Det här verket har digitaliserats vid Göteborgs universitetsbibliotek och är fritt att använda. Alla tryckta texter är OCR-tolkade till maskinläsbar text. Det betyder att du kan söka och kopiera texten från dokumentet. Vissa äldre dokument med dåligt tryck kan vara svåra att OCR-tolka korrekt vilket medför att den OCR-tolkade texten kan innehålla fel och därför bör man visuellt jämföra med verkets bilder för att avgöra vad som är riktigt. Th is work has been digitized at Gothenburg University Library and is free to use. All printed texts have been OCR-processed and converted to machine readable text. Th is means that you can search and copy text from the document. Some early printed books are hard to OCR-process correctly and the text may contain errors, so one should always visually compare it with the ima- ges to determine what is correct. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 C M Rapport R46:1988 Jordvärme till Grövelsjöns fjällstation Utvärdering Per-Anders Hjort é INSTITUTET FÖR BYGGDOKUMENTATION Accnr R46:1988 JORDVÄRME TILL GRÖVELSJ'ÖNS FJÄLLSTATION Utvärdering Per-Anders Hjort Denna rapport hänför sig till forskningsanslag 840302-7 från Statens råd för byggnadsforskning till VIAK AB, Malmö. REFERAT Syftet med utredningen har varit att studera driftutfallet av en ca 220 kW stor vär­ mepump där en myrmark utgör värmekälla och jämföra resultatet med det förväntade. Utöver driftdata för åren 1985-86 har kompletterande markstudier utförts. Utvärderingen visar att värmepumpen blivit överdimensionerad. Värmeproduktionen har därför blivit ca 40 % lägre än kalkylerat. Vidare har, som resultat av överdimen­ sioneringen, värmefaktorn blivit lägre än förväntat (stor andel dellastkörning). Energiuttaget ur markkol 1ektorerna har följaktligen blivit lägre än förväntat, ca 30 kWh/m2 mot kalkylerade 50 kWh/m2. Vid aktuell belastning tycks en fullständig återhämtning ske sommartid, varför risken för kontinuerlig nedkylning är liten. Vissa indikationer tyder dock på att uttaget inte bör överskrida 30-40 kWh/m2 och år. Driftekonomiskt har en nettobesparing motsvarande ca 130.000 kr/år erhållits och då jämfört med ett el pannealternativ. I Byggforskningsrådets rapportserie redovisar forskaren sitt a.nslagsprojekt. Publiceringen innebär inte att rådet tagit ställning till åsikter, slutsatser och resultat. Denna skrift är tryckt på miljövänligt, oblekt papper. R46:1988 ISBN 91-540-4887-7 Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm Svenskt Tryck Stockholm 1988 INNEHALL SAMMANFATTNING Sid 1. BESKRIVNING AV ANLÄGGNINGEN 3 1.1 Allmänt om Grövelsjöområdet och fjäll­ stationen 3 1.2 Dimensionerande effekt- och energibehov 9 1.3 Värmeproduktionskalkyl enligt dimensione- ringsunderlaget 9 1.4 Värmesystemet 10 1.5 Systemlösning - Varm sida 11 1.6 Systemlösning - Kall sida 13 2. UPPFÖLJNINGSPROGRAMMET 16 2.1 Frågeställningar 16 2.2 Mätdatainsamling 17 3. DRIFTUTFALL - VARM SIDA 23 3.1 Energiproduktionen och dess fördelning 23 3.2 Effekttäckningsgrad 26 3.3 Systemets funktion 28 3.3.1 Driftserfarenheter 28 3.3.2 Beläggningens inverkan på varmvatten­ förbrukningen 31 4. KALLA SIDANS FUNKTION 34 4.1 Analys av dimensionerande förutsättningar 34 4.1.1 Allmän handlingsgång 34 4.1.2 Jordartsanalys och torwolym 34 4.1.3 Termiska egenskaper 38 4.1.4 Kollektorytornas läge och lutning 39 4.1.5 Klimatets inverkan 40 4.1.6 Inverkan av grundvattenströmningen 42 4.2 Kontrolldimensionering av kollektorerna 45 4.3 Temperaturutveckling i kollektorerna 49 4.4 Energiuttagsmöjligheter från kollektorerna 56 5. EKONOMISKT DRIFTUTFALL 58 6. REFERENSER 60 BILAGA FÖRORD I samband med att man under 1984 installerade en värmepump med ytjordvärmekollektor vid Grövelsjöns fjällstation, erhöll Svenska Turistföreningen experimentbyggnadslån för finansiering av värmepumpsystemet. Följande rapport är en sammanställning av den uppföljning och utvärdering som gjorts de första driftsåren av anläggningen. I uppföljnings- och utvärderingsprogrammet har i huvudsak följande personer deltagit: Olof Andersson, projektledare Per Anders Hjort, handläggare Arvid Arvidsson, ' datainsamling Christer Ståhlkloo, installatör Janne Katari, driftsansvarig VIAK AB, Malmö VIAK AB, Malmö Svenska Turistfören, IDRE Christer Ståhlkloo AB, Mora Svenska Turistfören, Sthlm Rapporten har utarbetats av Per-Anders Hjort och utgör ett delunderlag till ett examensarbete för Geologiska Institutio­ nen vid Göteborgs Universitet. I examensarbetet har de parameterstudier som rör markkollektorerna fördjupats. VIAK AB Malmökontoret Olof Andersson 1SAMMANFATTNING Denna rapport omfattar utvärderingen av driften på ytjord- värmepumpen vid Grövelsjöns fjällstation under åren 1985 och 1986. Värmepumpsaggregatet har en sammantagen effekt av 229 kW, (inkluderat 23 kW för hetgaskylning) vid inkommande brine- temperatur -2°C och utgående -5,5°C vid LUT (lägsta utetem­ peratur) . Maximalt effektbehov är projekterat till 510 kW och det totala projekterade energibehovet uppgår till 1100 MWh. Det uppmätta effektbehovet (inklusive varmvatten) uppgår maximalt till ca 300 kW (varav 39 kW varmvatten). Under åren 1985 och 1986 ligger den normalårskorrigerade energi­ förbrukningen runt ca 650 MWh. Uppmätta värden visar således att värmepumpen är överdimen­ sionerad. Värmepumpens värmekälla består av två friliggande ytjord- kollektorer förlagda i torvmark. Dessa har en sammanlagd yta av ca 11000 m2 och innehåller en total slanglängd av 9400 m PEM-slang 40 mm NT 4. För kontroll av dimensioneringen har geologi, grundvatten, jordens termiska egenskaper, klimat m m undersökts. Dessa parametrar har sedan ställts i relation till den uppmätta driftsituationen. Härvid har bl a temperaturen mätts på olika nivåer i kol lektorerna samt inverkan av grundvatten­ flödet analyserats. Det projekterade energiuttaget ur kollektorerna var satt till 51 kWh/m2. 2Studierna har dock visat att det genomsnittliga energi- 2 uttaget uppgick till ca 30 kWh/m , vilket motsvarar ett effektuttag av ca 9 W/m slang. Även om det inte kan styrkas med den korta mätserie som föreligger (2 år), är det en del som tyder på att ett 2större energiuttag (35-40 kWh/m som nu görs) innebär risk för en fortlöpande nedkylning. Den årliga rörliga driftskostnaden uppgår till storleks­ ordningen 150 000 kr. Jämfört med ett elpannealternativ erhålles en besparing av ca 130 000 kr/år. 31. BESKRIVNING AV ANLÄGGNINGEN 1.1 Allmänt om Grövelsjöområdet och fjälIstationen Grövelsjöns fjällstation är en turistanläggning som ägs och drivs av Svenska Turistföreningen. Grövelsjön är beläget i Dalarnas nordvästra hörn vid norska gränsen, se karta figur 1. Området erbjuder för friluftslivet en omväxlande natur, såväl sommar- som vintertid. Detta kombinerat med det sydliga läget har inneburit att fjäll stationens popularitet är stor. Figur 1 översiktskarta 4Naturen runt Grövelsjön med omgivningar är vacker och relativt lättillgänglig. Inom en radie av några mil ligger bl a Töfsingdalens nationalpark, Idrefjäll och Rogenområ- det. Nere i dalgången och på en nivå av 762 möh ligger Grövel­ sjön, vilken gett namn åt fjällstationen. Sjön sträcker sig ca 7 km i nordsydlig riktning och går med sin nordli­ gaste spets in i Norge. Den dräneras åt söder av ån Gröv- xan, vilken mynnar i Storån någon mil nordost om Idre. Själva stationen är belägen ca 1 km sydost om sjön på en höjd av 816 möh och på västra sluttningen av Långfjället, vilket de olika fjällen brukar kallas med ett samlings­ namn. De mest närliggande topparna är Blåkläppen 1022 möh och Jakobshöjden 1100 möh. Endast 6 km öster om fjäl1 stationen ligger Storvätteshåg- na, Dalarnas högsta punkt, 1204 möh. Skogsgränsen inom området ligger på i genomsnitt ca 800 möh och utgörs av björkskog. Till skillnad från de flesta andra dalafjäll finns här en bård av hedbjörksvegetation upp mot kalfjället. Berggrunden norr om Idre, ovanför den s k skollgränsen, utgörs av fjällbergarter. De består i huvudsak av kvart- siter och sparagmiter (en ganska grov fältspatrik sand­ sten) . I Grövlans dalgång finner man ett område som består av gnejs och granit (G. Lundqvist 1951). Fjällbergarterna vilar på kambrosiluriska skiffrar och kalksten, vilka underlagrar de överskjutningsskollor som bildades vid bergkedjeveckningen. 5De ursprungliga veckningsformerna har efter hand blivit nederoderade och utmejslade av vittringsprocesser och landisar för att nå den form landskapet har idag. I stationens närhet består de kvartärgeologiska avlag­ ringarna i huvudsak av en relativt blockrik och grovkornig morän. Nederbörden som faller över området, i form av regn och snö, avbördas i stor omfattning i form av ytavrinning. Detta i kombination med klimatet har gett upphov till en viss torvbildning på fjällsluttningen. Den torv som har bildats består vanligen av Vitmosstorv (Sphagnum) med varierande inslag av Starrväxter (Carex) och Tuvdun (Va- ginatum). Ärsmedeltemperaturen i Grövelsjön under perioden 1951-1980 var +0,8°C. Den är beräknad på uppmätta data fram till och med 1968. Stationen lades då ner och därför har för utvär­ deringen använts temperaturdata från Särna, ca 50 km söder om Grövelsjön. Som jämförelse redovisas Grövelsjöns respektive Särnas temperaturer i tabell 1. Tabell 1 Månadsmedeltemperaturer från Särna respektive Grövelsjön 1951-1980 Jan Febr Mar Apr Maj Jun Jul Särna -11 ,8 -10,4 -5,3 0,3 6,7 12,0 13,3 Grövelsjön (beräknad) -8,2 -8,2 -5,1 -1 ,1 4,6 10,0 11 ,4 Avvikelse 3,6 2,2 0,2 1 ,4 2,1 2,0 1 ,9 Au g Sep ok t NOV Dec Ar Särna 11 ,9 7,3 2,0 -4,7 -9,3 1 ,1 Grövelsjön (beräknad) 10,2 5,7 1 ,2 -4,6 -6,8 0,8 Avvikelse 1 ,7 1 ,6 0,8 0,1 2,5 0,3 6I tabell 2 redovisas uppmätta temperaturer i Särna från säsongerna 1985 respektive 1986. Tabell 2 Uppmätta månadsmedeltemperaturer från år 1985 respektive 1986, Särna Jan Feb Mar Apr Maj Jun U5 1 CO O Särna -11,8 -10,4 -5,3 0,3 6,7 12,0 1 985 Särna -17/0 -17,5 -5,5 -1 ,7 6,7 12,0 1986 Särna -13,9 -14,6 -2,6 -1 ,9 7,9 14,1 Jul Aug Sep Ok t Nov Dec Âr 1951-80 Särna 13,2. 11,9 7,3 2,0 -4,7 -9,3 1 ,1°C 1 985 Särna 13,4 12,0 5,5 3,9 -9,0 -16,5 -1,1°c 1986 Särna 13,1 9,6 4,4 2,6 -0,6 -9,5 0,7°C Nederbördsmängden för Grövelsjön finns beräknad för perio­ den 1951-1980. Den fördelar sig enligt tabell 3. Tabell 3 Månadsmedelvärde nederbörd 1951-1980 Jan Feb Mar Apr Maj Jun Grövelsjön (beräknad) Totalt 617 37 25 mm korrigerad 27 3 835 mm 43 73 Jul Aug Sep Okt Nov Dec Grövelsjön 94 73 67 49 50 47 (beräknad) Totalt 617 mm korrigerad 835 mm Sedan fjällstationen invigdes 1937 har den successivt byggts ut för att klara en alltmer ökande turistström 7Under slutet av 1970-talet och början på 1980-talet hade man på nytt behov av en ytterligare utbyggnad. Stationens värmeanläggning var också den i behov av renovering. Man beslöt då att separera personalens bostäder från hotellverksamheten och planerade för att bygga en mindre gruppvärmecentral i den nya byggnaden. Innan utbyggnaden använde man för uppvärmning av de gamla lokalerna ca 150 m3 olja (Eo l)/år, ett faktum som gjorde det intressant att diskutera alternativa uppvärmnings- former. Idén med att bygga en ytjordvärmekollektor väcktes internt inom STF. Byggentreprenaden som således också kom att omfatta ett nytt värmepumpsbaserat uppvärmningssystem genomfördes under sommarhalvåret 1984. De nya byggnaderna och ytjordkollektorerna framgår av karta, figur 2. 8Figur 2 Byggnader och ytjordvärmekollektorer (A och B) vid Grövelsjöns fjällstation efter ombyggnationen 1984 (® = Grundvattenobservationsrör) 91.2 Dimensionerande effekt- och energibehov Enligt det projekteringsunderlag som anläggningen är konstruerad efter anges att oljeförbrukningen tidigare legat runt 140-150 m3 Eol/årligen med den gamla oljepannan. Effektbehovet vid LUT (lägsta utetemperatur) har för den nya stationen beräknats till 510 kW och på grundval av detta har värmepumpen dimensionerats med en sammanlagd avgiven effekt av 229 kW vilket ger en effekttäckningsgrad av ca 44 %. Effektbehovet på 510 kW fördelar sig enligt projekterings- underlaget på följande tre enheter: huvudbyggnad 325 kW annex Grövlan 25 kW personalbyggnad och värmecentral 160 kW 510 kW Arsenergibehovet för respektive enhet, delvis baserat på tidigare års värmeförbrukning, har enligt projekteringen beräknats till: - huvudbyggnad 635 MWh annex Grövlan 55 MWh personalbyggnad och värmecentral 410 MWH 1100 MWh 1.3 Värmeproduktionskalkyl En värmepump med fullasteffekten 229 kW (varav 23 kW för hetgaskylning för varmvattenberedning) har enligt projek- teringsunderlaget beräknats täcka ca 85 % av årsenergibe- hovet eller ca 935 MWh vilket motsvarar en ekvivalent fullasttid av ca 4083 timmar. 10 Med arsmedelvärmefaktorn 2,9, som den angetts till i projekteringen, blir eltillförseln ca 325 MWh. Värme­ uttaget ur kollektorn blir således ca 610 MWh, (935-325 MWh). Spetsvärme, 165 MWh (1100-935 oljepannan men till viss del < MWh. Oljeförbrukningen har beräkna ningsgraden 0,8. Sammanfattningsvis har sålede duktionsfördelning beräknats: jordvärme el - olja MWh), fås i huvudsak via ickså via elpatronerna, ca 10 3 bli 19 m vid pannverk- ; följande årliga värmepro- 610 MWh 335 MWh 155 MWh 1100 MWh 1.4 Värmesystem Uppvärmningen av fjällstationen sker från en gemensam värmecentral, vilken är placerad i källaren på den nya personalbyggnaden och värmen distribueras därifrån via kulvert till huvudbyggnad och annex. Returvattnet från dessa värmer sedan i huvudsak personalbyggnaden i vilken ett värmesystem av s k lågtemperaturtyp är installerad. Utöver en ny värmecentral, installerades vid ombyggnaden en värmeåtervinning på frånluften från köket. I en del av byggnaderna har de gamla radiatorerna lämnats kvar. 11 Värmesystemets dimensionerande temperaturer är: LUT (lägsta utetemp) -32°C DIT (dim innetemp) - bostäder +20°C - övriga lokaler +17°C - garage +15°C 1.5 Systemlösning - varm sida Värmeanläggningen är uppbyggd kring två stycken värmepumps- aggregat av typen STAL VMP 112. Dessa har en gemensam avgiven effekt av 206 kW vid en utgående brinetemperatur av -5,5°C och en kondenseringstemperatur av +53°C. För varmvattenproduktionen finns två hetgasväxlare med en sammanlagd effekt av 23 kW. Värmepumpen består av ett kolvkompressoraggregat med eldrivna, semihermetiska komp­ ressorer, tubpanneförångare och kondensor. Värmepumparna innehåller sammanlagt 100 kg av köldmediet freon R22. Den samlade eleffekten till kompressorerna uppgår till 77 kW. Varje kompressor kapacitetsregleras i vardera 4 steg (25 %, 50 %, 75 % och 100 %) vilka styrs av en utetempe­ raturgivare och en givare på framledningstemperaturen efter en förinställd reglerkurva. Denna är inställd på en temperatur av min +35°C vid en utetemperatur av j^0°C och max +51°C vid en utetemperatur av -10°C. För att säkerställa jämnt flöde och goda driftsbetingelser 3 för värmepumpen finns en ackumulatortank på 2 m installe­ rad i primärvärmesystemet, mot vilken värmepumpssystemet arbetar. 12 Systemets principiella utformning framgår av figur 3. KA4 OLJE - PANNA RADIATORKRETS EL PATRONER 15 kW VARMVATTEN KALLVATTEN HETGAS VX 23kW VVB 2 VÄRMEPUMPAR STAL VMP112 2x103 kW MAGASIN 20001 Figur 3 översiktligt flödesschema - varm sida Varmvattenberedningen sker via värmepumpens hetgasväxlare (23 kW) och vid behov även via tillskottsvärme från två elpatroner (2 x 7,5 kW)* Varmvattnet ackumuleras i tre beredare med en sammanlagd volym av 2300 1. Temperaturav­ givningen vid hetgaskylningen är +65 C. En termostat förreglerar värmepumpens reglerkurva då varmvattenbehov föreligger. Värmepumpen är då igång kontinuerligt och producerar varmvatten oavsett utetemperatur. Via en bland ningsventil levereras varmvattnet med en temperatur av + 5 0°C. Vid större effektbehov än vad värmepumpen eller hetgasväx laren kan leverera sker en automatisk inkoppling av olje­ pannan respektive elpatronerna. Oljepannan med effekten 340 kW kopplas in med en viss tidsfördröjning för att förhindra alltför korta driftstider. Vid garantibesikt­ ningen i februari 1987 upptäcktes att den var inställd endast på 12 minuter mot föreskrivna 120 minuter. 13 Den maximala framledningstemperaturen är +65°C. Temperatu­ rer däröver kan medföra för höga returtemperaturer, vilket kan inverka menligt på värmepumpens drift. Värmepumpens tekniska data och installerade effekter på tillskottsvär- me, enligt projektören, framgår av tabell 4. Tabell 4 Värmepumpens prestanda Avgiven effekt kondensor 20 6 kW Avgiven effekt hetgasväxlarna 23 kW Köldmedium R 22 Dim kondenseringstemp + 53°C Dim utgående värmebärartemp ny byggnad + 5 2°C bef byggnader + 60°C Dim returtemperatur ny byggnad + 42°C bef byggnader + 45°C Dim utgående brinetemp -5,5°C Dim kompressoreffekt 77 kW Dim värmefaktor 2,9 (exkl hjälpapparater) Avgiven maxeffekt, oljepanna 340 kW Avgiven maxeffekt, elpatroner 15 kW 1.6 Systemlösning - kall sida Värmepumpen har som värmekälla två stycken ytjordvärmekol- lektorer, förlagda i torvmark. De bägge kollektorerna är placerade ca 70-80 m från varand­ ra och ca 100-120 m från fjällstationen, se figur 2. Deras dimensionerande mått framgår av tabell 5. 14 Tabell 5 Kollektorernas dimensionering Kollektor A Kollektor B Yta 6500 m 4500 m2 2 Volym Slanqlänqd 3300 m* * 3 3600 m 5800 m3 5800 m * Avser volymen av torvlagret i vilken kollektor­ slangen är förlagd. Kollektorslangarna består av 0 40 mm PEL-slangar, NT4. Läggningsdjupet varierar något men ligger inom intervallet 0,8-1,0 m och med c/c-avståndet ca 1,2 m. Slangsystemen är anslutna till PEH-samlingsledningar 0 110-160 mm, NT6, för vidare anslutning till värmecentralen via matningsledningar 0 160 mm PEH, NT6. En schematisk bild över kollektorns utförande visas i figur 4. Då varannan kollektorslang har omvänd flödesriktning och på grund av inkopplingen i framledning och returledning, kommer värmeuttaget att vara någorlunda jämnt fördelat över ytan. Slanglängden är dimensionerad för en värmeupp­ tagning av ca 15 W/m vid en brinetemperatur av -5,5°C in i kollektorn och -2°C ut. 3 Som köldbärare används ca 11 m Brineol vars egenskaper framgår av bilaga 1. Köldbärarvätskan cirkuleras med hjälp av en brinepump 3 dimensionerad för ett flöde på ca 38 m /tim. Värmekällans angivna effekt vid dimensionerande flöde och lägsta utetem­ peratur (LUT) är ca 152 kW. 15 Enligt ansökan till byggforskningsrådet angavs 2 energiuttaget från kollektorerna till 51 kWh/m och år. LUFTNING F RAM L E DNING RETURLEDNING Figur 4 Kollektorernas utförande. Principskiss 2. UPPFÖLJNINGSPROGRAMMET 2.1 Frågeställningar I samband med ansökan om experimentbyggnadslånet gjordes den anmärkningen i ett av Byggforskningsrådets remissvar att anläggningen var relativt schablonmässigt projekterad och att risk för överbelastning av kollektorerna förelåg. Vidare påpekades att geotekniska eller hydrologiska under­ sökningar ej gjorts innan projekteringen. Bland annat befarades att det svala lokalklimatet (årsmedeltemp 0,8°C) skulle inverka menligt på driften genom att kol lektorerna successivt skulle kylas ner. Uppföljningsprogrammet har bl a mot bakgrunden härav därför inriktats på följande frågeställningar: Utfall av projekterad och beräknad energitäckningsgrad via värmepumpssystemet Utfall av beräknad värmefaktor för värmepump samt effektfaktor för hela värmeproduktionssystemet Funktion av styrning och reglering för hela värme­ produktionssystemet där främst styr- och reglertekniska funktioner för samverkan mellan värmepump, varmvattenbe­ redning, varmvattenmagasin och oljebrännare studerats Inverkan av de allmänna geologiska och hydrogeologiska förhållanden inom kollektorområdena på värmeupptagning­ en ur myrmarken Verklig effekt och energiupptagning ur myrmarken med hänsyn tagen till jordarternas sammansättning och egenskaper samt till rådande klimatiska faktorer 17 Temperaturutveckling och återhämtning i kollektor, ställd i relation till brinetemperaturen och effektbe­ lastningen Utfall av beräknad driftsekonomi 2.2 Mätdatainsamling För att kunna utvärdera driften av värmepumpen på såväl varm som kall sida lades ett mätprogram upp. Installatio­ nen av mätutrustningen sköttes till stora delar av projek­ tören Christer Ståhlkloo. Geoteknisk provtagning och installation av temperaturgivare i mark och grundvatten- observationsrör genomfördes av VIAK AB. De olika mätpunkternas placering redovisas på figur 5 och nedan följer en beskrivning av respektive mätpunkt. 1. 2 . 3. 4. 5. 6 . 7. 8. 9. 10. Tryckfall Temp in Temp ut Gångtid VP 1 Gångtid VP 2 Tillslag VP 1 Tillslag VP 2 Värmemängdsmätare Flödesmätaré Elmätare varmvatten 11. Värmemängdsmätare 12. Flödesmätare 13. Gångtid 14. Nivåmätare olja 15. Elmätare 17. Snödjup 20-29. Marktemperatur 30-33. Grundvatten Figur 5 Uppföljningsprogrammets mätpunkter 18 Tryckfall över kollektorn (MÄTPUNKT 1) Registrering av tryckfallet över kollektorn och värme­ pumpens kalla sida har skett kontinuerligt i syfte att spåra eventuella läckor eller igensättningar. Registreringen har skett med en fjäderbelastad manome­ ter. Denna har varit kopplad till fram- respektive returledning till kollektorn och med hjälp av spjäll- ventiler har mätplats varierats. - Temperatur (MÄTPUNKT 2, 3, 20-29) Temperaturmätningarna intar en ganska omfattande del av undersökningen men är samtidigt en av de mer problema­ tiska. Med avseende på de temperaturmätningar som utförts på värmesystemet, köldbärarvätskan och utetempe­ raturen råder inga större oklarheter då registrering av dessa skett med kvicksilvertermometer med en acceptabel noggrannhet. De större osäkerhetsfaktorerna omfattar de temperaturregistreringar som utförts i torven där profiler har mätts såväl horisontellt som vertikalt. En skiss över mätpunkternas placering i djup- och verktikal- led ges i figur 6. MATSKÅP /ty \v- vs--/// vw TERMOELEMENT TERMOELEMENT RETURLEDNINGFR AM LED NING Figur 6 System för temperaturmätning i kollektorerna 19 Temperaturmätningarna (MÄTPUNKT 20-29) i torven har utförts med termoelement vilka kalibrerats gentemot en kvicksilvertermometer. Mätningen över termoelementen har utförts med en digital temperaturregistreringsenhet av typen Technoterm 9300. Vissa mätfel har kunnat konstateras direkt på mätplats och noggrannheten på temperaturmätningarna ligger på ca -0,1°C. Något ensta­ ka av termoelementen har helt fallit ifrån under projek­ tets gång. Temperaturen på ingående och utgående brinelösning (MÄTPUNKT 2-3) har registrerats punktvis för att kunna relateras till marktemperaturen. t Utöver de på figur 5 redovisade mätpunkterna har även följande data registrerats: * Utetemperatur, vilken är registerad momentant i projeket, men som i övrigt hämtats från SMHXs mätstation, Särna och via korrelationsberäkning gäller för Grövelsjön * Temperaturer på värmesidan, vilka registerats dels på primärsidan efter värmepumpen, dels efter oljepannan. Gångtid och tillslag (MÄTPUNKT 4, 5, 6, 7) För att studera värmepumpens driftsituation har en kontinuerlig registrering genomförts på båda kompres­ soraggregaten med avseende på ackumulerad gångtid (total drifttid, mätpunkt 4-5) och ackumulerad till- slagsräknare (antal starter, mätpunkt 6-7). På detta sätt kan olika inkopplingar och lagringsmöj­ ligheter studeras och eventuella fel upptäckas på anläggningen. 20 Värmemängdsmätning * Radiatorvatten (MÄTPUNKT 8, 9, 13, 14) För att få mätdata på levererad energimängd (till uppvärmning) har en värmemängdsmätare (fabrikat SVM) med inbyggt integreringsverk monterats på primär framledning respektive returledning efter oljepannan (mätpunkt 8). Separering av tillskottet från oljepannan har gjorts (mätpunkt 13) genom att det på oljepannan finns en gångtidsmätare för såväl hög- som lågfunk­ tion och en nivåmätare på oljetanken. Som verk­ ningsgrad på oljepannan har mätpunkt 14 antagits vara 0,8 (ej uppmätt). * Varmvatten (MÄTPUNKT 10, 11, 12) På utgående varmvatten är ytterligare en värme­ mängdsmätare placerad (mätpunkt 11, 12). Denna upphörde dock att fungera den 5 augusti 1985. Trots många påstötningar till entreprenören byttes inte mätaren ut förrän den 2 juni 1986. På grund härav inrymmer dessa indata en del beräknade värden. I en av de tre varmvattenberedarna sitter två elpatroner med 7,5 kW effekt vardera. Dessa är anslutna till en separat elmätare (mätpunkt 10). Elmätning VP-systemet (MÄTPUNKT 15) Elmätaren för anläggningen (mätpunkt 15) omfattar såväl förbrukningen för värmepumpens elmotorer som brinepump för cirkulation av köldbärarvätska. Utöver ovan angivna mätpunkter har följande obser­ vationer och undersökningar gjorts. 21 Snödjup vid kol lektor A i syfte att få en uppfattning om snöns isolerande effekt på kollektorn. Grundvattennivåmätning i två observationsrör per kollek tor. (I ett av rören genomfördes i augusti 1985 ett slugtest för att beräkna torvens permeabilitet. Detta test utmynnade dock inte i några användbara data.) Beläggningsstatistik, vilken inhämtats från STFs fjäll­ avdelning i Stockholm. Beläggningen är av vitalt intres se då det gäller att relatera energiförbrukningen till antalet hotellgäster. Geologisk kartläggning, i anslutning till kollektorer­ na, innehållande lagerföljds- och jordartsbestämning till fast botten. Syftet härmed var att beräkna lager­ volym och att erhålla indata för lagrets termiska och hydrauliska egenskaper. Som undersökningsmetod användes sondering och ostörd provtagning. Konduktivitetsanalys på torvprover, utförda på Geolo­ giska laboratoriet, Chalmers Tekniska Högskola. Det fasta programmets mätdata (figur 6) har samlats in på platsen av Arvid Arvidsson som är anställd på Fjäll­ stationen av STF för att sköta drift och underhåll av fastigheterna och värmeanläggning. Mätpunkterna enligt figur 6 har, med några få undantag, konsekvent registrerats in varje måndag. För programmet som helhet gäller följande registre- ringstäthet. 22 Dag: SMHIs klimatdata Särna Fjällstationens béläggningsstatistik Vecka: Tryck Temperaturer Gångtid Tillslag Värmemängdsmätning Elmätare 01jenivå Snödjup Månad: Marktemperaturer Grundvattennivåer Mätningarna påbörjades i november 1984 men på grund av den oregelbundenhet med vilken de genomfördes och att dessutom all mätutrustning ej var installerad från början har fullständiga data först från den 3 mars 1985 kunnat brukas. Därav är en del av 1985 års energiproduk­ tion beräknad. Mätprogrammet löpte till och med den 31 december 1986. Dock fortsätter STF insamlandet av vissa data även efter detta datum. 23 3. DRIFTUTFALL VARM SIDA 3.1 Energiproduktionen och dess fördelning Under 1985 levererade anläggningen totalt 730 MWh, vilket fördelade sig på följande energikällor: jordvärme 355 MWh _ el 320 MWh - olja 55 MWh 730 MWh Uppgifter kring oljeförbrukning och hetgasväxlarens energi­ produktion är på grund av ofullständiga mätdata till vissa delar beräknade. Under 1986 finns det, förutom vissa problem med varmvatten­ kretsens värmemängdsmätare, mätpunkt 11, uppmätta data för hela året. Produktionen för 1986 fördelar sig enligt: - jordvärme 331 MWh -el 308 MWh — olja 49 MWh 688 MWh Vad som kan ses är att energiproduktionen under såväl 1985 som 1986 avsevärt understiger det projekterade värdet (ca 1100 MWh/år). Med reservation för de data som beräknats på grund av värmemängdsmätarens haveri fås en sammanfattande värmepro- duktionsfördelning enligt tabell 6. 24 Tabell 6 Den verkliga energiproduktionens fördelning jämfört med projekterade värden Värme- Projekterings- Utfall Utfall källa underlag perioden perioden (normalår) 1985 1986 Jord­ värme 610 MWh (56 %) 355 MWh (48 %) 331 MWh (48 %) El 335 MWh (30 %) 320 MWh (44 %) 308 MWh (44 %) Olja 155 MWh (14 %) 55 MWh ( 8 %) 49 MWh ( 8 %) 1100 MWh 730 MWh 688 MWh Utifrån tabellens siffror har årsvärmefaktor och årseffekt­ faktor beräknas till Värmefaktor Effektfaktor (hela systemet) 1985 2,5 1,9 1986 2,5 1,9 De uppmätta energimängderna under 1985 och 1986 måste dock normalårskorrigeras för att kunna jämföras med den projek­ terade energiproduktionen. Detta görs med hjälp av antalet graddagar enligt följande: Utifrån antalet graddagar kan en procentuell faktor räknas fram vilken beskriver avvikelsen från normalåret. Graddagar % av norma lårsvärde 5580 100 6308 113 5669 102 Normalår 1985 1986 25 Utifrån faktorn korrigeras den uppmätta värmeproduktionen till normalår, se tabell 7. Tabell 7 Jämförelse mellan projekterad, uppmätt och normalårskorrigerad värmeproduktion Uppmätt värmeprod Graddagar i % av normalår Normalårs­ korrigerad värmeprod Projektering 1100 MWh 100 1100 MWh Utfall 1985 730 MWh 113 642 MWh Utfall 1986 688 MWh 102 674 MWh Gör man en motsvarande beräkning på månadsmedelvärdet fås ett förhållande enligt tabell 8 (procent av normalmånads- värdet)• Tabell 8 Antal graddagar i procent av månadsmedel­ värdet 1985 1986 Januari 121 110 Februari 125 115 Mars 101 88 April 110 112 Maj 102 85 Juni 96 36 Juli 63 47 Augusti 66 187 September 122 133 Oktober 88 98 November 117 79 December 124 97 26 Från tabellen kan man i huvudsak läsa ut följande: - Båda vintersäsongerna 1984-1985 och 1985-1986 var kallare än normalt Sommarsäsongerna 1985-1986 har varit varmare än nor­ malt, speciellt 1986 Vintersäsongen till och med december 1986 var varmare än normalt 3.2 Effekttäckningsgrad Värmepumpen har enligt projekteringsunderlaget dimensione­ rats för en avgiven effekt av 220 kW och en beräknad effekttäckningsgrad av 43 %• Hetgaskylning för tappvarm- vattenproduktion utgör härvid en effekt av 40 kW. I syfte att studera utfallet av effekttäckningsgraden har ett varaktighetsdiagram konstruerats. I botten på dia­ grammet ligger tappvarmvattenförbrukning med en för året genomsnittlig effektförbrukning av ca 15 kW (jfr sid 31). Effektbehovet för värme är beräknat utifrån verkligt uppmätta värden, korrelerat till utetemperatur. Som framgår av diagrammet, figur 7, tycks effektbehovet vara betydligt lägre än vad som antogs vid projekteringen (510 kW). Under perioden 1985-1986, vilken var kallare än normal­ perioden 1951-1980, kan det verkliga effektbehovet upp­ skattas till maximalt ca 300 kW. Månadsmedeltemperaturen i Grövelsjön vintertid är emellertid något högre än i Särna, varför effektbehovet vid de lägre temperaturerna troligen är något högre än diagrammet visar. Bortsett från denna felkälla kan dock fastslås att värmepumpen blivit över­ dimensionerad. Detta framgår än tydligare då det verkliga effektutnyttjandet studeras, figur 8. 27 Här kan utläsas att effektutnyttjandet (inkluderat het- gasväxlaren) sällan når över 50 % av värmepumpens totala kapacitet räknat som veckomedelvärme. VARAKTIGHETSOI AGRAM GRÖVELSJONS FJÄLLSTATION +--- temperaturuppgifter från särna BASERAT PÅ VECKOUPPGIFT TOTALT 110 OBSERVATIONER VARME TAPPVARMVATTEN Timmar Figur 7 Varaktighetsdiagram för uppvärmnings- behovet vid Grövelsjöns fjällstation 28 100 75 50 25 0 1 Figur 8 Procentuell utnyttjandegrad av värmepumpens maxeffekt 3.3 Systemets funktion 3.3.1 Driftserfarenheter I samband med installationen av det nya värmesystemet byttes en del av radiatorerna ut, dock inte alla. Detta medförde att man i början fick vissa klagomål fran gäster­ na på för låga rumstemperaturer. Från början fungerade inte heller varmvattenberedningen fullgott, men efter det att styrningen av denna ändrats verkar det fungera tillfredsställande. Under den period som värmepumpen har varit i drift har man haft problem med ljudstörningar till ovan liggande lägen­ het. Lägenheten utnyttjas inte förrän att orsaken har åtgärdats. Anläggningen har haft problem med freonläckage och kompres­ sorerna har vid ett flertal tillfällen stått stilla. Väntetiderna för att få felen åtgärdade har tidvis varit långa. 29 Det senaste driftstoppet, januari-februari 1987, varade i två veckor. Under sommarperioderna förekommer långa perioder då anta­ let starter per dygn ligger runt 100 och värden på 175 starttillfällen per dygn har uppmätts (figur 9 och 10). Detta förhållande är inte tillfredsställande med tanke på maskinellt slitage. Det framkom under en kontroll i mars 1987 att en kanalfläkt på ventilationssystemet skulle ha orsakat störningar i elnätet. Detta skulle då ha stört till slagsräknaren och förstört kontaktorer på värmepumpen. 200 VECKA Figur 9 Antal tillslag/dygn, kompressor 1 200 175 150 VECKA Antal tillslag/dygn, kompressor 2Figur 10 30 Den veckovis uppmätta gångtiden för värmepumpen sett och som procent av tid redovisas i figur 11. Figur 11 Gångtid/vecka sammantaget för värmepumparna (% av tid) Diagrammet följer det årstidsbundna energibehovet i stort men avspeglar också den typ av driftstörningar som nämnts ovan. Dessa framträder som gångtidssvackor (jfr med fig 9 och 10). Diagrammet visar också att tillgänglig effekt aldrig nyttjas fullt ut (jfr med fig 7 och 8). Under perioden 1985 levererade anläggningen 565 MWh på radiatorsidan, vilket motsvarar en ekvivalent fullasttid av 2742 timmar och en energitäckningsgrad av 91 %. Ar 1986 levererade anläggningen på radiatorsidan 512 MWh, vilket motsvarar en ekvivalent fullasttid på 2485 timmar och en energitäckningsgrad av 91,2 %. Produktionen av varmvatten har varit svårare att övervaka på grund av den trasiga värmemängdsmätaren (EM 2). Under det första halvåret hade man problem med att få fram 31 tillräckligt med varmvatten till anläggningen. Projektören gjorde vissa förändringar den 23 augusti 1985 då styrning­ en kopplades till en i varmvattenberedaren placerad giva­ re, vilken kallar på värme då varmvattenbehovet överstiger värmebehovet. Under 1985 levererade hetgasväxlaren 40 MWh (beräknad), vilket innebär en energitäckningsgrad av 36 % av varmvat­ tenbehovet. Motsvarande siffror för 1986 är 49 MWh och en energitäckningsgrad på 39 %. Elförbrukningen till elpatronerna har legat mycket högt under långa perioder. Under 1985 producerades 70 MWh med elpatronerna vilket motsvarar en genomsnittlig effekt av 8 kW. Under 1986 producerades 78 MWh motsvarande en genom­ snittlig effekt av 8,9 kW. Vid ett besök på platsen, den 29/8 1986, konstaterades att temperaturinställningen för elpatronerna var för högt ställd och den justerades därför ned till 40°C. Det felet kan säkerligen tillskrivas att någon ändrat inställningen och sedan glömt återställa den. Under den resterande delen av året producerades 6,98 MWh vilket motsvarade en genom­ snittlig effekt av 2,5 kW. Tillskottsenergin från elpatronen verkar nu vara rimlig med avseende på levererad effekt. Funktionen på hetgas­ växlaren är dock svår att få grepp om på grund av den trasiga värmemängdsmätaren. 3.3.2 Belâg2Diîî2ëD§_i!}Yëï!Sâîî_Bà_YâE!!?Y⣣®Sf2E^Ey!SSiS2®D Grövelsjöns fjällstation har öppet under två perioder, 1 februari-26 april och 14 juni-21september. 32 Utöver detta har man på försök hållit öppet 1-2 veckor över nyår, såväl 1985-86 som 1986-87. En stor del av året har alltså stationen stängt, därav några vintermånader. Detta borde göra det möjligt att genom temperaturnedsättningar och inreglering av värme­ system, pumpar etc avsevärt minska energiförbrukningen. En konsekvent temperaturnedsättning baserad på en ordent­ lig genomgång och noggranna anvisningar skulle minska driftskostnaderna och belastningen på kollektorytorna. Därmed blir också beläggningsstatistiken, figur 12, av intresse. ÄR Figur 12 Grövelsjöns fjäl1 station. Procentuell beläggning För att få en uppfattning om hur styrningen av anlägg­ ningen ska läggas upp kan man t ex titta på varmvattenför­ brukningen som är direkt relaterad till antalet övernat­ tande personer. En jämförelse mellan beläggning-varmvattenförbrukning visas i tabell 9. 33 Som framgår av tabellen föreligger en betydande varmvatten­ förbrukning också när stationen är stängd. Vidare tycks det inte finnas någon direkt korrelation mellan beläggnings- grad och effektförbrukning. Tabell 9 Elpatroner och effektbelastning relaterad till antal gäster Tidsavsnitt Elpatron Antal över­ genom- nattningar snittlig utnyttjad effekt Period 1 850304 - 850429 8,2 kW 5602 Period 2 850429 - 850610 6,5 kW stängt Period 3 850610 - 850923 11,7 kW 4767* Period 4 850923 - 860203 4,0 kW 499 Period 5 860203 - 860428 12,1 kW 8276 Period 6 860428 - 860609 14,0 kW stängt Period 7 860609 - 860921 13,5 kW 3824* Period 8 860921 - 861231 1,0 kW stängt* * Enstaka uppgifter om beläggningen saknas Sammanfattningsvis torde det finnas förutsättningar för att reducera varmvattenförbrukningen genom en konsekvent nedreglering och kontroll av inställda temperaturvärden, särskilt under stationens stängda perioder. 34 4. KALLA SIDANS FUNKTION 4.1 Analys av dimensionerande förutsättningar 4.1.1 Allroän_handlingsgång Vid anläggande av en ytjordvärmekollektor bör någon form av dimensioneringsunderlag upprättas. Det innebär att man skall balansera effekt och energiuttag till klimatet och gentemot markens termiska egenskaper. Vissa faktorer är av större intresse än andra. De klimatfaktorer som har störst inverkan är lufttem­ peratur och snötäckning. Markkol lektorns viktigaste egenskaper är vattenhalt och jordartens värmeledningsförmåga (värmekonduktivitet). För att utröna balansen mellan möjligt energiuttag visavi klimat och markegenskaper har I. Rehn, J. Sundberg och B. Modin konstruerat dimensioneringskurvor för tre olika klimatologiskt skilda platser. I rapporten (BFR R:13 1984 "Dimensionering av ytjordvärmekollektor") redovisas en arbetsgång för dimensionering och undersökning av markkol- lektorn. Följande uppställning följer i stort denna arbetsgång. 4.1.2 I november 1984, efter det att kollektorn var färdig­ ställd, genomfördes en provtagning för analys av jordarts- typ. Provtagningen utfördes med ett Rysseborr i sex olika punkter. Det gjordes en bestämning i fält av torvtyp, humifieringsgrad och torvmäktighet. Ett representativt antal prover samlades in för bearbetning i laboratoriet. 35 De prover som togs användes dels för att verifiera jordarts bestämningen, dels för att bestämma skiktens värmekonduk- tivitet. Torven var över hela ytan relativt homogen och kan schema­ tiskt beskrivas som i figur 13. Sonderingen av kollektorerna resulterade i kartor över torvdjup och kollektorutbredning, vilka redovisas i figur 14A och B. Här har också mätpunkterna för temperatur och grundvattennivåer markerats. Figur 13 Principiell modell över torvuppbyggnaden i ytjordvärmekollektorerna 36 GV30 FYLLNING GV 31 Figur 14A Torvdjup inom kollektor A Sågtandsmarkering anger plats för temperaturmät­ ning i både vertikal och horisontell led. GV står för grund vattenobservationsrör 37 I___ GV33 Figur 14B Torvdjup inom kollektor B Sågtandsmarkering anger temperaturmätningsplats vertikalt. GV står för grundvattenobservations- rör 38 4.1.3 Termiska_e2enskager De mätdata avseende jordarternas värmekonduktivitet som togs fram i laboratoriet har sammanställts till en tabell omfattande tre olika nivåer, där medelvärde respektive högsta och lägsta värde redovisas. Tabellen bygger på mätningar på 18 stycken prover. Tabell 10 Uppmätta värden på värmekonduktivitet (X) i torven, ofruset tillstånd Meter under mark Medel W/mx°C Max W/mx°C Min W/mx°C Antal analyser 0 -0,2 0,42 0,50 0,30 10 0,2-0,5 0,52 0,53 0,49 12 >0,5 0,56 0,58 0,53 14 Mätningarna genomfördes på CTH/GU med den s k ensonds- metoden. Metoden finns beskriven i jordvärmegruppens rapport nr 5, 1982 CTH/GU (Jan Sundberg: "Metoder för bestämning av värmeförande egenskaper i jord och berg"). För kontrolldimensioneringen har i övrigt uppgifter om torvens termiska egenskaper hämtats från BFR-rapport R13:1986 enligt värmekonduktivitet (K), fruset 2,0 W/m x C värmekapacitet (C), ofruset 4,0 J/m^ x C värmekapacitet (C), fruset 2,0 J/m^ x °C Ofrusen värmekonduktivitet är enligt denna källa 0,5 W/m x °C, vilket väl överensstämmer med de egna analys­ värdena, se tabell 10. 39 De egna mätningarna antyder i övrigt att värmekonduk- tiviteten ökar något med ökat djup (se tabell 10). Detta har troligen att göra med en mot djupet ökad såväl pack- ningsgrad som humifieringsgrad. Provtagningstillfället (nov 1984) kan dock inte anses vara representativt för hela året. Det är bl a rimligt att anta att en viss upptorkning av markytan sker under sommarsä­ songen, varför såväl värmekonduktivitet som värmekapacitet är lägre än uppmätta värden vid denna årstid. Detta torde försämra återhämtningsförmågan i kollektorer­ na. 4.1.4 K2li®lS.fe2EY£2£Q§s_läge_och_ lutning Bägge kollektorytorna ligger orienterade åt sydväst på Långfjällets västra sluttning. Kollektor A har en lutning på ca 4° och kollektor B har en lutning på ca 6°. Profilerna redovisas i figur 15. I samma figur redovisas årsmedel vad avser grundvatten­ ståndet i kollektorerna. Grundvattenytan följer i stort sett markytans gradient och antyder att grundvattendräne­ ringen är ytlig. Sannolikt sker huvuddelen av grundvatten­ flödet i övergångszonen mellan torv och morän/berg. Kollektorernas placering på en syd-västlig sluttning medger goda instrålningsmöjligheter av solvärme, främst under sommarhalvåret. Detta tillsammans med ett kontinuer­ ligt grundvattenflöde bör teoretiskt sett inverka positivt på återladdningen av kollektorerna. 40 Figur 15 Längsprofil genom ytordvärmekollektor A och ytjordvärmekollektor B samt inbördes nivåskill­ nad. Medelgrundvattenstånd under 1985 och 1986 4.1.5 Klimatets_inverkan På SMHI i Norrköping, bedriver man ett forskningsprojekt som syftar till att kvantifiera det energitillskott som tillfaller markytan som en följd av den direkta solstrål­ ningen. Särna är en av de platser för vilken beräkningar gjorts. Om man jämför en plan yta i relation till ett 30° sydvänt plan kan man se att den årstidsmässiga skillnaden är ca 20 % i inkommande strålning. överfört till Grövelsjön med snittlutningen 5° mot sydväst har överslagsmässigt beräknats ett tillskott av i storleks­ ordningen 3 %, se tabell 11. 41 Tabell 11 Globalstrålning mot en horisontell respektive 30° lutande sydvänd yta samt beräknat för Grövelsjön Månad Solinstrålning (kWh/m2) Plan yta 30° lutn Vid Grövelsjön (5°C mot SV) Januari 8,3 15,6 9 Februari 28,7 48,7 32 Mars 74,6 107,4 80 April 126,0’ 154,1 131 Maj 157,5 172,9 160 Juni 171, 6 180,3 173 Juli 160,2 171,1 162 Augusti 121,5 140,4 124 September 70,9 93,0 75 Oktober 34,1 52,0 37 November 12,1 21,5 14 December 5,1 10,2 6 ARET 970,2 1176,1 1003 En stor del av nederbörden faller som snö. Snötäckets mäktighet har stor betydelse på grund av dess isolerande förmåga. Detta hindrar till en del tjälens nedträngning i marken. För att få data på snömäktigheten har denna regist­ rerats på kollektor A. Snötäckets variation under åren 1985 och 1986 redovisas i figur 16. Någon beräkning på hur snötäcket inverkat på kollektorer­ nas energiomsättning har dock inte gjorts. Rent allmänt kan dock sägas att snön bidrager med isolering mot ute- luft-kyla vintertid och att snösmältningen bidrager med ett energitillskott under vår-försommar (infiltration). 42 Figur 16 Snötäcket på kollektor A 1985-1986 4.1.6 Inverkan_av_grundvattenströmnin2en För att kunna uppskatta om grundvattenflödet genom kollek­ torn är av den digniteten att man kan motivera stora energi- och effektuttag, måste man kvantifiera och define- ra en rad begrepp. Kollektorerna består av torvjord, men i vissa lägen är kollektorn förlagd i eller i direkt angränsning till morän, se figur 15. (Förläggningsdjup av kollektorslang är ca 0,8-1,0 m under markyta.) Den horisontella permeabiliteten för vitmosstorv med humifieringsgraden 4-5, uppgår till 0,5 x 10 5m/s och den horisontella permeabiliteten för vitmosstorv med humifie- ringsgrad 6 är 2,0 x 10 ^m/s (BFR Rapport R22:1984 "Värme­ lagring i torvmark", O. Andersson m fl). Den sandiga-grusiga moränens permeabiltiet anges till -5 -710 - 10 m/s. ( "Jordartsanalys laboratorieanvisning del 2", Kvärtärgeologiska institutionen Stockholm 1978). 43 Förhållandet vid Grövelsjön är schematiskt illustrerat i figur 17. 7//wV/?\\W\\\ //AVV //AV\ A\W ///W\ '’/AV'TTÿ'A Torv Morän A A Ti <] Q T2 <] Q: dl d2 T = Transmissivitet Q = Flöde d = lagermäktighet Figur 17 Schematisk modell av grundvattenströmmen genom kollektorn Om grundvattengradienten är känd kan flödet genom kollek­ torvolymerna beräknas enligt Q = k x i x A 2 där A = genomströmningsarean (m ) k = hydraulisk konduktivitet (m/s) i = flödesgradienten (-) Q = flöde (m^/s) Gradienten för grundvattnet i kollektor A har genoms­ nittligt uppmätts till 5,5 % och för kollektor B till 7,6 %. 44 Grundvattenytans nivå under mark varierar dock under året. Periodvis ligger den vid markytan och sjunker maximalt till ca 0,8 m under mark. Amplituden på grundvattenytan är högre i de övre liggande delarna av kollektorn. Förutsattes att medelmäktigheten (d^ av torv är 0,6 respekt­ ive 0,8 och "kollektoraktiv" morän (d2) är 0,4 respektive 0,2 m kan genomströmningen (Q) per år beräknas. I aktuellt fall fås då 3 - kollektor A 642 m /ar - kollektor B 983 m2/år Om man antar att grundvattentemperaturen som snitt över året ligger på ca +2°C och vid passage av kollektorytorna avger 1,5°C fås ett tillskott per år till respektive kollektor på i storleksordningen kol lektor A => 1120 kWh/år = 1,12 MWh/år kollektor B => 1716 kWh/år = 1,72 MWh/år Detta ger ett genomsnittligt tillskott per kvadratmeter på 0,25 kWh/m2 x år Det energitillskott som fås från grundvattengenomström­ ningen är således av försumbar betydelse. Det skall dock sägas att analysen är grovt förenklad och anger enbart storleksordning. Hänsyn har bl a inte tagits till even­ tuella djupare grundvattenflöden och deras värmeavgivning uppåt. Inte heller har några randvillkor lagts in. Av större vikt än genomströmningen är nivån till grund­ vattenytan och de förändringar i termiska egenskaper detta ger. 45 Som ett genomsnitt utifrån mätdata kan man anta att grund­ vattenytan ligger 0,4-0,5 m under mark (figur 15). 4.2 Kontrolldimensionering av kollektorerna I BFR R13:1986 redovisas ett antal diagram för tre olika klimattyper och olika jordar. Av de klimattyper som redovisas ligger Luleå närmast Grövelsjön. Arsmedeltemperaturen för Luleå är +2°C (antal graddagar 5480) och för Grövelsjön 0,8°C (antal graddagar 5580). Dock kan man förvänta sig mäktigare snötäcke i Grövelsjön än i Luleå. Därför kan man rimligen anta samma dimensioneringsdiagram för Grövelsjön som för Luleå. Med hjälp av bland annat diagram på värmepumpens prestanda och dimensioneringsdiagram tas ett antal andra parametrar fram, vilka används för beräkningen. E (kWh) e (kWh/mI 2 Q-L (W) Q0 (W) Q2 (W) tq2 (°C) Ärligt energibehov ) Lämpligt energiuttag ur kollektor enligt di- 2mensioneringsdiagram (kWh/m och år) Maximalt effektbehov Max effekt enligt dimensioneringsdiagram som tas ur kollektorn Max effekt från jordvärmekollektorn (effekt på förångarsidan) då Q1 produceras Lägsta inkommande köldbärartemperatur då värme­ pumpen kan avge Q. 46 AT (°C) Temperaturdifferens mellan inkommande och ut­ gående köldbärartemperatur Tq (°C) Lägsta beräknade köldbärartemperatur som medel­ värde av inkommande och utgående köldbärartempe­ ratur T (°C) Arsmedelköldbärartemperatur 0Q Värmefaktor då produceras, ca 2,9 0 Arsvärmefaktor vid T Enligt projekteringsunderlaget gäller: E = 935 MWh Q = 229 kW TQ2, den lägsta inkommande temperaturen är -2°C och AT = 3,5°C. T_ kan då räknas fram till -2,75°C. 0 Med hjälp av TQ går man sedan in i diagrammet, figur 18, där man tar hänsyn till såväl förläggningsdjup som slang­ avstånd (i diagrammet antas ett slangavstånd på 1,0 m). Från det T som fås kan 0 årsmedelvärmefaktorn bestämmas (för exakt tillvägagångssätt hänvisas till rapporten R:13 1986). Ur dimensioneringsdiagrammet kan man utläsa att e (lämpligt 2 energiuttag per kvadratmeter och år) är ca 26-27 kWh/m x år samt utläsa T (årsmedelköldbärartemperaturen). Med hjälp av Tq, och data på värmepumpens prestanda kan års- värmefaktorn (0) uppskattas. 47 LULEÅ JORDI VATTENMÄTTAD OCH MED G VY 0.3M UMY NIVA-0.6 M OCH VALAKTIGHET = TOPP ENERGIUTTAG I KHH PER M2 MARKYTA OCH AR LEGEND* ----- EHIN CC-1-OM ---- UMAX CC-I.OM Figur 18 Dimensioneringsdiagram från BFR R:13 1986 Från detta kan erforderlig markyta respektive slanglängd beräknas (b = faktiskt avstånd mellan slangar = 1,2 m) A = (E/e) <1-1/0O) yta 1 = A/b slanglängd Med den framtagna årsmedelvärmefaktorn 3,1 fås då för en torvkollektor med grundvattenytan 0,3 m under mark och klimat som Luleå 48 A => 23 500 m2 1 => 19 500 m vilket ungefärligen innebär att ett uttag på ca 26 kWh/m2 borde vara möjligt, maximal effekt belastning uppgår till ca 8 W/m. Detta innebär en relativt försiktig dimensione­ ring. Maximal 10-dygnsbelastning som kan tas ur markkollektorn vid den belastningsvaraktighet som förutsätts i dimensio- neringsdiagrammet blir då (Konstanten för s k toppeffektsbelastning K=0,3) Q0 = lxbxexK Q0 => 190 kW => 9,72 W/m Värmepumpsprestanda ger: Q2 => Q1 (l-l/0o) Q2 = 152 kW q2 = 7,79 W/m Qq skall jämföras med Q2 om QQ > Q2, kan kollektorytan minskas något. Grovt uppskattat fås då ca 152000/9,7 ca> 1 = 15670 m => A ca 19000 m2 En ungefärlig uppskattning av behövlig yta vid Grövelsjön uppgår då till A = 20000 m2 1 = 16600 m 49 vilket ger en max belastning 9,15 W/m och enligt projek- 2 teringen ett årligt energiuttag av 30,5 kWh/m . Denna dimensionering tar inte hänsyn till de i viss mån fördelaktiga faktorer som föreligger, såsom terrängläge, grundvattenyta och snötäckning. Kol lektorytorna vid Grövelsjön består som tidigare sagts av A => 11 000 m2 1 => 9 400 m vilket enligt projekteringen ger en belastning av ca 255 kWh/m och en max belastning 16 W/m. 4.3 Temperaturutveckling i kollektorerna För att klarlägga hur effektuttaget påverkar torvkollek- torn har marktemperaturer samt brinetemperatur registre­ rats. Mätning har skett på tre olika platser. Två vertikala profiler har registrerats, en på vardera kollektorn samt en horisontellt utlagd mätslinga mellan två kollektor- slangar. Mätning av marktemperaturen har skett varje månad. Registrering av ingående och utgående brinetemperatur har skett varje vecka. I figur 19A och B samt 20A och B redovisas temperaturut­ vecklingen såväl vertikalt som horisontellt mellan kollek- torslangar. Temperaturmätningarna i markskiktet visar inte på någon drastisk temperatursänkning och någon markant kvardröjande effekt av energiuttaget. 50 Noterbart är att inte lägre temperaturer än -3°C uppmätts i anslutning till slangen. Ett annat sätt att analysera kollektorernas temperaturut­ veckling är att studera kurvan över ingående brinetempera- tur till värmepumpen. Som figur 21 visar finns en tendens till fortvarig nedkylning av kollektorerna om man enbart betraktar "sommartopparna". Detta fenomen kan emellertid också förklaras som en kvardröjande effekt av den kalla vintern 1985-1986. För att helt klarlägga om en kontinuer­ lig nedkylning av kollektorerna äger rum måste brine- och marktemperatur studeras över ett betydligt längre tidsin­ tervall än vad som nu varit fallet. 51 tv i w i M e*is*r** i #v»s TV t fTTAr t*r! •>* * i T>! t IV (/*i9 v!SM 9M 9/ttS ">* *> * /nmi^rê V/ *W#/Wf»{#IW Figur 19& Vertikala temperaturprofiler i torvko11ektorn 52 wnr* „t** * i mt» ave*,!»***#* *>*» •#****»* r*j*4 /KMT^rm W W >»*MTJ»e»W*> 0 RCTUOli Figur 19B Vertikala temperaturprofiler i torvkollektorn 53 Brinetemperatur -1°C Brinetemperatur -0,5°C Brinetemperatur +0°C Brinetemperatur +3,5°C Brinetemperatur +5,5°C Brinetemperatur +1,5°C 30/9 23/11 o 8/1 o Brinetemperatur -2°C 13/2 0 Brinetemperatur -2°C Brinetemperatur -2°C Brinetemperatur -0,5°C 8/U o Figur 20A Horisontella temperaturprofiler mellan kollek- torslangar 54 Brinetemperatur -1°C U/11 0 irinetemperatur -2,0°C 3/2 0 Brinetemperati 3/3 o irinetemperatur -2,0°C 31/3 o Brinetemperatur -0,5®C 5/5, 0 Brinetemperatur +0°C Brinetemperatur +1°C Brinetemperatur +3,5°C Brinetemperatur -1°C Brinetemperatur -1°C Figur 20B Horisontella temperaturprofiler mellan kollek- torslangar 55 -10 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 VECK.fi Figur 21 Ingående brinetemperatur Nedkylnings- respektive återhämtningsförloppen i kollerorer- na som funktion av utelufttemperaturen framgår av figur 22. 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 VECK.fi LUFTTEMP BRINE UT BRINE IN Figur 22 Temperaturför loppet i kol lektorerna jämfört med utelufttemperaturen 56 Som framgår av figuren märks en tydlig fördröjning av reagensen i kollektorerna, i storleksordningen 2-3 måna­ der. 4.4 Energiuttagsmöj1igheter från kollektorerna Baserat på de data som presenterats i rapporten kan man resonera kring energiuttags möjligheter ur kollektorerna. Enligt den reviderade kollektordimensioneringen som gjorts i denna rapport har framräknats ett värde på möjligt 2 energiuttag till 30,5 kWh/m och år (jfr kapitel 4.2). Det energiuttag som projekteringen baserar sig på är betydligt högre (50-55 kwh/m^). Då energibehovet inte uppgår till projekterat (1100 MWh) kommer dock denna belastning inte att uppstå med nuvarande förutsättningar. Några faktorer pekar på att energiuttagsmöjligheterna är något större än de teoretiskt beräknade, nämligen. grundvattenytans läge ligger i marknivå vid snösmält­ ningen och medger en "snabb" temperaturhöjning i mark­ profilen, kol lektorytornas terrängläge medger ca 3 % högre sol in­ strålning än en plan yta per år och snötäcket är något mäktigare än i Luleå (den ort som dimensioneringsdiagrammet är konstruerat för). Dessa faktorer innebär att man kan tillåta ett något högre 2energiuttag än 30,5 kWh/m och år. Den uttagna energimäng­ den för uppföljningsperioden uppgår till 1985 32,3 kWh/m2 1986 30,1 kWh/m2 57 På de temperaturmätningar som gjorts i markprofilen finns inga säkra indikationer på att kollektorerna fortlöpande kylts ner under nuvarande driftsituation. Tänkbart är dock att den fallande "sommartoppen", se figur 21, visar på en begynnande nedkylning, vilket i så fall antyder att nuva­ rande belastning ligger nära det faktiskt möjliga. Av denna anledning bör energiuttaget vid Grövelsjöns 2fjällstation ej överstiga 30-40 kWh/m under ett klima­ tiskt normalår. 58 5. EKONOMISKT DRIFTUTFALL Utgående från värmeproduktionens storlek och fördelning under uppföljningsperioden, har anläggningens lönsamhet jämfört med en elpanneinstallation med effekten 510 kW analyserats. Analysen omfattar enbart energikostnader och tar således inte hänsyn till kapitalkostnaden. För analysen gäller följande för perioden genomsnittliga priser på primärenergi: elpris, rörligt 285:-/MWh fast avgift el VP-system 17.000:- dito 510 kW elpanna 72.000:- (normalt abonnemang) oljepris (Eol) 2.584:-/m3 Härutöver gäller för kalkylen service och underhåll värmepump dito elpanna pannverkningsgrad olja - dito elpanna 2 % av invest 1,5 % av invest 0,8 1,0 Baserat på dessa förutsättningar kan den rörliga årskost­ naden för energiproduktionen beräknas enligt tabell 11. Som framgår av tabellen uppvisar värmepumpssystemet en årlig besparing av i storleksordningen 132.000:-. Merinvesteringen för värmepumpssystemet uppgår till ca 900.000:- (kalkylmässigt), vilket ger en återbetalning av ca 6,8 år. Tabell 11 Rörlig årskostnad för värmepumpssystemet jämfört med elpanneinstallation Kostnads­ post VP- Energi (MWh) -system Kostnad (kr) Elpanna Energi Kostnad (MWh) (kr) - el 314 107.000 709 274.000 - olja 52 16.800 - - - drift/ - 24.000 _ 6.000 u-håll Årskostnad 147.800 280.000 Det skall slutligen noteras att värmepumpsystemet är betydligt överdimensionerat. En bättre anpassad storlek hade säkerligen visat ett gynnsammare ekonomiskt utfall. 60 6. REFERENSER Andersson, O m fl (1984): Värmelagring i torvmark, BRF R22: 198 4 Claesson, J m fl (1985): Markvärme - En handbok om termiska analyser, BFR T16:1985, T17:1985, T18:1985 Jansson, I, Lundin I (1984): Fysikaliska effekter av ytjordvärmeuttag. Simulerade uttag för olika marker och klimat, BFR R50:1984 Lundqvist, G (1951): Jordartskarta över Kopparbergs län, SGU, Ser. Ca nr 21 Rehn I, Sundberg J, Modin, B (1986): Dimensionering av ytjordvärmekol1ektor. Beräkningar med simu1eringsmode11, BFR R13:19 8 6 Svensson, T m fl (1984): Sjö och ytjord som värmekälla, Mätning och utvärdering av värmepumpsanläggning vid ö Grevie, BFR R195:1984 Soyez, D (1971): Geomorfologisk kartering av nordvästra Dalarna. Forskningsrapport 11, Stockholms Universitet, Naturgeografiska Inst Sundberg, J (1982): Metoder för bestämning av värmeöver­ förande egenskaper i jord och berg. Jordvärmegruppen CTH/GU, Rapport nr 4 1982 Talme, I och Almén, I (1975): Jordartsanalys Laboratorie- anvisningar (sid 55, del 2). Kvartärgeologiska Inst, Stockholms Universitet 1978 61 Troedsson, I, Jansson, Lundkvist (1982): Ekologiska effek­ ter av ytjordvärmeuttag. Markkemi, markfysik, markbiolgi och växtodling, BFR R51:1982 Wilén, P (1985): Surteprojeket, 88 småhus med ytjordvärme. Markpåverkan. Jordvärmegruppen CTH/GU Rapport nr 18 VARUINFORMATIONUtfärdandedatum 1986 01 02 om klassificering, sammansättning och egenskaper Tillverkare/Leverantör Kemetyl AB Handelsnamn Brineol A Adress Box 43012 100 72 STOCKHOLM Kemisk eller teknisk produktbenämning Värmeöverförinqsmedium Utfärdare/kontaktperson/avdelning tel nr Kurt Lindqvist 08/180090 KLASSIFICERING ENLIGT SVENSK LAGSTIFTNING Hälsofarlig vara 1 Gift fXl Vådligt ["”iNej Brandfarlig vara Xli | 12a | 12b | |3 | | Brandfarlig gas | |Nej Bekämpningsmedel H Klass 1 Hl Klass 2[~\ Klass 3 Reg nr: PH Nej Explosiv vara Transportklass [ ]a \ |b | |c | |d | |e P^Nej Märkningskategori(er) - | Mycket giftig I Giftig Hä sofarlig vara Starkt frätande Frätande F] Hälsoskadlig Irriterande Pÿ| övr hälsofarlig X~1 Mycket brandfarlig Fl Explosiv 1 Brandfarlig | | Oxiderande TRANSPORTKLASSIFICERING FN IMDG (sjö) ADR/RID/ADR-S/RIO-S (bil-tig) DGR (flyg) Förp.grupp FN nr 1170 Class 3j2 Page 3074 EmSNo 3~06 MFAGNo305 Klass 3.3. (bl Class 3 SAMMANSftTTNINGSUPPGIFTER A Ämnen som ger varan dess ev hälsofarlighet - ange om möjligt CAS-nr 95% Etanol CAS 64-17-5 Metyletylketon CAS 78-93-3 Metylisobutylketon CAS 108-10-1 Halt 89.5 vikt% 2.5 vikt% 2,0 vikt% Hyg. gränsv. X X X Anm. B Andra ämnen 1,2- propandiol i 6,0 vikt% FYSIKALISKA/KEMISKA EGENSKAPER Varubeskrivning (form, färg, lukt, viskositet etc) Klar,ofärgad,lättflytande vätska med karaktäristisk lukt. Kokpunkt +78 C° Steln-/smältp -114 C° Densitet 818 kg/mJ| Rel. gasdens. (Iuft = 1) 1.59 Flampunkt +13 C° Tändtemp +425 C° Expl.omr. 3.5-15 vol% Lösl. i org. lösn.medel ösl .i de flesta ira.lösn.medel Ångtryck vid +20 43 q mmHg c. o kPa pH i koncentrat pH i brukslösn. ( %) Rel. avdunstningshastighet | Eter=1: Q,1 BuAc = 100: ( Spec, egenskaper eller risker: Reagerar explosionsartat med starka oxidationsmedel såsom kalciumhypoklorit, salpetersyra, väteperoxid samt kan bilda explosiva fulminater med vissa nitrater. Kan skada packningar, lackerade och målade ytor, skyddande och tätande fettbeläggningar och material av gummi. Lösl. i vatten vid C° vikt% obeqränsad BIOLOGISKA EGENSKAPER LD50 oral t råtta 14 000 mg/kg ldlo oralt hund 55 00 mg/kg I ÖVRIG INFORMATION Uppgifterna under fysikaliska, kemiska och biologiska egenskaper avser odenaturerad etanol \ Denna blankett har utarbetats av Kemikontoret och PKL i samarbete med LO och SAF samt KTF, SPI och SVEFF, efter samråd med Arbetarskydds- i styrelsen. Beställning av blanketter med anvisningar kan göras hos Kemikontorets Förlag AB, Box 5501, 11485 Stockholm, eller PKL, Box 5512, £ 11485 Stockholm. INFORMATION OM RISKER OCH SKYDDSÅTGÄRDER Utfärdandedatum Handelsnamn 1986 01 02 Brineol A Produkttyp/användning Köparens benämning Värmeöverföringsmedium Hos köparen granskad av Sign Datum Märkning Huvudtext Mycket brandfarligt Farosymbol Brandflamma Hälsofara (vid inandning, hudkontakt, stänk i ögon, förtäring) Inandning av höga halter kan ge huvudvärk, trötthet, yrsel, illamående,avtrubbat omdöme och försämrad reaktionsförmåga. Avfettar huden, vilket kan ge torr och narig hud. Stänk i ögonen ger stark sveda. Förtäring ger stark sveda i mun och svalg och i övrigt samma besvär som vid inandning. Efter förtäring av större mängder kan kräkning och medvetslöshet förekomma. Brand- och explosionsfara Ångorna kan redan vid temperaturer under rumstemperatur bilda explosiv blandning med luft. Kläder som blivit fuktiga av Brineol utgör brand­ risk. Förebyggande åtgärder God ventilation. Vidtag åtgärder mot statisk elektricitet. Elektrisk jordning när etanol hälles eller pumpas. Förvaras åtskilt från antändningskälla. Rökning förbjuden. skyddsutrustning Skyddshandskar och glasögon rekommenderas vid direktkontakt och risk för stänk. Första hjälp Inandning Frisk luft Hudkontakt skölj av huden, tvätta med tvål och vatten stänkiögon skölj rikligt med vatten. Kontakta läkare om besvär kvarstår Förtäring Drick vatten. Till läkare om större mängder förtärts. Åtgärder vid brand Släck med vatten, pulver eller koldioxid.. Spill och sanering Mindre mängder spolas bort med vatten. Större mängder vallas in med sand, jord eller liknande och samlas upp. Kontakta brandförsvaret vid större spil Företagsintern information Uppgifterna tagna från Kemi kontorets skyddsblad angående etanol och Nabert/Schön Denna rapport hänför sig till forskningsanslag 840302-7 från Statens råd för byggnadsforskning till VIAK AB, Malmö. R46: 1988 ISBN 91-540-4887-7 Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm Art.nr: 6708046 Abonnemangsgrupp : Ingår ej i abonnemang Distribution: Svensk Byggtjänst, Box 7853 103 99 Stockholm Cirkapris: 39 kr exkl moms