Innhold
Forvarming/avkjøling av ventilasjonsluft
Innledning
Energiknapphet og Norges forpliktelser i forbindelse med Kyotoavtalen har gitt et økende behov for alternative og fornybare energikilder i Norge. Fra offentlig hold satses det betydelig på energifleksibilitet med vannbåren varme basert på bioenergi, varmepumper og spillvarme.
Grunnvarme er en slik alternativ energi som er velegnet som energikilde for en varmepumpe. Andre energikilder for varmepumper er blant annet sjøvann, uteluft og avløpsvann. Grunnvarme er en betegnelse på energi lagret i grunnen, enten i berggrunn, jord og løsmasser. Denne energien kommer fra soloppvarming og/eller geotermisk energi (energi fra jordas indre). I tillegg til rene oppvarmingsformål som romoppvarming og vannvarming, kan grunnvarme benyttes til kjøleformål og forvarming/avkjøling av luft i ventilasjonsanlegg. Flere systemløsninger for uttak av grunnvarme er presentert nedenfor.
Den totale norske elektrisitetsproduksjonen er omlag 115 TWh per år, og av dette går ca. 43 TWh til oppvarming av bygninger. Energibidrag fra varmepumper utgjorde i 1998 ca. 4,5 TWh. Grunnvarme er gunstig i Norge da vi har lang fyringssesong og spredt bosetting. Løsmassedekkets tykkelse er gjennomgående liten, og varmepumpeanlegg basert på fjellbrønner kan benyttes de aller fleste steder.
For å lage anleggene så billig som mulig, er det viktig å kunne redusere omkostningene knyttet til varmeopptaket fra grunnen, da dette ofte utgjør mellom 30 og 50% av anleggets totalkostnad. NGU og NVE's satsning på grunnvarme - energi fra fjell og løsmasser skal forsøke å tallfeste berggrunnens varmetekniske egenskaper og dermed bidra til at grunnvarmebransjen kan dimensjonere riktigere og derved redusere kostnadene på anleggene. Forhåpentligvis vil dette bli så vellykket at bestemmelse av berggrunnens varmetekniske egenskaper kommer til å bli gjennomført i de fleste norske byer.
Varme og kjøling fra grunnen
For små varmepumpeanlegg er løsninger basert på lukkede system nesten enerådende. Med et lukket system menes at en kollektorslange av plast fylles med en frostvæskeblanding. Kollektorvæsken tar opp varme fra grunnen og avgir denne varmen til varmepumpen. Siden systemet er lukket, forbrukes ikke grunnvannet og man risikerer heller ikke at varmeveksleren i varmepumpen tettes av urenheter og utfellinger. Det er liten fare for lekkasje fra kollektorslangen når anlegget er riktig utført. Kollektorslangenes levetid forventes å være minimium 30 år.
Energipotensialet til en fjellbrønn eller brønn i løsmasser med lukket kollektor er avhengig av berggrunnens/løsmassenes varmeledningsevne, fjellets/løsmassenes- og grunnvannets temperatur og grunnvannsbevegelsen. Systemløsningen er vist i figur 1. Figur 2 viser praktisk legging av kollektorslanger til borehull.
Figur 1. Det store flertall av grunnvarmeanlegg til enkelthus og middels store brukere er energibrønner i fjell med lukkede kollektorer til varmeopptak.
|
 |
Figur 2. Eksempler på praktisk legging av kollektorslanger til borhull. "Varme" og "kalde" kollektorslanger er separert med isolasjon. Gule plasthatter er borehullets topp.
Dimensjonering av energibrønner med lukkede kollektorer er en av hovedutfordringene ved bygging av grunnvarmeanlegg. Viktige parametre for å dimensjonere varmeopptaket er:
Berggrunnens varmeledningsevne, det vil si hvor godt berggrunnen kan transportere varme og kulde.
Temperatur i grunnen.
Dyp ned til grunnvannsspeilet. Vann er en relativt god varmeleder mens luft er en dårlig varmeleder. Derfor er det nesten ikke noe positive energibidrag fra den "tørre" delen av borhullet.
Grunnvannsbevegelsen på stedet. Stor grunnvannsbevegelse gjennom energibrønnen bidrar til å holde temperaturen nærmere den utgangsverdien den lå på før brønnen ble termisk tappet. Likeledes "henter" energibrønnen seg hurtigere inn.
Lukkede kollektorslanger lagt i grunne grøfter er en annen måte å utnytte grunnvarme på. Slangene blir lagt i ei 0,5-1,5 meters dyp grøft med en innbyrdes avstand på 1-2 meter. Dette medfører imidlertid lange grøfter, og er derfor arealkrevende . Jordas fuktighet er av avgjørende betydning for varmekapasiteten. Fare for ujevnheter samt at en noe «forsinket vår» på plenen gjør denne type systemløsning mindre attraktiv. I takt med at kostnadene forbundet med boring i fjell er blitt sterkt redusert, har løsninger hvor man benytter kollektorslanger hengende ned i grunnvannsbrønner i fjell nå blitt helt dominerende.
I et åpent grunnvarmesystem benytter man opp-pumpet grunnvann enten fra en løsmasse- eller fjellbrønn. Anlegg av denne typen er godt egnet i områder med store grunnvannsressurser. De største grunnvannsressursene finner man hovedsakelig i løsmasseavsetninger (sand- og grusavsetninger), mens ytelsene fra borebrønner i fjell varierer svært mye. Grunnvann gir en høy og stabil temperatur gjennom fyringssesongen, og er dermed en velegnet energikilde for varmepumpe. Energiuttaket skjer her ved direkte varmeveksling med opp-pumpet grunnvann, og effekten blir derfor større sammenlignet med lukkede varmepumpesystem. Energipotensialet vil variere med brønnenes kapasitet og grunnvannstemperatur. I tillegg vil grunnvannskvaliteten ha betydning for driften av slike anlegg. Dette gjelder spesielt stoffer som kan gi bakterievekst, igjenslamming og utfellinger (humus, jern, mangan og karbonater), og stoffer som kan gi korrosjon. Figur 3 viser en prinsippskisse av åpent system basert på opp-pumpet grunnvann fra en løsmasseakvifer.
Figur 3. Større anlegg som benytter opp-pumpet grunnvann er normalt basert på å bruke varmeveksling av grunnvann fra løsmasser, men fjellbrønner som gir mye vann er også egnet. Varmevekslet grunnvann blir enten infiltrert i en nærliggende brønn, grøft eller basseng eller pumpet til et vassdrag.
Forvarming/avkjøling av ventilasjonsluft
Energibrønn fra både fjell og løsmasser kan benyttes til kjøling, enten ved å dumpe overskuddsvarmen fra kjølemaskinen (varmepumpen kjøres da som kjølemaskin) eller ved såkalt frikjøling. Ved frikjøling er det ikke noe kompressorarbeide, kun sirkulasjonspumper og vifter som trekker minimalt med energi. Samme utrustningen som benyttes til frikjøling kan benyttes om vinteren, men da forvarmes den kalde vinterluften av det relativt varme grunnvannet, før luften varmes videre opp til romtemperatur, se figur 4.
Figur 4. Direkte forvarming/avkjøling av inntaksluft til ventilasjonsanlegg.
Dype energibrønner, som nå utprøves ved det nye Rikshospitalet i Oslo, utnytter den termiske gradienten. Dette innebærer at varme, som i hovedsak dannes ved nedbrytning av de naturlig forekommende radioaktive grunnstoffer uran og thorium, gjør at temperaturen øker med omlag 15°C/km mot dypet. I Osloområdet, hvor bergartene er gunstige, er det målt en temperaturgradient på 27°C/km. Foreløpig er ikke så dype boringer vanlig, men utviklingen av avansert boreutrustning kan gjøre dette til en viktig oppvarmingskilde for større anlegg i fremtiden. Figur 5 viser noe av boreutstyret som brukes i dette prosjektet. Figur 6 viser en prinsippskisse av energianlegget.
 |
 |
Figur 5. Borekveil som brukes ved boring av dype energibrønner ved det nye rikshospitalet i Oslo.
Figur 6. Prinsippskisse av energianlegg ved det nye rikshospitalet i Oslo.
© AMR Engineering A/S.