Hent energi fra grunnvann

Dypt under bakken er temperaturen stabil året rundt, til tross for store svingninger i lufttemperatur mellom sommer og vinter. Fra 10 meter dybde og nedover er temperaturen kun litt under årsgjennomsnittet, som for mange steder i Norge ligger mellom 3 til 7 ºC. Disse lune forholdene kommer hovedsakelig fra solvarmet vann som siver hundrevis av meter nedover fra overflaten, og samtidig avgir energi til omkringliggende berg og grunnvann. Denne energien kan vi utnytte til bygningsoppvarming, men vi må først få energien tilbake til overflaten hvor en varmepumpe kan heve den til et brukbart temperaturnivå.

I motsetning til oljeutvinning så borer vi her etter en fornybar ressurs, nemlig sesonglagret solenergi! Den

vanligste metoden er å bore gjennom løsmasse og så videre nedover til fast fjell, til mellom 100 til 300 meters dybde. Et foringsrør av stål blir installert i den øverste delen for å holde løsmassen ute av brønnen. I Norge er det ofte kun noen få meter til fast fjell, men i elvedaler kan behov for veldig lange foringsrør være kostnadsdrivende.

Indirekte veksling - for robust og støyfritt anlegg

Grunnvannet liggende i brønnen kan pumpes opp til en varmeveksler på overflaten og sendes tilbake under bakken via en annen brønn. Slike direkte systemer opplever ofte driftsproblemer fra utfelling og tetting pga. dårlig vannkvalitet.

Indirekte systemer er mer robuste fordi varmen i grunnvannet først overføres til frostvæske i et kollektorrør fôret vertikalt ned i hver brønn. Røret er av PE-plast med diameter mellom 40 til 50 millimeter, og er loddet på bunnen av hullet. Selve borehullet har en diameter på minst 110 millimeter, som gir nok plass for plastrørets tur- og returløp. En pumpe sirkulerer frostvæske gjennom dette kollektorrøret og videre tilbake til en varmepumpe i bygget. Fordi det er vann på begge sider av maskinen, heter dette systemet vann-til-vann varmepumpe.

Den delen av brønnen som er i fast fjell og fylt med grunnvann utgjør de «aktive brønnmeterne» som kan utnyttes til energiformål. Man kan vanligvis hente ut mellom 30 til 40 Watt varme per aktiv brønnmeter, avhengig av grunnforholdene i området. En brønn på 300 meter vil derfor kunne gi mellom 9 til 12 kiloWatt varme.

Flere energibrønner = brønnpark

Figur 1 viser en komplett energibrønn, en betegnelse som skiller denne fra brønner for vannforsyning. For småhus vil en enkel energibrønn på 150 meter være tilstrekkelig, men større bygg må ha flere brønner i et område som heter brønnpark. Brønnene plasseres gjerne med 20 meter innbyrdes avstand for å ikke forstyrre hverandre. Kollektorrør fra flere brønner føres i grøft til en eller flere samlekummer, slik at vi bare trenger å føre ett rørpar videre gjennom veggen og inn i varmesentralen i bygget. Brønntoppene, samlekummer, og alle grøftene er dekket over; brønnparken blir dermed et lydløst og usynlig anlegg, uten bevegelige deler.

Hvis utearealet for brønnparken er begrenset, så kan energibrønner bores under kjelleretasjen før nybygget er reist.

Figur 1 Venstre: Energibrønn I fjell med U-kollektorrør (Novema Kulde AS). Høyre: Energibrønnpark (Earth Energy Designer: EED)

Varmepumpen gjør energien brukbar

Varmepumpen har en nøkkelrolle for at vi skal kunne utnytte energibrønner effektivt; den må holde frostvæsken kald nok for å tiltrekke varme fra grunnen (cirka 0 ºC), og samtidig må den overføre denne energien til byggets vannbårne anlegg med en brukbar temperatur (typisk over 40 ºC). Maskinens kompressor må jobbe hardere, og bruke mer tilført elektrisk energi, hvis spennet mellom disse to temperaturnivåene øker. Det er derfor byggteknisk forskrift krever at større nybygg er tilrettelagt for lavtemperatur varmeløsninger.

En investering med lang levetid

Med riktig design på både brønnpark og varmeanlegg kan vann-til-vann varmepumper levere 3 til 4 ganger mer varmeenergi enn tilført elektrisitet, og dekker dermed nesten hele byggets varmebehov. For de alle kaldeste dagene er det behov for tilleggsvarme fra kjel eller fjernvarme.  Årlige energiutgifter for hele varmeanlegget blir likevel mer enn halvert sammenlignet med bruk av kjel eller fjernvarme alene.

Energibrønner er en dyr investering. En større, komplett brønnpark koster mellom kr. 400,- til 600,- per brønnmeter, men energibrønner har veldig lang levetid og vil fortsette å gi billig, fornybar energi mange år etter de årlige besparelsene har nedbetalt den første investeringen. En luft-til-vann varmepumpe er riktignok en billigere investering fordi den henter varmen kun fra uteluft, uten behov for brønnboring. Uteluft er imidlertid en mye kaldere kilde enn grunnvann, og dette fører til redusert effektivitet, levetid, og dekningsgrad. En luft-til-vann varmepumpe kan likevel være en gunstig løsning i varmere klimasoner, hvis plassering av utedelen tilfredsstiller krav til estetikk, høyde, og støynivå.

ENERGIBRØNNER - verdt å merke seg

1. Kalde brønner kan gi kalde føtter

Alle brønner for varmeuttak blir kaldere de første årene, men en riktig dimensjonert brønnpark vil stabilisere seg etter noen år slik at væsketemperaturene mot slutten av den 20. fyringssesongen kun er mellom -1 ºC til -2 ºC, som vist i figur 2.

Figur 2 Simulerte væsketemperaturer for brønnpark med 18 brønner, med varmelading om sommeren. (EED)

Hvis brønnparken derimot er for liten kan det fort bli kaldt nede i brønnene, særlig mot slutten av sesongen når varmepumpen må senke frostvæsken ned til -5 ºC eller lavere. Hver grad lavere utgående væsketemperatur betyr 3 % tap i effektivitet, og dermed økt elektrisitetsforbruk.

Kalde brønner kan bli et økende og permanent problem hvis de ikke mottar nok varme for å lade opp igjen til neste fyringssesong. Det er viktig å involvere energirådgivere tidlig i planlegging; de bruker simuleringsprogrammer og data fra Norges Geologiske Undersøkelser for finne den optimale løsningen for brønnparken. Det er anbefalt å bore en testbrønn og utføre en termisk responstest for å sjekke grunnforholdene og evt. justere dimensjoneringen av større brønnparker.

2. Frikjøling - gratis kjøling uten maskineriet

Man kan hjelpe naturen med å rette på ubalansen hvis bygget har også et kjølebehov i sommermånedene. Mye av dette behovet kan dekkes ved å sende overskuddsvarme fra byggets kjølesystemer ned i energibrønnene. Dette kalles for frikjøling fordi man trenger kun pumpedrift for å sirkulere væsken mellom brønner og kjøleveksler. Hvis kjølebehovet er stort, så vil væsketemperatur fra brønnene til slutt bli for høye for å kunne fjerne overskuddsvarme direkte. Dette skjer ved brønntemperaturer over 10 ºC.

3. Sommerlading av energibrønner

Når frikjøling ikke er tilstrekkelig kan varmepumpen startes opp og kjøres som en kjølemaskin. I stedet for å kaste bort overskuddsvarmen via en tørrkjøler på taket, anbefales det å dumpe så mye man kan ned i energibrønnene via en dedikert dumpeveksler i varmeanlegget. Mye av denne varmen blir lagret i brønnparken og gjenvunnet som effektiv oppvarming når vinteren kommer tilbake. Vannkjøling med energibrønner er også mer effektivt enn bruk av tørrkjøler, og skjer uten støy fra vifter. En brønnpark som lades om sommeren kan ha kortere brønnavstander, noe som er viktig hvis man har begrenset areal.

Hvis kjølebehovet er veldig stort, så kan brønnene igjen blir for varme for effektiv drift av kjølemaskin, særlig hvis brønntemperaturer overstiger 30 C° mot slutten av sommerukene. I slike tilfeller kan en tørrkjøler på taket brukes som spisslast, for å avlaste brønnparken. Hvis man vil unngå installasjoner på taket, så kunne brønnparken fra starten vært dimensjonert for kjøling istedenfor varme.

4. Samspill mellom solfanger og energibrønner

Et solfangeranlegg spiller også godt på lag med energibrønner. Solfangere produserer mest varme om sommeren, når behovet fra bygget er minst. Denne overskuddsvarmen kan sesonglagres i energibrønner og dermed redusere størrelsen, og investeringen, i brønnpark. I perioder med frikjøling kan solfangere forvarme tappevann med 100% fornybar energi mens varmepumpen hviler.





Kilde: Artikkelen er skrevet av Norconsult på vegne av NorgesEnergi Bedrift