1 (44) Handläggare Jörgen Eriksson el 010-505 3388 Fax 010-505 3416 jorgen.eriksson@afconsult.com Datum 2010-06-30 Version 1 ÅFORSK Ångpanneföreningens Forskningsstiftelse Systemmodell för dimensionering och optimering av energicentral med borrhålslager ÅF Infrastruktur AB / Installationsteknik Jörgen Eriksson
2 (44) Innehåll 1 INLEDNING 6 1.1 Bakgrund 6 1.2 Systemsimulering 6 1.3 Borrhålslager 6 1.4 Solfångare 7 1.5 Syfte 8 2 ENERGICENRALER 9 2.1 Allmän grundmodell 9 2.2 Borrhålslager med återladdning via pool-solfångare 10 2.3 Borrhålslager med återladdning via kylmedelkylare 12 3 SYSEMSIMULERING 14 3.1 Fallstudie med Stort borrhålslager 15 3.2 Effektprofiler 15 3.2.1 Lika kyl och värmebehov 15 3.2.2 Stor skillnad mellan kyl och värmebehov 16 3.3 Sammanställning av energianvändning 17 3.4 Sammanställning av temperaturer i lager efter 1 och 6år 18 3.4.1 Återladdning med pool-solfångare 22 3.4.2 Återladdning med kylmedelkylare 23 3.4.3 Energijämförelse 24 3.5 Lagrets inverkan på simuleringstiden 24 3.6 Slutsatser 26 4 HUVUDKOMPONENER 28 4.1 Borrhålslager 28 4.1.1 GHXSned 28 4.1.2 Enkel lagermodell 30 4.2 Kylmaskin/Värmepump 32 4.3 Solfångare 34 5 VERIFIERING 36 5.1 Komponentmodeller 36 5.1.1 Detaljerad lagermodell(ghxsned) 36 5.1.2 Enkel lagermodell 39 5.1.3 Solfångare 41 5.2 Systemmodeller 41 6 DISKUSSION 42 6.1 Användaraspekter 42 6.2 Fortsatt arbete 42 7 REFERENSER 43
3 (44) Förord På uppdrag av Åforsk(Ångpanneföreningens forskningsstiftelse) i projekt 06-111, har ÅF genomfört en studie kring energicentraler med borrhål och värmepump. Ett antal personer har bidragit med sin kunskap som varit nödvändig för att få detta arbete genomfört: Gunnar Wernstedt har bidragit med sin erfarenhet kring utformning energicentraler. Jörgen Eriksson Göteborg, juni 2010 Bengt Perers har bidragit med sin solfångarmodell Jan-Erik Nowacki har bidragit med värmepump modellen Göran Hellström har hjälp till med utvärdering av borrhålsmodellerna. Pär Carling som initierade projektet och hjälpte till att få struktur på systemmodellerna i IDA.
4 (44) Sammanfattning Denna rapport beskriver tre simuleringsmodeller av energicentraler med bergvärmepump och borrhålslager anpassade för programmet IDA (utvecklat av Equa). Den första energicentralen är en enkel grundmodell, med borrhål och värmepump som huvud komponenter. Den andra energicentralen utgår från den enkla modellen och kompletteras med kylmedelkylare så att värmepumpen också kan användas som kylmaskin för att ge tillskottskyla då borrhålen inte räcker till. Vid behov kan överskottsvärmen återföras till lagret. Den tredje energicentralen kan utgående från den första enkla grundmodellen skapas genom att lägga till modeller för återladdning av borrhålslagret med pool-solfångare. För att lättare se skillnaderna mellan de tre energicentralerna tillämpas de i en fallstudie där lagret har 600 hål. Det är alltså tre mycket stora energicentraler som antas försörja ett komplex som har ett sammanlagt behov av värme och kyla på ca 30. Energicentralerna studeras med två olika lastprofiler, en med nästan jämnt behov av värme respektive kyla (kylbehov 80% av värmebehov), och en där kylbehovet är ca 20% av värmebehovet. En viktig aspekt när man använder borrhålslager, är temperaturnivån på kylsidan. vå olika temperaturnivåer studerades därför, framledningstemperaturer 12 C respektive 18 C med en temperaturhöjning av 4 C i båda fallen. Resultatet från fallstudien kan vara farligt att generalisera, men i fallstudien var drivenergin för pumpar ca 30 % av kompressorenergin och att energiutbytet per satsad energienhet var i storleksordningen 4 till 6 gånger. Att få ner beräkningstiden bedöms vara det mest akuta fortsatta arbetet, det kräver att en ännu effektivare lagermodell tas fram. I rapporten presenteras en enkel studie av beräkningstiden då lager modellen ersatts av en värmeväxlare som styrs enligt en sinuskurva. Enligt denna preliminära studie kan man som bäst nå en simuleringstid i IDA om ca 4 minuter per år för en modell som är frikopplad från byggnadsmodellen. En annan intressant slutsats från studien angående beräkningstiden är att den enkla grundmodellen tillsammans med den förenklade lagermodellen ger ett tillräckligt bra resultat för att kunna användas för årsenergiberäkningar t ex vid bygglovsansökan. Att använda en mer detaljerad modell ger förmodligen inte ett resultat som överensstämmer bättre med en i senare skede uppmätt energianvändning.
5 (44) Summary his report describes three different simulation models of plants using a ground source heat pump adapted for the IDA simulation environment (Developed by Equa). he first plant is a simple baseline model using a heat pump and a grid of boreholes as main components. he second plant is based on the first one using additional dry coolers to allow the heat pump to function as a chiller when the available cooling power from the boreholes isn t sufficient. When needed, the surplus heat can be returned to the borehole grid. he third plant studied, is based on the first one using an additional pool-type solar collector. o better account for the differences of the systems, they are used in a case study using a borehole grid of 600 holes. Hence, the plants are quite big and are assumed to supply a total amount of 30 heating and cooling. he plants are studied using two different load profiles, one where the need for cooling is 80 % of the heating demand and one where the need for cooling is only 20 % of the heating demand. One important issue when using ground source heat pump systems is the supply temperature to the secondary cooling units. wo different temperatures are used in the case study, supply temperatures of 12 C and 18 C respectively. For both cases, the temperature rise is 4 C. It might be dangerous to make generalizations based on the results from the case study. However, the need for electricity to powering the pumps is about 30 % of the electricity to the compressors and for every put into the system four to six times of it could be utilized. he most urgent task is to increase the speed of calculation. o accomplish this, a more time efficient model of the borehole grid is necessary. In this report, a small study is presented regarding the speed of calculation. In the study, the borehole grid is removed and replaced by a heat exchanger controlled by a sine curve. By doing this, it is possible to account for the part of the simulation speed that is governed by the borehole grid. According to this very preliminary study, the calculation speed might be about 4 minutes per year when using a very efficient model of a borehole grid. Additionally from this preliminary study, one might draw the conclusion that this simplified model is good enough to use when performing whole year energy simulations required by the government to receive a building permit. o use a more detailed model will probably not give a more accurate result when comparing the calculated energy use to the measured result.
6 (44) 1 Inledning 1.1 Bakgrund Det finns idag ett trettiotal stora (fler än 20 borrhål) energicentraler med borrhålslager i Sverige. Det finns ännu ingen standardlösning för hur dessa system bör vara uppbyggda, utvecklingen fortgår kontinuerligt. Systemen fungerar med bästa energieffektivitet då de används för att ge värme med lägsta möjliga temperatur och kyla med högsta möjliga temperatur, detta innebär att byggnaden och utformningen av dess installationer blir viktigt för utformningen av borrhålssystemet. Det gäller alltså att åstadkomma en väl fungerande helhet där borrhålssystemet och byggnaden är samoptimerade. För att åstadkomma en samoptimering krävs att byggnad och dess hele energisystem studeras samtidigt i en enda modell. 1.2 Systemsimulering Nya simuleringsverktyg har skapat möjlighet att detaljerat utvärdera funktionen hos byggnader och installationer innan systemen uppförs. Det är i regel svårt att värdera olika alternativa vvs-anläggningar utan någon form av beräkningsstöd. En kraftfull simuleringsmiljö ger möjlighet att i förväg provköra systemlösningar som är mer optimerade och energisnålare än vad som är vanligt i dag. Detta kan innebära att både investerings- och driftskostnader kan sänkas. Behovet av att i förväg testa sina lösningar med datormodeller ökar då systemen är oprövade. Vi använder verktyget IDA som utvecklades med medel från Byggforskningsrådet under 1990-talet (Sahlin 1996). Verktyget ägs av Equa Simulation echnology som också sköter vidareutveckling och support. En av IDAs applikationer ICE (Indoor Climate and Energy) kan anses vara den Svenska byggbranschens standardprogram för mer avancerade klimat- och energiberäkningar i byggnader. Kurser i programmet ges regelbundet av Equa Simulation echnology, Avdelningen för Installationsteknik på KH och andra högskolor med utbildningar inom energiteknik. Eftersom det är enkelt att utöka IDA med de modeller som behövs för att simulera också en energicentral med borrhål är IDA ett lämpligt verktyg att använda i denna studie. Det finns ytterligare ett antal verktyg som skulle kunna användas för detta ändamål, rnsys, Modelica/Dymola, Matlab/Simulink dessa verktyg används dock mycket sparsamt av aktörerna i den svenska byggnadsindustrin. 1.3 Borrhålslager Det har under åren utvecklats ett stort antal modeller av borrhål, som är mer eller mindre användbara i olika sammanhang, en stor del av dessa finns behandlade i en Licentiatuppsats Design of ground source heat pump systems hermal modelling and evaluation of boreholes, Saqib Jahved 2010. I uppsatsen framför Saqib att det inte finns några analytiska modeller som fungerar för studie av energicentraler med borrhål, det finns dock ett antal numeriska modeller varav Superposition Borehole Model (SBM) anses vara den enda validerade modellen. Det finns dock en numerisk modell beskriven av Sven Kropf i arbetet
7 (44) PV/-Schiefer-Anwendungsbeispiele und Fallstudien. Denna modell är skriven i Neutral Modelling Format (NMF) vilket gör den direkt implementerbar i IDA. Denna modell har förfinats av EQUA och kan köpas som en tilläggsmodul till IDA. För dimensionering av borrhålslager används ofta programmet EED utvecklat på LH Programmet simulerar borrhålslager med såkallade g-funktioner. Dessa funktioner är framtagna genom parameter studie med SBM. I avhandlingen Lifetime Perormance Assessment of thermal systems Stojanović 2009 beskrivs en model som är baserad på RC-nätverk, dvs man modellerar borrhålet med resistanser och kapacitanser. Detta förfarande utvecklades för at användas vid analys av värmetransporter i byggnadsdelar men har också en potential att ligga till grund för en borrhålsmodell. När man tittar på det verkliga berglagrets utseende avviker det ofta från det önskade. Istället för parallella hål med fast avstånd har hålen en oförutsägbar sträckning och lagrets verkliga utseende är ofta okänt om man inte mäter upp det. Ett exempel på ett verkligt utfall redovisas i Saqibs avhandling, där Figur 1 nedan är hämtat med författarens tillstånd. Figuren visar ett borrhåls lager sett underifrån. När man ser hur lager i verkligheten ser ut inser man att en allt för detaljerad modell inte behövs, detta utnyttjas för att skapa en enklare modell av ett lager vilket redovisas i avsnitt 4.1.2. Figur 1:Exempel på verkliga borrhåls riktningar i ett lager på Chalmers ekniska Högskola, Saqib Jahved 2010. 1.4 Solfångare Solfångar modeller är ett gammalt område, men det pågår fortfarande en hel del utveckling inom området. Det finns tre huvudsakliga typer av solfångare, plana glasade solfångare, vakuumrörs solfångare och pool-solfångare. Bengt Perers har under senare år skapat en modell som skall passa alla tre typer av solfångare dock ej koncentrerande solfångare. Modellen beskrivs i A Dynamic Collector Model for Simulation of the operation below the
8 (44) dewpoint in Heat Pump Systems, Bengt Perers 2006. Modellen har dock inte hunnit bli validerad ännu så den kan komma att bli justerad framöver. 1.5 Syfte Projektet har karaktären av en förstudie. Efter avslutat projekt finns flera naturliga fortsättningsprojekt som vidareutveckling av flera komponentmodeller och systemmakron samt användning och utvärdering i kommersiella projekt. Syftet med detta projekt är att utveckla och testa beräkningsmodeller som kan stödja utprovning och testning av energicentraler med stor andel förnyelsebar energi och med vars hjälp samspelet mellan energicentral och byggnader kan optimeras. Arbetet kan delas upp i följande delar: utveckla nya och förfina några befintliga komponentmodeller som kan användas i en systemmodell av energicentraler t jämföra komponentmodeller mot fabrikantdata, befintliga beräkningsmodeller och mätningar utveckla några varianter av systemmodeller (ett antal sammankopplade komponentmodeller) över energicentraler som kan användas för dimensionering och manuell optimering Jämföra energicentralerna med varandra avseende energitäckning av kyla och värme samt behov av köpt energi.
0 1 SOURCE- FI LE SOURCE- FI LE SOURCE- FI LE SOURCE- FI LE1 SOURCE- FI LE 0 1 0 1 0 1 9 (44) 2 Energicentraler 2.1 Allmän grundmodell Man kan givetvis utforma en energicentral med borrhål på ett nästan oändligt antal sätt. Nedan redovisas ett antal tänkbara utformningar som dock alla är baserad på samma grundmodell, se Figur 2 nedan. I centrum av modellen finns en värmepump. Värmepumpen hämtar värme från ett eller flera borrhål och avger värme till byggnaden (effektprofilen för värmesystemet) via en värmeväxlare. I kylfallet hämtas kyla från borrhålet och avges via en värmeväxlare till byggnaden (effektprofilen för kylsystemet). Om inte kylan från borrhålet räcker till så måste extra kyla via en annan kylmaskin eller fjärrkyla tillföras. ill denna modell kan man lägga återladdning av borrhålet på olika sätt samt olika styrstrategier för värmepumpen som man också kan låta arbeta som kylmaskin. Description: close Borrhålslager med värmepump och återladdning med KMK Simulation data... Global parameters Start simulation Results styrsol Soleffekt COP Chillertemps emperatur borrhål solstyr Energimätare KVX VVX VVX2 VPF VPK KOM ExtraKyla ExtraVärme Pump Instruktioner Styrkurvor 1. Ställ in flöden 2. Dimensionera VP 3. Justera VVX 4. Ange borrhål + konfig 5. Koppla borrhål Värme Kyla Värmepump styr VärmeRetur Värmelast Kyllast 6. Justera styrkurvor 7. Svängningar kan uppstå vid låg last PI Värmeväxlare Värme 2 Värmelast P1 Elev ation E P2 PI Azimuth 1 illskottvärme Börvärde PI Värmepump Kylmaskin G E P4 Borrhåls lager P5 E G 7 G 8 P7 PI Värmeväxlare Kyla 4 3 E illskottskyla Kyllast P8 PI PI Max kyleffekt, W 1.0E7 Figur 2: Schematisk uppbyggnad av energicentralens grundmodell i IDA Röda och oranga linjer är vätska med hög temperatur (25-65 C), blå linjer är vätska med låg temperatur ( 2 20 C), gröna linjer är vätska med blandad temperatur (5-65 C). Prickade linjer är mätsignaler eller styrsignaler. P betyder pump, E betyder expansionskärl, betyder tidskonstant, PI betyder PI-regulator och VVX betyder värmeväxlare.
I M ECONS ARB I M ECONS ARB4 I M ECONS ARB I M ECONS ARB1 I M ECONS ARB I M ECONS ARB2 0 1 0 1 SOURCE-FI LE SOURCE-FI LE SOURCE- FI LE SOURCE- FI LE1 SOURCE- FI LE 0 1 0 1 0 1 10 (44) 2.2 Borrhålslager med återladdning via pool-solfångare I centrum av modellen finns en värmepump. Värmepumpen hämtar värme från ett eller flera borrhål och avger värme till byggnaden (effektprofilen för värmesystemet) via en värmeväxlare. I kylfallet hämtas kyla från borrhålet och avges via en värmeväxlare till byggnaden (effektprofilen för kylsystemet). Om inte kylan från borrhålet räcker till så måste extra kyla via en annan kylmaskin eller fjärrkyla tillföras. I Figur 3 nedan illustreras gränssnittet för modellen. Description: close Borrhålslager med värmepump och återladdning med pool-solfångare Simulation data... Global parameters Start simulation Results styrsol Soleffekt COP Chillertemps emperatur borrhål solstyr Energim ätare KVX VVX VVX2 VPF VPK KOM ExtraKyla ExtraVärme Pump Instruktioner Styrkurvor 1. Ställ in flöden 2. Dim ensionera VP 3. Justera VVX 4. Ange borrhål + konfig 5. Koppla borrhål Värme Kyla Värmepump styr VärmeRetur Värmelast Kyllast 6. Justera styrkurvor 7. Svängningar kan uppstå vid låg last PI Värmeväxlare Värme 2 Värmelast P1 Elev ation E P2 PI Azimuth 1 illskottvärme Börvärde PI Värmepump Kylmaskin G E P4 Borrhåls lager P5 SOL E G 7 G 8 P-ctrl G P6 5 6 G P7 Värmeväxlare Kyla 4 3 E PI illskottskyla Kyllast P8 PI PI Max kyleffekt, W 1.0E7 Figur 3: Schematisk uppbyggnad av energicentral i IDA med borrhål och återladdning med pool-solfångare Röda och orange linjer är vätska med hög temperatur (25-65 C), blå linjer är vätska med låg temperatur ( 2 20 C). Prickade linjer är mätsignaler eller styrsignaler. P betyder pump, E betyder expansionskärl, betyder tidskonstant, PI betyder PI-regulator och VVX betyder värmeväxlare. Värmepumpen startar om börvärdet från PI regulatorn överstiger 0,3 och stängs om den understiger 0,1. Kylning sker i första hand genom att pumpen som försörjer värmeväxlaren till byggnadens kylsystem varvar upp. I detta fall tas kylan från borrhålet.
11 (44) Om inte värmepumpen räcker till för att hålla framledningstemperaturens börvärde för värmeoch kylsystem till byggnaden sker en eftervärmning respektive efterkylning till rätt nivå. Om utgående temperatur från borrhålen understiger en börvärdeskurva och det är tillräckligt varmt i solfångarkretsen återladdas borrhålet med värme från solfångare. Detta sker genom att pumpen för återladdning reglerar upp. Som börvärdeskurva har vi använt en sinuskurva som varierar mellan t.ex. -3 och 10 C., se Figur 4. 10. 9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. 0. -1. -2. -3. Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000. Figur 4: Börvärdeskurva för återladdning till borrhålslager. Avser utgående temperatur från lager.
0 1 0 1 0 1 I M ECONS ARB 0 1 I M ECONS ARB4 I M ECONS ARB I M ECONS ARB6 I M ECONS ARB I M ECONS ARB2 I M ECONS ARB I M ECONS ARB1 SOURCE- FI LE SOURCE- FI LE SOURCE- FI LE SOURCE- FI LE1 SOURCE- FI LE 0 1 0 1 0 1 12 (44) 2.3 Borrhålslager med återladdning via kylmedelkylare I centrum av modellen finns en värmepump/ kylmaskin. Värmepumpen hämtar värme från ett eller flera borrhål och avger värme till byggnaden (effektprofilen för värmesystemet) via en värmeväxlare. I kylfallet hämtas kyla från borrhålet och avges via en värmeväxlare till byggnaden (effektprofilen för kylsystemet). Om inte kylan från borrhålet räcker till så kyler kylmaskinen. Om varma sidan blir för varm kyls värmen bort i en kylmedelskylare. Kylmedelskylaren kan också användas för att återladda borrhålet. I Figur 5 nedan illustreras gränssnittet för modellen. Description: close Borrhålslager med värmepump och återladdning med KMK Simulation data... Global parameters Start simulation Results styrsol Soleffekt COP Chillertemps emperatur borrhål solstyr Energimätare KVX VVX VVX2 VPF VPK KOM ExtraKyla ExtraVärme Pump Instruktioner Styrkurvor 1. Ställ in flöden 2. Dimensionera VP 3. Justera VVX 4. Ange borrhål + konfig 5. Koppla borrhål Värme Kyla Värmepump styr VärmeRetur Värmelast Kyllast 6. Justera styrkurvor 7. Svängningar kan uppstå vid låg last PI Värmeväxlare Värme 2 Värmelast P1 Elev ation E P2 PI Azimuth 1 illskottvärme Börvärde HXUC PI Värmepump Kylmaskin G VVX_KMK P3 E P4 E G FINDMAX_M Findmax_M Borrhåls lager P5 HXUC G P5 + P 265 RFANEX sf1 FINDMIN Findmin2 FINDMIN Findmin1 PI PI VVX_KMK1 FINDMIN Findmin P5 P-ctrl P7 Värmeväxlare Kyla G 4 3 E E G 7 8 PI illskottskyla Kyllast P8 PI PI Max kyleffekt, W 0 Figur 5: Schematisk uppbyggnad av energicentral i IDA med borrhål och kylmedelkylare med återladdning. Värmepumpen fungerar också som kylmaskin. Röda och orange linjer är vätska med hög temperatur (25-65 C), blå linjer är vätska med låg temperatur ( 2 20 C), gröna linjer är vätska med blandad temperatur (5-65 C). Prickade linjer är mätsignaler eller styrsignaler. P betyder pump, E betyder expansionskärl, betyder tidskonstant, PI betyder PI-regulator och VVX betyder värmeväxlare.
13 (44) Värmepumpen startar om börvärdet från PI regulatorn överstiger 0,3 och stängs om den understiger 0,1. Kylning sker i första hand genom att pumpen som försörjer värmeväxlaren till byggnadens kylsystem varvar upp. I detta fall tas kylan från borrhålet. Om inte detta räcker startar värmepumpen och arbetar som kylmaskin. Om inte värmepump/kylmaskin räcker till för att hålla framledningstemperaturens börvärde för värmesystemet till byggnaden sker en eftervärmning till rätt nivå. Om temperaturen ut från värmepumpens varma sida är för hög så startar kylmedelskylaren och pumpen som försörjer värmeväxlaren för kondensorkylning. Om utgående temperatur från borrhålen understiger en börvärdeskurva och det är tillräckligt varmt utomhus återladdas borrhålet med värme från kretsen med kylmedelkylarna. Detta sker genom att de två pumparna på var sida om värmeväxlaren för återladdning reglerar upp. Som börvärdeskurva har vi använt en sinuskurva som varierar mellan t.ex. -3 och 10 C, Figur 6 nedan. 10. 9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. 0. -1. -2. -3. Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000. Figur 6: Börvärdeskurva för återladdning till borrhålslager. Avser utgående temperatur från lager.
14 (44) 3 Systemsimulering När man genomför en analys av utformningen av en energicentral med borrhål, finns det två sätt man kan genomföra analysen på. Det ena sättet är att helt enkelt lägga in energicentralen som en del i programmet IDA Klimat och nergi. Det andra sättet är att simulera energicentralen fristående. I fallet med fristående energicentraler kopplar man profiler för effektuttaget till modellen av energicentralen i IDA och kör en simulering frikopplad från byggnadsmodellen. Effektprofilen kan i och för sig vara skapad baserad på simuleringar i IDA Klimat och Energi, men de kan också vara helt konstgjorda eller baserade på beräkningar från något annat verktyg som har möjlighet att generera utdata filer med 1- timmas steg. Angreppssättet med effektprofil fungerar om man använder sig av extern tillskottsvärme/kyla dvs. att energicentralen alltid kan leverera rätt effekt och temperaturnivå. I de fall man vill studera hur energicentralen och byggnaden fungerar ihop för att t ex optimera temperaturnivåer i fall där man kan tillåta sig någon grad av övertemperatur i byggnaden måste man använda energicentralen och byggnaden i samma modell. Den stora svårigheten med att simulera denna typ av system är att de måste vara någorlunda korrekt dimensionerade redan från början. Jobbar man med energicentral och byggnadsmodell ihopkopplade i samma modell, låter man först den ursprungliga ideala energicentralen vara kvar och kör dimensionerande sommar och vinterfall för att kunna bedöma effektbehov och därmed vilka flöden som skall vara i de olika vätskekretsarna. Man bör lämpligen också göra en årsenergiberäkning så man ser hur byggnadens behov av värme och kyla ser ut över året. Utifrån detta får man göra en första analys om det finns behov av återladdning av borrhålslagret. Nedan beskrivs en fallstudie där den allmänna grundmodellen studeras samt de andra två beskrivna energicentralerna; återladdning med solfångare och återladdning med köldmediekylare. Här studeras ett stort borrhålslager (600 hål) med den enkla lagermodellen. Beräkningar genomförs med två olika effektprofiler, en med ungefär lika stort kyl och värmebehov och en där värmebehovet är mycket större än kylbehovet. För att analysera hur stor del av simuleringstiden som beror på själva lagermodellen byttes lagret ut mot en värmeväxlare som styrs mot en sinuskurva.
15 (44) 3.1 Fallstudie med Stort borrhålslager I denna fallstudie används den allmänna grundmodellen samt de andra två beskrivna energicentralerna; återladdning med solfångare och återladdning med köldmediekylare. Här studeras ett stort borrhålslager (600 hål) med den enkla lagermodellen. vå olika effektprofiler studeras, en med nästan balanserat kyl och värmebehov och en där värmebehovet är mycket större än kylbehovet. Då möjligheten att utnyttja lagret för kyla beror på temperaturnivån i kylsystemet, studeras också två olika temperaturnivåer, en med framledning 12 C och en med framledning 18 C. I de fall extra kyla måste användas antas den producerad med COP=3. Extra värme antas vara fjärrvärme med 100% verkningsgrad. 3.2 Effektprofiler 3.2.1 Lika kyl och värmebehov Värmebehovet är 17 och kylbehovet 13,5, årsprofilen redovisas i Figur 7 nedan. Värmeuttaget är 141 kwh/m,hål och uttaget av värmeeffekt är 183 W/m,hål. Kyluttaget är 113 kwh/m,hål och uttaget av kyleffekt 154 W/m,hål 20. 18. 16. 14. 12. 10. 8. 6. 4. 2. 0. Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000. Kyla, MW Värme, MW Figur 7: Värme och kylbehov i fallet med nästan balanserat behov
16 (44) 3.2.2 Stor skillnad mellan kyl och värmebehov Värmebehovet är 16,7 och kylbehovet 3,6, årsprofilen redovisas ifigur 8 nedan. Värmeuttaget är 139 kwh/m,hål och uttaget av värmeeffekt är 92 W/m,hål. Kyluttaget är 30 kwh/m,hål och uttaget av kyleffekt 93 W/m,hål 10. 9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. 0. Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000. Kyla, MW Värme, MW Figur 8:Värme och kylbehov i fallet med obalanserat behov
17 (44) 3.3 Sammanställning av energianvändning abellerna nedan visar energianvändningen dels uppdelat på behov av extra värme, extra kyla, kompressorel och pumpel och dels totala energianvändningen. De två första tabellerna visar simuleringarna med det balanserade lagret för år 1 respektive år 6. De andra två tabellerna visar samma sak för det obalanserade lagret. Den parameter som är svårast att bestämma vid modelleringen är tryckfallet i systemets olika kretsar, därmed är pumpelen lite mer osäker än de andra delarna. Man ser också År:1 Balanserad värme och kyla med totalt värmebehov 17 och kylbehov 13,5 Extra värme, El Extra kyla, El, VP EL Pumpar Borrhålslager, fram=12 C 1 1 2,9 1 5,9 Borrhålslager, fram=18 C 1 0,3 2,9 1 5,2 Borrhålslager + KMK, fram=12 C 1,2 0 4,1 1.1 6,4 ÅR 6: Balanserad värme och kyla med totalt värmebehov 17 och kylbehov 13,5 Extra värme, El Extra kyla, El, VP EL Pumpar Borrhålslager, fram=12 C 1,1 0,7 3 1 5,8 Borrhålslager, fram=18 C 1 0,2 2,9 1 5,1 Borrhålslager + KMK, fram=12 C 1,2 0 3,8 1.1 6.1 År 1: Obalanserad värme och kyla med totalt värmebehov 16,7 och kylbehov 3,6 Extra värme, El Extra kyla, El, VP EL Pumpar Borrhålslager, fram=12 C 0 0 3,2 1 4,2 Borrhålslager, fram=18 C 0 0 3,2 1 4,2 Borrhålslager + solfångare, fram=12 C 0 0 3,2 1,1 4,3 Borrhålslager + solfångare, fram=18 C 0 0 3,2 1,2 4,4 ÅR 6: Obalanserad värme och kyla med totalt värmebehov 16,7 och kylbehov 3,6 Extra värme, El Extra kyla, El, VP EL Pumpar Borrhålslager, fram=12 C 0,1 0 3,7 1 4,8 Borrhålslager, fram=18 C 0,1 0 3,6 1 4,7 Borrhålslager + solfångare, fram=12 C 0 0 3,5 1,2 4,7 Borrhålslager + solfångare, fram=18 C 0 0 3,4 1,3 4,7 Summa, Summa, Summa, Summa,
18 (44) 3.4 Sammanställning av temperaturer i lager efter 1 och 6år Figur 9 och Figur 10 nedan beskriver utgående temperatur från borrhålslagret i fallet med nästan balanserat värme och kylbehov. Year: 2000 16. 14. 12. 10. 8. 6. 4. 2. 0. -2. Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000. borrhål_ut (Grundmodell_balans_4_12fram_6år) borrhål_ut (Grundmodell_balans_4_18fram_6år) borrhål_ut (KMK_balans_4_12fram_6år) Figur 9:Utgående temperatur från borrhålslagret under år 1 i fallet med nästan balanserat värme och kylbehov. Grundmodell samt återladdning med kylmedelkylare
19 (44) Year: 2005 16. 14. 12. 10. 8. 6. 4. 2. 0. -2. Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan 44000. 45000. 46000. 47000. 48000. 49000. 50000. 51000. 52000. borrhål_ut (Grundmodell_balans_4_12fram_6år) borrhål_ut (Grundmodell_balans_4_18fram_6år) borrhål_ut (KMK_balans_4_12fram_6år) Figur 10: Utgående temperatur från borrhålslagret under år 6 i fallet med nästan balanserat värme och kylbehov. Grundmodell samt återladdning med kylmedelkylare Figur 11 och Figur 12 nedan beskriver utgående temperatur från borrhålslagret i fallet med obalanserat värme och kylbehov. De energicentraler som redovisas är grundmodellen och återladdning med pool-solfångare.
20 (44) Year: 2000 14. 12. 10. 8. 6. 4. 2. 0. -2. -4. -6. Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000. borrhål_ut (Grundmodell_obalans_4_12fram_6år) borrhål_ut (Grundmodell_obalans_4_18fram_6år) borrhål_ut (Sol_obalans_4_12fram_6år) borrhål_ut (Sol_obalans_4_18fram_6år) Figur 11: Utgående temperatur från borrhålslagret under år 1 i fallet med obalanserat värme och kylbehov. Grundmodell samt återladdning med pool-solfångare
21 (44) Year: 2005 14. 12. 10. 8. 6. 4. 2. 0. -2. -4. -6. Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 44000. 45000. 46000. 47000. 48000. 49000. 50000. 51000. 52000. borrhål_ut (Grundmodell_obalans_4_12fram_6år) borrhål_ut (Grundmodell_obalans_4_18fram_6år) borrhål_ut (Sol_obalans_4_12fram_6år) borrhål_ut (Sol_obalans_4_18fram_6år) Figur 12: Utgående temperatur från borrhålslagret under år 6 i fallet med obalanserat värme och kylbehov. Grundmodell samt återladdning med pool-solfångare
22 (44) 3.4.1 Återladdning med pool-solfångare Figur 13nedan visar hur pool-solfångaren används för återladdning under sex år. Man ser tydligt att återladdningen ökas år från år, men att den är mycket marginell vilket man också ser på energiresultatet. Entire simulation: from 2000-01-01 to 2005-12-31 30 10 5 28 10 5 26 10 5 24 10 5 22 10 5 20 10 5 18 10 5 16 10 5 14 10 5 12 10 5 10 10 5 8 10 5 6 10 5 4 10 5 2 10 5 0 10 5 Jan Feb Mar Apr May JunJul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May JunJul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May JunJul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May JunJul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May JunJul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May JunJul Aug Sep Oct Nov Dec Jan 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Figur 13:Effekt levererad från pool-solfångare till lagret under 6 år.