NORGES IDRETTSHØGSKOLE

Transkript

1 NORGES IDRETTSHØGSKOLE TERMISK RESPONSTEST DIMENSJONERING AV GEOENERGIANLEGG FORPROSJEKT Oppdragsgiver Statsbygg Jan Tore Jørgensen Oppdragstaker Futurum Energi AS Bjørn Gleditsch Borgnes Sted / Dato Asker, Futurum Energi AS Adresse: Granbakken 4, 1386 Asker Telefon: Epost: bgb@futurum-energi.no Org.nr: MVA Bankkonto:

2 Sammendrag Ved Norges idrettshøgskole i Oslo vurderes det etablering av et geoenergianlegg med varmepumpe og energibrønner i fjell. Et geoenergianlegg gir høy energi- og miljøeffektivitet og gir betydelige reduserte kostnader til oppvarming og kjøling. Det er i juni 2014 boret en testbrønn à 250 meters dybde i aktuelt område for etablering av energibrønnpark. På testbrønnen er det utført temperaturmålinger og måling av grunnvannsnivå, i tillegg til en termisk responstest. Med en termisk responstest kan fjellvolumets evne til å transportere energi måles, noe som er en av flere viktige inputparametre for å dimensjonere et større geoenergianlegg korrekt. Fast fjell ble ved boring av testbrønn påtruffet på 0,5 meter. Urørt temperatur i fjellgrunnen (gjennomsnitt i 250 meters brønn) er målt til ca. 8,7 C. Temperaturen i øvre del av brønnen er påvirket av bygningsmassen rett ved testbrønnen. Grunnvannsnivået er målt til 7 meter under brønntopp. Dersom dette er representativt for området, kan ca. 97 % av brønndybden regnes som effektiv. Kontrollmålinger bør gjøres når flere brønner er boret. Ut fra resultater fra den termiske responstesten er termisk varmeledningsevne i fjellvolumet i området målt/beregnet til ca. 2,8 W/m,K. Dette er en middels god verdi sammenlignet med andre tester utført i Sør- Norge. Termisk borehullsmotstand er målt/beregnet til 0,1 K/(W/m) ved varmeopptak. Dette er en normal verdi for benyttet borehullsinstallasjon. Resultater fra boring av testbrønn, temperaturmålinger, grunnvannsnivåmåling og termisk responstest viser at området rundt idrettshøgskolen er godt egnet for etablering av et geoenergianlegg. Det store varmebehovet krever et betydelig antall energibrønner. Med lite eller ingen tilbakelading gjennom sommerhalvåret må brønner plasseres med stor innbyrdes avstand, noe som vil kreve at et betydelig areal for brønnpark avsettes. Ut fra et foreløpig anslått tilgjengelig areal for brønnpark synes det realistisk å kunne etablere et geoenergianlegg som dekker ca. 60 % av det totale varmebehovet. Med denne energidekningen vil brønnparken da kunne bestå av for eksempel 65 brønner á ca. 250 meters dybde (som testbrønnen). Dersom et slikt anlegg realiseres kan det forventes en årlig energibesparelse på ca. 1.5 GWh/år, forutsatt en årsvarmefaktor for varmepumpe på ca. 3,0. I det videre arbeidet med prosjektet anbefales følgende: - Vurdere tilgjengelig areal for boring av brønner opp mot ambisjonsnivået for prosjektet - Avdekke evt. muligheter som finnes for tilbakelading av energi til brønnpark - Vurdere temperaturkrav for ulike deler av varmebehovet opp mot varmepumpedrift - Avdekke netto, virkelige effektbehov til oppvarming (og evt. kjøling) - Skissere en lokalt tilpasset systemløsning for geoenergianleggets produksjon av varme og evt. kjøling Først etter en gjennomgang av ovennevnte vil en endelig dimensjonering av varmepumpe og tilhørende brønnpark kunne utføres. NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 2 av 13

3 Innholdsfortegnelse Sammendrag Bakgrunn Om prosjektet Grunnen som energikilde Lokale forutsetninger Testbrønnen Bergart Løsmassemektighet Grunnvannsnivå Temperaturgradient og gjennomsnittlig temperatur i brønner Termisk responstest Hva er en termisk responstest? Loggede data Analyse av måledata Energibudsjett Energibehov til oppvarming Simuleringer dimensjonering av brønnpark Forutsetninger for simuleringer Tilgjengelig areal for boring Dimensjoneringskrav Energidekningsgrad for varmepumpe Resultater fra simuleringer Oppsummering, presiseringer og anbefalninger Vedlegg A: Brønnrapport NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 3 av 13

4 1 Bakgrunn 1.1 Om prosjektet Ved Norges idrettshøgskole i Oslo vurderes det å etablere et geoenergianlegg med varmepumpe og energibrønner. Futurum Energi AS er av Statsbygg engasjert for å gjennomføre boring av en testbrønn i aktuelt område for brønnpark, samt utføre målinger inkl. en termisk responstest. Fra resultater fra målinger og responstesten samt mottatte energidata fra Moe AS, er det utført simuleringer og presentert forslag til dimensjonering av brønnpark. Praktisk gjennomføring av responstesten (opp-/nedrigging) og innledende målinger på testbrønnen er utført av Båsum Boring AS, som også stod for boring av testbrønnen. 1.2 Grunnen som energikilde Grunnen som energikilde (geoenergi) kan i prinsippet utnyttes på følgende to måter: Lukket system (kollektorer). Boring av x antall energibrønner, hvor det monteres plastkollektorer med sirkulerende vann-/etanol blanding. Kollektorene fungerer som varmevekslere mot omkringliggende fjellvolum. Energien som trekkes ut av fjellvolumet på et lavtemperaturnivå løftes vha. en varmepumpe opp til et tilstrekkelig temperaturnivå for bruk i et vannbårent varmesystem. Åpent system (oppumpet grunnvann). Boring av x antall energibrønner (langt færre enn for et lukket system), hvor det monteres pumper for oppumping av grunnvann. Grunnvannet infiltreres normalt tilbake mot grunnen, etter utveksling av energi mot varmepumpen. Oppvarming og kjøling For både lukkede og åpne systemer kan et geoenergianlegg i tillegg til varme, også produsere kjøling. Når temperaturen i energibrønnene er tilstrekkelig lav kan bygget forsynes med frikjøling, ved direkte veksling mot brønnene. Når frikjøling ikke er tilstrekkelig, kan varmepumpen kjøres som kjølemaskin. Overskuddsvarme dumpes mot energibrønnene. Dette gjør at man i mange tilfeller kan oppnå effektiv sesonglagring av energi. Valg av system Et lukket system er det mest vanlige i Norge. Enkelte steder kan man imidlertid treffe på betydelige vannmengder i grunnen, som gjør at et åpent system er mer aktuelt. For dette prosjektet er det et lukket system med energibrønner og kollektorer som er aktuelt, og som er vurdert videre i denne rapporten. NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 4 av 13

5 2 Lokale forutsetninger 2.1 Testbrønnen Testbrønnen ble boret og kollektor montert den 19. juni 2014, og har følgende karakteristika: Dybde: Dybde til fjell: Foringsrør, L/D: Diameter, borehull: Kollektor: Kollektorvæske: 250 meter 0,5 meter 3 meter / 139,7 mm 114 mm Enkel U, PEM 40mm. Standard, glatt kollektor. HX35 Se vedlegg A for ytterligere detaljer. Testbrønnen er plassert omtrent som angitt i figuren under. Figur 1 Plassering av testbrønnen 2.2 Bergart Fjellgrunnens evne til å transportere energi varierer fra bergart til bergart, og også innenfor èn og samme bergart. Jo høyere varmeledningsevne, dess bedre egnet er fjellgrunnen for etablering av et geoenergianlegg. Bergartene i området er iht. NGUs kartdatabase; A. Skifer med tynne lag av siltstein og kalkstein. Økt innslag av kalkstein mot øvre del av formasjonen. B. Kalkrik sandstein, skifer og tynne kalksteinslag, knollekalk i nordvest, stedvis kalksteinskonglomerat C. Skifer, siltig til sandig, med lag av kalkstein og sandstein. Kalkstein og knollekalk i toppen og bunnen, skifer i midten av formasjonen. B A C D D. Hornfels, kontaktmetamorfe kambrosilurbergarter Figur 2 NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 5 av 13

6 2.3 Løsmassemektighet Dybde til fast fjell påvirker investeringskostnadene, da meterprisen for boring gjennom løsmasser er 3-4 ganger så høy som for fjellboring. I tillegg har løsmasser normalt dårligere varmeledningsevne enn fjell. Det ideelle for etablering av et geoenergianlegg er 1-2 meter overdekning, mao. tilstrekkelig løsmasser for graving av grøfter til rørføring mellom brønntopper og samlekum/energisentral. Ifm. boring av testbrønnen er det avdekket dybde til fjell på 0,5 meter. Det kan forventes varierende løsmassemektighet, men det forventes ikke mer enn 8-10 meters dybde til fjell i aktuelt område for brønnpark. NB! Over fast fjell kan det i området forventes løsmasser i form av av leire, noe som kan utgjøre en risiko for setningsskader ved utfrysing. Det er derfor spesielt viktig å dimensjonere energibrønnene og/eller utføre tiltak slik at utfrysing av masser rundt energibrønnene unngås. 2.4 Grunnvannsnivå Grunnvannsnivået er en viktig faktor ifm dimensjonering av et lukket geoenergianlegg, da varmeoverføringen mellom kollektoren og berget kun skjer i den vannfylte delen av energibrønnen. Over grunnvannsstanden er det luft som har stor termisk motstand, slik at varmeoverføringen her er ubetydelig. Ved lavt grunnvannsnivå kan det være aktuelt å injisere en termisk masse i den tørre delen av brønnen, slik at hele kollektoren får god termisk kontakt med fjellvolumet rundt brønnen. Dette er ofte et rimeligere tiltak enn å kompensere med flere borede brønnmeter. Grunnvannsnivået i testbrønnen ble etter termisk responstest målt til 7 meter under brønntopp. Det antas at dette er representativt for området, men kontrollmålinger bør foretas etter at flere brønner er boret. 2.5 Temperaturgradient og gjennomsnittlig temperatur i brønner Temperaturen i fjellvolumet og grunnvannet som omslutter energibrønnene varierer noe fra sted til sted, og er ofte direkte koblet mot stedets uteluft årsmiddeltemperatur. I østlandsområdet er gjennomsnittlig temperatur i de øvre meter som regel mellom 7 og 10 C, mens i kaldere klima kan utgangstemperaturen ligge helt ned mot 3-5 C. For et geoenergianlegg som primært skal benyttes til oppvarming (lite eller ingen kjøling), er det bedre jo høyere temperaturen i utgangspunktet er. Figur 3 Måling av temperaturgradient For dimensjonering av en brønnpark er det nødvendig å vite hvilken urørt temperatur man har i fjellvolumet. Det er derfor foretatt målinger i testbrønnens profil, både før (blå) og etter (rød) utført termisk responstest (se figur 4). Målinger etter responstest ble utført umiddelbart etter avsluttet sirkulasjon. Gjennomsnittlig urørt temperatur er for testbrønnen målt til ca. 8,7 C. Temperaturgradienten målt før termisk responstest ( urørt ) indikerer at de øvre meterne av fjellvolumet er påvirket av bygningsmassen rett ved testbrønnen. Dette ses ofte i umiddelbar nærhet av bygg som har stått i noen tiår. Det må forventes en noe slakere gradient i det øvre sjiktet for brønner som bores lenger unna. Det er i de følgende simuleringene derfor brukt en noe lavere representativ starttemperatur i fjellgrunnen. Temperaturgradientene indikerer en svak inntrengning av grunnvann/grunnvannsbevegelse i brønnen ved ca meter og ved ca. 120 meter. Det er rapportert om lite vann under boring. Figur 4 Målt temperaturgradient, før/etter termisk responstest NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 6 av 13

7 3 Termisk responstest 3.1 Hva er en termisk responstest? En termisk responstest utføres ved at man kobler en testrigg mot kollektorene i en ferdig boret energibrønn. Kollektorvæsken sirkuleres vha en pumpe i testriggen, typisk 0,4 1,0 l/s. Etter en periode med kun sirkulasjon slås elektriske varmeelementer på, og oppvarmet væske sirkulerer i kollektoren. Temperaturstigningen i kollektorvæsken, sammen med andre parametre, logges gjennom hele testperioden, som typisk varer i timer. Jo flatere temperaturkurve, dess bedre evne har brønnen og omliggende fjell/grunnvann til å svelge tilført energi. 3.2 Loggede data Termisk responstest ble gjennomført i perioden juni. Etter innledende sirkulasjon ble det satt på 9 kw varmeelementer. Loggede parametre er vist i figurene under. Figur 5 Loggede temperaturer i kollektorvæske Figuren under viser tilført effekt til varmeelementene (+pumpe) og sirkulert mengde gjennom testperioden. Figur 6 Tilført effekt og sirkulasjon i testperiode NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 7 av 13

8 3.3 Analyse av måledata Temperaturutviklingen i kollektorvæsken er lagt inn i et simuleringsprogram, og følgende representative verdier er beregnet: Fjellgrunnens effektive varmeledningsevne: Borehullets termiske motstand, varmeuttak: Borehullets termiske motstand, kjølemodus: Tabell 1 Testbrønn 2,8 W/m,K 0,10 K/(W/m) 0,08 K/(W/m) Verdiene over benyttes i de videre simuleringene. I figuren under er vist målt gjennomsnittlig temperaturutvikling (T/R) i kollektorvæsken (rød) gjennom testene, samt teoretisk beregnet kurve (blå) basert på verdiene over. Tilpasningene er tilfredsstillende. Figur 7 Tilpasningskurve NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 8 av 13

9 4 Energibudsjett 4.1 Energibehov til oppvarming Energiberegninger er utført av Moe AS v/ Arve Bjørnli, som vist i tabellen under. Tabell 2 Totalt vannbårent varmebehov som potensielt kan tilknyttes et geoenergianlegg er beregnet til ca. 3,77 GWh/år. Vi har ikke mottatt data for dimensjonerende effektbehov. Vi har heller ikke mottatt opplysninger som tilsier at geoenergianlegget også skal produsere kjøling. Normalt vil det være fornuftig å utnytte energibrønnparken til frikjøling og/eller dumping av kondensatorvarme, da dette er svært energieffektivt og dessuten bidrar til tilbakelading av energi mot brønnparken. NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 9 av 13

10 5 Simuleringer dimensjonering av brønnpark 5.1 Forutsetninger for simuleringer For å oppnå tilfredsstillende temperatur i kollektorsystemet/brønnparken gjennom anleggets levetid, er det viktig at brønnparken er korrekt dimensjonert. De følgende simuleringene er basert på resultater fra målinger gjort på testbrønnen, den termiske responstesten samt energi-/effektbelastning på brønnpark og vurderinger fra de foregående kapitlene. Simuleringer er gjort med programmet Earth Energy Designer (EED) Tilgjengelig areal for boring Det er foreløpig sett på et tilsynelatende tilgjengelig areal for boring av brønner, markert med blått i figuren under. Dette området har et totalt areal på ca m2. For et geoenergianlegg hvor det primært skal hentes energi ut av fjellvolumet (liten eller ingen tilbakelading) må brønnene normalt plasseres med stor innbyrdes avstand, slik at de i minst mulig grad påvirker hverandre over tid. Med innbyrdes avstand på meter er det innenfor angitt areal plass til brønner. Det er da tatt hensyn til at brønner kan skråbores i ytterkanter. Figur 8 Antatt tilgjengelig areal for brønnpark Dimensjoneringskrav Som forutsetninger for dimensjoneringen er det satt følgende krav til temperaturer og temperaturutviklingen i brønnparken: K1 Gjennomsnittstemperaturen i kollektorer (T/R) som følge av månedlig energiuttak skal etter 5 års drift ikke være lavere enn 0,5 C. K2 Gjennomsnittstemperaturen i kollektorer (T/R) som følge av effektuttak ved dimensjonerende forhold skal etter 5 års drift ikke være lavere enn -1,0 C. K3 Temperaturfallet i kollektorer/brønnparken skal etter 5 års drift ikke være større enn 0,2 K pr. år. Tabell 3 NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 10 av 13

11 Annual min-max fluid temp. [ C] Energidekningsgrad for varmepumpe Det er gjort simuleringer med hhv. 90, 70 og 50 % energidekning for varmepumpe. For en foreløpig estimering av varmepumpens ytelse og tilhørende effektbelastning mot brønnpark er det antatt hhv. 2800, 3400 og 4000 ekvivalente driftstimer for de tre alternativene for dekningsgrad. Varmepumpens gjennomsnittlige COP er satt til 3,0. Dette gir følgende oppsett for varmepumpens ytelse/energidekningsgrad og tilhørende energibelastning mot brønnparken: Tabell Resultater fra simuleringer Simuleringene gir flere alternative brønnparker som alle tilfredsstiller temperaturkravene (K1-K3) fra kap Under er vist noen eksempler, der det både er vist antall brønner dersom det bores til 300 meter, samt antall brønner dersom det bores 250 meter dype brønner (som for testbrønnen). Energidekningsgrad, VP Antall brønner Dybde (effektiv/vannfylt), m Innbyrdes avstand, m 90 % 98/ / % 66/78 293/ % 40/48 293/ Tabell 5 Med de gitte forutsetningene vil temperaturen i de foreslåtte brønnparkene over en 10 års periode utvikle seg omtrent som vist i figuren under Year Figur 9 Driftsår 1-10 Rød kurve viser gjennomsnittlig temperatur(t/r) i kollektoren ved dimensjonerende vinterforhold, dvs. når varmepumpen er i drift 24 timer i døgnet. Grønn kurve viser gjennomsnittlig temperatur i kollektoren (vinter) som følge av energiuttaket pr. måned. Oransje kurve viser gjennomsnittlig temperatur i kollektoren (sommer) som følge av energitilførselen til energibrønnene (naturlig varmeflyt fra omgivelsene). NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 11 av 13

12 Fluid temperature [ C] Figuren under viser gjennomsnittlig temperaturutvikling i kollektorvæsken i det 5. driftsåret. Her viser grønn kurve temperaturen ved dimensjonerende forhold pr. vintermåned, mens rød kurve viser temperaturutviklingen pr. måned som følge av uttak av energi til brønnparken JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Year 5 Figur 10 Driftsår 5 Kommentarer Med de gitte forutsetningene viser simuleringene en fornuftig temperaturutvikling i brønnparken, og generelt gode driftsbetingelser for varmepumpe. NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 12 av 13

13 6 Oppsummering, presiseringer og anbefalninger Resultater fra boring av testbrønn, temperaturmålinger, grunnvannsnivåmåling og termisk responstest viser at området rundt idrettshøgskolen er godt egnet for etablering av et geoenergianlegg. Det store varmebehovet krever et betydelig antall energibrønner med en tradisjonell dimensjonering, som typisk dekker % av det totale varmebehovet. Med lite eller ingen tilbakelading gjennom sommerhalvåret må brønner plasseres med stor innbyrdes avstand, noe som vil kreve at et betydelig areal for brønnpark avsettes. Ut fra et foreløpig anslått tilgjengelig areal for brønnpark synes det realistisk å kunne etablere et geoenergianlegg som dekker ca. 60 % av det totale varmebehovet. Dersom et slikt anlegg realiseres kan det forventes en årlig energibesparelse på ca. 1.5 GWh/år. I det videre arbeidet med prosjektet anbefales følgende: - Vurdere tilgjengelig areal for boring av brønner opp mot ambisjonsnivået for prosjektet - Avdekke evt. muligheter som finnes for tilbakelading av energi til brønnpark (kjøling, avkastluft, fotballbane, gråvann, avfukting, etc.) - Vurdere temperaturkrav for ulike deler av varmebehovet opp mot varmepumpedrift - Avdekke netto, virkelige effektbehov til oppvarming (og evt. kjøling) - Skissere en lokalt tilpasset systemløsning for geoenergianleggets produksjon av varme og evt. kjøling Først etter en gjennomgang av ovennevnte vil en endelig dimensjonering av varmepumpe og tilhørende brønnpark kunne utføres. Det presiseres at utførte simuleringer er basert på mottatt underlag, samt egne beregninger og vurderinger. Evt. betydelige endringer i disse forutsetningene vil også gi endrede betingelser for simuleringene av brønnparken. NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest Side 13 av 13

14 NORGES IDRETTSHØGSKOLE Termisk responstest VEDLEGG A Brønnrapport