| dc.description.abstract | En vanlig husholdningen bruker over 20 000 kWh energi årlig. Av dette går 70% til opp-varming. Dette oppvarmingsbehovet blir ofte dekt av høyverdig elektrisk energi. I denne oppgaven blir det sett på hvordan en effektivt kan bruke grunn geotermisk energi til opp-varming og kjøling av bygninger. Med grunn geotermisk energi mener en lav-entalpi varme en henter opp fra brønner på et par hundre meters dybde. Her kommer hovedsakelig varmen fra innkommende solinnstråling med bidrag fra radioaktiv nedbrytning av materialer i jordskorpa og varme fra jordens kjerne.
Norge befinner seg langt inne på den euroasiatiske kontinentalplaten og er uten særskilt gode geotermiske forhold. Grunn geotermisk energi er likevel svært anvendelig så lenge berggrunnen er egnet. I områder rundt Oslofjorden og på Østlandet, samt enkelte andre områder har enn en berggrunn med økt varmeproduksjon grunnet radioaktiv nedbrytning. Dette kombinert med høy varmeledningsevne i berggrunnen gir ekstra gode vilkår for geotermisk varme. Større morenerygger og tykke lag med løsmasser gjør energibrønnene dyrere. Det vil være tre til fem ganger dyrere å bore i løsmasser i forhold til i fast fjell.
Norske forhold med kalde vintre og relativt varme somrer egner seg godt for bruk av grunne energibrønner sammen med varmepumper. På denne måten kan en dekke oppvarmingsbehovet i norske boliger. Samtidig vil en redusere bruken av fossile energikilder og direkte bruk av høyverdig elektrisitet. I tillegg til et varmebehov, vil et behov for kjøling tale til fordel for grunne geotermiske anlegg. En kan enten dra nytte av fri-kjøling som er svært effektivt og bruker lite elektrisitet, eller reversere varmepumpen, som også vil være 20-45% mere effektivt enn andre aktive kjølekilder.
Ved utforming av geotermiske systemer er det mange hensyn som skal tas og mange feller å gå i. Denne oppgaven prøver å kartlegge prosessen og viktige faktorer som påvirker drift, effektivitet og lønnsomhet ved grunne geotermiske anlegg. Eksempler på viktige momenter er kombinering med solfangere, nedkjøling av energibrønn, brønndybde, trykktap, væskestrøm og væsketemperaturer. Disse momentene er belyst med teori og satt i sammenheng.
Oppgaven konkluderer med at det viktig og ikke bore for grunne borehull. For lite til-gjengelig grunnfjell for varmeoverføring, vil over lengre tid kunne senke temperaturen i brønnen og en vil ikke oppnå gunstige stabile forhold. Noe som over tid vil føre til lavere temperatur på kollektorvæsken, dårlige driftsvilkår for varmepumpen og i verstefall per-mafrost. Effektfaktoren vil øke med 4% for hver grad temperaturforskjell mellom kollek-torvæske og arbeidsmediet reduseres. Det vil dermed være lønnsomt å senke temperatu-ren på varm side. Dette krever et større areal med radiatorer for å oppnå samme varme-overføring. For å få en høy temperatur på kollektorvæsken inn mot varmepumpen, er det viktig å sikre god varmeoverføring i brønnen.
For å unngå unødig store trykktap i kollektorkretsen rådes det til å unngå unødvendig høy strømningshastighet. Likevel bør den være høy nok til å sikre turbulent strømning og tilstrekkelig varmeoverføring mellom berg og væske. Både dybde på brønn og lengden på kollektorkretsen påvirker trykktapet. Dype brønner medfører store trykkbelastninger, noe som gjør kollektorvæsken mindre egnet. Det frarådes også at total rørlengde for kollekto-ren overstiger 600 meter tur- retur.
Et hinder for utbygging av grunne geotermiske anlegg er ofte den høye investeringskost-naden. Det er derfor sett nærmere på lønnsomheten ved et slikt anlegg rent økonomisk i tillegg til miljøaspekter og praktiske forhold. Et lukket anlegg er det mest vanlige og an-vendelige. Et slikt anlegg slipper ikke ut gasser som kan være skadelig på miljøet og kan ha en bærekraftig drift. En gjennomsnittlig husholdning kan oppnå en tilbakebetalingstid på 20 år med støtteordninger. Lønnsomheten ved et slikt anlegg vil øke med størrelsen og et vanlig grunt geotermisk anlegg har en tilbakebetalingstid på omkring 7 år.
Norwegian households consume an average of 20 000 kWh of energy annually. Normally, 70% of this energy is used for domestic heating. The heating requirements are often covered by direct use of high-grade electrical energy. This study examines how effective shallow geothermal energy can be used for heating and cooling of buildings. Shallow geothermal energy is defined as low-enthalpy energy exchanged from a few hundred meters deep wells. The heat mainly comes from incoming solar radiation with contributions from radioactive decay in the earth’s surface and heat from the earth’s core.
Norway is located in the middle of the Eurasian continental plate and do not have any special geothermal conditions. However, shallow geothermal energy is still very useful as long as the bedrock is well suited, as in the areas around the Oslofjorden, as well as some other areas in Norway. This bedrock has an increased heat production due to radioactive decay. Combined with high thermal conductivity in the bedrock, this provides extra good terms for shallow geothermal energy. Large moraine ridges and thick layers of soil make the extraction wells more expensive. It is three to five times more expensive to drill bore-holes in soils compared to bedrock.
Norwegian climate, with cold winters and relatively warm summers, is well suited for the utilization of shallow geothermal wells combined with heat pumps. In this way, one can meet the heating demand required in Norwegian homes. Moreover, at the same time re-duce the use of fossil fuels and the direct use of high-grade electricity. In addition to heat-ing, a need for cooling speaks in favour of the use of shallow geothermal systems. One can either take advantage of free cooling, as it is very efficient and uses little electricity, or reverse the heat pump, which will be 20 - 45 % more effective than other active cooling systems.
When designing geothermal systems there are many things to consider and many possible mistakes to commit. This thesis aims to identify key factors and highlight the important parts in the design of shallow geothermal systems. Examples of important aspects are combination with solar collectors, cooling of the energy wells, well depth, pressure drop, fluid flow and fluid temperatures. These important aspects are theoretical described and put into context.
This thesis concludes that it is important to drill sufficient meters of borehole for energy wells. If not, the temperature in the well will not reach steady state conditions. This would in turn lead to a lower temperature of the circulation fluid, poor operating condi-tions for the heat pump and at worst permafrost. For each degree the temperature dif-ference between the circulation fluid and the working fluid of the heat pump is de-creased, the coefficient off performance will increase by 4%. It will be profitable to lower the temperature on the warm side as well as securing a high temperature on the cold side. A low temperature on the cold side requires larger radiator areas to achieve suffi-cient heat transfer.
To avoid unnecessary large pressure drops in the circulation loop, it is advised to avoid unnecessary high flow rates. Nevertheless, the fluid flow should be high enough to secure turbulence and efficient heat transfer. The depth of the well and the length of total circulation loop affect the pressure loss. Deep wells provide great pressure, making the collector fluid less efficient due to increased viscosity. It is recommended that the total length of a circulation loop should not exceed 600 meters
One challenge is often the high investment cost that comes with shallow geothermal systems. The profitability of such a plant is therefore studied at purely economic terms. Simultaneously are environmental aspects and practical conditions important. A closed system is the most common and easiest to apply. Such plants do not emit greenhouse gases and can achieve a sustainable operation. An average household can obtain a payback period of 20 years with some financial support. The profitability of such a system will however increase with the size and the average payback period is about 7 years. | nb_NO |
