https://www.mdu.se/

Geothermal energy that is being used for space heating with help of heat pumps is getting more and more common. In Sweden 2016, there was over 300 000 different facilities using geothermal energy with the help of bore hole heat exchangers, so called ground source heat pumps (GSHP). A GSHP uses the heat stored in the bedrock to heat a buildings supply of hot water and for space heating. While using a GSHP, the heat extracted from the bore hole leads to a temperature decrease in the hole. During summer periods, when the heat demand for the building is not as high, the GSHP is not in use. When the GSHP is not working the temperature in the borehole has a chance to recharge with the help of the surrounding bedrock and sun’s heat radiation. However, this time period for the borehole to recharge isn’t always enough to ensure that the temperature in the hole is what it once was and will overtime decrease

With the help of a GSHP that can satisfy both a heating demand and a cooling demand the GSHP can help with the grounds natural recharge rate. During the winters season when the demand for heat is high, the unit will extract heat from the bore hole resulting in a temperature decrease in the bedrock, during summer when space cooling is of a high demand, the heat pump can use the borehole to instead supply heat back into the bore hole. Helping with the bore holes’ normal recharge rate.

The simulations software IDA-ICE was used to compare two different GSHP systems. The first system was designed to only supply a building with its heating demand and its bore holes’ was simulated in a way so that they did not influence another hole. The second GSHP system was the same heat pump and bore hole model. However, this system was designed to cover both the heating and cooling demand for the house. Comparisons between the two systems influences on the bore holes include the power output, mean temperatures and the GSHP overall efficiency.

Thanks to using the second GSHP for both a heating and cooling demand the total heat extraction from the bore hole was reduced by 27,5 % compared to the GSHP that only delivered a heat demand. Due to the reduction of the total heat extraction, heat had been returned down the bore hole when the building had a large cooling demand. This heat increased the temperature in the bore hole during summertime when the first GSHP only relied on the grounds normal recharge rate. This meant that the mean temperature in the bore holes during the first year for the combined load GSHP: was 0,17 ᵒC higher than for the first GSHP. After 5 years of simulation time the mean temperature hade increased to be 0,23 ᵒC higher than of the GSHP that only covered the heat demand. Both units had no notable change in their efficiency throughout the simulation period.

Keywords:   Heat pump, Ground source heat pump. Power output, bedrock, bore hole heat exchange

Geotermisk energi som utnyttjas av värmepumpar blir allt vanligare, och i Sverige 2016 fanns det över 300 000 anläggningar som utnyttjade geotermiska energin med hjälp av borrhål, så kallade bergvärmpumpar (BVP). När en BVP utnyttjar värmeenergin som finns i berget, används denna oftast till en fastighets varmvatten och radiatorsystem. Temperaturen i borrhålet sjunker under den tid värmepumpen är i drift. Under sommarhalvåret när värmebehovet inte är lika högt i fastigheten, så används inte värmepumpen i samma utsträckning, och den mängd värme som anläggningen tar ut från borrhålet sjunker. Under denna period på året återhämtar sig temperaturen i borrhålet med hjälp av omgivande berg och även en liten mängd värme från solinstrålningen. Skulle det vara så att värme uttaget från borrhålet är väldigt högt eller att återladdningsperioden inte räcker till att återställa temperaturen i borrhålet, kommer temperaturen sjunka mer och mer vilket kommer leda till sämre förhållanden för bergvärmepumpen att jobba i.

Med hjälp av en bergvärmepump som inte bara kan leverera en fastighets värmebehov, utan även kan leverera ett kylbehov. Kan man efter en vintersäsong där värme har utnyttjats från borrhål, vilket lett till temperaturen i borrhålet har sjunkit, använda det undertempererade borrhålet till att leverera fastighetens kylbehov under sommaren. När anläggningen tar ut kyla från borrhålet skickar anläggningen tillbaka värme ner i borrhålet och på så vis hjälper borrhålets naturliga återladdningsförmåga till kommande vinterperiod.

I simuleringsprogrammet IDA-ICE undersöks två bergvärmepumpsanläggningar där den första värmepumpen endast var designat att kunna leverera fastighetens värmebehov, medan den andra värmepumpen kunde leverera både värme- och kylbehovet. Sedan gjordes jämförelser på hur de två anläggningar påverkade borrhålen, vilket effektuttag, temperatur och hur det påverkade värmepumparnas verkningsgrad.

Tack vare det kombinerade möjligheten från den andra bergvärmepumpen, att utnyttja borrhålen till både värme och kyla åt fastigheten, minskade den uttagna energin från marken med 27,5 % jämfört med värmepumpen som endast levererade värme. Minskningen av den uttagna effekten innebar att värme återfördes ner i borrhålet när byggnaden hade ett kylbehov. Tack vare den återförda värmen till borrhålen, ökade medeltemperaturen i borrhålen hos den kombinerade värmepumpen jämfört borrhålen till den första värmepumpen, med 0,17ᵒC första året och efter fem års tid hade den kombinerade anläggningen en medeltemperatur 0,23ᵒC högre. Båda värmepumparna verkningsgrad fick inga större skillnader under den simulerade tiden.

Nyckelord:   Värmepump, bergvärmepump, effektuttag, berggrund, värmeöverföring borrhål