Bergvärme och bergkyla
18 mars 2004
Stockholm
Prof. Bo Nordell
Avd. för förnyelsebar energi
Luleå tekniska universitet
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
Bergvärme
Bergkyla
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
Hur vanligt är bergvärme?
•
•
•
Det finns ca 800.000 borrhålssystem för värme och kyla i världen
Hälften i USA och hälften i Europa, varav hälften i Sverige
Det finns alltså 200.000 bergvärmebrunnar i Sverige – ökning ca 30.000/år
•
•
Ca 10% av all Sveriges energi för värme och kyla kommer från marken
Dessa 10 TWh är förnyelsebar energi
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
Marktemperatur
Ostörd marktemperatur nära markytan är
”lika” med årsmedeltemperaturen i luft
Luleå
Årsmedel i luft = 2,2oC
Årsmedel i grundvatten = 3,5oC
[Snötäcket isolerar från den strängaste
kylan – annars skulle de vara lika stora]
Skåne
Ca 10oC i både mark och luft
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
Borrhål i berg för kyla och värme
Bergvärme för typiskt småhus
• Borrdjup: ca 100-150 m
• Borrhålsdiameter: ca 110 mm
• Värmefaktor: 3-4
• Uttag: 20000-30000 kWh varav
ca ¼ är drivenergi till värmepump.
• Inv. kostnad ca: 100.000 kr
• Avkastning: 10%
• Ca 200.000 installationer i Sverige
tank för
varmvatten
värmepump
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
golvvärmesystem för
lågtemperaturuppvärmning
Borrhålsvärmeväxlare
Bergvärme vintertid och bergkyla sommartid
1/3 (el)
1 värme
VP
2/3 värme
Vinter
uppvärmning
Sommar
kylning
1 värme
1/3 (el)
VP
1
1
2/3 markvärme
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
Kylmaskin alternativt
direktkylning mot mark
Borrhålsinstallationer
Det finns flera typer av
borrhålsinstallationer:
Borrhål
Rör
Öppna cirkulationssystem:
•
koncentriska
Koncentriskt rör
Slutna cirkulationssystem:
•
enkla U-rör
•
dubbla U-rör
•
tripla U-rör
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
Enkelt u-rör
Pumpflöde;
a/ 0,5 l/s
b/ 1,0 l/s
Vanlig brunn
a
Vid vattenuttag sjunker
vattennivån i brunnen och
dess närhet tills dess att
tillrinningen blir lika stor som
pumpflödet.
b
vattenflöde
Om pumpflödet minskar så
stiger vattennivån i brunnen.
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
vattenflöde
Värmeuttag;
a/ 3 kW
b/ 6 kW
Energibrunn
Tut-Tin = 2-3oC
Vid värmeuttag sjunker
temperaturen i brunnen och
dess närhet tills dess att
värmeflödet från omgivande
berg blir lika stort som
värmeuttaget
Tin
Tut
a
b
värmeflöde
Om värmeuttaget minskar
så stiger temperaturen i
brunnen.
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
värmeflöde
Värmeflöde
Geotermisk andel
av värmeflödet
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
Långtidsmätning av temperatur längs borrhål
4
6
Temperature [°C]
8
10
12
14
16
0
0
10
10
20
December 1986
(undisturbed profile)
20
30
September 1987
30
Depth [m]
40
40
September 1988
50
50
September 1989
60
60
September 1990
70
70
September 1991
80
80
September 1996
90
September 1997
90
September 1998
100
100
September 2001
110
110
4
6
8
10
12
14
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
16
Schweiz
1986-2001
Bergvärme och bergkyla
Teori
Aktivt borrhålsdjup
Bergets förmåga att ta upp eller avge värme beror på:
•
bergets temperatur
•
bergets värmeledande förrmåga
Q=
Q
H
Tb
To
D
λ
2π ⋅ λ ⋅ H(To − Tb )
H
ln( )
D
stationärt värmeuttag (W)
brunnens djup (m)
brunnsväggens temperatur (oC)
ostörd marktemperatur (oC)
brunnens diameter (m)
bergets värmeledningstal (W/mK)
Borrhålsvärmeväxlare
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
Några berg och jordarters termiska egenskaper
Lera (torr)
Lera (våt)
Gnejs
Granit
Kvartsit
Vatten
Is
Värmeledningstal
(W/m,K)
Värmeledningstal
(rekommenderat)
0,4 - 0,9
0,9 - 2,2
1,9 - 4,0
2,1 - 4,1
3,6 - 6,6
0,6
2,2
0,4
1,6
2,9
3,4
6,0
0,6
2,2
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
Termisk responstest
TED:
Mobil testapparat för mätning av
markens värmeledningsförmåga
och värmemotstånd i borrhål.
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
Heating
Termisk responstest
Borehole Heat Exchanger
T1
T2
Thermal response
test unit
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
Data
acquisition
Electric
power
Termiskt responstest, typiska mätresultat
26
Inloppstemperatur
24
Utloppstemperatur
22
T em p
20
18
16
14
12
10
14 okt
15 okt
16 okt
17 okt
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
18 okt
19 okt
Nyckeltal för bergvärme och bergkyla
Bergvärme
• kontinuerligt uttag av bergvärme ca 7 x λ [W/bm]
• toppeffektuttag ca 25 x λ [W/bm]
λ = värmeledningstal i berg, bm=borrhålsmeter
Antag: 150 m borrhål, λ = 3,0 W/m,K (granit):
• kont. värmeeffekt: 7 x 3,0 = 21 W/bm
• kont. värmeuttag för 150 m borrhål: 21x150 = 3,15 kW
• toppeffekt vid värmeuttag: 25 x 3 =75 W/bm
• toppeffekt för 150 m borrhål: 75x 150 = 11,25 kW
• årligt energiuttag: 8760 x 3,15 = 27600 MWh
Bergkyla
• kontinuerlig kyleffekt: ca 40 W/m (starkt beroende av in/ut-temperatur)
Bo Nordell, Bergvärme och bergkyla, Nordbygg 2004
