Grundvandskøling og ATES state of the art i Danmark. Stig Niemi Sørensen Enopsol ApS Tuborg Boulevard 12, 3 2900 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.
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.
Enopsol KOLD BRØND VARM BRØND Figur 2. Grundvandsanlæg med reinfiltration, hvor den lagrede varme udnyttes til rumopvarmning ved hjælp af varmepumper.
WIDEX-ANLÆGGET Figur 3. Widex nye domicil. April 2010. 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 2010. Systemet har en køleydelse på ca. 2600 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.
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.
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 1 2 3 4 5 P1 R1 P2 R2 P3 R3 P4 R4 P5 R5 Figur 5. Widex A/S. Energisystem med 5 dipol brøndpar og 2 varmepumper.
Antal boringer 10 Antal dipoler 5 Maksimum grundvandscirkulation (m 3 /time) 250 Maksimum grundvandscirkulation (m 3 /år) 520.000 Kølekapacitet (kw) 2.800 Varmekapacitet med varmepumper (kw) 1.000 Varmeinjektion i køle-mode (MWh/år) 3.000 Kuldeinjektion i varme-mode (MWh/år) 3.000 Energibesparelse (elektricitet) in køle-mode (MWh/år) 700 Energibesparelse (naturgas) in varme-mode (m 3 /år) 270.000 CO 2 -besparelse (tons/år) 1.000 Tabel 1. Widex A/S. Data for ATES-anlæg.
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
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 1996 200 750000 3700 6000 600 468 Knudsen Plast A/S 1998 50 250000 290 1450 430 335 DBI Plastics A/S Stenlille 1998 30 150000 175 875 260 202 Primo DK A/S *) 1999 65 260000 600 1500 400 312 Mikron FaarevejleA/S 2001 45 160000 520 1850 420 327 Sky-Light A/S 2000 80 600000 450 3500 880 686 Billund Lufthavn A/S 2002 300 150000 2400 870 260 202 Superfos A/S **) 2001 75 600000 1000 6700 1350 1053 Faerch Plast A/S **) 2003 208 1800000 2650 +/-16700 1460 1138 AKV Langholt A/S 2004 210 470000 3900 8750 1650 1290 LEGO System A/S 2005 300 1500000 2800 8700 1550 800 DBI Plastics A/S Stenmagle 2006 100 450000 1625 7300 1350 1050 Kunststof Kemi A/S 2007 55 275000 700 3500 825 495 Hotel Opus 2007 80 280000 550 1930 424 254 DEIF A/S 2008 41 300000 450 +/-1000 220+varme 337 Crown Plaza Hotel Ørestad 2009 600 800000 8000 +/-4400 610 366 Sundhedshuset Horsens 2009 40 160000 350 +/-700 159+varme 143 Widex A/S 2010 250 520000 2800 +/-3000 698+varme 1034 RHQ Rambøl Head Quarters 2010 100 500000 1000 +/-2500 450+varme 425 Gartneriet Hjortebjerg 2010 50 250000 1160 +/-3000 320000 m3 333 Novo Nordisk Site Hillerød 2010 150 635000 2700 2200 1033+NGAS 850 CPH Københavns Lufthavne 2010-2014 500 2000000 5000 10000 1800 900 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
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.