1. No category

geoenergilager.se
En rapport från projektet: Handledning för
kvalitetssäkring av geoenergilager
Del B – Kunskapsdelen
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
Utkast: version 07JUN13
Stockholm 2013
Ett projekt finansierat av forskningsprogrammet Effsys+
Författare:
José Acuna, Jörgen Rogstam, Johan Barth, Björn Thelin,
Claes Mellqvist och Thomas Wildig
Handledning för kvalitetssäkring av geoenergilager – ett projekt inom Effsys+
Sammanfattning
Detta dokument är en kunskapssammanställning på temat geoenergilager. Syftet med skriften är att
ge en introduktion till geoenergilager – vad det är, vad det kan användas till och några saker som är
viktiga att tänka på som potentiell beställare.
Skriften vänder sig till beställarkategorin bostadsrättsföreningar eller andra större juridiska personer.
Den är alltså inte ämnad till villaägare eller den typen av mindre projekt.
Inledningsvis behandlas vad som innefattas i termen geoenergi och vad det är. Vidare beskrivs de
vanligaste typerna av geoenergilager som kan komma i fråga. Då denna typ av lager alltid befinner sig
i marken så är naturligtvis markens beskaffenhet en viktig faktor vilken också beskrivs.
Ett geoenergilager är komplext att dimensionera så av det skälet bör man känna till att proceduren
för att beräkna och dimensionera inte är trivial. För att ett energilager ska vara just ett lager över
tiden så bygger det per definition på balans i uttagen och insatt energi – sk energibalans.
Dokumentet ger också några exempel på existerande anläggningar av olika typer vilka kan tjäna som
uppslag när man överväger en geoenergilösning.
Det finns mycket litteratur inom detta smala område så en diger referenslista finns sist i rapporten.
För den intresserade läsaren finns naturligtvis möjligheten att leta vidare bland dessa för att hitta
ytterligare detaljer.
Summary
This document compiles relevant information in the field of geothermal storages. The scope is to give
a short introduction to geothermal storages in general, examples of applications and other pieces of
information that may be useful when considering a geothermal solution.
The target group for the document is housing associations and companies. This is not a guide for a
single dwelling project. The target applications of the document are apartment buildings or larger
building complexes with preferably a combined heating and cooling need.
Initially some terminology is introduced as to how geothermal energy may be defined and used. A
short introduction to the steps of designing a geothermal storage is presented. Some background is
given to the tools available for the design mainly with the idea to give a picture of the complex
technical procedure to achieve good function and performance.
A thermal storage is only a storage if it is in balance over time. Some examples of means for
balancing a geothermal storage are displayed.
This scientific area contains plenty of information and therefore a vast reference list is attached to
this document. The interested reader may find many documents worthy reading.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
2
Förord
Projektet ”Handledning för kvalitetsäkring av geoenergilager” är ett branschsammarbete för att ta
fram standarder för anläggning av geoenergilager. Syftet är att öka kunskapen i alla led och
harmoniera upphandlingsförfarandet. Resultatet är en handledning som består av två delar - en
kunskapsdel och en upphandlingsdel. Föreliggande dokument är den sk Kunskapsdelen, vilken
sammanfattar relevant kunskap på området.
Många har varit delaktiga i projektet och specifikt i denna skrifts framtagande. Följande
organisationer kan nämnas i sammanhanget: Geotec, Avanti System, EBAB Installationsteknik,
Ekofektiv, Energi & Kylanalys, Geawelltech, Rototec, IVT, Muovitech, SGU, Svensk Byggtjänst, Svenska
Värmepumpföreningen, ÅF, Carrier, SEEC och Kyl- & Värmepumpföretagen.
Ett stort tack till den störste enskilde finansiären, Energimyndigheten, genom projektet Effsys+
(www.effsysplus.se) och de enskilda organisationer som bidragit med både tid och pengar.
Jörgen Rogstam
Projektledare
Stockholm 12 april 2013
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
3
Innehållsförteckning
Sammanfattning
Innehållsförteckning
1
INTRODUKTION ......................................................................................................... 7
1.1
1.2
1.3
2
MÅLGRUPP ............................................................................................................................................... 7
AVGRÄNSNINGAR ....................................................................................................................................... 7
LÄSANVISNING ........................................................................................................................................... 7
GEOENERGILAGER...................................................................................................... 8
2.1
INTRODUKTION .......................................................................................................................................... 8
2.2
PASSIV GEOENERGI - UTTAG ........................................................................................................................ 10
2.3
AKTIV GEOENERGI - LAGRING ...................................................................................................................... 11
2.4
TYPER OCH DEFINITIONER ........................................................................................................................... 12
2.4.1 Lager i akvifer och bergrum (ATES och CTES) .................................................................................. 12
2.4.2 Borrhålslager (BTES) ........................................................................................................................ 13
3
MARKENS FÖRUTSÄTTNINGAR ................................................................................. 14
3.1
3.2
4
MARKENS TEMPERATUR ............................................................................................................................. 14
MARKENS TERMISKA EGENSKAPER OCH GRUNDVATTEN .................................................................................... 15
BORRNING OCH INSTALLATION ................................................................................ 18
4.1
BORRNING .............................................................................................................................................. 18
4.2
RIKTAD BORRNING .................................................................................................................................... 20
4.3
ATT TÄNKA PÅ VID BORRNING OCH ANLÄGGNING AV GEOENERGI ........................................................................ 21
4.3.1 Skydd av ytvatten och dagvattensystem ......................................................................................... 21
4.3.2 Skydd av byggnader och anläggningar ........................................................................................... 21
4.3.3 Skydd av grundvattnet i berget ....................................................................................................... 22
4.3.4 Föroreningar .................................................................................................................................... 22
4.3.5 Saltvattenpåverkan ......................................................................................................................... 23
5
ENERGILAGER – DIMENSIONERING ........................................................................... 24
5.1
DIMENSIONERINGSVERKTYG........................................................................................................................ 24
5.2
TERMISKT RESPONSTEST ............................................................................................................................. 27
5.3
BALANSERADE ENERGILAGER ....................................................................................................................... 30
5.3.1 Möjligheter till återladdning ........................................................................................................... 30
5.3.2 Möjligheter för kylning .................................................................................................................... 32
5.3.3 Utformning av balanserade geoenergilager ................................................................................... 32
6
BORRHÅLSVÄRMEVÄXLARE OCH KÖLDBÄRARSYSTEM.............................................. 33
6.1
KÖLDBÄRARE ........................................................................................................................................... 36
6.1.1 Köldbärares brandfarlighet ............................................................................................................. 38
7
MÄTNING OCH MÄTTEKNIK ..................................................................................... 39
7.1
7.2
7.3
ELENERGIMÄTNING ................................................................................................................................... 39
VÄRMEMÄNGDSMÄTARE ............................................................................................................................ 39
PRESTANDAANALYS AV KYL- OCH VÄRMEPUMPSYSTEM ..................................................................................... 40
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
4
7.4
REKOMMENDERADE MÄTPUNKTER ............................................................................................................... 41
7.4.1 Värmepumpar och hjälputrustning ................................................................................................. 41
7.4.2 Geoenergilager ................................................................................................................................ 41
8
APPLIKATIONER MED GEOENERGILAGER .................................................................. 42
8.1
LAGER I AKVIFERER OCH BERGRUM (ATES OCH CTES) ..................................................................................... 44
8.2
BORRHÅLSLAGER (BTES) ........................................................................................................................... 46
8.3
VÄRMEPUMPAR ....................................................................................................................................... 49
8.3.1 Små värmepumpar - villainstallationer ........................................................................................... 49
8.3.2 Fastighetsvärmepumpar ................................................................................................................. 51
9
ÖVRIGT .................................................................................................................... 52
9.1
9.2
ÖVERSIKTLIG BESKRIVNING AV ATT ANLÄGGA ETT GEOENERGILAGER .................................................................... 52
LAGSTIFTNING - MÖJLIGHETER OCH BEGRÄNSNINGAR ....................................................................................... 54
10 DEFINITIONER OCH TERMINOLOGI ........................................................................... 55
11 REFERENSER............................................................................................................. 57
Figurförteckning
Figur 1: Geoenergi består huvudsakligen av lagrad solvärme (Geotec, 2009). ...................................... 8
Figur 2: Geoenergin består av lagrad solvärme och en liten del värme som strömmar mot markytan
från jordens inre längs den geotermiska gradienten (Geotec, 2009). .................................................... 9
Figur 3: Exempel på bergvärme vilket ofta kan vara en enskild villa i tätbebyggelse (Avanti System AB)
............................................................................................................................................................... 10
Figur 4: Exempel aktivt geoenergilager där värme tillförs och bortförs beroende på årstid och behov
............................................................................................................................................................... 11
Figur 5: Exempel på akviferlager vid Arlanda flygplats ......................................................................... 12
Figur 6: Exempel på borrhålslager för kombinerad försörjning av värme och kyla (Geotec, 2012) ..... 13
Figur 7 : Marktemperatur på 100 m djup i Sverige ............................................................................... 14
Figur 8: Profil i obebyggt område .......................................................................................................... 15
Figur 9: Profil i bebyggt område ............................................................................................................ 15
Figur 10: Exempel på kartor från Sveriges Geologiska Undersökning (SGU). ....................................... 16
Figur 11: Exempel på borrning (Geotec). .............................................................................................. 18
Figur 12: Exempel på borrning (Geotec). .............................................................................................. 19
Figur 13: Illustration av borrhållets riktning (Olsson,2012) .................................................................. 20
Figur 14: Risken för saltvattenpåverkan ökar med brunnsdjup och ökat vattenuttag, särskilt i
områden under marina gränsen. .......................................................................................................... 23
Figur 15: Gränssnitt för verktyget EED (Earth Energy Designer) ........................................................... 24
Figur 16: Exempel på utdata från EED (Earth Energy Designer) ............................................................ 25
Figur 17: Exempel på termiskt responstest samt databehandling med hjälp av EED ........................... 27
Figur 18: Principiellt innehåll i en TRT-utrustning ................................................................................. 28
Figur 19: Anpassning mellan uppmätt och beräknad termiskrespons med olika simuleringsmetoder
(Javed, 2012) ......................................................................................................................................... 29
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
5
Figur 20: Exempel på beräkning borrhålstemperatur - (Hellström & Gehlin) - Borrhålet och dess
funktion, 2000. ...................................................................................................................................... 30
Figur 21: Exempel på ett frånluftsaggregat där värme kan hämtas till geoenergilagret ...................... 31
Figur 22: Exempel på en luft-vätskekylare där värme kan hämtas till geoenergilagret. ....................... 31
Figur 23: Exempel på en solfångare där värme kan hämtas till geoenergilagret .................................. 31
Figur 24: Exempel på en avloppvärmeväxlare där värme kan hämtas till geoenergilagret .................. 32
Figur 25: Exempel på hur överskottsvärme från ett geoenergilager kan användas till snösmältning .. 32
Figur 26: Exempel på olika arrangemang med kollektorer ( Dr. Maureen Mc Corry, EurGeol. Gareth Ll.
Jones, 2011) ........................................................................................................................................... 33
Figur 27: Köldbärarens medeltemperatur som funktion av det termiska motståndet i borrhålet....... 34
Figur 28: Temperaturgradienter i ett borrhål. ...................................................................................... 34
Figur 29:Typisk temperaturprofil längs en U-rörs kollektor .................................................................. 35
Figur 30: Köldbärare och köldmedier (Svep, 2004) ............................................................................... 36
Figur 31: Köldbärarens (etanol+vatten) viskositet som funktion av viktkoncentrationen och
arbetstemperatur (Melinder, 2007) ...................................................................................................... 36
Figur 32: Exempel på tekniska installationer (www.brunata.se) .......................................................... 39
Figur 33: Exempel på en DIN-monterad energimätare ......................................................................... 39
Figur 34: Exempel på ett integreringsverk till en energimätare (www.kamstrup.se) ........................... 40
Figur 35: Det portabla mätsystemet ClimaCheck-systemet vilket analyserar systemets prestanda .... 40
Figur 36: Inkopplingsprincip för ClimaCheck-systemet vilket kan analysera kyl-/värmeprestanda ..... 41
Figur 37: En ”vanlig” bergvärmeinstallation (Avanti System AB) .......................................................... 42
Figur 38: En sammanställning av geoenergilager i Sverige (Nordell & Söderlund, 2006) ..................... 43
Figur 39: Olika typer av energilagring (Andersson, 2011) ..................................................................... 43
Figur 40: Akviferlager, variant med inducerad infiltration, Stenstaden Sundsvall (Andersson, 2011) . 44
Figur 41: Akviferlager är ett av de effektivaste sätten att utvinna geoenergi (Geotec, 2012) ............. 45
Figur 42: Akviferlagret på Arlanda förser hela flygplatsen med förnybar energi (Andersson, 2011) ... 45
Figur 43: Illustration av applicering av BTES för att hålla isfria vägar (Orring,2012) ............................ 47
Figur 44: Exempel av BTES med FTX (Jonsson,2012)............................................................................. 47
Figur 45: Borrhålslager för kombinerad försörjning av värme och kyla (Branschorganisation, 2009) . 47
Figur 46: Borrhålslager för snösmältning (Andersson, 2011)................................................................ 48
Figur 47: Enfamiljshus är den dominerande applikationen för värmepumpar (SVEP 2013). ............... 49
Figur 48: Antal installerade berg-/markvärmepumpar i Sverige 1982 - 2010 (SVEP) ........................... 49
Figur 49: Fördelning av värmepumpsinstallationer utifrån fastighetstyp (SVEP 2013). ....................... 50
Figur 50: Installerad värmeeffekt för villa- och fastighetsvärmepumpar i Sverige 2009-2012 (SVEP
2013)...................................................................................................................................................... 51
Figur 51: Det juridiska läget återstår vid rapportens publicering 2013 fortfarande att klarlägga ........ 54
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
6
1 INTRODUKTION
1.1 Målgrupp
Detta dokument är en kunskapssammanställning på temat geoenergilager. Syftet med skriften är att
ge en introduktion till geoenergilager – vad det är, vad det kan användas till och några saker som är
viktiga att tänka på som potentiell beställare.
Skriften vänder sig till beställarkategorin bostadsrättsföreningar eller andra större juridiska personer.
Den är alltså inte ämnad till villaägare eller den typen av mindre projekt.
1.2 Avgränsningar
Projektets arbete och så även denna skrift är huvudsakligen inriktad på geoenergilagret och dess
gränssnitt mot objektet (t ex fastigheten). Där värmepumpar och/eller kylmaskiner ingår läggs
systemgränsen för vad anläggningen levererar till objektet, dvs t ex radiatorvatten (värmebärare) och
eventuellt varmvatten.
1.3 Läsanvisning
Inledningsvis behandlas vad som innefattas i termen geoenergi och vad det är. Vidare beskrivs de
vanligaste typerna av geoenergilager som kan komma i fråga. Då denna typ av lager alltid befinner sig
i marken så är naturligtvis markens beskaffenhet en viktig faktor vilken också beskrivs.
Borrning är en konst som kan ta mycket plats men här begränsas beskrivningen till några
huvudfaktorer som potentiella beställare bör känna till och även bör diskutera med sin framtida
borrare.
Ett geoenergilager är komplext att dimensionera så av det skälet bör man känna till att proceduren
för att beräkna och dimensionera inte är trivial. Inledningsvis bör t ex markens förutsättningar
utredas – ju större lager ju viktigare. Detta görs genom att testa markens egenskaper och kallas
termiskt responstest.
För att ett energilager ska var just ett lager över tiden så bygger det per definition på balans i uttagen
och insatt energi – sk energibalans. Om inte de naturliga förutsättningarna hos det tilltänkta objektet
erbjuder detta så måste detta anordnas genom t ex tillförsel av värme under sommaren och
värmeuttaget under vintern är större än den naturliga insättningen. Detta är en viktig punkt vid
dimensionering av systemet/anläggningen.
Dokumentet ger också några exempel på existerande anläggningar av olika typer vilka kan tjäna som
uppslag när man överväger en geoenergilösning.
Uppföljning och möjligheten till att kunna mäta på den framtida anläggningen är någonting mycket
vitalt som inte får tappas i projekteringsfasen. Mätpunkter som finns med från början är billiga och
ger framtida kontroll över prestanda och funktion.
En lista med vanligt förekommande begrepp, termer och definitioner finns tillgänglig som stöd för
läsningen av detta eller andra dokument.
Det finns mycket litteratur inom detta smala område så en diger referenslista finns sist i rapporten.
För den intresserade läsaren finns naturligtvis möjligheten att leta vidare bland dessa för att hitta
ytterligare detaljer.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
7
2 GEOENERGILAGER
2.1 Introduktion
Geoenergi består i huvudsak av solenergi, som passivt inlagras i marken. Solen har en effekt ner till ca
400 m djup, därefter tar energin från jordens inre, den geotermiska energin, över. Temperaturen
varierar sett över året ner till ett djup av ca 15 m. Var platsen är geografiskt avgör hur varmt eller hur
kallt det blir ner till detta djup. Därunder är temperaturen konstant under året och ökar med djupet
på grund av den så kallade geotermiska gradienten. I urbana miljöer kan temperaturen sjunka från
relativt höga temperaturer med djupet under den inledande delen. På ca 100 m djup är
temperaturen normalt samma som årsmedeltemperaturen på just den platsen.
En nedkylning av jord eller berg vid ett värmeuttag under vintern återladdas igen under sommaren
med hjälp av solvärme från ovan.
Figur 1: Geoenergi består huvudsakligen av lagrad solvärme (Geotec, 2009).
Att förändra temperaturen i en stor bergmassa tar lång tid och därför kan också berget ”spara” en
mot omgivningen avvikande temperatur under en lång tid. Beroende på hur stor skillnaden är mot
normaltemperaturen avgör hur lång tid förändringen sparas. Men det kan ta månader upp till år att
återgå till normaltemperaturen.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
8
Figur 2: Geoenergin består av lagrad solvärme och en liten del värme som strömmar mot markytan från jordens inre
längs den geotermiska gradienten (Geotec, 2009).
Vid en temperaturskillnad återladdas solenergi via markytan och från sidorna till bergmassan. Om
uttaget är större än återladdningen kommer utbredningen av en bergmassa med en avvikande
temperatur från omgivningen att på sikt sprida sig. Även om det kan ta flera år är det inte ett
önskvärt scenario eftersom den temperatur som man skall utnyttja också förändras i allt större grad.
Därför är det viktigt att vid dimensionering av ett geoenergisystem se till att det råder en jämnvikt
mellan uttag och omgivningens återladdning. Om uttaget är större än återladdningen från
omgivningen kan man aktivt återladda via samma system. Detta gör att vi skiljer mellan två olika
typer av geoenergisystem – passiva och aktiva.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
9
2.2 Passiv geoenergi - uttag
I passiva system sker en återladdning av marktemperaturen endast genom omgivningens påverkan.
Jämnvikt uppnås genom korrekt dimensionering.
Det vanligaste systemet, bergvärme, används företrädelsevis till villor men även fastigheter med mer
än 100 lägenheter. Oftast borras en brunn med en diameter av ca Ø 150 mm i vilken det monteras en
värmeväxlare – en normal vattenledningsslang. Brunnsdjupet varierar mellan 100-300 meter
beroende på vilket energiuttag som skall göras. Brunnen eller brunnarna placeras också normalt på
den egna fastigheten. En köldbärarvätska, oftast bioetanol och vatten, cirkuleras i slangen och
Figur 3: Exempel på bergvärme vilket ofta kan vara en enskild villa i tätbebyggelse (Avanti System AB)
Energin i köldbärarvätskan växlas i normalfallet över till en värmepump som i sin tur ”förädlar” den
förhållandevis låga temperaturen i berget till nyttjbar temperatur i våra hushåll.
Normalt placeras borrhålen 15 – 20 m från varandra. På så sätt undgår man termisk kortslutning
mellan borrhålen.
Systemet är slutet och kräver minimalt med underhåll. Systemet kan även användas för
komfortkylning vilket i så fall genererar ett gynnsamt tillskott till värmesäsongen genom
återladdning.
Ytjordvärme eller jordvärme kan användas istället för bergvärme då man har en större tomt. Slangar
plöjs eller grävs ned på ett djup av ca 1 m. Systemet bygger oftast på att frysa en del av markens
fuktighet runt själva slangen. Vid frysningsprocessen frigörs stora värmemängder (isbildningsvärme)
som förs över till köldbäraren i slangsystemet. Systemet går dock inte att använda för komfortkylning
eftersom marktemperaturen på sommaren blir för hög.
Grundvattensystem är det effektivaste sättet att utnyttja geoenergi. Där används det i marken
naturligt förekommande grundvattnet som energibärare i stället för bergvärmens köldbärare.
Eftersom grundvattnet finns i markens porer eller sprickor – ett grundvattenmagasin eller akvifer - är
den energiväxlande ytan vida överstigande den yta som man kan uppnå hos ett slangförsett borrhål.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
10
Grundvattnet som energibärare pumpas ur en eller flera brunnar och återförs via likvärdiga brunnar
till grundvattenmagasinet igen efter energiuttaget. Systemet förutsätter att det finns uttagbart
grundvatten inom eller i närheten av fastighetens gränser. Grundvatten kan också användas för
komfort- och processkylning. Systemen går också med fördel att göra storskaliga.
2.3 Aktiv geoenergi - lagring
Borrhålslager används till större fastigheter och industrier som både behöver värme och kyla. Det är i
princip samma teknik som bergvärmen, men med tätt sittande borrhål vilket skapar förutsättningar
för aktiv säsongslagring av värme och kyla genom att en större bergsvolym värms eller kyls. Under
vintern tas värme ur berget som då kyls ned. Det nedkylda berget används sedan under sommaren
för produktion av komfortkyla. Vid uttag av kyla återvärms berget till ursprunglig temperatur. På så
sätt utnyttjas energin mer än en gång. Lagret blir effektivare ju större det är. I de flesta fall är
lagervolymen större än 100 000 m3 med ett 30-tal borrhål. Det finns dock flera svenska exempel på
betydligt större lager med mer än 100 borrhål. Avståndet mellan borrhålen är oftast 4-6 m eftersom
man vill att borrhålen skall samverka och påverka varandra. Antalet hål, håldjup och avstånd beror,
förutom energilastens storlek, främst på geologin och bergets termiska egenskaper.
Figur 4: Exempel aktivt geoenergilager där värme tillförs och bortförs beroende på årstid och behov
Borrhålslagren kräver förhållandevis liten yta och oftast går det att utnyttja parkeringsplatser,
grönområden och liknande. Det finns också exempel på lager som ligger under byggnader.
Under utveckling är värmelager för hög temperatur som kan användas både som säsongs- och
korttidslager kopplat till fjärrvärme eller industrier med stora mängder spillvärme. Ett sådant
borrhålslager kan även användas till säsongslagring av solvärme.
Borrhålslagren innehåller inga rörliga delar och kräver därför ett minimum av tillsyn och underhåll.
Dessa lager har dessutom en mycket lång livslängd och kan i princip avskrivas i samma takt som de
fastigheter de betjänar. Tillståndsprocessen är vanligen enkel.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
11
2.4 Typer och definitioner
När man aktivt lagrar energi kan geoenergisystem delas in i tre typer i relation till hur de är kopplade
till energikällan: akvifer-värmelager där lagring sker i grundvattenförande skikt ATES (Aquifer Thermal
Enegy Storage), borrhålslager BTES (Borehole Thermal Energy Storage), och CTES (Cavern Thermal
Energy Storage) som är ett bergrum, tank, grop, tunnel, mm som är fyllt med vatten. Alla dessa ingår
i en kategori som kallas för UTES (Underground Thermal Energy Storage). Denna rapport
koncentrerar sig på BTES men relevanta referenser till ATES och CTES ges nedan i samband med en
kort förklaring om dessa.
2.4.1 Lager i akvifer och bergrum (ATES och CTES)
En akvifer är ett grundvattenmagasin som har tekniska förutsättningar för vattenuttag. I ATES system
används grundvattnet som värmebärare medan värmelagringen utnyttjar blandningen av jord och
vatten. I det enklaste fallet används en kall och en varm brunn. Sommartid kan man lagra varmt
vatten som sedan används för uppvärmning vintertid. Cirkulationsriktningen vänds om när systemet
används för kyla eller värme, dvs man lagrar kallt vatten på vintern som sedan används för att kyla
byggnader sommartid. Inget vatten bortförs eftersom vattnet endast förflyttas från ett område till
ett annat i akviferen. ATES system använder sig inte av någon konstgjord begränsning utan lagret
avgränsas av täta bergformationer eller lerskikt.
Figur 5: Exempel på akviferlager vid Arlanda flygplats
Den här skriften kommer inte att fördjupa sig i typen akviferlager eftersom detta är en mycket
ovanlig typ av geoenergilager. Dessutom är typen/principen bara aktuell i mycket stora applikationer.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
12
2.4.2 Borrhålslager (BTES)
Ett borrhålslager (BTES=Borehole Thermal Energy Storage) är ett energilager vars funktion baseras på
bergets värmeledning och värmelagringsförmåga. Detta kan göras med borrhål i berg eller i lera där
man utnyttjar relativt djupa borrhålsvärmeväxlare som kanalsystem för en cirkulerande vätska. Varje
borrhål har en kollektorslang med ned och uppgående flödeskanaler. Normallt är borrhålen
placerade i ett regelbundet och symmetriskt mönster. Avståndet mellan borrhål kan variera
beroende på hur systemet är dimensionerat.
Figur 6: Exempel på borrhålslager för kombinerad försörjning av värme och kyla (Geotec, 2012)
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
13
3 MARKENS FÖRUTSÄTTNINGAR
Bra kunskap om markens värmetransporterande och lagrande egenskaper är väsentlig för
dimensionering och drift i ett BTES system. Dessa egenskaper kan variera och beror på bergarterna
som lokalt kan finnas. Temperaturnivåer i köldbäraren vid olika driftsfall bestäms av projektören med
hänsyn till krav som anläggningen har vad gäller värme och kylbehov, men dessa anpassas till vad
marken kan ge.
3.1 Markens temperatur
Berggrunden håller en relativt konstant temperatur året om oberoende av lufttemperaturändringar.
Detta gäller djupen efter 15 m då de första metrarna påverkas av lufttemperaturändringar under
året. Markens ostörda temperatur vid normala djup för bergvärmebrunnar varierar i olika områden i
världen och den kan generellt (inte alltid) uppskattas som årets medelvärde av uteluftstemperaturen.
Figur 7 nedan visar hur marktemperaturen varierar i landet på 100 m djup. Medeltemperaturen
varierar mellan cirka 3 till 10°C mellan norra och södra delen av landet. I Stockholm är bergets
medeltemperatur cirka 8°C, vilket ligger strax över uteluftstemperaturens medelvärde.
Att temperaturerna på olika ställen är relativt högre och lägre än
luften under vintern respektive under sommaren gör att marken
blir en energikälla med stabila och attraktiva temperaturnivåer
för olika sorters behov. Mätningar av markens ostörda
temperatur längs djupet har gjorts i ett antal borrhål i Stockholm
under de senaste åren på KTH. Mätningar från ett obebyggt
respektive ett gammalt bebyggt område visas i figurerna nedan.
Temperaturen har ett minimum vid ett visst djup och dess
placering varierar beroende på hur gammal och vilken typ av
bebyggelse som ligger ovanför, vilken har en viss
uppvärmningseffekt som sprider sig nedåt under åren.
Långsiktigt orsakar bebyggelsen en något högre temperatur i
markens övre del. Borrhålet i figuren på nästa sida ligger i ett
villaområde som var cirka sju år gammalt vid mätningstillfället.
Området kring hålet består huvudsakligen av cirka 70 år gamla
villor.
Figur 7 : Marktemperatur på 100 m
djup i Sverige
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
14
3.2 Markens termiska egenskaper och grundvatten
7
8
9
0
20
40
60
80
Depth [m]
Bra kunskap om markens termiska egenskaper och grundvatten
utmed borrhålsdjupet är bra att ha som underlag vid
dimensioneringen. Till att börja med kan man ta reda på vilken
bergart eller jordart som förekommer samt om
vattenförekomster inom ett visst område genom att studera
geologiska kartor som Sveriges Geologiska Undersökning
tillhandahåller. Exempel på dessa kartor visas nedan. De olika
färgerna representerar olika egenskaper som framkommer i
kartornas förteckning vid beställning.
Temperature [ C]
6
100
120
140
160
Vattnets kretslopp styr hur mycket grundvatten som finns under
marken. Det bildas på grund av att regn och smältvatten tränger
ner och fyller porer och sprickor i berggrunden. Innan allt vattnet
hunnit tränga ner rör det sig mot lägre nivåer och rinner ut i
bäckar, sjöar eller hav, och en del evaporerar till atmosfären
samt tas upp av växternas rötter.
180
200
220
Figur 8: Profil i obebyggt område
Vid planering av ett borrhålslager måste ta man reda på
grundvattensituationen för det område där lagret skall placeras.
Detta kan innefatta grundvattennivå (ytan under vilken samtliga
porer och sprickor i berget är vattenfyllda), närvaro av eventuella
grund- eller ytvattentäkter, grundvattenströmmar, närhet till
vattenskyddsområde, m.m. Hur vattnet rör sig och dess kemiska
sammansättning styrs av vad jordlagren och berggrunden består
av. De vanligaste bergarterna i Sverige är graniter och gnejser,
vilka normalt sett är relativt täta men det förekommer sprickor
som kan leda vatten långa sträckor.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
7,5
8,5
9,5
0
20
40
60
Depth [m]
När bergarten och grundvattensituationen är kända finns det
tabeller att tillgå för statistiska uppgifter om de olika
bergarternas termiska egenskaper. Granit och gnejs ingår i de så
kallade magmatiska bergarter (som är bildade ur en stelnad
bergartssmälta). Magmatiska bergarter ingår också i kategorin
kristallint berg. Förutom de magmatiska finns det också
sedimentära och metamorfa bergarter. Metamorfiska bergarter
bildas genom omvandling från ursprunglig bildning. Sedimentära
bergarter är bildade genom avlagring/sedimentation av stenar,
grus, sand, mm, och kan ha lagrats över varandra i komplexa
lagerformer. Exempel på dessa är sandsten och kalksten. Jämfört
med kristallint berg är sedimentär berggrund i många fall porös
och håller ofta mer vatten. Sandsten är en av landets mest
vattenförande bergartstyper. Morän med skiftande
vattentillgång är också vanlig i Sverige.
Temperature [ C]
6,5
80
100
120
140
160
180
Figur 9: Profil i bebyggt område
15
(a) berggrundskarta
(b) jordartskarta
(c) grundvattenförekomster
Figur 10: Exempel på kartor från Sveriges Geologiska Undersökning (SGU).
I figuren ovan illustreras några typer av kartläggningar som SGU gjort och gör. Denna typ av generella
kartor kan ge god vägledning om vilka förhållanden som råder där man lokalt önskar borra. Det ska
dock tilläggas att avvikelserna kan vara stora så framförallt vid större lager och projekt bör man
provborra för att konstatera vad som gäller.
I kristallint berg är värmeledning det dominerande värmetransportsättet. Värmeledningsförmågan λ
[W/mK] för en viss bergartstyp varierar inom ett visst intervall (λ ger ett mått på hur bra
värmeledningen kan ske i berget). I små anläggningar är det vanligt att använda medelvärdet för
värmeledningsförmågan hos den aktuella bergarten, men för större anläggningar rekommenderas
det att med hjälp av ett testborrhål bestämma markens och energibrunnens potentiella effektivitet
på den aktuella platsen. Detta kallas för Termisk Respons Test (TRT).
Berggrundens värmetransporterande förmåga inklusive grundvattenrörelser och vattenmättnad finns
med i ett TRT resultat. Värmediffusivitet, α [m2/s], och värmekapacitet C [J/m3K] är också viktiga
storheter som undersöks vid dimensioneringen. C är ett mått på hur mycket energi berget förmår
lagra per volymenhet och grad, och diffusiviteten α blir kvoten mellan λ och C, ett mått på hur snabbt
temperaturen utjämnas i marken.
Medelvärdet för λ i granit och gnejs är cirka 3,47 W/mK. Värmeledningsförmåga är den egenskap
som kan variera mest av alla och den bestäms i högsta grad av mineralhalten (Sundberg, 1988).
Kvarts, till exempel, har 3 till 4 gånger högre värmeledningsförmåga än andra vanliga mineraler.
Granits värmeledningsförmåga rör sig inom intervalet 2,85 till 4,15 W/mK. Studien av (Sundberg m fl,
1985) visar en komplett sammanställning på hur olika bergarter och dess värmeledningsförmåga
finns länsvis i hela landet.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
16
Vad gäller värmekapacitet har kristallint berg ett värde av cirka 0,6 kWh/m3K (2,2 MJ/m3K). Detta kan
jämföras med vattnets värmekapacitet som är 2,1 kWh/m3K (gäller för akviferlager). Ett BTES blir
således cirka dubbelt så stort i volym som till exempel ett vattenfyllt CTES vid lika lagringskapacitet
och lika temperaturdifferenser. Genom att dela medelvärden ovan för λ (W/mK) och C (MJ/m3K) får
man ett medelvärde för diffusiviteten.
Andra aspekter som påverkar de termiska egenskaper är porositet, densitet, temperatur, struktur
mm, men dessa kan generellt försummas i magmatiska bergarter. Porositet kan däremot vara
relevant i sedimentära bergarter, vilka förekommer i den sydvästra delen av landet.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
17
4 BORRNING OCH INSTALLATION
En komplett installation av geoenergilager består av flera olika arbetsmoment. I kapitlet ”9.1
Översiktlig beskrivning av att anlägga ett geoenergilager” finns en checklista vilket kort beskriver de
olika momenten.
4.1 Borrning
Borrning för geoenergilager kräver tillstånd vilket hanteras av den lokala kommunen. Inför
borrningen produceras kartor och borrplaner som visar hur borrhålen kommer att placeras i den
tillgängliga borrningsytan samt eventuell riktning och lutning som borrhållen ska ha. Dessa bestäms
efter en ordentlig beräkning med lämpligt beräkningsverktyg. En borrplan krävs för att få tillstånd för
installationen. Meningen med borrplanen är att korrekt placera brunnarna så att anläggningen ser ut
enlig designen, samt att den inte orsakar skada på omgivande fastigheter. Borrhålen ska borras enligt
normen Normbrunn 07 (SGU, 2007). En guide om säkerhet vid borrning i jord och berg finns i
Prevent, 2009.
Figur 11: Exempel på borrning (Geotec).
Borrning i Sverige sker vanligtvis i två steg, jordborrning och bergborrning. I den första fasen borrar
man ner ett stålrör (foderöret). Röret borras ner i tre-meters sektioner och varje rör svetsas ihop
med nästa. Enligt Normbrunn 07 ska man använda minst sex meter rör och driva ner röret minst två
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
18
meter i fast berg. Jordborrningen sker så djupt som det är lösa jordarter och en bit in i berget.
Därefter byter man borrhammare och börjar bergborrningen, efter att ha tätat foderröret.
Det är viktigt att borraren antecknar sina observationer under borrningen. All information måste ingå
i ett så kallat borrhålsprotokoll (SGU, 2007) och det kan komma att användas för att bekräfta
egenskaperna som användes vid dimensioneringen och eventuell justering. Denna ger information
om avstånd till fast berg, avstånd till grundvatten, vattenflöde och bergets kvalitet (fast, sprickigt,
hårt, mjukt, mm). Borraren har möjlighet under borrningen att identifiera tätande skikt, anomalier i
berget, grundvattenströmning, mm, som kan innebära en hydraulisk kortslutning av vattenmagasinet
vilket kan tyda på behov av återfyllning.
Figur 12: Exempel på borrning (Geotec).
Att återfylla borrhål är vanligt i andra länder som USA och Tyskland. I dessa länder återfylls borrhålen
även om det inte finns en risk för hydraulisk kommunikation. En förstudie på svenska med en
överblick över hur återfyllningen går till och hur det kan bli ur ett svensk perspektiv finns från
Hjulström, 2012.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
19
4.2 Riktad borrning
Vid borrning anger borraren en riktning och en lutning samt en startposition enligt borrplanen som
hen får från projektören. Det är inte ovanligt att istället för att följa borrhålsbanan (den angivna
inställningen) så följer borrkronan av olika anledningar inte den planerade riktningen och lutningen.
Geologin där man borrar har stor betydelse för hur rakt man kan borra. Omväxlande hårda och
mjuka lager som eventuellt står i vinkel mot tilltänkt borrbana kan leda till att borren följer vissa
formationer. Precisionen i borrningen beror på en stor mängd faktorer (borrutrustning, borrarens
erfarenhet, geologin, mm).
I samband med borrningen kan borrhålets avvikelse
från den tilltänkta riktningen mätas.
Borrhålsavvikelser från olika geoenergiborrhål
rapporterades i, Acuña 2008, tillsammans med en
förklaring hur detta kan mätas. I korthet består
mätutrustningen av elektroniska komponenter som
utnyttjar antingen jordens magnetfält eller jordens
gravitationsfält för att orientera sig i bergmassan.
Dessa mäter borrhålets lutning och riktning längst
den verkliga borrhålsbanan och sedan bestäms varje
mätstations koordinater samt eventuella avvikelsen
från den planerade borrhålsbanan. Figur 13 visar en
illustration av ett avvikande borrhål där ”A”
representerar riktning och ”D” lutningen, vinklar
som vanligen mäts i grader. Ett helt vertikalt borrhål
har ingen riktning och ett horisontellt borrhål har
lutningen 0 grader.
Figur 13: Illustration av borrhållets riktning
(Olsson,2012)
Efter att ha mätt borrhålsavvikelsen i ett flerborrhålssystem kan man med rätt beräkningsverktyg
göra om simuleringen för att studera eventuella skillnader mellan den ursprungliga beräkningen och
resultatet med den nya geometrin. Rätt utförd kan den nya simuleringen visa behov av eventuella
åtgärder och korrigeringar. Ett felaktigt riktat borrhål påverkar normalt inte systemets prestanda på
ett negativ sätt. Det kan vara fördelaktigt att borra sneda borrhål pga. att en större markvolym kan
utnyttjas även om borrhålen är placerade relativt nära varandra vid markytan. I fall detta görs med
avsikt så finns det beräkningsexempel som kan vara användbara (Claesson m fl, 1985).
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
20
4.3 Att tänka på vid borrning och anläggning av geoenergi
Detta avsnitt är avsett att belysa viktiga frågeställningar relaterade till anläggning av geoenergi i berg.
En del av innehållet har hämtats från skriften Normbrunn 07 som ger en mer omfattande beskrivning
av frågor relaterade till brunnsborrning men som främst är inriktad mot mindre anläggningar och
enstaka borrhål.
En borrentreprenad innefattar en rad olika moment som kan innebära vissa risker. I de flesta fall kan
riskerna elimineras eller kraftigt reduceras om entreprenaderna planeras korrekt. Varje steg i
entreprenaden bör utvärderas utifrån områdets lokala förutsättningar. Här sammanfattas några
punkter som utförare och beställare bör ta hänsyn till innan ett arbete påbörjas.
4.3.1 Skydd av ytvatten och dagvattensystem
Det är alltid viktigt att tänka på de risker som kan finnas i samband med en borrentreprenad utifrån
ett yt- och dagvattenperspektiv. Ta alltid reda på vad som gäller för det område där borrhålen skall
placeras. Några viktiga frågor bör beaktas: Finns det någon grund- eller ytvattentäkt eller ett
vattenskyddsområde i närheten? Andra viktiga faktorer är markens genomsläpplighet,
grundvattennivå och grundvattnets strömningsriktning och om det är ett inströmnings- respektive
utströmningsområde?
Vid borrning genereras kax - den volym av berg/jordmaterial som borrhålet tar i anspråk.
Borrutrustningen krossar och finfördelar materialet som transporteras till ytan, normalt av tryckluft.
Materialet blandar sig med det vatten brunnen eventuellt ger. Även väldigt fina partiklar hamnar då
ofta i suspension och grumlar vattnet som från borrplatsens sedimenteringsfälla måste transporteras
bort. Gällande borrvattnets grumlighet så har kommunerna ofta regler för hur mycket slam som kan
tillföras dagvattensystemet och tillstånd kan då behöva begäras för detta. För att reducera
slammängden ytterligare kan flera sedimentationsbassänger, t.ex. containrar, seriekopplas.
Planeras det att användas polymerer eller skum vid borrning bör också eventuell ytvattenpåverkan
beaktas och kommuniceras med beställare samt kommunens Miljöförvaltning.
4.3.2 Skydd av byggnader och anläggningar
I samband med en entreprenad för anläggning av geoenergi ska man undersöka och dokumentera de
lokala förhållandena med avseende på närliggande byggnader m.m. Det är viktigt att se hur
grundläggningen är utförd och bedöma vilken påverkan entreprenaden kan innebära utifrån givna
förutsättningar.
Under vissa ogynnsamma geologiska förutsättningar, i kombination med närhet till fastighet och
höga lufttryck, kan byggnader skadas i samband med borrning. Det är därför viktigt att som
entreprenör iaktta de föreskrifter och rekommendationer som branschen har satt upp, samt att vara
observant på den geologi som finns på platsen.
Vibrationer från tunga transporter, av exempelvis borrutrustning och ibland även vibrationer från
själva borrningen kan orsaka instabilitet och sättningar i lerlager och därmed orsaka skador på
byggnader.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
21
4.3.3 Skydd av grundvattnet i berget
Storleken på ett borrhålslager kan variera stort men det är inte ovanligt att mängden hål överstiger
100 stycken och djupet kan vara ner till närmare 250 meter. Med djupa borrhål kan risken öka att
grundvatten från flera olika nivåer genomkorsas. Det i sin tur kan leda till att vatten av olika kvaliteter
blandas. Däremot sker ingen förändring av grundvattentrycket i de slutna systemen eftersom det
inte sker någon pumpning. Därmed är den risken förhållandevis liten.
4.3.4 Föroreningar
En brunn ska placeras och utformas på så sätt att den inte riskerar att sprida föroreningar av olika
slag. Ur en sluten energibrunn sker inget vattenuttag, vilket minskar risken för att en förorening ska
transporteras mot den. Däremot är det viktigt att tänka på att borrning av ett eller framför allt flera
hål i berggrunden kan innebära en spridning av eventuella föroreningar som finns i det överliggande
jordtäcket. Föroreningar kan i samband med eller efter utförd borrning komma ner i sprickor som
utgör hydrauliska kontaktvägar med vattenförande sprickor på långt avstånd.
När det finns en risk för föroreningsspridning är det viktigt att säkerställa att foderrören tätas
ordentligt mot bergets överyta och har en sådan längd att risken för inflöde av grund- och ytvatten
från jordlagren minimeras. Detta för att förhindra att framtida eventuella föroreningar inte skall
riskera att påverka djupare liggande grundvatten. I samband med undersökningsborrning bör man
därför registrera om ytliga vattenförande sprickor finns och med hjälp av denna information anpassa
längden på foderrören för energilagrets övriga hål. Enligt normförfarandet ska brunnen ha foderrör
minst 2 meter i fast berg och minst 6 meter från markytan samt att övergången mellan jord och berg
är avtätad.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
22
4.3.5 Saltvattenpåverkan
I samband med borrning i vissa områden kan man påträffa salt grundvatten på djupet. I dessa
områden ska man vara extra försiktig (Figur 14: Risken för saltvattenpåverkan ökar med brunnsdjup
och ökat vattenuttag, särskilt i områden under marina gränsen.). Under borrning skall alltid kloridhalt
eller konduktivitet (elektrisk ledningsförmåga) dokumenteras vid borrning. Resultaten noteras i
borrprotokollet som sedan skickas till SGU. Utföraren (brunnsborraren) har ett ansvar att alltid i
förväg informera sig själv och sin beställare, innan borrning, om det finns risk för
saltvatteninträngning vid stora borrdjup eller vattenuttag. Möjligheterna för salt grundvatten att
blandas med färskt grundvatten på en högre nivå i ett energilager är inte fullt utrett men innan det är
klargjort så bör man vidta åtgärder för att förhindra en eventuell spridning. Förekommer vattenuttag
i omkringliggande brunnar är dock risken högre för saltvattenspridning. Även om det inte
förekommer vattenbrunnar i området idag kan det inte uteslutas att sådana kan tillkomma i
framtiden varvid försiktighetsåtgärder alltid bör övervägas.
Figur 14: Risken för saltvattenpåverkan ökar med brunnsdjup och ökat vattenuttag, särskilt i områden under marina
gränsen.
Om det påvisas en förhöjd salthalt under borrning kan brunnen i efterhand tätas av, helt eller delvis.
En så kallad återfyllning medför att de vertikala transporterna av grundvatten i borrhålet förhindras.
Återfyllning av brunnar är komplicerat och även om det kan finnas material som säljs för ändamålet
är inte de enskilda materialens fysiska egenskaper eller metodiken helt utredd för energibrunnar. Är
man osäker kan en så kallad ”tremie pipe” installeras tillsammans med kollektorn. Detta rör kan i
framtiden användas för återfyllning om det skulle visa sig att det finns problem i området.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
23
5 ENERGILAGER – DIMENSIONERING
Följande avsnitt syftar till att ge en inblick i vilka steg som måste tas för att korrekt kunna
dimensionera ett borrhålslager. Det ger också en överblick vad gäller tillgängliga verktyg och metoder
för dimensioneringsprocessen.
5.1 Dimensioneringsverktyg
Med god kännedom om byggnadens energibehov, bas och toppeffekter, och markens termiska
egenskaper blir nästa steg att göra en optimal dimensionering av borrhålslagret, dvs att beräkna
antal borrhål och borrhålsplacering med hänsyn till den tillgängliga borrhålsytan. Generellt använder
man sig av simuleringsmodeller som förutser köldbärarens temperatur från borrhålslagret under ett
antal år för givna tidsberoende effektvariationer. Denna beräkning använder sig dessutom av
information om typ av kollektor och köldbärare som ska användas.
Matematiska beräkningsmodeller för BTES system utvecklades vid Lunds universitet under 80-talet.
Allt teoretiskt material är samlat i rapporter ”Markvärme, en handbok om termiska analyser” av
Claesson m fl, 1985. Teorin som finns i dessa böcker används idag världen över tack vare två
doktorsavhandlingar som publicerades på engelska i samband med detta arbete, Eskilson, 1987 och
Hellström, 1991. Beräkningen brukar bestå av två delar: värmeöverföring mellan köldbäraren och
borrhålsväggen vilket förklaras av Hellström, 1991, och värmeöverföring mellan olika borrhål som
presenteras av Eskilson, 1987.
Figur 15: Gränssnitt för verktyget EED (Earth Energy Designer)
Det senare använder det så kallade Superposition Borehole Model (SBM) för beräkning av de
termiska förloppen i marken och den baseras på superposition av dellösningar som hänför sig till de
olika borrhålen. Värmeflödet varierar från borrhål till borrhål och det varierar också i tid och med
djupet. Denna modell har som förutsättning att marken består av homogent material och att ingen
konvektiv värmetransport sker. En version av SBM som även tillåter sneda borrhål togs också fram.
Konceptet ”g-funktion” introducerades i Claesson m fl, 1985 och Eskilson, 1987 för att ge en relation
mellan överförd värme med marken vid borrhålsväggen och borrhålsväggens temperatur
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
24
funktionerna används i populära beräkningsverktyg som EED (Blomberg m fl, 2008) och GLHEPRO
(Spitler J. D., 2000). Dessa två program har en databas med beräknade g-funktioner för ett antal
borrhålskonfigurationer. Varje borrhålkonfiguration har sin egen g-funktion och man har fortsatt att
diskutera olika metoder för att beräkna g-funktioner med avseende på olika typer av randvillkor som
går att använda vid beräkningen.
Figur 16: Exempel på utdata från EED (Earth Energy Designer)
Eskilsons g-funktioner beräknades genom att ange som randvillkor en konstant och uniform
temperatur vid borrhålsväggen till varje borrhål, vilket är logisk i fall alla borrhål är parallellkopplade
och köldbärarenstemperaturvariation längs djupet är liten. Många andra har bidragit till att
expandera den vetenskapliga kunskapsnivån i detta område under de senaste åren. Andra
simuleringsprogram som använder sig av Eskilsons g-funktioner är HVACSIM+, EnergyPlus, och
eQuest. Användaren är däremot begränsad till dessa och till beräkningar vid långa tidsperioder
(dagar till år).
Med tanke på att SBM-baserade g-funktioner begränsar borrhålsgeometrin så förslog också Eskilson,
1987 en analytisk modell, finit-linjekälla (FLS), för att approximera g-funktioner. Exempel på andra
beräkningsprogram som har dokumenterats och använder FLS är GeoStar, geoease II av Électricité de
France (EDF), TecGeo från University of Genova. FLS baserade simuleringsverktyg använder vanligtvis
ett konstant värmeflöde vid borrhålsväggen vilket kan resultera i någorlunda olika temperaturer efter
några decennier. Vid relativt korsiktiga simuleringar visar FLS samma resultat som Eskilsons modeller.
FLS baserade modeller tillåter bland annat att beräkna g-funktionen för ojämnt avstånd mellan
borrhålen.
Programet TRNSYS är ett internationellt känt simuleringsprogram som har utvecklats för att kunna
simulera olika energikällor och energisystemlösningar. Detta har också en modul för
geoenergilagersberäkning som använder DST modellen. DST står för Duct Ground Heat Storage och
utvecklades också i Lund i slutet av 1980-talet. DST utvecklades för beräkning av termiska förlopp för
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
25
borrhål i berg och slangar i lera. Den är lämpad för ett lager som utgörs av en markvolym som
penetreras av ett antal rör och som förutses vara placerade i ett relativt likformigt mönster i lagret.
Rörens exakta lägen behöver inte anges då modellen istället använder en homogen densitet av rör i
lagret. Lagervolymen antas vara cylindersymmetrisk och pumpflöden kan variera i tiden.
DST beräknar markens temperatur genom att numeriskt (finit differensmetod) superponera
lösningen för värmeöverföring mellan lagret och omgivande berg med lokal och kortsiktig
värmeöverföring vid borrhålen, samt med en analytisk lösning av värmeöverföring nära kollektorn.
Utdata från simuleringar är bland annat köldbärarens temperatur, temperaturer i lager och mark,
värmebalans i lagret för olika tidsperioder.
Trots att man i de flesta simuleringsprogram oftast använder sig av stationära termiska motstånd
inne i borrhålet, rekommenderas det istället att använda sig av värden från termiska responstester
som utförs vid samma driftförhållande som anläggningen kommer att fungera.
Till sist kan även beräkningsprogrammet Prestige nämnas, en förenklad svenskt variant som togs
fram av värmepumpsbranschen (Svep och Energimyndigheten). Programmet är inriktat på att
beräkna den energibesparing som kan erhållas med hjälp av en värmepump i ett småhus och
används för att dimensionera borrhålen till bergvärmesystem.
Vid användning av lämpligt beräkningsprogram så gör ingenjören en jämförelse mellan olika
borrhålskonfigurationer med hänsyn till köldbärarestemperatur som kommer ut från lagret vid olika
driftfall. Det är möjligt att använda temperaturmätningar för att styra en strategi för energiuttag från
lagret, dvs. bestämma vilka samlingsrör som ska vara öppna eller stängda då värmeöverföring
kommer att vara annorlunda vid olika borrhål i en given borrhålskonfiguration vid en viss tidpunkt.
Borrhål som är placerade inne i lagret brukar ge mindre effekt än de som finns ytterst i borrfältet. Det
kan vara av intresse att veta hur effekttillförseln eller uttag fördelar sig på de enskilda brunnarna för
att kunna jämföra olika konfigurationer. För givet tillgänglig markyta så kan man variera antal
borrhål, borttagande av inre brunnar, sneda eller raka borrhål, mm. Olika konfigurationer kan
resultera i samma köldbärartemperaturer beroende på hur borrhålen placeras relativt varandra och
omgivande berg.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
26
5.2 Termiskt responstest
Ett termiskt responstest (TRT) är en metod som används för att mäta markens egenskaper på plats.
Trots att teorin bakom testet funnits sedan slutet av 1940 talet så användes metoden först i Sverige
av Mogensen, 1983 tillsammans med två ex-jobbare från KTH i Stockholm. Sedan utvecklades det
vidare vid Luleås Tekniska Universitet mellan 1995 och 2002 (Gehlin, 2002). Samtidigt studerades
metoden i USA och Holland. Mätmetoden är idag spridd till ett 40-tal länder och används på olika
nivåer både kommersiellt och akademiskt.
Figur 17: Exempel på termiskt responstest samt databehandling med hjälp av EED
Ett TRT utförs i ett testborrhål på plats och resultatet hjälper att reda ut hur många och hur djupa
borrhål som krävs för att klara av ett visst energibehov med en viss effektvariation inom rimliga
köldbärartemperaturer. Testborrhålet får sedan ingå i den färdiga anläggningen.
En traditionell mätning består av att koppla kollektorslangar med en slinga bestående av en
cirkulationspump, en värmare/kylmaskin, temperaturgivare för ingående och utgående temperatur,
flödesmätare, utelufttemperatur, bland annat. Vätskan cirkulerar genom slangarna under minst två
dygn medan alla mätpunkter loggas. I första skedet pumpas köldbäraren runt för att få information
om medeltemperaturen i berget. Sedan startas elpatronen/kylmaskinen. Köldbärarflödet och effekt
väljs för att efterlikna det som kommer att råda vid drift av den tilltänkta geoenergiläggningen.
Kvalitativt kan värmeledningsförmåga uppskattas från hur temperaturen i borrhålet ökar/minskar
med tiden för en konstant effekt tillförsel/uttag. Ju brantare temperaturändring desto sämre
värmeledning. En alldeles för snabb temperaturspridning ut mot berget kan indikera närvaro av
grundvattenflöde. Testets varaktighet har studerats av Beier & Smith, 2003 och undersökningar på
olika återhämtningstider efter tester har gjorts av Javed, 2012. Metoder för att ta hand om tester
som bryts av pga. t.ex. strömavbrott har föreslagits av Beier, 2008. Särskilda fenomen som sker i just
grundvattenfyllda borrhål vad gäller konvektion under responstester har studerats av Gehlin, 2002
och Gustafsson & Westerlund, 2010.
För att kvantifiera resultatet av ett TRT, den omgivande markens respons till testets effektbelastning
beräknas och jämförs med uppmätt data. Beräknade temperaturer anpassas till mätningar genom att
justera värdet av den effektiva värmeledningen (medelvärdet längs djupet) i berggrunden och
borrhålmotståndet.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
27
Markens termiska respons brukar beräknas med klassiska värmeledningsteorier som den infinita
linjekälla (ILS från Ingersoll&Plass, 1948) eller cylinderkälla-modellen (Carslaw & Jaeger, 1947) som
behandlar värmeöverföringen kring ett borrhål genom att anta konstant värmeflöde längs en
infinitlinje respektive längs en cylinder som täcks av infinit och homogen mark. Numeriska verktyg
med t.ex. finitelementmetoden kan också anpassas för TRT utvärdering. Utvärderingsmetoder har
också presenterats av flera aktörer (Austin m fl, 2000), (Shonder & Beck, 1999), (Javed, 2012).
Figur 18: Principiellt innehåll i en TRT-utrustning
Figuren nedan visar ett exempel på hur en TRT mätning ser ut och hur beräkningens resultat varierar
något beroende på vad man använder för metod. Rapporterna från IEA ANNEX21 ger en komplett
bakgrund av nästan alla dessa (Reuß m fl, 2009).
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
28
ΔT mellan köldbärare och berget [K]
14
12
10
8
Uppmätt temperatur
6
Förenklad linjekälla
Linje-källa (paramater estimation)
4
Shonder and Beck (GPM)
Austin et al.
2
Javed, 2012
0
0
10
20
30
40
50
Tid [timmar]
Figur 19: Anpassning mellan uppmätt och beräknad termiskrespons med olika simuleringsmetoder (Javed, 2012)
Alla beräkningsmetoder kan dessutom anpassas för att mäta den termiska responsen längs djupet
under ett så kallat Distributed Thermal Respons Test (DTRT); cylinderkällamodellen och
linjekällamodellen med parameter estimation används, till exempel, av (Fuijii m fl, 2006) respektive
(Acuña m fl, 2009), och (Acuña m fl, 2011) med detta syfte. Fördelen med ett DTRT är att man får
information om den verkliga ostörda temperaturprofilen i berget, variationer i
värmeledningsförmåga längs djupet, sprickzoner och/eller eventuellt grundvattenflöde, faktorer som
ger ett bättre underlag vid dimensioneringen.
Ju fler borrhål som ingår i BTES systemet, desto mer värdefullt är det att utföra ett TRT. Att borra fler
borrhål än vad som verkligen behövs innebär större kostnader och att borra färre resulterar i
högre/lägre köldbärare-temperaturer än de som förutses vid dimensioneringen.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
29
5.3 Balanserade energilager
Per definition måste man återföra vad man tar ut ur ett lager – annars faller principen för att kalla
det just lager. När det gäller energilager så betyder det att den värme som tas ut under
uppvärmningssäsongen också måste återföras när inget eller litet värmebehov föreligger.
Figur 20: Exempel på beräkning borrhålstemperatur - (Hellström & Gehlin) - Borrhålet och dess funktion, 2000.
Figur 20 ovan visar en beräknad ”temperaturstörning” i marken på olika avstånd från en energibrunn
som värmer ett svenskt normalhus under 10 driftsår. Bilden visar en enskild energibrunn men
förloppet blir betydligt mycket mer dramatiskt om ett lager med näraliggande hål har en stor obalans
i värmeuttag och tillförsel.
5.3.1 Möjligheter till återladdning
Den viktigaste aspekten på ett geoenergilager är hur återställningen sker av den värme man tagit ut
eller tillfört. Det brukar kallas återladdning och den termen håller vi oss till i fortsättningen.
För våra breddgrader är det nästan uteslutande fråga om att vi i huvudsak sänker värmen i
geoenergilagret genom att ta värmeenergi därifrån och värma något, vanligen via värmepump även
om ren frivärme nu har börjat användas från geoenergilager. Och problemställningen sedan är
återladdningen, återställande av den värmemängd som tagits ut.
Återladdningen sker elegantast och mest ekonomiskt genom att man kyler något som behöver kylas
och dumpar ner värmen som måste föras bort för att kunna göra det, i geoenergilagret. Nu är ju ett
borrhålslager vanligen knutet till ett visst objekt, fastighet vanligen och på våra breddgrader är det
sällan dessa behov balanserar ut varandra.
En annan ekonomisk och effektiv metod är att man använder frånluften från fastigheten om denna
ventileras ut mekaniskt. Först och främst bör man naturligtvis värmeväxla mot uteluften men en stor
del av sommarhalvåret då det inte behövs, eller ger litet utbyte, kan man i stället värmeväxla mot
geoenergilagret. Dvs. man kyler ner frånluften, lämpligen med en luftvätskekylare, och för ner
överskottsvärmen i geoenergilagret och höjer dess temperatur.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
30
Figur 21: Exempel på ett frånluftsaggregat där värme kan hämtas till geoenergilagret
Finns inga sådana möjligheter eller om de inte räcker till kan man värmeväxla mot uteluften direkt.
När den är ett lämpligt antal grader varmare än köldbärarvätskan. Dvs. kyla ner luften och föra
värmen till geoenergilagret. Ett sätt är via en luft-vätskevärmeväxlare. Nackdelen med en sådan är
att den låter en del och att den tar plats. I många statsmiljöer är den olämplig att använda.
Figur 22: Exempel på en luft-vätskekylare där värme kan hämtas till geoenergilagret.
Andra sätt att kyla mot uteluften är genom att cirkulera en vätska genom svarta rör som ligger t.ex.
på tak, lämpligen platta tak. Man kan inte cirkulera köldbärarvätskan direkt om det är en
alkohol/vatten blandning då temperaturerna kan bli för höga utan måste ha en separat krets.
Metoden är förvånansvärt effektiv och värmen överförs till vätskan i rören främst genom kondens.
Man behöver inte sträva efter solexponering. Man kan även återladda med vatten från
solvärmeanläggningar som är till för att främst bereda tappvarmvatten. Man kan t.ex. återladda med
det vatten som inte når önskvärd temperatur molniga dagar.
Figur 23: Exempel på en solfångare där värme kan hämtas till geoenergilagret
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
31
Ett annat sätt är att värmeväxla mot avloppsvatten från fastigheten. Det finns t ex en anläggning i
Husby, Stockholm, där man återladdar geoenergilagret (ca 100 borrhål på mer än 200 meters djup)
med både frånluftsvärme, svarta rör på taket och avloppsvärmeväxlare.
Figur 24: Exempel på en avloppvärmeväxlare där värme kan hämtas till geoenergilagret
Givetvis finns många andra sätt att hitta värme som man kan värma upp geoenergilagret med.
5.3.2 Möjligheter för kylning
Obalansen kan också vara den omvända att ett lager får ta emot för stor andel värme under viss tid
och då måste överskottsvärme bortföras ifrån lagret – annars blir det för varmt. Flera av de metoder
som visats ovan kan användas för detta ändamål. Ett par saker kan tilläggas och det är t ex extra
värmelast i form av snösmältning. Överskottsvärmen kan då distribueras i markslingor under
garageuppfarter, vägar eller andra gångzoner.
Figur 25: Exempel på hur överskottsvärme från ett geoenergilager kan användas till snösmältning
5.3.3 Utformning av balanserade geoenergilager
I ett helt, eller nästan helt, balanserat geoenergilager kan man lägga borrhålen ganska tätt, 4-6
meter. Om man på årsbasis återställer den värmemängd man tagit ut eller stoppar in så är inverkan
(sänkning eller ökning av temperaturen) på omgivningen avståndsmässigt från hålen ganska
begränsad.
Är lagret obalanserat måste man öka avstånden mellan borrhålen i paritet med obalansen. Några
enkla tumregler finns inte här heller annat än att man bör vara medveten om detta faktum.
Datasimulering måste till för att veta hur mycket man måste öka avståndet.
Rent generellt är det billigare att anlägga en geoenergianläggning med borrhålen så tätt som möjligt
även om det ökar risken för att borra ihop två hål. Man spar pengar på grävning och
markrörsdragning samt pumpenergi för att distribuera köldbärarvätskan.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
32
6 BORRHÅLSVÄRMEVÄXLARE OCH KÖLDBÄRARSYSTEM
Efter att borrhålen i ett borrhålslager är färdigborrade för man ner slangarna där köldbäraren
kommer att cirkulera, så kallad borrhålsvärmeväxlare eller kollektor. Det är vanligt att kalla dem för
BHE, en förkortning från engelskans Borehole Heat Exchanger. Kollektorerna sätts ner med hjälp av
en bottenvikt och kopplas vanligen vid markytan parallellt med varandra.
Beroende på hur köldbäraren reser igenom kanalerna kan man klassificera kollektorerna i två
generella grupper: U-rörs baserade och koaxial. Det första kan bestå av en/flera parallella U-rör
(dubbla U-rör är vanliga) med eller utan olika tillbehör som kan komma att förbättra
värmeöverföringen (spacers, inre/yttre räfflor, mm). De består i de flesta fall av en polyeten slang
(PE40x2,4mm) med U form, det vill säga en slang ner och en upp som är ihop-svetsade i
borrhålsbotten. Koaxialkollektorer består av en centrumslang och en eller flera periferiska
flödeskanaler kring centrumslangen.
Figur 26: Exempel på olika arrangemang med kollektorer ( Dr. Maureen Mc Corry, EurGeol. Gareth Ll. Jones, 2011)
U-rörskollektorer är säkra, lätta att installera, och har en relativt låg kostnad. Däremot kan man säga
att U-rörskollektorer vanligtvis har dålig prestanda pga termiskt kortslutning mellan ned och
uppåtgående slang samt pga. av slangplaceringen i borrhålet. Om möjligt är det viktigt att installera
BHE slangarna så nära berget som möjligt och så långt som möjligt från varandra.
Prestandan i kollektorer har traditionellt angetts i termer av ett så kallad borrhålsmotstånd, som ger
en mått på temperaturdifferensen mellan köldbäraren och borrhålsväggen. Under värmeuttag från
marken så resulterar ett lägre borrhålsmotstånd i högre köldbärartemperaturer, och vice versa. Men
köldbärartemperaturer beror inte bara på det som händer innanför borrhålsväggen utan också på
det som händer i berget under tiden man växlar värme med den. Den sammanlagda effekten
illustreras i figuren nedan för olika specifika effektuttag. Ett högt effektuttag gör att borrhålet blir
kallt mycket snabbare, vilket resulterar i lägre mark/ köldbärartemperaturer. En hög
köldbärartemperatur är att föredra under värmesäsongen för att uppnå en högre verkningsgrad
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
33
(varje grad kan öka COP med 2 till 3%) men temperaturnivån måste kontrolleras noga när lagret
används för att täcka byggnadens kylbehov.
Köldbärarens medeltemperatur [°C]
6
4
2
0
-2
10 W/m
20 W/m
30 W/m
40 W/m
50 W/m
-4
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
Termisk motstånd i borrhålet [Km/W]
Figur 27: Köldbärarens medeltemperatur som funktion av det termiska motståndet i borrhålet
Det framgår också från figur 27 ovan att samma köldbärartemperatur kan uppnås vid olika
effektuttag genom att ändra det termiska motståndet i borrhålet. Att ändra motståndet kan göras
genom att byta kollektorn eller genom att ändra förutsättningarna i en befintlig kollektor (variera
köldbärarflödet, återfylla borrhålet, skapa rörelser i grundvattnet, ändra slangposition bland annat).
Figur 28 nedan visar hur temperaturfördelningen ser ut med ett U-rör där slangarna ligger i ett 140
mm borrhål. Slangpositionen i denna typ av kollektor kan innebära ändringar i motståndet av mer än
100%.
Figur 28: Temperaturgradienter i ett borrhål.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
34
En stor borrhålsdiameter resulterar i högre borrhålsmotstånd, men också i lägre termiskt motstånd i
berget, dvs. borrhålsdiameter har motsatta effekter på värmepumpens prestanda. Men detta beror
också på egenskaperna och vattenrörelsen som sker i materialet som fyller avståndet mellan
kollektorslangarna och borrhålsväggen (grundvatten i Skandinavien och olika återfyllningsmaterial i
resten av Europa och USA). Är materialets värmeledningsförmåga lägre än bergets så kommer den
större diametern att leda till ännu större motstånd i borrhålet än det som sker i berget. Avstånd
mellan slangarna, temperaturnivån i borrhålet, köldbärarflödet, slangmaterial, är också avgörande.
En stor diameter som gör att bergets motstånd är låg samtidigt som man säkerställer att
kollektorslangarna sitter nära bergväggen skulle vara en bra design. Om fyllningsmaterialet har hög
värmekapacitet så kommer prestandan under korta drifttider med värmepump att vara optimalt.
Figur 29 visar en typisk temperaturprofil i köldbäraren (och grundvattnet) längs en U-rörs
värmeväxlare under värmeuttag från berget. Temperaturen ökar medan vätskan passerar igenom
kollektorn tack vare värmetillförseln från marken. Värmeupptagningen på vägen ner är högre än på
vägen upp. I detta driftfall ser man att, längst upp i borrhålet, har grundvattnet en lägre temperatur
än den uppåtgående köldbäraren.
Temperatur [˚C]
-1
0
1
2
3
4
5
0
20
40
60
Djup [m]
80
100
120
140
160
180
200
220
grundvatten
nedåtgående
uppåtgående
Figur 29:Typisk temperaturprofil längs en U-rörs kollektor
Medeltemperaturdifferensen mellan borrhålsväggen och köldbäraren i U-rör slangar är minst tre
grader. Är temperaturskillnaden liten tar man energi från berget på ett effektivare sätt och därför
rekommenderas det att välja en kollektor med låg termiskt motstånd. Motståndet för Urörskollektorer i grundvattenfyllda borrhål brukar vara mellan 0,06 och 0,10 Km/W (värden som visas
i figur 29 ovan gäller för värmeledning genom grundvatten men en viss konvektion i grundvattnet har
bekräftats genom TRT mätningar). Även med bättre kollektorer är det temperaturnivåerna som avgör
systemets prestanda, och det är därför viktigt att inte överbelasta marken. I ett fruset borrhål blir
temperaturnivåerna som högst vid noll grader.
Rapporten av Hellström, 2002 presenterar en komplett sammanfattning av allt som hade hänt fram
till år 2002. Koaxial-prototyper som nyligen har testats på KTH har effektiva termiska motstånd
mellan 0,02 Km/W och 0,04 Km/W (Acuña m fl, 2011) och (Acuña & Palm, 2012).
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
35
6.1 Köldbärare
Vätskan som cirkulerar i kollektorslangar kan vara vatten eller en blandning av vatten med olika
frysskyddsmedel, då i visa anläggningar kan det finnas en viss risk att den fryser på grund av låga
temperaturer. Frostskyddskapaciteten beror på koncentrationen som väljs vid installationen.
Koncentrationen är avgörande för hur mycket el-effekt som krävs för att pumpa igenom köldbäraren.
Figur 30: Köldbärare och köldmedier (Svep, 2004)
8.0E-6
0%
8,0%; Tfrys=-3,4 C
7.0E-6
Viskositet [mm^2/s]
15,9%; Tfrys=-8,0 C
24,4%, Tfrys=-15,0 C
6.0E-6
5.0E-6
4.0E-6
3.0E-6
2.0E-6
1.0E-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Arbetstemperatur [°C]
Figur 31: Köldbärarens (etanol+vatten) viskositet som funktion av viktkoncentrationen och arbetstemperatur (Melinder,
2007)
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
36
I Sverige använder man oftast en blandning av vatten med etanol som köldbärare. Etanolen fungerar
som frysskydd och brukar blandas i cirka 25% viktkoncentration, en blandning som ibland kan vara
onödigt högt, speciellt om anläggningen befinner sig i den södra delen av landet. Figur 31 ovan visar
viskositet som funktion av viktkoncentrationen och arbetstemperatur för denna köldbärare.
Viskositeten i vätskan ökar med den ökande koncentrationen. Det är därför av intresse att minska
koncentrationen så mycket som möjligt vilket blir möjligt om geoenergilagret är väldimensionerat.
Vid val av köldbärare hänvisas läsaren till en detaljerad sammanställning om olika lösningar som finns
rapporterad i (Melinder, 2007).
Ju mer etanol desto högre viskositet, vilket leder till en högre pumpeffekt för att cirkulera
köldbäraren, som i sin tur orsakar lägre verkningsgrad och högre kostnader. Figur 31 ovan visar
också, inom typiska arbetstemperaturer i Stockholms område, att ju högre arbetstemperatur desto
lägre viskositet. Högre temperaturer och låga etanolhalter är därför att föredra. För att kunna
optimera etanolhalten behövs det en bra dimensionering av bergvärmepumpssystemet, som kan
förutse och sedan påverka de temperaturerna som systemet kommer att jobba i under ett antal år.
Dessutom krävs det att ha kunskap över vilka kollektorer och flöden som kommer att användas i
borrhålen.
I Stockholms finns det 4 st anläggningar som använder koncentrationer från 0 till 16% vikt
etanolblandning. Dessa anläggningar har med ett fåtal undantag visat temperaturer under noll
grader under de första vintersäsongerna. Dessa ingår i ett forskningsprojekt på KTH och använder
andra sorters kollektorer. Anläggningar har dock krävt nära kontroll och uppföljning. För att helt
eliminera pumpeffekten har (Acuna m fl, 2010) också visat hur detta kan göras genom att använda en
så kallad termosifonkollektor. En prototyp installerades i Norrtälje och har varit i drift i nästan fem år
(år 2012). Denna termosifon arbetar med koldioxid som köldbärare och cirkulationen uppnås tack
vare en fasomvandlingsprocess och köldbärarens densitets skillnad.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
37
6.1.1 Köldbärares brandfarlighet
Den absolut vanligaste köldbäraren i geoenergisystem är ”bioetanol” – även kallad ”köldbärarsprit”.
Eventuellt förekommer också andra benämningar men i grund och botten är det vad vi i dagligt tal
skulle referera till som ”alkohol” (etylalkohol) som är blandat med vatten. Etylalkohol är potentiellt
brandfarligt och i koncentrationer över ca 30 % (etylalkohol i vatten) får den normalt inte användas
och är potentiell brandfarligt.
Bioetanolen har en låg sk flampunkt, vilket är den lägsta temperatur då en vätska kan antändas av en
öppen låga. Vid användning av bioetanol i kyl- och värmepumpsystem så ska högsta
omgivningstemperatur vara minst 5°C under flampunkten. En blandning med 30% etanol har en
flampunkt på ca 30°C medan koncentrerad (95%) etanol har en flampunkt på ca 12°C. Den
koncentrerade lösningen klassa därför i brandklass 1 och är därmed farligt gods. Det senare innebär
strikta regler vad avser transport och förvaring, men gäller som sagt koncentrerad lösning och inte
den som finna i systemet eller är färdigblandad och väntar på att fyllas i.
Blandningen med maximal 30 % etanol klassas som brandklass 2b (dvs. flampunkt under 60°C), vilket
betyder att särskilda bestämmelser gäller. Hur brandklassade medier ska hanteras bestäms av
Myndigheten för samhällsskydd och beredskaps föreskrifter, MSB. Myndigheten har nyligen kommit
med ett förslag (MSBFS 2013-01-14) om tillstånd till hantering av brandfarliga gaser och vätskor som
träder ikraft från 1 juli 2013. I denna står följande att läsa.
7 § Den som hanterar brandfarliga gaser eller vätskor i yrkesmässig icke publik verksamhet får
hantera följande mängder utan tillstånd.
Inomhus:
1.
2.
3.
4.
250 liter brandfarliga gaser,
500 liter extremt brandfarliga eller brandfarliga aerosoler,
500 liter brandfarliga vätskor med flampunkt högst 60 °C, och
10 000 liter brandfarliga vätskor med flampunkt högre än 60 °C.
Utomhus eller i öppen byggnad:
5.
1 000 liter brandfarliga gaser,
6.
3 000 liter extremt brandfarliga eller brandfarliga aerosoler,
7.
3 000 liter brandfarliga vätskor med flampunkt högst 60 °C, och
8.
50 000 liter brandfarliga vätskor med flampunkt högre än 60 °C.
Tolkningen idag är då att förvaring inomhus av större mängder köldbäraren etanol/vatten, max 30%,
än 500 liter är tillståndspliktig. Förvaras den utomhus i eller i öppen byggnad så är gränsen 3000 liter.
För mer information besök: Myndigheten för samhällsskydd och beredskaps, MSB, www.msb.se.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
38
7 MÄTNING OCH MÄTTEKNIK
Vikten av mätning och möjligheten till uppföljning kan inte nog understrykas. Detta gäller i första
läget för att konstatera att anläggningen vid överlämnandet faktiskt fungerar som det är uppgjort.
Framgent är det av stor vikt att se att prestandan består och att den besparing och kalkyl man gjort
som grund för investeringen faktiskt håller.
Figur 32: Exempel på tekniska installationer (www.brunata.se)
7.1 Elenergimätning
El(energi)mätare är inget exotiskt utan finns på många ställen och i stora antal. Fördelen med detta
är att kostnaden idag är relativt liten i förhållande till den information man kan få. Moderna elmätare
kan förutom energi leverera ut en hel del ytterligare information om lasten såsom strömmar per fas,
spänning, fasvinkel, momentan effekt per fas, etc. Detta kan vara värdefull information vid t ex
felsökning.
Figur 33: Exempel på en DIN-monterad energimätare
Om dessa energimätare är med i projekteringsstadiet så är kostnaden minimal. Hårdvarumässigt
handlar det sällan om mer än några få tusenlappar. Montagekostnaden är också minimal om det görs
samband med originalinstallationen. Kommer däremot dessa komponenter in i efterhand då elskåp
och kabeldragningar redan är gjorda så kan kostnaden snabbt sticka iväg och bli ett flertal 10-tusen
per mätpunkt vilket är oerhört onödigt. Budskapet är helt enkelt att vara generös med mätpunkter i
projekteringsstadiet.
7.2 Värmemängdsmätare
I de anläggningar och system vi diskuterar här är ofta avgiven och upptagen energi – i det här fallet
värme – det som styr hur utfallet blir (hur bra prestandan blir). Om man bara mäter tillförd elenergi
till en värmepump eller kylmaskin så får man ingen information om vilket ”jobb” den i verkligheten
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
39
utför. Detta kan mätas med sk värmemängdsmätare vilka ofta består av en flödesmätare,
tempertursensorer och ett integreringsverk. De senare beräknar energimängden och levererar en
signal till t ex datainsamlingssystem. Det gäller samma sak här som för elenergimätarana ovan att
mer kompetenta utrustningar också kan ge en rad ytterligare informationer än energimängd såsom,
flöden, temperaturer, desnitet, etc. På samma sätt så ovan redogjort så kan dessa användas för t ex
felsökning.
Figur 34: Exempel på ett integreringsverk till en energimätare (www.kamstrup.se)
7.3 Prestandaanalys av kyl- och värmepumpsystem
Kyl- och värmepumpsystem är svåra för en lekman att bedöma vilket gör att många system i
praktiken fungerar ineffektivt. Sett utifrån inte är uppenbart om ett system fungerar bra eller dåligt.
Enkelt utryckt så reagerar man sällan så länge ”temperaturen är ok”, men långt innan ett system
slutar fungerar kan de använda stora mängder energi i onödan. Nyckeln är service, översyn och
justering för att säkerställa lägsta energianvändning samt bästa livslängd. Ett verktyg för att få hela
processen analyserad och dokumenterad är den sk prestandaanalysatorn ClimaCheck. Metoden
refereras även till som sk ETM-mätning vilket var en föregångare till ClimaCheck.
Figur 35: Det portabla mätsystemet ClimaCheck-systemet vilket analyserar systemets prestanda
För att testa och kunna bedöma systemets prestanda och hur mycket värme som avges kan de
kartläggas med den ovan nämnda utrustning, ClimaCheck. I figurer 31-35 ovan och nedan visas den
portabla utrustningen samt hur systemet principiellt fungerar.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
40
Figur 36: Inkopplingsprincip för ClimaCheck-systemet vilket kan analysera kyl-/värmeprestanda
Genom att ansluta givare på systemet kan systemets kyltekniska funktion och prestanda avgöras. För
en värmepump kan avgiven värme dokumenteras. En rad andra (för processen viktiga) parametrar
kan också dokumenteras vilka t.ex. visar ”hur väl den mår” – om service och justering är nödvändig
eller inte. Om en felinställning konstateras kan potentiell energibesparing bedömas. Erfarenheter
visar att med frekvent och riktig analys kan 10-30% energi sparas. Generellt har det konstaterats att
större kyl- och värmepumpsystem borde ha kontinuerlig övervakning enligt den ovan nämnda
principen. Även små avvikelser blir snabbt kostsamma varför regelbunden prestandakontroll starkt
rekommenderas. För större anläggningar bör kontroller göras årligen och i allmänhet med 1-3 års
intervall.
7.4 Rekommenderade mätpunkter
Som antytts tidigare så är det svårt att mäta för mycket men någonstans bör man också fråga sig hur
data presenteras, för vem, med vilken detaljnivå, etc. För att kunna bedöma ett geoenergilager och
dess funktion så finns ändå några fundamentala parametrar som bör finnas med. Det mest
övergripande är den energi som tillförs respektive leveraras från anläggningen. Då normalt
värmepumpar eller någon form av kylmaskiner finns med i bilden så kan vi utgå ifrån att dessa är
kopplade mellan objektet (fastigheten el dyl.) och geoenergilagret.
7.4.1 Värmepumpar och hjälputrustning
Den nyttigt avgivna värmen från värmepumparna ska mätas med energimätare, dvs. den värme som
levereras till radiatorkrets respektive varmvatten. Vidare så ska värmepumparnas tillförda el till
kompressorer och pumpar mätas separat. Detta möjliggör att få en bild av värmepumpen för sig och
distributionssystemet för sig.
7.4.2 Geoenergilager
Geoenergilagret (borrhålslagret) behöver ha energimätning, dvs. flöde och temperaturer, för att man
ska kunna bedöma uttag och insättning i detsamma. Vidare är temperaturnivåerna på köldbäraren
också av stort intresse. Mätutrustning och metoder utvecklas snabbt och där kan man tänka sig att
det i framtiden blir vanligare att även mäta markens temperatur för att få en återkoppling på lagrets
status. Teoretiskt är det även möjligt att med givna data från mätningarna ovan faktiskt beräkna
marktemperaturer och ”energinivå” i ett lager.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
41
8 APPLIKATIONER MED GEOENERGILAGER
Ett geoenergilagersystem utnyttjar grundvatten akvifer, berg, eller bergrum, som lagringsmedium för
värme eller kyla. Värmen vid relativt låga temperaturer används oftast för uppvärmning eller
nedkylning av bostäder med eller utan värmepump. Det vanligaste sättet att använda geoenergi idag
är genom bergvärmepumpar men vid höga temperaturer kan värmen användas direkt för
uppvärmning (högtemperaturlager).
Figur 37: En ”vanlig” bergvärmeinstallation (Avanti System AB)
Tester av olika bergvärmepumpar utfördes nyligen av Energimyndigheten enligt en ny europeisk
standard som gäller för kallt klimat. Resultatet avser prestanda på olika värmepumpar vid olika
driftförhållanden (Energimyndigheten, 2012). Under 2011 såldes det cirka 30000 bergvärmepumpar
(SVEP, 2012) i Sverige och 100 000 under 2010 i Europa (RHC, 2012). Med detta nåddes över en
miljon installationer i Europa. Världen runt finns det ca 2.94 miljoner bergvärmepumpar som under
2010 levererade 49% av all geoenergi (Lund, 2010). I Sverige levereras upp till 12 TWh kyla och värme
varje år med geoenergisystem (GEOTEC, 2012). De flesta systemen används i enskilda familjevillor
där ingen aktiv energilagring i marken sker, men generellt används geoenergilagringssystem för
säsongslagring mellan sommar och vinter. Lagringen kan också baseras på kortare perioder. Figur 38
nedan visar exempel på några existerande svenska geoenergilager.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
42
Figur 38: En sammanställning av geoenergilager i Sverige (Nordell & Söderlund, 2006)
När man aktivt lagrar energi kan geoenergisystem delas in i tre typer i relation till hur de är kopplade
till energikällan: akvifer-värmelager där lagring sker i grundvattenförande skikt ATES (Aquifer Thermal
Enegy Storage), borrhålslager BTES (Borehole Thermal Energy Storage), och CTES (Cavern Thermal
Energy Storage) som är ett bergrum, tank, grop, tunnel, mm som är fyllt med vatten. Alla dessa ingår
i en kategori som kallas för UTES (Underground Thermal Energy Storage). Denna rapport
koncentrerar sig på BTES men relevanta referenser till ATES och CTES ges nedan i samband med en
kort förklaring om dessa.
Figur 39: Olika typer av energilagring (Andersson, 2011)
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
43
8.1 Lager i akviferer och bergrum (ATES och CTES)
En akvifer är ett grundvattenmagasin som har tekniska förutsättningar för vattenuttag. I ATES system
används grundvattnet som värmebärare medan värmelagringen utnyttjar blandningen av jord och
vatten. I det enklaste fallet används det en kall och en varm brunn. Sommartid kan man lagra varmt
vatten som sedan används för uppvärmning vintertid. Cirkulationsriktningen vänds om när systemet
används för kyla eller värme, dvs man lagrar kallt vatten på vintern som sedan används för att kyla
byggnader sommartid. Inget vatten bortförs eftersom vattnet endast förflyttas från ett område till
ett annat i akviferen. ATES system använder sig inte av någon konstgjord begränsning utan lagret
avgränsas av täta bergformationer eller lerskikt.
Figur 40: Akviferlager, variant med inducerad infiltration, Stenstaden Sundsvall (Andersson, 2011)
Den vanligaste akviferen i Sverige finns i grusåsar som bildats av inlandsisen, men det finns också
andra typer som förekommer i sandsten och kalksten bland annat i Skåne. I Sverige finns ett
hundratal ATES system i drift. Den första fullskaleanläggningen i sitt slag ligger i Frösundavik (SAS
kontor), strax norr om Stockholm, som gjordes som ett samarbete mellan SAS, AIB Anläggningsteknik
AB och KTH, med finansiering från Byggforskningsrådet. Denna anläggning är belägen på ett parti av
Stockholmsåsen och akviferen har en volym på ca 1 500 000 m3. Två brunnar används för varmt
vatten vid ca 14 och 17°C medan tre brunnar används för kallt vatten vid cirka 6 till 8°C.
Mer info om denna anläggningens design och prestanda i finns i Johansson, 1989, Åbyhammar m fl,
199), och Johansson, 1992.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
44
Figur 41: Akviferlager är ett av de effektivaste sätten att utvinna geoenergi (Geotec, 2012)
Ett antal andra svenska ATES projekt som byggdes under 80-talet presenteras i Berglund & Olsson,
1992. År 2009 togs ett av världens största ATES system i drift. Det används idag för kylning och
uppvärmning vid Arlanda flygplats. Information om denna anläggning finns i Wigstrand, 2009 och
Andersson, 2009. Horn, 2012 och Svyrydonova, 2012 rapporterar kompletta analyser på ATES
system i IKEA Svågertorp respektive Kristianstad sjukhus.
Figur 42: Akviferlagret på Arlanda förser hela flygplatsen med förnybar energi (Andersson, 2011)
Den andra sorten geoenergilager är CTES, ett bergrum, tank, grop, tunnel, mm som är fyllt med
vatten. I ett CTES finns det också en viss lagringskapacitet i marken omkring och vattnet i det är
temperaturstratifierad med varmare (lättare) överst. En sådan stor vattenvolym är lättare att snabbt
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
45
värmeväxla ut på till exempel fjärrvärmenätet med stora värmeväxlare. Emellertid är tillgången på
bergrum begränsad.
Ett CTES system kan användas både som korttidslager och som säsongslager. Principen innebär att
kallt vatten pumpas ut ur botten av bergrummet och värmeväxlas därefter med överskottsvärme
från exempelvis solfångare. Det varma vattnet pumpas sedan in högst upp i bergrummet. För att
hämta värmen ur bergrummet pumpas varmt vatten ut högst upp i bergrummet varefter det
värmeväxlas med exempelvis fjärrvärmenätet. Det kalla vattnet pumpas sedan in i botten av
bergrummet. Det finns erfarenheter från flera olika bergrumsprojekt i Sverige. Tekniken för att bygga
stora vätskelager i bergrum utvecklades ursprungligen för oljebergrum. Några referenser för arbete
med CTES är Nordell & Söderlund, 2006, Bergströ & Ekengren, 1993, Björsel & Enström, 2008,
Ekman, 2006, Naturvårdsverket, 2003.
8.2 Borrhålslager (BTES)
BTES är det vanligaste geoenergisystemet för uppvärmning och/eller kylning av byggnader idag. Ur
över 300 000 borrhålssystem som finns i Sverige idag så ingår cirka 300 större system i BTES
kategorin.
Tabell. Stora BTES system i Sverige (SGU, 2012)
Projekt
Kemicentrum (IKDC), Lund
Brf. Ljuskärrsberget, Stockholm Saltsjöbaden
Lustgården, Stockholm
Vällingby Centrum, Stockholm
Brf. Igelbodaplatån, Stockholm Saltsjöbaden
Kv. Bergen, Stockholm Husby
Xylem Water Solutions, Emmaboda
Antal borrhål
166
156
144
133
120
98
140
Djup [m]
230
230
230
200
200
215
150
Tabellen ovan visar några av Sveriges största BTES anläggningar där det totala borrdjupet varierar
mellan 20 000 och 40 000 meter.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
46
Figur 43: Illustration av applicering av BTES för att hålla isfria
vägar (Orring,2012)
Figur 44: Exempel av BTES med FTX
(Jonsson,2012)
Det vanligaste användningsområdet för BTES är konventionell uppvärmning av stora fastigheter, t ex
bostadsrättsföreningar, och byggnader med behov av både värme och kyla som till exempel IKEA
butiker (Karlberg, 2008). I de senare har geoenergin en unik egenskap, möjlighet till säsongslagring.
Systemet blir mer ekonomiskt fördelaktigt i anläggningar med kylbehov.
Figur 45: Borrhålslager för kombinerad försörjning av värme och kyla (Branschorganisation, 2009)
Andra användningsområden är snösmältning på vägar vilket snart börjar undersökas i Sverige (Orring,
2012) men som har använts sedan 1997 i Därlingen, Schweiz (Figur 45) illustrerar hur ett sådant
system kan se ut). Det finns också högtemperaturlager som till exempel projektet Lulevärme i Luleå
som laddade 120st 65 m djupa borrhål med spillvärme mellan 1983 och 1989.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
47
Lagret uppnådde temperaturer upp till 82°C och anläggningen värmde upp en universitetsbyggnad
utan värmepump. Beräkningsdetaljer för denna anläggning finns i (Claesson m fl, 1985). Andra
exempel är projektet Anneberg i Stockholm där säsonglagring av solvärme görs i 100 borrhål á 65 m
djup och ett antal hus värms utan värmepump (Hellström, 2008). För låga temperaturer brukar
sommarvärme användas som återladdningskälla i form av varmt ytvatten eller varmluft. Olika slags
kopplingar med ventilationssystem och eller reversibla värmepumpar används också för
återladdning.
Generellt så kan man säga att på sommaren laddas borrhålslagret inför vinterns behov genom att ta
överskottsvärme från frånluften i ventilationssystemet, kondensenergi från kylkompressorer,
solvärme med hjälp av solkollektorer eller markslangar under asfalt samt kylmedelskylare.
Borrhålslagret kan också kopplas till uteluften så att den förvärms innan den når ett
ventilationsaggregat. Luften går sedan vidare till FTX värmeväxlare (Jonsson, 2012) och (Modin,
2012). Fördelen med denna är att bergets temperatur sätter en gräns till hur kall den inkommande
temperaturen i FTX-aggregatet blir. En illustration av ett sådant system visas i figur 44. Det finns
också ett antal skyddade anläggningar som använder frikyla från berget för att hålla telecom servrar
och annan utrustning vid rätt temperatur.
Figur 46: Borrhålslager för snösmältning (Andersson, 2011)
Kunskapen om energibehov är oerhört viktig och är en parameter som kraftigt påverkar
borrhålslagersstorleken. Regler om vad som gäller för byggnader finns i (BBR, 2012). Prestanda i det
blivande systemet förutses vid dimensioneringen med hänsyn till markens egenskaper och
driftsförhållanden. En introduktion till detta ämne finns i Norden, 2004 samt McCorry M, 2011.
Denna rapport ger en kort teoretisk bakgrund för att förstå alla moment som ingår i ett BTES projekt
ur ett svenskt perspektiv. Innehållet är skrivet i begränsad omfattning men relevanta vetenskapliga
referenser anges så att läsaren kan gå djupare i detalj.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
48
8.3 Värmepumpar
De flesta geoenergiinstallationer är på något sett kopplade till en värmepump eller kylmaskin. Denna
skrift går inte in på tekniken i sig men kommenterar här kort värmepumparnas betydelse för
geoenergilagrens utveckling.
Figur 47: Enfamiljshus är den dominerande applikationen för värmepumpar (SVEP 2013).
8.3.1 Små värmepumpar - villainstallationer
Som tidigare nämnts så vänder sig den här skriften inte till “mindre värmepumpinstallationer”. Det
kan ändå vara på sin plats att nämna att ”bergvärmepumpar” och dess utveckling varit viktig för
geoenergilagrens frammarsch. Acceptansen för tekniken på villanivå ligger nog i mångt och mycket
bakom att större installationer nu kommer så starkt. Nedan visas hur antalet installationer ökat
under ett antal år.
Figur 48: Antal installerade berg-/markvärmepumpar i Sverige 1982 - 2010 (SVEP)
Tittar man på antalet värmepumpar generellt så även det ökat mycket starkt – framförallt sen i
början på 90-talet. Detta visar att det finns ett förtroende för tekniken som nu brett vinner mark i
större fastigheter och andra applikationen med både värme- och kylbehov.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
49
Figur 49: Fördelning av värmepumpsinstallationer utifrån fastighetstyp (SVEP 2013).
Villor, radhus och fritishus, dvs primärt enfamiljshus, har varit och är fortsatt, dominerande bland de
fastighetstyper där värmepumpar installeras. Andelen har under sin topp legat på 90,5 % i 2011 års
Pulsen för att falla till 85,5 % i 2013 års Pulsen.
Andelen anläggningar installerade i flerbostadshus- och lokalsegmentet har ökat från 6,1 % 2010 till
8,9 % för 2013. SVEP tror på en ökad tillväxt inom dessa, främst med tanke på tendenser till mättnad
på marknaden för enfamiljshus. I övrigt kan noteras ett plötsligt minskat intresse för
värmepumpsinstallationer i fritidshus, främst luft-luftvärmepumpar, mellan 2011 och 2012 med en
nedgång på ca 2,5 %. 2012 års nivå ligger sedan stabilt även för 2013 (SVEP 2013).
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
50
8.3.2 Fastighetsvärmepumpar
Marknaden för värmepumpinstallationer i större fastigheter är än så länge betydligt mindre än
villasegmentet. På de orter där fjärrvärmenät är etablerat dominerar just fjärrvärmen helt i större
fastigheter. Även om det förekommer fall av konvertering från fjärrvärme så kommer värmepumpar
oftast i fråga vid konvertering från elvärme eller oljeeldning.
Figur 50: Installerad värmeeffekt för villa- och fastighetsvärmepumpar i Sverige 2009-2012 (SVEP 2013).
Då antalet enheter större värmepumpar som sålts eller installerats är svårt att fastställa så används
istället installerad värmeeffekt som ett mått. Den årligt installerade värmeeffekten för
fastighetsvärmepumpar ökar successivt och, som kan ses ovan, uppgick 2013 till 21 % av vad som
installerades i villor (SVEP 2013).
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
51
9 ÖVRIGT
I dagsläget ligger två kapitel under rubriken övrigt därför att de inte direkt passar i något annat
kapitel och/eller är för kortfattade för att utgöra egna kapitel.
9.1 Översiktlig beskrivning av att anlägga ett geoenergilager
Syftet med följande avsnitt är att tjäna som checklista vid genomförandet av ett projekt. Punkterna
nedan innehåller i stora drag det som presenterats tidigare i skriften.
1. Ta reda på borrförutsättningar
Är det tillåtet överhuvudtaget att borra, finns tillräckligt utrymme, finns eventuella hinder i form av
tunnlar, fjärrvärme, vattenledningar, kablage etc. i marken. Ta fram kartunderlag.
Borra ett provhål, genomför en TRT:
Ett provhål bör borras. Ett provhål ger information om djupet till berget (om det inte framgår på
annat sätt), bergets beskaffenhet, vattenmängd, eventuell problem med att nå önskat borrdjup.
När provhålet är borrat kan en kollektorslang monteras och en TRT utföras. En TRT ger viktig
information om bergets kapacitet för geoenergianläggning. Den ger information om
medeltemperaturen, bergets värmeledningsförmåga och borrhålsmotståndet. Dessa parametrar
behövs för att korrekt dimensionera en geoenergianläggning.
Man bör borra till ungefär det djup man tänker sig ha i sitt geoenergilager av naturliga skäl. Är det
ett mycket stort geoenergilager kan man tänka sig att borra mer än ett provhål och få mer TRTunderlag.
Man behöver inte borrtillstånd för ett provhål då det inte i sig är en värmepumpsanläggning. Man
bör dock kommunicera med berörda myndigheter.
Man kan givetvis söka om tillstånd för en värmepumpsanläggning i detta skede med en tentativ
borrplan och komplettera den sedan.
Provhålet och provhålen bör placeras så det kan utnyttjas i geoenergilagret.
2. Simulering
Baserat på vilka energimängder i form av värme och kyla man vill ta, vilka högsta effekter man vill
kunna få, vilka temperaturintervall man vill hålla sig med, förväntad COP och parametrarna från TRTs
kan man nu simulera ett borrhålslager.
Simuleringen utförs med ett dataprogram som använder någon form av finita element metod.
Simuleringen börjar med att man definierar upp en rimlig borrplan. En borrplan är antal borrhål,
dess forma på ytan (rektangel, rak linje, L-form, U-form etc), djup och avstånd mellan borrhålen.
Utifrån en initial borrplan itererar man fram en rimlig borrplan som levererar de önskade
energimängderna, effekterna, temperaturerna mm. Man bör simulera minst 10 år framåt för att
säkra en uthållig lösning.
Borrplanen ska dokumenteras på ett kartunderlag, med placering, djup och riktning (om hålen är
gradade, har en lutning).
3. Genomförande, borrning
Genomförandet innebär borrning, kollektormontering och anslutning till värme och/eller
kylsystemet. Borrhålen kallas ofta energibrunnar.
Ett större borrfält där borrhålen ligger tätt kan eventuellt schaktas av i sin helhet innan borrningen
som ett alternativ till att gräva diken i efterhand. Man bör ha ett svagt fall bort från
värmepumpsanläggnigen.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
52
Borrningen genomförs lämpligen med certifierad borrpersonal och under iakttagande av de regler
som gäller för arbetstider, bullernivåer, kaxhantering (kax är borrslam), säkerhet (avspärrning med
skyddsavstånd för allmänheten) etc. Man följer alltid en standard som heter Normbrunn 07 och som
tagits fram av SGU, främst i syfte att undvika kvalitetsförsämring av grundvattnet.
Varje borrhål ska dokumenteras enlig SGUs regler med ett s.k. borrportokoll.
Av yttersta vikt är att borrningen startar exakt på anvisad plats, sker till anvisat djupt och att
eventuell gradning och riktning noggrant följs.
4. Genomförande, kollektormontage
När borrhålen är borrade så monteras kollektorn. Kollektorn ska vara av rätt typ, vanligen tillverkad
av PEM, rätt tjocklek och rätt tryckklass. Bottenvikten ska vara fabriksmonterad.
Kollektorn bör inspekteras så att den är oskadd och när köldbärarvätskan fylls på innan den monteras
(släpps) bör man hålla utkik efter eventuella läckage. Kollektorn får bara fyllas med miljögodkänd
vätska, exempelvis med blandning av bioetanol och vatten.
Viktigt är att kollektorn går ner till botten av hålet. Finns det hinder för att få ner kollektorn måste
det rensas bort med borriggen, innan ett nytt försök görs.
När kollektorn är på plats måste den provtryckas. Exempelvis till 6,3 bar i 6 timmar. Ett
provtrycksprotokoll ska upprättas.
Om det inte redan är avschaktat grävs sedan rörgravar så att borrhålens kollektorer kan ledas till
värme/kylanläggningen via rör i som läggs i rörgravarna. Ledningen sker normalt via s.k.
samlingsbrunnar eller samlingsrör om koncenterar flödet från ett antal borrhål. Varje energibrunn
med rör till närmaste samlingsbrunn bör ha egen injusteringsventil, avstängningsventil och
avtappningsdon. Avluftningsmöjligheter bör finnas.
Man bör i görligaste mån undvika att svetsa ihop rör (skarva) från energibrunn till samlingsenhet
utan den bör vara i ett helt stycke.
Av yttersta vikt är att dokumentera vilka borrhål som är anslutna in och ut till samlingsenheten. Det
bör ske med tydliga plastbrickor.
Rören måste ligga på sandbotten och täckas av sand innan schaktmassor återfylls. Rören är mycket
tåliga för tryck men känsliga för skav av vassa föremål. Rören bör vara isolerade för att förhindra
värmeläckage, frysning av mark (kylläckage) och som skydd samt för att förhindra att kondens kryper
in i byggnader.
Man bör också lägga ut varningstejp innan man helt fyller igen rörgraven.
Hela anläggningen ska provtryckas tillsammans med värme/kylanläggning innan rörgravarna läggs
igen.
Relationshandlingar och borrhålskarta ska upprättas för anläggningen och där det är tillämpligt bör
en märkbricka sättas på närliggande vägg för varje borrhål och grovt anvisa platsen.
5. Mätning
Om det finns speciella krav på utförandet av borrhålsfältet t.ex. att borrfältet ska zonindelas på något
sätt, det finns krav på att man inte får komma utanför en viss zon t.(ex. en tomt), innanför en viss zon
(t.ex. ett vattenskyddsområde) eller om det anses viktigt av ett visst medelavstånd inte får
underskridas eller att man helt enkelt vill dokumentera resultat i tre dimensioner så kan man
rakhetsmäta borrhålen. Detta sker i så fall innan kollektorn monteras.
En rakhetsmätning kan innebära att kompletteringsborrning måste utföras.
Det kan bero på att man gör en ny simulering om borrhålskonfigurationen skiljer sig avsevärt från
den som var tänkt och finner att det nu inte räcker till.
Eller det kan vara att man måste plugga igen hål som hamnat där de inte får eller ska och så måste
man ersättningsborra.
6. Genomför entreprenad
Efter genonförd entreprenad ska borrprotokoll, provtrycksprotokoll, relationshandlingar och annan
dokumentation lämnas till uppdragsgivren och i förekommande fall till myndigheter.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
53
9.2 Lagstiftning - möjligheter och begränsningar
Det kommer ofta upp frågor om det juridiska läget vad avser borrhål. Ett typexempel är vad som
gäller under fastigheten – sin egen eller någon annans. Har fastighetsägaren rådighet och i så fall hur
djupt? Vad gäller om borrhål avviker in på/under andra fastigheter?
Dessa frågor och andra på detta tema har inte kunnat besvaras under detta projekts slutrapportering
2013, men är högst aktuella och inom en snar framtid räknar vi med att det skapas juridiska
prejudikat på detta. Det kommer med andra ord sannolikt att komma upp i framtida versioner av
denna eller andra skrifter.
Figur 51: Det juridiska läget återstår vid rapportens publicering 2013 fortfarande att klarlägga
Vad som ändå kan konstateras är att det naturligtvis är viktigt i det här läget att iaktta försiktighet
och tillse att borrhålen hamnar där det är tänkt. Grundregeln bör naturligtvis vara att man ska hålla
sig inom sin egen fastighet – för att undvika framtida tekniska och juridiska konflikter.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
54
10 DEFINITIONER OCH TERMINOLOGI
Nedanstående listning syftar till att ge exempel på terminologi som finns i detta dokument men som
också kan förekomma i annan litteratur på temat geoenergilager.
Definitioner och terminologi på temat geoenergilager
ATES
Aquifer Thermal Energy Storage = Geoenergilager där grundvatten är värmeväxlaren i marken,
normalt förekommande i grusåsar, uppsprucken kalksten och liknande.
BTES
Bore hole Thermal Energy Storage = Geoenergilager med flera borrhål som ligger för nära varandra
för att få en naturlig energi balans utan återladdning.
Riktad borrning
Är till skillnad från styrd borrning en metod där man med lägre tryck och sjunkhastighet på borren
samt mekaniska kompletteringar ökar chanserna till rakare borrhål.
Markvärmeväxlare
Kollektorslang, med två eller flera slangar samt andra utföranden som koaxialslangar överför värme
eller kyla från vätskan i slangen till borrhålsväggen genom temperatur utjämning.
Flödesmätning
Mätning av vätskans hastighet och mängd genom ett rör.
Energimätare
En kombination av flödesmätning och temperaturmätning samt en beräkning anges i kWh.
Turbulent flöde
I det här fallet avses normalt att köldbärarvätskans hastighet är tillräckligt hög för att nå sk turbulent
flöde. Detta läge/flöde är normalt sett gynnsamt för värmeöverföringen i kollektorerna.
Energibalans
Avser värmen i den mark som Geoenergilagret omfattar bredd x längd x djup, och som man
dimensionerat uttaget över året för, kan vara dimensionerat för värme eller kyla.
Energiladdning
Återställande av temperaturen i Geoenergilagret över året, kan ske med flera olika metoder som
frikyla, vvx mot luft etc.
Frikyla
Ett allmänt begrepp normalt innefattar ”fri/gratis/naturlig” kyla som kan erhållas genom luft, vatten
eller mark.
Föreskrivandehandling
Konsulthandlingar som är underlag för upphandling av beställaren, kan innehålla Allmänna
Föreskrifter (AF) text som talar om vad som är tillämpligt för entreprenören, ritningar, beräkningar
mm.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
55
ABT
Allmänna Bestämmelser Totalentreprenad - avtalsform mellan beställare och entreprenör.
DWG filer
Ritningsformat i elektronisk form som kan flyttas mellan olika datorprogram, och kopieringsföretag
för utskrift.
Mark AMA
Allmän material- och arbetsbeskrivning för anläggningsarbeten anger hur utförande vid schakt och
återfyllning för ex rör skall gå till.
Normbrunn 07
Handling från Sveriges Geologiska Undersökningar (SGU) som anger hur en borrad brunn skall utföras
för att undvika ökad risk av spridning av föroreningar i ytvatten till grundvattnet.
Fastighetsgräns
Kallas också tomtgräns fastställd av Lantmäteriverket kan i tätbebyggelse vara mellan två eller flera
huskroppar, eller vid vattnet ute i vattnet.
3D mätning
En mätning i 3 dimensioner eller x,y,z axeln, vilket ger en bättre förståelse för hur borrhålet ser ut i
verkligheten och avståndet mellan borrhålen efter hela borrhålsdjupet.
Slangsättning
Nedsänkning av värmeväxlare i borrhål sker vanligtvis i direkt anslutning till avslutad borrning, men
kan också ske efter avslutning av flera borrhål.
Byggledningsmöten
Möten på byggarbetsplatsen under byggets fortskridande leds normalt av platschefen.
Besiktningar
En avsyning av utfört arbete kan ske i etapper eller efter avslutat arbete, skall protokollföras och
läggas till handlingarna.
Samlingsrör
Ett grövre rör där slangarna från markvärmeväxlare kopplas in för att minska antalet rör fram till
värmepumparna som normalt är 2 stycken, sitter normalt inne i fastigheten.
Samlingsbrunnar
Lika som samlingsrör men ligger normalt nedgrävda i Geoenergilagrets omedelbara närhet.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
56
11 REFERENSER
Dr. Maureen Mc Corry, EurGeol. Gareth Ll. Jones. (2011). Geotrainet training manual for designers of
shallow geothermal systems. Brussels: Geotrainet, EFG.
Andersson, O. (2011). Seminarium-Geoenergi - Systemöversikt. Barkaby gård.
Barth, J. (2011). Geoenergi för större fastigheter. Barkaby Gård: Geotec.
Branschorganisation, G.-S. B. (2009). Geoenergi-Underlagsrapport Vägval Energi.
Forsén, M. (2012). Värmepumpmarknaden 2012. SVEP-Sverige Heat Pump Association.
Geotec. (2012). Geoenergin i samhället-En viktig del i en hållbar energiförsörjning.
Olsson, A. (2012). Avvikelsemätning av borrhål-vad står till buds. Borrsvägen, 20.
Svep. (2004). Fakta om köldbärare och köldmedier. Umeå.
Acuña, J. (2008). Characterization and Temperature Measurement Techniques of Energy Wells for
Heat Pumps. Stockholm: KTH.
Acuña, J., & Palm, B. (2012). Distributed Thermal Response Tests on Pipe-in-pipe Borehole Heat
Exchanger. INNOSTOCK. The 12th International Conference on Energy Storage, Lleida, 2012. Lleida.
Acuña, J., Mogensen, P., & Palm, B. (2009). Distributed Thermal Response Test on a U-pipe Borehole
Heat Exchanger. EFFSTOCK. The 11th International Conference on Energy Storage.
Acuña, J., Mogensen, P., & Palm, B. (2011). Distributed Thermal Response Tests on a Multi-pipe
Coaxial Borehole Heat Exchanger,. HVAC&R, 17:6, 1012-1029.
Acuña, J., Palm, B., Khodabandeh, R., & Weber, K. (2010). Distributed temperature measurements on
a U-pipe thermosyphon borehole heat exchanger with CO2. 9th Gustav Lorentzen Conference.
Sydney: IIR.
Andersson, O. (2009). The ATES Project at Stockholm Arlanda Airport - Technical Design and
Environmental Assessment. EFFSTOCK. The 11th International Conference on Energy Storage, (ss.
Session 3-6, paper 56). Stockholm.
Austin, W., Yavuzturk, C., & Spitler, J. (2000). Development of an in-situ system for measuring ground
thermal properties. ASHRAE Transactions, 106(1), ss. 365-379.
BBR. (2012). Regelsamling för byggande, Del 2: Boverkets byggregler. Boverket.
Beier, R. (2008). Equivalent time for interrupted tests on borehole heat exchangers. HVAC&R
Research, 14., ss. 489-505.
Beier, R. A., & Smith, M. D. (2003). Minimum duration of in-situ tests on vertical boreholes. ASHRAE
Transactions, 109 (2), ss. 475-486.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
57
Berglund, S., & Olsson, U. (1992). Uppvärmning och kylning med lågtempererat vatten.
Byggforskningsrådet.
Bergströ, & Ekengren. (1993). Konvertering av oljebergrum till energilager,. Stockholm:
Byggforskningsrådet.
Björsel, & Enström. (2008). Utredning av ekonomiska och tekniska förutsättningar för värmelagring i
Gävles bergrum. Högskolan i Gävle.
Blomberg, T., Claesson, J., Eskilson, P., Hellström, G., & Sanner, B. (2008). EED 3.0 Earth Energy
Designer, User Manual. BLOCON.
Carslaw, H. S., & Jaeger, J. C. (1947). Conduction of heat in solidS. Oxford University Press.
Claesson, J., Eftring, B., Eskilson, P., & Hellström, G. (1985). MARKVÄRME, En handbok om termiska
analyser. Stockholm: Byggforskningsrådet.
Ekman. (2006). Utredning rörande sanering och bergarbeten vid konvertering av befintliga
oljebergrum till köldlager. ÅF-Process AB, upprättad av Sten Ekman, Rockstore Engine.
Energimyndigheten. (den 5 11 2012). Bergvärmepumpar november 2012. Sverige.
Eskilson, P. (1987). Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes. Lund: University of Lund.
Fuijii, H., Okubo, H., & Itoi, R. (2006). Thermal Response Tests Using Optical Fiber Thermometers.
GRC Transactions, 30.
Gehlin, S. (2002). Thermal Response Test. Method Development and Evaluation. Luleå: LTU.
GEOTEC. (2012). Geoenergin i samhället - En viktig del i en hållbar energiförsörjning.
Gustafsson, A. M., & Westerlund, L. (2010). Multi-injection rate thermal response test in
groundwater filled borehole heat exchanger. Renewable Energy, 35, ss. 1061-1070.
Hellström, G. (1991). Ground Heat Storage. Lund: University of Lund.
Hellström, G. (2002). Borehole heat exchangers: state of the art. Hummelshöj R, Hansen J, 22
Lorenzen K, editors.
Hellström, G. (Artist). (2008). Energilager i mark kombinerat med solvärme. Nordbygg 2008.
Hjulström, J. (2012). Återfyllning av borrhål i geoenergisystem: konventioner, metod och material.
Geologiska institutionen. Lund: Lunds Universitet.
Horn, M. (2012). Geoenergi på IKEA Svågertorp: Visualisering och uppföljning av geoenergi på IKEA i
Malmö mellan 2009-2011. Institutionen för Energivetenskaper, Avdelningen för Energihushållning.
Lund: Lunds Universitet.
Ingersoll, P. (1948). Theory of the Ground Pipe Heat Source for the Heat Pump. 54.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
58
Javed, S. (2012). Thermal Modelling and Evaluation of Borehole Heat Transfer. Building Services
Engineering, Department of Energy and Environment. Gothenburg, Sweden: CHALMERS UNIVERSITY
OF TECHNOLOGY.
Johansson, S. (1989). Design of Aquifer Thermal Energy Storage - A case study. Stockholm:
Byggforskningsrådet.
Johansson, S. (1992). Grundvatten värmer och kyler kontor. Stockholm: Byggforskningsrådet.
Jonsson, R. (nr 8 2012). Från-/tilluft med förvärmning spar pengar och miljön. (HSB, Red.) Plåt&vent
magasinet, ss. 22-23.
Karlberg, L. A. (2008). IKEA storsatsar på bergvärme. (www.nyteknik.se, Red.)
Lamarche, L., & Beauchamp, B. (2007). A new contribution to the finite line-source model for
geothermal boreholes. Energy and Buildings, 39(2), 188-198.
Lamarche, L., & Beauchamp, B. (2007). A new contribution to the finite line-source model for
geothermal borehols. Energy and Buildings, 39, ss. 188-198.
Liu, X., Rees, S., & Spitler, J. (2007). Modeling Snow Melting on Heated Pavement Surfaces Part I:
Model Development. Journal of Applied Thermal Engineering, 27, 1115-1124.
Lund, J., & D, H. (2010). Direct Utilization of Geothermal Energy 2010 Worldwide Review.
Proceedings IGA World Geothermal Congress 2010. Bali.
McCorry M, J. G. (2011). Training manual for designers of shallow geothermal systems. Brussels:
European Federation of Geologists.
Melinder, Å. (2007). Thermophysical Properties of Aqueous Solutions Used as Secondary Working
Fluids. Stockholm: The Royal Institute of Technology KTH.
Modin, B. (11 2012). Tänk på detta vid extra återvinning. Energi&Miljö November 2012, ss. 46-47.
Mogensen, P. (1983). Fluid to Duct Wall Heat Transfer in Duct System Heat Storages. Int. Conf. on
Subsurface Heat Storage in Theory and Practice., (ss. 652-657). Stockholm, Sweden.
Naturvårdsverket. (2003). Avveckling av oljebergrum i oinklädda bergrum. Branschfakta.
Nordell, B., & Söderlund, M. (2006). Solar Energy and Heat Storage. Luleå: Luleå University of
Technology.
Norden. (2004). Pre-design guide for Ground Source Cooling Systems with Thermal Energy Storage.
Nordic Energy Research.
Olsson, A. (2012). Avvikelsemätning av borrhål. Vad står det till buds? Borrsvängen(1), 20-23.
Orring, A. (2012). Sommarvärme mot blixthalkan. NYTEKNIK, Publicerad 26 oktober.
Prevent. (2009). Borrningssäkerhet, En guide för säkrare borrning i jord och berg. Prevent Arbetsmiljö
i samverkan Svenskt Näringsliv, LO och PTK.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
59
Reuß, M., Proell, M., & Nordell, B. (2009). IEA ECES -ANNEX 21 – THERMAL RESPONSE TEST.
EFFSTOCK. The 11th International Conference on Energy Storage. Session on thermal response test.
RHC. (2012). Strategic Research Priorities for Geothermal Technology. Brussels: European Technology
Platform on Renewable Heating and Cooling.
SGU. (2007). Att borra brunn för energi och vatten – en vägledning. Sveriges Geologiska
Undersökning.
SGU, S. G. (den 21 10 2012). Geoenergi kontra fjärrvärme - Konkurrenter i onödan. (L. Göran
Hellström, Artist) Uppsala Konsert & Kongress, Uppsala, Sverige.
Shonder, J. A., & Beck, J. V. (1999). Determining effective soil formation properties from field data
using a parameter estimations technique. ASHRAE Transactions, 105 (1), ss. 458–466.
Spitler, J. D. (2000). GLHEPRO - A design tool for commercial building ground loop heat exchangers.
Proceedings of 4th International Heat Pumps in Cold Climates Conference. Québec, Canada.
Spitler, J., & Bernier, M. (2011). Ground-source heat pump systems: The first century and beyond.
HVAC&R, 17:6, ss. 891-894.
Sundberg, J. (1988). Thermal Properties of Soils and Rocks. Department of Geology. Gothenburg:
Chalmers University of Technology and University of Gothenburg.
Sundberg, J., Thunholm, B., & Johnson, J. (1985). Värmeöverförande egenskaper i svensk berggrund.
Stockholm: Byggforskningsrådet.
SVEP. (2012). SVEP. Stockholm, Sverige.
Svyrydonova, I. (2012). Energy system analysis for the hospital in Sweden. Turin: Politecnico di Torino.
Wigstrand, I. (2009). The ATES project – a sustainable solution for Stockholm-Arlanda airport.
EFFSTOCK09, (ss. Session 6-3 ATES applications, paper 55). Stockholm.
Yavuzturk, C., & Spitler, J. D. (1999). A short time step response factor model for vertical ground loop
heat exchangers. ASHRAE Transactions, 105, ss. 475-485.
Zeng, H. Y., Diao, N. R., & Fang, Z. H. (2002). A finite line source model for borehole in ground heat
exchangers. Heat transfer, Asian Research, 31, ss. 558-567.
Åbyhammar, T., Johansson, S., Berglund, S., & Eriksson, A. (1991). Akviferbaserat energisystem Utvärdering SAS huvudkontor SOLNA. Solna: Byggforskningsrådet.
Att tänka på vid projektering av geoenergilager
60