Grundvandskøling og ATES state of the art i Danmark.

Transkript

1 Grundvandskøling og ATES state of the art i Danmark. Stig Niemi Sørensen Enopsol ApS Tuborg Boulevard 12, Hellerup INDLEDNING Med ibrugtagningen af Widex A/S nye domicilbygning i Vassingerød skrives et nyt kapitel i anvendelsen grundvandsmagasiner til køling og opvarmning af større bygninger i Danmark. Byggeriets køling og opvarmning baseres udelukkende på anvendelsen et grundvandsmagasin for sæsonlagring af kulde fra vinter til sommer og på sæsonlagring af varme fra sommer til vinter. Dette er ikke før set i Danmark. I samdrift med en varmpumpe spares over 70% i forhold til konventionelle systemer for køling og opvarmning af bygninger. En anden nyhed er, at anlægget opererer med uafhængige dipol-brøndpar, der kan drives autonomt, således at anlægget kan levere både køling og opvarmning hele året rundt. INTRODUKTION TIL GRUNDVANDSKØLING OG ATES I sin mest enkle udformning består et grundvandskøleanlæg af en boring til indvinding af grundvand og en boring til returledning af grundvand. Grundvandet pumpes fra indvindingsboringen ved ca. 9 o C i et lukket rørsystem gennem en eller flere varmevekslere, hvor grundvandet opvarmes til maks. 25 o C inden det tilbageføres til grundvandsmagasinet gennem returledningsboringen eller reinfiltrationsboringen. Der sker således ikke noget forbrug af grundvand, kun en opvarmning af vandet. Varmen lagres i den struktur i undergrunden (sand eller kalk), som grundvandet gennemløber under reinfiltrationen. Figur 1 viser en principtegning, hvor der er behov for køling af ventilationsluft.

2 HVAC Enopsol KOLD BRØND VARM BRØND Figur 1. Grundvandsanlæg med reinfiltration for køling af ventilationsluft. ATES står for Aquifer Thermal Energy Storage og sådanne anlæg udnytter den lagrede varme i grundvandsmagasinet til opvarmningsformal fx ved hjælp af en varmepumpe. Anlæggene har to driftssituationer eller modes: køling og opvarmning. I køle-mode virker anlægget som på figur 1. I varme-mode vendes pumperetningen og det opvarmede grundvand ledes tilbage gennem de samme varmevekslere, der blev anvendt til køling, hvorfra varmepumper udnytter grundvandsvarmen til opvarmning af bygningen. Figur 2 viser en principtegning, hvor der er behov for rumopvarmning.

3 Enopsol KOLD BRØND VARM BRØND Figur 2. Grundvandsanlæg med reinfiltration, hvor den lagrede varme udnyttes til rumopvarmning ved hjælp af varmepumper.

4 WIDEX-ANLÆGGET Figur 3. Widex nye domicil. April Køling og opvarmning af Widex A/S nye domicil i Vassingerød vil blive baseret på grundvand fra et vandførende kalkmagasin. beliggende mellem 50 og 100 meter under terræn. Anlægget er ibrugtaget medio februar Systemet har en køleydelse på ca kw ved indvinding og returledning af en grundvandsmængde på op til 250 m 3 /time. Der anvendes op til 5 boringer for indvinding og op til 5 boringer for reinfiltration af grundvandet i alt 10 boringer konfigureret i 5 dipol brøndpar se figur 4. Hver dipol brøndpar (DP1-5) består af 1 boring for indvinding og 1 boring for returledning af grundvand forbundet med 1 varmeveksler. Hver dipol kan opereres uafhængigt af de øvrige diploer.

5 DP 3 DP 2 DP 1 DP 5 DP 4 Figur 4. Dipol 1-5 (DP1-5) Bygningens overskudsvarme bortkøles til grundvandet vha. varmeveksling med internt cirkuleret kølevand. Den således bortkølede varme lagres i grundvandsmagasinet for senere udnyttelse til varmeforsyning af bygningen ved hjælp af 2 NH 3 varmepumper med en samlet varmeydelse på 1000 kw (200 kw+800 kw). Ved fuld kapacitet af varmepumperne, leveres ca. 800 kw fra grundvandsmagasinet ved optagelse af en eleffekt til drift af varmepumperne på ca. 200 kw. Varmebehovet kan dækkes ved drift med max. 3 dipol brøndpar. Da bygningen har kølebehov hele året rundt kan anlægget levere både køling og opvarmning samtidigt. Energisystemets opbygning er vist på figur 5 og i Tabel 1 vises nøgledata.

6 PRODUCTION COOLING VENT. AIR FANCOILS COOLING SERVER COOLING AIR REMOVAL SYSTEMS SNOW- MELTING FANCOILS HEATING FLOOR HEATING COMPR. AIR HOT WATER TANK 13 o C 6 o C Enopsol 18 o C 10 o C P1 R1 P2 R2 P3 R3 P4 R4 P5 R5 Figur 5. Widex A/S. Energisystem med 5 dipol brøndpar og 2 varmepumper.

7 Antal boringer 10 Antal dipoler 5 Maksimum grundvandscirkulation (m 3 /time) 250 Maksimum grundvandscirkulation (m 3 /år) Kølekapacitet (kw) Varmekapacitet med varmepumper (kw) Varmeinjektion i køle-mode (MWh/år) Kuldeinjektion i varme-mode (MWh/år) Energibesparelse (elektricitet) in køle-mode (MWh/år) 700 Energibesparelse (naturgas) in varme-mode (m 3 /år) CO 2 -besparelse (tons/år) Tabel 1. Widex A/S. Data for ATES-anlæg.

8 FORDELE OG ULEMPER At benytte grundvand til køle- og opvarmningsformål under danske forhold har nogle markante fordele i forhold til alle andre former for køling og opvarmning: Stor energibesparelse og dermed CO 2 -reduktion (op til 90% i køle-mode og til 60% i varmemode) Attraktiv tilbagebetalingstid Gruvandskøleanlæg og ATES-anlæg har også nogle ulemper i forhold til traditionelle løsninger: Grundvandskøleanlæg og ATES-anlæg er naturanlæg og underlagt de naturgivne forhold på etableringsstedet. De kan derfor ikke betragtes som maskinanlæg eller hyldevareanlæg. Specifikke anlægsomkostninger varierer fra sted til sted Grundvandets kemiske sammensætning kan skabe driftsvanskeligheder. Kan ikke etableres alle steder pga. hensynet til indvindingen af drikkevand

9 ANLÆGSSTATUS Tabellen herunder viser data for nogle af de grundvandskøleanlæg med reinfiltration og ATES-anlæg, der er etableret i Danmark. Anlægeejer Idriftsat Årstal Grundvandsflow Kølekapacitet Elbesparelse CO 2 -red. m 3 /h m 3 /år kw MWh/år MWh/år ton/år Chr. Hansen A/S Knudsen Plast A/S DBI Plastics A/S Stenlille Primo DK A/S *) Mikron FaarevejleA/S Sky-Light A/S Billund Lufthavn A/S Superfos A/S **) Faerch Plast A/S **) / AKV Langholt A/S LEGO System A/S DBI Plastics A/S Stenmagle Kunststof Kemi A/S Hotel Opus DEIF A/S / varme 337 Crown Plaza Hotel Ørestad / Sundhedshuset Horsens / varme 143 Widex A/S / varme 1034 RHQ Rambøl Head Quarters / varme 425 Gartneriet Hjortebjerg / m3 333 Novo Nordisk Site Hillerød NGAS 850 CPH Københavns Lufthavne Tabel 2. Data for nogle af de første grundvandskøleanlæg med reinjektion i Danmark. *) Med vandrette boringer for returledning af grundvand. **) Med termisk balancering af grundvandsmagasinet. Kilde: Energi & Miljø A/S og Enopsol ApS

10 DRIFTSERFARINGER Etableringen af de første anlæg i Danmark var drevet af den helt uundværlige pionerånd mht. introduktionen af nye og innovative teknologier. Da de allerførste anlæg var etableret stod en række nye virksomheder klar til at satse på denne teknologi, fordi der var mulighed for at opnå markante besparelser på elregningen til køling. Nogle virksomheder havde i forvejen udslidte kølekompressoranlæg og derfor var overgangen til grundvandskøling endnu mere attraktiv. Desuden var der frem til regeringsskiftet i 2001 mulighed for at opnå 30% anlægstilskud fra Energistyrelsen. Driftserfaringerne under danske geologiske og hydrogeologiske forhold er overvejende gode. Driftsproblemer har indtil nu udelukkende skyldtes dårligt udførte boringer og styresystemer med udfældning af naturligt indhold af jern og mangan fra grundvandet til følge. Anlæggene bør kunne opnå lange levetider (over 25 år), hvis der tages behørigt hensyn til de naturgivne forhold. Stig Niemi Sørensen er civilingeniør (maskiner og energi) (DTU 1980) og ph.d. i termisk analyse af grundvandsbaserede varmepumpesystemer (DTU 1991). Fra 1994 eget firma Energi & Miljø A/S og fra 2007 Enopsol ApS, der væsentligst beskæftiger sig med grundvandskøleanlæg og ATES-systemer og hermed tilknyttet optimering af energisystemer. Markedsførende i Danmark inden for turn-key leverance og drift af grundvandskøleanlæg og ATESsystemer. Rådgivende ingeniør for energisystemets udformning hos Widex A/S har været Wesberg A/S. Enopsol ApS har i turn-key leverance leveret ATES-anlægget og herunder varetaget myndighedsarbejdet.