Sesonglagring av solvarme for enebolig : en mulighetsstudie for forsøkshus i Horten

Abstract

Formålet med masteroppgaven er å gjøre rede for utforming og virkemåte for en prosjektert forsøksbolig på Skoppum, hvor oppvarmingsbehovet skal dekkes av sesonglagring av solvarme. Dette gjøres ved å varme opp vann i solfangere på sommeren, sirkulere vannet i en brønnpark i berggrunnen, for så å hente ut den lagrede varmen på vinteren. I oppgaven beskrives utforming av både demonstratorboligen, brønnparken og systemet som knytter dem sammen.

Demonstratorboligen er en forenklet enebolig i massivtre med integrerte solfangere i taket. Solfangeranlegget er fastsatt på forhånd og er på totalt 100 m2. Solfangerne er en nyutviklet type og fungerer som takets ytre kledning. Etter plassering av boligen og kartlegging av skyggeforhold er det med PVsyst og meteorologidata fra Meteonorm beregnet en årlig innstråling på 105 000 kWh på solfangertaket. Etter vurdering og beregning av solfangernes forventede virkningsgrad gjennom året, er den totale varmeoverføringen til vannet beregnet til 65 000 kWh.

Huset er utformet basert på innspill fra Horten kommune og arkitektfirma Ola Roald Arkitekter AS. Bruksarealet er 140 m2 fordelt på en førsteetasje og en hems. En av de drivende tankene bak prosjektet er en forenklet bolig, så det er valgt å bruke 300 mm massivtre som bærende og isolerende konstruksjon i vegger, tak og gulv. I tillegg vil huset ha et forenklet ventilasjonssystem med forvarming av friskluft. Med graddagstall for Horten kommune ble beregnet oppvarmingsbehov omtrent 15 000 kWh per år.

En viktig del av konseptet om en forenklet bolig er et forenklet fundament. Husets støttestruktur er påler, og rundt pålene settes opp et skjørt, slik at rommet kan fungere som kjeller og carport. Bruk av påler framfor støpt fundament vil være svært kostbesparende, noe som sammen med integrering av solfangerne i takstrukturen og fokus på bruk av enklere materialer og konstruksjonsteknikker kan gjøre boligen anslagsvis en halv million kroner rimeligere enn eneboliger bygd på tradisjonell vis.

De bærende pålene må føres noe ned i bakken for å være en stødig støttestruktur. Pålene kombineres med energibrønner, som på eneboligskala er et nytt konsept. I brønnparken for forsøkshuset brukes koaksialkollektorer, hvor brønnen er fylt med vann. Dette krever design av en støttestruktur og overgang mellom energibrønnen og husets såle, og det er foreslått en flensløsning for dette formålet. Brønnparken er rektangulær og består av totalt 24 energipåler. Med oppvarmingsbehov og beregnet forventet innhøstet energi, kunne brønnparkens nødvendige lagringskapasitet og dermed størrelse beregnes. Nødvendig volum ble beregnet til 4200 m3, og nødvendig brønndybde til 25 m.

Produksjon, lagring og distribusjon av varmeenergi i demonstratorboligen skal kunne gjøres enkelt og fleksibelt. Det er utformet et energisystem som håndterer flere ulike situasjoner, alt fra en solrik sommerdag til en kald vinternatt. Systemet driver oppvarming av huset via vannbåren gulvvarme, og bidrar i tillegg til å varme opp varmt forbruksvann. Totale kostnader for energisystemet dimensjonert for å levere 15 000 kWh varmeenergi årlig ble beregnet til 1 million kroner. Tar man høyde for kostbesparelser grunnet mulige konstruksjonsmåter som følge av rik tilgang på varmeenergi, og for at utbygging av elektrisk anlegg for oppvarming ikke er nødvendig, kan netto kostnad for energisystemet være i størrelsesorden 400 000 kr. Med en strømpris på 1 kr/kWh gir dette en tilbakebetalingstid på 25 år før husets oppvarmingsbehov dekkes gratis.

Resultatene i denne masteroppgaven viser at et frittstående sesonglagringsanlegg på eneboligskala kan gjøres. Man kan imidlertid forvente at det er økonomisk gunstigere å utforme et storskala anlegg med felles sesonglager for flere boliger, da kostnadene ikke vokser like raskt som kapasiteten ved oppskalering av anlegget.

The purpose of this master’s thesis is designing and explaining how an experimental detached house’s space heating needs could be supplied by seasonal solar energy storage. This is accomplished by heating water in solar thermal collectors in the summer, storing heat by circling the water through a BTES (Borehole Thermal Energy Storage), and extracting this heat in the winter when it’s needed the most. This thesis considers the houses construction, the design of the BTES and the small-scale energy system binding it all together.