag ca 25 x λ [W/bm] λ = värmeledningstal i berg, bm=borrhålsmeter Antag: 150 m borrhål, λ = 3,0 W/m,K (granit): kont. värmeeffekt: 7 x 3,0 = 21 W/bm kont. värmeuttag för 150 m borrhål: 21x150 = 3,15 kw toppeffekt vid värmeuttag: 25 x 3 =75 W/bm toppeffekt för 150 m borrhål: 75x 150 = 11,25 kw årligt energiuttag: 8760 x 3,15 = 27600 MWh Bergkyla kontinuerlig kyleffekt: ca 40 W/m (starkt beroende av in/ut-temperatur)