Återladdningsförmågan hos en Bergvärmepump

ÅTERLADDNINGSFÖRMÅGAN HOS EN

BERGVÄRMEPUMP

En analys av borrhål då en bergvärmepumpsanläggning utnyttjar bergets

termiska energi året om, för både ett värme- och kylbehov i en fastighet.

FELIX JOHANSSON

Akademin för hållbar samhälls- och teknikutveckling

Kurs: Examensarbete Kurskod: ERA206 Ämne: Energiteknik Högskolepoäng: 15hp

Program: Energiingenjör Värme

Handledare: Pekka Kuljunlahti Examinator: Jan Sandberg Datum: 2020-05-18 E-post:

i

ABSTRACT

Geothermal energy that is being used for space heating with help of heat pumps is getting more and more common. In Sweden 2016, there was over 300 000 different facilities using geothermal energy with the help of bore hole heat exchangers, so called ground source heat pumps (GSHP). A GSHP uses the heat stored in the bedrock to heat a buildings supply of hot water and for space heating. While using a GSHP, the heat extracted from the bore hole leads to a temperature decrease in the hole. During summer periods, when the heat demand for the building is not as high, the GSHP is not in use. When the GSHP is not working the temperature in the borehole has a chance to recharge with the help of the surrounding bedrock and sun’s heat radiation. However, this time period for the borehole to recharge isn’t always enough to ensure that the temperature in the hole is what it once was and will overtime decrease

With the help of a GSHP that can satisfy both a heating demand and a cooling demand the GSHP can help with the grounds natural recharge rate. During the winters season when the demand for heat is high, the unit will extract heat from the bore hole resulting in a temperature decrease in the bedrock, during summer when space cooling is of a high demand, the heat pump can use the borehole to instead supply heat back into the bore hole. Helping with the bore holes’ normal recharge rate.

The simulations software IDA-ICE was used to compare two different GSHP systems. The first system was designed to only supply a building with its heating demand and its bore holes’ was simulated in a way so that they did not influence another hole. The second GSHP system was the same heat pump and bore hole model. However, this system was designed to cover both the heating and cooling demand for the house. Comparisons between the two systems influences on the bore holes include the power output, mean temperatures and the GSHP overall efficiency.

Thanks to using the second GSHP for both a heating and cooling demand the total heat extraction from the bore hole was reduced by 27,5 % compared to the GSHP that only delivered a heat demand. Due to the reduction of the total heat extraction, heat had been returned down the bore hole when the building had a large cooling demand. This heat increased the temperature in the bore hole during summertime when the first GSHP only relied on the grounds normal recharge rate. This meant that the mean temperature in the bore holes during the first year for the combined load GSHP: was 0,17 ᵒC higher than for the first GSHP. After 5 years of simulation time the mean temperature hade increased to be 0,23 ᵒC higher than of the GSHP that only covered the heat demand. Both units had no notable change in their efficiency throughout the simulation period.

Keywords: Heat pump, Ground source heat pump. Power output, bedrock, bore hole heat exchange

iii

SAMMANFATTNING

Geotermisk energi som utnyttjas av värmepumpar blir allt vanligare, och i Sverige 2016 fanns det över 300 000 anläggningar som utnyttjade geotermiska energin med hjälp av borrhål, så kallade bergvärmpumpar (BVP). När en BVP utnyttjar värmeenergin som finns i berget, används denna oftast till en fastighets varmvatten och radiatorsystem. Temperaturen i borrhålet sjunker under den tid värmepumpen är i drift. Under sommarhalvåret när värmebehovet inte är lika högt i fastigheten, så används inte värmepumpen i samma utsträckning, och den mängd värme som anläggningen tar ut från borrhålet sjunker. Under denna period på året återhämtar sig temperaturen i borrhålet med hjälp av omgivande berg och även en liten mängd värme från solinstrålningen. Skulle det vara så att värme uttaget från borrhålet är väldigt högt eller att återladdningsperioden inte räcker till att återställa temperaturen i borrhålet, kommer temperaturen sjunka mer och mer vilket kommer leda till sämre förhållanden för bergvärmepumpen att jobba i.

Med hjälp av en bergvärmepump som inte bara kan leverera en fastighets värmebehov, utan även kan leverera ett kylbehov. Kan man efter en vintersäsong där värme har utnyttjats från borrhål, vilket lett till temperaturen i borrhålet har sjunkit, använda det undertempererade borrhålet till att leverera fastighetens kylbehov under sommaren. När anläggningen tar ut kyla från borrhålet skickar anläggningen tillbaka värme ner i borrhålet och på så vis hjälper borrhålets naturliga återladdningsförmåga till kommande vinterperiod.

I simuleringsprogrammet IDA-ICE undersöks två bergvärmepumpsanläggningar där den första värmepumpen endast var designat att kunna leverera fastighetens värmebehov, medan den andra värmepumpen kunde leverera både värme- och kylbehovet. Sedan gjordes jämförelser på hur de två anläggningar påverkade borrhålen, vilket effektuttag, temperatur och hur det påverkade värmepumparnas verkningsgrad.

Tack vare det kombinerade möjligheten från den andra bergvärmepumpen, att utnyttja borrhålen till både värme och kyla åt fastigheten, minskade den uttagna energin från marken med 27,5 % jämfört med värmepumpen som endast levererade värme. Minskningen av den uttagna effekten innebar att värme återfördes ner i borrhålet när byggnaden hade ett kylbehov. Tack vare den återförda värmen till borrhålen, ökade medeltemperaturen i borrhålen hos den kombinerade värmepumpen jämfört borrhålen till den första värmepumpen, med 0,17ᵒC första året och efter fem års tid hade den kombinerade anläggningen en medeltemperatur 0,23ᵒC högre. Båda värmepumparna verkningsgrad fick inga större skillnader under den simulerade tiden.

Nyckelord: Värmepump, bergvärmepump, effektuttag, berggrund, värmeöverföring borrhål

iv

FÖRORD

Detta arbetet är utfört med hjälp av koncernen Sweco i deras mål att förbättra och förstå energiutvinningsförmågan hos anläggningar för värme och kyla.

Vill tacka min handledare från Sweco, Martin Sundell, för den hjälp och assistering av verktyg som behövts till att fullgöra rapporten. Min handledare Pekka Kuljunlahti och examinator Jan Sandberg för all expertis, kunskap och vägledning.

Västerås 2019–02–11 Felix Johansson

6

INNEHÅLL

1.3 Bergets naturliga återladdningsförmåga ...15

1.4 En Värmepumps prestanda ...16 1.4.1 Fastigheten ...18 1.5 Syfte ...18 1.6 Frågeställningar...18 1.7 Avgränsningar ...18 2 METOD ...20 2.1 Litteraturstudie ...20 3 LITTERATURSTUDIE ...21

3.1 COP-värdet beroende av temperaturen i marken ...21

3.2 Energilagring i berg ...23

3.3 Återladdningsförmågan hos olika typer av bergvärmepumpslösningar ...25

4 AKTUELL STUDIE ...26 4.1 IDA-ICE ...26 4.1.1 Fastighet för simulering ...26 4.1.2 Uppbyggnad av en BVP i IDA-ICE ...27 4.1.3 BVP A ...28 4.1.4 BVP B ...29

4.1.5 Modell för borrhål IDA-ICE ...30

4.1.6 Anläggningen BVP A...36

4.1.7 Anläggningen BVP B...37

7

5.1 Effektuttag borrhål år 1 BVP A och BVP B ...38

5.2 Borrhålens Temperaturtrend år 1 ...42 5.2.1 BVP A ...42 5.2.2 BVP B ...43 5.3 COP år 1 ...44 5.3.1 BVP A ...44 5.3.2 BVP B ...45 5.4 5 år simulerings tid ...46 6 DISKUSSION...48 7 SLUTSATSER ...50

8 FÖRSLAG FORTSATT ARBETE ...50

9 REFERENSER ...51

10 BILAGOR ...54

10.1 Bilaga A produktblad Värmepumpar IVT ...54

IVT GEO FASTIGHETSVÄRMEPUMP ...55

8

FIGUR- OCH TABELLFÖRTECKNING

Figur 1 Sveriges energianvändning 2017 (Energimyndigheten, 2017) ... 12

Figur 2 illustrering utav en markvärmeslinga (SGU, 2016)... 13

Figur 3 Motsvarighet hur processen ser ut i ett borrhål (Björk Erik, 2013) ... 14

Figur 4 Komponent illustration, Polarpumpen.se ... 15

Figur 5 COP värdet beroende på temperaturen in i värmepumpen mot den levererade temperaturen ifrån anläggningen. (Mohammad Ali Ahmadi, 2017) ... 17

Figur 6 Illustration hur borrhålets temperatur varierar över ett år ... 17

Figur 7 Marktemperaturens sjunkande trend hos hus A (Zhijian Liu, 2015). ... 21

Figur 8 Marktemperaturtrenden för anläggningen under 10 år (Zhijian Liu, 2015). ... 22

Figur 9 COP-värden för MVP hus B under ett år (Zhijian Liu, 2015). ... 22

Figur 10 Marktemperaturstrenden under ett år (Zhijian Liu, 2015). ... 23

Figur 11 Långsiktigt temperatursänkning av medeltemperaturen hos hålväggen i ett borrhål. ... 24

Figur 12 Värmeabsorbering med hjälp av Solfångare. (Mohammad Ali Ahmadi, 2017) ... 25

Figur 13Fastighetens uppvämnings samt kylsystem i ESBO ... 28

Figur 14 Fastighetens uppvämnings samt kylsystem i ESBO ... 29

Figur 15 Termiska kopplingar i borrhål, nod j mellan borrhålsvägg, fyllnadsmaterial och köldbärare (Laestander, 2017) ... 31

Figur 16 Objekt borrhål IDA-ICE ... 33

Figur 17 Avancerad uppbyggnad utav anläggningen från IDA-ICE. ... 36

Figur 18 Avancerad uppbyggnad utav anläggningen från IDA-ICE. ... 37

Figur 19 BVP-A. Y-axel Värmeeffektuttaget från borrhål (W). X-axel tid på året presenterat för månad och timmar. ... 38

Figur 20 BVP- B. Y-axel Värmeeffektuttaget från borrhål (W). X-axel tid på året presenterat för månad och timmar. ... 39

Figur 21 Ovan, BVP A's effektuttag för datumspann 2019-05-20 till 2019-05-26. Nedan, BVP B's effektuttag för datumspann 2019-05-20 till 2019-05-26. ... 40

Figur 22 Y-axel representerar temperaturen i borrhålen i grader Celsius. X-axeln representerar vilken tid på året i månader och timmar. ... 42

Figur 23 Y-axel representerar temperaturen i borrhålen i grader Celsius. X-axeln representerar vilken tid på året i månader och timmar. ... 43

Figur 24 Medeltemperatur i borrhål motsvarande medeltemperaturen för uteluften ... 43

Figur 25 Y-axel presenterar VP COP. X-axeln presenterar tiden i månader och timmar... 44

Figur 26 Y-axel presenterar VP COP. X-axeln presenterar tiden i månader och timmar. ... 45

Figur 27 Skillnader för den uttagna energin hos BVP A och BVP B ... 46

Figur 28 Borrhålens medeltemperatur BVP A och BVP B efter 5 år ... 47

Tabell 1 Sammanställning utifrån Sveby brukarindata för nya kontorsbyggnader ... 26

9

Tabell 3 Beskrivning variabler Formel 2 ... 34

Tabell 4 Utvunnen energi ifrån borrhål år 1 ... 39

Tabell 5 SCOP BVP A ... 44

Tabell 6 SCOP sammanställning från BVP A och BVP B ... 45

Tabell 7 Jämförelsedata, energi, för BVP A och BVP B för en 5 års simuleringsperiod... 46

Tabell 8 Jämförelsedata, SCOP och medeltemperatur, i borrhål för BVP A och BVP B. 5 års simuleringstid ... 47

10

NOMENKLATUR

Begrepp Tecken Enhet

Temperatur T °𝐶

Tid s,h sekunder, timmar

Area A 𝑚2 Djup h meter Avstånd m meter Värmeöverförningstal U, λ 𝑾 𝒎𝟐_.𝑲 Massflöde ṁ kg/s Flöde 𝑄̇ L/s Effekt Q W Energi E 𝑘𝑊ℎ Värmekapacitet Cp kJ/kg Densitet ρ 𝑘𝑔/𝑚3

FÖRKORTNINGAR OCH BEGREPP

Förkortning Beskrivning

EU Europeiska Unionen

MVP Markvärmepump

JVP Jordvärmepump

BVP Bergvärmepump

VVS Värme, Ventilation och Sanitet

SGU Sveriges Geologiska Undersökning

COP Coefficient of Performance

SCOP Säsong, Coefficient of Performance

λ - lambdavärde Ett materials förmåga att leda värme med enhet

W/m, K

Cp Specifika värmekapaciteten som anger ett

ämnes förmåga att lagra energi, enhet J/kg, K

12

1

INTRODUKTION

September 2015 antog Europeiska Unionen (EU) Agenda 2030, som idag ligger i grund för de klimat och generationsmål som Sverige har. Denna agenda motsvaras av 17 olika miljömål, som innebär att de existerande resurser inom natur och kultur ska vara hållbara ur ett framtidsperspektiv. Effektiv energianvändning samt hållbara och förnyelsebara energikällor, är exempel på strategier för att uppnå dessa mål (Miljömål, 2018).

Den totala energianvändningen 2017 i Sverige motsvarade 378 TWh. Fördelningen av energianvändningen kan ses i Figur 1 . Bostäder och service samt industri stod för cirka 40 % motsvarande 146 TWh respektive 143 TWh. Transportsektorn stod för 88 TWh och 20 % av den totala energianvändningen (Energimyndigheten, 2017)

Figur 1 Sveriges energianvändning 2017 (Energimyndigheten, 2017)

Back, 2008 undersökte de olika klimatpåverkningarna en BVP kan ha och inom vilka områden som berörs. Miljökvalitetsmålet som beskriver ”Begränsad klimatpåverkan” är antaget av riskdagen och innebär: ”Halten av växthusgaser i atmosfären skall i enlighet med FN: s

ramkonvention för klimatförändringar stabiliseras på en nivå som innebär att människans påverkan på klimatsystemet inte blir farligt. Målet skall uppnås på ett sådant sätt och i en sådan takt att den biologiska mångfalden bevaras, livsmedelsproduktionen säkerställs och andra mål för hållbar utveckling inte äventyras. Sverige har tillsammans med andra länder ett ansvar för att detta globala mål kan uppnås.” (Back, 2008)

För att Sverige ska lyckas uppnå sina politiska miljömål görs exempelvis förbättringar på byggnaders förmåga att spara energi. Förbättringar av elektriska komponenters verkningsgrad samt att utbyte av fossila bränslen till förnybara energikällor.

Målet med förnybara energikällor är att minska utsläpp och användning av fossila bränslen som behövs för exempelvis uppvärmning eller elproduktion. Idag existerar olika former av förnyelsebara energikällor runt om i världen, så som solenergi, vindenergi och geotermisk

13

energi. (Mohammad Ali Ahmadi, 2017). Geotermisk energi utnyttjas av en värmepump (VP) och kan användas för både kylning och uppvärmning i fastigheter för att minska energianvändningen med cirka 45–70% beroende på vilken typ av VP som används (Energimyndigheten, 2014).

1.1

Bakgrund

Det finns två typer av VP som utnyttjar den geotermiska energin från marken.

• Markvärmepump/jordvärmepump, MVP/JVP • Bergvärmepump, BVP

Vanligtvis utnyttjar dessa två system den termiska energi som finns lagrad i marken för uppvärmning utav tappvarmvatten och fastighet. (Björk Erik, 2013)

1.1.1

Markvärmepump

Markvärmepumpar eller jordvärmepumpar (MVP/JVP) använder en rörledning som är begravd på ett djup av 1,0 – 2,0 meter. I röret placerat i marken, cirkulerar en frysskyddad vätska. Vätskans uppdrag är att ta upp den värmeenergi som marken överför till röret och sedan föra värmen till värmepumpen. På grund av det låga markdjup som systemet är installerat på, påverkas rörslingan i marken starkt av temperaturförändringarna, vilket är en av de större nackdelarna för anläggningen. Detta kommer i sin tur kommer påverka den levererade effekten hos värmepumpen (Mohammad Ali Ahmadi, 2017).

Då en MVP är i drift, och rördragningarna i marken påverkas av marktemperaturen, kan rörsystemets temperatur sjunka under fryspunkten för vatten. Eftersom markens temperatur används för att leverera värmeenergi till fastigheten försämrar detta värmepumpens verkningsgrad. Vid användningen av en MVP sker den största delen av återladdningen utav av

14

markens termiska energi endast under sommartid då solens direkta strålningsvärme påverkar marken. På grund av detta kan marktemperaturerna under sommartid bli för höga för att systemet ska kunna användas för kylning (SGU, 2016).

1.1.2

Bergvärmepump

Bergvärmepumpar (BVP) är den vanligaste formen av geoenergi i Sverige. Den geotermiska energin1 _{som en BVP}

utnyttjar kommer dels ifrån solens instrålning på jordskorpan samt, men mestadels kommer ifrån omslutande berg runt borrhålet. Anläggningen utnyttjar den lagrade energin från berget via djupa borrhål som vanligtvis är mellan 150–200 meter djupa. Anledningen till detta djup är att temperaturen håller sig jämn trots varierande ute temperatur. I borrhålet förs en kollektorslang ner som bär på en köldbärarvätska. Slangen kommer aldrig i direkt kontakt med borrhålväggen, det medför att bergets värme måste transporteras från berget till kollektorslangen genom luften. Luft har en väldigt låg värmeledande förmåga. Därför är borrhålen väldigt ofta anlagda i områden där det finns mycket grundvatten, vatten har ungefär fem gånger så hög värmeledande förmåga som luft (Sundberg, 1991). Om borrhålet fylls med vatten, agerar vattnet som en överförningslänk mellan berget och

kollektorslangen. Lösningar för områden utan vatten i borrhålet existerar, där fylls hålet med en typ av puts. Anläggning av borrhål för denna typ av lösning ökar ofta installationskostnaden eftersom väldigt stora mängder av puts behöver användas för att fylla området mellan bergvägg och kollektorslang. Köldbärarvätskan i kollektorslangen har i uppgift är att extrahera den värmeenergin som finns i berget och föra värmen till värmepumpen. Köldbärarvätskan behövs extremt sällan byttas ut, vilket gör systemet nästintill underhållsfritt. Större bergvärmepumpsanläggningar behöver flera borrhål för att kunna leverera sitt behov och placeringen av borrhålen ska helst ske så att dem inte kan påverka varandras termiska egenskaper. Detta är för att få ut den högsta möjliga effekten ifrån borrhålen (Mohammad Ali Ahmadi, 2017).

Temperaturen i borrhålen har inte lika stora variationer över året som för en markvärmepumpsanläggning, vilket gör en BVP ett fördelaktigt system för att utnyttjas till en fastighets värme- och kylbehov (SGU, 2016).

1 _{BVP kan inte jämföras med elproducerande geotermiska anläggningar. Trots att}

värmeväxlingsprocessen med hjälp utav borrhål är likt. Anläggningar för elproduktion från geotermiskenergi har borrhål som sträcker sig djupare än 2000m och den termiska energin utnyttjad kommer endast ifrån jordkärnans radioaktiva sönderfall (SGU, 2016).

Figur 3 Motsvarighet hur processen ser ut i ett borrhål (Björk Erik, 2013)

15

1.2

Bergvärmepumpar idag

År 2016 fanns det enligt Sveriges geologiska undersökning (SGU) över 300 000 olika bergvärmeanläggningar i Sverige (Sveriges Geologiska Undersökning, 2016).

Om borrhålen till en bergvärmepumpsanläggning är dimensionerade och konstruerade för rätt laster, kan energin som anläggningen nyttjar från borrhålen, utnyttjas för evigt. Kollektorslangen som ligger i hålet är konstruerad av stålfoderrör och ska enligt tillverkaren hålla i över 100 år. Värmepumpen har den kortaste mekaniska livslängden för hela anläggningen och trots service utav värmepumpen, måste hela värmepumpen bytas ut efter ungefär 15–20 år, beroende på leverantören (Back, 2008).

Jansen hade uppdrag ifrån energimyndigheten, 2014, att göra ett stort fälttest hos privatägare som ägde en BVP. Under intervjuerna som gjordes hos hushållen, berättade folk hur billigt, bekvämt och underhållsfritt systemet var. (Jansen, 2014)

Utöver processen i borrhålen består en bergvärmepump av två ytterligare processer.

1.2.1

Värmepumpen

Den upphettade vätskan från berget flödar in en värmeväxlare, illustrerat i Figur 4, där den avger sin energi till ett köldmedium (A). Detta köldmedium har en väldigt låg trycksättning, så även om berget har en relativt låg temperatur, 6– 15˚C (SGU, 2016), har köldmediet förångats. Ångan strömmar in en kompressor (B). Kompressorn höjer trycket på ångan vilket leder till att temperaturen ökar. Efter pumpen strömmar den nu mycket varmare ångan i en andra värmeväxlare (C) där ångan

värmer upp fastighetens värmesystem, oftast ett vattenburet system, och samtidigt kondenserar Då trycket i system har ökat så sitter en expansionsventil (D) som sänker mediets trycksättning till ursprungstrycket och ger köldmediet en lägre temperatur. Mediet strömmar sedan in i den första värmeväxlaren där det kommer i kontakt med bergcykeln. (Polarpumpen, u.d.)

1.3

Bergets naturliga återladdningsförmåga

När en BVP arbetar, bidrar anläggningen till en temperatursänka runt borrhålet. Denna temperatursänkning ska kompenseras med den solinstrålning samt värmeöverföring från

16

omgivande berg, som sker över året för att återladda borrhålet till sin ursprungstemperatur. Efter att en BVP installerats och har börjat utnyttja den termiska energin som berget har lagrat, sker en temperatursänkning under de två första åren av användning. Temperatursänkningen avtar med tiden och stabiliseras efter ungefär 2–5 år, efter att anläggningen installerats. Medeltemperaturen i borrhålet blir någon grad lägre än bergets ursprungstemperaturen. Under sommarhalvåret då klimatet tillåter att fastigheten inte behöver uppvärmas med hjälp av en BVP, utnyttjar inte anläggningen lika mycket värme ifrån borrhålet som under vinterhalvåret. Under denna period sker den största delen av borrhålets återhämtning (Mohammad Ali Ahmadi, 2017).

1.4

En Värmepumps prestanda

Det som gör värmepumpar till ett så önskat system för en fastighetsägare, är att den effekt som värmepumpen levererar mot vad man behöver för att driva anläggningen. Coefficient of Performance (COP), är en enhet man brukar karaktärisera en anläggning med och jämför relationen mellan 𝐸_𝑙, den levererade energin (Wh), och 𝐸_𝑑, den tillförda energin som återstår för att leverera behovet som behövs.

Formel 1 Beräkningsmetod COP

𝐶𝑂𝑃 = 𝐸𝑙 𝐸𝑑

𝐸𝑙 är det värde som till exempel en värmepump levererar. Detta värde är relativt konstant då en värmepump oftast levererar samma mängd energi. 𝐸𝑑 är det värdet som har störst påverkan på vad COP-värdet och varierar beroende på behovet från värmepumpen. 𝐸𝑑 är den energin som måste tillföras till att driva processen, huvudsakligen kompressorarbetet. Förhållandet mellan 𝐸𝑙 och 𝐸𝑑 är mest beroende på temperaturförhållandena. För att få ett så högt COP-värde som möjlig vill man att temperaturen som hämtas från energikällan ska vara så lik den temperatur man levererar till fastigheten. Eftersom mindre tillförd energi kommer krävas att öka temperaturen till dess önskat värde.

17 I Figur 5 kan man se hur relationen

med COP-värdet ändras hos en BVP, beroende på den levererade temperaturen till värmepumpen (𝑡𝑠) mot vilket temperatur som ska levereras till fastigheten (𝑡𝑢). (Mohammad Ali Ahmadi, 2017)

På grund av de varierande temperaturerna i borrhålet varierar även det COP- värde som värmepumpen levererar under året, man använder sig därför av 𝐶𝑂𝑃𝑠ä𝑠𝑜𝑛𝑔 eller SCOP som representerar ett genomsnittsvärde från en värmepumps COP-värde under en period. 𝐶𝑂𝑃𝑠ä𝑠𝑜𝑛𝑔 brukar vara lägre än det ursprungliga COP-värdet men representerar ett verkligare COP för systemet i sin helhet. Figur 6 illustrerar hur temperaturen i borrhålet för en vanlig BVP, ändras (Mohammad Ali Ahmadi, 2017).

Figur 5 COP värdet beroende på temperaturen in i värmepumpen mot den levererade temperaturen ifrån anläggningen. (Mohammad Ali Ahmadi, 2017)

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Tem per at ur Månad

Borrhålstemperatur beroende på uteluftens temperatur

med en BVP

Luftens tempratur temperatur i borrhål

18

1.4.1

Fastigheten

När värmepumpen har ökat temperaturen i sin cykel används en värmeväxlare som är kopplat till en ackumulatortank som används för att förvara varmvatten. Detta varmvatten kan sedan användas åt till exempel uppvärmning utav fastigheten med hjälp av ett radiatorsystem och till att värma tappvarmvattnet.

Nyare värmepumpsmodeller idag kan utnyttja bergets termiska egenskaper till både fastighetens värmebehov samt dess kylbehov. Skillnad för en bergvärmepump som också kan producera kyla, innebär att den cirkulerande vätskan som lämnar värmepumpen har en högre temperatur än berget när den återförs ner i borrhålet. En BVP som endast används för uppvärmning idag, kommer att hädanefter att beskrivas som en ”vanlig BVP”, låter berget återhämta sig under sommarhalvåret, eftersom inget större uppvärmningsbehov för en fastighet finns under sommaren. Skulle värmebehovet för fastigheten under vinterhalvåret vara väldigt högt, kan temperaturen i borrhålet sjunka så mycket att temperatur-återhämtningen inte blir fullständig och borrhålets medeltemperatur sjunker. De nya typer av VP har fördelen att under sommarhalvåret, när byggnaden inte har ett uppvärmningsbehov, kunna använda sig utav borrhålen för att leverera potentiella kylbehov för fastigheten. Det betyder att under vinterhalvåret då anläggningen har sänkt temperaturen i borrhålen, kan nu de undertempererade borrhålen användas till att kyla fastigheten under sommarhalvåret. Under denna process så skickas varmare medium ner i borrhålet och hjälper borrhålen att återladdas inför nästkommande vinterperiod. Lösningen innebär att borrhålets temperaturer över året kommer variera. Temperaturvariationen i borrhålen kan påverka bergvärme-pumpens levererade effekt (Wang, 2010).

1.5

Syfte

Rapportens uppgift är att få en förståelse hur en bergvärmepumpsanläggning påverkar borrhålen över året när anläggningen ska hantera laster som både inkluderar ett uppvärmningsbehov samt kylbehov.

1.6

Frågeställningar

• Hur skiljer sig energiutvinningen från berget när en BVP även levererar kyla till fastigheten? • Hur ser temperaturförändring i borrhålet ut över året?

• Hur påverkas BVP COP-värdet under olika perioder på året?

1.7

Avgränsningar

Uppdragsgivaren, SWECO, har angivet ett värmebehov till fastigheten på 100 kW. Fastigheten är en 1500 m² kontorsbyggnad, vars interna laster kommer från Sveby’s bruksindata för

19

kontorsbyggnader. Simuleringstiden kommer att vara upp till 5 år. Avstånden mellan borrhålen hanteras på det sättet som en vanlig BVP som endast används för uppvärmning hos en fastighet. Det betyder att borrhålens avstånd mellan varandra ska vara så långt att de inte kan påverka varandras termiska egenskaper.

Fastigheten kommer att vara belägen i Västerås, vilket kommer innebära att markförhållanden samt väderförhållanden kommer att utgå ifrån Västerås.

20

2

METOD

Studien kommer att jämföra information från tidigare litteraturstudier för att sedan utföra två simuleringsfall. För simuleringsdelen kommer programvaran IDA-ICE användas. IDA-ICE är ett verktyg som används för att kartlägga energianvändningen hos en fastighet. Programmet hanterar olika sorters indata och för denna studie kommer borrhålen till en bergvärmeanläggning, vara i fokus. Beroende på vilken typ av last som byggnadens utsätter bergvärmepumpen för, kommer borrhålets temperatur ändra sig. Två fall kommer att jämföras. Fall A är hur temperaturer och energiutvinning ifrån borrhålet ser ut hos en BVP där endast värme levereras till fastigheten, vilket är en av de vanligaste typerna av bergvärmepumpar (Energimyndigheten, 2014). Fall B kommer att bruka samma borrhål som Fall A men BVP kan nu leverera ett kombinerat kyl- och värmebehov till fastigheten. Resultaten från simuleringarna kommer presenteras i Excel samt grafer för att underlätta förståelsen av data presenterat från IDA-ICE.

2.1

Litteraturstudie

Litteraturstudierna genomförs för att hjälpa till med att förstå hur olika systemlösningar kan minska påverkan en anläggning har på den utnyttjade energikällan och för att kunna se hur utvecklingen har sett ut genom åren. Via databaser tillhandahållna från Mälardalens Högskola, Diva och Primo, görs sökningar för att hitta relevanta studier. Nyckelorden för dessa sökningar var; bergvärmepumpar, ground source heat pump applications, COP ground source heat pumps. Litteraturstudierna innehåller tidigare studier från länder där uppvärmning av byggnader inte har samma relevans som i Sverige, men istället har ett större kylbehov för fastigheter. Studierna kommer ge ett förtydligande på hur dess system är designat för att kunna ge den högsta verkningsgraden samt se hur en BVP påverkar borrhålen. En av studierna, gjord i Shanghai (R.Z. Wang, 2010), presenterar ett resultat som visar en minskad utvinning av den termiska energin från borrhålen för en fastighet.

21

3

LITTERATURSTUDIE

3.1

COP-värdet beroende av temperaturen i marken

När en BVP används påverkas lasten i borrhålet antingen som ett uttag av den värmeenergi som finns eller återladdning när man skickar tillbaka värme ner i borrhålet. För att kunna leverera det behov en fastighet har kan detta påverka det COP-värde som pumpen har under perioden. I Kina har Zhijian Liu, (2015) gjort undersökningar gällande markvärmepumpar (MVP) i tre liknande fastigheter, belägna i tre olika klimatzoner. Hus A, som var det nordligaste belägna, hade det största värmebehov under uppvärmningsperioden, 15:e oktober – 15:e april, men hade det lägsta kylbehovet av de tre husen. Den höga lasten på marken som uppkom under uppvärmningsperioden reflekteras mot vad den temperatur som marken fick under perioden och man kunde se en temperatursänkning i marken under uppvärmningsperioden, vilket i sin tur sänkte pumpens COP-värde då mera el behövdes matas in i system för att få ut önskad värmeenergin till hus A. COP- värdet för MVP under uppvärmningsperioden var lägre i hus A jämfört med hus B & C. Temperatursänkan som blev i marken påverkade alltså COP-värdet negativt under uppvärmningsperioden då temperaturen sjönk, men detta ledde till att när fastigheten hade ett kylbehov, 1:a juni – 1:a september, fick MVP ett mycket högre COP-värde än de andra två husen. Den något kallare marken gjorde att under kylperioden i hus A hade MVP ett COP-värde på över 9 och höll sig stabil över hela perioden. Men under den korta kylperioden återhämtade sig inte marken tillräckligt och temperaturen under en 10 års period sjunker stadigt då det fanns ett mycket högre värmebehov än kylbehov i hus A. Bilden nedan beskriver hur under 10 års tid, trenden hos marktemperaturen som MVP utnyttjar. De blåa fälten representerar temperaturerna som lämnar MVP och åker ner i marken (Zhijian Liu, 2015).

Figur 7 Marktemperaturens sjunkande trend hos hus A (Zhijian Liu, 2015).

Varje topp i Figur 7 är när MVP arbetar för att leverera ett kylbehov till fastigheten vilket ökar temperaturen i marken. Dalarna representerar varje uppvärmningsperiod.

22

Hus B hade en jämnare kyl- samt uppvärmningsbehov över året och hade en temperaturtrend enligt Figur 8. Tack vare jämnare laster i MVP resulterade det i att marktemperaturerna höll

sig stabilare över en tio års period.

Figur 8 Marktemperaturtrenden för anläggningen under 10 år (Zhijian Liu, 2015).

I Figur 9 är COP-värdet presenterat under uppvärmningsperioden och kallperioden för MVP. När MVP börjar användas för att kyla fastigheten toppar COP-värdet på strax under 12. Detta beror på att marktemperaturen som värmepumpen använder sig utav har sjunkit under det normala efter fastighetens uppvärmningsperiod. När fastigheten får ett kylbehov har marken initialt lägre temperatur än vanligt samt att behovet för kyla är lägre tidigt på säsongen. Detta gör att när värmepumpen är i drift för att leverera kyla åt fastigheten så blir COP-värdet väldigt högt. Vilket syns i Figur 10.

Figur 9 COP-värden för MVP hus B under ett år (Zhijian Liu, 2015).

23

Mätningarna som gjordes i undersökningen var på pumpar som använde sig utav mark, - jordvärme, vilket betydde att rören var nergrävda på ca 1–2 meters djup istället för att vara borrhål på 100–200 meters djup. Fördelen med jordvärmen är att anläggningen är billigare att installera och temperaturen som finns på denna ytliga yta är högre än de temperaturer som finns djupare ner. Nackdelen är att det blir större temperaturändringar över året jämfört med ett vertikalt borrhål, då temperaturerna är stabilare över året Figur 6. Det viktiga med studien är att resultatet presenterar att man kan påverka markens återladdningsförmåga med hjälp av olika laster och på så vis påverka anläggningens SCOP-värde.

3.2

Energilagring i berg

I rapporten, geologisk information för geoenergianläggningar – en översikt, från Sveriges geologiska undersökning (SGU), uppskattas den mängd återladdad energi i ett bergvärmesystem som kommer från solen vara endast 12% under fem års tid. Beroende på berggrundens temperaturgradient kan skillnader i återladdningen, som sker med hjälp av solen, uppstå. Normalt för att borrhål inte ska påverka varandras termiska förhållanden, brukar avstånden mellan hållen vara minst 20 meter. Detta avstånd mellan borrhålen kan vara mindre men kompenseras då genom att borrhålen lutas bort från varandra. För en bergvärmeanläggning eftersträvas balans mellan den uttagna energin och det som återladdas för att kunna eftersträva så hög effekt som möjligt. Eftersom endast 12% av energin kommer från solen sker den största återladdningen kontinuerligt genom den omslutande ytan runt borrhålen (SGU, 2016).

När en anläggning vill utnyttja såväl värme och kyla med hjälp av bergvärme har bergets värmeledningsförmåga och lagringsförmåga som mest betydelse. Antalet borrhål som används måste uppgå till så att en mängd av dessa kan placeras med endast några meters mellanrum. Detta för att skapa säsongsanpassad lagring av antingen kyla eller värme. Värme som tas från berggrunden under de kalla årstiderna görs att berggrunden i sin tur kyls ner, medan under de Figur 10 Marktemperaturstrenden under ett år (Zhijian Liu, 2015).

24

varma årstiderna man kan utnyttja kylan, varav värme återförs ner i berggrunden vilket hjälper bergets återladdning. Energiutvinningen kommer alltid att påverkas oavsett avståndet mellan borrhålen, men att få någon form av termisk lagring ifrån borrhålen måste avstånden vara litet. Detta är framförallt på grund av att värmeledningsförmågan i berget begränsar anläggningens förmåga att kunna lagra antingen värme eller kyla för att kunna använda i ett senare tillfälle. Om en bergvärmepump endast används för en byggnads värmebehov placeras borrhålen på avstånd så att de påverkar varandra så lite som, möjligt under en tidsperiod. Exempelvis har Stockholm stad ett minimumavstånd mellan borrhålen på 20 meter (Miljöförvaltningen, 2005). Ur studien av Erik Björk, Bergvärme på djupet 2013, gjordes en undersökning på hur medeltemperaturen i borrhålet påverkas över tiden beroende på avstånden till grannhålet. (Erik Björk, 2013)

Figur 11 Långsiktigt temperatursänkning av medeltemperaturen hos hålväggen i ett borrhål. 6 symmetriska belägna borrhål (och utanför dessa ytterligare hål) som funktion av deras avstånd till centrumhålet. För samtliga borrhål gäller: Diameter 115 mm, aktivt borrdjup 150 m,

värmeledningsförmågan berg 3,5 W/m, K och årligt värmeuttag 18 000 kWh- Det ostörda bergets temperatur är 9,5 ᵒC och inverkan av strömmande grundvatten bortses (Björk Erik, 2013)

I Figur 11 kan man se att efter att anläggningen har varit i drift i 20 år och följt kraven för Stockholm stad (linje 20) kommer medeltemperaturen i borrhålet ha sjunkit från dess ursprungstemperatur på 9,5 ᵒC till ungefär -2,5 ᵒC. observera att beräkningarna är avsedda för en ogynnsam situation där borrhålet som undersökts omges på alla sidor av ett annat borrhål. (Erik Björk, 2013). Av symmetriska skäl nyttjar borrhålet endast halv ytan mellan sig själv och sin granne. Att göra borrhålet djupare hjälper minimalt då det mest kritiska området för återladdning ligger kring hålets överdel, dock hjälper det med hålets värmebelastning och temperatursänkningen kommer ske i en långsammare takt. (Björk Erik, 2013)

Lösningen enligt Erik Björk, är att man ska återladda marken med värme med hjälp av anpassningar gjorda på anläggningen.

25

3.3

Återladdningsförmågan hos olika typer av

bergvärmepumpslösningar

Värmeväxlingen som sker i berget när anläggningen arbetar kommer att innebära att systemet både absorberar värmeenergi ifrån berget, när uppvärmning krävs, samt kommer avge värmeenergi till berget, när nedkylning behövs. (R.Z. Wang, 2010) presenterar ett fall i Shanghai, där man använde två stycken BVP, en som producerade värme till fastigheten (BVP1) och en som producerade kyla till fastigheten (BVP2). Under mars månad när båda pumparna behövde arbeta för att kunna uppfylla kraven för fastigheten, hade BVP1 utnyttjat värmeenergi från berget motsvarande, 74 800 MJ och det som BVP2 behövde för att kyla fastigheten, vilket resulterade att värmeenergi fördes tillbaka ner i berget, var 14 800 MJ. Totalt under mars månad hade de två pumparna absorberat värmeenergi motsvarande 60 000 MJ från berget. Eftersom BVP2 användes för nedkylning av fastigheten ökade bergets värmeenergi med 20 % jämfört med om endast BVP1 hade varit i drift ensam. Detta resulterade i att bergets temperatur efter ett års drift, var 0,5°C högre än om BVP1 hade jobbat ensam. Enligt (Mohammad Ali Ahmadi, 2017) finns det olika typer av systemanpassningar, där man utnyttjar ett borrhåls värmeväxlingsförmåga. Två typer av lösningar är antingen en värmeabsorberare eller en värmeavvisare som installeras i system för att minska lasten på berget.

Figuren ovan demonstrerar en lösning med en värmeabsorberare, solfångare (4), hos en BVP som används för ett uppvärmningsbehov i en fastighet. Tanken är att det underkylda mediet som lämnar BVP (2), strömmar in i en solfångare (4) där mediet förvärms med några grader innan den förs ner i berget (1). Det innebär man kan återladda bergets temperaturberoende på vilka laster som anläggning tar ut och därför kunna ge stabilare leverering utav effekt och få bättre värde av 𝑆𝐶𝑂𝑃. Behövs inte någon återladdning av berget kan hela solfångaren förbikopplas med hjälp av ventiler (3). Lösningen skulle innebära att dimensionering av anläggning kan göras mindre och därför minska investeringskostnaderna för anläggningen. Figur 12 Värmeabsorbering med hjälp av Solfångare. (Mohammad Ali Ahmadi, 2017)

26

4

AKTUELL STUDIE

4.1

IDA-ICE

IDA Indoor Climate and Energy (IDA-ICE) ett simuleringsprogram som ger en möjlighet att kunna studera en byggnads energibehov. Med hjälp av zonindelning utav fastigheten går det att få fram resultat från enskilda rum. IDA kan med hjälp av indata simulera en byggnads klimat och energianvändning utifrån data som väder och byggnadens skuggning. Ett fullt bibliotek med olika sorters luftburna och vattenburna anläggningar går att importera in till simuleringsfallet. Där färdig drift data finns att utgå ifrån eller så kan man skapa sina egna system. Dessa system inkluderar till exempel: solfångare, kyltorn, luftfuktare samt borrhål. Denna rapport kommer använda sig utav den data som IDA presenterar när borrhål anses som energikällan åt en VP.

4.1.1

Fastighet för simulering

Fastigheten presenteras som en 2 vånings kontorsbyggnad med en golv area på 1500 m² och har värmeeffektbehov på 100 kW. Lasterna på byggnaden kommer att infogas från Sveby’s indata för kontorsbyggnader enligt Tabell 1 (SVEBY, 2013).

Tabell 1 Sammanställning utifrån Sveby brukarindata för nya kontorsbyggnader

Parameter Delparameter Delparameter Värden

Innetemperatur Värme 21 °C min

kyla 23 °C min Luftflöden Verksamhetsberoende flöden Kontor 1,5 l/sm² Solavskärmning Avskärmnings-faktor Total (fast och rörlig) 0,5 (0,71 och 0,71)

Tappvarmvatten Energi Årsschablon 2 kWh/m² Verksamhetsel Energi Årsschablon 50 kWh/m², år

internvärme 100%

Personvärme Antal Personer 20 m²/person

Närvarotid 9h/person, dygn

27

4.1.2

Uppbyggnad av en BVP i IDA-ICE

IDA-ICE tillåter en att välja vilken form av primärsystem som ska användas för värme, ventilation och sanitet (VVS). Tack vare ett brett bibliotek, kan användaren få möjligheten att antigen infoga ett färdigt system eller till och med bygga sitt eget. ESBO (Early Stage Building Optimazation) är ett användargränssnitt som underlättar användaren att bygga upp en fastighets VVS- system med hjälp av de färdiga modellerna som finns i IDA. Här infogas ett färdigt värmepumpssystem för att täcka byggnadens basbehov Figur 13 (Base heating). Resterande topbehov (Topup heating) täcks utav en elpatron (Generic Electricity heater). Värmepumpen som infogas ska använda sig utav borrhål som energikälla benämnd GHX (Ground Heat eXchanger). Indata till värmepumpen i både fall A och fall B är densamma och kommer att infogas enligt IVT produktinformation, anläggningarna kommer hädanefter att benämnas som BVP A för fall A och BVP B för fall B. Värmepumpsmodellen heter G248 och har en värmeeffekt på 47kW och COP-värde 4,72, Bilaga A produktblad Värmepumpar IVT.

28

4.1.3

BVP A

Värmepumpen används endast till att leverera värmebehov till fastigheten. Uppbyggnaden av anläggningen i ESBO syns i Figur 13. Här används, förutom en värmepump och el patron till att leverera värme till fastigheten, en ideal kylare (cooling). Komponenten måste läggas till för att värmepumpen inte ska använda borrhålet för att leverera kyla.

Figur 13 Fastighetens uppvämnings samt kylsystem i ESBO. Uppfirån- ner: 6kW toplast elpatron, 94 kW sammanlagt basbehov från 2 st värmepumpar, kylaggregat anpassad til byggnadens behov, bergvärmeväxling 10 st á 200 meter djupa. Distruberingssystem värme/kyla; 60/40 element, kylare lägst temperatur 14,0 °C, luftbehandlingssystem max 60°C /minst 5 °C

29

4.1.4

BVP B

Värmepumpen ska nu både kunna leverera ett kyl- och värmebehov. Figur 14 beskriver dess uppbyggnad i ESBO. Mest synbara skillnaden är att nu finns inget kylaggregat i systemet, eftersom värmepumpen ska användas att leverera både kyla och värme. Inga dimensionerings-skillnader för värmepumpen som används i system måste göras då byggnadens värmebehov är högre än dess kylbehov.

Figur 14 Fastighetens uppvämnings samt kylsystem i ESBO. Uppfirån- ner: 6kW toplast elpatron, 94 kW sammanlagt basbehov från 2 st värmepumpar, inget kylagregat, bergvärmeväxling 10 st á 200 meter djupa. Distruberingssystem värme/kyla; 60/40 element, kylare lägst temperatur 14,0 °C, luftbehandlingssystem max 60°C /minst 5 °C

30

4.1.5

Modell för borrhål IDA-ICE

De flesta moderna modeller för att simulera borrhål bygger på beräkningar från g-funktioner, vilket beskriver hur temperaturen påverkar marken (Eskilson, 1987). Beräkningen bygger på att g-funktionen måste beräknas i förväg för varje borrhål innan energibalansen kan göras. IDA-ICE modellen använder finita differensmetoden, istället för g-funktionen. Beräknings-modellen utgår ifrån att borrhålet och dess omgivning delas upp i noder som för varje tidsintervall som IDA simulerar beräknar det termiska motstånden för varje nod som i sin tur ger ut energibalansen (Laestander, 2017). Då borrhålsmodellen inte är bunden till g-funktionen kan användaren designa borrhålen relativt fritt utifrån dennes önskemål som till exempel vinkel och längd hos borrhålet. IDA-ICE kan utnyttja en mera avancerad beräknings version för modellen av borrhålet samt en enklare. Den mer avancerade modellen ger använder mer fria tyglar vad gäller hålets utformning. Den enklare versionen simulerar endast enstaka borrhål på så vis att dessa inte påverkar varandra. I det utförda examensarbetet har endast den enklare modellen använts vilket betyder att trots användningen av flera borrhål försummas den termiska påverkan mellan hålen.

31

Figur 15 Termiska kopplingar i borrhål, nod j mellan borrhålsvägg, fyllnadsmaterial och köldbärare (Laestander, 2017)

32

För att beräkna energibalansen för köldbärare som förs ner i marken används denna formel: 𝜌𝐿𝑖𝑞𝐶𝑝𝐿𝑖𝑞𝑉𝐿𝑖𝑞 𝑥

𝑑𝑇𝑑𝑖,𝑗 𝑑𝑡

= ṁ 𝑥 𝐶𝑝𝐿𝑖𝑞 𝑥 (𝑇𝑑𝑖,𝑗−1− 𝑇𝑑𝑖,𝑗) + 𝐾𝑙𝑖𝑞𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡,𝑖 𝑥 (𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡𝑑,𝑖,𝑗− 𝑇𝑑𝑖,𝑗) + 𝐾𝐿𝑖𝑞𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ,𝑖 𝑥 (𝑇𝑅𝑒𝑎𝑙,𝑖,𝑗 − 𝑇𝑑𝑖,𝑗)

Formel 2 Energibalans för köldmediet ner i marken (EQUA, 2013)

Motsvarande sätt beräknas även energibalansen för det uppåt strömmande köldmediet 𝜌𝐿𝑖𝑞𝐶𝑝𝐿𝑖𝑞𝑉𝐿𝑖𝑞 𝑥

𝑑𝑇𝑑𝑖,𝑗 𝑑𝑡

= ṁ 𝑥 𝐶𝑝𝐿𝑖𝑞 𝑥 (𝑇𝑢𝑖,𝑗+1− 𝑇𝑢𝑖,𝑗) + 𝐾𝑙𝑖𝑞𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡,𝑖 𝑥 (𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡𝑑,𝑖,𝑗− 𝑇𝑢𝑖,𝑗) + 𝐾𝐿𝑖𝑞𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ,𝑖 𝑥 (𝑇𝑅𝑒𝑎𝑙,𝑖,𝑗 − 𝑇𝑢𝑖,𝑗)

Formel 3 Energibalans för köldmediet upp från marken (EQUA, 2013)

Där temperaturerna är dem från Figur 15 förutom 𝑇𝑟𝑒𝑎𝑙 vilket i figuren motsvarar 𝑇𝑖. Borrhålets index benämns med i och varje nod i borrhålet har index j. Värmeöverförningskoefficienterna mellan köldmedium, fyllnadsmedlet i borrhålet och omgivningen är benämnt, K.

För Beräkningarna av temperaturerna i fyllnadsmaterialet används värdena dels kring kollektorslangen dels vid borrhålsväggen som gränsar mot omgivningen. Energibalansen mellan omgivningen och fyllnadsmaterialet liknar den för köldmediet fast nu behöver man inte ta hänsyn till energi hos köldmediet vilket ger följande beräkningar:

𝑚 𝑥 𝐶𝑝𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡2 𝑥

𝑑𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡,𝑖,𝑗 𝑑𝑡

= 𝐾𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡 𝑥 (𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡𝑑,𝑖,𝑗+ 𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡𝑑,𝑖,𝑗 − 2𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡,𝑖,𝑗) + 𝐾𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ,𝑖 𝑥 (𝑇𝑅𝑒𝑎𝑙,𝑖,𝑗 − 𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡,𝑖,𝑗)

Formel 4 Energibalans Fyllnadsmaterial i borrhålet (EQUA, 2013)

𝑚 𝑥 𝐶𝑝𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡₁ 𝑥

𝑑𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡𝑑,𝑖,𝑗 𝑑𝑡

= 𝐾𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡 𝑥 (𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡,𝑖,𝑗+ 𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡𝑑,𝑖,𝑗 ) + 𝐾𝑙𝑖𝑞𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡,𝑖 𝑥 (𝑇𝑑𝑖,𝑗 − 𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡𝑑,𝑖,𝑗) + 𝐾𝑅𝑖𝑛𝑔𝑡𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ,𝑖 𝑥 (𝑇𝑅𝑒𝑎𝑙,𝑖,𝑗 − 𝑇𝐺𝑟𝑜𝑢𝑡𝑑,𝑖,𝑗)

33

För både BVP A och B kommer samma typ av borrhål brukas. Eftersom den enkla versionen för beräkning utav borrhålen används kommer varje borrhål att beräknas enskilt och kommer inte påverka varandras data, oavsett antalet borrhål som används. Borrhåls modellen kommer med en stor mängd parametrar som kan ses i Figur 16. Den första parametern beskriver hur många borrhål och är angivet från uppdragsgivare till 10. De fyra rubrikerna under kan användas för att placera ut borrhålet på specifik plats och vilken lutning hålet kan ha. Om hålen skulle vara placerade att de skulle påverka varandra termiskt, kan man vinkla borrhålen i marken bort från varandra vilket kan minska hålens påverkan mellan varandra. Möjligheten att placera ut borrhålen är en funktion som är låst utav IDA-ICE, vilket betyder dessa värden kommer att lämnas blanka. När data för dessa koordinater lämnas blankt, kommer IDA-ICE

att placera ut vertikala borrhål med ett avstånd mellan varje hål på 200 meter vilket betyder att inga termiska påverkningar kommer ske mellan borrhålen. Djupet på borrhålet bestäms av ZHOLE och är borrhålets aktiva borrdjup. RHOLE är radien på borrhålet. Den totala termiska resistansen för borrhålet (RB), antas för dessa simuleringar till ett U-värde på 0,039 m², K/W. Värdet antas utifrån det material som används till borrhålet och anses som ett schablon-värde för liknande simuleringar. (Björk Erik, 2013)

Borrhålets fysiska egenskaper Figur 16 (physical properties), har fyra områden att ändra värmeledningsförmågan i borrhålet. Markförhållandet (ground) beskriver den omslutande ytan runt borrhålet. Vilken värmekapacitet, Cp (J/kg), området har, dess värmeisolerande

34

förmåga också kallad lambdavärde, λ (W/m, °C), samt densiteten, ρ (kg/m³) runt borrhålet. I Västerås där byggnaden är placerad är berggrunden uppdelad i två olika typer av bergarter. (SGU, 2016). Halva staden är belägen ovanpå kristallint berg och den andra halvan på sedimentärt berg. För kristallint berg är granit den vanligaste bergarten och värmelednings-förmågan, λ, ligger på 3–4 W/m, K (Sundberg, 1991). Sedimentär berggrund är en mycket porösare berggrund än kristallint berg. Mineralerna i sedimentärberggrund har relativt låga värmeledningstal, kalksten 1.5 W/m, K och skiffer 1.5 W/m, K, men tack vare porositeten hos bergarten kan berget få en högre vattenhalt och den sedimentära berggrunden som kvartsit, få ett värmeledningstal på 6,5 W/m, K (Sundberg, 1991). Som nämnt kan en bergarts porositet och vattenhalt påverka värmetransporten, utöver kan även mineralsammansättningen, temperaturen och anisotropi ha olika påverkningar. I Tabell 2 urskils hur mycket de olika faktorerna påverkar värmeledningsförmågan för de olika typerna av berg.

Tabell 2 Bergegenskapernas påverkan av värmetransporten i bergart (Sundberg, 1991) Faktor Sedimentärt berg Kristallint berg

Vattenhalt Medel-Stor Liten

Porositet Medel-Stor Liten

Mineralsammansättning Stor Mycket stor

Temperatur Medel-Stor Stor

Anisotropi Liten-stor Liten-stor

Ju högre bergets specifika värmekapacitet och värmeledningsförmåga, desto mindre påverkas temperaturen omkring borrhålet (Erik Björk, 2013). Värmekapacitet är enligt Sundberg, 1991, relativt konstant för hela Sverige, utan det är bergets värmeledande förmåga, som är den avgörande faktorn för ett borrhåls effektuttag. Fastigheten är placerad på området som domineras av den kristallina bergarten, vilket betyder att värmeldningstalet som anges i simuleringen blir 3,5 W/m, K (Sundberg, 1991). Fastighetens värmebehov är som högst 100 kW och antalet borrhål som ska brukas är angivet till 10. För att få reda på hur djupa borrhålen måste vara för att täcka behovet, används Formel 6 Effektuttag borrhål.

Formel 6 Effektuttag borrhål (Sundberg, 1991)

𝑃 = 𝜆 ∗ ℎ ∗ (𝑇𝑏𝑜𝑟𝑟ℎå𝑙− 𝑇𝑘ö𝑙𝑑𝑏ä𝑟𝑎𝑟𝑒) Tabell 3 Beskrivning variabler Formel 6

P Möjligt effektuttag

λ Värmeledningsförmåga [W/m, K]

h Borrhålsdjup

△T Temperatur differens, borrhål - köldbärare

En omvandling av funktionen så att borrhålsdjupet kan beräknas gör att formeln ser ut som följande:

Formel 7 beräkning borrhålsdjup

ℎ = 𝑃

35

Temperaturen i borrhållsväggen är hämtat från IDA-ICE områdesdata och är angivet till 6,83 ᵒC. Temperaturen för köldbärarkretsen är antaget till 0 ᵒC för beräkningen.

Med 10 borrhål som bergvärmepumparna ska bruka behövs ett aktiv djup på 420 m (418,32 m) för att täcka effektbehovet med endast 10 stycken borrhål.

Innehållet i borrhålet kan variera, oftast fylls hålet med vatten från diverse grundvattenlager i berget, men kan om det krävs fyllas med en typ av puts. Anledningen man vill använda vatten i borrhålet är att vattnet fyller ut all yta i borrhålet och agerar som värmeväxlare mellan berg och rör. Skulle man använda puts istället blir en tilläggskostnad för installationen då hålet måste fyllas med ämnet. Indata i är när borrhålet är fyllt med vatten, då Västerås kommun har mycket grundvatten i sin berggrund (SGU, 2016).

36

4.1.6

Anläggningen BVP A

När ESBO har blivit ifyllt med rätt typer av system kan man låta IDA bygga upp systemet enligt Figur 17. Här är nu endast anläggningen konstruerad för att leverera det värmebehov fastigheten har, via radiatorer och värmebatteriet i ventilation samt tappvarmvattenbehov. Värmepumpen utnyttjar borrhålet endast för värme och ingen typ av återladdning från anläggningen sker. Kylan tas hand om en extern kylare och kommer inte undersökas vidare.

Figur 17 Avancerad uppbyggnad utav anläggningen från IDA-ICE.

Vänster till höger: Borrhålen (GHX), Värmeväxlare för kyla tillfört/retur (Brine), Toplast elpatron (Top heating), Baslast värmepump (Base heating), Elektrisk kylare (Cooling) kopplat till nedre ackulatortank, två stycken ackumulator tankar varm/kall (lila/blå), Distruberings-system; tappvarmvatten(domestic hot water), lufbehandlingsDistruberings-system; varm (AHU hot water), uppvärmningssystem fastigheten (Zone hot water), luftbehandlingssystem; kyla (AHU cold water), kylsystem fastigheten (Zone cold water).

37

4.1.7

Anläggningen BVP B

Efter att all indata för alla komponenter är införda i ESBOS kan man låta IDA bygga upp anläggningen enligt Figur 18. Skillnaden från ESBO är att nu med en full anläggning ingår det två ackumulatortankar för både värme och kyla som hjälper till att lagra värme samt kyla för att utnyttjas vid senare tillfällen. Som illustrerat i Figur 18, när mediet från borrhålet har lämnat värmepumpen, och som i Figur 17 återvänder till borrhålet igen, färdas nu mediet in i kallvatten tanken. På det sättet IDA har byggt system, kan anläggningen leverera kyla och värme samtidigt, trots endast en värmepump används. Efter att mediet åkt in i första värmeväxlaren i värmepumpen, Figur 4, för att överföra sin värmeenergi till värmepumpens arbetande medium. Temperaturen på borrhålsmediet har nu lägre temperatur än den hade in i värmepumpen och istället för att åka tillbaka direkt till borrhålet, som i Figur 17, förs mediet till kallvatten tanken för att kyla dess innehåll. Sen förs mediet tillbaka till borrhålet. Denna uppbyggnad av systemet gör så att både värme och kyla kan jobba samtidigt då endast värmebehovet behöver använda sig utav en värmepump.

Figur 18 Avancerad uppbyggnad utav anläggningen från IDA-ICE.

Vänster till höger: Borrhålen (GHX), Värmeväxlare för kyla tillfört/retur (Brine), Toplast elpatron (Top heating), Baslast värmepump (Base heating), två stycken ackumulator tankar varm/kall (Röd/blå), Distruberingssystem; tappvarmvatten(domestic hot water), lufbehandlingssystem; varm (AHU hot water), uppvärmningssystem fastigheten (Zone hot water), luftbehandlingssystem; kyla (AHU cold water), kylsystem fastigheten (Zone cold water).

38

5

RESULTAT

Följer presenteras resultaten som IDA-ICE har givit efter simulering för de två fallens påverkan hos berget och hur mätdata analyseras. Först presenteras data för simuleringstiden på 1 år för energiuttaget i marken, temperaturen från borrhålsväggen och anläggningens COP-värden. Efter presenteras en tabell för hur resultaten har ändrats under en 5 års period.

5.1

Effektuttag borrhål år 1 BVP A och BVP B

Nedan presenteras båda systemens energiuttag från borrhålen. Figur 19 representerar BVP A där endast värme från borrhålet har utnyttjats, därav grafen visar hur värdena är ovanför x-axeln. Tittar man på Figur 20 som representerar BVP B, så ser man att grafen korsar x-axeln och visar negativa värden. Dessa värden representerar den energin som återförs till borrhålet från värmepumpen.

Figur 19 BVP-A. Y-axel Värmeeffektuttaget från borrhål (W). X-axel tid på året presenterat för månad och timmar.

39

Figur 20 BVP- B. Y-axel Värmeeffektuttaget från borrhål (W). X-axel tid på året presenterat för månad och timmar.

Tabell 4 Utvunnen energi ifrån borrhål år 1 Anläggning BVP A BVP B År 1 1 Uttagen värmeenergi kWh 50,38 41,33 Värmeenergi återladdat kWh 0 26,76 Totalt uttagen värmeenergi kWh 50,38 14,57 Procentuell minskning 0,00% 64,75%

Observera att från och med vår- till höstmånaderna, har BVP B perioder med både värme och kyla levererat från värmepumpen till fastigheten. BVP A har endast levererat värme under motsvarande period. I figuren nedan visas samma vecka hos båda värmepumparna och hur deras energiuttag skiljer sig för samma tidpunkter. Båda Värmepumparna levererar samma

40

mängd värmeenergi till fastigheten men trots det så visar siffrorna på att energimängden som BVP B levererade till fastigheten vara mycket lägre än för BVP A.

Figur 21 Ovan, BVP A's effektuttag för datumspann 2019-05-20 till 2019-05-26. Nedan, BVP B's effektuttag för datumspann 2019-05-20 till 2019-05-26.

Anledningen är att IDA-ICE ser BVP B som ett system. Menat att även om värmepumpen jobbar med två system, värme och kyla, betyder det att systemet både återför och tar ut värmeenergi från borrhålet. Rubrik 4.1.4 med Figur 18, förklarar varför båda system kan jobba samtidigt. Som ett exempel; den 22 maj klockan 22:47:33 har BVP A (ovan) och BVP B (nedan), olika effektuttag från borrhålet. I verkligheten har BVP B samma effektuttag för

41

denna tidpunkt, 5890W, men eftersom BVP B även använder sitt system för att kyla fastigheten under samma tidpunkt, har 1570 W återförts till borrhålet. Därför presenterar programmet att BVP B bara har tagit ut 4320 W ifrån borrhålet, 5890W–1570W=4320W.

42

5.2

Borrhålens Temperaturtrend år 1

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

48

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