Artiklar

Borrhålet och dess funktion

2000-01-20

Energibrunnar i berg kan användas för uppvärmning och för kylning, med eller utan värmepump. I Sverige installeras varje år ca 6-7000 borrhålsvärmeväxlare med värmepump. I USA är siffran ca 18.000 och i Tyskland ca 3000 system. Mest vanligt är enskilda brunnar för uppvärmning av bostäder med värmepump. I den här artikeln beskrivs funktionen hos ett enskilt borrhål för värmeuttag. Borrhålskollektorn Det typiska borrhålet för en enskild brunn är ca 70-160 m djupt och ungefär en decimeter i diameter. Det finns flera olika sätt att utforma själva värmekollektorn i borrhålet, men den allra vanligast förekommande är en slang av plast med en U-formad krök i botten. Slangen är fylld med alkohol/vattenblandning för att inte frysa. I Sverige låter man borrhålen fyllas med grundvatten, men i t ex USA och Tyskland brukar man fylla borrhålen med någon form av lerblandning sedan man sänkt ner plastslangarna i brunnen. Slangarna i brunnen kopplas samman med en värmepump som försörjer huset med värme. Figur 1: Borrhålskollektor för uttag av värme och/eller kyla ur berg. Vad kan man ta ut från en energibrunn? Det möjliga effektuttaget från borrhålet beror bland annat på bergets värmeledningsförmåga, men även på hur effektivt värmekollektorn överför värme mellan värmebäraren i plastslangarna och berget närmast borrhålsväggen. Den naturliga, ostörda temperaturen i berget utanför borrhålet är också av stor betydelse. I Sverige består berggrunden huvudsakligen av urberg, såsom granit och gnejs, och värmeledningsförmågan varierar mellan ungefär 3-4 W/m,K. I södra Sverige förekommer mer sedimentära bergarter, såsom kalksten och skiffer, vilka har en värmeledningsförmåga inom intervallet 1,5-3 W/m,K. Temperaturen i berget är mycket olika i södra respektive norra Sverige. I Kiruna är bergets medeltemperatur ca +2oC medan motsvarande temperatur i Skåne är ca +10oC. Det finns alltså mer energi att hämta ur marken i Skåne än i Kiruna. Å andra sidan är värmeledningen i det norrländsk urberget högre än i de skånska sedimenten. Temperaturen vid borrhålsväggen varierar med uppvärmningsbehovet under året. Ju större effektuttag, desto lägre blir temperaturen i borrhålet. För ett normalhus i Sverige varierar effektbehovet under året enlig figur Figur 2: Lastvariation för uppvärmning av ett normalhus i Sverige under ett år. Dygnsvariationer och månadsmedellast. Effektuttaget under året innebär att en viss energimängd har tagits från berget omkring borrhålet. Detta medför att berget efter hand kyls ner. Temperatursänkningen är som störst under de första driftåren och planar därefter ut. För ett enskilt borrhål sjunker temperaturen inte mycket efter de inledande 5 driftsåren. Vid en normal dimensionering (60-70 % effekttäckning) för ett enskilt hus är det möjligt att ta ut ungefär 20-50 W per meter borrhål (baserat på värmepumpens kyleffekt, dvs den del av värmen som tas från berget). Den lägre effekten gäller för orter med låg marktemperatur och låg värmeledningsförmåga i berget, medan den högre effekten gäller för orter med hög marktemperatur och hög värmeledningsförmåga. Figur 3: Variationer i värmebärartemperatur under 25 år i ett borrhål som värmer ett svenskt normalhus. Hur långt från borrhålet når temperaturändringen? Temperaturstörningen i marken minskar med ökande avstånd från energibrunnen. Amplituden på störningen minskar också med ökande avstånd. En meter från brunnen är amplituden över året ca 1.5 grader, medan temperatursänkningen är jämn och bara någon tiondels grad på 20 meters avstånd från brunnen. På större avstånd än fem meter från brunnen är det i stort sett bara årsmedeleffektuttaget som påverkar temperaturen. Figur 4: Temperaturstörning i marken på olika avstånd från en energibrunn som värmer ett svenskt normalhus under 10 driftsår. Kylsystem utan värmepump En energibrunn som används för kylning utan värmepump fungerar på ett liknande sätt. Eftersom värme tillförs berget kommer temperaturen efterhand att stiga. Vanligen brukar man ange en högsta tillåtna utloppstemperatur från borrhålet för att kylningen ska bli tillräcklig, och borrhålsdjupet dimensioneras efter det. Figur 5 visar utloppstemperaturen från ett 200 m djupt borrhål i normalt urberg med konstant kyleffekt (38 W/m) året om i tio år. Figur 5: Utloppstemperaturen från ett 200 m djupt borrhål för kylning med konstant effekt (38 W/m) under 10 år. Större system med fler borrhål För system med flera borrhål blir bilden mer komplicerad. Borrhålen påverkar varandra termiskt, och hur stor påverkan är beror av många faktorer, bland annat avstånden mellan borrhålen och den geometriska form som de placeras i. Hur flerhålssystem fungerar tar vi upp i en kommande artikel. Docent Göran Hellström, Avd. för Matematisk Fysik, Lunds tekniska högskola, goran.hellstrom@matfys.lth.se Tekn. Lic Signhild Gehlin, Avd. för Vattenteknik, Luleå tekniska universitet, gehlin@sb.luth.se Artikel tagen ur "Energi & Miljö" nummer 1 År 2000.