MALVIK KOMMUNE BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK ADRESSE COWI AS Otto Nielsens veg 12 Postboks 2564 Sentrum 7414 Trondheim Norge TLF +47 02694 WWW cowi.no INNHOLD 1 Sammendrag og konklusjon 2 2 Teknisk vurdering 4 2.1 Prosjekteringsunderlag 4 2.1.1 Eksisterende bo- og servicesenter 4 2.1.2 Nytt sykehjem 5 2.1.3 Nytt Folkets Hus 5 2.1.4 Samlet varmebehov for bygningene 6 2.2 Varmepumpeanlegget 6 2.2.1 Dimensjonering av varmepumpeanlegg 6 2.2.2 Energibrønner i fjell (bergvarme) 7 2.3 Utforming av varmepumpsystemet 10 3 Referanser 12 4 Vedlegg Data fra EED-simulering 13 OPPDRAGSNR. 137296 DOKUMENTNR. 1 VERSJON E UTGIVELSESDATO 13.04.2013 UTARBEIDET JOST GODKJENT ASK
2/14 BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK 1 Sammendrag og konklusjon Bygningene varmebehov Det er foretatt en overordnet teknisk vurdering av et felles varmepumpesystem, som skal dekke varmebehovet i Motrøtunet bo- og omsorgssenter (2002, BRA 3950 m²), et planlagt bo- og omsorgssenter (sykehjem) med 50 sengeplasser (BRA 5140 m²) og et planlagt Folkets Hus (BRA 1590 m²) i Hommelvik. Bygningene har behov for romoppvarming, oppvarming av ventilasjonsluft etter varmegjenvinnere og beredning av varmt tappevann. Bygningene har ikke kjølebehov. Samlet årlig oppvarmingsbehov for de tre bygningene er estimert til ca. 935.000 kwh/år, mens netto dimensjonerende effektbehov er estimert til ca. 560 kw. Felles varmepumpesystem Varmepumpesystemet skal bestå av ett eller flere varmepumpeaggregater som skal fungere som grunnlast og dekke anslagsvis 50 % av dimensjonerende effektbehov og 85 % av totalt årlig varmebehov. En eller flere kjeler, f.eks. elektrokjel(er), skal benyttes til spisslast og dekke resterende varmebehov (ca. 15 %). Bergvarme energibrønner i fjell (brønnpark) som varmekilde Varmepumpesystemet skal benytte fjell/berg som varmekilde. Det er estimert at 26 energibrønner i fjell á 250 m dybde og med 15-20 meters innbyrdes avstand vil være tilstrekkelig varmekilde for varmepumpen. Utstrekningen av brønnparken vil f.eks. være 240 x 20 m. Ansvaret for vurdering av grunnforholdene og endelig dimensjonering og utforming av energibrønnene (brønnparken) med hensyn til antall brønner, brønndybde, plassering, konfigurasjon og valg av type kollektorer tillegges entreprenøren og dennes tilbud. Mottatt tilbud skal for dette punkt være komplett med alle nødvendige brønner. Antall brønner og enhetspris for brønner i tilbudet skal oppgis. I dette inngår obligatorisk boring av testbrønn med termisk responstest (TRT) for å dokumentere berggrunnens egenskaper med hensyn til varmeledningsevne og vanngjennomstrømning. Forslag til utforming av varmepumpesystemet funksjonskrav Varmen fra den felles varmepumpesentralen i nye HOBOS skal distribueres til de to andre bygningene via et preisolert rørnett (nærvarmenett). Ettersom årlig energibehov til oppvarming av varmt tappevann utgjør ca. 30-35 % av totalt årlig varmebehov for de to sykehjemmene, bør det vurderes å utforme varmepumpeanlegget som to separate anlegg, ett som dekker klimaavhengig varmebehov (romoppvarming, ventilasjonsvarme) og ett som dekker varmtvannsberedning. Begge systemene benytter energibrønnene i fjell som felles varmekilde: Ett eller fortrinnsvis to varmepumpeaggregater som dekker romoppvarming og oppvarming av ventilasjonsluft (klimaavhengige varmebehov) med varmedistribusjon via nærvarmenett. Aggregatene skal benytte R134a som kuldemedium, og utformes for å oppnå høy effektfaktor (COP) over hele driftsområdet, dvs. både ved fullast og ved dellast. Separat varmepumpe for varmtvannsberedning, fortrinnsvis væske/vannaggregat med karbondioksid (CO₂) som kuldemedium. CO₂-varmepumper har den store fordel at de dekker hele varmtvannsbehovet uansett temperaturkrav
BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK 3/14 med høy COP, dvs. det ikke er behov for ettervarming fra kjelanlegget. Distribusjon av varmt tappevann til gml. HOBOS skal skje i eget varmtvannsnett. Ved å dele inn varmepumpen i to separate anlegg, ett for klimaavhengig varmebehov og ett for varmtvannsberedning, vil hele varmtvannsbehovet dekkes meget energieffektivt med varmepumpe. Regulering av varmepumpesystemet blir dessuten enkelt ettersom de to varmepumpeanleggene driftes uavhengig av hverandre. Et alternativ til bruk av egen varmepumpe for varmtvannsberedning er å benytte varmepumpeaggregater med overhetningsvarmeveksler (hetgassvarmeveksler), hvor varme fra kondensator(e) benyttes til forvarming av varmt tappevann, mens overhetningsvarmeveksleren benyttes til ettervarming til f.eks. 60-65 C.
4/14 BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK 2 Teknisk vurdering Det skal bygges et felles varmepumpesystem for eksisterende/nytt sykehjem (boog omsorgssenter, HOBOS) samt nytt Folkets Hus i Hommelvik sentrum. Anlegget skal benytte energibrønner i fjell (bergvarme) som varmekilde. Dette kapittelet viser estimert varmebehov for bygningene, dimensjonering av energibrønner og varmepumper samt anbefalinger vedrørende utforming av varmepumpeanlegget. 2.1 Prosjekteringsunderlag 2.1.1 Eksisterende bo- og servicesenter (HOBOS) Motrøtunet bo- og servicesenter (HOBOS) på Mogjerdet i Hommelvik ble ferdigstilt i 2002 og er bygget i hht. TEK1997. Bygningene består av et bofellesskap i 2 etasjer med loft (avdeling for demente, vanlig avdeling, fellesarealer), base, seniorboliger i 2 etasjer samt dagsenter i en etasje med loft. Totalt BRA er ca. 3950 m². HOBOS har behov for romoppvarming, oppvarming av ventilasjonsluft og beredning av varmt tappevann. Bygget har ikke kjølebehov. HOBOS Nytt sykehjem Figur 1 Mogjerdet med eksisterende HOBOS (Malvik kommune, 2010) Det er foretatt en overslagsberegning av årlig varmebehov og netto dimensjonerende effektbehov for Motrøtunet ved hjelp av Enøk normtall (Enova, 2004). Det er benyttet data for "Sykehjem, Midt-Norge", med middelverdi for kyst og innland. Tabell 1 Estimert årlig energibehov og netto dimensjonerende effektbehov til oppvarming for Motrøtunet (3950 m²) basert på Enøk Normtall for TEK1997 (Enova, 2004). kwh/m 2 år kwh/år W/m 2 kw Romoppvarming 31 123.000 28 110 Oppvarming av ventilasjonsluft 68 269.000 25 99 Varmtvannsberedning 41 162.000 14 55 SUM 555.000 265 Ekvivalent brukstid (τ) mht. oppvarming er ca. 2100 timer per år. Årlig energibehov til varmtvannsberedning utgjør ca. 30 % av totalt årlig varmebehov.
BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK 5/14 Figur 2 Mogjerdet med HOBOS samt planlagt sykehjem og Folkets Hus (FINN kart, 2013). 2.1.2 Nytt sykehjem Det planlagte bo- og omsorgssenteret (HOBOS, sykehjem) i Hommelvik skal ha 50 sengeplasser. Sum nettoareal er ut fra arealet til romprogrammet ca. 5140 m² (Arkitektene Vis-À-Vis AS, 2013). Nybygget vil ha behov for romoppvarming, oppvarming av ventilasjonsluft og beredning av varmt tappevann. Bygningen vil ikke ha kjølebehov. Bygningens årlige energibehov og dimensjonerende effektbehov til oppvarming er beregnet av COWI AS med simuleringsprogrammet Simien 1. Tabell 2 Beregnet årlig energibehov og netto dimensjonerende effektbehov til oppvarming for nytt bo- og servicesenter (HOBOS, 5140 m²). kwh/m 2 år kwh/år W/m 2 kw Oppvarming totalt 57 295.000 45 230 SUM 295.000 230 Årlig varmebehov til varmtvannsberedning er ca. 150.000 kwh/år, og utgjør i størrelsesorden 50 % av totalt årlig varmebehov en betydelig andel. 2.1.3 Nytt Folkets Hus Det planlagte Folkets Hus i Hommelvik skal ha et oppvarmet bruksareal (BRA) på ca. 1590 m². Nybygget vil ha behov for romoppvarming, oppvarming av ventilasjonsluft og beredning av varmt tappevann. Bygningen, som skal ha normale brukstider og full oppvarming hele døgnet i alle arealer, har ikke kjølebehov. Bygningens årlige energibehov og dimensjonerende effektbehov til oppvarming er beregnet av COWI AS med simuleringsprogrammet Simien. 1 Dataprogram for beregning av bl.a. effekt- og energibehov til oppvarming og kjøling i bygninger.
6/14 BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK Tabell 3 Beregnet årlig energibehov og netto dimensjonerende effektbehov til oppvarming for nytt Folkets Hus (1590 m²). kwh/m 2 år kwh/år W/m 2 kw Oppvarming totalt 53 85.000 40 65 SUM 85.000 65 2.1.4 Samlet varmebehov for bygningene Netto dimensjonerende effektbehov ved dimensjonerende utetemperatur er estimert til å være ca. 560 kw for de tre bygningene, mens samlet årlig varmebehov er i størrelsesorden 935.000 kwh/år, Tabell 4. Tabell 4 Estimert årlig energibehov og netto dimensjonerende effektbehov til oppvarming for HOBOS (eksisterende bygg og nybygg) og nytt Folkets Hus. kwh/m²år kwh/år W/m² kw HOBOS ekst. bygning 152 555.000 67 265 HOBOS nybygg 57 295.000 45 230 Folkets hus 53 85.000 40 65 SUM 935.000 560 2.2 Varmepumpeanlegget 2.2.1 Dimensjonering av varmepumpeanlegg Et felles varmepumpesystem for eksisterende og nytt HOBOS samt nytt Folkets Hus skal benytte fjell/berg som varmekilde. Bergvarmepumper i Midt-Norsk klima dimensjoneres for å dekke typisk 50 % av netto varmeeffektbehov ved dimensjonerende utetemperatur (DUT). Anlegget vil da dekke i størrelsesorden 85-90 % av årlig varmebehov. Tilleggsvarme (spisslast) på de kaldeste dagene leveres fra et kjelanlegg. Figur 3 viser et eksempel på effekt-varighetskurve for et sykehjem av TEK10-standard i Trondheims-klima. Figur 3 Eksempel på beregnet effekt-varighetskurve for sykehjem i Trondheims-klima med TEK97-standard (Smedegård og Stene, 2013).
BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK 7/14 Det er estimert et samlet netto dimensjonerende effektbehov til oppvarming på ca. 560 kw, og et totalt årlig oppvarmingsbehov på ca. 935.000 kwh/år. Med 50 % effektdekningsgrad og 85 % energidekningsgrad for varmepumpeanlegget, vil en få følgende effekt- og energidata: Dimensjonerende effekt ca. 280 kw Årlig varmeleveranse ca. 795.000 kwh/år Det skal bygges et varmepumpesystem i det nye bo- og omsorgssenteret, som skal dekke hele varmebehovet i eksisterende HOBOS, nye HOBOS og nye Folkets Hus. Varmepumpen skal benytte vertikale energibrønner i fjell som varmekilde. Som spisslastkjel kan det f.eks. benyttes en elektrokjel. Kjelanlegget vil anslagsvis dekke 10-15 % av årlig varmebehov i de tre bygningene. For de to sykehjemmene utgjør årlig energibehov til oppvarming av varmt tappevann utgjør i størrelsesorden 30-35 % av totalt årlig varmebehov. Dette bør det tas hensyn til ved utforming av varmepumpeanlegget og distribusjon av varme fra felles varmesentral i nye HOBOS, se Kapittel 2.3. Dimensjonering og utforming av energibrønnsystemet er omtalt i neste kapittel. 2.2.2 Varmekilde energibrønner i fjell (bergvarme) Prinsipiell utforming Som varmekilde for varmepumpeanlegget skal det benyttes grunnvarme (fjell). Varmepumpeanlegget tilkobles da vertikale energibrønner (borehull) i fjell, og energibrønnene (Ø150 mm) fungerer som lavtemperatur varmekilde for varmepumpen. Typisk borehullsdybde for større anlegg er 200 til 250 m. Denne typen anlegg utformes med såkalt indirekte varmeopptakssystem, Figur 4. I hver energibrønn installeres det en borehullsvarmeveksler (kollektorslange) i plast, enkelt U- rør (Ø40, PN10). Varmevekslerene kobles sammen i parallell til samleledninger til/fra varmepumpen. Rørsystemet fylles opp med frostvæske, som transporterer varme (termisk energi) mellom energibrønnene og varmepumpeanlegget. Figur 4 Prinsipp for varmepumpe tilkoblet energibrønner i fjell via en sekundærkrets (plastrør) med sirkulerende frostvæske.
8/14 BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK Simuleringer av brønnsystemet Ved dimensjonering av energibrønner i fjell hvor varmepumpen kun benyttes til varmeproduksjon (ingen tilbakeføring av varme), benyttes følgende hovedregler: Anbefalt effektuttak fra fjellet er 30 til 35 W per meter vannfylt brønn Minimum 15-20 meters innbyrdes avstand mellom brønnene Bergvarmeanlegg prosjekteres som om det er stillestående vann i brønnene. Ved estimering av nødvendig antall energibrønner for varmepumpeanlegget i dette prosjektet er det benyttet simuleringsprogrammet Earth Energy Designer (EED, 2013), og data om berggrunn, løsmasser og eksisterende energibrønner i området er hentet fra NGUs databaser (http://www.ngu.no/no/hm/kart-og-data). 280 kw dimensjonerende varmeeffekt for varmepumpen tilsvarer ca. 215 kw varmeopptak fra energibrønnene (fordampereffekt). I EED-simuleringene er det forutsatt følgende rammebetingelser: Data for berggrunn fra NGUs database leirskifer (NGU, 2013) Stillestående vann i energibrønnene, effektiv brønn er forutsatt vannfylt 250 m effektiv brønndybde konfigurert i to rekker á 13 brønner med 20 m innbyrdes avstand mellom brønnene totalt 26 energibrønner (estimat) Borehullsvarmeveksler (kollektorslanger) enkelt U-rør, Ø40 mm, PN10 Frostvæske etanol, væskehastighet 0,6 m/s i borehullsvarmeveksleren Total årlig varmeleveranse fra varmepumpe 795.000 kwh/år hvorav ca. 35 % av samlet årlig varmebehov til oppvarming av tappevann Figur 6 viser beregnet/estimert temperaturutvikling for frostvæsken i energibrønnene over 10 års driftsperiode (høyeste og laveste temperatur for hvert år) ved bruk av 26 energibrønner á 250 effektiv dybde (vannfylt brønn). Figur 7 viser beregnet temperaturnivå for frostvæsken i energibrønnene for siste simulerte (10.) driftsår. Temperaturen på frostvæsken avtar ca. 3 C hvilket regnes som akseptabelt da selv minimale grunnvannsstrømmer vil utjevne dette. Figur 5 viser benyttet brønnkonfigurasjon for EED-simuleringene, dvs. 2 rekker á 13 brønner, hver med 20 m innbyrdes avstand totalt 26 energibrønner. Figur 5 Prinsipiell framstilling av simulert borehullskonfigurasjon, 26 energibrønner 13 brønner i to like rekker med 20 m innbyrdes avstand (EED, 2013).
BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK 9/14 Figur 6 Beregnet/estimert temperaturutvikling for frostvæsken i energibrønnene over 10 års driftsperiode høyeste og laveste temperatur for hvert år (EED, 2013). Figur 7 Beregnet/estimert temperaturnivå for frostvæsken i energibrønnene for siste simulerte (10.) driftsår (EED, 2013). Det er beregnet/estimert at vertikale 26 energibrønner i fjell á 250 m dybde og med 20 meters innbyrdes avstand vil være tilstrekkelig varmekilde for varmepumpen, dvs. at brønnparken oppnår årlig termiske energibalanse over tid. Det er viktig å merke seg at 250 m er effektiv brønndybde, dvs. vannfylt del av borehullet. Ved lav grunnvannstand må det enten kompenseres ved boring av flere energibrønner eller ved tilbakefylling av brønnene med bentonitt, betong e.l. slik at det overføres varme mellom fjellgrunnen og kollektorslangen i hele borehullets dybde. Bruk av turbulenskollektorer istedenfor glatte rør vil redusere brønnenes termiske motstand, og vil dermed kunne medvirke til å redusere nødvendig antall enerbrønner. Ansvaret for vurdering av grunnforholdene samt dimensjonering og endelig utforming av energibrønnene (brønnparken) med hensyn til antall brønner, brønndybde, plassering, konfigurasjon og valg av type kollektorslanger tillegges entreprenøren og dennes tilbud. I dette inngår obligatorisk boring av testbrønn med komplett termisk responstest (TRT se neste side) for å dokumentere berggrunnens egenskaper med hensyn til varmeledningsevne og vanngjennomstrømning.
10/14 BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK Termisk responstesting (TRT) For bergvarmepumper med mer enn 15 til 20 energibrønner (brønnpark) anbefales det at det gjennomføres såkalt termisk responstesting (TRT) for å kunne foreta en best mulig dimensjonering av brønnsystemet. Det bores en vertikal energibrønn (testbrønn) i aktuelt område med ønsket dybde, hvor det installeres en standard borehullsvarmeveksler (kollektorslange, PEM, Ø40 mm, PN10) som kobles til en TRT testrigg (TED). Testriggen tilfører en konstant varmeeffekt til den sirkulerende frostvæsken, og temperaturutviklingen på frostvæsken måles over ca. 3 døgns drift. Måledata gir informasjon om berggrunnens varmeledningsevne og samlet termisk motstand for borehullssystemet, og benyttes ved detaljert dimensjonering av brønnsystemet. Boring av en testbrønn vil også gi en god pekepinn på grunnvannsgjennomstrømningen i fjellet, noe som vil kunne påvirke anleggets ytelse i stor grad. Boring av testbrønn, installasjon av kollektorslange og gjennomføring av termisk responstest koster i størrelsesorden 250.000 kr (Båsum Boring, 2012). Figur 8 2.3 Utforming av TRT rigg for termisk testing av energibrønner i fjell. Utforming av varmepumpsystemet Det skal bygges et varmepumpesystem som skal dekke hele varmebehovet i de to sykehjemmene (gml./ny HOBOS) samt nye Folkets Hus. Varmepumpesystemet skal bestå av ett eller flere varmepumpeaggregater som skal fungere som grunnlast og dekke anslagsvis 85 % av totalt årlig varmebehov. En eller flere kjeler, f.eks. elektrokjeler, skal benyttes til spisslast og dekke resterende varmebehov (ca. 15 %). Varmen fra varmepumpesentralen i nye HOBOS skal distribueres til de to andre bygningene via et preisolert rørnett (nærvarmenett). Ettersom årlig energibehov til oppvarming av varmt tappevann utgjør ca. 35 % av totalt årlig varmebehov for de to sykehjemmene, bør det vurderes å utforme varmepumpeanlegget som to separate anlegg, ett som dekker klimaavhengig varmebehov og ett som dekker varmtvannsbehov. Begge systemene benytter energibrønner i fjell som felles varmekilde: Ett eller fortrinnsvis to varmepumpeaggregater som dekker romoppvarming og oppvarming av ventilasjonsluft (klimaavhengige varmebehov) med varmedistribusjon via nærvarmenett. Aggregatene skal benytte R134a som kuldemedium, og utformes for å oppnå høy effektfaktor (COP) over hele driftsområdet, dvs. både ved fulllast og ved dellast.
BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK 11/14 Separat varmepumpe for varmtvannsberedning, fortrinnsvis væske/vannaggregat med karbondioksid (CO₂) som kuldemedium. CO₂-varmepumper har den store fordel av de dekker hele varmtvannsbehovet uansett temperaturkrav med høy COP, dvs. det ikke er behov for ettervarming fra kjelanlegget. Distribusjon av varmt tappevann til gml. HOBOS i eget varmtvannsnett. Ved å dele inn varmepumpen i to separate anlegg, ett for klimaavhengig varmebehov og ett for varmtvannsberedning, vil hele varmtvannsbehovet dekkes meget energieffektivt med varmepumpe. Regulering av varmepumpesystemet blir dessuten enkelt ettersom de to varmepumpeanleggene driftes uavhengig av hverandre. Et alternativ til bruk av egen varmepumpe for varmtvannsberedning er å benytte varmepumpeaggregater med overhetningsvarmeveksler (hetgassvarmeveksler), hvor varme fra kondensator(e) benyttes til forvarming av varmt tappevann, mens overhetningsvarmeveksleren benyttes til ettervarming til 60-65 C.
12/14 BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK 3 Referanser Enova SF, 2004. Manual for Enøk normtall. Enova håndbok 2004:2. Blocon, 2013: Earth Energy Designer (EED). Dataprogram for detaljert analyse av energibrønner i fjell med dimensjonering av borehullsdybe, antall brønner og brønnplassering. http://www.buildingphysics.com/index-filer/page1099.htm NGU, 2013: Databaser berggrunn, løsmassetykkelse, grunnvann. www.ngu.no. Norges Geologiske Undersøkelser, Trondheim. Smedegård, O.Ø., Stene, J., 2013: Hensiktsmessige varme- og kjøleløsninger i bygninger. Del 1 Bygningers effekt- og energibehov til oppvarming og kjøling. Del 2 Vurdering av dagens krav til termisk energiforsyning i bygninger. Rapport utarbeidet av COWI AS på oppdrag for Enova SF, mars 2013.
BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK 13/14 4 Vedlegg Data fra EED-simulering
14/14 BERGVARMEPUMPE FOR HOBOS OG FOLKETS HUS, HOMMELVIK