För temperaturerna i borrhålen för varje anläggning presenteras grafer där man kan undersöka temperaturerna anläggningarna hade under årets gång.
5.2.1
BVP A
Medeltemperaturen för år 1 var 6,47 °C för BVP A. Det är en sänkning med cirka 6% från borrhålsväggens ursprungstemperatur på 6,83 °C. Temperatur dipparna som sker under februari månad har anläggningen svårt att leverera det värmebehov som fastigheten hade, det innebar att el patronen var i full drift tillsammans med BVP A. Temperaturen i borrhålsväggen översteg aldrig ursprungstemperaturen för borrhålen.
Figur 22 Y-axel representerar temperaturen i borrhålen i grader Celsius. X- axeln representerar vilken tid på året i månader och timmar.
43
5.2.2
BVP B
Över året hade borrhålsväggen en medeltemperatur på 6,71 °C när BVP B användes. Under året skiljde sig temperaturen mellan den högsta registrerade mot den lägsta med cirka 3 °C, på grund av användningen utav BVP. Största temperaturförändringen sker under sommarhalvåret då fastigheten hade som störst kylbehov, temperaturen ökade med 0,88 °C över markens ursprungs temperatur. Den högsta temperaturen avlästs till 7,6 °C medan den lägst registrerade var 5,78 °C.
Figur 24 Fel! Hittar inte referenskälla.representerar hur medeltemperaturen i borrhålet för varje månad jämfört med medeltemperatur för uteluften. Medeltemperaturen i borrhålet hade tack vare den kombinerade lasten en temperaturkurva som påverkas lika mycket som för bergvärmepumpen använt i Figur 5.
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec
°C
Månad
Medeltemperatur borrhål/ uteluft
Borrhål °C Uteluft °C
Figur 23 Y-axel representerar temperaturen i borrhålen i grader Celsius. X- axeln representerar vilken tid på året i månader och timmar.
44
5.3
COP år 1
5.3.1
BVP A
Nedan syns COP-värdet för BVP A för första året. Man kan urskilja en lägre verkningsgrad under sommarhalvåret bergvärmepumpen inte är i drift lika mycket eftersom ingen värme behövs. Tabell 5 SCOP BVP A BVP A SCOP 1,94 SCOP Oct-Mar 2,08 SCOP Apr-Sep 1,85
Figur 25 Y-axel presenterar VP COP. X-axeln presenterar tiden i månader och timmar.
45
5.3.2
BVP B
Bilden nedanför beskriver COP-värdet hos BVP B. Även har kan man urskilja en minskning av verkningsgraden under sommarhalvåret. BVP är dock mera aktiv under denna period jämfört med BVP A eftersom anläggningen kyler fastigheten.
Tabell 6 SCOP sammanställning från BVP A och BVP B BVP B SCOP 1,80 SCOP Oct- Mar 2,02 SCOP Apr- Sep 1,71
Figur 26 Y-axel presenterar VP COP. X-axeln presenterar tiden i månader och timmar.
46
5.4
5 år simulerings tid
Efter 5 års simuleringstid hade BVP B totalt återladdat borrhålen med 485 MW. Tack vare återladdningen så var den totala värmeutvinningen 28,94% lägre än hos BVP A. Detta återspeglas även i tabell 7Fel! Hittar inte referenskälla. då efter 5 år, har medeltemperaturen i borrhålet för BVP B sjunkit med totalt 0,67°C. BVP A har en högre temperatursänkning efter 5 år, 0,88 °C, och sjunker i en snabbare takt för varje år än för BVP B.
Tabell 7 Jämförelsedata, energi, för BVP A och BVP B för en 5 års simuleringsperiod
Anläggning BVP A BVP B BVP A BVP B BVP A BVP B BVP A BVP B BVP A BVP B BVP A BVP B År 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Totalt Totalt Uttagen värmeenergi kWh 50,38 41,33 50,09 41,91 50,88 41,17 51,01 43,64 51,21 43,42 253,57 211,46 Värmeenergi återladdat kWh 0 26,76 0 27,17 0 26,53 0 28,04 0 27,70 0 136,20 Totalt utvunnen värmeenergi kWh 50,38 14,57 50,09 14,74 50,88 14,64 51,01 15,59 51,21 15,72 253,57 75,26 Procentuell minskning 0,00% 64,75% 0,00% 64,83% 0,00% 64,44% 0,00% 64,26% 0,00% 63,79% 0,00% 64,41%
Figur 27 Skillnader för den uttagna energin hos BVP A och BVP B 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 1 2 3 4 5 Utta gen ener gi kW h ÅR
Uttagen värmeenergi per år
47
Tabell 8 Jämförelsedata, SCOP och medeltemperatur, i borrhål för BVP A och BVP B. 5 års simuleringstid Anläggning BVP A BVP B BVP A BVP B BVP A BVP B BVP A BVP B BVP A BVP B År 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 SCOP 1,94 1,80 1,94 1,79 1,94 1,80 1,94 1,80 1,94 1,81 Medeltemp- eratur borrhål °C 6,47 6,70 6,42 6,67 6,40 6,66 6,39 6,65 6,38 6,65 Ursprungs temperatur °C 6,83 6,83 6,83 6,83 6,83 6,83 6,83 6,83 6,83 6,83 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 0 1 2 3 4 5 Tem per at ur ᵒC År
Borhålens medeltempereatur 5 år
BVP A BVP B48
6
DISKUSSION
Rapporten baseras på hur en bergvärmepump (BVP) varierande last över året påverkar temperaturen i borrhålen som anläggningen utnyttjar. Anledningen till att man vill påverka temperaturen i borrhålen är för att berget har god värmelagringsförmåga. När en vanlig BVP är i drift och används för uppvärmning till en fastighet, tar man ut värmeenergi från borrhålet och temperaturen sjunker. Den låga temperaturen i borrhålet kan sedan extraheras från berget för att användas till ett kylbehov till samma fastighet under varmare väderklimat, som i sin tur ökar temperaturen i borrhålet och utnyttjas under kallare väderklimat.
Rapporten jämför två olika bergvärmepumpsanläggningar. BVP A designades för att endast leverera byggnadens värmebehov, medan BVP B designades för att hantera både behovet för värme och kyla. Anläggningarna jobbade under samma väder, - klimat- och områdesförhållanden samt samma typ av fastighet. Med hjälp av simuleringsprogrammet IDA-ICE byggdes båda fallen upp för att jämföra vad för påverkningarna de två anläggningarna hade till borrhålen. Beräkningarna på borrhålen som IDA utförde, baserar sina beräkningar på, oavsett antal borrhål, att ingen termisk påverkan sker mellan borrhålen.’
Tre stycken huvudparametrar var det som togs ut från simuleringarna gjorda i rapporten; energiutvinningen, temperaturen i borrhålet samt anläggningens COP-värde. Resultaten har redovisats för en 1 års period samt för 5 år. Varför både 1 år och 5 år valdes som simuleringstid var för att enligt tidigare forskning på borrhål har man kunnat se en temperatursänkning i borrhålet redan efter 1 års användning (SGU, 2016), denna temperatursänkning stabiliserade sig något först efter två års användning. I simuleringarna gjorda för BVP A och BVP B, syns denna temperatursänkning för båda anläggningarna. För BVP A som endast utnyttjades för värme, sjönk medeltemperaturen i borrhålet från 6,83 ᵒC till 6,12 ᵒC, Tabell 8Fel! Hittar inte referenskälla., en minskning med 0,71 ᵒC det första året. År två sjönk inte temperaturen lika mycket mot året innan och år 4 och 5 hade temperaturen en sänkning för varje år på endast 0,02 ᵒC jämfört med medeltemperaturen i borrhålet för året innan. För BVP B sjönk temperaturen inte lika häftigt som hos BVP A. Borrhålens medeltemperatur sjönk endast med ca 0,5°C det första året och sjönk sedan med cirka 0,03°C om året, de kommande 5 åren för även avta i en snabbare takt jämfört med BVP A, Tabell 8. För båda fallen kan ingen stabilisering utav temperaturen i borrhålen noteras, utan längre simuleringstid skulle behövas för att analysera när temperaturen i borrhålen skulle ha stabiliserats.
Båda pumparna levererar samma mängd värmeenergi till fastigheten, dock sett från resultat så har BVP B en mindre mängd värmeenergi levererat till fastigheten än vad BVP A har. Om anläggningarna är identiska mot varandra och har samma last, bör den levererade värmeenergi vara densamma. Varför denna skillnad, kan vara på grund av att då IDA-ICE räknar den levererade kylan från värmepumpen, BVP B, som värmeenergi, och representeras av ett negativt värde, vilket kan observeras i Figur 21. Detta negativa värde som beräknas för kylenergin, har samma data markering som värmeenergi levererad, vilket gör att IDA-ICE räknar bort det negativa värdet från den totalt levererade. Detta gör att dagar med både värme- och kylbehov, blir den totalt levererade värmeenergi som fastigheten behöver, lägre
49
motsvarande för BVP A, samt att kylenergi levererad blir också lägre, då den inte blir registrerad ordentligt. Under sommarmånaderna då majoriteten kylning krävs till fastigheten, så kan man observera under rubrik 385.1 att trots att mycket kyla behövs, så finns ändå ett värmebehov. Detta betyder alltså nu att motsatsen sker och IDA-ICE inte presenterar den verkliga kylenergin samt värmeenergi som BVP B levererar då värdena har blivit sammanslagna i beräkningarna.
Värmen tillfört, ökade temperaturen i borrhålet så pass mycket att borrhålets temperatur steg till 7,63 ᵒC, vilket var ungefär 1ᵒC högre än ursprungstemperaturen. I BVP A skedde ingen återladdning med hjälp av anläggningen. Temperaturökningen för BVP A’s borrhål som händer i Figur 22 under sommarmånaderna, sker med hjälp av den naturliga återhämtningsförmågan hos borrhålet och översteg aldrig markens ursprungstemperatur. Tidigare studier presenterar resultat där utvinningen av värme från borrhålen sparades med 20% (R.Z. Wang, 2010). I studien använder sig fastigheten utav av två stycken anläggningar som jobbar bredvid varandra. En VP levererar byggnadens värmebehov och en VP levererar byggnadens kylbehov. Båda värmepumparna brukade samma borrhål men kunde inte dela sina laster mellan varandra. Resultaten visade utöver en sänkning av det totala värmeeffektuttaget, en minskning utav temperaturpåverkan som anläggningarna hade på borrhålen jämfört med om endast värmepumpen som levererade värme till fastigheten var i drift. Medeltemperaturen steg med 0,5 ᵒC i borrhålen tack vare att båda anläggningarna jobbade tillsammans (R.Z. Wang, 2010). Detta återspeglas i denna rapport när BVP B användes var borrhålets medeltemperatur cirka 0,2 ᵒC högre jämfört med när BVP A användes. Värmepumparnas prestanda är baserad på energin som tillförs samt vad som utnyttjas. Eftersom, BVP B, saknar enligt resultat data, den totala mängden energi levererad för både värme- samt kylenergin till fastigheten, då dessa har blivit påverkade av varandra, blir SCOP inte lika bra jämfört med för BVP A. BVP A har därför bättre prestanda presenterad men detta behöver inte vara det verkliga fallet. Om IDA-ICE hade delat upp värme- och kylenergin i sin data skulle en verkligare prestanda för BVP B kunna presenteras.
Berggrunden i Västerås är uppdelat i två typer, en kristallin berggrund, granit, och en sedimentär berggrund, gråsvacka. Bergtyperna har väldigt stora skillnader i dess värmeledande förmåga och kan påverka resultaten avsevärt beroende på vilken typ av berggrund som utnyttjas. För simuleringarna användes data för när fastigheten var placerad över den kristallina berggrunden vilket betydde värmeledningstalet angavs till 3,5 W/m, K. (Sundberg, 1991). Hade byggnaden varit planerad att bli byggt på området där den sedimentära berggrunden dominerade, innebar det en ökning av borrhålets värmeledningsförmåga till 6–7 W/m, K. Ökningen av borrhålets värmeledningsförmåga skulle innebära bättre naturlig återhämtning för borrhålet och
50
7
SLUTSATSER
Med hjälp av IDA-ICE, undersöktes två fall av BVP-anläggningar. BVP A var designad att endast leverera en byggnads värmebehov medan kylbehovet togs hand om av en ideal kylare. BVP B designades med ett krav på att leverera ett värmebehov och ett kylbehov till samma fastighet som för BVP A.
Tack vare BVP B kombinerade last kunde borrhålens termiska utnyttjningsbehov ändras jämfört BVP A. Efter simuleringar på 5 år hade BVP B totalt återfört 136,20 kWh till borrhålet vilket ledde till en bättre temperaturer återhämtning för borrhålsväggen. Medeltemperaturen ökade därför med 0,3°C i borrhålet. Om man ser att den totala mängden värmeenergin levererad från borrhålet är uttagen energin och kylenergin åt fastigheten är återförd energi, blir den totala energin utvunnit 64,41% lägre än om bara man hade utvunnit värme från borrhålet enligt resultatet.
Medeltemperaturen i borrhålet för BVP A hade efter fem år sjunkit till 6,38 ᵒC, en minskning med 0,45 ᵒC från ursprungs temperaturen. Borrhålen i BVP B hade efter fem år en medeltemperatur på 6,65 ᵒC. Och är 4,2% högre medeltemperatur jämfört med BVP A. Temperatursänkningen i borrhålet till BVP B avtog för varje år, och antyder på en snabbare stabilisering jämfört med BVP A.
SCOP för BVP A det 5:e året var: 1,94. SCOP för BVP B landade på 1,81 år fem. Båda anläggningarna var i drift under sommarhalvåret. BVP A levererade endast det värmebehov som fanns och hade ett SCOP för perioden: 1,85. BVP B som även levererade kyla hade ett COP för samma period: 1,71.
8
FÖRSLAG FORTSATT ARBETE
Då denna rapport endast täcker anläggningar där borrhålen inte har någon termisk påverkan på varandra kan framtida arbeten undersöka, hur stor påverkan borrhålen kommer ha mot varandra. Kommer man kunna manipulera den termiska lagringsmöjligheten i marken på sådant sätt att man kommer spara energianvändningen eller på grund av anläggningens storlek göra så att energiutvinningen kommer bli för hög och orsaka stora temperatursänkningar runt om borrhålen.
För att få bättre indata för hur markförhållandena ser ut och des värmeledningsförmåga ser ut i verkligheten bör testborrningar ske i området där man ska installera anläggningen, så att man kan analysera data angående vad för sorts typ av berggrund man kommer att nyttja och hur grundvattencirkulationen i området ser ut. Enligt SGU och Jan Sundberg, är de bästa förhållandena för energi lagring i berg finnas i områden med låg grundvattencirkulation samt att berggrunden har en lägre värmeledande förmåga.
51
9
REFERENSER
Aristodimos J.Philippacopoulos, M. L. (2001). Influence of debonding in ground heat exchangers used with geothermal heatpumps. Goethermics, 527-545.
Back, N. (2008). Bergvärme som energikälla. Västerås: Mälardalens Högskola. Björk Erik, M. P. (2013). Bergvärme på djupet: Boken för dig som vill veta mer om
bergvärmepumpar.
Energimyndigheten. (den 19 09 2014). Energimyndigheten. Hämtat från http://www.energimyndigheten.se/tester/tester-a-
o/bergvarmepumpar/bergvarmepumpar/: www.Energimyndigheten.se Energimyndigheten. (den 17 11 2017). Energiläget. Hämtat från Energimyndigheten:
http://www.energimyndigheten.se/statistik/energilaget/
Energimyndigheten. (den 01 08 2018). Ekodesign. Hämtat från Energimyndigheten: http://www.energimyndigheten.se/energieffektivisering/jag-ar-saljare-eller- tillverkare-av-produkter/ekodesign-energimarkning-och-ce-
markning/ekodesign/ekodesigndirektivet/ EQUA. (2013). Internal report. Equa.
Erik Björk, J. A.-e. (2013). Bervärme på djupet. Stockholm: Erik Björk KTH Energiteknik och Sebastian Widin US-AB.
Eskilson, P. (1987). Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes. Lund: Lunds Universitet.
GEOPOWER. (2012). Borrhåls- och grundvattenlager Praktiskt Handbok om Geoenergi. Stockholm: SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut.
Jansen, M. (den 14 08 2014). Stort fälttest av bergvärmepumpar. Hämtat från
Energimyndigheten: http://www.energimyndigheten.se/nyhetsarkiv/2013/stort- falttest-av-bergvarmepumpar/
Laestander, J. (2017). Geotermisk förvärmning och -kylning av uteluft med borrhål. Stockholm: Kungliga Tekniska Högskolan.
52
Mikael Erlström, C. M. (2016). Geologisk information för geoenergianläggningar - en
översikt. Uppsala: Sveriges geologiska undersökning.
Miljöförvaltningen. (2005). Beräkningsprogram för dimensionering av energibrunnar i
tätbebyggda villaområden. Stockholm: Stockholm stad.
Miljömål. (den 30 10 2018). Svergies miljömål. Hämtat från Sveriges miljömål och de globala hållbarhetsmålen: http://www.sverigesmiljomal.se/sa-fungerar-arbetet-med- sveriges-miljomal/sveriges-miljomal-och-de-globala-hallbarhetsmalen/
Mohammad Ali Ahmadi, M. S. (2017). Ground Source heat pump carbon emission and
ground-source heat pump systems for heating and cooling of buiildings: A review.
Environmental progress & Sustainable energy/ Volume 37, Issue 4.
NATURVÅRDSVERKETS. (den 7 10 2015). NFS 2008:2 - Förordning. Hämtat från köldmediukungörelsen: https://naturvardsverket.se/Stod-i-
miljoarbetet/Rattsinformation/Foreskrifter-allmanna-rad/NFS/2008/NFS-20082--- Upphavande-av-koldmediekungorelsen/
Omer, A. U. (2008). Ground-source heat pumps systems and applications. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 344-371.
Polarpumpen. (u.d.). Så fungerar en Bergvärmepump. Hämtat från Polarpumpen.se: https://www.polarpumpen.se/varmepumpar/kunskapsbank/sa-fungerar-en- varmepump
R.Z. Wang, X. X. (2010). Designe and performance of a constant temperature and humidity air-conditioning system driven by ground source heat pumps in winter. Energy
Conversion and Management, 2162-2168.
SGU. (den 16 09 2016). Sveriges geologiska undersökning. Hämtat från Jordvärme: https://www.sgu.se/samhallsplanering/energi/fornybar-geoenergi-och- geotermi/jordvarme/
Sundberg, J. (1991). Termiska egenskaper i jord och berg. Linköping: Svenska geotekniska institut.
SVEBY. (2013). Brukarindata kontor. Stockholm: Sveby Stockholm. Sveriges Geologiska Undersökning. (2016). Bergvärme. Hämtat från SGU:
https://www.sgu.se/samhallsplanering/energi/fornybar-geoenergi-och- geotermi/bergvarme/
Wang, Z. (2010). Designe and performance of a c0nstant temperature and humidity air- conditioning system driven by ground source heat pumps in winter. i Energy
53
Zhijian Liu, W. X. (2015). Investigation on the feasibility and performance of ground source heat pump (GSHP) in three cities in cold climate zone, China. Renewable Energy, 89- 96.
54