Det første jordvarmeanlegget (horisontale slanger) ble tatt i bruk i 1945 (Indianapolis, USA). I en artikkel fra 1947 beskrives flere ulike måter å utnytte grunnvarme, blant annet fra fjell. I Sverige ble det foreslått ulike systemer for grunnvarme i 1975. I 1976 ble det gjort et eksperiment for å lagre solvarme i et borehull, hvilket viste seg å være mindre effektivt. Som en følge av dette ble det isteden foreslått å anvende en varmepumpe for å ta ut varme fra grunnen. Det finnes i dag anslagsvis 800.000 grunnvarmebaserte varmepumper rundt om i verden. Av disse er omtrent halvparten installert i USA, resten i Europa. Halvparten av installasjonene i Europa finnes i Sverige. Grunnvarmeanlegg med varmepumpe er vanlig i Sverige, Sveits, Østerrike, Tyskland og USA, og i Norge er det et økende antall installasjoner i boliger, større bygninger samt fjernvarme- og fjernkjølesystemer.
Klassifisering av grunnvarmesystemerGrunnvarmesystemer i Norge med varmeuttak fra grunnvann, jord og fjell (berg) kan klassifiseres som følger:
Klassifisering av grunnvarmesystemer i Norge.
Anlegg med oppumping av grunnvannI direkte (åpne) grunnvannssystemer bores brønner i løsmasser (sand, grus) eller fast fjell, og grunnvannet pumpes direkte til varmepumpens fordamper hvor det avkjøles. I Norge er grunnvannstemperaturen typisk 1 til 2°C høyere enn uteluftens årsmiddeltemperatur på stedet (NGU), og temperaturen er relativt konstant over året. Brønndiameteren for grunnvannsbrønner er 15 til 20 cm, brønndybden varierer fra 10 til 40 meter, mens typisk vannuttak er 5 til 25 liter per sekund (NGU). Vannuttaket tilsvarer en varmeytelse for varmepumpen på ca. 90 til 450 kW per brønn hvis grunnvannet avkjøles 3°C. Figuren nedenfor viser grunnvannstemperaturer i Norge, Sverige og Finland (NGU).
Grunnvannstemperaturer i Norge, Sverige og Finland (NGU).
Grunnvannssystemer klassifiseres som:
Forbrukssystem
Resirkulasjonssystem
Figuren til høyre viser et varmepumpeanlegg som utnytter oppumpet grunnvann som varmekilde (forbrukssystem).
I Norge er oppumpet grunnvann først og fremst en aktuell varmekilde for varmepumpesystemer i større bygninger, nærvarmeanlegg og fjernvarme-/fjernkjølesystemer. Grunnvann kan også benyttes til frikjøling ved at overskuddsvarme fra bygningens kjøledistribusjonssystem overføres til grunnvannet via en varmeveksler.
Kartverket AREALIS kan bl.a. benyttes til å vise grunnvannsbrønner i Norge (fra NGU). Velg "Grunnvannsbrønner" fra menyen øverst i høyre hjørne, "Velg kartinnsyn". Hovedmenyen finner du øverst i venstre hjørne samt over kartet. Marker ønsket sted med musen, og venstreklikk for å forstørre kartet til ønsket størrelse. Figuren nedenfor viser, som et eksempel, grunnvannsbrønner i Sør-Trøndelag.
Ved utnyttelse av oppumpet grunnvann som varmekilde/varmesluk for varmepumper er det viktig å sjekke vannkvaliteten gjennom en forundersøkelse, ettersom en i visse områder vil kunne få store driftsproblemer på grunn av bakterievekst, gjenslamming samt utfelling av blant annet jern og mangan i varmevekslere, pumper og ledninger. Ved store vannuttak er det dessuten viktig å sikre seg at en ikke får uønskede setninger i terrenget som kan medføre skader på bygninger, veier osv.
Grunnvannsbrønn boret i løsmasser (Båsum Boring)
Det henvises til Norges geologiske undersøkelse (NGU) for detaljert informasjon om grunnvannstemperaturer i Norge og muligheter for utnyttelse av grunnvann som varmekilde for varmepumper.
I indirekte (lukkede) grunnvarmesystemer overføres varmen mellom varmekilden og varmepumpens fordamper ved hjelp av en frostvæske (sekundærmedium), som sirkulerer i en lukket krets (kollektorsystem) bestående av helsveiste PEM plastslanger. Aktuelle varmekilder er:
Tidligere var etylenglykol/vann enerådende som frostvæske i kollektorsystemer for grunnvarmeanlegg, men på grunn av mediets giftighet har det blitt erstattet av denaturert sprit samt biologisk nedbrytbare kaliumsalter som kaliumformat (Hycool) og kaliumkarbonat (pottaske).
JordvarmeanleggJord er kun aktuelt som varmekilde for varmepumper i boliger og mindre bygninger. Kollektorslangen (Ø40 eller 32 mm) graves ned på 60 til 150 cm dybde og med en innbyrdes avstand på 1,5 til 2 meter. Jordens beskaffenhet avgjør hvor mye varme som kan taes ut og hvor energieffektiv varmepumpen blir. Typisk varmeuttak varierer fra 15 til 20 W per meter rørlengde. Det er gunstig med høy fuktighet, og myrjord er den beste varmekilden mens drenert sandjord er dårligst. I fuktig jord vil det meste av varmeopptaket skje ved at vannet i jorda fryser til is. Frostsonen rundt rørene vil øke utover i fyringssesongen, men om sommeren vil solvarmen smelte isen og varme opp jordsmonnet.
Kollektorsystemet for jordvarmeanlegg er relativt plasskrevende, og for en enebolig trengs et areal i størrelsesorden 300 til 500 m2. Ved underdimensjonering vil for stor utfrysning føre til forkortet vekstsesong for plenen, eventuelle setninger i terrenget og i verste fall permafrost. Figuren nedenfor viser en prinsippskisse av en jordvarmepumpe.
Varmepumpesystem med varmeuttak fra jord (indirekte system).
Energibrønner i fjellI indirekte grunnvarmeanlegg i fjell skjer varmeuttaket fra én eller energibrønner, som hver består av et 100 til 200 meter dypt borehull med en diameter på 13 til 16 cm. Kollektorslangen (Ø40 mm) plasseres i borehullene som et enkelt eller dobbelt U-rør. Overflatevann og eventuelle løsmasser holdes ute fra brønnen med foringsrør i stål som settes ned i fast fjell. For å motvirke oppdriften i vannfylte borehull og ved eventuell påfrysing av is på kollektorslangen er enden av kollektoren utstyrt med et bunnlodd som er tilpasset hullets dybde og frostvæskens tetthet.
Figuren nedenfor viser en prinsipiell skisse av et varmepumpesystem med varmeuttak fra vertikale energibrønner. I dette eksemplet er alle brønnene koblet i serie. Den mest vanlige løsningen i Norge er imidlertid å koble alle brønnene i parallell eller seriekoble to og to brønner.
Varmepumpesystem med varmeuttak fra energibrønner (indirekte system).
Typisk varmeuttak fra energibrønner i fjell er 40 W per meter borehull med variasjoner fra 20 til 80 W/m. Varmeuttaket og følgelig nødvendig borehullsdybde er avhengig av blant annet berggrunnens sammensetning og oppsprekking, terrengets helning, grunnvannsnivået og brønnenes innbyrdes plassering i forhold til grunnvannsstrømmen. Det største varmeuttaket får en i områder med oppsprukket fjell og godt grunnvannstilsig. I tørre brønner fylles borehullet med vann, borkaks eller en blanding av bentonitt og kvartssand for å forbedre varmeoverføringen mellom fjellet og kollektorslangen.
Kartverket AREALIS kan bl.a. benyttes til å vise berggrunnsgeologi og løsmasser i Norge (fra NGU). Velg "Berggrunnsgeologi - N250 vektor/raster" eller "Løsmasser" fra menyen øverst i høyre hjørne, "Velg kartinnsyn". Hovedmenyen finner du øverst i venstre hjørne og over kartet. Marker ønsket sted med musen, og venstreklikk for å forstørre kartet til ønsket størrelse. Figuren nedenfor viser, som et eksempel, berggrunnskart for Oslo-området.
Berggrunnskart for Oslo-området (fra NGUs digitale kartverk)
For anlegg hvor det skal bores et større antall energibrønner, er det aktuelt å benytte en spesiell testrigg for måling av termisk motstand og mulig varmeuttak i en testbrønn (termisk responstest). Testen, som tar ca. 60 til 70 timer, gir et godt grunnlag for optimalisering av total borehullsdybde for anlegget.
I 2005 var det installert ca. 15.000 varmepumpebaserte grunnvarmeanlegg i Norge, hvorav ca. 180 anlegg i større bygninger (NGU). Følgende lenke gir en oversikt over et utvalg av de store anleggene.
Indirekte grunnvarmeanlegg - termisk energilager for oppvarming og kjølingI større bygninger, som både har varme- og kjølebehov, kan energibrønner i fjell brukes som et termisk energilager der varme hentes ut eller tilbakeføres avhengig av varme- og kjølelastene i bygget. Figuren nedenfor viser et prinsipielt eksempel på utforming av et varmepumpeanlegg tilknyttet er termisk energilager.
Prinsipielt eksempel på utforming av et varmepumpeanlegg tilknyttet et termisk energilager i fjell.
I perioder med overordnet varmebehov i bygningen fungerer energibrønnene som varmekilde for varmepumpen, og brønnene samt varmepumpens fordamper har nok kapasitet til å dekke eventuelle kjølebehov. I disse periodene vil det være et netto uttak av termisk energi fra energilageret, og temperaturen vil gradvis synke. I perioder hvor bygningen har et overordnet kjølebehov, dekkes kjølebehovet i størst mulig grad med frikjøling mot energibrønnene. Hvis kjølebehovet er større enn det som kan dekkes med frikjøling mot brønnene, reguleres varmepumpen for å dekke kjølebehovet, og overskuddsvarmen avgis til brønnene. I disse periodene vil det være en netto tilførsel av termisk energi til brønnene, og temperaturen øker. Figuren nedenfor viser et prinsipielt eksempel på varmeuttak og varmetilførsel for et termisk energilager i fjell (fra Göran Hellström, Sverige).
Eksempel på varmeuttak (blå), varmetilførsel (rød - frikjøling) og varmetap (gul) fra termisk energilager i fjell.
For å unngå permanent temperaturendring i termiske energilagre, er det viktig at årlig tilbakeført varmeenergi til energibrønnene er i samme størrelsesorden som årlig varmeuttak. I bygninger med relativ lavt kjølebehov, kan energibrønnene lades ytterligere ved å overføre varme fra avtrekksluften etter varmegjenvinneren i ventilasjonssystemet eller ved bruk av varme fra solfangersystemer. For bygninger hvor årlig kjølebehov er større enn årlig varmebehov, fjernes overskuddsvarmen fra kjølesystemet deler av året ved bruk av tørrkjølere. Varmepumper i kombinasjon med termiske energilagre oppnår høy energieffektivitet, ettersom det meste av varmebehovet dekkes med varmepumpen (høy COP), og en relativt stor andel av kjølebehovet dekkes med frikjøling.
Ved hjelp av avansert programvare kan en simulere temperaturutviklingen i energilageret over tid. Viktige størrelser i beregningene er blant annet antall energibrønner, borehullsdybde, innbyrdes plassering av brønnene, brønnenes termiske egenskaper samt variasjonen i varme- og kjølebelastningen i bygningen over året.
Figuren nedenfor viser en prinsipiell skisse av hvilke ytre faktorer som påvirker temperaturnivået i energibrønner i fjell, deriblant solinnstråling, grunnvannsstrømmer, varmeledning i fast fjell og geotermisk varmestrøm.
Prinsipiell framstilling av ytre faktorer som påvirker temperaturen i energibrønner
For mer grunnleggende informasjon om grunnvarmebaserte varmepumpesystemer henvises til:
Publisert 22. august 2011
