Förstudie för konvertering till bergvärme vid Gällivare Sjukhus

Förstudie för konvertering till bergvärme vid Gällivare Sjukhus

Rasmus Rådmark

Civilingenjör, Hållbar energiteknik 2020

Luleå tekniska universitet

Institutionen för teknikvetenskap och matematik

F¨ orord

Det h¨ar arbetet ¨ar en del av min civilingenj¨orsutbildning inom H˚allbar Energiteknik p˚a Lule˚a tekniska universitet. Examensarbetet har utf¨orts p˚a uppdrag av G¨allivare sjukhus, Region Norrbotten.

Jag skulle vilja tacka Peter T¨oyr¨a handledare p˚a G¨allivare sjukhus f¨or sitt st¨od under arbetet och ¨aven min examinator Erik Elfgren. Jag vill ocks˚a tacka Anna-Maria Perttu p˚a Sweco Environment AB som har bist˚att med Earth Energy Designer 4.19, sitt st¨od och engagemang genom projektet. Till sist vill jag tacka de f¨oretag som bist˚att med information och v¨agledning genom projektet.

Rasmus R˚admark Trollh¨attan, April 2020

Sammanfattning

Geoenergi ¨ar ett alternativ som allt fler akt¨orer p˚a marknaden v¨aljer n¨ar det kommer till att kyla eller v¨arma fastigheter men ¨an s˚a l¨ange ¨ar de flesta anl¨aggningar som finns i Sverige sm˚askaliga.

G¨allivare sjukhus anv¨ander sig i dag av fj¨arrv¨arme och det h¨ar examensarbetet g¨or en f¨orstudie f¨or att konvertera helt eller delvis till bergv¨arme. Fj¨arrv¨armekostnaden i G¨allivare kommun ¨ar en av de h¨ogsta i Norrbotten och har varken ¨okat eller minskat de senaste ˚aren. Medeltemperaturen i G¨allivare ¨ar l˚ag vilket betyder att sjukhuset har ett h¨ogt v¨armebehov men med ett l¨agre kylbehov.

Denna studie analyserar tre t¨ankbara scenarier f¨or konverteringen d¨ar anl¨aggningen ska t¨acka v¨arme- och kylbehovet f¨or sjukhuset. F¨or att konfigurera bergv¨armeanl¨aggningen efter behovet anv¨ands Earth Energy Designer 4.1 och Microsoft Excel. De tre scenarier som studerats t¨acker 100 % av kylbehovet och 100 % av v¨armebehovet f¨or Scenarie 1, 50 % av v¨armebehovet f¨or Scenarie 2a och 40 % av v¨armebehovet f¨or Scenarie 2b. F¨or att ber¨akna kylbehovet analyserades bland annat utomhustemperaturen i G¨allivare med data fr˚an SMHI. Det gjordes ¨aven en simulering av sjukhuset i IDA-ICE f¨or att uppskatta kylbehovet f¨or ventilation och m¨anniskors v¨armestr˚alning.

En j¨amf¨orelse mellan de olika scenarierna gjordes tillsammans med en livscykelkostnad f¨or anl¨aggningarna.

Livscykelkostnadsanalysen ber¨aknades utifr˚an en livsl¨angd p˚a 20 ˙ar. Ut¨over detta ber¨aknades milj¨op˚averkan i form av koldioxidutsl¨app f¨or konverteringen mellan de olika scenarierna under den ber¨aknade livsl¨angden.

Storlekarna p˚a anl¨aggningarna varierade b˚ade p˚a djup och i antal borrh˚al vilket avspeglade sig i resultatet.

Investeringskostnaderna f¨or anl¨aggningarna varierade mellan 18 071 tkr f¨or Scenarie 2b som t¨acker 40 % av v¨armebehovet och 53 272 tkr f¨or Scenarie 1 som t¨acker 100 % . Scenarie 2b visar sig vara mest l¨onsam med en ˚aterbetalningstid p˚a 15 ˙ar medan Scenarie 1 och 2a har en ˚aterbetalningstid p˚a ¨over 20 ˙ar.

Resultatet fr˚an koldioxidber¨akningarna visar d¨aremot att Scenarie 1 ¨ar det b¨asta alternativet ur en milj¨oaspekt med ett minskat koldioxidutsl¨app p˚a 42 739 ton under den tekniska livsl¨angden.

Abstract

Geothermal energy is an alternative that more and more companies choose when it comes to cooling and heating properties, but so far most of the geothermal facilities in Sweden are small-scale. The hospital in G¨allivare use district heating and this master thesis is a pilot study to convert from district heating to geothermal energy. The cost for the district heating in G¨allivare is one of the highest in Norrbotten and has not increased or decreased the past few years. The mean temperature in G¨allivare is low which means that the hospital has a high heat demand but a low cooling requirement.

This pilot study analyses three scenarios to convert to geothermal heating system with the possibility to cover the cooling requirement as well. These scenarios is configured to cover 100 % of the cooling requirement but different heating demands of 100 % for Scenario 1, 50 % for Scenario 2a and 40 % for Scenario 2b. To cover this demand, Earth Energy Designer 4.1 and Microsoft Excel are used to configure the heating system and to do the comparison between the scenarios. The cooling requirement is calculated based on the outside temperature in G¨allivare and the equipment used in the hospital. A simulation was made in IDA-ICE to analyze the cooling requirement for the ventilation and for the people inside the hospital.

A comparison between the scenarios was made using the LCC (Life Cycle Cost) method. The LCC was made with a 20 years lifetime on the heating system. In addition, the environmental impact in the form of carbon dioxide emissions is calculated for the different scenarios during the estimated lifespan.

The sizes on the heating systems in the different scenarios varies in both the number of boreholes and the depth on the boreholes, which was reflected in the result. Investment cost for the heating system varies between 18 071 tkr for Scenario 2b which covers 40 % of the demand and 53 272 tkr for Scenario 1 which covers 100 %. Scenario 2b proves to be the most profitable solution with a payback time of 15 years while Scenario 1 and 2a got a payback time of over 20 years. From an environmental aspect Scenario 1 is the best option with a decreased usage of carbon dioxide of 42 739 tons over 20 years.

Inneh˚ all

1 Inledning 1

1.1 Bakgrund . . . 1

1.1.1 G¨allivare Energi . . . 1

1.1.2 G¨allivare Sjukhus . . . 1

1.2 Litteraturstudie . . . 2

1.3 Syfte . . . 2

1.4 Avgr¨ansningar . . . 2

2 Teori 3 2.1 Fj¨arrv¨arme . . . 3

2.1.1 Torv . . . 3

2.2 Bergv¨arme . . . 4

2.2.1 Geologi . . . 5

2.2.2 V¨armepump . . . 6

2.2.3 Cirkulationspump . . . 7

2.2.4 K¨oldb¨arare . . . 8

2.2.5 Simuleringsprogram bergv¨armeanl¨aggning . . . 8

2.3 Kylbehov . . . 8

2.3.1 Ventilation . . . 8

2.3.2 Utrustning . . . 8

2.3.3 Serverrum . . . 9

2.4 Reservkraft . . . 9

2.5 Normal˚arskorrigering . . . 9

2.6 Ekonomi . . . 10

2.6.1 LCC - Life Cycle Cost . . . 10

2.7 Milj¨op˚averkan . . . 10

2.7.1 Koldioxid . . . 10

2.7.2 Fj¨arrv¨arme . . . 10

2.7.3 Bergv¨arme . . . 11

3 Metod 12 3.1 V¨armebehov . . . 12

3.2 Kylbehov . . . 12

3.2.1 Ventilation . . . 12

3.2.2 Utrustning . . . 13

3.2.3 Serverrum . . . 14

3.3 Dimensionering av bergv¨arme . . . 14

3.3.1 Geologi . . . 14

3.3.2 Brunnar . . . 15

3.3.3 V¨armepump . . . 15

3.3.4 Cirkulationspump . . . 15

3.4 Reservkraft . . . 16

3.5 Normal˚arskorrigering . . . 16

3.6 Ekonomi . . . 16

3.6.1 F¨orberedningsarbete . . . 17

3.7 K¨anslighetsanalys . . . 17

3.8 Milj¨op˚averkan . . . 18

4 Resultat 19 4.1 V¨armebehov . . . 19

4.2 Kylbehov . . . 20

4.3 Dimensionering . . . 21

4.3.1 Scenarie 1 . . . 21

4.3.2 Scenarie 2 . . . 22

4.4 Cirkulationspump . . . 25

4.5 Ekonomi . . . 26

4.5.1 Scenarie 1 . . . 26

4.5.2 Scenarie 2 . . . 28

4.6 Ekonomisk l¨onsamhet - en j¨amf¨orelse . . . 30

4.7 K¨anslighetsanalys . . . 31

4.8 Milj¨op˚averkan . . . 33

5 Diskussion och slutsatser 34

6 Fortsatt arbete 36

7 Bilagor 39

Beteckningar

A Area (m²)

C Specifik v¨armekapacitet (kJ/kg×K) d Diameter (m)

ρ Densitet (kg/m³) E Driveffekt (W) EI Energiindex (-) f Friktionsfaktor (-) H Uppfodringsh¨ojd (m) L L¨angd (m)

N Antal (st) η Verkningsgrad (-) m Massa (kg)

˙

m Massfl¨ode (kg/s) p Tryck (Pa)

Q V¨armef¨orbrukning (Wh) Q˙ V¨armeeffekt (W) Re Reynolds tal (-) S L¨angd (m) T Temperatur (C) v Hastighet (m/s) V Volym (m³) V˙ Volymfl¨ode (m³/s)

ν Kinematisk viscositet (m²/s) W L¨angd (m)

ζ Eng˚angsf¨orlustkoefficient (-)

1 Inledning

Att effektivisera energianv¨andningen ¨ar n˚agot som har p˚ag˚att under en l˚ang period tack vare en st¨andig utveckling av teknik. Belysning och elapparater ¨ar n˚agra av de omr˚aden d¨ar energif¨orbrukningen sjun- ker drastiskt. Tack vare utvecklingen har energiintensiteten minskat med i genomsnitt 1,4 % per ˚ar fr˚an 1970 och fram till 2012 trots att energianv¨andningen ¨okar. Detta betyder att f¨orh˚allandet mellan ener- gif¨orbrukningen och Sveriges BNP minskar. M˚alet fram till 2050 ¨ar att effektivisera energianv¨andningen med 50 % gentemot 2012 [5]. Inom bostads- och servicesektorn, som f¨orbrukade 143 TW h under 2015, anv¨ands ¨over h¨alften av energianv¨andningen till uppv¨armning och varmvatten. D¨ar ¨ar fj¨arrv¨armen den dominanta uppv¨armningsk¨allan och stod f¨or 58 % av den totala energianv¨andningen 2015 [9]. V¨armen produceras genom f¨orbr¨anning i pannor eller s˚a utnyttjas spillv¨arme fr˚an industrier som leds ut i fj¨arrv¨armen¨atet. Spillv¨arme stod f¨or 8 % av den totala fj¨arrv¨armeproduktionen under 2015 och biobr¨ansle f¨or 64 % [9].

Allt fler akt¨orer p˚a marknaden v¨aljer att anv¨anda sig av geoenergi f¨or att v¨arma och kyla fastigheter.

Geoenergi ger akt¨orer m¨ojlighet att t¨anka p˚a milj¨on och samtidigt dra ner deras energikostnader. Med Sveriges klimat ¨ar f¨oruts¨attningarna f¨or geoenergi goda d˚a temperaturskillnaden mellan sommar och vinter ¨ar stora. Det ger bra m¨ojlighet till att b˚ade utvinna och lagra energi. Majoriteten av de geo- anl¨aggningar som finns i Sverige ¨ar sm˚askaliga och ¨ar installerade i enfamiljshus. Under 2015 ber¨aknades den totala energinanv¨andningen fr˚an Sveriges ca 540 000 stycken geoanl¨aggningar uppg˚a till 23 TW h [12].

1.1 Bakgrund

1.1.1 G¨allivare Energi

G¨allivare Energi AB anv¨ande ˚ar 2017, 34 000 ton torv, 8 m³olja och 60 000 ton tr¨abr¨anslen f¨or att v¨arma upp fj¨arrv¨armen¨atet i G¨allivare [2]. Priset p˚a fj¨arrv¨armen ¨ar of¨or¨andrad sedan fyra ˚ar tillbaka och inget tyder p˚a att det kommer ¨oka eller bli l¨agre [1]. Torv har tidigare klassats som biobr¨ansle d˚a det bildas ur biomassa och nybildas snabbare ¨an kol och andra fossila br¨anslen. D¨aremot best˚ar torv av lite mer

¨an 50 % av kol och klassas d¨arf¨or som fossilt br¨ansle enligt Naturv˚ardsverket [26].

1.1.2 G¨allivare Sjukhus

I G¨allivare finns Norrbottens andra st¨orsta sjukhus med drygt 800 anst¨allda och 300 bes¨okare dagligen.

Sjukhuset best˚ar av lokaler som t¨acker en yta p˚a cirka 95 000 m²indelat i flera byggnader.

G¨allivare sjukhus f¨ors¨orjs idag med fj¨arrv¨arme fr˚an G¨allivare Energi AB:s kraftv¨armeverk av ekonomiska och milj¨osk¨al. Sjukhusets fj¨arrv¨armeanv¨andning ¨ar omkring 11 GW h per ˚ar med en kostnad p˚a cirka 7,5 Mkr per ˚ar. Det finns kylbehov p˚a sjukhuset under hela ˚aret s˚a det ¨ar m¨ojligt att s¨asongslagra v¨arme [36].

Snittpriset f¨or fj¨arrv¨arme under 2016 till G¨allivare sjukhus var 69 ¨ore/kWh och i Regionens hela fas- tighetsbest˚and var snittpriset 56 ¨ore/kWh. G¨allivare kommun har h¨ogst avgift f¨or fj¨arrv¨arme bland de st¨ader i Norrbottens och V¨asterbottens l¨an som har sjukhus [38].

N¨ara sjukhuset g˚ar Torne och Kalix ¨alvsystem som ¨ar ett skyddat Natura 2000-omr˚ade [25]. Detta betyder att det finns s¨arskilt v¨ardefulla v¨axt- och/eller djurarter i ¨alven som m˚aste skyddas enligt EU- direktiven habitatdirektivet och f˚ageldirektivet [26]. D¨arf¨or ¨ar det viktigt att en eventuell installation av bergv¨armeanl¨aggningen inte p˚averkar ¨alven.

1.2 Litteraturstudie

Geoenergiprojekt p˚a andra industrier har studerats under arbetets g˚ang. Nedan presenteras de projekt och litteraturer som studerats mer ing˚aende.

• Norrbottens universitetssjukhus, NUS, i Ume˚a har genomf¨ort en liknande satsning d¨ar de anv¨ander sig av markv¨arme f¨or att dra ner p˚a fj¨arrv¨armekostnaden och minska utsl¨appen av koldioxid.

Anl¨aggningen ber¨aknas ha en total energi˚atervinning p˚a 10 000 MW h v¨arme och 8000 MW h kyla [12]. Sjukhuset ber¨aknar halvera sin kostnad och d¨armed spara in p˚a 4,5 miljoner kronor per ˚ar enligt Hans Johansson, fastighetsomr˚adeschef Norrlands universitetssjukhus [19].

• Bergv¨arme p˚a djupet, Boken f¨or dig som vill veta mer om bergv¨armepumpar av Jos´e Acu˜na, Erik Bj¨ork med flera. Skriften inneh˚aller grunderna i hur en v¨armepump fungerar, kostnadsj¨amf¨orelser och information om bergets egenskaper och hur det g˚ar att ta tillvara p˚a den lagrade energin [6].

• Det Robusta sjukhuset ¨ar en utg˚ava fr˚an Krisberedskapsmyndigheten och har som syfte att f¨orb¨attra sjukv˚ardens funktionss¨akerhet. Publikationen rekommenderas att anv¨anda vid planering, drift och underh˚all, analysarbete med mera [8].

1.3 Syfte

Syftet med f¨orstudien ¨ar att unders¨oka om det ¨ar genomf¨orbart att konvertera till bergv¨arme utan att

¨aventyra drifts¨akerheten, milj¨okonsekvenserna f¨or konverteringen och om det ¨ar ekonomiskt l¨onsamt ur ett livscykelperspektiv. Fr˚agest¨allningar

• Hur p˚averkas milj¨on av byte fr˚an fj¨arrv¨arme till bergv¨arme i G¨allivare?

• ¨Ar det ekonomiskt f¨orsvarbart att byta till bergv¨arme?

• Kan kylbehovet tillfredsst¨allas ˚aret om enbart med bergv¨arme?

• Hur p˚averkas ¨alven av bergv¨armen?

• Hur p˚averkas v¨armetillf¨orseln vid str¨omavbrott?

1.4 Avgr¨ ansningar

Avsnittet Milj¨op˚averkan (2.7) inkluderar inte milj¨op˚averkan f¨or tillverkning av material eller installation av bergv¨armen. Vidare inkluderar det inte transport av biomassa och torv till fj¨arrv¨armeverket, enbart f¨orbr¨anningen av materialet. Torvmarkens klimatp˚averkan vid dikning av omr˚adet inkluderas inte hel- ler. Ekonomiskt antas fj¨arrv¨armekostnaden vara of¨or¨andrad ¨aven vid l¨agre last. Studien utg˚ar fr˚an att befintligt VVS system ¨ar intakt och inte beh¨over kompletteras med ytterligare komponenter. I praktiken

¨ar det inte l¨att att borra vertikala brunnar och sv˚arigheterna ¨okar desto djupare h˚alen borras. Det bety- der att avst˚andet mellan borrh˚alen varierar beroende p˚a djupet. I detta arbete antas avst˚andet mellan borrh˚alen vara konstant oavsett djup.

2 Teori

I det h¨ar avsnittet behandlas de teoretiska delarna som ligger till grund f¨or examensarbetet. Avsnittet inleds med en beskrivning av fj¨arrv¨arme och d¨arefter av bergv¨arme. D¨arefter presenteras teori ¨over n¨odv¨andiga komponeneter f¨or att kunna konvertera till bergv¨arme. Vidare beskrivs ekvationer ¨over kylbehov, de ekonomiska ber¨akningarna och milj¨op˚averkan p˚a konverteringen.

2.1 Fj¨ arrv¨ arme

En fj¨arrv¨armeanl¨aggning producerar v¨arme i en stor skala fr˚an ett centarlt v¨armeverk f¨or att sedan distribuera ut v¨armen till byggnader och platser som ¨ar anslutna till fj¨arrv¨armen¨atet. De konsumenter som ¨ar anslutna till fj¨arrv¨armen¨atet har en egen fj¨arrv¨armecentral som styr fl¨odet f¨or att t¨acka r¨att v¨armebehov. Storleken p˚a omr˚adet f¨or fj¨arrv¨armen¨atet beror p˚a vilken effekt som g˚ar att f˚a ut fr˚an anl¨aggningen.

F¨or att omvandla energin fr˚an v¨armeverket till fj¨arrv¨armen¨atet anv¨ander G¨allivare Energi AB ett kraftv¨armeverk d¨ar de f¨orbr¨anner olja, torv och biobr¨ansle. F¨ordelningen av br¨anslet som anv¨ands visas i tabell 1 d¨ar torv och biobr¨ansle st˚ar f¨or n¨astan 98 %.

Tabell 1: Br¨anslemix f¨or G¨allivare Energi AB [36].

Br¨ansle Andel Utsl¨appsfaktor (gCO2e/kWh)

Olja EO2-5 0,90 % 295

El 1,00 % 125

Torv 45,80 % 425

Biobr¨ansle 52,40 % 9

Enligt tabell 2 har G¨allivare kommun h¨ogst avgift f¨or fj¨arrv¨arme bland de st¨ader i Norrbottens och V¨asterbottens l¨an som har sjukhus. Avgiften ¨ar baserat p˚a en fastighet p˚a 1000 m²med ett fj¨arrv¨armebehov p˚a 193 000 kW h och har ingen anknytning till sjukhusens faktiska avgifter. Trots detta har G¨allivare sjuk- hus ett avtal med G¨allivare energi som g¨or att de har l¨agre fj¨arrv¨armekostnad ¨an Kalix [36].

Tabell 2: Fj¨arrv¨armepriser enligt Nils Holgersson-unders¨okningen 2017 [38].

Pris (kr/kvm) Norrbotten

G¨allivare 182,21

Kalix 161,38

Kiruna 167,33

Pite˚a 127,34

Sunderbyn 99,22

V¨asterbotten

Lycksele 151,06

Skellefte˚a 151,06

Ume˚a 149,10

2.1.1 Torv

Torv ¨ar en organisk jordart som bildas i syrefattiga och fuktiga milj¨oer med l˚agt vattenfl¨ode. V¨axterna i omr˚adet bryts ned ofullst¨andigt samtidigt som nya v¨axter tillkommer och bildar d¨arefter lager av ofullst¨andigt material. Inneh˚allet av torv domineras av cirka 50 % kol, 30 % syre, 6 % v¨ate och 2 % till 3 % kv¨ave[14]. Exakt hur sammans¨attningen ser ut beror bland annat p˚a grundvattenfl¨odet, bildningss¨att

och underlagets egenskaper. Det optimala anv¨andningsomr˚adet f¨or torv beror p˚a hur l¨ange materialet har brutits ner och fr˚an vilket omr˚ade torven v¨axt p˚a. Har torven bildats i en mosse ¨ar torven n¨aringsfattig och ¨ar mest optimal f¨or odlingstorv. En mer n¨aringskr¨avande torv bildas i k¨arr och ¨ar optimal vid energiproduktion[14].

F¨or att utvinna torven m˚aste omr˚adet avvattnas. Detta sker vanligen genom dikning av omr˚adet och sedimentationsdammar som tar upp vattnet och minskar andelen suspenderat material i vattendrag[14].

Avvattningen leder dock till att v¨axter och djur som ¨ar vattenberoende f¨orsvinner fr˚an myren[20]. Ett annnat resultat av avvattning genom dikning ¨ar ¨okad emission av koldioxid n¨ar grundvattenniv˚an s¨anks.

Detta p˚a grund av att de organiska material syres¨atts och bryts ner till koldioxid[18]. N¨ar torvmarken d¨aremot ˚aterst¨alls till v˚atmark blir det upptag av koldioxid f¨or torvmarken. Utsl¨appen f¨or torvproduk- tionsmark ¨ar h¨ogre ¨an f¨or de torvmarker d¨ar torv inte utvins. Hur mycket h¨ogre utsl¨appen ¨ar beror p˚a torvmarkens egenskaper[24].

Sverige ¨ar ett av jordens mest torvmarkst¨ata l¨ander med 1,6 % av den totala torvmarksarealen. My- ren (torvmarken) best˚ar av runt 5,1 miljoner hektar av Sveriges mark enligt instutitionen f¨or skoglig resursh˚allning p˚a Sveriges lantbruksuniversitet[11]. I Sverige ¨ar det tv˚a olika anv¨andningsomr˚aden av torv som ¨ar dominerande, energitorv och odlingstorv. Energitorv kallas den torv som anv¨ands f¨or ener- gi¨andam˚al och 2017 uppgick sk¨orden av energitorv till n¨ara 1,1 miljoner kubikmeter. F¨or odlingstorv uppg˚ar sk¨orden till 1,7 miljoner kubikmeter och anv¨ands som jordf¨orb¨attringsmedel, tr¨adg˚ardsn¨aring och odlingsmedium[20].

Totalt 1,3 TW h genererades fr˚an den energitorv som anv¨andes ˚ar 2017 enbart fr˚an el och fj¨arrv¨armeverk [20].

2.2 Bergv¨ arme

Den v¨arme som finns lagrad i jord, berg och grundvatten genereras fr˚an solenergi och jordens inre.

Temperaturen i marken ner till ett tiotal meter ¨ar ˚arstidsberoende och styrs huvudsakligen av solens uppv¨armning (str˚alning). Denna temperatur varierar normalt mellan 3^◦C-10^◦C i Sverige. Under detta djup varierar den geotermiska gradienten mellan 15^◦C/km-30^◦C/km [10].

F¨or att ta tillvara p˚a den lagrade energi borras det en eller flera brunnar i berggrunden. Djupet och antalet brunnar beror p˚a vilken effekt som beh¨ovs f¨or att v¨arma och kyla anl¨aggningen under ett ˚ar.

Vanligen ¨ar diametern mellan 115 mm-165 mm och brunnsdjupet 100 m-300 m[10]. I berggrunden finns sprickbildning d¨ar vatten str¨ommar igenom och fyller brunnarna. Vattnet v¨arms upp av berggrunden och kan anv¨andas f¨or att ta tillvara p˚a den lagrade energin.

Brunnarna g˚ar att utnyttja p˚a olika s¨att, antingen genom att installera ett ¨oppet bergv¨armesystem eller ett st¨angt bergv¨armesystem. Ett ¨oppet system suger upp vatten fr˚an botten av brunnen via en cirku- lationspump och tappar ut returvattnet i toppen av h˚alet. F¨or att kunna s¨akerst¨alla att en slang n˚ar botten anv¨ands cement som vikt l¨angst ner p˚a slangen. Slangen f¨or returvattnet slutar vid grundvat- tenytan, se figur 1. Detta system kr¨aver att vattnet filtreras f¨or att inte riskera att det bildas en propp i v¨armev¨axlaren [16].

Det st¨angda systemet anv¨ander ett eller fler U-formade kollektorslangar med cement i botten som vikt, se figur 1. Grundvattnet i borrh˚alet v¨armer k¨oldb¨ararv¨atskan i kollektorslangen som pumpas upp till v¨armepumpen via en cirkulationspump. Returen av k¨oldb¨ararv¨atskan fr˚an v¨armepumpen cirkulerar ner i berget igen och v¨arms upp p˚a nytt. Detta ger en s¨amre v¨arme¨overf¨oring gentemot ett ¨oppet system d¨ar grundvattnet anv¨ands som k¨oldb¨arare men det inneb¨ar ocks˚a mindre underh˚all.

Figur 1: Illustration ¨over hur ett st¨angt, v¨anster bild, och ¨oppet, h¨oger bild, system ser ut i praktiken.

Tabell 3: Kostnader exkl. moms f¨or brunnsborrning i G¨allivare. Inklusive slang och lock monterad [23].

Arbete Pris Enhet

R¨ordrivning 460 kr/meter Bergborr <230 meter 230 kr/meter Bergborr 230 - 350 meter 260 kr/meter Bergborr 350 - 700 meter 300 kr/meter

Container 3000 kr/250 meter

Priserna i tabell 3 ¨ar avsedda f¨or borrning med max djup p˚a 700 meter, 10 meter r¨ordrivning, dubbel- lindad kollektorslang samt borrkax hantering [23].

2.2.1 Geologi

V¨armen i marken kan transporteras via konduktion, konvektion, ˚angdiffusion eller str˚alning. Konduktion best¨ams av markens v¨armeledningsf¨orm˚aga och ¨ar den dominerande v¨armetransporten vid l˚ag tempera- turgradient och normal marktemperatur [35].

Bergarten i marken har stor betydelse f¨or dimensioneringen av bergv¨armeanl¨aggningen . Kristallina berg delas in i magmatiska och metamorfa bergarter och ¨ar den vanligaste i Sverige. Granit och gabbro ¨ar tv˚a bergarter som bildas om sm¨altan i jordskorpan stelnar.

Temperaturen i marken har en stor betydelse f¨or hur mycket energi du kan utvinna. En f¨ordel ¨ar att sn¨ons isolerande egenskaper under vinterhalv˚aret ger en h¨ogre temperatur p˚a sn¨orika platser ¨an p˚a sn¨ofattiga [6].

Tabell 4 visar uppgifter om vanliga v¨arden f¨or skogst¨athet och ˚alder av skog i G¨allivare samt kostnaden f¨or avverkning.

Tabell 4: Uppgifter om avverkning av skog i G¨allivare [22].

Arbete Pris Enhet

Skogst¨athet 100-150 kubik/hektar

˚Alder p˚a skog 80-100 ˚ar

Kostnad 120 kr/kubik

Skogsarbetet g¨aller sk¨ovling och bortforsling av skog medan markarbete avser utj¨amning av mark.

Arean, A_sq som kr¨avs f¨or att t¨acka v¨armebehovet ber¨aknas enligt

A_sq= (S_b∗ (N_b.b− 1) + 2 ∗ W_LS) ∗ (S_b∗ (N_b.l− 1) + 2 ∗ W_LS), (1) d¨ar S_b ¨ar l¨angden mellan borrh˚alen, N_b.b ar antal borrh˚¨ al p˚a bredden, N_b.l ¨ar antal borrh˚al p˚a l¨angden och WLS¨ar en tillagd yta runt borrh˚alslagret, se figur 2.

Figur 2: Illustration ¨over totala ytan som borrh˚alslagret dimensioneras efter.

2.2.2 V¨armepump

V¨armepumpens syfte ¨ar att ta tillvara p˚a v¨armen fr˚an borrh˚alen och f¨orse sjukhuset med det v¨armebehov som finns. V¨armepumpen best˚ar av ett slutet system med ett k¨oldmedium som cirkulerar genom de fyra huvudkomponenterna; f¨or˚angare, kompressor, kondensor och expansionsventil. V¨armen som extra- heras fr˚an marken via en k¨oldb¨arare passerar f¨or˚angaren och ¨overf¨or v¨armeenergin till v¨armepumpens k¨oldmedium. I f¨or˚angaren omvandlas v¨armepumpens k¨oldmedie, i form av v¨atska, till gasform. K¨oldmediet pumpas vidare genom en kompressor som ¨okar trycket p˚a gasen i syfte att h¨oja temperaturen. Den var- ma gasen passerar d¨arefter en kondensor d¨ar v¨arme avges till radiatorvattnet i sjukhusets v¨armesystem.

Gasen i v¨armepumpen kondenseras vid v¨armeutbytet och passerar d¨arefter en expansionsventil f¨or att l¨atta p˚a trycket innan k¨oldmediet ˚ater passerar f¨or˚angaren [6]. I figur 3 visas ett schema ¨over hur kretsen kan se ut.

Figur 3: Prinsipschema ¨over en kompressionsv¨armepump.

Det ¨ar vanligt att dimensionera v¨armepumpen utifr˚an effektt¨ackningsgraden d˚a den har stor p˚averkan p˚a v¨armepumpens storlek och drift. En v¨armepump kan t¨acka ca 90 % av energibehovet om pumpens ¨ar dimensionerad utifr˚an en effektt¨ackningsgrad inom intervallet 50 %-60 % [30]. Ett s¨att att kunna t¨acka hela energibehov ¨ar att parallellkoppla flera v¨armepumpar f¨or att n˚a en h¨og temperatur de kallaste dagarna utan att beh¨ova ¨overdimensionera en v¨armepump.

2.2.3 Cirkulationspump

F¨or att f˚a upp v¨armen som ¨ar lagrad i marken via en k¨oldb¨arare till v¨armepumpen beh¨ovs en cirkula- tionspump. Den dimensioneras utifr˚an pumpens verkningsgrad, eng˚angs- och friktionsf¨orluster. Fl¨odet

¨ar en av de faktorerna som har st¨orst p˚averkan p˚a dimensioneringen av pumpen.

Friktionsf¨orlusterna ber¨aknas enligt

∆pf = f L dh

ρv_medel²

2 , (2)

d¨ar dh ¨ar borrh˚alets diameter, L, borrh˚alets djup och v ¨ar hastigheten p˚a k¨oldb¨araren. Friktionsfaktorn f ber¨aknas olika beroende p˚a om str¨omningen ¨ar lamin¨ar eller turbulent. Det som avg¨or ¨ar Reynold´s tal Re som beror av den hydraliska diametern d, fl¨odets hastighet v och den kinematiska viscousiteten ν. Reynolds tal ber¨aknas enligt

Re = dν

v (3)

och vid Re < 2300 ¨ar fl¨odet lamin¨art medan det ¨ar turbulent vid Re > 10000. D¨aremellan, vid 2300 <

Re < 10000, g˚ar det inte att best¨amma om fl¨odet ¨ar lamin¨art eller turbulent genom Reynold´s tal [16][3].

Vid turbulent str¨omning avl¨ases friktionsfaktorn fr˚an ett Moody-diagram medan det ber¨aknas enligt

f = 64

Re (4)

vid lamin¨ar str¨omning.

Tryckf¨orluster vid eng˚angsmotst˚and ber¨aknas enligt

∆p_e= ζρv²_medel

2 (5)

och g¨aller r¨orb¨ojar, f¨or¨andringar i r¨orets tv¨arsnittsarea eller in- och utlopp. Eng˚angsf¨orlustkoefficienten ζ beror p˚a gemometrif¨or¨andringar i r¨oren.

Den totala effekten som kr¨avs f¨or att driva pumpen kan d¨arefter ber¨aknas enligt

P =

V (p˙ e+ pf) ηpump

, (6)

d¨ar η_pump ¨ar pumpens verkningsgrad och ˙V ¨ar volymfl¨odet [3].

2.2.4 K¨oldb¨arare

En v¨armepump anv¨ander sig av en k¨oldb¨arare f¨or att ta tillvara p˚a den energi som ligger lagrad i berggrunden. K¨oldb¨araren ¨ar en v¨atska med god v¨armeledningsf¨orm˚aga och med l˚ag fryspunkt f¨or att v¨atskan inte ska frysa i slangen och orsaka stopp. F¨or att undvika att slangar fryser b¨or k¨oldb¨araren bland annat v¨aljas utifr˚an det geografiska l¨aget p˚a bergv¨armeanl¨aggningen. De andra faktorerna som avg¨or vilken typ av k¨oldb¨arare som ¨ar b¨ast f¨or v¨armesystemet ¨ar v¨armekonduktivitet, den specifika v¨armekapaciteten, viskositeten och densiteten [6].

Det ¨ar vanligt att anv¨anda n˚agot typ av frysskyddande ¨amne som etanol, etylenglykol eller kalciumkar- bonat blandat med vatten [6].

2.2.5 Simuleringsprogram bergv¨armeanl¨aggning

EED (Earth energy designer) ¨ar ett simuleringsprogram f¨or att optimera brunnsborrning b˚ade f¨or sm˚a- och storskalig bergv¨arme och v¨armelagring. Det ¨ar baserat p˚a vertikala borrh˚al och kan simulera system upp till 1 200 borrh˚al i olika konfigurationer f¨or att kunna anpassas utifr˚an tillg¨anglig yta. Programmet tar ¨aven h¨ansyn till kostnader f¨or borrningen och det g˚ar att optimera utifr˚an kostnad eller l¨agsta totaldjup. V¨arme- och kylbehov g˚ar att s¨atta in tillsammans med effekttoppar under de perioder d˚a det kr¨avs lite extra v¨arme eller kyla.

2.3 Kylbehov

Sjukhuset kr¨aver olika typer av kyla, dels f¨or ventilationen men ¨aven f¨or olika typer av utrustning. I detta avsnitt presenteras teorin f¨or de olika delarna.

2.3.1 Ventilation

Den energi som kr¨avs f¨or att kyla sjukhuset via ventilationssystemet ber¨aknas enligt

Qventilation= Vventilation× ρl× Cp,luf t× (Tute− Tinne), (7) d¨ar Cp,luf t¨ar den specifika v¨armekapaciteten f¨or luft, VV entilation¨ar ventilationens volymfl¨ode, ρlluftens densitet och T utom- och inomhustemperaturen.

2.3.2 Utrustning

G¨allivare sjukhus anv¨ander sig av en magnetkamera av cylindrisk modell som genererar ett magnetiskt f¨alt runt sig. Hur l˚angt fr˚an isocentrum det magnetiska f¨altet str¨acker sig beror p˚a vilken f¨altstyrka, m¨att i Tesla, modellen har. F¨altet f˚ar ej tr¨anga igenom unders¨okningsrummet enligt SS-EN60601-2-33. Ut¨over ventilationen i unders¨okningsrummet kr¨aver magnetkameran vattenkylning n¨ar den anv¨ands men ¨aven vid standby av s¨akerhetssk¨al [15].

Kylbehovet f¨or utrustningen ber¨aknas enligt

Q_k = V_v× ρv× Cp,v× ∆Tv, (8)

d¨ar v st˚ar f¨or vatten, k st˚ar f¨or kylbehov och ∆T ¨ar temperaturdifferensen mellan in- och utfl¨ode.

Tabell 5: Specifikationer f¨or Philips Achieva 1,5T dStream och data h¨amtad fr˚an Philips hemsida [15] [36].

Philips Achieva 1,5T dStream Enhet

Fl¨ode min 0,69 l/s

Fl¨ode max 1,5 l/s

Drifttid 54 h/vecka

Standby tid 114 h/vecka

V¨armekapacitet 4,19 kJ/kg, K

Densitet 1,003 kg/dm³

Temperatur differens 4,9 K

2.3.3 Serverrum

Enligt det Robusta Sjukhuset b¨or temperaturen i sjukhusets serverrum ligga p˚a 20^◦C med en luftfuktighet p˚a 50 %. Rekommendationer ¨ar att serverrummets kylanl¨aggning b¨or anslutas till en separat elcentral med tillg˚ang till reservkraft vid risk f¨or driftavbrott [8].

2.4 Reservkraft

Ett sjukhus b¨or ha reservkraft motsvarande 100 % eller mer f¨or att klara ett brott i elf¨ors¨orjningen d˚a ett avbrott kan ge allvarliga konsekvenser f¨or verksamheten. Skulle ett avbrott i elf¨ors¨orjningen ske under vinterhalv˚aret i, till exempel, v¨armesystemets cirkulationspumpar kan temperaturen i sjukhuset sjunka kraftigt under kort tid. Vid dimensionering av ny reservkraft rekommenderas att ta h¨ansyn till ett eventuellt ¨okat elbehov i framtiden f¨or att s¨akerst¨alla att ¨aven det behovet t¨acks [8].

2.5 Normal˚ arskorrigering

Det ˚arliga v¨armebehovet varierar beroende p˚a utomhustemperaturen, vind, sol och tappvarmvatten. F¨or att kunna dimensionera bergv¨armeanl¨aggningen f¨or ett normalt klimat˚ar m˚aste v¨armebehovet r¨aknas om efter ett normal˚ar. Detta kallas normal˚arskorrigering och kan ber¨aknas utifr˚an antal graddagar som tar h¨ansyn till utomhustemperaturen eller ett energi-index som ¨aven tar h¨ansyn till vind och sol [32].

Normal˚arskorrigeringen utf¨ors inte p˚a tappvarmvatten d˚a den inte p˚averkas av klimatet [32]. D¨aremot kan den p˚averkas fr˚an ˚ar till ˚ar men det tar inte den h¨ar f¨orstudien h¨ansyn till.

Normal˚arskorrigeringen tar h¨ansyn till antal graddagar och ber¨aknas enligt

Q_korrigerad= Q_tappv.v.+ Q_v¨armeb.×GDnormal ˙ar

GD_aktuellt . (9)

Antalet graddagar ing˚ar i ber¨akningen av energiindex och ¨ar ekvivalent med graddagssumman en- ligt

GDnormal ˙ar

GD_aktuellt = EInormal ˙ar

EI_aktuellt . (10)

2.6 Ekonomi

De finns flera metoderna f¨or att ber¨akna l¨onsamheten f¨or en investering. N˚agra av dem ¨ar nuv¨ardes- , annuitets- och internr¨antemetoden. Nedan beskrivs teorin f¨or LCC (Life Cycle Cost) metoden mer ing˚aende d˚a den ¨ar bra n¨ar det handlar om att j¨amf¨ora flera olika investeringar [34].

2.6.1 LCC - Life Cycle Cost

F¨or att ber¨akna hur l¨onsam investeringen ¨ar g¨ors en LCC enligt

LCC = −N V V = G + K_N − I_N − R_N, (11)

d¨ar G ¨ar grundinvesteringen, KN ¨ar nuv¨ardet av alla kostnader under livsl¨angden, IN ¨ar nuv¨ardet av eventuella int¨akter under livsl¨angden och RN ¨ar nuv¨ardet av anl¨aggningens eventuella restv¨arde . Nuv¨ardet av kostnaderna ber¨aknas enligt

KN = K0× (1 + r)⁻ⁿ, (12)

d¨ar K0¨ar vad ombyggnationen skulle kosta i dagsl¨aget, r ¨ar r¨anta och n ¨ar avskrivningstiden. Anl¨aggningens eventuella restv¨arde ber¨aknas enligt

R_N = R₀× (1 + r)⁻ⁿ, (13)

d¨ar R₀ ¨ar anl¨aggningens v¨arde efter den ekonomiska livsl¨angden [34].

2.7 Milj¨ op˚ averkan

2.7.1 Koldioxid

Rapporten tar h¨ansyn till koldioxidutsl¨appen och f¨or¨andingen av utsl¨app. Den totala minskningen av koldioxid beror p˚a utsl¨appsfaktorerna f¨or fj¨arrv¨armen, CO_{2,f j¨arrv¨arme}, och den producerade elen, CO_2,el, samt det minskade v¨armebehovet f¨or fj¨arrv¨armen¨atet, Q_{f j¨arrv¨arme}, och den elanv¨andning som kr¨avs f¨or bergv¨armeanl¨aggningen, Q_el. Koldioxidutsl¨appet ber¨aknades enligt

CO_2,minsk= CO_{2,f j¨arrv¨arme}∗ Q_{f j¨arrv¨arme}− CO_2,el∗ Q_el, (14) d¨ar Qel innefattar v¨arme- och cirkulationspumpens effekt.

2.7.2 Fj¨arrv¨arme

F¨orbr¨anningen av biobr¨ansel, torv och olja p˚a kraftv¨armeverket hos G¨allivare Energi p˚averkar milj¨on i olika utstr¨ackning. Tabell 1 visar b˚ade f¨ordelningen av br¨ansle och deras utsl¨appsfaktor. Milj¨op˚averkan fr˚an material och installation av den befintliga pannan i fj¨arrv¨armeverket utesluts i denna rapport.

2.7.3 Bergv¨arme

Bergv¨armens milj¨op˚averkan beror p˚a f¨or¨andringen av temperatur i marken vid uttag och laddning av v¨arme. Det beror ocks˚a p˚a de olika pumparnas energif¨orbrukning och hur elen som driver pumparna produceras. Den p˚averkan som sker vid borrningen av h˚al, sk¨ovling av skog, planing av mark och fr˚an de material som anv¨ands utesluts i denna rapport.

N˚agot som kan komma och p˚averka milj¨on ¨ar om det skulle ske l¨ackage i r¨orledningarna och k¨oldb¨araren skulle l¨acka ut. Beroende p˚a vilken typ av k¨oldb¨arare som anv¨ands kommer milj¨on p˚averkas olika.

3 Metod

I detta avsnitt beskrivs metoden som anv¨ants under arbetets g˚ang. F¨orst analyserades tidigare arbeten som gjorts f¨or att f˚a en b¨attre ¨overblick ¨over uppgiften.

Tv˚a olika scenarier har studerats och j¨amf¨ors i detta arbete. Varje scenarie har tv˚a alternativ f¨or mark- bearbetning vilka presenteras i avsnitt 3.6.1.

• Scenarie 1 dimensioneras utifr˚an 100 % av v¨arme- och kylbehovet och dimensioneras utifr˚an att borra s˚a grunt som m¨ojligt. Detta ¨ar G¨allivare sjukhus m˚als¨attning att klara av.

• Scenarie 2 dimensioneras utifr˚an hela kylbehovet men med en begr¨ansning f¨or v¨armebehovet som styrs av ett maxdjup p˚a 300 meter f¨or brunnarna. Djupet ¨ar best¨amt utifr˚an borrh˚alens inverkan p˚a varandra vid l¨agre djup. Det resterade v¨armebehov som bergv¨armesystemet inte kan dimensio- neras f¨or beh¨over tillf¨oras p˚a annat s¨att. I det h¨ar scenariet kommer fj¨arrv¨armen t¨acka resterande v¨armebehov d˚a det redan ¨ar inkopplat till anl¨aggningen. Scenarie 2 ¨ar d¨arefter uppdelat i tv˚a olika alternativ, a och b, f¨or att j¨amf¨ora det ekonomiska utfallet beroende p˚a hur f¨ordelningen av fj¨arrv¨arme och bergv¨arme ser ut.

Som hj¨alpmedel f¨or ber¨akningar och sammanst¨allning av data anv¨andes Microsoft Excel 2016. De kom- ponenter som studerats presenteras i underkategorier nedan.

3.1 V¨ armebehov

V¨armebehovet fr˚an fj¨arrv¨armeverket ¨ar taget fr˚an G¨allivare Energi AB:s egna m¨atningar fr˚an ˚ar 2017 F¨or att veta hur dessa v¨arden st˚ar sig till ett normal˚ar genomf¨ors en normal˚arskorrigering med energi- index f¨or ˚ar 2017 De ber¨aknade v¨ardena f¨or normal˚aret anv¨andes d¨arefter till att simulera Scenarie 1 och 2.

F¨orutom de v¨arden som ¨ar givna fr˚an fj¨arrv¨armeverket anv¨ands data givet fr˚an G¨allivare sjukhus egna m¨atare.

Andelen v¨arme ¨ar konstant f¨or ˚aren som simuleras men olika f¨or varje m˚anad. F¨or Scenarie 1 ¨ar andelen tagen direkt fr˚an normal˚arskorrigeringen som ¨ar ber¨aknad med ekvation 9 och 10. Scenarie 2a respek- tive 2b t¨acker hela v¨armebehov f¨or sommarm˚anaderna juni-augusti medan resterande m˚anader varierar beroende p˚a det totala v¨armebehovet t¨ackt f¨or de olika scenarier. V¨armebehovets storlek ¨ar f¨ordelat lika fr˚an september-maj d¨ar fj¨arrv¨armen ber¨aknas t¨acka resterande behov.

3.2 Kylbehov

D˚a G¨allivare sjukhus inte m¨ater kylbehovet separat beh¨ovde en kartl¨aggning ¨over kylanl¨aggningen uppr¨attas. Metoden f¨or de t¨ankbara delarna presenteras i underkategorier.

3.2.1 Ventilation

Tv˚a olika metoder har anv¨ants f¨or att ber¨akna kylbehovet via ventilationsfl¨odet och sedan j¨amf¨orts f¨or att f˚a en korrekt uppskattning. Den f¨orsta metoden gick ut p˚a att anv¨anda besiktningsprotokoll f¨or ventilationssystemen i sjukhuset och tandv˚ardshuset. Det genomsnittliga luftfl¨odet per kvadratmeter i sjukhus ¨ar h¨ogre ¨an f¨or vanliga bostadshus d˚a det finns krav p˚a att partikelhalten i luften ska vara l˚ag [7]. D¨arf¨or antas luftfl¨odet vara konstant ¨over hela ˚aret f¨or att bibeh˚alla den l˚aga partikelhalt och s¨anka smittorisken.

Luftfl¨odet tillsammans med densiteten och den specifika entalpin f¨or luft vid 18^◦C, temperatur ute, temperaturen p˚a tilluft och ekvation (8) kan det totala kylbehovet ber¨aknas.

Utomhustemperaturen ¨ar tagen fr˚an SMHI:s ¨Oppna data f¨or meterologiska observationer [33]. D˚a utom- hustemperaturen skiljer sig markant fr˚an ˚ar till ˚ar ¨ar det inte rimligt att ber¨akna kylbehovet endast f¨or fjol˚aret. Timtemperaturen f¨or de tio senaste ˚aren analyserats i Microsoft Excel 2016 och de timmarna d˚a utomhustemperaturen ¨overstiger 18^◦C anv¨ands f¨or att ber¨akna kylbehovet. Utomhustemperaturen

¨ar vald f¨or att beh˚alla en behaglig temperatur i lokalerna.

I den andra metoden simulerades sjukhusets kylbehov i simuleringsprogrammet IDA-ICE. Syftet med den h¨ar metoden ¨ar att ta h¨ansyn till solinstr˚alningen och m¨anniskornas v¨armestr˚alning f¨or att ber¨akna kylbehovet. Enbart den del av sjukhusets som p˚averkas av solinstr˚aling och den del d¨ar st¨orre delen av personal och bes¨okare r¨or sig ritas upp. F¨onster ¨ar placerade utifr˚an en uppskattning av hur sjukhuset ser ut och visas i figur 4. I figuren visas ocks˚a att sjukhuset ¨ar uppritat i korrekt v¨aderstr¨ack f¨or att ta h¨ansyn till solinstr˚alningens p˚averkan.

Figur 4: Sjukhuset uppbyggt i IDA-ICA f¨or den del som p˚averkas av solinstr˚alningen och utomhustemperaturen.

I simuleringsprogrammet m˚aste klimatet best¨ammas d¨ar sjukhuset ¨ar placerat. IDA-ICE har en lista av olika st¨ader att v¨alja mellan f¨or att f˚a r¨att klimat men d˚a G¨allivare inte finns i listan antas skillnaden i klimatet mellan G¨allivare och Jokkmokk vara f¨orsumbart. Simuleringen ¨ar ocks˚a baserad p˚a antagna v¨arden f¨or byggnaden och de presenteras i tabell 6.

Tabell 6: Antagna v¨arden f¨or sjukhusets simulering av solinstr˚alning och m¨anniskors v¨armestr˚alning.

Byggnadsdel U-v¨arde Enhet V¨aggar utv¨andigt 0,54 W/m², K V¨aggar inv¨andigt 0,62 W/m², K F¨onster 0,8 W/m², K

3.2.2 Utrustning

En MRI (Magnetisk resonanstomografi) skanner anv¨ands p˚a sjukhuset och kr¨aver processkyla i form av vattenkylning dygnet runt med undantag vid service och underh˚all. Denna tid antas vara f¨orsumbar.

Den tid utrustningen ¨ar i standby och aktivt i bruk ber¨aknas enligt ekvation (8) med v¨arden ur tabell 8.

3.2.3 Serverrum

Sjukhuset har ett station¨art serverrum som kr¨aver kylning ˚aret runt. Det ˚arliga kylbehovet f¨or server- rummet antas vara konstant ¨over ˚aret och delas lika ¨over antalet m˚anader d˚a servrarna ¨ar aktiva [36].

Serverrummet antas beh¨ova kylning dygnet runt och ¨ar h¨amtat fr˚an G¨allivare Sjukhus.

3.3 Dimensionering av bergv¨ arme

I detta avsnitt beskrivs tillv¨agag˚angss¨att f¨or att konfiguera bergv¨armesystemet.

3.3.1 Geologi

Ytan som finns tillg¨anglig f¨or bergv¨armesystemet ligger ¨ost om sjukhuset och kan placeras inom ett omr˚ade p˚a ungef¨ar 170x210 meter. M˚attet togs fram och uppskattades utifr˚an Eniro Sverige AB:s kart- verktyg tillsammans med ”Rita och m¨at”-verktyget och deras funktion f¨or indelning av tomtgr¨anser.

Figur 5 illustrerar omr˚adet med den tillg¨angliga ytan och ett exempel p˚a hur ett borrh˚alsm¨onster kan se ut. F¨or att ber¨akna ytan som m˚aste bearbetas innan borrningen kan inleda anv¨ands ekvation (1).

Figur 5: Flygfoto ¨over G¨allivare sjukhus taget fr˚an sydv¨ast [40].

Vilken typ av berggrund sjukhuset st˚ar p˚a togs fram genom SGU:s (Sveriges geologiska unders¨okning) kartgenerator. Bergarten ¨ar granit och har normalt en v¨armeledningsf¨orm˚agan inom intervallet 4 W/m,^◦C- 5 W/m,^◦C. F¨or att sedan ta reda p˚a vilket djup berggrunden ligger anv¨andes n¨arliggande brunnar som referens. Dessa brunnar ¨ar registrerade i SGU:s databas och finns tillg¨anglig f¨or allm¨anheten [37]. D˚a brunnarna inte ¨ar n¨arliggande antogs ett medelv¨arde fr˚an brunnar s¨oder och norr om sjukhuset. Me- delv¨arde och termiska egenskaper f¨or berggrunden presenteras i tabell 7.

Tabell 7: Termiska egenskaper f¨or granit och jorddjup.

V¨arde Enhet V¨armeledningsf¨orm˚aga 3,4 W/m, K

V¨armekapaciteten 2,4 MJ/m³, K

Jorddjup 10 m

Omgivande vatten antas ha en v¨armeledningsf¨orm˚aga p˚a 6 W/m, K vid 10^◦C till −5^◦C.

3.3.2 Brunnar

Antal brunnar som kr¨avs f¨or att t¨acka hela energibehovet simulerades i EED 4.1 (Earth energy designer) utifr˚an den yta, jorddjup och de termiska egenskaperna som ¨ar presenterade i avsnitt 3.3.1. D˚a G¨allivare stad inte finns med som alternativ i EED 4.1 anv¨andes Kiruna som simuleringsplats och antas ha samma termiska egenskaper. De termiska egenskperna fr˚an EED visas i tabell 8.

Tabell 8: Termiska egenskaper i Kiruna.

V¨arde Enhet

Marktemperatur 2 ^◦C

V¨armefl¨ode 0,04 W/m²

Brunnarna antas borras med diameter 114,3 mm och med dubbla U-r¨or installerade. AB Norrfj¨ardens brunnsborrningar kontaktades f¨or kostnadsf¨orslag och m¨ojlighet till borrning i omr˚adet. De kunde ga- rantera borrning ner till 300 meter d˚a det gjorts tidigare. Det ¨ar ocks˚a anledningen till att Scenarie 2

¨ar begr¨ansade till 300 meter. Borrkaxet som bildas vid borrning samlas upp i containrar och det kr¨avs ungef¨ar en container per 250 meter borrh˚al.

Temperaturintervallet f¨or k¨oldb¨ararv¨atskan s¨atts till 15^◦C till −5^◦C. P˚a s˚a s¨att kan det m¨ojliga uttaget bli h¨ogre ¨an om k¨oldb¨ararv¨atskans l¨agsta temperatur skulle vara 0^◦C [29].

3.3.3 V¨armepump

V¨armepumpen ¨ar ber¨aknad att klara totala v¨armebehovet och effektbehovet f¨or alla scenarier. D˚a flera v¨asentliga delar inte finns att tillg˚a f¨or att ber¨akna toppeffekten uppskattas effekten utifr˚an data givet fr˚an G¨allivare Energi [36]. Toppeffekten ¨ar uppskattad f¨or det totala v¨armebehovet och g˚ar att anv¨anda p˚a Scenarie 1. F¨or Scenarie 2 ber¨aknas toppeffekten som systemet ska klara av enligt

Q˙ny= ˙Qref erens× Qny

Q_{ref erens}, (15)

d¨ar referens ¨ar v¨ardena f¨or respektive scenarie.

3.3.4 Cirkulationspump

Den effekt som kr¨avs f¨or cirkulationspumparna ber¨aknas med ekvation (6). Effekten beror p˚a de f¨orluster som uppst˚ar i r¨oren vid drift och verkningsgraden p˚a pumpen.

Eng˚angs- och friktionsf¨orlusterna delades in i olika kategorier enligt figur 6 och varierar beroende p˚a hur r¨oren ¨ar dimensionerade. Eng˚angsf¨orlusterna ber¨aknades utifr˚an hur r¨orb¨ojarna ser ut medan frik- tionsf¨orlusterna ber¨aknades utifr˚an r¨orens l¨angd, ytr˚ahet och r¨orens diameter. Beroende p˚a om brunnen ligger n¨armst cirkulationspumpen, i mitten eller i ¨anden blir tryckf¨orlusterna olika stora. Det ¨ar lika m˚anga brunnar p˚a varje rad och brunnarna ¨ar parallellkoplade med 2 brunnar i serie.

Figur 6: Sammankoppling av brunnarna.

K¨oldb¨araren valdes utifr˚an specifikationerna f¨or v¨armepumpen och f¨or att kunna klara temperaturer under 0^◦C utan att frysa. Volymfl¨odet p˚a k¨oldb¨araren ¨ar d¨arefter antagen till 1,46 l/s per borrh˚al med en ytr˚ahet p˚a 3 mm i r¨oren.

F¨or att ta h¨ansyn till planerade och oplanerade driftstopp anv¨ands tv˚a parallellkopplade pumpar som delar p˚a kapaciteten.

3.4 Reservkraft

Reservkraftverket m˚aste klara av att driva v¨arme- och kylanl¨aggningen p˚a full drift den varmaste re- spektive kallaste dagen p˚a ˚aret. D˚a G¨allivare ligger vid den kallare breddgraden dimensioneras reserv- kraftverket utifr˚an ˚arets kallaste dag. De komponenter som beh¨over reservkraft ¨ar v¨armepumpen och cirkulationspumpen och t¨ackningsgraden ber¨aknas utifr˚an deras toppeffekt.

Reservkraftverk ber¨aknas utifr˚an anl¨aggningens skenbara effekt (VA). Anl¨aggningens powerfactor antas vara 0, 8 f¨or att s¨akerst¨alla att anl¨aggningens t¨ackningsgrad ¨overstiger 100 %. Investeringskostnaden f¨or reservkraften uppskattas grovt fr˚an Coromatic AB [17].

3.5 Normal˚ arskorrigering

Normal˚arskorrigeringen ber¨aknas utifr˚an energiindex h¨amtad fr˚an SMHI f¨or ˚ar 2017 tillsammans med v¨armebehovet f¨or samma ˚ar. Som n¨amts tidigare ¨ar v¨armebehovet tagen fr˚an G¨allivare Energi AB:s effektm¨atare och 10 % av f¨orbrukningen antas anv¨andas till tappvarmvatten och resterande del till uppv¨armning. Energi-indexet anv¨ands enbart i ber¨akningen p˚a den del av f¨orbrukningen som ¨ar kli- matberoende vilket ekvation (9) visar.

3.6 Ekonomi

Den metod som anv¨andes f¨or att ber¨akna l¨onsamheten var LCC (Life Cost Cycle). Metoden valdes f¨or att enkelt kunna j¨amf¨ora olika typer av investeringar och de olika kostnaderna f¨or varje inve- stering. Ber¨akningarna utg˚ar fr˚an att b˚ade kyl- och v¨armebehov ¨ar of¨or¨andrat under livsl¨angden f¨or v¨armepumparna. Livsl¨angden p˚a v¨armepumpen antas vara 20 ˙ar vilket ocks˚a avskrivningstiden s¨atts till.

Investeringskostnaden utg¨or markarbete, brunnsborrning, slangar och ¨ovriga kostnader. De ¨ovriga kost- naderna best˚ar av v¨armepumpar, cirkulationspumpar, pumpuhus och konsultkostnad. Installationskost- naden och kontrollsystem f¨or v¨armepump, cirkulationspump och pumphus antas uppg˚a till 10 % av den gemensamma kostnaden. De r¨orliga kostnaderna ¨ar underh˚all samt elkostnaden f¨or v¨arme- och cirkula- tionspump. Int¨akterna ¨ar kostnadsbesparingen fr˚an den uteblivna fj¨arrv¨armen.

Elpriset ¨ar baserat p˚a G¨allivare Sjukhus aktuella elavtal och antas ¨oka enligt en l˚angtidsprognos fr˚an Energimyndigheten [31]. Rapporten behandlar olika scenarier ¨over Sveriges energisystem fram till ˚ar 2050.

Sjukhuset har i dagsl¨aget en r¨orlig och en fast kostnad hos G¨allivare Energi AB. I de ekonomiska ber¨akningarna anv¨ands ett ber¨aknat medelv¨arde f¨or fj¨arrv¨armekostnaden baserat p˚a de r¨orliga och fas- ta kostnaderna. I ber¨akningarna anv¨ands samma pris f¨or fj¨arrv¨armen som G¨allivare sjukhus hade fr˚an G¨allivare Energi AB ˚ar 2017.

Kostnaden f¨or markarbetet ¨ar uppdelat i sk¨ovlingsarbete, utj¨amningsarbete f¨or att kunna borra och sen fyllningsarbete f¨or att isolera r¨or och brunnar. Den kostnad som inte ¨ar inr¨aknad ¨ar den termiska isoleringen p˚a markytan d˚a den anses vara f¨orsumbar utifr˚an resterande markarbete.

3.6.1 F¨orberedningsarbete

F¨or att ta reda p˚a vad skog- och markkostnaderna skulle uppg˚a till kontaktades K¨ohlers Lantbruk och G¨allivare Frakt AB f¨or att uppskattade kostnader f¨or arbetet. K¨ohlers Lantbruk arbetar med bland annat sk¨ovling av skog och omh¨andetagande efter sk¨ovlingen.

G¨allivare Frakt AB gav tv˚a kostnadsf¨orslag. F¨orslag ett var att fylla igen och j¨amna hela omr˚adet f¨or att kunna utnyttja det till mer ¨an borrh˚al. Andra f¨orslaget var att fylla tv˚a meter breda g˚angar d¨ar borrh˚alen ligger f¨or att borrmaskinen ska kunna ta sig fram. D˚a kommer ytan inte kunna anv¨andas till annat ¨an borrh˚alen men det h˚aller nere investeringskostnaden.

Markarbetet ¨ar ber¨aknat utifr˚an tabell 4 och den ber¨aknade markytan fr˚an ekvation (1). Skogst¨atheten

¨ar antagen till 120 m³/hektar utifr˚an tabellen. Kostnaden f¨or utj¨amning av omr˚adet ¨ar baserat p˚a tim- kostnad f¨or gr¨avmaskin och 300 timmar [27].

3.7 K¨ anslighetsanalys

De olika ekonomiska kategorierna ¨ar baserade p˚a antingen antaganden eller prognoser vilket leder till att det finns en os¨akerhet i ber¨akningarna och d¨arf¨or gjordes tre olika k¨anslighetsanalyser.

D˚a fj¨arrv¨armepriset ¨ar baserat p˚a en fast och en r¨orlig kostnad har priset per wattimme antagits vara of¨or¨andrat ¨aven vid l¨agra last. D¨arf¨or gjordes en k¨anslighetsanalys mot ¨okat pris med 10 %, 20 % och 30 % per wattimme vid minskat fj¨arrv¨armebehov.

En k¨anslighetsanalys gjordes p˚a elpriset f¨or att se hur en ¨okning p˚a 10 %, 20 % och 30 % p˚averkar l¨onsamheten. ¨Okningen ber¨aknas p˚a det totala nuv¨ardet av elpriset efter 20 ˙ar.

Ovriga kostnader ¨¨ ar en kategori som innefattar cirkulations- och v¨armepumpar, reservkraft och en in- stallationskostnad av pumparna. D˚a installationskostnaden ¨ar baserade p˚a en procentuell uppskattad kostnad av totalkostnaden ¨ar den kategorin en av de som har st¨orst os¨akerhet. D¨arf¨or analyseras resul- tatet n¨ar investeringskostnaden f¨or kategorin ¨Ovriga kostnader ¨okar med 10 %, 20 % och 30 %.

3.8 Milj¨ op˚ averkan

Med data fr˚an tabell 1 kan den totala andelen koldioxidekvivalenter f¨or f¨orbr¨anningen per kilowattim- me producerad energi ber¨aknas. Detta tillsammans med den totala energif¨orbrukningen under ett ˚ar utg¨or det ˚arliga utsl¨appet. I samma tabell finns utsl¨appsfaktorn f¨or el, vilket ¨ar den enda faktorn f¨or bergv¨armens koldioxidutsl¨app. Den el som kr¨avs att driva bergv¨armeanl¨aggningen ber¨aknas utifr˚an cir- kulationspumpen och v¨armepumpens ˚arsbehov. De tv˚a olika utsl¨appen summeras sedan med ekvation (14). Utifr˚an det ber¨aknade utsl¨appet kan sedan den totala minskningen av koldioxidutsl¨app ber¨aknas utifr˚an cirkulationpumpen och v¨armepumpens livsl¨angd.

4 Resultat

I detta avsnitt presenteras resultaten fr˚an simuleringar, analyser och de ekonomiska f¨oruts¨attningarna f¨or att kunna genomf¨ora konverteringen.

V¨armebehovet f¨or Tandv˚ardshuset och G¨allivare sjukhus visas i figur 7 tillsammans med det ber¨aknade kylbehovet. Tandv˚ardshuset st˚ar i snitt f¨or 2,75 % av v¨armebehovet och n¨astan 0,3 % av kylbehovet. och kylbehovet ¨ar ber¨aknat uifr˚an avsnitt 4.2.

Figur 7: V¨arme och kylbehov f¨or varje m˚anad.

4.1 V¨ armebehov

V¨armebehovet ¨ar h¨amtat fr˚an 2017 ˚ars fj¨arrv¨armeanv¨andning och korrigerats utifr˚an energiindex fr˚an samma ˚ar. Scenarie 1 t¨acker hela v¨armebehovet medan Scenarie 2 ¨ar uppdelat i tv˚a delar. F¨ordelningen

¨over ˚aret visas i tabell 9. V¨ardena anv¨andes d¨arefter f¨or att dimensionera bergv¨armeanl¨aggningen.

Tabell 9: F¨ordelning av det t¨ackta v¨armebehovet som bergv¨armen st˚ar f¨or i MWh och det totala v¨armebehovet.

M˚anad Scenarie 1 Scenarie 2a Scenarie 2b

Januari 1 446 520 391

Februari 1 464 520 391

Mars 1 203 520 391

April 960 520 391

Maj 835 520 391

Juni 392 392 392

Juli 315 315 315

Augusti 397 397 397

September 995 520 391

Oktober 880 520 391

November 1 164 520 391

December 1 515 520 391

Totalt 11 567 5 784 4 627

4.2 Kylbehov

Den ber¨aknade f¨ordelningen f¨or MRI n¨ar den anv¨ands och n¨ar den ¨ar i standbyl¨age visas i tabell 10 tillsammans med det totala kylbehovet.

Tabell 10: F¨ordelning av kylbehovet vid standby och vid anv¨andning samt totala kylbehovet f¨or MRI.

Philips Achieva MRI

Kylbehov standby 84,8 MWh Kylbehov anv¨andning 86,7 MWh Totalt kylbehov 171,5 MWh

Kyleffekten f¨or serverrummet ¨ar 4 kW och det ber¨aknade kylbehovet uppgick till 35 MWh/ ˙ar och antas f¨ordelas lika ¨over hela ˚aret.

Kylbehovet som simulerats i IDA-ICE uppg˚ar till 264,6 MW h f¨or ˚aret med given data fr˚an tabell 6.

Det ber¨aknade luftfl¨odet f¨or sjukhuset tillsammans med densiteten och den specifika v¨armekapaciteten som visas i tabell 11 anv¨andes f¨or att ber¨akna sjukhusets kylbehov mellan 2008 och 2017. Kylbehovet ¨ar ber¨aknat utifr˚an n¨ar utomhustemperaturen ¨overstiger 17^◦C d˚a dem inte anses beh¨ova kyla lokaler vid l¨agre temperatur.

Kylbehovet ¨ar d¨arefter ber¨aknat utifr˚an logaritmen fr˚an figur 8. Det totala kylbehovet f¨or 2017 uppskattas till 251,9 MW h och j¨amf¨orelse med resultatet fr˚an IDA-ICE simuleringen g˚ar det att konstatera att resultaten fr˚an ber¨akningarna ¨ar rimliga. Forts¨attningsvis anv¨ands det ber¨aknade kylbehovet utifr˚an ekvation (8) f¨or ventilationen.

Tabell 11: Ber¨aknat luftfl¨ode utifr˚an fl¨odesprotokoll.

Beteckning V¨arde Enhet

Luftfl¨ode V_v 204 738 l/s

Densitet ρ_l 1,2 kg/m³

Specifik v¨armekapacitet C_p 1010 J/kgK

Figur 8: Det ber¨aknade kylbehovet de senaste 10 ˚aren f¨or G¨allivare sjukhus baserat p˚a luftfl¨odesprotokoll.

Det totala kylbehovet f¨ordelat p˚a m˚anader presenteras i tabell 12 vilket sedan anv¨andes f¨or simule- ringarna i EED. Eftersom kylbehovet f¨or ventilationen ¨ar ber¨aknad utifr˚an n¨ar utomhustemperaturen

¨overstiger 17^◦C f¨ordelas detta endast under de m˚anader p˚a ˚aret d˚a den temperaturen uppst˚ar.

Tabell 12: ˚Arlig f¨ordelning av kylbehovet i MWh d¨ar ¨ovrigt st˚ar f¨or serverrum och MRI.

M˚anad Ovrigt¨ Ventilation Totalt

Januari 17,2 0,0 17,2

Februari 17,2 0,0 17,2

Mars 17,2 0,0 17,2

April 17,2 0,0 17,2

Maj 17,2 63,0 80,2

Juni 17,2 63,0 80,2

Juli 17,2 63,0 80,2

Augusti 17,2 63,0 80,2

Oktober 17,2 0,0 17,2

November 17,2 0,0 17,2

December 17,2 0,0 17,2

˚Arligt kylbehov 206,6 251,9 458,4

4.3 Dimensionering

Antalet borrh˚al f¨or respektive Scenarie presenteras i detta avsnitt med djup, bredd mellan h˚alen, vilken konfiguration som anv¨ands och diametern p˚a borrh˚alet.

4.3.1 Scenarie 1

F¨or att kunna anv¨anda 100 % bergv¨arme m˚aste borrh˚alslagret t¨acka 11 567 MW h v¨arme och 458 MW h kyla per ˚ar. Simuleringen fr˚an EED resulterar i en anl¨aggningen best˚aende av 208 borrh˚al med ett borrh˚alsdjup p˚a 665 meter per h˚al. Resultatet fr˚an simuleringen visas i tabell 13. Mer ing˚aende data och ber¨akningsresultat presenteras i bilagor, tabell 30 och 31.

Tabell 13: Resultatet fr˚an simuleringen som ska t¨acka Scenarie 1.

Utsl¨app Scenarie 1 Enhet

Borrh˚al 208 st

Konfiguration 13x16 st

Djup 665 m

Diameter 0,114 m

Bredd mellan borrh˚al 14 m T¨ackt v¨armebehov 11 567 MWh

Figur 9 illustrerar v¨arme och kylbehovet insatt i simuleringsprogrammet EED 4.19 d¨ar den linjen som sk¨ar staplarna ¨ar den effekt som ¨ar m¨ojlig att producera med hj¨alp av en v¨armepump med SPF v¨arde p˚a 4 f¨or v¨armeeffekten och 10 f¨or kyleffekten.

Figur 10 illustrerar hur djupet f¨or det t¨ackta v¨armebehovet p˚averkar temperaturen p˚a k¨oldb¨araren och hur det optimala borrdjupet utifr˚an de valda parametrarna.

Figur 9: V¨arme- och kylbehov f¨or varje m˚anad utifr˚an Scenarie 1.

Figur 10: K¨oldb¨ararens temperatur beroende p˚a djupet av brunnen med de insatta parametrarna f¨or Scenarie 1.

4.3.2 Scenarie 2

Den minsta andelen av v¨armebehovet som ¨ar m¨ojligt att t¨acka vid ett maximalt borrdjup p˚a 300 m togs fram genom att g¨ora flera simuleringar. Scenarie 2a ¨ar d¨arefter baserat p˚a den maximala andel v¨arme bergv¨armen kan producera och Scenarie 2b justerades efter v¨armebehovet f¨or att anl¨aggningen skulle bli s˚a ekonomisk som m¨ojligt. Resultatet presenteras nedan.

• Scenarie 2a ¨ar uppdelat i 50/50. Bergv¨arme och fj¨arrv¨arme f¨orser sjukhuset med lika stor andel v¨arme.

• Scenarie 2b ¨ar uppdelat i 40/60 d¨ar 40 % av v¨armebehovet f¨orses fr˚an bergv¨arme och resterande 60 % f¨orses fr˚an fj¨arrv¨armeverket.

Resultatet fr˚an simuleringarna visade att den tillg¨angliga ytan klarar att driva maximalt 50 % av v¨armebehovet.

Tabell 14 presenterar det t¨ackta v¨armebehovet och konfigurationerna baserat p˚a de olika scenarierna.

Mer ing˚aende data och ber¨akningsresultat fr˚an EED presenteras i bilagor, tabell 32 och 33 f¨or Scenarie 2a samt tabell 34 och 35 f¨or Scenarie 2b.

Tabell 14: Resultatet fr˚an simuleringen f¨or Scenarie 2a respektive 2b.

Scenarie 2

Alternativ a b Enhet

Borrh˚al 396 143 st

Konfiguration 18x22 11x13 st

Djup 291 285 m

Diameter 0,114 0,114 m

Bredd mellan borrh˚al 10 17 m T¨ackt v¨armebehov 5 784 4 627 MWh

T¨ackt kylbehov 458 458 MWh

Det t¨ackta v¨arme- och kylbehovet f¨or Scenarie 2a presenteras i figur 11 och f¨or Scenarie 2b i figur 12.

Figurerna illustrerar v¨arme och kylbehovet insatt i simuleringsprogrammet EED 4.19 d¨ar den linjen som sk¨ar staplarna ¨ar den effekt som ¨ar m¨ojlig att producera med hj¨alp av en v¨armepump med SPF v¨arde p˚a 4 f¨or v¨armeeffekten och 10 f¨or kylbeeffekten.

Figur 11: V¨arme- och kylbehov f¨or varje m˚anad utifr˚an Scenarie 2a.

Figur 12: V¨arme- och kylbehov f¨or varje m˚anad utifr˚an Scenarie 2b.

Figur 13 och figur 14 illustrerar hur djupet f¨or det t¨ackta v¨armebehovet p˚averkar temperaturen p˚a k¨oldb¨araren och hur det optimala borrdjupet utifr˚an de valda parametrarna.

Figur 13: K¨oldb¨ararens temperatur beroende p˚a djupet av brunnen med de insatta parametrarna f¨or Scenarie 2a.

Figur 14: K¨oldb¨ararens temperatur beroende p˚a djupet av brunnen med de insatta parametrarna f¨or Scenarie 2b.

4.4 Cirkulationspump

De totala friktionsf¨orlusterna f¨or r¨ordragningen beror p˚a l¨angden och djupet p˚a r¨oren. Reynolds tal ber¨aknades till 12672 med ekvation (3) och anses vara turbulent. Friktionsfaktorn kan d¨arf¨or inte r¨aknas ut utan l¨ases av ur Moody-diagram med hj¨alp av Reynolds tal och ytr˚aheten dividerat med den hydraliska diametern. Talet avl¨ases till 0, 025 och g¨aller f¨or alla delar och scenarier. Eng˚angsf¨orlustkoefficienten ¨ar h¨amtad fr˚an Energi Teknik Del 1 och ¨ar olika beroende p˚a vart i serien borrh˚alet ¨ar placerat [3]. De olika koefficienterna presenteras i tabell 15. Eng˚angsf¨orlustkoefficienterna ¨ar samma f¨or alla scenarier.

Tabell 15: Eng˚angsf¨orlustkoefficienter f¨or slangarna i brunnarna beroende p˚a vart i serien brunnen berfinner sig.

Eng˚angsf¨orlustkoefficient

Mittparti 3,65

Andar¨ 1,29

Sammankoppling 3,65

Eng˚angs- och friktionsf¨orlusterna ber¨aknades d¨arefter med ekvation (2) och (15) tillsammans med de framtagna eng˚angsf¨orlustkoefficienterna och friktionsfaktorn. F¨or att ta reda p˚a den totala tryckf¨orlusten multiplicerades tryckf¨orlusterna fr˚an varje kategori med antal h˚al per rad. Verkningsgraden ¨ar h¨amtad fr˚an Grundfos AB [4]. Med verkningsgraden kan d¨arefter effekten p˚a pumparna best¨ammas och presen- teras tillsammans med ber¨aknade uppfordringsh¨ojden och folymfl¨odet i tabell 16.

Tabell 16: Konfigurationer f¨or cirkulationspumparna.

Scenarie 1 Scenarie 2a Scenarie 2b Enhet

Uppfordringsh¨ojd 71 32 31 m

Volymfl¨ode 1 400 2 700 1 000 m³/h

Verkningsgrad 93 84 98 %

Effekt 109 97 32 kW

Antal pumpar 2 4 2 st

4.5 Ekonomi

Design- och konsultkostnader ¨ar en del av ¨ovriga kostnader. Kostnaderna ¨ar antagna att vara en andel av totalkostnaden f¨or markarbete, brunssborrning och r¨orkostnader. Andelen f¨or de olika kostnaderna visas i tabell 17 och ¨ar samma f¨or alla scenarier. I tabellen presenteras ocks˚a den antagna underh˚allsandelen som ¨ar ber¨aknat utifr˚an den totala investeringskostnaden.

Tabell 17: De kategorier som antas vara en procentuell andel av andra kostnader.

Andel

Design 1 %

Konsult 5 %

Underh˚all 1 %

Installation av Cirkulations- och v¨armepump 10 %

Kostnaderna f¨or det markarbete som kr¨avs har ber¨aknats utifr˚an de tv˚a alternativ som beskrivs i avsnitt 3.6.1. Utifr˚an resultatet som visas i tabell 18 skiljer det inte mycket i kostnad mellan de olika scenarierna d˚a alla ber¨aknas utnyttja hela det tillg¨angliga omr˚adet. Den ekonomiska differensen mellan att j¨amna hela ytan mot att gr¨ava g˚angar ¨ar f¨orsumbar mot den totala investeringskostnaden. D¨arf¨or presenteras de ekonomiska resultaten nedan med l¨osningen att j¨amna hela marken till en j¨amn yta.

Tabell 18: F¨orberedningskostnader f¨or markytan.

Markarbete Scenarie 1 Scenarie 2a Scenarie 2b

J¨amna hela ytan 643 644 642 tkr

G˚angar 469 469 468 tkr

Elpriset ber¨aknas utifr˚an en procentuell ¨okning varje ˚ar p˚a 2,77 % som ¨ar framtagen fr˚an energimyndig- heten [31]. ¨Okningen ¨ar ett snitt mellan fyra olika prognoser som str¨acker sig mellan 2020 och 2050 d¨ar h¨ogt fossilpris, h¨ogt BNP och tv˚a olika prognoser f¨or l˚agt elpris ¨ar medr¨aknat [31].

Konstnaden f¨or en v¨armepump uppskattas grovt till mellan 1500 kr/kW-1700 kr/kW enligt Hans-G¨oran G¨oransson p˚a Energy Machines Sweden AB[13]. I den LCC som gjorts anv¨andes 1700 kr/kW som priss¨attning. Kostnaderna f¨or sammans¨attning av r¨or antas vara 100 kr/m och kostnaden f¨or isolerat uppsamlingsr¨or antas vara 2560 kr/m[28]

Alla ekonomiska ber¨akningar presenteras exklusive moms.

4.5.1 Scenarie 1

Resultatet fr˚an de ber¨aknade investeringskostnaderna f¨or arbete och material visas i tabell 19. Bergborr- ning mellan 350 m-700 m ¨ar den markant st¨orsta delen i investeringen.

Investeringskostnaderna ¨ar d¨arefter indelade i kategorier och visas i figur 15 d¨ar brunnsborrningen ¨ar den st¨orsta kategorin och st˚ar f¨or 75 % av den totala kostnaden. I ¨ovriga kostnader ing˚ar cirkulationspump, v¨armepump och installationskostnad.

Tabell 19: Investeringskostnader f¨or Scenarie 1 i kr.

Arbete Scenarie 1

R¨ordrivning 1 052 480

Conteiner 1 659 840

Bergborrning ¡230 meter 11 003 200 Bergborrning 230-350 meter 6 489 600 Bergborrning 350-700 meter 19 656 000 Sammans¨attning av r¨or 291 200 Material

Uppsammlingsr¨or 1 924 207 Cirkulationspump [4] 1 036 56 0

V¨armepump 4 590 000

Reservkraft [17] 1 800 000

Figur 15: F¨ordelning av fasta ekonomiska kostnader f¨or Scenarie 1.

Resultaten f¨or de ˚arliga kostnaderna och avskrivningen visas i tabell 20 d¨ar int¨akterna st˚ar f¨or andelen fj¨arrv¨arme som inte k¨ops in. Avskrivningen anv¨ands f¨or att ber¨akna kapitalkostnaden och precis som f¨or elkostnaden varierar dessa mellan ˚aren.

Tabell 20: ˚Arsbaserade kostnader, int¨akter och avskrivning f¨or Scenarie 1.

Investering Scenarie 1 Enhet Underh˚all 533 tkr/ ˙ar Int¨akter 7 866 tkr/ ˙ar Avksrivning 2 664 tkr/ ˙ar

Den ekonomiska l¨onsamheten ¨ar ber¨aknat med kalkylr¨anta och internr¨anta 2 %.Resultatet presenteras i tabell 21 i form av nuv¨arde och nettonuv¨arde. Nuv¨ardet av kostnaderna under livsl¨angden ber¨aknas med ekvation (12) och innefattar int¨akter, el-, kapital-, och underh˚allskostnader. Nettonuv¨ardet ¨ar ber¨aknat med ekvation (11) tillsammans med nuv¨arden fr˚an tabell 21 och summan av investeringskostnaderna i figur 15. Eftersom att ingen fj¨arrv¨arme k¨ops in i detta scenarie blir int¨akterna h¨oga.

Int¨akter, elkostnad, kapitalkostnad och underh˚allskostnaderna presenteras ˚arsvis i bilagor, tabell 27 f¨or Scenarie 1.

Tabell 21: Nuv¨arde och nettonuv¨arde f¨or investering av Scenarie 1 efter 20 ˚ar.

Nuv¨arden Scenarie 1 Enhet

Int¨akter 128 614 tkr

El 61 590 tkr

Kapital 9 718 tkr

Underh˚all 8 711 tkr

Grundinvestering 53 272 tkr Nettonuv¨arde 4 677 tkr

4.5.2 Scenarie 2

Resultatet fr˚an de ber¨aknade investeringskostnaderna f¨or arbete och material visas i tabell 22. Notera att bergborrning mellan 350 m-700 m ¨ar 0 kr d˚a Scenarie 2a och 2b inte borrar djupare ¨an 300 meter.

Tabell 22: Investeringskostnader f¨or Scenarie 2a och 2b i kr.

Arbete Scenarie 2a Scenarie 2b

R¨ordrivning 2 003 760 723 580

Conteiner 1 382 832 489 060

Bergborrning ¡230 meter 20 948 400 7 564 700 Bergborrning 230-350 meter 6 280 560 2 044 900

Bergborrning 350-700 meter 0 0

Sammans¨attning av r¨or 396 000 243 100 Material

Uppsammlingsr¨or 1 935 334 1 907 614 Cirkulationspump[4] 1 725 360 562 900

V¨armepump 2 295 184 1 836 068

Reservkraft [17] 1 000 000 1 000 000

Investeringskostnaderna f¨or Scenarie 2a visas i figur 16 d¨ar brunnsborrningen ¨ar den st¨orsta kategorin och st˚ar f¨or 75 % av den totala kostnaden. Figur 17 visar investeringskostnaderna f¨or Scenarie 2b d¨ar den st¨orsta kategorin p˚a 60 % ¨ar brunnsborrningen. F¨orutom brunnsborrningen ¨ar det ¨ovriga kostnader som skiljer sig mest i de tv˚a fallen. Markarbete och r¨orkostnaden skiljer sig inte markant.

Figur 16: F¨ordelning av fasta ekonomiska kostnader f¨or Scenarie 2a.

Figur 17: F¨ordelning av fasta ekonomiska kostnader f¨or Scenarie 2b.

Resultaten f¨or de ˚arliga kostnaderna och avskrivningen visas i tabell 23 d¨ar int¨akterna st˚ar f¨or andelen fj¨arrv¨arme som G¨allivare sjukhus sparar in under den ber¨aknade livsl¨angden. Avskrivningen anv¨ands f¨or att ber¨akna kapitalkostnaden och precis som f¨or elkostnaden varierar dessa mellan ˚aren.

Tabell 23: ˚Arsbaserade kostnader, int¨akter och avskrivning f¨or Scenarie 2a och 2b.

Scenarie 2

R¨orliga kostnader a b Enhet Underh˚all 410 481 tkr/ ˙ar Int¨akter 3 933 3 146 tkr/ ˙ar Avksrivning 2 051 904 tkr/ ˙ar

Den ekonomiska l¨onsamheten ¨ar ber¨aknat med kalkylr¨anta och internr¨anta p˚a 2 %. . Resultatet pre- senteras i tabell 24 i form av nuv¨arde och nettonuv¨arde. Nuv¨ardet av kostnaderna under livsl¨angden ber¨aknas med ekvation (12) och innefattar int¨akter, el-, kapital-, och underh˚allskostnader. Nettonuv¨ardet

¨ar ber¨aknat med ekvation (11) tillsammans med nuv¨arden fr˚an tabell 24 och summan av investerings- kostnaderna i figur 16 och figur 17. Int¨akterna varierar utifr˚an hur stor andel fj¨arrv¨arme som m˚aste inf¨orskaffas.

Tabell 24: Nuv¨arde och nettonuv¨arde f¨or investering av Scenarie 2a och 2b.

Nuv¨arden Scenarie 2 Enhet

a b

Int¨akter 64 312 51 448 tkr

El 36 810 22 945 tkr

Kapital 7 485 3 297 tkr

Underh˚all 6 709 2 955 tkr Grundinvestering 41 029 18 071 tkr Nettonuv¨arde 27 721 -4 179 tkr

Resultaten fr˚an Scenarie 2 visar p˚a att f¨ordelningen 40/60 ¨ar mer l¨onsam ¨an f¨ordelningen 50/50. Int¨akter, elkostnad, kapitalkostnad och underh˚allskostnaderna presenteras ˚arsvis i bilagor. Tabell 28 f¨or Scenarie 2a respektive tabell 29 f¨or Scenarie 2b.

4.6 Ekonomisk l¨ onsamhet - en j¨ amf¨ orelse

En j¨amf¨orelse mellan tabell 20 och tabell 23 visar att kostnaderna f¨or underh˚all minskar med en mind- re anl¨aggning. D¨aremot ¨okar de r¨orliga kostnaderna totalt sett d˚a det kr¨avs ett h¨ogre behov fr˚an fj¨arrv¨armeverket.

De delarna som inte skiljer sig med stora marginaler ¨ar markarbete och r¨orkostnad. Detta eftersom att alla scenarier ¨ar ber¨aknade att t¨acka hela den tillg¨angliga ytan.

Vid j¨amf¨orelse mellan olika alternativ ska LCC v¨ardet vara s˚a l˚agt som m¨ojligt f¨or att investeringen ska vara l¨onsam. Ett negativt v¨arde betyder att de tj¨anar p˚a att g¨ora investeringen.

LCC:n f¨or respektive investering presenteras i tabell 25 med den ber¨aknade ˚aterbetalningstiden. Skill- naden i t¨ackt v¨armebehov fr˚an bergv¨armesystemet i Scenarie 2a och 2b ¨ar 1157 MW h och 3188 MW h.

Den h¨oga investeringskostnaden f¨or Scenarie 2a j¨amf¨ort med 2b ¨ar p˚a grund av antalet h˚al som kr¨avs f¨or att t¨acka 50 % av v¨armebehovet med angiven yta ist¨allet f¨or 40 %. Genom att s¨anka kapaciteten som bergv¨armeanl¨aggningen ska bidra med ytterliggare 10 % som i fall Scenarie 2b kan sjukhuset spara 31 900 tkr gentemot Scenarie 2a och 8857 tkr gentemot Scenarie 1 under den ber¨aknade ˚aterbetalningstiden.

Tabell 25: Ekonomisk j¨amf¨orelse mellan Scenarie 1,2a och 2b.

Scenarie 1 Scenarie 2a Scenarie 2b Enhet

LCC -4 677 -27 721 4 179 tkr

Kostnad per MWh 4 606 7 094 3 906 kr/MWh

˚Aterbetalningstid ¿20 ¿20 15 ˙ar

Figur 18 visar den ekonomiska utvecklingskurvan f¨or de olika scenarierna. Vid 0 tkr har investeringen g˚att j¨amt upp. Den mest l¨onsamma investeringen ¨ar Scenarie 2b med en ˚aterbetalningstid p˚a 15 ˚ar.