Återladdning av bergvärmekonfiguration

ITN Driftteknik Tekniska högskolan vid Linköpings universitet Återladdning av bergvärmekonfiguration vid samfälligheten Ängsbacken TQxx01 009 Magnus Höglund Martin Olsson Johan Hedbrant handledare och examinator

Sammanfattning Under detta projekt har vi tittat på hur man kan återladda en bergvärmekonfiguration med lågtempererade solfångare. Projektet utfördes åt Newsec Energy i Stockholm vars kund samfälligheten Ängsbacken ville minska andelen tillskottsenergi som utgörs av olja till sin bergvärmeanläggning. En utredning av anläggningen gjordes av Newsec Energy som visade att berget kylts ned och att anläggningens borrhål varit underdimensionerade. Vi fick uppdraget att utveckla en systemlösning med lågtempererade solfångare.

Förord Denna rapport är ett resultat av ett examensarbete omfattande 1 Hp utfört åt Newsec Energy i Stockholm under vårterminen 009. Vi vill tacka Bob Wållberg, Development manager, och Mikael Norberg, Project manager, på Newsec Energy för att ha försett oss med möjligheten att göra detta examensarbete, samt för all hjälp under arbetets gång. Vi vill också tacka Talludden :s ordförande samt ledamot vid Ängsbackens styrelse Tore Olofsson för att ha tagit sig tid och försett oss med nödvändig information under arbetets gång. Bo Nordell, professor vid Luleås Universitet, förtjänar även ett stort tack för att ha försett oss med kurslitteratur vi använt oss av under projektets gång. Vi vill även tacka Rickard Granath, försäljningschef inom miljöteknik på Uponor. Sist men inte minst vill vi tacka vår handledare Johan Hedbrant som vi har växlat idéer med under projektets gång.

Innehållsförteckning 1. Inledning... 1 1.1 Syfte... 1 1. Metod och källor... 1.3 Frågeställning... 1.4 Avgränsningar.... Bakgrundsbeskrivning... 3.1 Ängsbackens bergvärmeanläggning... 4. Generell beskrivning bergvärme... 5..1 Värmepumpen... 6.. Aktivt borrhålsdjup... 7..3 Foderrör... 8..4 Kollektorslang... 8..5 Köldbärare... 8..6 Borrhålsmotstånd... 9..7 Markens förutsättningar... 9..8 Värmeuttaget ur borrhålen... 10..9 Termisk influens... 11..10 Dimensionering av en fastighets effektbehov... 1..11 U-värde... 13..1 DUT0... 13..13 PE-slang... 13..14 Primärkrets... 13..15 Sekundärkrets... 13..16 SP-godkännande... 14 3. Genomförande... 15 3.1 Steg 1 Beräknad energiförbrukning... 16 3.1.1 Fastigheternas dimensioner... 16 3.1. Valda U-värden... 18 3.1.3 Beräkning av transmissionsförlust vid DUT0... 18 3.1.4 Beräkning av ventilationsförlust vid DUT0... 19 3.1.5 Beräkning av Avloppsförlusterna... 1 3.1.6 Total energiförlust vid DUT0... 1 3.1.7 Energiförlust per månad... 3. Steg Förbrukad energi... 3 3.3 Steg 3 Ängsbackens energibehov... 4 3.4 Ängsbackens effektmix... 5 3.5 Ängsbackens borrhålskonfiguration... 6 3.5.1 Markens termiska data... 8 3.6 Metod vid bestämning av tillåtet effektuttag ur marken... 9 3.7 Beräkning av markens temperatursänkning... 3 3.7.1 Beräkning av medeleffektuttaget... 33 3.7. Beräkning av maximalt effektuttag från berget... 33

3.7.3 Beräkning av effektpulsen vid tre månaders drift vid maximal effekt... 33 3.7.4 Beräkning av borrhålsväggens temperatursänkning... 34 3.7.5 Beräkning av köldbärarens framledningstemperatur vid P Max... 35 3.8 Beräkning av tillåtet effektuttag ur berget... 36 3.9 Solfångaren... 40 3.9.1 Funktion... 43 3.9. Driftfall... 44 3.9.3 Cirkulationspump... 45 3.9.4 Optimering av soltakets yta... 45 3.9.5 Placering av soltaket... 46 3.9.6 Flödet i absorbatorrören... 47 3.9.7 Flödet i soltaket... 48 3.9.8 Dimensionering av cirkulationspumparna... 49 4. Resultat... 53 5. Diskussion... 54 6. Rekommendationer... 55 7. Referenser... 56 7.1 Tryckta... 56 7. Otryckta källor... 56 7.3 Mailkontakter... 58 7.4 Muntliga källor... 58 7.5 Bildkällor... 58 8. Bilagor... Bilaga 8.1 Borrplan... Bilaga 8. Flygfoto över Ängsbacken... Bilaga 8.3 Energikalkyl utförd av SF Projektering AB... Bilaga 8.4 Termiskt responstest, Tungelsta skola... Bilaga 8.5 El- och oljeförbrukning... Bilaga 8.6 Placeringsritning... Bilaga 8.7 Testrapport solfångare... Bilaga 8.8 Funktion Talludden... Bilaga 8.9 Borrhålsberäkningar...

1. Inledning Newsec Energy bildades den första juli 008 och tillhör Newsec som är en del av den svenska koncernen Stronghold. Newsec sysslar med allt från fastighetsrådgivning till just energi. Newsec Energy har fokuserat sig på miljö- och energibesparing. De erbjuder energieffektiva bergvärmekonfigurationer s.k. geoenergi, där berget kan användas som energilager för kyla och värme. I och med detta kan de reducera energikostnaderna till 60-80 %, kraftigt minska koldioxidutsläpp och höja fastighetsvärdet.[9],[10] I kontakt med företaget Newsec Energy erbjöds ett examensarbete omfattande ett geoenergiprojekt i Nacka. Projektet innefattar samfälligheten Ängsbacken som består av bostadsrättsföreningarna Talludden 1 och Talludden. Samfälligheten består av nio bostadshus som byggdes mellan 1988 och 1990. När bostadshusen stod klara värmdes de av tio stycken luftvärmepumpar samt en oljepanna. Luftvärmepumparna var i drift fram till 00 då de började haverera en efter en vilket medförde att oljepannan fick köras allt mer. Detta blev kostsamt och samfälligheten började se sig om efter nya mer miljövänliga alternativ till uppvärmning och fann att bergvärme skulle vara en bra lösning. [7] 004 stod den nya bergvärmeanläggningen klar. Den bestod av 8st borrhål samt fem bergvärmepumpar och har varit i drift sedan dess. Fyra år senare kontaktades Newsec Energy då målet var att bli en mer miljövänlig samfällighet genom att minska användningen av olja. Newsec föreslog en lösning där berget återladdades med lågtempererade solfångare. [7] Vid undersökningar gjorda av Newsec Energy upptäcktes det att vattnet i borrhålskonfigurationens övre del hade frusit. Därför sattes lösningen omgående i verket. 1.1 Syfte Examensprojektet syftar till att ta fram en systemlösning med lågtempererade solkollektorer för återladdning av samfälligheten Ängsbackens bergvärmeanläggning. Att optimera solkollektorernas yta i samverkan med borrhålskonfigurationen. Undersöka om det finns SP-godkända solkollektorer som är berättigade till Boverkets installationsstöd. 1

1. Metod och källor Vi har arbetat både praktiskt och teoretiskt med arbetsuppgiften. Teoretiskt har vi räknat på borrhålens tillåtna effektuttag, deras termiska influenser på varandra samt hur mycket energi som måste tillföras vid återladdningen från solfångarna. Då ritningarna inte varit skalenliga och överrensstämt med verkligheten har praktiska mätningar på plats utförts. Se bilaga 8.1. Då bergets tillstånd inte har fastställts pga. något termiskt responstest av marken inte utförts, har antagande samt data hämtats från tester vid närliggande platser. Vid beräkningar av tillåtet energiupptag ur marken har föreskriven metod i läromedlet Solvärme och värmelagring tillämpats. [1] Under arbetes gång har vi pendlat mellan Norrköping och Stockholm för att utföra dessa mätningar samt bokat möte med Newsec Energy och bostadsrättsföreningen Ängsbacken :s ordförande Tore Olofsson. Utöver detta har vi haft kontakt med Bob Wållberg och Mikael Norberg på Newsec Energy samt Rickard Granath på Uponor. 1.3 Frågeställning Vilken energimängd behöver solkollektorerna tillföra borrhålskonfigurationen? 1.4 Avgränsningar Följande avgränsningar har varit nödvändiga att göra under arbetets gång. Hänsyn tas inte till grundvattenströmmar vid beräkningar av tillåtet energiuttag ur marken. Markens nuvarande nedkylning pga. tidigare effektuttag är inte medräknad. Arbetet behandlar inte ekonomiska- och miljömässiga aspekter. Arbetet behandlar inte optimering av hela systemets uppbyggnad och samverkan. Systemkomponenters tekniska uppbyggnad och samverkan beskrivs inte ingående. Energiförbrukning från 00 och 003 är inte medräknad pga. att samfällighetens uppvärmning bestod av okänt antal i drift luftvärmepumpar, vars verkningsgrad är okänd, samt oljepanna. Energiförbrukningen från 004 är heller inte medräkning då uppvärmningen bestod av både bergvärme, luftvärmepumpar samt oljepanna.

. Bakgrundsbeskrivning En bergvärmeanläggning är en uppvärmningskälla för småhus och större fastigheter som kan producera värme och tappvarmvatten. Anläggningen kan även användas som kylanläggning. En bergvärmeanläggning hämtar sin energi från bergrunden och grundvattnet. Detta görs genom att borra hål i marken och låta en vätska cirkulera i borrhålet som upptar värmeenergi. Vätskan passerar sedan en värmepump som utvinner energi ur vätskan genom att tillsätta elenergi till värmepumpen. Tekniken bakom bergvärme är inte ny utan har funnits en längre tid men det är först på senare tid med stigande el- och oljepriser som bergvärme blivit lönsam som energikälla. Tillgången till billig olja och utbyggnaden av kärnkraften under 1970- och 1980-talet är två orsaker till detta.[] I de flesta småhus installerade man tidigare en mindre oljepanna som stod för uppvärmningen. Tillgången till billig kärnkraftsel gjorde det lönsamt att värma hus med direktverkande el. I städerna byggde man stora fjärrvärmenät som eldades med fossila bränslen. [4]. I Stockholm har fjärrvärmetaxorna idag stigit till sådana nivåer att bergvärme blivit lönsamt gentemot fjärrvärme, framför allt om man även har ett kylbehov. []. Generellt har bergvärme höga installationskostnader och låga driftskostnader. Bergvärme är numera klassat som förnyelsebar energikälla. Allmänheten känner idag främst till bergvärme som en uppvärmningskälla till villor och småhus vilket också hittills varit vanligast, men bergvärme kan lika väl användas till större fastigheter vilket också görs. Istället för att, som till villor, enbart borra ett borrhål kopplat till en värmepump kan man borra större borrhålskonfigurationer med flertalet borrhål. Under sommarhalvåret kan man utnyttja markens kyla istället för stora luftkonditioneringsanläggningar och på så sätt göra stora energibesparingar. 3

.1 Ängsbackens bergvärmeanläggning Ängsbackens samfällighet består av nio bostadshus byggt 1988 1990. Det är totalt 156 lägenheter som tillsammans har en total uppvärmd area på ca 14 000m. Inomhustemperaturen i fastigheterna är ca 3 C och 3-glasförnster är installerade. [7] Figur 1. Överskådlig bild över samfälligheten Ängsbacken. (Källa: hitta.se) Ängsbackens bergvärmeanläggning består av fem värmepumpar och en oljepanna. Fyra av värmepumparna är Greenline F-65 som är avsedd för fastigheter och industrier. Dessa kan producera både värme och tappvarmvatten. I två av F-65:orna sitter två s.k. hetgasväxlare installerade mellan kompressorn och kondensorn. Hetgasväxlaren tar ut en liten effekt från köldmediet innan kondensorn som används för att hetta upp varmvattentemperaturen. [1] Den femte och sista värmepumpen är en Greenline G-43 som även den är lämpad för fastigheter och industrier. Denna pump kan, liksom F-65, producera värme och tappvarmvatten men även processvärme. [13] Värmepumparnas värmekälla utgjordes tidigare av 8 borrhål men som nu kompletterats med ytterligare nio borrhål. Oljepannan används som ett energitillskott då värmepumparna inte är dimensionerade för att täcka hela energibehovet. Vid nödfall kan samfällighetens energibehov täckas av enbart oljepannan. För varmvattenförvaring finns fem ackumulatortankar. Fyra av dessa rymmer 1000L och värms av el-patroner på 4,5kW. Den femte och sista rymmer 7500L. Se bilaga 8.6. 4

. Generell beskrivning bergvärme Värmeenergin till en bergvärmeanläggning hämtas från bergrunden och omgivande grundvatten. Ursprungligen kommer energin från solen och jordens inre som har lagrats under miljontals år. I Sverige varierar bergrundens temperatur mellan norr och söder. I Skåne är markens medeltemperatur på 100m djup 10 C och norra Sverige 3 5 C. I södra Sverige och Stockholmsområdet är marktemperaturen ca 8 C. Ostörd marktemperatur nära markytan är lika med luftens årsmedeltemperatur. Man bör lägga till 1,5 C per 100 dagar som marken är snötäckt pga. att snötäcket isolerar markytan. En tumregel för svenskt urberg är att temperaturen nedåt i marken från markytan stiger med 1,3 1,7 C per 100m. Variationer kan förekomma pga. bergets geotermiska värmeflöde, värmeledningsförmåga och grundvattenströmmar. [18]. Temperaturen stiger mest de första metrarna under markytan. Man behöver inte borra särskilt djupt för att nå den ostörda marktemperaturen, t.ex. så är marktemperaturen vid Tungelsta skola i Tungelsta, Stockholm på 5m djup 7 C. Se bilaga 8.4. Det intressanta när man dimensionerar en bergvärmeanläggning är medeltemperatur längs med borrhålet. Värmeenergin från marken hämtas upp genom ett borrhål som kallas energibrunn. I energibrunnen ligger en slang som kallas kollektor. I kollektorn cirkulerar en vätska som kallas köldbärare som transporterar värmeenergin till värmepumpen. Energibrunnen fylls med någon typ av fyllnadsmassa för bättre värmeledning mellan energibrunnen och berget. I Sverige är det brukligt att låta grundvattnet fylla energibrunnen, medan man i t.ex. tyskland fyller energibrunnen med cement. Vatten kan lagra mycket energi och har god värmeledningsförmåga. Grundvattennivån avgör hur stor del av energibrunnen som fylls med grundvatten. Resterande del av energibrunnen som inte fylls med någon fyllnadsmassa är fylld med luft som leder värme dåligt. [19] Figur. Exempel på en energibrunn. 5

..1 Värmepumpen En värmepump fungerar precis som ett vanligt kylskåp fast tvärtom, istället för att ta till vara på kylan tar man till vara på värmen. Värmepumpen används när man vill hämta värmeenergi ur energikällor med lägre temperatur än den man önskar utvinna. [1] Det finns flera användningsområden för värmepumpar, de kan t.ex. hämta sin energi direkt ur luften (luftvärme), ur berg (bergvärme), ur ytjord (ytjordvärme), direkt ur en sjö (sjövärme) eller ur grundvattnet (grundvattenvärme). [1] En värmepump består teoretiskt av fyra grundläggande komponenter, förångare, kompressor, kondensor och en expansionsventil. I praktiken består både förångaren och kondensorn av två plattvärmeväxlare. I värmepumpen cirkulerar ett köldmedium som har den egenskapen att den förångas vid låga temperaturer. I förångaren upptar köldmediet värmeenergi från värmekällan och förångas. Ångan sugs sedan in i kompressorn där den komprimeras så att trycket höjs och temperaturen ökar. Ångan trycks sedan in i kondensorn där den kondenserar och avger värmeenergi till värmeupptagaren. Köldmediet är nu åter i vätskefas och passerar expansionsventilen som sänker trycket och därmed temperaturen hos köldmediet, innan köldmediet åter leds in i förångaren och cykeln upprepas. [1] Figur.3 Värmepump kopplat till en borrhålskonfiguration och husets radiatorkrets. 6

För att kunna överföra energi från en kallare till en varmare kropp måste man tillföra energi. Termodynamikens andra huvudsats enligt Clausius formulering: Värme kan inte av sig självt röra sig från en kallare till en varmare kropp [0] Värmepumpen måste därför tillföras elenergi till kompressorn. Genom att göra det utnyttjar man ett annan fysikalisk princip i allmänna gaslagen, som säger att trycket är temperaturberoende, om trycket i en gas ökar så ökar även temperaturen. Vilket sker i kompressorn och expansionsventilen där trycket regleras. [5] Man mäter effektivitet på en värmepump genom att mäta värmefaktorn. Värmefaktorn är förhållandet mellan den tillförda elenergin och den utvunna värmeenergin. Formeln kan skrivas så här: Q& Φ + W& W& Mark Kompressor Kompressor Q& W& Värme Kompressor Där: Φ Värmefaktor ( COP Coefficient of Q& Mark Tillförd värmeenergi ( Wh) Q& Värme Avgiven värmeenergi ( Wh) W& Tillförd elenergi ( Wh) Kompressor Performance) (Man kan även beräkna värmefaktorn genom att beräkna den momentant upptagna värmeeffekten/levererade värmeeffekten och den tillförda effekten till kompressorn)... Aktivt borrhålsdjup Aktivt borrhålsdjup kallas den del av energibrunnen som man kan hämta energi ur. Man kan därför försumma den del av energibrunnen som inte är fylld med grundvatten. [1] Vid Ängsbacken ligger grundvattennivån på 8m under markytan. Se bilaga 8.1. Vid borrning av en energibrunn bildas borrkax i botten av borrhålet. Borrkax är allt löst material som vid borrning rasar ner i borrhålet. Efter avslutad borrning vattenspolas borrhålet varav det mesta av borrkaxet spolas upp. För att kompensera mot det borrkax som man vid spolning inte får upp, borrar man några meter extra. [19] 7

..3 Foderrör Efter avslutad borrning tätas borrhålet med ett foderrör för att förhindra spridning av föroreningar via borrhålet samt att förhindra det översta jordlagret från att rasa. Vid ett oljeläckage vid markytan kan olja via ett borrhål ledas ned och förorena grundvattnet om inte foderröret är på plats. Foderröret ska drivas ned minst m i berget och minst 6m från markytan. [19]..4 Kollektorslang Kollektorn eller kollektorslangen är en borrhålsvärmeväxlare som transporterar värme från i borrhålet. Kollektorn består oftast av dubbla eller enkla U-rör som förs ner i energibrunnen. På Ängsbacken används enkla U-rör av dimensionen 40/35,4mm. I U- röret passerar köldbäraren ner i borrhålet och hämtar upp värmeenergi. Kollektorn är försedd med en tyngd i botten som gör att den vid installation ska falla ned och under drift ligga kvar. [19]..5 Köldbärare Köldbärare kallas den vätska som cirkulerar i kollektorn och transportar värmen till värmepumpens förångarsida. Det ställs många krav på köldbäraren. De viktigaste egenskaperna är: Fryspunkten måste vara låg så att den inte fryser vilket skulle orsaka svåra skador på systemet. Den får inte orsaka korrosion. Den ska kunna lagra mycket värme (hög specifik värmekapacitet). Värmeledningsförmågan ska vara hög. Viskositeten ska vara låg för bra pumpegenskaper. Vid sjunkande temperatur ökar viskositeten, högre viskositet ger lägre Reynoldstal. Om Reynoldstalet sjunker under 300 övergår strömningen i kollektorslangen från turbulent- till laminärströmning. Laminärströmning försämrar värmeöverföringen. Köldbärarens viskositet får alltså inte öka för mycket vid låga temperaturer. Köldbäraren får inte innehålla miljöfarliga ämnen som riskerar att läcka ut vid ett läckage. [1] Vid Ängsbacken används bioetanol som köldbärare. Bioetanol är ett handelsnamn för en blandning av etanol och vatten. I bioetanolen har man även tillsatt korrosions hämmande ämnen. Blandningsförhållandet för Ängsbackens köldbärare är 9 % etanol och vatten vilket ger en fryspunkt vid -18 C. [3]. En nackdel med bioetanol är att viskositeten ökar vid låga temperaturer. [4] 8

..6 Borrhålsmotstånd När värme ska överföras genom konvektion mellan två olika material måste att värmemotstånd övervinnas. I en energibrunn uppstår ett värmemotstånd mellan borrhålsväggen och grundvattnet, mellan grundvattnet och kollektorslangen samt mellan kollektorslangen och köldbäraren. Det är därför viktigt att kollektorslangen har så lågt värmemotstånd som möjligt för att värmeöverföringen ska bli så effektiv som möjligt. [19]. Erfarenhetsmässigt vet man att borrhålsmotståndet i grundvattenfyllda borrhål ligger mellan 0,1 0,1 (K/(W/m)) för enkla U-rör vid värmeuttag. För värmetillförsel är borrhålsmotståndet 0,07 0,09 (K/(W/m)). Borrhålsmotståndet är även beroende av köldbärarens strömningshastighet i kollektorslangen. Ett lågt köldbärarflöde ger sämre värmeöverföring pga. att en lägre strömningshastighet sänker Reynoldstalet. Sjunker Reynoldstalet under 300 övergår strömningen från turbulent till laminär. [18]..7 Markens förutsättningar Marken kan delas upp två lager, ett jordlager och ett berglager. Jordlagret i Sverige är som regel några meter tjockt innan bergrunden börjar, men det kan variera mellan olika platser. [19]. Jord har ett sämre värmeledningstal än berg, men högre värmelagringsförmåga. Bergrunden i Sverige varierar mellan olika delar av landet men består i huvudsak av bergarterna granit och gnejs. Bergrunden längs borrhålet är inte alltid homogen utan kan bestå av två olika bergarter på olika nivåer längs borrhålet. Halten av kvarts är av stor betydelse då kvarts har ett högt värmeledningstal. Sprickor i berget försämrar bergets värmeledningsförmåga och grundvattenrörelser kan ha påverkan på borrhålstemperaturen. [1]. Det finns många osäkerhetsfaktorer vid beräkningar på borrhålen och i praktiken får man därför göra uppskattningar. Man kan göra ett termiskt responstest av markförhållandena för noggrannare data, men det är kostsamt. [3] Tabell.1 Densitet, värmeledningsförmåga, specifik värmekapacitet och volymetrisk värmekapacitet. [1] ρ (Kg/m 3 ) λ (W/m, K) C p (J/Kg, K) C (kwh/m 3, K) Vatten 1000 0,6 4180 1, Granit 700,9-4, 830 0,6 Gnejs 700,5-4,7 830 0,6 Kvarts 650 5,0-7,0 790 - Som Tabell.1 visar så är inte värmeledningstalet konstant utan varierar i ett större spann. Även om man vet vilken bergart som finns på platsen kan inte dess exakta värmeledningstal bestämmas. 9

Sveriges geologiska undersökning (SGU) utför och samlar data över Sveriges geologiska förhållanden. SGU tillhandahåller kartor som allmänheten kan begära ut mot en avgift. Intill Ängsbacken ligger Skurubron där vägverket har gjort en förstudie som innehåller en geologisk undersökning av området som de tillsammans med Nacka Kommun har publicerat. Genom den geologiska undersökningen kan det antas att bergarten vid Ängsbacken består av gnejs. [1]..8 Värmeuttaget ur borrhålen När värme hämtas upp ur borrhålet sänks successivt markens temperatur. Hur stor temperatursänkningen blir beror på hur mycket energi man hämtar upp ur borrhålet, störst blir sänkningen vid borrhålsväggen. Den omgivande marktemperaturen på större avstånd från borrhålet påverkas enbart av årsmedeleffektuttaget. Vid stora momentana effektuttag under vinterhalvåret sänks temperaturen vid borrhålsväggen temporärt. [1] För att värmepumpens värmefaktor inte ska bli för låg är det viktigt att temperatursänkningen inte blir för stor. Värmepumpens värmefaktor är som bäst när temperaturskillnaden mellan värmekällan och värmeupptagaren är så låg som möjligt. Värmepumparna vid Ängsbacken har en angiven värmefaktor vid 0/50 C 3 (exklusive cirkulationspumpar).[1],[13]. Om köldbärartemperaturen sjunker under 0 C kommer värmefaktorn att försämras och tillslut förmår inte värmepumpen att hämta upp någon energi. Borrhålskonfigurationen måste därför vara rätt dimensionerat i förhållande till värmepumpens storlek. Hur mycket energi som kan hämtas upp beror främst på markens medeltemperatur, berggrundens förutsättningar och markens förmåga att leda samt lagra värme. Borrhålsmotståndet gör också att all värme från borrhålsväggen inte överförs till köldbäraren vilket man måste ta hänsyn till vid dimensioneringen. [1] Figur.4 Brunn. 10

Värmeflödet till en energibrunn kan liknas vid vattenflödet till en vanlig brunn. Om vattennivån i brunnen sänks ökar tillrinningen av vatten till brunnen. På samma sätt ökar energiflöde till energibrunnen om temperaturskillnaden mellan den omgivande ostörda marktemperaturen och borrhålsväggens temperatur ökar. Värmepumpens begränsande värmefaktor kan liknas vid brunnens pump som måste arbeta hårdare ju mer vattennivån i brunnen sänks. Tillsist förmår inte pumpen att pumpa upp något vatten. [17] I en energibrunn strävar man efter att uppnå jämvikt så att man sänker temperaturen till en vis nivå och tar upp det tillströmmande värmeflödet. Nivån måste ballanseras så att värmeflödet blir stort nog utan att värmefaktorn försämras för mycket. [17]..9 Termisk influens Större bergvärmeanläggningar består av flera borrhål placerade bredvid varandra. Dessa borrhål kommer att påverka varandra termiskt och leverera en lägre värmeeffekt än ett oberoende borrhål då flertalet borrhål kyler varandra. För ett oberoende borrhål sker en insvängning till stationära förhållanden, vilket betyder att temperatursänkning är som störst de första åren. Temperatursänkningen planar sedan ut och avtar. För flera närliggande borrhål fortgår temperatursänkningen till stationära förhållanden under betydligt längre tid. Hur lång tid det tar varierar mellan olika borrhålskonfigurationer, men det är inte ovanligt att tar så lång tid som 5år innan temperatursänkningen planar ut. Vid dimensionering av en större en bergvärmeanläggning måste man ta hänsyn till den långsiktiga nedkylningen av marken. För större bergvärmeanläggningar är den långsiktiga nedkylningen av marken helt avgörande för anläggningens livslängd. [1] 11

..10 Dimensionering av en fastighets effektbehov En bergvärmeanläggning dimensioneras inte för att täcka en fastighets hela effektbehov. Genom att täcka halva effektbehovet täcks 70 90 % av energibehovet under året. De få kalla dagar på året som kräver högre effekt täcks istället av tillskottsenergi t.ex. olja pellets eller fjärrvärme. Detta beror på att det inte är lönsamt att dimensionera bergvärmeanläggningen efter hela effektbehovet. Om värmepumpen dimensioneras att täcka hela energibehovet kommer den inte att arbeta optimalt under större delen av året. [1]. Idag är det flesta värmepumparna på marknaden konstruerade för ett driftläge, av/på. Det gör att värmepumpen kommer att få onödigt många stopp och starter vid full dimensionering, vilket leder till ökat slitage. [] Figur 5. Dimensioneringsexempel av en bergvärmeanläggning, effekt som en funktion av tiden. Årets effekttoppar har placerats i storleksordning från vänster till höger. 1

..11 U-värde U-värdet anger energieffektiviteten hos byggnader och dess material, så som dörrar, fönster, väggar och tak. U-värdet fastställer hur väl ett föremål förhindrar att värme släpps ut ur en byggnad eller dess komponenter och för att minimera förlusterna vill man ha ett så lågt U-värde som möjligt. Desto lägre U-värde, ju större är isoleringsförmågan hos materialet. Detta beräknas i Btu per timme, per kvadratmeter, per grad Kelvin, genom materialet. Enheten för U-värdet är W/m,K. [11]..1 DUT0 DUT0 är en standard som är en förkortning för dimensionerade utetemperatur. När man dimensionerar efter denna standard räknar man på den lägsta temperaturen som inträffar under tre dagar, en gång vart 0 år. Idag används standarden DVUT, dimensionerande vinterutetemperatur. I Nacka är den extrema utetemperaturen -18 C vid DUT0. []..13 PE-slang PE-slang är slang av etenplast. Materialet PE är känsligt för UV-strålning och kompenseras därför med kol vid tillverkningen. Materialet är relativt mjukt och används för tappvarmvatteninstallationer. [4]..14 Primärkrets Primärkrets innefattar de system som finns utanför byggnaden. Det gäller borrhåls- samt solfångarkretsen. I detta system cirkulerar köldbärarvätskan. []..15 Sekundärkrets Sekundärkretsen i detta sammanhang är kretsen inne i fastigheterna, så som radiatorsystemet och vattenledningarna. I detta system cirkulerar värmebärarvätskan som består av vatten. [] 13

..16 SP-godkännande Solkollektorer som är godkända från Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut får en s.k. P-märkning som innebär att produkten uppfyller dess angivna krav gällande dess funktion. Solfångarna testas på ett opartiskt test och övervakas genom stickprov. P- märkning ligger om grund för Boverkets installationsstöd. [16] 14

3. Genomförande För att bestämma vilken energimängd solkollektorerna behöver tillföra marken för att långsiktigt trygga driften behöver bergvärmepumparnas årsenergiuttag ur marken bestämmas. Ett enkelt sätt att ta reda på detta är att föra protokoll över köldbärarflödet och temperaturskillnaden mellan fram- och returledningen till värmepumpen. Inga sådana mätningar fanns tillgängliga. Förbrukningen av el och olja är däremot känd. Se bilaga 8.5. För att ta reda på hur stor del av det totala energitillskottet som utgjordes av energi från värmepumpen måste de olika energikällorna separeras. Det kompliceras av att elmätaren inte enbart mäter värmepumparnas energiförbrukning utan hela pannrummets energiförbrukning samt biutrymmen. I pannrummet finns även slingtankar för slutvärmning av tappvarmvattnet som förutom värmepumparna förbrukar betydande mängder elenergi. En del i arbetet blev därför att fastställa Ängsbackens energiförbrukning. Samfällighetens ungefärliga energiförbrukning bestämdes därför med tre olika metoder i tre steg: I steg 1 beräknades hur mycket energi fastigheterna borde förbruka genom att beräkna fastigheternas energiförluster som energibehovet utgörs av. Med detta menas fastigheternas transmissionsförluster, ventilationsförluster och avloppsförluster. Med hjälp av månadsmedeltemperaturen kunde energiförbrukningen beräknas månadsvis. Sedan beräknades hur mycket av månadsenergiförbrukningen som värmepumpen klarade av att täcka och utifrån det kunde energiupptaget ur marken beräknas. I steg fastställdes energiupptaget till värmepumpen genom att studera protokoll över förbrukad el- och olja. I steg 3 jämfördes resultaten i steg 1 och med två tidigare undersökningar av energiförbrukningen utförda SF Projektering. Se bilaga 8.3. Genom denna metod kunde årsenergiupptaget ur marken bestämmas. Sedan bestämdes hur mycket energi som kunde hämtas upp ur marken utan att nedkylning blev för stor. Solfångaren dimensionerades efter tillåtet effektuttag ur marken. 15

3.1 Steg 1 Beräknad energiförbrukning Bostädernas energieffektivitet beräknades genom att fastsälla deras totala storlek, volym, uppvärmda area samt antal. I vetskap av byggnadernas totala uppvärmda area och dess antal gjordes ett generellt antagande om hur ett s.k. medelhus kunde se ut. Genom att ha uppmätt husens längd och bredd på ett flygfoto uppskattades nio stycken lika stora fastigheter. Se bilaga 8.. 3.1.1 Fastigheternas dimensioner Byggnadernas mått uppskattades vara: 15m bred, 6m lång och 10m hög. De innefattar fyra våningsplan vilket gav en takhöjd på,5m per våning. De nio medelhusens totala area är 14 040m samt har volymen 35 100m 3. Inomhustemperaturen vid är 3 C där gratisvärmen antas utgöra 5 C, värmesystemet behöver då tillföra värme upp till 18 C. (Gratisvärme är värme som inte tillförs huset via husets egna värmesystem t.ex. hushållsmaskiner, hemelektronik samt kroppsvärme). Beräkning av väggyta Figur 6, fastigheternas storlek. Transmissionsförluster uppstår endast mellan två ytor av olika temperatur, därför beräknas transmissionsförlusterna endast för husets ytterväggar. Detta antagande ger oss ekvationen för ett rätblocks yttermått: A ( b h 3 ) + ( l h 3 ) Där: h b l Höjd per våningplan (m) Bredd (m) Längd (m) Figur 7, Fastighetens väggyta i rött. 16

A Vägg ( 15,5 4 ) + (6,5 4 ) 80m Där: h, 5m b 15m l 6m 15 % av väggytan antas utgöras av fönster som har ett annat U-värden än väggytan och beräknas därför separat. Antalet fastigheter multipliceras även in i undre ekvationen. A Där: 9 A Vägg X X Pr ocentuell yta (%) F Area 9 80 0,15 1107m V Area 9 80 0,85 67m Där: X Fönster X Vägg 15% 85% Beräkning av takyta Takytan beräknas med formeln för en rektangels area. Takisoleringen är generellt bättre än för väggar. A b l Där: b l Bredd (m) Längd (m) Figur 8. Fastighetens takyta i rött. 17

Vid beräkning av total takyta multipliceras även antalet fastigheter in i formeln: T Area 9 15 6 3510m Där: b 15m l 6m 3.1. Valda U-värden Eftersom ingen information om byggnadsmaterial framkommit så hämtades information från en allomfattande lista. I tabellen kan U-värdet för fönster, tak respektive väggar avläsas. Vägg: 0,33 W/m K Tak: 0,17 W/m K Fönster (3-glas): 1,3 W/m K [7] 3.1.3 Beräkning av transmissionsförlust vid DUT0 Förlusten genom fönster, väggar och tak beräknas vid den extrema utetemperaturen - 18 C. Ekvationen för att beräkna transmissionsförlusterna ser ut följande: P Trans U A ( TInne TUte) Där: U U vär det (W/m K) A Arean ( m ) T Temperaturen ( C) 18

P Trans ( 1,3 1107 + 0,33 67 + 0,17 3510) (18 ( 18)) 147800, 16W Där: Fönster (3-glas): 1,3 W/m K F Area 1107m Vägg: 0,33 W/m K V Area 67m Tak: 0,17 W/m K T Area 3510m T Inne 18 C T Ute 18 C [7] 3.1.4 Beräkning av ventilationsförlust vid DUT0 Vid beräkning av ventilationsförluster brukar man anta att bostadshusen omsätter inneluften 0,5ggr/timmen. Ventilationsförlusterna kan beräknas med formeln: P Vent m& Cp ( TInne TUte ) Där: m & Massflödet ( kg / s) Cp Specifik värmekapacitet ( kj / kg, K) T Temperaturen ( C) [5] 19

För att beräkna massflödet av ventilationsluften används denna formel: V 0,5 m& ρ t Där: 3 ρ Densitet ( kg / m ) V 3 Bostädernas totala volym av uppvärmda ytor ( m ) t Tid (s) Beräkning av massflödet 1,93 35100 0,5 m & 6,303375kg / s 60 Där: V 35 100m t 60 s ρ 1,93kg / m Luft 3 Följande ger: P Vent 6,303375 1010 (18 ( 18)) 9190, 715W Där: m & 6,303375kg / s Cp Luft 1,01kJ / kg, K T Temperaturen ( C) [6] 0

3.1.5 Beräkning av Avloppsförlusterna Avloppsförlusten beräknades med denna formel. Q VV 5,0 lg h + 0, 05 A Där: lg h Antalet lägenheter ( st) A Total uppvärmd gol var ea ( m ) Q VV 5,0 156 + 0,05 14040 148kWh / dygn För att omvandla avloppsförlusten från kwh till W kan följande formel användas: QVV 148000 PVV 61750W t 4 Där: t Tid (h) [8] 3.1.6 Total energiförlust vid DUT0 Här adderas de tre förlusterna med varandra för att räkna ut den totala förlusten. P P + P + P tot Trans Vent VV P Tot 147800,16 + 9190,715 + 61750 438740, 875W 10 % multipliceras med den totala förlusten som kompensation för överföringsförluster av värme, kylning mot mark samt husets försämrade isoleringsförmåga över tid, som inte varit medräknade. P tot + 10 % 438740,875 1,1 48614, 965W 1

3.1.7 Energiförlust per månad För att räkna ut förlusterna per månad behövs medeltemperaturen för månaderna. Dessa data är hämtade från Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut (SMHI). Mätningarna kommer ifrån Gustavsberg som är belägget ca en mil ifrån Ängåsbacken. Tabell. Erfordrat effektbehov per månad och temperatur. [14],[15] Månad, Temp[ C] Januari, 3,0 C Februari, 3,3 C Mars, 0,5 C April, 4,0 C Maj, 9,8 C Juni, 14,8 C Juli, 16,6 C Augusti, 15,6 C September, 11,4 C Oktober, 7, C November,,4 C December, 1, C Medelmånad, 6,1 C P Trans [W] P Vent [W] P VV [W] P Tot [W] P Tot + 10 % [W] 8617 133698 61750 81664 309831 87448 135605 61750 84803 31383 75953 117779 61750 55481 81030 57478 89130 61750 08358 9193 33666 505 61750 14760 1638 - - 61750 61750 6795 - - 61750 61750 6795 - - 61750 61750 6795 7097 4018 61750 130865 14395 44340 68757 61750 174847 1933 64047 99316 61750 5113 4764 7887 135 61750 681 89093 4656 7179 61750 179734 197708 Fastigheternas årliga energibehov blir enligt uträkningarna ca,4mw och nedan görs en omräkning för att omvandla det till MWh. Q& PTot medel *8760 197708 8760 1731,9098MWh / år 1000000 1000000 Fastigheterna borde enligt beräkningar årligen förbruka ca 173MWh, ca 13kWh/m.

Figur.9 Ängsbackens beräknade effektbehov månadsvis där Q 0 är medeleffektuttaget. 3. Steg Förbrukad energi Medelförbrukningen av el 005 008 är 671MWh/år, varav 9 MWh/år antas förbrukas av slingtankarna som slutvärmer tappvarmvattnet. Se bilaga 8.5. Värmepumpen värmefaktor, COP, antas till 3. Värmepumpens värmeproduktion blir då ( 671 9 ) 3 1737MWh/år. 3 Under 005-008 förbrukades 9m olja, oljepannans verkningsgrad antas vara 80 % och en 1m olja innehåller 10MWh. Under ett år levererar oljepannan i genomsnitt 58MWh. Totalförbrukning blir då 1737 + 9 + 58 1887MWh/år 3

3.3 Steg 3 Ängsbackens energibehov SF Projektledning har kommit fram till att fastigheternas totala energibehov är 180MWh/år när beräkningar efter egen kalkyl använts. Vid beräkning av Fortums kalkyl beräknas fastigheternas totala energibehov till omkring 046MWh/år. Se bilaga 8.3. Jämför man dessa två värden med det beräknade värdet av Ängsbackens energiförbrukning på 173MWh/år, är detta värde aningen för lågt. Se kapitel 3.1.7. Därför gjordes valet att använda Ängsbackens egna protokoll över energiförbrukningen med den beräknade årsmedelförbrukningen 1887MWh/år, ca 135kWh/m, åren 005-008. Se kapitel 3.. Utifrån Tabell.3 har värmepumpens effektförbrukning bestämts. Tabell.3 Visar Ängsbackens energiförbrukning månadsvis, där energiförbrukningen fördelats månadsvis utifrån månadsmedeltemperaturerna under året med beräkningarna i Tabell. som underlag. Månad Procentuell månadsförbrukning [%] Energiförbrukning [MWh] Total effektförbrukning [kw] Värmepumpens effekt [kw] Januari 13,1 47, 338,6 9, Februari 13, 49 341,1 9, Mars 11,8,7 305,1 9, April 9,7 183 50,7 50,7 Maj 6,8 18,3 175,8 175,8 Juni,9 54,7 74,9 74,9 Juli,9 54,7 74,9 74,9 Augusti,9 54,7 74,9 74,9 September 6,1 115,1 157,7 157,7 Oktober 8,1 15,8 09,3 09,3 November 10,4 196, 68,8 68,8 December 1, 30, 315,3 9, Totalt 100 1888,6 587,1 455,8 Medelmånad 8,34 157,4 15,6 04,7 4

3.4 Ängsbackens effektmix En effektfördelning mellan värmepumparna och oljepannan gjordes månadsvis och kommer att ligga till grund för beräkningar av årets maximala effektuttag ur marken. Bergvärmepumparna vid Ängsbacken är fyra stycken Greenline F65 och en Greenline G43 från IVT. Tappvarmvattnet värms till en temperatur på 55 C. Ur IVT:s egna handledningsdokumentation berörande pumparna ges följande information: Avgiven värmeeffekt för F65 0/50 C - 6,3kW Avgiven värmeeffekt för G43 0/50 C - 43,0kW Totalt avgiven effekt för pumparna vid 0/50 C Effektuppgifterna är enligt EN55 (Exklusive cirkulationspumpar) 4 6,3 1 43,0 49,kW 43,0kW 9,kW [1],[13] Effekten är i vårt fall sämre då pumparna körs 0/55 C men eftersom effekten vid denna drift saknas används data vid driften 0/50 C som är 9,kW. Se bilaga 8.8. Cirkulationspumparna effektbehov försummas. Figur.10 Ängsbackens effektbehov månadsvis där Q 0 är medeleffektuttaget under året. Slingtankarnas energiförbrukning ingår men är inte utsatt i tabellen. 5

3.5 Ängsbackens borrhålskonfiguration Flera närliggande energibrunnar påverkar varandra termiskt. Den termiska influensen mellan energibrunnar beskrivs matematiskt med en g-funktion. En g-funktion gäller för en förutbestämd borrhålsplacering i en borrhålskonfiguration. Se Figur.16. De g- funktioner som fanns tillgängliga i kurskompendiet Solvärme och Värmelagring som legat till grund för beräkningarna, innehåller främst g-funktioner i symetriska konstellationer. Ingen av dessa överensstämmer med Ängsbackens borrhålskonfiguration där flesta borrhålen är borrade i formationer om tre borrhål som borrats i vinkel. Utifrån borrplanen och mätningar på plats har därför en 3D-ritning tagits fram över Ängsbackens borrhålskonfiguration. Se bilaga 8.1. Borrhålskonfigurationen har delats in i sektorer och i varje sektor har borrhålen placerats om för att överrensstämma med en känd G-funktion. Se Figur.13 och 17. Vid framtagandet av 3D-ritningen har följande godtyckliga antaganden och förenklingar varit nödvändiga att göra: Ingen hänsyn har tagits till termisk influens mellan de olika sektionerna. Avstånden mellan borrhålen är uppmätta på medeldjupet för samtliga borrhål. Borrhålen antas i verkligheten vara placerade precis enligt borrhålsplanen. Borrhål borrade i vinkel antas inte vika av pga. gravitationskraften eller påverkas av corioliseffekten. [] Figur.11 Borrhåll borrade i vinkel förenklas och antas som räta borrhål placerade på medeldjupet. 6

Figur.1 3D-vy av Ängsbackens borrhålskonfiguration. Figur.13 Ängsbackens borrhålskonfiguration sedd från ovan vid medeldjupet, indelad i olika sektioner. Den nya borrhålsplaceringen är utmärkt med gult, borrhålen har fått en ny godtycklig vertikal placering vid medeldjupet. 7

Figur 14. Bilden visar ny antagen borrhålsplacering med avseende på medeldjupet efter Figur.13 roterad 180. (Källa: hitta.se) 3.5.1 Markens termiska data Då inget termiskt responstest är gjort vid Ängsbacken har data om markens termiska egenskaper därför hämtats från två termiska responstest ifrån närliggande områden i Stockholm. Ett från Tungelsta skola, Tungelsta och ett från kv. Julgröten, Älvsjö. Bilaga 8.4, [18]. Data har även hämtats ifrån kurskompendiet Solvärme och Värmelagring.[1]. Bergarten kunde bestämmas genom att ta del av geologiska undersökningar i vägverkets rapport av den intilliggande Skurubron. [1]. Bergarten bestämdes till gnejs. Den ostörda marktemperaturen varierar med djupet och ett medelvärde måste därför uppskattas längs borrhålsdjupet. Vid Tungelsta skola uppskattas marktemperaturen till 9 C och i Kv. Julgröten anges markens begynnelsetemperatur till 9,17 C. Den ostörda marktemperaturen vid Ängsbacken uppskattas till 9 C. Grundvattennivån finns angiven på borrplanen och ligger på 8 meters djup. Se bilaga 8.1. Grundvattenflödet kan även inverka med både kylande och värmande effekt, varför detta inte medräknas. Foderrören är 6meter och borrhålsdiamtern är 17mm.[3] Det aktiva borrhålsdjupet antogs genom att räkna bort 8m från angivet borrhålsdjup på borrplanen pga. grundvattennivån. Se bilaga 8.1. 8

Markens värmeledningstal är hämtat ur det termiska responstestet vid Kv. Julgröten där medelvärdet för Stockholm anges till 3,44W/m, K. Värmemotståndet i borrhålen är också hämtat ifrån denna rapport och anges för värmeuttag till 0,08K/(W/m), med dubbla U- rör samt ofruset grundvatten. Värmekapacitet och densiteten för gnejs är hämtat från kurskompendiet Solvärme och Värmelagring. 3.6 Metod vid bestämning av tillåtet effektuttag ur marken För att inte värmepumpens verkningsgrad ska försämras bör man inte hämta upp för mycket värmeenergi ur energibrunnarna så att temperaturen i energibrunnen blir för låg. Köldbärarens framledningstemperatur bör inte understiga 0 C och borrhålsväggens temperatur bör inte understiga 0 C, vilket orsakar frysning av borrhålet. Temperaturen vid borrhålsväggen bör alltså vara högre än 0 C för att inte köldbärartemperaturen ska riskera att understiga 0 C pga. värmeledningsmotståndet i borrhålet som försämrar värmeöverföringen. Följande beräkningar baseras på superposition genom superponering av det årliga effektuttaget kan medeleffektuttaget beräknas. För Superpositionstekniken gäller två viktiga begränsningar, metoden gäller inte vid frysning av borrhålet pga. att man måste ta hänsyn till fasomvandlingen eller för strömmande grundvatten. Figur.15 Exempel på en superpositionslösning. Markens nedkylning kan delas upp i två delkomponenter, en stationär del som beror på årsmedeleffektuttaget och en periodisk variation under årscykeln som beror av effekttopparna. (Det sker även en insvängning till stationära förhållanden). Den termiska influensen mellan energibrunnarna beror enbart på medeleffektuttaget under året. Formlerna är utformade så att dem beräknar medeltemperaturen vid borrhålsväggen. Effekttopparna ger upphov till en temporär nedkylning av borrhålsväggen. [1] 9

Temperaturen i borrhålsväggen beskrivs av formeln: T ( t) T ( t) T ( t) RTOT R + Där: Rq T RTOT Den totala brunnstemperaturen vid tiden t T R Temperatursänkningen i borrhålsväggen pga. medeleffektuttaget T Rq Temperatursänkningen i borrhålsväggen pga. effekttoppar [1] Den stationära temperatursänkning ges av ekvationen: q TR ( t) Tom * g πλ Där: T om Ostördomgivningstemperatur ( C) g G funktion λ Värmeledningstalet ( W / m, K) q Effektuttaget ( W / m) G-funktionen avläses ur ett diagram: Figur.16 Exempel på en g-funktion. 30

Där: B Borrhålsavstånd ( m) H Aktivt borrhålsdjup ( m) t Tiden ( s) ts Bryttiden ( s) R o Borrhålsradien (m) c Värmekapacitet ( J / m 3, K) H t s 9a a Temperaturledningstalet λ c [1] Temperatursänkningen pga. Effektpulser beräknades med ekvationen: T Rq q 4at n ( t) ln( 4πλ R0 qi qi 4πλ R0 q0 0; γ 0,577; tq, n 1 + 5* < t < t q där t är en godtycklig referenstid p p ) γ n i 1 1 q, n t t *ln t q, i 1 p Ekvationen beskriver ett förlopp med flera effektpulser i följd. [1] Värmemotståndet i borrhålet: Köldbärarens framledningstemperatur kan beräknas med formeln: T T framledning returledning T T R R m m R R Q Q + H C * V Q Q H C * V Där: m R Värmemotstånd ( K /( W / m)) Q Effektuttaget ( W ) C Värmekapacitet hos köldbäraren ( J / m 3 V Volymflöde ( m / s) 3, K) [1] 31

Köldbäraren Köldbäraren består av bioetanol. Densitet och värmekapacitet har beräknats nedan med värden hämtade ur formelsamling. Tabell.4 Etanol och vattens densitet och specifika värmekapacitet. [6] Densitet (Kg/m 3 ) Specifik värmekapacitet (kj/kg, K) Etanol (9 %) 789,43 Vatten (71 %) 998 4,18 ρ Köldbärare 789 0,9 + 998 0,71 937,39 940kg / m 3 Cp Köldbärare,43 0,9 + 4,18 0,71 3,675 3,7kJ / kg, K 3.7 Beräkning av markens temperatursänkning Vid dimensionering av ett bergvärmesystem är det den lägsta borrhålstemperaturen under året som är av betydelse. Den uppstår vid höga effektuttag under lång tid. Beräkningar av Ängsbackens energiförbrukning visar att anläggningen kommer att köras på full effekt från december mars. De beräkningarna är baserade på månadsmedeltemperaturen under året. Se Figur.10. I praktiken kommer inte anläggning köras utan avbrott vid maximal effekt pga. temperaturvariationer under månaden och under dygnet. Den största sänkningen av temperaturen vid ökat effektuttag sker den första tiden. Temperatursänkningen fortgår visserligen, men i mindre omfattning. Den maximala temperatursänkningen av marken beräknas utifrån två månaders drift vid maximalt effektuttag utan avbrott. Detta är ett antagande som har gjorts. 3

3.7.1 Beräkning av medeleffektuttaget w q q kondensor Kompressor q Φ 04,7kW 68, kw 3 w 04,7kW 68,kW 136, kw medel berg kondensor Kompressor 5 Där: q q w berg kondensor Tillförd värmeeffekt ( kw ) Kompressor Uttagen värmeeffekt ( kw ) Kompressoreffekten ( kw ) Φ Värmefakto rn 3 [1] 3.7. Beräkning av maximalt effektuttag från berget w q q 9,kW 3 kondensor Kompressor 97, 4 Φ berg q kondensor w Kompressor 9,kW 97,4kW 194, 8kW kw max 3.7.3 Beräkning av effektpulsen vid tre månaders drift vid maximal effekt qeffektpuls q berg qmedel berg 194,8kW 136,5kW 58, 3kW max Effektpulsen, q effektpuls angivet i W/m och blir då: q effektpuls 58300W 8,6W / m H 6784m 33

34 3.7.4 Beräkning av borrhålsväggens temperatursänkning p p Rq t t q Y R t a q t T ln * 4 * 4 ln ) ( 0 πλ πλ Där: 6 3 1,535*10 41000 3,44 ) (, / 41000 ) (, / 3,44 556000 ) ( 68000 ) (1 c a gnejs K m J c gnejs K m W s månader t s månad t p λ λ R 0635m 0, 0 C Y mån T Rq 1,81 68000 556000 * ln *3,44 8,6 *3,44 4 0,0635 * 68000 4 *1,535*10 ln 8,6 ) ( 6 π π Där: [1] C mån T C mån T C mån T C mån T Rg Rg Rg Rg,09 ) (4 1,97 ) (3 1,81 ) ( 1,53 ) (1

3.7.5 Beräkning av köldbärarens framledningstemperatur vid P Max Köldbärarens framledningstemperatur är avgörande för värmepumpens verkningsgrad. Vid bestämning av det tillåtna effektuttaget från marken är det den lägsta köldbärartemperaturen som är av betydelse. Låga köldbärartemperaturen vid stora effektuttag kan accepteras under kortare perioder, men beräkningar visar att värmepumparna kommer att arbeta vid maximal effekt stora delar av året. Därför beräknas köldbärartemperaturen vid maximal effekt. T framledning Där: T R m R Q H Q + C * V 3 Q Max effektuttag 194,8*10 W m Värmemotstånd 0,10K /( W / m) R C Värmekapacitet hos köldbäraren 3478*10 3 V Volymflöde 0,0164m / s 3 3 J / m, K Genom att sätta T R till 0 kan temperaturskillnaden mellan borrhålsväggen och köldbäraren beräknas. T 194,8*10 6710 194,8*10 *3478*10 *0,0164 3 3 framlednin g 0 0,10 + 1, 18 3 C [1] Returledningens temperaturskillnad kan beräknas på liknande sätt: T 3 3 194,8*10 194,8*10 0 0,10 4, 63 C 3 6710 *3478*10 *0,0164 returledni ng Temperaturskillnad över köldbäraren vid maximalt effektuttag: ΔT T T 1,18 4,63 3, 45 C framlednin g Re turledning 35

3.8 Beräkning av tillåtet effektuttag ur berget Effektpulsen T Rq (t) orsakar en sänkning av borrhålsväggens temperatur på 1,83 C vid maximalt effektuttag och temperaturskillnaden mellan köldbäraren och borrhålsväggen är 1,18 C, orsakat av värmemotståndet. För att inte köldbärarens framledningstemperatur ska understiga 0 C bör då borrhålsväggens årsmedeltemperatur T R (t) vara: T ( t) T ( t) + T 1,81+ ( 1,18),99 3 C R Rq framledning Årsmedeltemperaturen bör inte sänkas lägre än 3,0 C. Beräkningarna för Ängsbackens borrhålskonfiguration utfördes separat för varje sektor enligt borrhålskartan nedan, Se Figur.13 och 17. Beräkningen syftar till att besvarar hur mycket effekt som kan hämtas upp ur borrhålskonfigurationen utan att köldbärartemperaturen sjunker under 0 C. En beräkning görs för 10- respektive 5års planerad drift, för att åskådliggöra temperatursänkningen till följd av insvängning till stationära förhållanden. [1]. Nedan presenteras resultaten av borrhållsberäkning. För fullständiga beräkningar se bilaga 8.9. Figur.17 Karta över Ängsbackens borrhålskonfiguration indelad i olika sektorer. 36

Sektor 1 Antal borrhål: Aktivt borrhålsdjup: Totalt aktivt borrhålsdjup 4st 187m/borrhål i genomsnitt 748m Tillåtet effektuttag vid 10års drift, 17,1W/m Tillåtet effektuttag vid 5års drift, 14,7W/m Sektor Antal borrhål: Aktivt borrhålsdjup: Totalt aktivt borrhålsdjup 16st 166m/borrhål i genomsnitt 66m Tillåtet effektuttag vid 10års drift, 8,0W/m Tillåtet effektuttag vid 5års drift, 6,4W/m Sektor 3 Antal borrhål: Aktivt borrhålsdjup: Totalt aktivt borrhålsdjup 3st 0m/borrhål i genomsnitt 606m Tillåtet effektuttag vid 10års drift, 18,0W/m Tillåtet effektuttag vid 5års drift, 15,8W/m Sektor 4 Antal borrhål: Aktivt borrhålsdjup: Totalt aktivt borrhålsdjup 3st 0m/borrhål i genomsnitt 606m Tillåtet effektuttag vid 10års drift, 18,3W/m Tillåtet effektuttag vid 5års drift, 16,4W/m 37

Sektor 5 Antal borrhål: Aktivt borrhålsdjup: Totalt aktivt borrhålsdjup 3st 0m/borrhål i genomsnitt 606m Tillåtet effektuttag vid 10års drift, 18,0W/m Tillåtet effektuttag vid 5års drift, 15,8W/m Sektor 6 Antal borrhål: Aktivt borrhålsdjup: Totalt aktivt borrhålsdjup 3st 0m/borrhål i genomsnitt 606m Tillåtet effektuttag vid 10års drift, 15,4W/m Tillåtet effektuttag vid 5års drift, 13,8W/m Sektor 7 Antal borrhål: Aktivt borrhålsdjup: Totalt aktivt borrhålsdjup 4st 187m/borrhål i genomsnitt 748m Tillåtet effektuttag vid 10års drift, 16,8W/m Tillåtet effektuttag vid 5års drift, 14,6W/m Sektor 8 Antal borrhål: Aktivt borrhålsdjup: Totalt aktivt borrhålsdjup 1st 0m/borrhål i genomsnitt 0m Tillåtet effektuttag vid 10års drift, 0,7W/m Tillåtet effektuttag vid 5års drift, 19,3W/m 38

Sammanställning av tillåtet effektuttag Sammanställning av resultatberäkningar sektor 1-8. Sektor Tabell.5 Resultatet av sektorberäkningar visar tillåtet effektupptag ur marken. W/m efter 10 år 10 år [W] W/m efter 5 år 5 år [W] Aktivt borrhålsdjup 1 17,1 1 791 14,7 10 996 748 8 1 96 6,4 17 037 66 3 18 10 908 15,8 9 575 606 4 18,3 11 090 16,4 9 938 606 5 18 10 908 15,8 9 575 606 6 15,4 9 33 13,8 8 363 606 7 16,8 1 566 14,6 10 91 748 8 0,7 4 181 19,3 3899 0 Totalt - 93 07-80 304 6784 Medeleffekt/meter [W/m] P 9307 80304 13,7W / m Pmedel 5 år 11,8W / m 6784 6784 medel 10 år 39