Teknik och forskning | 30 mar 2023

Uppmätt långtidsprestanda för geoenergianläggning

Inom det fyraåriga internationella samverkansprojektet IEA HPT Annex 52 – Långtidsmätning av prestanda hos större geoenergianläggningar, har driftdata från ett trettiotal större geoenergianläggningar i sju länder analyserats. En av dessa anläggningar är borrhålslagret för Studenthuset vid Stockholms universitet. Här sammanfattas resultaten från fem års prestandamätningar.

I en teknikartikel i Energi & Miljö nr 12/2022 (Gehlin och Spitler 2022) beskrevs det nu avslutade internationella samverkansprojektet IEA HPT Annex 52 (IEA HPT 2019) och dess bidrag till utvecklingen inom långtidsmätning av prestanda hos större geoenergianläggningar, inklusive ett systemgränsschema som lämpar sig för sådana större geoenergi­anläggningar.

Ett av mätprojekten inom Annex 52 är geoenergianläggningen som värmer och kyler Studenthuset vid Stockholms universitet. I den här artikeln presenteras årsvärmefaktorer för olika systemgränser baserat på fem års mätdata (januari 2016–december 2020) från Studenthusets geoenergianläggning. Ytterligare resultat och analyser från anläggningen finns presenterade i (Spitler och Gehlin 2022).

Studenthusets geoenergianläggning

Studenthuset är en fyra våningsplan stor byggnad på 6 300 m2 som stod färdig hösten 2013. Byggnaden innehåller kontorsytor, mötesrum, studieplatser och ett kafé. Klimatanläggningen är välinstrumenterad och sköts av kunnig driftpersonal.

Byggnadens behov av värme, kyla och tappvarmvatten täcks helt av geoenergi­anläggningen. Ingen extra värme eller kyla finns installerad, förutom elspetsvärme som höjer temperaturen för tappvarmvattnet för legionellaskydd. Värmen distribueras vid 40 °C distributionstemperatur (istället för 55 °C) via radiatorer med extra stora ytor. Kyldistributionen sker med en kombination av vav (variabel luftvolym) och cav (konstant luftvolym) via kylbafflar för ventilation och kyla.

Geoenergianläggningen består av fem 40 kilowatts vätska-vatten-värme­pumpar som är kopplade till ett borrhålslager med 20 grundvattenfyllda borrhål i kristallint berg. Borrhålen är 200 meter djupa och försedda med enkla u-rörskollektorer fyllda med en etanol-vatten-­blandning. Borrhålen är placerade under en innergård och är vinklade så att de når in under den omgivande byggnaden. Rumskylan täcks av direktkylning från borrhålen, där köldbärarens temperatur från borrhålen är högst 16 °C.

Figur 2 visar ett förenklat schema över Studenthusets geoenergianläggning. Sex systemgränser (0–5) finns angivna i bilden,
men anläggningens styr- och övervakningssystem möjliggör bara beräkning av prestandan för nivåerna H2, H3+ och H5+, samt C2 och C3 (som är samma för detta system). Prestandafaktorerna (PF) kan också bestämmas för systemgräns H1* och C5*, men då med vissa approximationer.

Asterisken anger att den uppmätta prestandafaktorn inte helt stämmer överens med definitionen inom Annex 52. Mer specifikt handlar detta om att elmätningen för värmepumpen även innehåller el till interna cirkulationspumpar och styrpaneler i själva värmepumpen, utöver elen till kompressorn. Nivå C5* innehåller kylan via ventilationsluften, men det finns inga tillgängliga mätningar för luftflödet, därav asteriskmarkeringen.

Analysen indikerar att om anläggningen drivs som nu, kommer borrhålen att hålla sig inom satta temperaturgränser under flera decennier.

 

En fullständig beskrivning av instrumentering, metod och osäkerhetsanalys finns i Spitler och Gehlin (2019). Styr- och övervakningssystemet var utformat före utvecklingen av Annex 52-systemgränsschema, vilket medför att vissa elmätare registrerar fler mätpunkter än för en viss systemgränsnivå. Exempelvis registreras elanvändningen för de fem värmepumparna tillsammans med elen som går till legionellaskyddsystemet av samma elmätare. Såsom beskrivs i Spitler och Gehlin (2022) kräver detta att vissa antaganden och uppskattningar görs efter datainsamlingen så att elanvändningen kan delas upp på ett rimligt sätt. Dessa uppskattningar bidrar till mätosäkerhet, vilket anges med felstaplar i figurerna 3 samt 9 och 10 (nästa sida).

Energilaster och marklagrets prestanda 

Ett vanligt sätt att karaktärisera en byggnads kyl- och värmebehov är genom en energisignatur, som för Studenthuset visas i figur 3, där dock, för tydlighetens skull, tappvattenvärme och kökskyla inte ingår. Förvånande nog använder byggnaden en viss del kyla ända ner till mycket låga utomhustemperaturer. Troligen härrör detta till kallvattencirkulation vilket leder till upptag av värme från rumsluften.

Balansen mellan årligt värme- och kyluttag är en viktig parameter för geoenergi­anläggningar. Av skäl som finns beskrivna i Spitler och Gehlin (2022) kunde inte styr- och övervakningssystemet erbjuda tillförlitliga mätningar av värme- och kyluttag från marken. Därför är de årliga energilasterna för marken i figur 4 uppskattade, med positiva värden för värmeuttag och negativa värden för återförande av värme till marken, eller minskning av värmeuttag. Exempel är värmetillförseln till byggnaden (röd), där mängden som kommer från kompressorn (gul) minskar mängden värmeuttag.

Om den årliga värmeöverföringen hade varit perfekt balanserad skulle de positiva och negativa andelarna i figur 4 ha varit lika stora. Det är värt att notera att cirkulationspumparna och fläktarna på lastsidan (LSCPF) använder mer energi än värmepumparnas kompressorer, medan marksidans cirkulationspumpar (SSCP) använder en mycket liten mängd energi. Energianvändningen för LSCPF resulterar i att systemet återför mer värme till marken än det tar ut, trots att byggnadens värmebehov är större än dess kylbehov. Dessutom bidrar även en del kökskyla med värme till marken, vilket ytterligare spär på nettoobalansen och leder till att systemet återför 30 procent mer energi än det tar ut från marken. Osäkerheten i dessa approximationer har inte uppskattats, men byggnadens värme- och kyllaster har osäkerheter i storleksordningen fem, sex procent.

Markvärmeväxlaren

Geoenergianläggningar har i allmänhet fördelaktigare källtemperaturer än luftvärmesystem. Figur 5  illustrerar detta genom att visa både timvärden för utomhustemperatur och timvärden för köldbärartemperatur från marken. Mark­värmeväxlarens frånloppstemperaturer (GHE ExFT) har en diskret uppåtgående trend över tid, med ungefär 0,2 °C ökning över de fem uppmätta åren. Detta stämmer med att den årliga värmeåterföringen är större än det årliga värmeuttaget.

Värmeprestanda

Säsongsprestandafaktorer (SPF) för värme är beräknade för varje år och grupperade enligt de av Annex 52 definierade systemgränserna (figur 2) och med avvikelser indikerade med en asterisk. För varje systemgräns kan man se smärre fluktuationer mellan åren. Från systemgräns 1* till 2 sjunker SPF på grund av cirkulationspumpen (SSCP – source side circulation pump). En ytterligare sänkning mellan systemgräns 2 och 3+ beror på legionellaskyddet (LPS – legionella protection system) som består av en elvärmare som höjer varmvattentemperaturen till 60 °C från de 55 °C som värmepumpen levererar, samt pumparna till varmvattencirkulationen som håller uppe vattentemperaturen i varmvattenledningarna. Mellan systemgräns 3+ och 5+* använder lastsidans cirkulationspumpar och fläktar mer elenergi än värmepumparnas kompressorer, och reducerar därmed SPF med mer än 40 procent till ungefär 1,5. Utformningen och driften av pumpar och rörledningar på lastsidan ingick inte i studien, men det förefaller sannolikt att det finns ett betydande utrymme för förbättringar.

Kylprestanda

SPF för kylsystemet visas i figur 7 för systemgränserna 2 och 5+* (observera skillnaderna i skala). Systemgräns 2 visar mycket höga SPF-värden, eftersom den enda elenergin som räknas in är markslingans cirkulationspump. När man räknar in lastsidans cirkulationspumpar och fläktar för systemgräns 5+* blir dock systemprestandan inte alls så bra. Även om det kan vara svårt att göra en meningsfull jämförelse, så har Southard et al (2014) rapporterat SPFC5 (kyla, inklusive fläktenergi) för ett distribuerat markvärmepumpsystem (det vill säga där flera mindre värmepumpar är placerade ute i byggnaden) med betydligt högre marktemperaturer där värdena ligger på 4,2±0,6. Det distribuerade värmepumpsystemet hade inte frikyla, men var ändå kapabelt att förse byggnaden med rumskyla med avsevärt större effektivitet än Studenthusets system.

Prestandafaktorerna ovan bygger på att den använda energin för systemets cirkulationspumpar och fläktar fördelas mellan produktionen av kyla och värme utifrån respektive energimängd. Ett alternativt tillvägagångssätt är att beräkna en total prestandafaktor för värme och kyla tillsammans, såsom i tabell 1. Inverkan av den interna energin för värme- och kyldistribution är avsevärd, och minskar femårs-SPF från 5,2 för systemgräns HC2 till 1,8 för systemgräns HC5+*.

Prestandafaktorer för kortare intervall än ett år (till exempel ett dygn, en månad eller en vecka) och aggregerade (”binned”) prestandafaktorer – beskrivna av Spitler och Gehlin (2022) – kan också utgöra värdefulla verktyg för att diagnosticera och tolka resultat. Dygnsprestandafaktorer (DPF) för systemgräns HC5+* för kombinerad värme och kyla för hela den uppmätta femårsperioden och plottade mot den totala mängden levererad värme och kyla visas i figur 8.

Prestandafaktorerna är uppdelade på dygn som levererat ”huvudsakligen kyla” (blå), ”blandat”(grön) och ”huvudsakligen värme” (röd), baserat på om förhållandet mellan levererad värme och total levererad värme och kyla legat under 0,25, mellan 0,25 och 0,67, respektive över 0,67.

Den generella trenden för alla kategorierna är att prestandan ökar med ökande totallast. Dygnen med huvudsaklig kylleverans ger relativt högre prestanda eftersom den högre prestandan hos frikyledrift blir dominerande vid högre laster. Karaktäristiken för de ”blandade” dygnen följer samma trend som dygnen med ”huvudsakligen värme”, men i området med lägre laster och prestandafaktorer.

De ”blandade” dygnen (övergångsperioderna under vår och höst) uppvisar två prestandastråk. Det övre stråket förekommer när det är låg tappvarmvattenanvändning och korrelerar med lågt nyttjande av byggnaden. Nästan alla dessa dygn i det övre prestandastråket är antingen veckoslut eller inträffade 2020 efter covidpandemins början då universitetet stängde.

Slutsatser:

I den här artikeln har fem års uppmätta driftdata från Studenthusets geoenergianläggning analyserats utifrån ett systemprestandaperspektiv. Studenthuset byggdes 2013 och mätdata från perioden 2016–2020 visar att kyluttaget överskrider värmeuttaget med cirka 30 procent, vilket lett till en mycket liten temperaturökning i marken över de fem uppmätta åren. Analysen indikerar att om anläggningen drivs som nu, kommer borrhålen att hålla sig inom satta temperaturgränser under flera decennier.

Den dominerande faktorn för den totala prestandan är mängden levererad värme och kyla från geoenergisystemet. Anledningen är att den relativa andelen elenergi till cirkulationspumpar, fläktar och ”parasitanvändning” såsom styrpaneler och solenoider, minskar när energileveransen ökar.

Prestandan för Studenthusets geo­energianläggning är som högst när byggnaden används i hög grad, och de lägsta prestandafaktorerna förekommer under perioder när studenterna inte är på campus och byggnaden används i liten grad. Under dessa perioder blir elanvändningen för standbycirkulation, tappvarmvattenvärmning och legionellaskydd dominerande.

Studenthusetstudien pekar ut den negativa effekten av lastsidans distribution (rörledningar, pumpar och fläktar) och legionellaskydd på systemprestandafaktorer. Distributionssystemet och legionella­skyddet orsakar tillsammans en minskning av den totala femårsprestandafaktorn för värme och kyla från 5,2 vid systemgräns HC2 till 1,8 vid systemgräns HC5+*. Vi vill här poängtera att upprätthållande av ett gott legionellaskydd är väsentligt, men att driften av LPS bör optimeras så att det inte använder mer energi än nödvändigt.

Det finns utrymme för vidare förbättringar och komponentutveckling för att minimera energianvändning för lastsidans distribution. En sådan utveckling vore gynnsam, inte bara för geoenergianläggningars prestanda, utan för klimatsystem i byggnader oavsett energikälla.

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