Återladdning av bergvärmekonfiguration vid samfälligheten Ängsbacken

(1)

ITN

Driftteknik – Tekniska högskolan vid Linköpings universitet

Återladdning av bergvärmekonfiguration

vid samfälligheten Ängsbacken

TQxx01

2009

Magnus Höglund

Martin Olsson

(2)

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.

(3)

Förord

Denna rapport är ett resultat av ett examensarbete omfattande 12 Hp utfört åt Newsec Energy i Stockholm under vårterminen 2009. 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 2: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.

(4)

Innehållsförteckning

1. Inledning ... 1

1.1 Syfte ... 1

1.2 Metod och källor ... 2

1.3 Frågeställning... 2

1.4 Avgränsningar... 2

2. Bakgrundsbeskrivning ... 3

2.1 Ängsbackens bergvärmeanläggning ... 4

2.2 Generell beskrivning bergvärme... 5

2.2.1 Värmepumpen... 6 2.2.2 Aktivt borrhålsdjup ... 7 2.2.3 Foderrör... 8 2.2.4 Kollektorslang... 8 2.2.5 Köldbärare... 8 2.2.6 Borrhålsmotstånd ... 9 2.2.7 Markens förutsättningar ... 9 2.2.8 Värmeuttaget ur borrhålen ... 10 2.2.9 Termisk influens ... 11

2.2.10 Dimensionering av en fastighets effektbehov... 12

2.2.11 U-värde ... 13 2.2.12 DUT20 ... 13 2.2.13 PE-slang ... 13 2.2.14 Primärkrets... 13 2.2.15 Sekundärkrets... 13 2.2.16 SP-godkännande ... 14 3. Genomförande... 15

3.1 Steg 1 – Beräknad energiförbrukning... 16

3.1.1 Fastigheternas dimensioner... 16

3.1.2 Valda U-värden... 18

3.1.3 Beräkning av transmissionsförlust vid DUT20... 18

3.1.4 Beräkning av ventilationsförlust vid DUT20... 19

3.1.5 Beräkning av Avloppsförlusterna ... 21

3.1.6 Total energiförlust vid DUT20 ... 21

3.1.7 Energiförlust per månad... 22

3.2 Steg 2 – Förbrukad energi... 23

3.3 Steg 3 – Ängsbackens energibehov ... 24

3.4 Ängsbackens effektmix... 25

3.5 Ängsbackens borrhålskonfiguration ... 26

3.5.1 Markens termiska data ... 28

3.6 Metod vid bestämning av tillåtet effektuttag ur marken... 29

3.7 Beräkning av markens temperatursänkning... 32

3.7.1 Beräkning av medeleffektuttaget ... 33

(5)

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 PMax... 35

3.8 Beräkning av tillåtet effektuttag ur berget ... 36

3.9 Solfångaren ... 40

3.9.1 Funktion ... 43

3.9.2 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 7.2 Otryckta källor ... 56 7.3 Mailkontakter... 58 7.4 Muntliga källor... 58 7.5 Bildkällor ... 58 8. Bilagor... Bilaga 8.1 – Borrplan... Bilaga 8.2 – 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 ...

(6)

1. Inledning

Newsec Energy bildades den första juli 2008 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 2.

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 2002 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. [27]

2004 stod den nya bergvärmeanläggningen klar. Den bestod av 28st 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. [27]

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.

(7)

1.2 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 2: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 2002 och 2003 är inte medräknad pga. att samfällighetens uppvärmning bestod av okänt antal i drift luftvärmepumpar, vars verkningsgrad är okänd, samt oljepanna. Energiförbrukningen från 2004 är heller inte medräkning då uppvärmningen bestod av både bergvärme, luftvärmepumpar samt oljepanna.

(8)

2. 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.[2]

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. [24]. I Stockholm har fjärrvärmetaxorna idag stigit till sådana nivåer att bergvärme blivit lönsamt gentemot fjärrvärme, framför allt om man även har ett kylbehov. [22]. 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.

(9)

2.1 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 000m2.

Inomhustemperaturen i fastigheterna är ca 23°C och 3-glasförnster är installerade. [27]

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. [12]

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 28 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 2∗4,5kW. Den femte och sista rymmer 7500L. Se bilaga 8.6.

(10)

2.2 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]

(11)

2.2.1 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]

(12)

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” [20] 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:

Kompressor Värme Kompressor Kompressor Mark W Q W W Q & & & & & = + = Φ Där: ) ( ) ( ) ( ) ( Wh elenergi Tillförd W Wh i värmeenerg Avgiven Q Wh i värmeenerg Tillförd Q e Performanc of t Coefficien COP r Värmefakto Kompressor Värme Mark = = = = = Φ & & &

(Man kan även beräkna värmefaktorn genom att beräkna den momentant upptagna värmeeffekten/levererade värmeeffekten och den tillförda effekten till kompressorn).

2.2.2 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]

(13)

2.2.3 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 2m i berget och minst 6m från markytan. [19]

2.2.4 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 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]

2.2.5 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 2300 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 29 % etanol och vatten vilket ger en fryspunkt vid -18°C. [23]. En nackdel med bioetanol är att viskositeten ökar vid låga temperaturer. [4]

(14)

2.2.6 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 – 0,12 (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 2300 övergår strömningen från turbulent till laminär. [18]

2.2.7 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. [23]

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 1,2

Granit 2700 2,9-4,2 830 0,6

Gnejs 2700 2,5-4,7 830 0,6

Kvarts 2650 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

(15)

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. [21]

2.2.8 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).[12],[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]

(16)

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]

2.2.9 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 25år 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

(17)

2.2.10 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. [22]

Figur 5. Dimensioneringsexempel av en bergvärmeanläggning, effekt som en funktion av tiden. Årets effekttoppar har placerats i storleksordning från vänster till höger.

(18)

2.2.11 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/m2,K. [11]

2.2.12 DUT20

DUT20 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 20 år. Idag används standarden DVUT, dimensionerande vinterutetemperatur. I Nacka är den extrema utetemperaturen -18°C vid DUT20. [22]

2.2.13 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]

2.2.14 Primärkrets

Primärkrets innefattar de system som finns utanför byggnaden. Det gäller borrhåls- samt solfångarkretsen. I detta system cirkulerar köldbärarvätskan. [2]

2.2.15 Sekundärkrets

Sekundärkretsen i detta sammanhang är kretsen inne i fastigheterna, så som

radiatorsystemet och vattenledningarna. I detta system cirkulerar värmebärarvätskan som består av vatten. [2]

(19)

2.2.16 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]

(20)

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 2 fastställdes energiupptaget till värmepumpen genom att studera protokoll över förbrukad el- och olja.

I steg 3 jämfördes resultaten i steg 1 och 2 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.

(21)

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 8.2.

3.1.1 Fastigheternas dimensioner

Byggnadernas mått uppskattades vara: 15m bred, 26m lång och 10m hög. De innefattar fyra

våningsplan vilket gav en takhöjd på 2,5m per våning. De nio medelhusens totala area är 14 040m2_{samt har volymen 35 100m}3_.

Inomhustemperaturen vid är 23°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).

Figur 6, fastigheternas storlek.

Beräkning av väggyta

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: ) 2 3 ( ) 2 3 ( ∗ ∗ ∗ + ∗ ∗ ∗ = b h l h A Där: ) (m våningplan per Höjd h = ) (m Bredd b = ) (m Längd l =

(22)

2 820 ) 2 4 5 , 2 26 ( ) 2 4 5 , 2 15 ( m A_Vägg = ∗ ∗ ∗ + ∗ ∗ ∗ = Där: m , h = 25 m b = 15 m l = 26

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.

X A A= 9∗ Vägg ∗ Där: (%) Procentuell yta X = 2 1107 15 , 0 820 9 m F_Area = ∗ ∗ = 2 6272 85 , 0 820 9 m VArea = ∗ ∗ = Där: % 15 = Fönster X % 85 = Vägg X Beräkning av takyta

Takytan beräknas med formeln för en rektangels area. Takisoleringen är generellt bättre än för väggar.

l b A= ∗ Där: ) (m Bredd b = ) (m Längd l =

(23)

Vid beräkning av total takyta multipliceras även antalet fastigheter in i formeln: 2 3510 26 15 9 m T_Area = ∗ ∗ = Där: m b = 15 m l = 26 3.1.2 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/m2K

Tak: 0,17 W/m2_K

Fönster (3-glas): 1,3 W/m2K

[7]

3.1.3 Beräkning av transmissionsförlust vid DUT20

Förlusten genom fönster, väggar och tak beräknas vid den extrema utetemperaturen -18°C.

Ekvationen för att beräkna transmissionsförlusterna ser ut följande: ) ( _Inne _Ute Trans U A T T P = ∗ ∗ − Där: K) W/m ( det 2 vär U U = − ) ( 2 m Arean A= ) ( C en Temperatur T = °

(24)

W P_Trans =(1,3∗1107+0,33∗6272+0,17∗3510)∗(18−(−18))=147800,16 Där: Fönster (3-glas): 1,3 W/m2K 2 1107m FArea = Vägg: 0,33 W/m2K 2 6272m VArea = Tak: 0,17 W/m2K 2 3510m T_Area = C T_Inne =18° C T_Ute = 18− ° [7]

3.1.4 Beräkning av ventilationsförlust vid DUT20

Vid beräkning av ventilationsförluster brukar man anta att bostadshusen omsätter inneluften 0,5ggr/timmen.

Ventilationsförlusterna kan beräknas med formeln: ) ( Inne Ute Vent m Cp T T P = & ∗ ∗ − Där: ) / ( det kg s Massflö m& = ) , / (kJ kg K itet värmekapac Specifik Cp = ) ( C en Temperatur T = ° [5]

(25)

För att beräkna massflödet av ventilationsluften används denna formel: t V m& = ρ∗ ∗0,5 Där: ) / ( 3 m kg Densitet = ρ ) ( 3 m da ytor av uppvärm volym as totala Bostädern V = ) (s Tid t = Beräkning av massflödet s kg m 6,303375 / 60 5 , 0 35100 293 , 1 2 = ∗ ∗ = & Där: 2 100 35 m V = s t = 602 ,293 =₁ _/ 3 m kg Luft ρ Följande ger: W PVent =6,303375∗1010∗(18−(−18))=229190,715 Där: s kg m& =6,303375 / K kg kJ CpLuft =1,01 / , ) ( C en Temperatur T = ° [6]

(26)

3.1.5 Beräkning av Avloppsförlusterna

Avloppsförlusten beräknades med denna formel.

A h Q_VV =5,0∗lg +0,05∗ Där: ) ( lgh = Antalet lägenheter st ) ( var 2 m ea värmd gol Total upp A = dygn kWh Q_VV =5,0∗156+0,05∗14040=1482 /

För att omvandla avloppsförlusten från kWh till W kan följande formel användas:

W t Q P VV VV 61750 24 1482000 = = = Där: ) (h Tid t = [8]

3.1.6 Total energiförlust vid DUT20

Här adderas de tre förlusterna med varandra för att räkna ut den totala förlusten.

VV Vent Trans tot P P P P = + + W P_Tot =147800,16+229190,715+61750=438740,875

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.

W Ptot +10%=438740,875∗1,1=482614,9625

(27)

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.2 Erfordrat effektbehov per månad och temperatur. [14],[15]

Månad,

Temp[°C]

P

Trans

[W]

P

Vent

[W]

P

VV

[W]

P

Tot

[W]

P

Tot

+ 10 %

[W]

Januari, – 3,0°C 86217 133698 61750 281664 309831 Februari, – 3,3°C 87448 135605 61750 284803 313283 Mars, – 0,5°C 75953 117779 61750 255481 281030 April, 4,0°C 57478 89130 61750 208358 229193 Maj, 9,8°C 33666 52205 61750 147620 162382 Juni, 14,8°C - - 61750 61750 67925 Juli, 16,6°C - - 61750 61750 67925 Augusti, 15,6°C - - 61750 61750 67925 September, 11,4°C 27097 42018 61750 130865 143952 Oktober, 7,2°C 44340 68757 61750 174847 192332 November, 2,4°C 64047 99316 61750 225113 247624 December, – 1,2°C 78827 122235 61750 262812 289093 Medelmånad, 6,1°C 46256 71729 61750 179734 197708

Fastigheternas årliga energibehov blir enligt uträkningarna ca 2,4MW och nedan görs en omräkning för att omvandla det till MWh.

år MWh P Q Totmedel 1731,92098 / 1000000 8760 197708 1000000 8760 * = ∗ = = &

(28)

Figur.9 Ängsbackens beräknade effektbehov månadsvis där Q0 är medeleffektuttaget.

3.2 Steg 2 – Förbrukad energi

Medelförbrukningen av el 2005 – 2008 är 671MWh/år, varav 92 MWh/år antas förbrukas av slingtankarna som slutvärmer tappvarmvattnet. Se bilaga 8.5. Värmepumpen

värmefaktor, COP, antas till 3. Värmepumpens värmeproduktion blir då

MWh/år )

(671−92 ∗3=1737 .

Under 2005-2008 förbrukades _{29m olja, oljepannans verkningsgrad antas vara 80 %}3

och en _{1m olja innehåller 10MWh. Under ett år levererar oljepannan i genomsnitt}2

58MWh.

(29)

3.3 Steg 3 – Ängsbackens energibehov

SF Projektledning har kommit fram till att fastigheternas totala energibehov är

1820MWh/år när beräkningar efter egen kalkyl använts. Vid beräkning av Fortums kalkyl beräknas fastigheternas totala energibehov till omkring 2046MWh/år. Se bilaga 8.3. Jämför man dessa två värden med det beräknade värdet av Ängsbackens

energiförbrukning på 1732MWh/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/m2_{, åren} 2005-2008. Se kapitel 3.2. 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.2 som underlag.

Månad

Procentuell

månadsförbrukning

[%]

Energiförbrukning

[MWh]

Total

effektförbrukning

[kW]

Värmepumpens

effekt

[kW]

Januari 13,1 247,2 338,6 292,2 Februari 13,2 249 341,1 292,2 Mars 11,8 222,7 305,1 292,2 April 9,7 183 250,7 250,7 Maj 6,8 128,3 175,8 175,8 Juni 2,9 54,7 74,9 74,9 Juli 2,9 54,7 74,9 74,9 Augusti 2,9 54,7 74,9 74,9 September 6,1 115,1 157,7 157,7 Oktober 8,1 152,8 209,3 209,3 November 10,4 196,2 268,8 268,8 December 12,2 230,2 315,3 292,2 Totalt 100 1888,6 2587,1 2455,8 Medelmånad 8,34 157,4 215,6 204,7

(30)

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 - 62,3kW 4∗62,3=249,2kW

Avgiven värmeeffekt för G43 0/50°C - 43,0kW 1∗43,0=43,0kW

Totalt avgiven effekt för pumparna vid 0/50°C 292,2kW

Effektuppgifterna är enligt EN255 (Exklusive cirkulationspumpar)

[12],[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 292,2kW. Se bilaga 8.8.

Cirkulationspumparna effektbehov försummas.

Figur.10 Ängsbackens effektbehov månadsvis där Q0 är medeleffektuttaget under året.

(31)

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. [22]

Figur.11 Borrhåll borrade i vinkel förenklas och antas som räta borrhål placerade på medeldjupet.

(32)

Figur.12 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.

(33)

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. [21]. 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 127mm.[23]

Det aktiva borrhålsdjupet antogs genom att räkna bort 8m från angivet borrhålsdjup på borrplanen pga. grundvattennivån. Se bilaga 8.1.

(34)

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 0,082K/(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]

(35)

Temperaturen i borrhålsväggen beskrivs av formeln: ) ( ) ( ) (t T t T t T_RTOT = _R + _Rq Där: t tiden vid eraturen brunnstemp totala Den TRTOT = tuttaget medeleffek pga ggen borrhålsvä i sänkningen Temperatur TR = . ar effekttopp pga ggen borrhålsvä i sänkningen Temperatur T_Rq = . [1]

Den stationära temperatursänkning ges av ekvationen:

g q T t T_R _om * 2 ) ( πλ − = Där: ) / ( ) , / ( ) ( m W get Effektutta q K m W ngstalet Värmeledni funktion G g C eratur vningstemp Ostördomgi T_om = = − = ° = λ

G-funktionen avläses ur ett diagram:

(36)

Där: ) ( ) ( ) ( ) ( s Bryttiden t s Tiden t m up borrhålsdj Aktivt H m stånd Borrhålsav B s = = = = ) (m dien Borrhålsra R_o = ) , / ( 3 K m J itet Värmekapac c = a H t_s 9 2 = c let ledningsta Temperatur a= = λ [1]

Temperatursänkningen pga. Effektpulser beräknades med ekvationen:

d referensti godtycklig en är t där t t q R t q t t t q q R at q t T p n q n q p i q n i i i p n Rq ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ < < + = = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − = − − = −

∑

, 2 0 1 , 0 1 , 1 1 2 0 * 5 ; 5772 , 0 ; 0 ln * 4 ) 4 ln( 4 ) ( γ πλ γ πλ

Ekvationen beskriver ett förlopp med flera effektpulser i följd.

[1]

Värmemotståndet i borrhålet:

Köldbärarens framledningstemperatur kan beräknas med formeln:

V C Q H Q m T T V C Q H Q m T T R R ng returledni R R g framlednin * 2 * 2 − − = + − = Där: ) / ( ) , / ( ) ( )) / /( ( 3 3 s m Volymflöde V K m J n köldbärare hos itet Värmekapac C W get Effektutta Q m W K ånd Värmemotst m_R = = = = [1]

(37)

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 (29 %)

789 2,43

Vatten (71 %)

998 4,18 3 / 940 39 , 937 71 , 0 998 29 , 0 789 kg m Köldbärare = ∗ + ∗ = ≈ ρ K kg kJ CpKöldbärare =2,43∗0,29+4,18∗0,71=3,6725≈3,7 / ,

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.

(38)

3.7.1 Beräkning av medeleffektuttaget kW kW q wKompressor kondensor 68,2 3 7 , 204 = = Φ = kW kW kW w q

q_medel_berg = _kondensor − _Kompressor =204,7 −68,2 =136,5

Där: ) ( ) ( ) ( kW effekten Kompressor w kW t värmeeffek Uttagen q kW t värmeeffek Tillförd q Kompressor kondensor berg = = = 3 = = Φ Värmefaktorn [1]

3.7.2 Beräkning av maximalt effektuttag från berget

kW kW q w kondensor Kompressor 97,4 3 2 , 292 = = Φ = kW kW kW w q

q_max _berg = _kondensor − _Kompressor = 292,2 −97,4 =194,8

3.7.3 Beräkning av effektpulsen vid tre månaders drift vid maximal effekt

kW kW

kW q

q

q_effektpuls = _max_berg − _medel_berg =194,8 −136,5 =58,3

Effektpulsen, qeffektpuls angivet i W/m och blir då:

m W m W H q_effektpuls / 6 , 8 6784 58300 ₌ =

(39)

3.7.4 Beräkning av borrhålsväggens temperatursänkning ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∗ − = p p Rq t t q Y R t a q t T *ln 2 4 * 4 ln ) ( 2 0 πλ πλ Där: 6 3 10 * 535 , 1 2241000 44 , 3 ) ( , / 2241000 ) ( , / 44 , 3 5256000 ) 2 ( 2628000 ) 1 ( − = = = = = = = c a gnejs K m J c gnejs K m W s månader t s månad t_p λ λ m R₀ =0,0635 C Y mån T_Rq ⎟=− ° ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∗ − = − 81 , 1 2628000 5256000 ln * 44 , 3 * 2 6 , 8 44 , 3 * 4 0635 , 0 2628000 * 10 * 535 , 1 * 4 ln 6 , 8 ) 2 ( 2 6 π π Där: [1] C mån T C mån T C mån T C mån T Rg Rg Rg Rg ° − = ° − = ° − = ° − = 09 , 2 ) 4 ( 97 , 1 ) 3 ( 81 , 1 ) 2 ( 53 , 1 ) 1 (

(40)

3.7.5 Beräkning av köldbärarens framledningstemperatur vid PMax

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.

V C Q H Q m T Tframledning R R * 2 + − = Där: s m Volymflöde V K m J n köldbärare hos itet Värmekapac C m W K ånd Värmemotst m W g effektutta Max Q R / 01624 , 0 , / 10 * 3478 ) / /( 10 , 0 10 * 8 , 194 3 3 3 3 = = = = = = = =

Genom att sätta TR till 0 kan temperaturskillnaden mellan borrhålsväggen och köldbäraren beräknas. C T_framlednin_g = − + =−1,18° 01624 , 0 * 10 * 3478 * 2 10 * 8 , 194 6710 10 * 8 , 194 10 , 0 0 3 ₃ 3 [1] Returledningens temperaturskillnad kan beräknas på liknande sätt:

C Treturledning = − − =−4,63° 01624 , 0 * 10 * 3478 * 2 10 * 8 , 194 6710 10 * 8 , 194 10 , 0 0 ₃ 3 3

Temperaturskillnad över köldbäraren vid maximalt effektuttag:

C T

T

T = _framlednin_g − _turledning =− −− = °

(41)

3.8 Beräkning av tillåtet effektuttag ur berget

Effektpulsen TRq(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 TR(t) vara:

C T t T t T_R( )= _Rq( )+ _framlednin_g =−1,81+(−1,18)=−2,99≈−3°

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 25års 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.

(42)

Sektor 1

Antal borrhål: 4st

Aktivt borrhålsdjup: 187m/borrhål i genomsnitt Totalt aktivt borrhålsdjup 748m

Tillåtet effektuttag vid 10års drift, 17,1W/m Tillåtet effektuttag vid 25års drift, 14,7W/m

Sektor 2

Antal borrhål: 16st

Sektor 3

Antal borrhål: 3st

Sektor 4

Antal borrhål: 3st

(43)

Sektor 5

Antal borrhål: 3st

Sektor 6

Antal borrhål: 3st

Sektor 7

Antal borrhål: 4st

Sektor 8

Antal borrhål: 1st

(44)

Sammanställning av tillåtet effektuttag

Sammanställning av resultatberäkningar sektor 1-8.

Tabell.5 Resultatet av sektorberäkningar visar tillåtet effektupptag ur marken.

Sektor

W/m

efter 10

år

10 år

[W]

W/m

efter 25

år

25 år

[W]

Aktivt

borrhålsdjup

1 17,1 12 791 14,7 10 996 748 2 8 21 296 6,4 17 037 2662 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 9 332 13,8 8 363 606 7 16,8 12 566 14,6 10 921 748 8 20,7 4 181 19,3 3899 202 Totalt - 93 072 - 80 304 6784 Medeleffekt/meter [W/m] ₆₇₈₄ 13,7W /m 93072 P_medel₁₀_år = = 11,8W /m 6784 80304 P_medel₂₅_år = =

(45)

3.9 Solfångaren

Som förslag på solfångarlösning valdes en oglasad lågtempererad solfångare med plaströr. Denna typ av solfångare är mest effektiv vid låga utomhustemperaturer när värmebärarens temperatur är lägre än den omgivande lufttemperaturen. Solfångaren hämtar energi dels från solinstrålningen, genom värmeledning från den omgivande luften samt genom att luftfuktigheten kondenserar mot absorbatorrören. Solfångaren bör för högsta möjliga solinstrålning placeras i söderläge, men då stora delar av tillskottet

kommer från den omgivande luften ger den ett acceptabelt värmetillskott även i norrläge. [25],[26]

Konstruktionslösning

Solfångaren kopplas in i serie i sekundärkretsen mellan värmepumpens förångarsida och borrhålen. Köldbäraren leds direkt till solfångaren och fungerar som dess värmebärare. Köldbärarens lägsta systemtemperatur är precis efter förångaren vars temperatur ofta ligger strax under 0°C, vilket möjliggör potentiell återladdning även vintertid.

Köldbärarens temperatur är stora delar av året lägre än utomhustemperaturen varför en lågtempererad solfångare får en avsevärt längre drifttid. Köldbärarens egenskaper lämpar sig väl för denna modell av solfångare. [25]

(46)

Den föreslagna solfångarlösningen går inte att köpa färdig från någon leverantör utan är en lösning som vi själva konstruerat. Delarna kan köpas separat men

konstruktionslösningen ska ses som ett förslag på hur ett soltak skulle kunna konstrueras och är inte testad.

Som grund till solfångaren ligger en solfångare tillverkad av Uponor som har

tillhandahållit en testrapport utförd av SP (Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut). Se bilaga 8.7. Denna lösning antas ha samma prestanda som Uponors solfångare. I SP:s testrapport beräknades årsutbytet i solfångaren till 885kWh/m2 vid en medeltemperatur 15°C i solfångaren. I praktiken blir årsutbytet större då man vid återladdning av en bergvärmeanläggning kan återladda vid betydligt lägre temperaturer. Återladdning är möjlig så länge köldbärartemperaturen är lägre än

värmebärartemperaturen i solfångaren. Pga. att inga testresultat vid lägre temperaturer fanns tillgängliga används årsutbytet vid 15°C i våra beräkningar.

Absorbatorrören består av 16mm PE-slang som placeras med 0,5cm mellanrum vertikalt på taket. Längs med takfot och nock placeras ett samlingsrör horisontellt som PE-slangen fästs i. Köldbäraren fördelas genom det undre samlingsröret och pumpas vertikalt längs taket till det övre samlingsröret. PE-slangen fästs på horisontella skenor som monteras med 1m mellanrum längs med taket. PE-slangen fästs med hålband som skruvas fast med plåtskruv i fästskenan. PE-slangen fästs med en rak inv. 16XR20-koppling och

slangkopplingen skruvas fast i samlingsröret. Samlingsrören fäst i sektioner längs med takfoten och fästs sedan i taket med takfästet.

Taket på den fastighet som solfångaren ska monteras på är av tegel. Specialfästen till skenorna som fästs i läkten under tegelpannorna har därför tagits fram. Skenorna skruvas fast i takfästet.

(47)

Figur.20 Solfångaren monterad på ett tegeltak.

Absorbatorrören har en utvidgningskoefficient på 1,8mm/°C, 9m. Detta är något man bör ta hänsyn till vid konstruktion. [22]

(48)

3.9.1 Funktion

Det inkommande flödet till soltaket hämtas alltid efter förångaren genom ventil S1. Det utgående flödet från soltaket skickas till borrhålen för återladdning via ventil S3 och S2, eller direkt till förångaren via ventil S3 och S4. Soltaken kan både återladda borrhålen och vid behov höja inkommande köldbärartemperatur till värmepumpens förångardel. Temperaturmätare är installerade i kretsen och mäter köldbärarens fram- och

(49)

3.9.2 Driftfall

Utifrån soltakens konstruktion och syfte i systemet har följande driftsfall tagits fram.

Driftfall.1 Återladdning av borrhålen

När utomhustemperaturen är högre än utgående köldbärartemperatur startas återladdningen, när villkoret ∆T = T4–T1 = > 3°C under t = 30min är uppfyllt. Ventil S1: A = öppen, B = öppen, C = stängd.

Ventil S2: A = öppen, B = öppen, C = stängd. Ventil S3: A = öppen, B = stängd, C = öppen. Ventil S4: A = stängd, B = öppen, C = öppen.

Driftafll.2 Spetsvärmning till förångaren

Vid låg framledningstemperatur till förångaren kan solfångaren leverera spetsvärme och höja inkommande köldbärartemperatur. Driftfall.2 aktiveras när villkoret T2 = < 0°C och T4-T2 = > 3°C är uppfyllt.

Ventil S1: A = öppen, B = öppen, C = öppen. Ventil S2: A = stängd, B = öppen, C = öppen. Ventil S3: A = öppen, B = öppen, C = stängd. Ventil S4: A = öppen, B = öppen, C = öppen.

Driftfall.3 Soltaken ej i drift.

Vid låga utomhustemperaturer eller hög köldbärartemperatur kan inte soltaket leverera någon energi och tas ur drift. Det sker när villkoret T3 - (0,5(T2+T1)) < 1,5°C under t = 30min är uppfyllt.

Ventil S1: A = öppen, B = stängd, C = öppen. Ventil S2: A = stängd, B = öppen, C = öppen. Ventil S3: A = stängd, B = stängd, C = stängd. Ventil S4: A = stängd, B = öppen, C = öppen.

(50)

3.9.3 Cirkulationspump

Som cirkulationspump valdes en tryckpump som av praktiska skäl placeras vid marknivå. Detta görs för att underlätta underhåll och reparation. Pumparnas flöde ska vara

reglerbara och de ska vara ihopkopplad med utgående temperaturgivare (T3) samt utomhustemperaturgivare (T4). Genom detta kan flödeshastigheten genom soltaken regleras.

Fastigheternas höjd avgjorde valet av pump. Pumpen måste vara en tryckpump eftersom en sugpump inte har kapacitet att suga upp vattnet till en höjdskillnad på 10m.

I pumpsammanhang är det vanligt att tala om tryckhöjd i meter per vattenpelare (mvp). 1 mvp motsvarar är 0,1atm (atmosfärstrycket) vilket motsvarar 10,1325kPa. Även friktion i PE-slangen kommer att motverka sugpumpen förmåga att suga upp vattnet 10mvp. Där av valet att använda en tryckpump.

3.9.4 Optimering av soltakets yta

Nödvändigt årsmedeleffektuttag ur marken beräknades till 136,5kW för att täcka

Ängsbackens energiförbrukning. Se kapitel 3.7.1. Tillåtet årsmedeleffektuttag ur marken beräknades till 80,3kW efter 25års drift. Se kapitel 3.9.9.

Det ger att soltaket behöver tillföra 136,5kW – 80,3kW = 56,2kW i årsmedeltillskott, som motsvarar 492MWh/år. Återladdningen anses minska det stationära årliga nettouttaget ur marken med motsvarande mängd. Vid beräkningar får tillskottet från solfångaren subtraheras från det årliga stationära nettouttaget ur marken. [26] Soltakets nödvändiga area för att täcka tillskottsbehovet kan då beräknas.

2 2_, 556 / 885 / 492000 m år m kWh år kWh A_Soltak= =

(51)

3.9.5 Placering av soltaket

Figur.22 Bilden visar takytan där solfångaren ska placeras. Del A och C placeras i söderläge medan B placeras i norrläge. (Källa: hitta.se)

Soltakets nödvändiga area beräknades till 556m2 och därefter valdes lämplig takyta ut. Måtten är uppskattade utifrån flygfotot i Figur.22. Detta är därför grova uppskattningar av takytan.

Takyta A och B (Soltak 1)

Tak A och B är lika stora. Ytan för A var sedan tidigare känd 187m2_{och längden} uppskattades till 20m. [22],[23]. Detta ger takbredden 9,35m.

Total takyta för A och B tillsammans blir 2*187 = 374m2

Takyta C (Soltak 2)

Längden för soltak C uppskattades till 26,7m. Takytan blir då 9,35 * 26,7 = 249m2.

Takplacering för solfångare

Den sammanlagda ytan för soltaken blir 374m2 + 249m2 = 623m2.

Då 556m2_{ska användas utnyttjas först och främst yta A och C vetter mot sydsidan. Detta} innebär att 120m2 av yta B behöver användas. Soltak 1:s totala yta blir därför 307m2.

(52)

3.9.6 Flödet i absorbatorrören

Soltakens bredd från takfot till nock är 9,35m2_{. Av detta upptar absorbatorrören 9m och} samlingsrören 35cm längs med takfot och nock.

Flödet i varje absorbatorrör antas vara samma som i SP:s testrapport, där massflödet är 0,122kg/s för 48st absorbatorrör som är 3m långa. Se bilaga 8.7. Testet antas vara utfört med vatten som värmebärare. Rörens innerdiameter antas vara 12mm. Hastigheten i röret kan då beräknas med kontinuitetsekvationen:

v A m v v A m * * * & & = ρ→ = Där: ) / ( det ) / ( ) / ( ) ( 3 3 s kg Massflö m m kg Densiteten s m n Hastighete v m Arean A = = = = & ρ Insättning ger: s m v m A s kg m / 0225 , 0 1000 * 10 * 13 , 1 00254 , 0 10 * 13 , 1 4 * 012 , 0 / 00254 , 0 48 122 , 0 4 3 4 2 = = = = = = − − π & [3] För att vätskans uppehållstid i absorbatorröret ska överensstämma med testresultatet, ökas hastigheten med en faktor 3 till 0,0674m/s. (I testet var absorbatorrören 3m långa medan Ängsbackens absorbatorrör är 9m långa).

Massflödet per absorbatorrör blir då:

s kg m&_absorbator_rör=1,13*10−4*0,0674*940=0,00716 / 3 / 940kg m n köldbärare = ρ