• No results found

Passiv kylning och uppvärmning av ventilationsluft med geoenergi

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Passiv kylning och uppvärmning av ventilationsluft med geoenergi"

Copied!
77
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Examensarbete

Passiv kylning och

uppvärmning av ventilationsluft med geoenergi

Författare: Annie Runesson &

Matilda Wilsson Handledare: Katarina Rupar-Gadd Examinator: Michael Strand

Handledare, företag: Torbjörn Heinmert Datum: 2020-06-03

Kurskod: 2BT01E

(2)
(3)

Sammanfattning

Under sommaren 2018 upplevde största delen av både Svealand och Götaland den varmaste sommaren sedan meteorologiska institutet började föra statistik.

Bevis för att värmevågor kommer öka i intensitet, frekvens och varaktighet blir allt fler och i klimatförändringens skugga visar forskning att värmeböljor är den ledande orsaken till väderrelaterade dödsfall och sjukdomar.

Furuliden är ett äldre- och gruppboende som tillhör det kommunala bostadsbolaget Allbohus som hyr ut lägenheter och lokaler i Alvesta kommun.

Allbohus har uppmärksammat att inomhustemperaturerna i Furuliden kan bli höga på sommaren, vilket är problematiskt då majoriteten av de som bor i Furuliden tillhör grupper som är känsliga för värme.

Vid fastigheten finns åtta parallella energibrunnar installerade som i dagsläget inte är i bruk. Projektets syfte har varit att undersöka möjligheten att utnyttja dessa energibrunnar till att kyla och värma fastighetens ventilationsluft passivt med hjälp av värme- och kylbatteri, med fokus främst på kylsystemet.

Två olika system utvärderades. Första alternativet var att ett kylbatteri skulle installeras i anslutning till ett ventilationsaggregat och på så vis kyla en stor del av tilluften i byggnaden. Andra alternativet var att ett kylbatteri skulle installeras i en anslutningskanal till en samlingssal så att endast luften till den lokalen kyls. Både alternativen innefattade ett förvärmningsbatteri, vilket skulle placeras på ett sådant sätt att uteluften värms upp innan den går in i ventilationsaggregatet.

Projektets mål var att förse Allbohus med information som kan vara intressant vid beslut av framtida installation av kylsystem. För att uppnå syfte och mål gjordes programmering, beräkningar samt insamling av offerter.

Energibrunnarna som är installerade vid Furuliden har kapacitet att tillgodose kylbehovet en sommarmånad för både alternativen. Beräkningar baserade på temperaturer från juli 2019 visar att geoenergin bidrar med 2,37 kWh för alternativ ett och 0,42 kWh för alternativ två. Sett till den termiska komforten är alternativ ett att föredra, då den kyler en större del av byggnaden.

Kylbatteriet i alternativ ett är 7 970 kr dyrare än det i alternativ två, kostnaden för förvärmningsbatteriet är densamma för de båda alternativen.

Pumpdriftskostnaden för de två olika alternativen är försumbar.

Beräkningar som gjorts är baserade på antaganden, förenklingar och våra egna tolkningar. Det kan ha påverkat resultatet, då verkligheten är mycket mer komplex.

(4)

Summary

During the summer of 2018 a big part of Svealand and Götaland experienced the hottest summer since record started. Research supporting the fact that the heatwaves will intensify in frequency and duration is increasing and in the shadow of climate change research show that heat waves are the leading cause of weather-related deaths and illness.

Furuliden is a nursing home that belongs to the housing company Allbohus which rents out apartments and facilities located in the county Alvesta.

Allbohus noticed that the indoor temperature in Furuliden can get high during the summer, which is problematic since the majority of the people living there belong to groups that are sensitive to heat.

At Furuliden there are eight parallel energy wells installed that are not being used. The purpose of the project has been to investigate if there is a possibility to use the energy wells to cool and heat the facility’s ventilation air passively by installing heat exchangers into the existing ventilation system, with emphasis on the cooling.

Two different systems were evaluated. The first alternative was to install a heat exchanger for cooling in a ventilation unit which would cool a bigger part of the air that goes in to the building. The second alternative was to install a heat exchanger for cooling in a connection channel to a gathering hall so that only the air going in to that specific room would be cooled, which is a cheaper option. Both of the alternatives involves installing a heat exchanger, to heat the outside air during winter before it enters the ventilation unit.

The goal of the project was to provide Allbohus with information that can help in future decisions regarding installation of a cooling system. To reach the purpose and goal programing, calculations and collecting of offers has been made for two alternatives.

The energy wells installed by Furuliden has the capacity to provide for the cooling demand during a summer month for both of the alternatives. The calculations were based on temperatures in July 2019 which generates a cooling effect of 2,37 kWh for alternative one and 0,43 kWh for alternative two. With the thermal comfort in consideration alternative one is to be preferred since it cools a bigger part of the building. The heat exchanger for cooling in the first alternative is 7 970 kr more expensive than the one in alternative two, the cost of the heat exchanger for heating is the same for both of the alternatives. The difference in operating cost between the alternatives is negligible.

(5)

Calculations that has been made are based on assumptions, simplifications and the authors’ interpretations. This has affected the reliability of the result since the reality is much more complex.

(6)

Abstract

På grund av den globala uppvärmningen kommer efterfrågan på kyla öka i framtiden och ett alternativ som kan tillgodose användarnas kylbehov men samtidigt sänka byggnadens energiförbrukning är passiv kylning med geoenergi.

Furuliden är ett äldre- och gruppboende som tillhör det kommunala bostadsbolaget Allbohus som hyr ut lägenheter och lokaler i Alvesta kommun.

Majoriteten av de boende i Furuliden tillhör grupper som är extra känsliga för värme och fastigheten har haft problem med att inomhustemperaturen ibland blivit för varm.

Möjligheten att kyla och värma ventilationsluften passivt i Furuliden med hjälp av 8 parallella energibrunnarna som är installerade vid fastigheten har undersökts för ett billigare och ett dyrare alternativ. Detta har gjorts genom beräkningar, programmering samt insamling av offerter.

Resultatet visar att energibrunnarna har kapacitet att tillgodose kylbehovet för de båda alternativen.

Nyckelord:

Energibrunn, passiv kyla, passiv uppvärmning, termisk komfort, cirkulationspump, värmeväxlare, köldbärarvätska

(7)

Förord

En viktig del i högskoleingenjörsutbildningen inom energi och miljöteknik består av ett examensarbete, vilket denna rapport är ett resultat av. Rapporten har utförts under utbildningens sista läsperiod, motsvarar 15 högskolepoäng och är det sista momentet för att nå högskoleingenjörsexamen i energiteknik.

Vi vill tacka Allbohus i Alvesta för att vi fått utmaningen att utvärdera en lösning för kyla som inte ännu används för kommersiellt bruk i Sverige, det har varit väldigt lärorikt och spännande. Vi vill rikta ett extra stort tack till Torbjörn Heinmert som varit vår handledare under projektet.

Några som inte får glömmas är de som väglett oss gällande tillvägagångssätt, beräkningar och uppbyggnad av rapporten. Tack till vår handledare Katarina Rupar-Gadd, din positiva inställning och feedback har varit viktig för oss.

Tack till Michael Strand och Leif Pettersson för att ni delat med er av kunskap och besvarat våra frågor med tålmodighet.

Vi vill även rikta ett stort tack till Mattias som tagit sig tiden att hjälpa oss med olika designer av kyl- och värmebatterier.

Annie Runesson och Matilda Wilsson Växjö, maj 2020

(8)

Innehållsförteckning

1. Introduktion ___________________________________________ 1 1.1 Bakgrund ________________________________________________________ 1 1.2 Problematisering __________________________________________________ 2 1.3 Syfte och mål ____________________________________________________ 2 1.3.1 Frågeställningar ______________________________________________________ 3 1.4 Avgränsningar ____________________________________________________ 3 2. Teori ____________________________________________________ 4 2.1 Energibrunnar ____________________________________________________ 4 2.2 Pumpsystem _____________________________________________________ 5 2.2.1 Tryckfall ___________________________________________________________ 5 2.2.2 Pumpreglering _______________________________________________________ 8 2.3 Ventilation _______________________________________________________ 8

2.3.1 Styr- och reglersystem _________________________________________________ 8 2.3.2 Ventilationskanaler ___________________________________________________ 9 2.3.3 Till- och frånluftsdon __________________________________________________ 9 2.3.4 Luftbehandlingsaggregat ______________________________________________ 10 2.4 Värmeöverföring _________________________________________________ 11

2.4.1 Värmeöverföring energibrunn __________________________________________ 13 2.4.2 Värmeväxlare _______________________________________________________ 15

3. Furuliden _______________________________________________ 19 4. Metod __________________________________________________ 21 5. Genomförande ___________________________________________ 23 5.1 Energibrunnar och pump 1 _________________________________________ 24 5.2 Pump 2 ________________________________________________________ 24 5.3 Kyl- och värmebatteri _____________________________________________ 25 5.3.1 Beräkning av kylbehov _______________________________________________ 25 5.3.2 Beräkning av värmeeffekt _____________________________________________ 26 5.4 Kostnader ______________________________________________________ 26

5.4.1 Beräkning av pumpkostnader __________________________________________ 26 5.4.2 Beräkning av batterikostnader __________________________________________ 27

6. Resultat ________________________________________________ 28 6.1 Energibrunnar och pump 1 _________________________________________ 28

6.1.1 Injicering av värme i energibrunn _______________________________________ 28 6.1.2 Utvunnen värme ur energibrunn ________________________________________ 29 6.1.3 Pumpeffekt _________________________________________________________ 29 6.2 Pump 2 ________________________________________________________ 30

(9)

6.3.2 Förvärmningsbatteriet ________________________________________________ 33 6.4 Kostnader ______________________________________________________ 35 7. Diskussion ______________________________________________ 37

7.1 Energibrunnar ________________________________________________________ 37 7.2 Pump 2 _____________________________________________________________ 37 7.3 Kyl- och värmebatteri __________________________________________________ 38 7.4 Kostnadsberäkningar __________________________________________________ 38

8. Slutsatser _______________________________________________ 39 Referenser ________________________________________________ 40 Bilagor _____________________________________________________ I

(10)

1. Introduktion

Klimatet förändras snabbt över hela världen och klimatforskarna är eniga, det är människan som är ansvarig. Vår ohållbara livsstil bidrar till stora utsläpp av växthusgaser som fångar in mer och mer värme i atmosfären, det accelererar den globala uppvärmningen och de efterföljande

klimatförändringarna. [1] Stigande temperaturer, förhöjda havsnivåer, förändrad nederbörd, ökande antal översvämningar, förvärrad torka, stormvågor är alla exempel på effekter som märks globalt [2].

I samband med Förenta nationernas klimatkonferens i Paris 2015 enades medlemsländerna om ett nytt klimatavtal. Avtalet innebär att världens länder tillsammans ska arbeta för att den globala temperaturökningen ska hållas väl under 2℃, jämfört med förindustriell tid och det ska eftersträvas att

begränsa den till 1,5℃. Trots att länderna själva beslutar om sina

klimatmål, anges det i Parisavtalet att klimatåtagandena ska omfatta högsta möjliga ambition, utifrån ländernas respektive möjligheter. [3] Sveriges klimatmål är att senast år 2045 inte ha några nettoutsläpp av växthusgaser i atmosfären, för att därefter uppnå negativa utsläpp [4].

2018 stod bostads- och servicesektorn för mer än en tredjedel av Sveriges slutliga energianvändning [5]. En stor del av en byggnads energibehov uppstår på grund av tillhandahållande av termisk komfort genom uppvärmning, kyla och ventilation [6]. På grund av den globala uppvärmningen kommer efterfrågan på kyla öka i framtiden och ett alternativ som kan tillgodose användarnas kylbehov men samtidigt sänka byggnadens energiförbrukning är passiv kylning med geoenergi. [7]

1.1 Bakgrund

Även ifall världen har valt att samarbeta för att nå klimatavtalet, kommer den globala uppvärmningen inte fördelas jämnt. En global ökning av medeltemperaturen kommer påverka länder och områden väldigt olika.

Arktis är ett område nära Sverige som värms upp snabbare än andra områden, på grund av det kommer Sverige uppleva en temperaturökning högre än det globala medelvärdet. [8] Under sommaren 2018 upplevde största delen av både Svealand och Götaland den varmaste sommaren sedan meteorologiska institutet började föra statistik. Antalet högsommardagar, alltså dagar då temperaturen når 25 grader eller mer, var många under 2018.

Målilla som ligger i Småland noterade 49 högsommardagar, vilket är det högsta antalet sedan stationens data blev digitaliserad 1965. [9] Bevis för att dessa värmevågor kommer öka i intensitet, frekvens och varaktighet blir allt fler och i klimatförändringens skugga visar forskning att värmeböljor är den

(11)

Värme är en verklig fysisk påfrestning för kroppen vilket däribland innebär ett extra arbete för hjärtat. Höga temperaturer kan även medföra obehag i form av trötthet, huvudvärk och illamående. Även arbetsförmågan påverkas av hög värme. Kroppens naturliga reaktion på värme är att sänka

arbetstakten för att minska kroppens värmeproduktion och humöret påverkas på samma sätt av värmebelastning som det görs av stress. Till följd av det kan uppmärksamhet och omdöme försämras vilket leder till att

olycksfallsrisken ökar. [11]

Vissa grupper påverkas mer av värme än andra. Grupper som är extra känsliga är äldre personer samt personer med en överaktiv sköldkörtel och hjärt-kärlsjukdomar. [12] För känsliga grupper rekommenderar

Folkhälsomyndigheten en operativ temperatur på 20℃, vilket motsvarar en lufttemperatur på cirka 22℃. Även om äldre personer räknas som känsliga för värme ställs det inga krav på kylsystem på äldreboende och

lagstiftningen godkänner en långvarig operativ temperatur på 26℃. Under kortvariga perioder är det till och med acceptabelt med en operativ

temperatur på 28℃. [12, 13]

1.2 Problematisering

Det kommunala bostadsbolaget Allbohus äger lägenheter och lokaler runt om i Alvesta kommun. En av de fastigheterna som ägs av Allbohus är Furuliden som är ett grupp- och äldreboende beläget i Moheda. Allbohus har uppmärksammat att inomhustemperaturen i Furuliden ibland är hög på sommaren, vilket kan vara problematiskt då majoriteten av de som bor i Furuliden tillhör grupper som är känsliga för värme.

För att förbättra levnadsstandarden för vårdtagare och

arbetsmiljöförhållande för de anställda på Furuliden är förhoppningen att det ska finnas åtminstone en lokal i byggnaden med sval och behaglig

innetemperatur, där vårdtagare och anställda har möjligheten att uppehålla sig under heta sommardagar.

1.3 Syfte och mål

Vid Furuliden finns bergvärme med åtta stycken borrhål installerat sedan 1994 som inte har varit i bruk på flera år, idag används fjärrvärme till fastighetens uppvärmning. Syftet med projektet är att genom en

energiekonomisk utvärdering undersöka möjligheten att utnyttja geoenergin i borrhålen för att kyla ventilationsluften passivt på sommaren. Projektet ska även undersöka om det kan vara lönsamt att nyttja borrhålen som en passiv värmekälla vintertid, som en avlastning för fjärrvärmesystemet, genom att installera ett förvärmningsbatteri mellan intaget av uteluft och

luftbehandlingsaggregatet i ventilationssystemet.

(12)

Två olika system ska utvärderas, det första alternativet är att ett kylbatteri installeras i anslutning till ett ventilationsaggregat och kyler en stor del av tilluften i byggnaden som aggregatet förser med ventilationsluft.

Det andra alternativet är att ett kylbatteri installeras i en anslutningskanal till en samlingssal så att endast luften till den lokalen kyls, detta alternativ skulle vara billigare. Både alternativen innefattar att förvärmningsbatteri installeras.

Målet med att undersöka kyl- och värmekapaciteten är att tillgodose Allbohus med information som kan hjälpa till i beslutet gällande framtida installationer.

1.3.1 Frågeställningar

• Har borrhålen kapacitet att miljövänligt tillgodose Furuliden med ett bekvämt termiskt klimat under sommarmånaderna?

• Kommer installation av värmebatteri sänka energiförbrukningen samt fjärrvärmekostnaderna?

1.4 Avgränsningar

För att begränsa omfattningen på examensarbetet kommer endast kostnader för batterier, pump samt drift under en sommarmånad och en vintermånad undersökas. Kostnader för installationer och ombyggnationer kommer inte tas i beaktning. Platsbesök vid Furuliden kommer inte utföras på grund av den globala pandemin som råder till följd av coronaviruset COVID-19 då äldre personer tillhör riskgruppen. Beräkningar för kylbehov kommer endast göras för en månad, det samma gäller för besparingar till följd av

värmebatteriinstallation.

(13)

2. Teori

Majoriteten av människans vakna tid spenderas inomhus, ett bra termiskt inomhusklimat är därför av största vikt. Ofta förekommer flera olika installationer som ska samordnas för att skapa ett lämpligt inomhusklimat i byggnaden [14]. Nedan förklaras de tekniska system som är viktiga för det här arbetet.

2.1 Energibrunnar

Värme eller kyla extraherad lokalt från sjöar, vattendrag, jord, grundvatten och berg kallas geoenergi. Geoenergi är förnybart enligt EU:s

förnybarhetsdirektiv och jämställs med solenergi. Eftersom värmen/kylan utvinns lokalt är geoenergi neutral när det kommer till utsläpp av koldioxid och andra växthusgaser. [15]

Ett hål som borras i marken med avsikt för energiutbyte kallas energibrunn.

En vanlig utformning på energibrunnar är att en U-formad kollektorslang fylld med ett köldbärarmedium monteras i borrhålet, se Figur 1. [16]

Figur 1. Förenklad beskrivning av en energibrunn.

(14)

Volymen mellan kollektorslangen och berget fylls med grundvatten eller något annat fyllnadsmaterial för att öka den termiska kontakten mellan slangen och borrhålsväggen. [16] Mellan köldbärarmediet i kollektorslangen och grundvattnet eller fyllnadsmaterialet på utsidan sker en

värmeöverföring, där energi i form av värme transporteras från det varmare mediet till det kallare [16]. Köldbärarmediet transporterar sedan värme till eller bort från byggnaden via ett rörsystem genom en cirkulationspump.

De första metrarna som är isolerade med foderrör och tätning, kan ses som termiskt isolerade. Foderröret och tätningen hindrar inträngning av jord, berg och ytligt grundvatten i brunnen. Det är först efter foderrör och tätning som det sker värmeöverföring mellan kollektorslang och grundvatten, den sträckan kallas det aktiva borrhålet. [17]

2.2 Pumpsystem

Vid installation av kyl- och värmebatteri i Furulidens ventilationssystem krävs att nytt rörsystem samt ny pump installeras så att köldbärarvätska kan pumpas från kollektorslangarna till batterierna.

För nuvarande finns en pump av modell Grundfos 71B2-14F85-B i Furuliden vars uppgift är att cirkulera köldbärarvätska mellan borrhål och värmepumpen som är placerad på källarplan. För att beräkna hur mycket effekt (Ptot) som krävs för en trefaspump används Ekvation 1.

𝑃!"! = √3 × 𝑈#× 𝐼#× cos 𝜑

Ekvation 1

Uh= Huvudspänning (V) Ih= Huvudström (A) f= Fasvinkel (grader)

2.2.1 Tryckfall

Tekniken bakom pumpar grundar sig i hydrodynamiska lagar eftersom de är maskiner avsedda att transportera fluid i rörledningar genom att tillföra energi som ökar dess tryck, läges- och/eller rörelseenergi. [18] För att klara cirkulera fluid i ett slutet system måste pumpen överkomma det totala tryckfallet (Δpf) som skapas av alla enheter och motstånd i slingan. [19]

Det tryckfall som uppstår beror dels på strömningsmotståndet mellan fluid och vägg, dels på engångsmotstånd som ventiler och krökar samt enheter i slingan som skapar tryckfall, exempelvis ett kylbatteri [19]. I en sluten slinga uppstår även något som kallas självcirkulation på grund av termiska krafter. Eftersom varmt vatten har lägre densitet stiger det medan det kallare vattnet sjunker. Stor temperaturskillnad och stora rördimensioner som minskar friktionen mellan fluid och rörvägg krävs för att självcirkulation ska

(15)

Strömningsmotståndet beskriver hur mycket mer pumpen behöver arbeta på grund av friktionen mellan rör och fluid. Strömningsmotståndet beror på ett antal faktorer, varav Reynolds tal (Re) utgör en av faktorerna. Reynolds tal bestämmer om strömningen i röret är laminärt Re<2030 eller turbulent Re>2030 [21]. Vid laminär strömning färdas partiklarna i parallella banor, som en rak linje i strömningsriktningen. Vid turbulent strömning är det inte längre en rak strömningslinje och partikelhastigheten varierar oregelbundet.

[22]

I en kollektorslang gynnas värmeövergången mellan köldbärarvätskan och kollektorslangens innervägg av ett turbulent flöde, vilket leder till ett bättre effektuttag från borrhålet. För att säkerställa turbulent flöde i hela ledningen bör Reynolds tal vara minst 3000. [23] Reynolds tal beräknas med Ekvation 2.

𝑅𝑒 =𝜌 × 𝑣 × 𝐷 𝜇

Ekvation 2

ρ= fluidens densitet (kg/m3) D= rörets diameter (m)

v= fluidens hastighet (m/s) μ= fluidens dynamiska viskositet (Pa×s)

Beroende på om strömmingen är laminär eller turbulent används olika sätt för att beräkna friktionskoefficienten (λ) som sedan används för beräkning av det totala strömningsmotståndet (hf). Vid laminär strömning är

friktionskoefficienten &'$% och vid turbulent strömning utläses

friktionskoefficienten från ett Moodydiagram. För att kunna bestämma friktionskoefficienten behövs Reynolds tal, ytråheten för rörmaterialet samt diametern. I Tabell 1 utläses olika ytråheter för vanliga rörmaterial [24].

Tabell 1. Ytråhet hos nya rörmaterial [24].

Rörmaterial ytråhet hos nya rör (m)

Dragna stålrör 45×10-6

Kopparrör 1,5×10-6

Plaströr 5×10-6

Förzinkade rör 150×10-6

(16)

Ungefärliga värden på förlustkoefficienter för engångsmotstånd i olika fall visas i Tabell 2. Värdena är sanna för normal ytråhet och ett högt Reynolds tal, det vill säga ett fullt utvecklat turbulent flöde. [25]

Tabell 2. Engångsmotstånd för olika fall [25].

Fall Engångsmotstånd

Rörböj 90˚

För att räkna ut tryckfallet (Δpf) till följd av engångsmotstånd och strömningsförluster kan Ekvation 3 användas.

𝛥𝑝! = 𝛴(𝜆"×𝑙"

𝑑"+ 𝛴𝜁") ×𝑐"! 2 × 𝜌

Ekvation 3

c= fluidens strömningshastighet

(m/s) ζ= engångsmotstånd

ρ= densitet (kg/m3) λ= friktionsfaktorn l= längd på rör (m) d= diameter på rör (m)

Pumpeffekten (P) som krävs beräknas med Ekvation 4.

𝑃 =𝑉 × 𝑃( 𝜂!"!

Ekvation 4

V= volymflöde (m3/s) Pp= det totala tryckfallet (Pa) 𝜂!"!= pumpens verkningsgrad (%)

Inloppsmunstycke Inloppskona Rakt rör

ζ =0,05 ζ=0,2 ζ=3 r>4 d

r=d

ζ =0,2 ζ=0,4

(17)

2.2.2 Pumpreglering

För att reglera hur mycket värme/kyla som går ut i ett system i en byggnad kan shuntar användas, vilka är ventiler som blandar det utgående vattnet med returledningsvattnet för att uppnå den eftersträvade temperaturen. Det går även att reglera tillförseln av värme/kyla genom justering av storleken på vattenflödet. [26] Intelligenta pumpar är pumpsystem som med hjälp av mjukvara kan variera flöde, tryck, temperatur och pumpkraft. Att använda intelligenta pumpar är mer energieffektivt och dessutom slits inte systemet som är anslutet till pumpen lika mycket. [27, 28]

2.3 Ventilation

För att förebygga olägenheter ställer boverkets byggregler (BBR) krav på luftkvaliteten i byggnader. Utformningen av installationer i byggnader ska designas på så vis att temperatur-, fukt-, hygien- och ljusförhållanden under byggnadens livslängd är tillräckliga. För att hålla fukt och föroreningar på godtagbar nivå ställs krav på ventilationssystem gällande vädring,

luftdistribution, ventilationsflöden och installationsutformning. Boverket har olika krav beroende på vad byggnaden ska användas till. [29]

I BBR ställs krav på att byggnader designas så att tillfredsställande termiskt klimat uppnås och med detta menas att termisk komfort ska uppnås i

vistelsezonen vilket avser avskiljbara delar av rum samt rum i vilka människor mer än tillfälligt vistas. [29]

För att uppfylla de krav, regler och rekommendationer som myndigheter har förordnat för inneklimat och luftkvalitet behöver i princip alla byggnader ett ventilationssystem. Ventilationen i en byggnad har många syften men dess huvudsakliga funktion är att tillföra frisk luft och föra bort föroreningar och på så vis se till så att de inte sprids i byggnaden. I vissa fall har även

ventilationssystemet i uppgift att kyla och/eller värma byggnaden. [30]

Det finns olika typer av ventilationssystem, med en mängd olika tillämpningar och tekniker. Gemensamt för dem är att alla ventilationssystem kan delas upp i fyra olika delsystem: [30]

• Ett styr- och reglersystem.

• Kanaler i fastigheten som distribuerar till- och frånluft.

• Till- och frånluftsdon i olika utrymmen.

• Luftbehandlingsaggregat.

2.3.1 Styr- och reglersystem

Bör-värde är det värde som ett styr- och reglersystem för ventilation ställs in att eftersträva, det kan även kallas referensvärde. Systemets temperatur mäts

(18)

2.3.2 Ventilationskanaler

Kanaler för ventilation är antingen cirkulära eller rektangulära. Det mest passande att använda i ventilationssystem är cirkulära kanaler då de är tätare, billigare samt lättare att hantera. Rektangulära kanaler används när

utrymmet är begränsat. [32] I Tabell 3 redovisas lufthastigheter som används vid kanaldimensionering, hastigheten varierar mellan kanaltyper från 2–9 m/s men ska vara konstant i de olika delarna av kanalsystemet.

Tabell 3. Lufthastigheter som används vid kanaldimensionering, vilka uppfyller de flesta kraven [33].

Kanaltyp Lufthastighet (m/s)

Huvudkanal 6–9

Stamkanal 4–6

Grenkanal 2–4

Anslutningskanal 2

2.3.3 Till- och frånluftsdon

Tilluftsdon är de komponenter i ventilationssystem genom vilka den nya friska luften tillförs lokaler medan frånluftsdon tar in den gamla förorenade luften som ska ledas tillbaka utomhus. Med omblandande ventilation tillförs lokalen ny luft med hög hastighet, tilluftsdonet placeras i taket utanför vistelsezonen för att inte skapa drag, medan frånluftsdonets placering inte spelar någon större roll. Med omblandande ventilation blir

temperaturvariationerna små och föroreningskoncentrationen jämn samt låg tack vare luftrörelserna. Omblandande ventilation lämpar sig för både kylning och värmning. [34]

Deplacerande ventilation tränger undan den gamla förorenade luften vilket uppnås genom placering av tilluftsdonet i golvnivå och tillsättning av luft med låg hastighet vilket medför att luften flyter ut över golvet. När tilluften kommer i kontakt med varma kroppar värms den upp och stiger. Genom att placera frånluftsdonet i taket sugs den förorenade luften ut ur lokalen med luftströmmen. Deplacerande ventilation fungerar inte för varmluft eftersom den varma luften hade stigit direkt och föroreningarna i rummet hade inte avlägsnats. [34]

(19)

2.3.4 Luftbehandlingsaggregat

Luftbehandlingsaggregat förser byggnaden med tempererad och filtrerad tilluft i ”rena” utrymmen såsom vardagsrum och sovrum. Tilluft ska inte vara mer än 8 ℃ svalare än rummets temperatur eftersom större

temperaturdifferenser riskerar att orsaka drag. [35] Den förbrukade frånluften förs sedan ut i exempelvis kök och badrum. Frånluften leds genom ett antal frånluftsdon till en större, gemensam kanal som leds in i ett luftbehandlingsaggregat genom en värmeåtervinnare där den svala tilluften värms av den varma frånluften. [30]

I lokaler som Furuliden, som ska ventileras kraftigare än vanliga bostäder används till- och frånluftsventilation med återvinning, även kallat FTX system. Systemet är utformat med en värmeåtervinnare som är placerad i luftbehandlingsaggregatet vilken tar vara på värmen i frånluften genom separata kanalsystem för till- och frånluft, se Figur 2. [30]

Figur 2. Kanaler som distribuerar till- och frånluft i FTX.

(20)

2.4 Värmeöverföring

Energi beskrivs formellt som ett systems kapacitet att utföra arbete. Den totala energin i ett system är summan av dess potentiella energi och dess rörelseenergi. Potentiell- och rörelseenergi mäts i Joule (J), men

manifesteras fysikaliskt av temperatur. [36] Om temperaturen är varmare i ett system än i ett annat, inträffar en värmetransport från det varmare systemet till det kallare systemet tills termisk jämvikt uppstått. [36]

Värmeöverföring sker i princip på tre olika sätt, konvektion, strålning och ledning. I praktiken sker värmeöverföring genom mer än ett av dessa tre sätt samtidigt, även om någon/några kan vara mer dominerande. [37]

Vid konvektion sker värmeöverföringen i ett medium genom molekylär rörelse orsakad av densitetskillnader. De varma partiklarna för med sig värme till områden där de kalla partiklarna finns, de kalla partiklarna värms upp. När de uppvärmda partiklarna rör sig ifrån värmekällan till kallare omgivning kyls dem igen och sjunker på grund av högre densitet. [37] Se Figur 3. Värmeöverföringen mellan fluiden och kollektorslangensvägg sker genom konvektion.

Figur 3. Exempel på partiklarnas rörelse vid konvektion.

Konvektion kan antingen vara naturlig eller påtvingad. Om konvektionen sker på grund av temperaturdifferenser är det naturlig konvektion och om det finns något som driver konvektionen, som exempelvis en pump, kallas det för påtvingad konvektion. [38] Värmeövergångstalet (α) är en funktion av det strömmande mediets tillstånd och hastighet samt i någon mån av ytans egenskaper. [39] När det kommer till kollektorslangen och

grundvattnet beskriver alfavärdet bland annat temperaturskillnad mellan fluid och vägg, väggytans form och bearbetning, väggmaterial samt fluidens egenskaper och strömningssätt [37].

(21)

Värmeöverföring genom strålning sker genom att värme överförs från en kropp till en annan genom elektromagnetisk strålning. Solens energi transporteras till jorden via elektromagnetisk strålning och värmer upp allt omkring oss. [40]

Ett ämnes värmeledningsförmåga beskriver hur väl det leder värme, till exempel leder plast värme sämre, medan koppar leder värme väl.

Värmeöverföring genom ledning inträffar i fasta, flytande eller gasformiga medier genom att partiklars rörelseenergi överförs till närliggande partiklar med lägre rörelseenergi. [37] Värmeledningsförmågan (λ) används för att beräkna värmeöverföringen (P), Ekvation 5 används för att beräkna värmeöverföringen genom ett cirkulärt skikt.

𝑃 = 2𝜋 × 𝐿 × 𝜆 ×𝑡) − 𝑡* 𝑙𝑛 <𝑟*

𝑟)>

Ekvation 5

L= Cylinderns längd (m) r1= inre radie (m) t1= temperatur vid inre diameter (℃) r2= yttre diameter (m) t2= temperatur vid yttre diameter

(℃) λ= Värmkonduktivitet i

skiljeväggen (W/(m×℃)) Den specifika värmekapaciteten är en viktig egenskap hos ett material som kan ha en avgörande roll i värmeöverföringen. Värmekapaciteten berättar hur mycket energi som behöver tillsättas för att höja ett systems temperatur 1℃. [41]

Egentligen förändras den specifika värmekapaciteten beroende på

temperaturen, ofta räcker det dock med ett medelvärde i praktiken. För att räkna ut hur mycket energi i form av värme (Q) som lämnar eller upptas av en kropp vid en viss temperaturändring, används Ekvation 6. [42]

𝑄 = 𝑚 × 𝑐𝑝 × 𝛥𝑇

Ekvation 6

m = kroppens massa (kg) ΔT = temperatur differensen (℃)

Cp = specifika värmekapaciteten (W/(kg×℃))

(22)

2.4.1 Värmeöverföring energibrunn

En parameter som anses vara en av de viktigaste vid beräkning av värmeöverföring i en energibrunn är borrhålets termiska motstånd som uppstår mellan köldbärarvätskan och marken utanför borrhålet (Rb). Genom att designa borrhålet med ett så litet Rb som möjligt kan ett större effektuttag göras. Nedan redovisas beräknade Rb för tre olika positioner på

kollektorslang i borrhålet, se figur 4. [16]

Figur 4. Olika positioner på kollektorslangen i borrhålet. [16]

Värdena på Rb i Tabell 4 baseras på kollektorslangens position i borrhålet och en kollektorslangtjocklek på 2,1 mm. Rb baseras även på följande värmeledningsförmågor:

• Berg - 3,5 W/(m×℃),

• Vatten - 0,56 W/(m×℃)

• Is - 2,0 W/(m×℃) för is

• Kollektorslang - 0,36 W/(m×℃).

Hänsyn har inte tagits till den naturliga konvektionen som sker då

grundvattnet inte är fruset, det skulle bidra till ett litet ytterligare motstånd.

[16]

Tabell 4. Beräknat Rb för de olika positionerna A, B och C under olika omständigheter. [16]

A

(m×℃)/W

B

(m×℃)/W

C

(m×℃)/W

Ofryst, laminär 0,210 0,362 0,227

Ofryst, turbulent

0,132 0,279 0,148

Fruset, turbulent 0,042 0,075 0,051

(23)

Ekvation 7 beskriver en grundläggande relation mellan

värmeuttag/värmeinjektion, temperaturskillnaden på köldbärarvätskans temperatur (Tk) och temperaturen i marken precis utanför borrhålet, det vill säga den ostörda marken (Tom). [43]

𝑇+− 𝑇", = 𝑞 × 𝑅-

Ekvation 7

q= Effektutbyte (W/m) Rb= Borrhålets termiska motstånd ((m×℃)/W)

Den ostörda marktemperaturen kan normalt likställas med markens ostörda temperatur halvvägs ned i borrhålet [16]. Riktvärden för marktemperaturpå 100 m djup har tagits fram av statens geotekniska institut, vid Furuliden i Moheda anges en temperatur på 7℃. [44]

Långvarigt värmeuttag från marken leder till en temperatursänkning i bergmassan kring brunnen, därför kan det vara passande att återladda med värme. Om flera brunnar placeras nära varandra blir temperatursänkningen i berget ännu tydligare [45]. Eftersom temperaturen i bergetoftast är lägre än omgivande atmosfäriska temperatur på sommaren, kan marken också användas för komfortkyla och på samma gång höja temperaturen i marken till nästa vintersäsong. [44]

2.4.1.1 Bergets termiska egenskaper

I Sverige domineras berggrunden av urberg som bildades för ca 0,9–1,9 miljoner år sedan. Urberget består till största del av granit och gnejs med kristallin struktur. I Moheda är det berggrund av granit som är dominerande vars medelvärmeledningsförmåga är 3,5 W/(m×℃). [44, 46]

Högst värmeledningsförmåga har berg som är mindre poröst, har högt kvartsinnehåll samt kristallina struktur som till exempel granit som har tät bergmassa och vars kvartsinnehåll varierar mellan 20–40 % [41, 47]

Värmeledningsförmågan i berg är inte så hög att värme skingras direkt men inte heller så låg att en värmeväxlare inte kan extrahera värmen.

Värmeledningsförmågan hos de vanligaste bergbildande mineralerna är hög, vattens värmeledningsförmåga är sämre och lufts ännu sämre, därav är berg med högt vatten- och luftinnehåll sämre värmeledare.

Värmeledningsförmåga varierar med temperatur men vid kylning och

uppvärmning med energibrunnar är temperaturintervallet litet och därför kan detta försummas. Värmeledningsförmågan beror också på ett ämnes fas, till exempel leder is värme bättre än vatten och därför leder berget värme bättre

(24)

2.4.1.2 Grundvattentillgång

Vattens värmekapacitet ligger på 4180 J/(kg×K) vid 20℃ medan de flesta bergarters värmekapacitet landar runt 800 J/(kg×K), därför spelar

grundvattentillförseln till energibrunnar stor roll för energibrunnens

värmekapacitet. Grundvattentillgången varierar med geologiska platser och dess jord- och bergart. [48] Potentialen för högre vattenföring i massformig granitisk bergart antas högre än i gnejsiga bergarter då sprickorna i

granitiska bergarter är mer regelbundna, längre och mer sammanhängande än gnejsiga bergarter. [47] Den största delen av den värmemängd som finns lagrad i grundvattnet kommer ifrån solinstrålning och på djupet ökar

värmemängden något på grund av det geotermiska värmeflödet. Andra faktorer som påverkar grundvattnets temperatur är jord och berggrundens permeabilitet, värmeledningsförmåga och vattenomsättning. [45]

2.4.2 Värmeväxlare

Värmeväxlare är anordningar som främjar värmeutbyte mellan medier som har olika temperatur och inom energiteknik och kylteknik har värmeväxlare många tillämpningar [49]. En tidigare nämnd värmeväxlare är

kollektorslangen som gynnar värmeutbytet i energibrunnen.

Värmeutbytet i en värmeväxlare involverar konvektion i de strömmande medierna och värmeledningen genom väggen som separerar dem, väggen ska ha så hög värmeledningsförmåga som möjligt. Temperaturdifferensen, faserna av medium (gas eller flytande), kvantiteten av termisk energi som ska överföras och det tillåtna tryckfallet för det varma och det kalla mediet bestämmer värmeväxlarens utseende för en viss tillämpning. [50] Några värmeväxlare som används mycket i ventilationssystem är värmeåtervinnare, värmebatteri och kylbatteri.

(25)

2.4.2.1 värmeåtervinnare

En värmeåtervinnares uppgift i ett luftbehandlingsaggregat är som tidigare nämnt att ta vara på värmen/kylan i frånluften. Dess förmåga att överföra värme skildras med hjälp av temperaturverkningsgraden för tilluft (ηtill) och för frånluft (ηfrån), se Ekvation 8 och 9. [51]

𝜂!.// =(𝑇å!'12344'4− 𝑇3!')

(𝑇51å4− 𝑇3!') × 𝑞!.//

𝑞51å4

Ekvation 8

𝜂51å4 = (𝑇51å4− 𝑇62)

(𝑇51å4− 𝑇3!')× 𝑞!.//

𝑞51å4

Ekvation 9

Tåtervunnen= temperatur efter återvinnare (℃) Tute= utetemperatur (℃) Tfrån= frånluftstemperatur (℃) Tav= avluftstemperatur (℃) qtill= tilluftsflöde (m3/s) Qfrån= frånluftsflöde (m3/s)

I Furuliden är värmeåtervinnaren av typen roterande värmeväxlare. Den roterande värmeväxlaren är uppbyggd av korrugerad metallplåt vilken är lindad och bildar små kanaler som sedan sitter på ett rotorhjul.

Konstruktionen möjliggör värmeväxling genom att varm luft från frånluftskanalen passerar plåten och värmer upp den samtidigt som rotorhjulet roterar, det roterar sedan så att uteluft i tilluftskanalen får gå igenom den uppvärmda plåten och värme avges då från plåten till tilluften, se Figur 5. [51]

Figur 5. En skiss över hur en roterande värmeväxlare fungerar.

Mätning av temperaturverkningsgraden i laboratorier på roterande

(26)

2.4.2.2 Värmebatteri

Ett värmebatteri värmer luften med någon sorts vätska, i Furuliden är det vatten från fjärrvärme. Batteriet är konstruerat med rör innehållande vätska och kanaler genom vilka ventilationsluft kan passera, vilket möjliggör att värme kan överföras från det ena mediet till det andra, se Figur 6.

Figur 6. schematisk skiss på ett vätska-luft värmebatteri.

Effektbehovet (Pvärmebatteri) beror på temperaturen på luften innan och efter batteriet samt ventilationsflödet, se Ekvation 10. [51]

𝑃2ä1,'-6!!'1. = 𝜌 × 𝑐(× 𝑞 × (𝑇*− 𝑇))

Ekvation 10

ρ= luftens densitet (kg/m3) cp= luftens specifika värmevärde (J/Kg× ℃)

q= luftflöde genom batteriet (m3/s) T1= temp. På luft före batteriet (℃) T2= temp. På luft efter batteriet (℃) 2.4.2.3 Kylbatteri

Ett kylbatteri fungerar som ett värmebatteri och har ungefär samma material.

Vid beräkning av kylbatteriets effektbehov används samma ekvation som för värmebatteriet, Ekvation 10, så länge vattenångan i luften inte kondenserar.

Kondenseringen bidrar nämligen till en temperaturökning vilket resulterar i mer krävd kyleffekt. [51].

Luft har en förmåga att bära vattenånga olika bra vid olika temperaturer.

Varmare luft kan bära mer vattenånga än kallare. Fuktig luft har en

kondenseringstemperatur som är en funktion av vattenångans partialtryck.

Den fuktiga luften är mättad då temperaturen är den samma som

vattenångans kondenseringstemperatur vid rådande vattenångtryck. Sjunker

(27)

till dagg eller dimma. Daggpunkt och relativfukthalt för olika temperaturer erhålls ur ett mollierdiagram, se Bilaga 13. [53] På grund av detta kan det vara nödvändigt att avfukta parallellt med kylningen. [54]

Aktiv och passiv kyla

Vid passiv kylning utnyttjas endast värmeväxlare. Vid aktiv kylning används en kompressor, som oftast drivs med elektricitet, för att generera större temperaturskillnad mellan de två värmeväxlarna (förångare och kondensor) i en kylmaskin. En större temperaturskillnad leder till att köldfaktorn blir större, vilken berättar hur effektiv en kylmaskin är. Vid passiv kylning används ingen kompressor, alltså tillförs inte energi externt förutom till systemets pump vilket gör att ett passivt kylsystem har högre verkningsgrad i jämförelse med ett aktivt system. [54]. Gällande energibrunnar kan

användning av kompressor generera en högre temperatur på mediet som går ner i borrhålet vilket resulterar i att borrhålet inte behöver ha lika lång värmeväxlingssträcka. Engångskostnaderna kan alltså bli lägre vid installation av aktiv kyla men på grund av elen som krävs för att driva kompressorn blir driftskostnaderna större. [54]

(28)

3. Furuliden

Vid Furuliden finns bergvärme med åtta stycken borrhål installerat sedan 1994 som inte har varit i bruk på flera år. Enligt SGUs kartvisare är berggrunden uppbyggd av granit och jordarten av typ grusig morän. Den grusiga moränen har goda till mycket goda grundvattenuttagsmöjligheter och berget har relativt goda grundvattenuttagsmöjligheter. [55, 56, 57]

Marktemperaturenpå 100 m djup vid Furuliden är cirka 7℃. [44]

Då bergvärmesystemet var i bruk användes en värmepump för att höja temperaturen till en lämplig nivå till byggnadens vattenburna

uppvärmningssystem. Numera används fjärrvärme till husets uppvärmningssystem, även eftervärmningsbatteriet i luft-

behandlingssystemet är kopplat till fjärrvärme. I Tabell 5 redovisas priser som Allbohus handledare för projektet angett för el och fjärrvärme.

Tabell 5. Furulidens el- och fjärrvärmekostnad exklusive moms

Fjärrvärmekostnad (kr/MWh) 633

Elkostnad (kr/kWh) 0,99

Specifikationer för borrhålen, erhållna från installatören presenteras i Tabell 6. Flödet angivet av installatören för en kollektorslang uppgår till 0,25 l/s, dock visar ritningar i Bilaga 10 ett flöde på 0,33 l/s.

Tabell 6. Information från installatören [17]

Köldbärarvätskan som används i brunnarna är brineol. Brineolen pumpas runt i kollektorslangarna med hjälp av cirkulationspumpen 71B2-14F85-B se specifikationer i Tabell 7, även den är placerad på plan 2. Brineol med 20 % etanol har en specifikvärmekapacitet på 4450 kJ/(kg×K) vid 15℃. [58]

Tabell 7. Specifikationer för pump 71B2-14F85-B

Märkeffekt (kW) 0,55

Frekvens (Hz) 50

Spänning (V) 220–240 Δ V/380–415 Y

Ström (A) 2,5/1,44

Varvtal (rpm) 2800–2840

cosf 0,84–0,76

Typ av kollektorslang Polyetenrör

Tjocklek kollektorslang (m) 0,005

Aktivt borrdjup (m) 137,5

Effekt (W/m) 30

(29)

Furuliden är uppdelat i tre olika byggnader, se Figur 7. Plan 2 (källarplan) i byggnad A är kopplad till de åtta parallellborrade energibrunnarna. Det finns fem stycken olika luftbehandlingsaggregat som betjänar olika rum i

byggnaderna A, B och C, se Bilaga 11.

Figur 7. Förenklad ritning på Furuliden ovanifrån.

Samlingssalen 340 på bottenplan i byggnad A är den samlingssal som Allbohus önskar ska kylas. Luftaggregatet som förser samlingssalen med luft kallas LA01, vilken är placerad i fläktrummet på vinden i byggnad A.

Förutom Samlingssal 340 betjänar LA01 24 andra rum. Det projekterade tilluftsflödet från LA01 är 1360 l/s och det projekterade tilluftsflödet till samlingssalen är 240 l/s.

Ventilationssystemet i Furuliden är av typ FTX, vilket innebär till- och frånluftsventilation med värmeåtervinning. Systemet har inget kylbatteri installerat utan endast ett eftervärmningsbatteri installerat efter

värmeåtervinnaren. I Furuliden är värmeåtervinnaren av typen roterande värmeväxlare, se Figur 8.

Figur 8. schematisk skiss av nuvarande uppbyggnad på luftbehandlingsaggregatet LA01.

(30)

4. Metod

Projektets mål är att förse Allbohus med information som kan hjälpa vid beslut av installation av kylsystem. Arbetet ska inledas med datainsamling i form av en litteraturstudie för att få förståelse för ämnet. Material från studentlitteratur, artiklar och hemsidor skall studeras för att hitta passande beräkningsmodeller baserade på fysikaliska lagar samt för att kunna göra valida antaganden. Metoden är kvantitativ då tillvägagångssättet för att uppnå syftet kommer göras genom matematiska modeller och resultatet kommer ges ur beräkningarna.

För att göra en litteraturstudie med hög reliabilitet ska artiklar som används som referenser vara peer-reviewed granskade. Rapporter och böcker ska främst hämtas från Linnéuniversitetets bibliotek i Växjö genom

söktjänsterna OneSearch och Ebook Central. Förklaring av grundläggande begrepp erhålls från Nationalencyklopedin samt studentlitteratur som Energiteknik 1 och Projektering av VVS-installationer. För en djupare kunskap om energibrunnar används Sveriges geologiska undersökning (SGU) och Sveriges geotekniska institut (SGI).

Två alternativ för placering av kylbatteri ska presenteras i arbetet. Alternativ ett innefattar ett kylbatteri som ska placeras efter värmeåtervinnaren i

luftaggregatet LA01 och ett förvärmningsbatteri som ska placeras innan aggregatet, se Figur 9.

Figur 9. En schematisk skiss av luftaggregatet LA01 och placering av kylbatteriet samt förvärmningsbatteriet i alternativ ett.

(31)

Alternativ två är att ett mindre, billigare kylbatteri placeras i

anslutningskanalen till samlingssalen 340, se Figur 10. Även alternativ två innefattar förvärmningsbatteriet som presenteras i Figur 9.

Figur 10. En schematisk skiss över vart kylbatteri i alternativ två ska placeras.

Förutom kyl- och värmebatterier består de två olika alternativen av ytterligare komponenter, dels befintliga energibrunnar och

cirkulationspumpen 71B2-14F85-B som transporterar köldbärarvätskan runt i energibrunnarnas slutna system, dels en teoretisk cirkulationspump och sluten rörledning som ska möjliggöra transport från källaren där

köldbärarvätskan äntrar byggnaden till samlingssalen respektive fläktrummet.

Kyl- och värmebatterierna ska dimensioneras av företag X och effektbehovet för de olika komponenterna ska kalkyleras i

beräkningsprogrammet Matlab. För att batterierna ska kunna dimensioneras och beräkningsprogram ska kunna framställas ska platsspecifik information samlas in.

Beräkningsmodellerna i Matlab ska göras med hjälp av beräkningsmodeller från tidigare studier och studentlitteratur. Två program ska utformas i syfte att beräkna effektutbytet i energibrunnarna samt temperaturen på

köldbärarvätskan ut från energibrunnarna, det första för injicering av värme och ett för utvinning av värme.

Ett annat program ska utformas i syfte att beräkna kylbehov för att utvärdera om de två olika kylbatterierna har kapacitet att tillgodose behovet, detta ska göras med hjälp av temperaturer från juli 2019. För att beräkna hur stor besparing som kan göras genom installation av värmebatteriet under en vintermånad skapas ett program baserat på temperaturer för december 2019.

Beräkningar ska även göras för att ta reda på kapaciteten som krävs av

(32)

5. Genomförande

De två olika alternativen av system har beräknats med upplägg som illustreras i Figur 11. För att underlätta redovisning av genomförande och resultat har två systemgränser satts upp och genom dem har systemet delats upp i tre olika delar, utöver dessa finns en fjärde del i vilken kostnader redovisas.

Figur 11. Enkel skiss av hela systemet

• Den första delen under rubriken ”Energibrunnar och pump 1” består av befintliga energibrunnarna från vilka värme/kyla ämnas att hämtas, samt en cirkulationspump (pump 1) som transporterar köldbärarvätskan i energibrunnarnas slutna system.

• Den andra delen ”Pump 2” omfattas av en teoretisk cirkulationspump (pump 2) som beräknas med hjälp av en antagen rörledning.

• Den tredje delen utgörs av kyl- och värmebatterier som har

dimensionerats av företag X samt Furulidens effektbehov under en sommar- och vintermånad.

• En avslutande part kommer redogöra för hur kostnadsberäkningarna har gått till, nedan redovisas antaganden och beräkningar för alla delar.

(33)

5.1 Energibrunnar och pump 1

Vid beräkning av effektutbytet i energibrunnarna och temperatur på

köldbärarvätskan ut ur energibrunnen, utformades två beräkningsprogram i Matlab. Se bilaga 1 för värmeinjektion i energibrunnen och Bilaga 2 för värmeuttag ur energibrunnen.

Enligt SGUs kartvisare var berggrunden uppbyggd av granit och jordarten var av typ grusig morän. Med hjälp av denna information kunde antagande om borrhålet göras, dels att utrymmet mellan kollektorslangen och

borrhålsväggen var fyllt med grundvatten och dels att bergets

värmekonduktivitet var 3,5 W/(m℃). Baserat på de antaganden som nämns ovan och även att kollektorslangarna har samma position som A i Figur 4, användes ett värde för borrhålens termiska motstånd hämtat från Tabell 4.

Det termiska motståndet sattes till 0,132 (m×℃)/W som var sant för turbulent strömning i kollektorslangen och ofruset grundvatten utanför.

Som tidigare nämnts i avsnitt 2.1 kan markens ostörda temperatur likställas med temperaturen i berget halvvägs ned i borrhålet, vilket i det här fallet är ungefär vid djupet 70 m. Då endast en temperatur vid 100 m har hittats i området kring Furuliden har den använts för beräkning av effektuttag och köldbärartemperatur.

Det termiska motståndet, den ostörda marktemperaturen och en teoretisk temperatur på köldbärarvätskan in i borrhålet användes i Ekvation 1 för att beräkna ett effektutbyte per meter. Eftersom temperaturen på

köldbärarvätskan ändras i borrhålet beräknades en ny temperatur för varje färdande meter i kollektorslangen med Ekvation 7.

För att beräkna den krävda effekten av pump 1 användes Ekvation 1 samt pumpspecifikationer från Tabell 7.

5.2 Pump 2

Pumpeffekten som krävs för att transportera köldbärarvätskan från källaren till värme- och kylbatteri kalkylerades genom att beräkna tryckfall till följd av rör, engångsmotstånd och batteri. Eftersom det inte fanns någon befintlig rörledning mellan energibrunn och respektive batteri antogs rörledningen med hjälp av Bilaga 9 och 10. Då Furuliden i nuläget inte kyler uteluften antogs ventilationen vara av omblandande typ, vilket medför att tilluftsdonet är placerat i taket.

För att beräkna tryckfallet som orsakas i rörledningen av

strömningsmotstånd används friktionsfaktorn som avläses ur Moody- diagrammet med hjälp av Reynolds tal samt rörets ytråhet och diameter, se Bilaga 7. Ytråheten för rören antogs vara det för plast, se Tabell 1. Valet av

(34)

Antal engångsmotstånd som uppstår vid krökar och munstycken estimerades genom att studera byggnadsritningen. De engångsmotstånden som användes i beräkningarna antogs vara samma som de presenterade i Tabell 2. Värdena i Tabell 2 gäller för vanliga rörmaterial och turbulent strömning, vilket stämmer för båda alternativen som undersöktes.

Friktionsfaktorn, rörlängden samt engångsmotstånden används i Ekvation 1 för att beräkna tryckfallet. Det beräknade tryckfallet för strömnings- och engångsmotstånd adderades sedan med tryckfallet för det specifika batteriet som utvärderades, sedan kunde den krävda pumpeffekten beräknas med Ekvation 4.

5.3 Kyl- och värmebatteri

För att hitta passande kyl- och värmebatterier kontaktades företag X. För att dimensionera krävdes information om kanaldimensioner och temperatur på köldbärarvätskan efter borrhålen. Även luftflöde krävdes för

dimensioneringen, vilket hämtades ur protokollet från den senaste obligatoriska ventilationskontrollen (OVK), se Bilaga 11.

5.3.1 Beräkning av kylbehov

För att undersöka om de dimensionerade kylbatterierna kunde tillgodose kylbehovet i Furuliden utformades ett program i Matlab för att kalkylera månadsbehovet, se Bilaga 5. Programmets resultat är baserat på

maxtemperaturer för juli månad 2019. Med hjälp av temperaturdata för varje timme i juli 2019 har en generell linjäranpassning för

temperaturändringen under ett dygn i juli skapats. Temperaturförändringen beskrivs med en polynomekvation av andra graden. Temperaturekvationen har satts in i Ekvation 8 för att generera temperaturer efter kylåtervinningen som sker i den roterande värmeväxlaren i LA01. Temperaturen på frånluften har satts till 24℃ vid insättning i Ekvation 8. De beräknade temperaturerna efter den roterande värmeväxlaren användes i Ekvation 6 för att beräkna en krävd kyleffekt per timme. Programmet kalkylerar även genom summering, ett kylbehov för varje dag och ett totalt kylbehov för månaden.

(35)

5.3.2 Beräkning av värmeeffekt

Ett värmningsprogram har designats för att beräkna hur mycket

förvärmningsbatteriet kan avlasta eftervärmningsbatteriet i LA01, se Bilaga 7. Temperaturen under vintern fluktuerar dock och att skapa en linjär anpassning för att beskriva temperaturändringen under en vinterdag var inte möjligt. Därför beräknades en medeltemperaturdifferens ut för dagen som skulle undersökas och en andel av dagen som låg under en temperatur på 5

°C för att ta reda på hur många timmar av dygnet som värmebatteriet skulle bidra med värme. För att beräkna andelen skapades Ekvation 11.

𝑎𝑛𝑑𝑒𝑙 =𝑇2ä1,4.48− 𝑇,.4 𝑇,69− 𝑇,.4 × 24

Ekvation 11

Värmeeffekten för en dag beräknades genom insättning av

medeltemperaturdifferens i Ekvation 6, samt antal aktiva timmar. På grund av att temperaturändringen under dagen inte kunde beskrivas generellt räknade programmet endast ut en dags- och månadsvärmningseffekt.

Eftersom en värmeeffekt per timme inte kunde beräknas togs ingen hänsyn till den roterande värmeväxlaren i programmet. För att få en uppfattning om den roterande värmeväxlarens påverkan under vintern beräknades

värmeåtervinningen vid några olika utomhustemperaturer under december.

Frånluftstemperaturen för dessa beräkningar antogs vara 22 ℃.

5.4 Kostnader

Nedan redogörs tillvägagångssättet för kostnadsberäkningar.

5.4.1 Beräkning av pumpkostnader

Effektberäkningar som gjorts för pump 2 har baserats på kyl- och

värmebatteriernas maxkapacitet. Antalet timmar som en intelligent pump måste vara igång för att tillgodose kylbehovet genom drift vid batteriernas maxkapacitet beräknades med Ekvation 12.

𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑡𝑖𝑚𝑚𝑎𝑟 = 𝑀å𝑛𝑎𝑑𝑠𝑘𝑦𝑙𝑏𝑒ℎ𝑜𝑣 (𝑘𝑊ℎ) 𝐵𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖 𝑚𝑎𝑥𝑘𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 (𝑘𝑊)

Ekvation 12

Beräkning av pumpens drifttid baserades på köldbärarvätskans flöde vid maxkapacitet för batterierna eftersom pumpeffekten vid reglering av flödet är okänd. Ekvation 13 visar att om effekten minskar kommer timmarna att öka för att kylbehovet ska tillgodoses.

𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑡𝑖𝑚𝑚𝑎𝑟 × 𝐵𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 = 𝑀å𝑛𝑎𝑑𝑠𝑘𝑦𝑙𝑏𝑒ℎ𝑜𝑣

(36)

Antal timmar beräknades både för kylning och för uppvärmning. Antalet timmar multiplicerades sedan med effekten krävd av pumpen för att tillgodose kyl- och värmebatteri med passande flöde. Driftkostnaden för intelligent pump kunde sedan kalkyleras och jämföras med driftkostnaden för vanlig pump.

Kostnad för en vanlig pump och en intelligent pump med specifikationer passande för ändamålet söktes fram via Grundfos hemsida genom att ange flöde samt tryckfall.

5.4.2 Beräkning av batterikostnader

För att beräkna kostnaden av den värmeeffekt som hade alstrats från värmebatteriet, om den var försedd med fjärrvärme, multiplicerades resultatet från värmeeffektprogrammet med Furulidens kostnad för fjärrvärme, angiven i Tabell 5.

(37)

6. Resultat

Nedan presenteras resultat för de olika delarna som presenterades i början av avsnitt 5.

6.1 Energibrunnar och pump 1

Resultatet som redovisas nedan har genererats genom två olika beräkningsprogram i Matlab. Progammen hittas i Bilaga 1 och 2.

6.1.1 Injicering av värme i energibrunn

När köldbärarvätska med en temperatur på 15℃ går ner i borrhålet, uppnås en uttagen kyleffekt på 31,6 W/m. Detta innebär en kyleffekt för ett borrhål på 8690W och en gemensam kyleffekt för de åtta borrhålen på 69,6 kW.

Köldbärarvätskans temperatur efter detta effekutbyte övergår till 8,8℃, som blir intemperaturen i kylbatteriet. I Figur 12 illustreras hur effektutbytet förändras för varje meter färdad i kollektorslangen samt hur

köldbärarvätskans temperatur förändras.

Figur 12. Ovan visas hur mycket värme som köldbärarvätskat lämnar ifrån sig vid kylning samt hur köldbärarvätskats temperatur påverkas till följd av detta.

(38)

6.1.2 Utvunnen värme ur energibrunn

Då köldbärarvätskans temperatur in i borrhålet är 0℃ genereras en

uppvärmningseffekt på 27,7 W/m, vilket resulterar i att köldbärarvätskans temperatur upp ur borrhålet hamnar på 5,4℃. Värmeeffekten för ett borrhål landar för dessa temperaturer på 7610 W och den totala värmeeffekten för samtliga borrhål uppgår då till 60,1 kW. I Figur 13 redovisas hur den upptagna effekten minskar desto längre köldbärarvätskan färdas i

kollektorslangen samt hur köldbärarvätskans temperaturförändring börjar stagnera.

Figur 13. Värmeeffekten som köldbärarvätskat tar upp för varje meter i kollektorslangen samt temperaturförändringen för varje meter.

För att uppnå turbulent flöde i kollektorslangarna krävs ett minsta flöde på 0,12 l/s och en hastighet på 0,12 m/s vilket resulterar i ett totalt flöde på 0,93 l/s från alla kollektorslangar.

6.1.3 Pumpeffekt

Märkeffekten på pump 1 är 0,55kW och är projekterad för ett flöde på 0,33 l/s, alltså ett totalt flöde på 2,64 l/s. Genom insättning av värden från Tabell 6 i Ekvation 4 erhålls en krävd eleffekt för pump 1 vid det projekterade flödet på 0,79 kW. Att ändra flödet från 2,64 l/s till 0,93 l/s, skulle innebära en sänkning med 64,8 %.

(39)

6.2 Pump 2

Värden i Tabell 8 är erhållna genom offert från företag X och ligger till grund för pump och rörberäkningar. Fluidhastigheten in i kylbatteriet i alternativ två ligger över hastigheten rekommenderad i avsnitt 2.4.

Tabell 8. Specifikationer för de olika batterierna.

Ø

mm Fluidhastighet

(m/s) Flöde (l/s)

Kylbatteri efter LA01 30 0,66 0,66

Kylbatteri samlingssalen 19 0,82 0,12

Värmebatteri före LA01 39 0,61 0,89

I Tabell 9 finns den antagna längden på rörledningen, det uträknade värdet på Reynolds tal som användes för att ta reda på friktionskoefficienten genom Moody-diagrammet samt det antagna antalet av 90˚-böjar och munstycken i rörkretsarna.

Tabell 9. Resultat för Reynolds tal, friktionsfaktor, antal strömningsmotstånd (ζ), krävt tryck av pump 2, samt effektbehov

L (m)

Re λ

ζ 90˚

böj (st)

ζ mun- stycke

(st)

Tryckfall batteri (kPa)

Totalt tryckfall (kPa×s)

Ptot

(W)

Alt. 1 Kylbatteri 50 14 038 0,02 16 4 17,5 24,5 23,2 Värme-

batteri 50 16 867 0,02 16 4 13,8 18,3 23,3

Alt. 2 Kylbatteri 40 11 046 0,03 14 4 27,7 46,9 7,8 Värme-

batteri 50 16 867 0,02 16 4 13,8 18,3 23,3

Om de olika batterierna skulle ha egna kretsar med rördimensioner

anpassade efter inloppsdiametern, skulle tryckfall samt krävd effekt uppgå till de värden som redovisas i Tabell 9. En pump med effekt som tillgodoser värmebatterikretsens behov kommer även kunna tillgodose kylbatterikretsen i de två olika alternativen.

(40)

6.3 Kyl- och värmebatteri

Kyl- och värmebatterierna har dimensionerats av företag X efter luftflödet i Tabell 10 och referenstemperaturen 18℃. Specifikationerna redovisade i Tabell 10 och 11 överlämnades av företag X.

Tabell 10. Specifikationer för luften som går genom kyl- samt värmebatteri

Flöde (l/s) Temp. in (℃) Temp. ut (℃)

Alt. 1 Kylbatteri 1360 26 18

Värmebatteri 1360 – 16 – 5

Alt. 2 Kylbatteri 240 26 18

Värmebatteri 1360 – 16 – 5

I Tabell 11 visas in- och uttemperaturer och flöde för köldbärarvätskan i respektive batteri.

Tabell 11. Specifikationer för köldbärarvätskat som går genom kyl- och värmebatteri samt batteriernas högsta kapacitet

Flöde

(l/s)

Temp. in (℃)

Temp. ut (℃)

Högsta kapacitet (kW)

Alt. 1 Kylbatteri 0,662 10 15 13,40

Värmebatteri 0,892 5 0 18,06

Alt. 2 Kylbatteri 0,117 10 15 2,36

Värmebatteri 0,892 5 0 18,06

6.3.1 Kylbatterier

Går köldbärarvätska med temperaturen 10℃ in i kylbatterierna, sänks lufttemperaturen från 26℃ till 18℃ för både alternativen och

köldbärarvätskans temperatur höjs då till 15℃. Dimensioneringen av kylbatterierna har gjorts för en relativ luftfuktighet på 50 %.

(41)

Vid summering av kylbehovet uppgår månadsbehovet för alternativ ett till 2,37 MW och för alternativ två till 0,42 MW. I Figur 14 presenteras kylbehovet för varje dag för både alternativen. Den högsta påträffade temperaturen, 29℃, inträffade under datumen 25, 26 och 27. Dessa dagar uppgår kylbehovet för alternativ ett till 256,7 kWh och för alternativ två, 45,3 kWh. Det högsta påträffade kylbehovet för dessa datum är 12,04 kW för alternativ ett och 2,13 kW för alternativ två.

Figur 14. Grafen till vänster visar kylbehovet i för alternativ ett och grafen till höger visar kylbehovet för alternativ två behovet är uträknat med hjälp av temperaturer från juli 2019

I Tabell 12 redovisas några olika temperaturer till vilka uteluften kyls i den roterande värmeväxlaren vid höga utomhustemperaturer,

frånluftstemperaturen som går in i den roterandevärmeväxlaren är satt till 24℃. För att kylbatterierna ska utsättas för 26℃, som de är dimensionerade efter, måste utomhustemperaturen uppgå till 32℃.

Tabell 12. Olika temperaturer efter återvinnaren (Tåtervunnen) vid olika temperaturer (Tute) under sommarmånaderna.

Tute (℃) Tåtervunnen (℃)

40 27,8

35 26,6

32 26,0

30 25,4

28 25,0

25 24,2

References

Related documents

Datainspektionen har inget att erinra mot förslaget att ge Domstolsverket rätt att genom förordning bemyndigas att meddela föreskrifter om att domstolarna ska arkivera i

[r]

Hyres- och arrendenämnden i Malmö tillstyrker Domstolsverkets förslag i promemorian om rätt för Domstolsverket att föreskriva att domstolarna – och hyres- och arrendenämnderna

Tingsrätten har inget att erinra mot förslagen i promemorian utan anser det tvärtom vara angeläget att Domstolsverket får den föreslagna föreskriftsrätten

Av utredningspromemorian, såväl av innehåll som av rubrik, framgår dock tydligt att förslag till Domstolsverkets rätt att föreskriva endast avser användning av e-arkiv och att

Örebro tingsrätt har beretts tillfälle att yttra sig över DV:s promemoria ”Dom- stolsverket bör ges rätt att föreskriva om att domstolarna ska använda e-arkivet”..

Eftersom vi i vår roll som specialpedagoger vill vara med och utveckla skolan på ett sätt som kan främja alla elevers lärande vill vi genom vår studie öka kunskapen kring vad som

Båda grupperna svarade att lärarens syfte med laborationen var att de själva skulle komma fram till sambandet mellan tryck och volym.. Båda grupperna tyckte