Solvarmet bolig med lagring av energi i grunnen

Abstract

I de tekniske byggeforskriftene krever myndighetene stadig mer isolerte boliger. Energiforbruket skal ned, samtidig som blant annet Astma- og allergiforbundet advarer mot helseskader grunnet for tette boliger. Istedenfor tetting av boligene kunne et fornybart energisystem, basert på solfangere og lagring av energi i grunnen, dekket varmetapene til boligen.

En enebolig bruker i gjennomsnitt 26 000 kWh per år. Av dette går 20 500 kWh til oppvarming av boligen og oppvarming av varmt vann (Statistisk Sentralbyrå, 2014). Målet for oppgaven er å konstruere et energisystem med solfangere og energibrønner til å dekke boligens oppvarmingsbehov. Hvordan ville systemet blitt konstruert, hvordan ville det fungert og hvilke dimensjoner ville det hatt?

På en solfylt dag mottar vi i Norge omtrent 1000 W/m2. Summeres all innstrålt effekt på en 1 m2 horisontal flate over et år, mottas det i Norge mellom 700 og 1100 kWh/m2 (Salvesen, 2009). Med en gjennomsnittlig virkningsgrad på 40% og 40° helningsvinkel ville et solfangerareal på 72m2 gitt 30 000 kWh. Et 72 m2 solfangeranlegg fra ASV-solar koster 90 000 kr (ASV Solar, 2015).

For å lagre solenergien er det foreslått en brønnpark med 24 brønner av 35 meters aktiv dybde. Borehullene har en diameter på 3 tommer, og er foret med en PVC-duk som sammen med et indre isolert senterrør fungerer som kollektor. Brønnene er delt inn i to grupper, 8 høytemperaturbrønner og 16 mellomtemperaturbrønner. Fjellet tilknyttet høytemperaturbrønnene består av 1000m3 og fjellet tilknyttet mellomtemperaturbrønnene består av 3500 m3. Boringen av brønnparken og installering av kollektorer er estimert å koste i overkant av 100 000 kr (Huus-Hansen, 2015).

Rørsystemet mellom solfangeranlegget, brønnparken, radiatorer og akkumulatortank foreslås konstruert med 3 pumper, 5 ventiler og styrer energibæreren som sirkulerer mellom komponentene. Pumpene og ventilene \ vil styre energibæreren til riktig del av brønnparken ut fra temperatur. Trykktapene i væskestrømmen er beregnet til å ligge på over 30 meter ved full effekt.

Systemets største fordel er 100% effekt- og energidekning. Systemets største ulempe er at oppvarmingstiden er lang. Det vil ta 5 år fra oppstart av systemet til systemet når driftstemperatur. Dersom systemet starter oppvarming av boligen tidligere vil dette gå på bekostning av oppvarmingstiden til brønnparken.

Nåverdien til systemet er forventet å være -165 000 kr ved en diskonteringsrente på 5% og en levetid på 30 år.

Under drift, vil systemet redusere boligens CO2-utslipp med over 9 tonn hvert år.

Oppgaven har en rekke usikkerheter. Noen av usikkerhetene er dimensjoneringen av brønnveggarealet, varmeproduksjonen i solfangerne og trykktapet i rørsystemet.

The Norwegian government is constantly changing their technical building requirements in order to lower energy consumptions by increasing isolation thickness. At the same time, the Asthma and Allergy Association is warning about houses that are built according to the new requirements might have negative impact on people’s health. Instead of isolating houses even more, a renewable energy system based on solar and energy storage in the ground, could cover the additional heat losses when building houses less airtight. A Norwegian house consumes in average about 26 000 kWh every year. Approximately 16 500 kWh are consumed in heating the house and approximately 4 000 kWh in heating water (Statistisk Sentralbyrå, 2014). The main purpose of this thesis is to investigate whether it is possible to construct a system of solar collectors and energy wells to cover a household’s need for heating. How could the system be constructed and how could it work? These are the questions that are investigated in this thesis. On a sunny day in Norway a horizontal plane receives about 1000 W/m2 of solar insulation. If the solar energy received on this plane during one year is summarized, the surface would receive between 700 and 1100 kWh/m2 (Salvesen, 2009). With the efficiency level and the solar collectors angle taken into consideration, a collector area of 72 m2 would produce approximately 30 000 kWh each year. A 72 m2 solar collector from ASV solar costs 90 000 NOK (ASV Solar, 2015). This thesis proposes 24 wells with a depth of 35 meters and 3 inches in diameter to store the solar energy. The boreholes contain PVC collectors with an isolated center tube. The wells are grouped into high temperature wells and medium temperature wells, where the medium temperature wells would protect the high temperature wells from heat loss to the surroundings. The solid rock that is surrounding the high temperature wells would contain 1000 m3 , and the solid rock that is surrounding the medium temperature wells would contain 3500 m3 . Drilling the wells and installing collectors would cost more than 100 000 NOK (Huus-Hansen, 2015). The piping system that connects the solar collectors with the wells consists of pipes, 3 pumps and 5 valves. This system is constructed to enable the right temperature of the circulation medium to flow into the right well. The system could produce energy even at partly clouded days. The pressure losses in the pipes are estimated to become approximately 30 meters in total when the system receives maximum insulation. The main advantage of the system is that it can supply heating of the house even at a large energy demand. Many energy systems are having difficulties delivering enough energy when the need of heating is high for a longer period of time. The main disadvantage is that it may take as long as 5 years until the system has achieved optimal operational temperature. The long initiation phase is based on the time it will take to obtain the required temperature in the solid rock between the wells. The systems present value is estimated to become -165 000 NOK, based on assumptions of 5% interest rate and expected lifetime of 30 years. Using this system will reduce the households CO2-emissions by more than 9 tons every year. However, the thesis has many uncertainties. Some of the uncertainties are referring to the dimentioning of the walls of the energy wells, heat production in the solar collectors and the loss of pressure in the pipes.