Teknik och forskning | 28 dec 2022

Långtidsmätningar av stora anläggningar för geoenergi

Genom ett fyraårigt internationellt samverkansprojekt har experter från sju länder genomfört långtidsmätningar av prestanda hos ett trettiotal större geoenergianläggningar i Europa och USA. Baserat på mätningarna har vägledningar för instrumentering, osäkerhetsanalys och prestandaberäkningar tagits fram och gjorts tillgängliga för att underlätta för fastighetsägare, konsulter och tekniker att göra kostnadseffektiva mätprogram och optimera geoenergianläggningar.

Fältmätningar av prestanda hos byggnaders kyl- och värmesystem är mycket viktiga för att kunna säkerställa att prestandan lever upp till förväntningarna. Geoenergianläggningarnas ägare har gjort stora investeringar med förväntan om god prestanda, och det är därmed viktigt att hög prestanda uppnås. Ett fåtal fältmätningar har rapporterats i litteraturen, men den uppmätta prestandan och hur den ska mätas och analyseras är inte konsekvent redovisad. Denna brist på enhetlighet och vägledning förhindrar att mätprogram genomförs på ett kostnadseffektivt sätt.

Det internationella samverkansprojektet IEA HPT Annex 52 – Long-term performance monitoring of GSHP systems for commercial, institutional and multi-family buildings – genomfördes mellan januari 2018 och december 2021 med delfinansiering för den svenska projektinsatsen från bland annat Energimyndighetens Termo-program. Sju länder deltog i Annex 52: Sverige (som ledde projektet som operating agent), USA, Storbritannien, Nederländerna, Tyskland, Norge och Finland.

Inom projektet har man gått igenom och skapat ett bibliotek av både nya och gamla kvalitetsmässiga långtidsmätningar av prestanda hos större geoenergianläggningar för offentliga och kommersiella lokaler och flerfamiljshus.

Avsikten har varit att förfina och utöka dagens metodik, för att bättre kunna karaktärisera prestandan hos geo­energianläggningar, med hänsyn till den variation av systemtyper som marknaden uppvisar, och även kunna göra jämförelser mellan geoenergianläggningar i olika delar av världen.

Detta underlättar för fastighetsägare, konsulter och tekniker att utvärdera, jämföra och optimera geoenergianläggningar. Det bidrar även med användbar vägledning för tillverkare av instrumentering och komponenter, liksom för dem som utvecklar verktyg för styrning, övervakning och felsökning/diagnostik. I förlängningen leder detta till energi- och kostnadsbesparing. Den här artikeln ger en översikt av resultaten från Annex 52.

Inom Annex 52 har individuella rapporter från 29 långtidsmätningar av geo­energianläggningar i sju länder slutförts och sammanställts. Dessa rapporter är fritt nedladdningsbara via Annex 52:s hemsida: https://heatpumpingtechnologies.org/annex52/documents/.

Geoenergianläggningarnas utformning och tillämpningar varierar stort. De flesta anläggningar använder borrhål i berg som källa för värme och kyla. Fem av geoenergianläggningarna använder grundvatten som värme- och kylkälla och fyra av anläggningarna är utrustade med energipålar. Figur 1 visar var anläggningarna finns.

En geoenergianläggnings totalprestanda påverkas såväl av prestandan hos mark­slingan (primärsidan) och värmepump­enheten, som prestandan hos distributionssystemet i byggnaden (sekundär­sidan). I detta ingår även eventuell tilläggsvärme och tilläggskyla. Experterna inom Annex 52 har identifierat prestandaindikatorer som gör det möjligt att utvärdera prestandan på alla dessa tre nivåer – primärsida, värmepumpenhet och sekundärsida.

Prestandaindikatorerna kan användas för driftutvärdering, feldetektering, system­optimering och för framtida teknik- och systemutveckling, och bidrar med svar på en mängd frågor om anläggningarnas funktion.

När man presenterar en prestandafaktor i en geoenergianläggning är det viktigt att tydligt definiera de systemgränser som avses för prestandafaktorn. Systemgränsen kan till exempel dras runt själva markvärmekretsen, runt värmepumpenheten, runt värmepump och markvärmeväxlaren tillsammans, eller runt hela geoenergisystemet inklusive distributionspumpar och fläktar. Prestandatalet kommer att skilja sig åt beroende på vilka systemgränser som avses.

I litteraturen finns ingen enhetlighet i hur systemgränser anges. I många fall är inte systemgränserna tydligt definierade alls. Därför var en av de första uppgifterna inom Annex 52 att harmonisera systemgränsdefinitionerna och identifiera och rekommendera prestandaindikatorer som tillåter utvärdering för flera olika tydligt angivna systemgränser.

Utgångspunkten för arbetet var det systemgränsschema som togs fram inom EU-projektet Sepemo (Nordman 2012), även om Sepemoschemat har begränsningar när det gäller att ta hänsyn till komplexiteten i större geoenergianläggningar. Det nya systemgränsschema som togs fram inom Annex 52 består av sex systemgränser och en indikator för tilläggsvärme och tilläggskyla (Gehlin och Spitler, 2022), och är en utveckling av Sepemoschemat så att varje Sepemosystemgräns matchar en av Annex 52-systemets systemgränser, men det finns bland annat även en systemgräns för bara markslingan (systemgräns 0), och en systemgräns som hjälper till att identifiera effekten på prestandan från ackumulatortankar (systemgräns 3).

Systemgräns 1 innehåller bara själva värmepumpenheten och den elektricitet som används för kompressorn. I praktiken är det ofta inte möjligt att mäta inom systemgräns 1 utan att även inkludera el som går till parasitförluster inuti värmepumpen och inbyggda cirkulationspumpar och fläktar där sådana förekommer. Systemgräns 5 inkluderar hela geoenergianläggningen från markdel till distributionssystemet inuti byggnaden. Annex 52 systemgränsschema har tillämpats på alla mätprojekten inom Annex 52, även om inte alla anläggningarna hade instrumentering för att mäta och utvärdera för alla systemgränser.

Expertgruppen inom Annex 52 har identifierar ett antal nyckelfaktorer för prestanda, så kallade key performance indicators (KPI), som kan användas för att bestämma prestandan hos geoenergianläggningar vid de olika systemgränserna (Gehlin et al, 2022), till exempel KPI för markkällan, för systemkomponenter och för totalprestandan. Utöver detta har några KPI på byggnadsnivå definierats för att bättre förstå geoenergianläggningens energilaster. Dessa kan vara värdefulla när man analyserar en byggnads egenskaper och identifierar potentiella förbättringar i driftstrategi.

För värmepumpsystem i allmänhet används ofta indikatorer som Coefficient of Performance (COP), Energy Efficiency Ratio (EER) och Seasonal Performance Factor (SPF) för olika systemgränser. Dessa indikatorer har fördelen att de kan fokusera enbart på den faktiska systemprestandan utan att blanda in effekter från byggnadsskalet och byggnadens användare. Värmepumpindustrin använder ofta termerna COP, SCOP, EER och SEER för att ange KPI som beräknats utifrån fysisk testning av en värmepumpenhet under särskilt angivna förhållanden i ett laboratorium, och har ofta betydelse för standarder och normer. Termen Performance Factor (PF) används mer när man avser fältmätningar.

För fältmätningar förespråkar Annex 52 användning av PF med en indikator för tidsperiod (seasonal, monthly, weekly, daily eller binned – SPF, MPF, WPF, DPF, BPF) med subskript som motsvarar den avsedda systemgränsen, exempelvis H1 för värme (heating) på systemnivå 1, C2 för kyla (cooling) på systemnivå 2 och HC4 för kombinerad värme och kyla på systemnivå 4.

Utöver PF på systemnivå 0 är även till exempel årligt värmeuttag, specifikt värmeuttag, och balans eller obalans mellan uttagen och återladdad energi, användbara KPI för att analysera markkällans prestanda. För öppna system (grundvatten och ytvatten) kan olika igensättningsindikatorer vara användbara för att upptäcka igensättning av filter på ett tidigt stadium, så att åtgärder kan sättas in innan det gått för långt.

Allt som allt inbegriper resultaten från Annex 52 ett nytt systemgränsschema för geoenergisystem, en annoterad bibliografi med publicerade långtidsmätningar av prestanda hos större geoenergianläggningar, tre guidelinedokument och 27 fallstudierapporter innehållande 29 fallstudier i Europa och USA. Dessa publikationer innehåller tillsammans fler än 1 000 rapportsidor och finns publicerade på An­nex 52-hemsidan. Utöver detta har Annex 52 även resulterat i tre fritt tillgängliga uppsättningar mätdata från två olika geoenergi­anläggningar, och dessa mätdata kan laddas ned från nätet.

Den annoterade bibliografin (Gehlin och Spitler, 2022) innehåller 82 publikationer som ger en översikt av publicerad litteratur som rapporterar långtidsmätning (minst ett års mätdata) av prestanda (SPF, COP) för större geoenergianläggningar. En av de viktiga upptäckterna i bibliografisökningen var bristen på enhetlighet både vad gäller hur man mäter och hur man rapporterar prestandamätningar. Det visade sig också att prestandafaktorer mycket sällan anges med uppskattad osäkerhet. Bara ett litet fåtal publikationer innehåller osäkerhetsanalyser. Därför togs en handledning för beräkning av osäkerhet fram inom Annex 52 (Spitler et al, 2021).

Instrumenteringshandledningen (Davis et al, 2021) fokuserar på den instrumentering som behövs för att mäta prestandan hos geoenergianläggningar, snarare än på analysmetoder, och innehåller ett stort antal potentiella mätningar som kan användas för olika syften. Den ger en översikt av typisk instrumentering som krävs för att mäta geoenergianläggningars långtidsprestanda. Handledningsdokumentet ger även information om användning av värmemätare och distribuerade temperaturgivare i geoenergistudier. Slutligen tar handledningen upp utmaningar med datahantering, liksom en del metoder för att möta dessa utmaningar.

Handledningen om nyckelfaktorer för prestanda (Gehlin et al, 2022) ger vägledning om varför och hur man mäter, analyserar och presenterar långtidsprestanda med huvudsaklig inriktning på värmepumpen och systemprestanda. Den ger vägledning om systemgränser, nyckelfaktorer och ger exempel från några Annex 52-fallstudier. Arbetet som sammanfattas i rapporten är ett steg mot standardiserade metoder och analyser, och underlättar för ökad spridning av prestandamätning av geoenergianläggningar. I kombination med instrumenteringshandledningen ger handledningen om nyckelfaktorer för prestanda god hjälp för fastighetsägare som vill sätta upp kostnadseffektiv instrumentering och mätprogram för geoenergianläggningar.

Artikelförfattare:
Signhild Gehlin, tekn dr, vd för Svenskt Geoenergicentrum
Jeffrey D Spitler, professor, Oklahoma State University