Academic literature on the topic 'Bergvärme'

2008-05-26

Bedrock heat as an energy source

The sun has warmed up the bedrock and this heat can be used for warming up houses. Approximately 100 – 200 meters down in the bedrock the temperature of the heat is stable. This is a source of energy that can be used by installing a heat pump system. The ground source heat pumps are low maintenance and can last for many years. There is also a pollution risk for the groundwater and therefore the wells in the area. Before the ground source heat pump can be installed the municipality need to give permission, according to the environmental code. To install the system without permission is a crime against the environmental code. A requirement when applying for permission to install the heat pump system is to get the neighbours to agree with the place for the bore hole. The neighbour can appeal against the environmental and health authorities’ decision to give permission to install the ground source heat pump system. However there needs to be more research done regarding the environmental effects that may occur in the future, if the ground source heatpump system continues to increase as rapidly as today.

A housing society in the municipality of Umeå have under a period found interest in lowering their heating costs for the property. The property consists of 4 buildings in total with 3 of them being a multi-family residential containing 36 apartments in total and one of the buildings is an office building. The housing society was interested in knowing what a geothermal heating system would cost and how long the payback time would be. With the help of the old drawings the property was drawn in Revit and used to calculate the heat loss from different layers of the climate barrier and heat loss from the ventilation system. The internal heat generation was calculated by using standard values. When the total heat losses were calculated, and the internal heat generation was known the yearly energy needs were calculated by using a duration diagram. Then the yearly energy needs were compared to the actual yearly energy consumption of district heat and the software Nibe Dim was used to simulate three different alternatives. The investment that showed best result showed that the total cost for the investment would be 1 800 000 SEK and the annual saving 75 000 SEK/year. The payback time for the investment would however be as high as 24 years.
En bostadsrättsförening i Umeå kommun har under längre tid varit intresserade av att sänka kostnaderna för uppvärmningen av fastigheten. Fastigheten består totalt av 4 byggnader där 3 är flerbostadshus med totalt 36 lägenheter och en kontorsbyggnad. Bostadsrättsföreningen var intresserade av att veta vad en installation av bergvärme skulle kosta och hur lång payback-tid det resulterar i. Genom att rita upp fastigheten i Revit med hjälp av ritningar kunde klimatskärmens skikt och drift av ventilation sammanställas för att beräkna energiförlusterna. Den interna värmegenereringen beräknades med hjälp av schablonvärden. Med de totala värmeförlusterna och den interna värmegenereringen kunde det årliga energibehovet beräknas med hjälp av varaktighetsdiagram. När det årliga energibehovet var känt jämfördes det med den årliga fjärrvärmeanvändningen och programmet Nibe Dim användes för att välja ut tre olika alternativ. Billigaste installationen av bergvärme visar att av de tre alternativ som presenteras skulle det innebära en investeringskostnad på 1 800 000 kr med en besparing på 75 000 kr/år. Återbetalningstiden för investeringen blir emellertid så hög som 24 år.

This thesis describes the new construction of a small house and it includes studies of three heating systems: geothermal heating, district heating and pellet. The purpose of this thesis is to project a small house which can manage Building Regulations, BBR conditions and then examine three possible heating systems for the small house. This thesis is a literature study which gives an understanding of the heating systems technical structure, properties and costs. An empirical study completes the literature study by giving a deeper understanding of district heating costs and pellet costs. The empirical study contains two interviews, one of which was conducted in a district heating corporation and the other interview was conducted in a pellet corporation. The interview persons have answered structured questions in investment, maintenance and operating costs. The studies shows that the three heating system are different from each other for example the investment costs for district heating is much cheaper than the investments cost for pellets and geothermal heating. Finally, settles a comparison in the three heating systems properties and costs settles through a value analysis. The value analysis was an effective method when we based on literature studies and empirical studies made a valuation of the heating systems properties, investment costs, maintenance and operating costs. A weighting showed that district heating as heating system is the most optimal solution for the small house located in Borlänge.

Geoenergi är ett alternativ som allt fler aktörer på marknaden väljer när det kommer till att kyla eller värma fastigheter men än så länge är de flesta anläggningar som finns i Sverige småskaliga. Gällivare sjukhus använder sig i dag av fjärrvärme och det här examensarbetet gör en förstudie för att konvertera helt eller delvis till bergvärme. Fjärrvärmekostnaden i Gällivare kommun är en av de högsta i Norrbotten och har varken ökat eller minskat de senaste åren. Medeltemperaturen i Gällivare är låg vilket betyder att sjukhuset har ett högt värmebehov men med ett lägre kylbehov. Denna studie analyserar tre tänkbara scenarier för konverteringen där anläggningen ska täcka värme och kylbehovet för sjukhuset. För att kon_gurera bergvärmeanläggningen efter behovet används Earth Energy Designer 4.1 och Microsoft Excel. De tre scenarier som studerats täcker 100% av kylbehovet och 100% av värmebehovet för Scenarie 1, 50% av värmebehovet för Scenarie 2a och 40% av värmebehovet för Scenarie 2b. För att beräkna kylbehovet analyserades bland annat utomhustemperaturen i Gällivare med data från SMHI. Det gjordes även en simulering av sjukhuset i IDA-ICE för att uppskatta kylbehovet för ventilation och människors värmestrålning. En jämförelse mellan de olika scenarierna gjordes tillsammans med en livscykelkostnad för anläggningarna. Livscykelkostnadsanalysen beräknades utifrån en livslängd på 20 år. Utöver detta beräknades miljöpåverkan i form av koldioxidutsläpp för konverteringen mellan de olika scenarierna under den beräknade livslängden. Storlekarna på anläggningarna varierade både på djup och i antal borrhål vilket avspeglade sig i resultatet. Investeringskostnaderna för anläggningarna varierade mellan 18 071 tkr för Scenarie 2b som täcker 40% av värmebehovet och 53 272 tkr för Scenarie 1 som täcker 100%. Scenarie 2b visar sig vara mest lönsam med en återbetalningstid på 15 år medan Scenarie 1 och 2a har en återbetalningstid på över 20 år. Resultatet från koldioxidberäkningarna visar däremot att Scenarie 1 är det bästa alternativet ur en miljöaspekt med ett minskat koldioxidutsläpp på 42 739 ton under den tekniska livslängden.
Geothermal energy is an alternative that more and more companies choose when it comes to cooling and heating properties, but so far most of the geothermal facilities in Sweden are small-scale. The hospital in Gällivare use district heating and this master thesis is a pilot study to convert from district heating to geothermal energy. The cost for the district heating in Gällivare is one of the highest in Norrbotten and has not increased or decreased the past few years. The mean temperature in Gällivare is low which means that the hospital has a high heat demand but a low cooling requirement. This pilot study analyses three scenarios to convert to geothermal heating system with the possibility to cover the cooling requirement as well. These scenarios are configured to cover 100% of the cooling requirement but different heating demands of 100% for Scenario 1, 50% for Scenario 2a and 40% for Scenario 2b. To cover this demand, Earth Energy Designer 4.1 and Microsoft Excel are used to configure the heating system and to do the comparison between the scenarios. The cooling requirement is calculated based on the outside temperature in Gällivare and the equipment used in the hospital. A simulation was made in IDA-ICE to analyze the cooling requirement for the ventilation and for the people inside the hospital. A comparison between the scenarios was made using the LCC (Life Cycle Cost) method. The LCC was made with a 20 years lifetime on the heating system. In addition, the environmental impact in the form of carbon dioxide emissions is calculated for the different scenarios during the estimated lifespan. The sizes on the heating systems in the different scenarios varies in both the number of boreholes and the depth on the boreholes, which was reflected in the result. Investment cost for the heating system varies between 18 071 tkr for Scenario 2b which covers 40% of the demand and 53 272 tkr for Scenario 1 which covers 100 %. Scenario 2b proves to be the most profitable solution with a payback time of 15 years while Scenario 1 and 2a got a payback time of over 20 years. From an environmental aspect Scenario 1 is the best option with a decreased usage of carbon dioxide of 42 739 tons over 20 years.

Två år efter att bostadsrättsföreningen Backadalen gjorde en investering i bergvärme för sina lägenheter på Hisingen, Göteborg, startades ett pilotprojekt vid namn Smart Heat. Syftet med Smart Heat är att drifta borrhål och värmepumpar på ett så kostnadseffektivt sätt som möjligt. Detta görs genom att den billiga värmen som finns på sommaren lagras som bergvärme och används under den kallaste delen av året med hjälp av värmepumpar. Denna rapport tittar på hur optimal en Smart Heat installation kan bli men behandlar endast investering i värmepumpar och borrhål, med begränsningen att temperaturen i borrhålen är mellan 5 till 40◦C. En systemdesign ritades upp och genom linjärprogrammering i MATLAB så optimerades driftningen av borrhål och värmepump utifrån givna indata och antaganden. Denna optimering användes sedan i mjukvaran Earth Energy Design för att simulera temperaturen och ta fram storlek på borrhålslager. Tre olika konfigurationer av effekt och volym på borrhålssystem valdes och undersöktes. Antalet borrhål blev 252, 187 respektive 91 och dessa täcker 90%, 66% respektive 35% av det totala värmebehovet från november till april, exkluderat varmvattenbehovet. Driftnyttan, dvs skillnaden mellan att endast använda fjärrvärme och att kombinera fjärrvärme och borrhål, blev 1,55 MSEK, 1,12 MSEK och 0,58 MSEK. Investeringskostnaden som till 67% bestod av värmepumpskostnaden blev 46, 34 och 17 MSEK, vilket gav en återbetalningstid på runt 50 år för en kalkylränta på 2% för alla tre konfigurationer. Utifrån analysen i denna rapport så dras slutsatsen att en sådan investering med låga temperaturer i borrhålslagret inte själv är ekonomiskt genomförbar. En investering i borrhål och värmepump borde däremot jämföras med andra energikällor vid utbyggnad av områden utan redan fungerande fjärrvärmenät eller annan värmekälla. Ekonomiskt så är kostnaden av värmepump det som påverkar resultatet mest. Möjliga åtgärder för att sänka kostnaden av en sådan investering är en högre temperatur i borrhålen och en lägre framledningstemperatur till bostäderna, vilket gör värmepumpar mindre nödvändiga för systemet. För de tre olika scenarierna i denna rapport så kan ingen slutsats dras att fjärrvärmesystemets effektbalans skulle påverkas på ett negativt sätt. Avslutningsvis så är bergvärme kombinerat med fjärrvärme en lösning som borde undersökas vidare och den kan vara en viktig del för att uppnå en högre mängd förnyelsebar energi på energimarknaden.
In 2017, two years after the housing association Backadalen made an investment in geothermal heat for 20% of its apartments in Hisingen Gothenburg, a pilot project called Smart Heat was started. The purpose of Smart Heat is to operate boreholes and heat pumps in the most cost-effecient way possible. This means that the cheap heat that is available in the summer is stored as geothermal energy and used during the coldest part of the year with the help of heat pumps. This report looks at how an optimal Smart Heat installation can provide the best profitablility. This thesis is limited to a temperature in the boreholes at 5 to 40 degrees and only deals with investments in heat pumps and boreholes. A system design was drawn up and then optimized on given input using linear programming in MATLAB. This optimization was then used in the program Earth Energy Design to simulate the temperature and derive borehole layer size. Three different configurations of power and capacity of borehole systems were selected and investigated. The number of boreholes were 252, 187 and 91, which covers 90%, 66% and 35%, respectively, of the total heat demand from November to April, excluding the hot water requirement. The operating benefit, i.e. the difference between using only district heating and combining district heating and boreholes, was 1.55, 1.12 and 0.58 million SEK. The investment cost, whereof 67% consisted of the heat pump cost, was 46, 34 and 17 million SEK, giving a payback time of around 50 years at a discount rate of 2% for all three configurations. The conclusion is that an installation like Smart Heat with limited temperatures in the boreholes is not by itself economically feasible. On the other hand, an investment in boreholes and heat pumps should be compared with other energy sources and further investigated in the development of areas without already functioning district heating networks or other renewable heat sources. Economically, the cost of a heat pump impacts the result the most. Some options for reducing the cost of such an investment is through a higher temperature in the boerholes and a lower supply temperature to the houses. By changing these temperatures, the heatpump will be less necessary to the system. For the three different scenarios in this report, the power balance of the district heating system would not be adversely affected. Finally, geothermal heat combined with district heating is a solution that should be investigated further and which can be an important part of achieving a higher amount of renewable energy in the energy market.

This thesis includes an energy survey of a school in Luleå called Benzeliusskolan and was carried out on behalf of the municipality of Luleå. Benzeliusskolan is currently heated with electric radiators and the thesis contains an investment calculation for the installation of a geothermal heating system. Calculations have been made to determine Benzeliusskolans theoretical heat demand. A survey of current electricity usage for heating has also been carried out for cost comparisons.   The result of the thesis is following: • The theoretical heat demand for all buildings is 251 212 kWh per year. Transmission losses amount to 228 257 kWh and heat losses through infiltration amount to 34 646 kWh per year. The heat requirement for ventilation was calculated to 58 995 kWh. Heat input of 70 687 kWh takes place every year from internal heat and solar energy.   • Mapping current consumption resulted in that current usage is 257 952 kWh of electricity for heating and 12 684 kWh of electricity for tap water per year.   • The power requirement for all buildings, including waterborne heating batteries in all ventilation systems, was calculated to 146 kW.   • A proposal for a geothermal heating system with a main central in house B where heat pumps are placed and heat transport to the other buildings, houses A and C, takes place through isolated culverts. The cost has been estimated at approximately 2 200 000 SEK through quotes and standard costs. The cost includes geothermal heat pumps, waterborne heating batteries for ventilation systems, drilling, radiators, installation costs and culverts between the buildings. The cost is based on an internal rate of 2% and an expected life span of 20 years.   • The investment in a geothermal system results in a reduction in electricity consumption for heating and tap water of 68.8%, 186 275 kWh per year. The investment had resulted in a cost saving of approximately 113 000 SEK per year during the estimated 20-year life span of the heat pump. Break-even occurs after about 19 years and 7 months and the total savings after 20 years amount to 52 000 SEK.

En studie över jämförelsen av fjärrvärme i Helsingborg och bergvärme har utifrån resursutnyttjande, klimatpåverkan och ekonomi genomförts. Till detta har scenarion med solcellsanläggningar som komplement till bergvärmesystemet jämförts. Genom att förbruka fjärrvärme istället för bergvärme så skulle ett Nils Holgersson hus under 2013 förbruka 25 MWh mindre primärenergi, vilket mostsvarar 2 ton råolja och 5 ton pellets. Det billigaste bergvärmesystemet i studien hade en årskostnad på 9 000 kr mer än fjärrvärmen. Beroende på ursprungsmärkningen av elen utnyttjad i bergvärmesystemet variera koldioxid resultatet. Men utifrån nordisk residualmix så minskas utsläppen av koldioxid med minst 4 ton per år med fjärrvärme som uppvärmninsgalternativ.

Uppdragsgivaren för detta examensarbete saknade underlag till jämförelser mellan bergvärmepumpar och luft/vattenvärmepumpar vid två unika projekt. Arbetet ska ge en uppdaterad bild av skillnaderna i drift och ekonomi mellan värmepumparna inför aktuella och framtida beslutstaganden vid projektering av tillämpningar med sådana. I studien redovisas en teoretisk genomgång av värmepumpens funktion, historia och godhetstal som baseras på litteraturstudier inom berörda ämnen. En av anläggningarna är en inomhuspool i Oslo vars dimensionering för värmekälla presenteras i arbetet. Resultat från beräkningar visar att ett värmeuttag från berggrunden är möjligt över hela året om det aktiva djupet är tillräckligt stort. Awitar som är en ny forskningsanläggning som byggs av Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, SP, utgör arbetets andra anläggning. För båda projekten utgör lönsamhetskalkyler underlag för resultat av investering i bergvärmepump och luft/vattenvärmepump. Annuiteten, den årliga kostnaden, för en investering visade sig skilja mycket lite mellan värmepumparna vid båda anläggningarna. Värmepumparna till inomhuspoolen har båda annuitet på ca 16 kkr/år och för Awitar en annuitet på ca 111 kkr/år. Grundinvesteringen för berg- respektive luft/vattenvärmepump till inomhuspoolen uppgår till 295 kkr respektive 120 kkr och för Awitar 485 kkr respektive 175 kkr.
The client of this thesis lacked a basis for comparison of geothermal heat pumps and air/water heat pumps in two unique projects. This thesis will provide an updated picture of the differences in operations and finance between the heat pumps for both current and future decisions of projects. This study presents a theoretical review of the heat pump's function, history and efficiency based on literature studies in these subjects. One of the facilities is an indoor pool in Oslo, whose dimensioning of heat source are presented in this work. A result of calculations show that a heat extraction from the bedrock is possible throughout the year if the active depth is sufficient. Awitar, which is a new research facility built by the Swedish Technical Research Institute, SP, is this works second facility. Profitability calculations for both projects make the basses for the results of investment in the geothermal heat pump and air/water heat pump. Annuity, which is the annual cost of an investment, turned out to differ very little between the heat pumps at both facilities. The heat pumps for the indoor pool have both the annuity of about 16 thousand SEK/year and Awitar annuities are about 111 thousand SEK/year. The initial investment value for the geothermal and the air/water heat pump to the indoor pool amounts to 295 thousand SEK and 120 thousand SEK, respectively, and for Awitar, 485 thousand SEK and 175 thousand SEK, respectively.