Förstudie för konvertering till bergvärme

vid Gällivare Sjukhus

Rasmus Rådmark

Civilingenjör, Hållbar energiteknik

2020

Luleå tekniska universitet

Institutionen för teknikvetenskap och matematik

Forord

Det har arbetet ar en del av min civilingenjorsutbildning inom Hallbar Energiteknik pa Lulea tekniskauniversitet. Examensarbetet har utforts pa uppdrag av Gallivare sjukhus, Region Norrbotten.

Jag skulle vilja tacka Peter Toyra handledare pa Gallivare sjukhus for sitt stod under arbetet och avenmin examinator Erik Elfgren. Jag vill ocksa tacka Anna-Maria Perttu pa Sweco Environment AB somhar bistatt med Earth Energy Designer 4.19, sitt stod och engagemang genom projektet. Till sist vill jagtacka de foretag som bistatt med information och vagledning genom projektet.

Rasmus RadmarkTrollhattan, April 2020

i

Sammanfattning

Geoenergi ar ett alternativ som allt fler aktorer pa marknaden valjer nar det kommer till att kyla ellervarma fastigheter men an sa lange ar de flesta anlaggningar som finns i Sverige smaskaliga.

Gallivare sjukhus anvander sig i dag av fjarrvarme och det har examensarbetet gor en forstudie for attkonvertera helt eller delvis till bergvarme. Fjarrvarmekostnaden i Gallivare kommun ar en av de hogstai Norrbotten och har varken okat eller minskat de senaste aren. Medeltemperaturen i Gallivare ar lagvilket betyder att sjukhuset har ett hogt varmebehov men med ett lagre kylbehov.

Denna studie analyserar tre tankbara scenarier for konverteringen dar anlaggningen ska tacka varme-och kylbehovet for sjukhuset. For att konfigurera bergvarmeanlaggningen efter behovet anvands EarthEnergy Designer 4.1 och Microsoft Excel. De tre scenarier som studerats tacker 100 % av kylbehovet och100 % av varmebehovet for Scenarie 1, 50 % av varmebehovet for Scenarie 2a och 40 % av varmebehovetfor Scenarie 2b. For att berakna kylbehovet analyserades bland annat utomhustemperaturen i Gallivaremed data fran SMHI. Det gjordes aven en simulering av sjukhuset i IDA-ICE for att uppskatta kylbehovetfor ventilation och manniskors varmestralning.

En jamforelse mellan de olika scenarierna gjordes tillsammans med en livscykelkostnad for anlaggningarna.Livscykelkostnadsanalysen beraknades utifran en livslangd pa 20 ar. Utover detta beraknades miljopaverkani form av koldioxidutslapp for konverteringen mellan de olika scenarierna under den beraknade livslangden.

Storlekarna pa anlaggningarna varierade bade pa djup och i antal borrhal vilket avspeglade sig i resultatet.Investeringskostnaderna for anlaggningarna varierade mellan 18 071 tkr for Scenarie 2b som tacker 40 %av varmebehovet och 53 272 tkr for Scenarie 1 som tacker 100 % . Scenarie 2b visar sig vara mest lonsammed en aterbetalningstid pa 15 ar medan Scenarie 1 och 2a har en aterbetalningstid pa over 20 ar.Resultatet fran koldioxidberakningarna visar daremot att Scenarie 1 ar det basta alternativet ur enmiljoaspekt med ett minskat koldioxidutslapp pa 42 739 ton under den tekniska livslangden.

ii

Abstract

Geothermal energy is an alternative that more and more companies choose when it comes to cooling andheating properties, but so far most of the geothermal facilities in Sweden are small-scale. The hospitalin Gallivare use district heating and this master thesis is a pilot study to convert from district heatingto geothermal energy. The cost for the district heating in Gallivare is one of the highest in Norrbottenand has not increased or decreased the past few years. The mean temperature in Gallivare is low whichmeans 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 possibilityto cover the cooling requirement as well. These scenarios is configured to cover 100 % of the coolingrequirement but different heating demands of 100 % for Scenario 1, 50 % for Scenario 2a and 40 % forScenario 2b. To cover this demand, Earth Energy Designer 4.1 and Microsoft Excel are used to configurethe heating system and to do the comparison between the scenarios. The cooling requirement is calculatedbased on the outside temperature in Gallivare and the equipment used in the hospital. A simulation wasmade in IDA-ICE to analyze the cooling requirement for the ventilation and for the people inside thehospital.

A comparison between the scenarios was made using the LCC (Life Cycle Cost) method. The LCC wasmade with a 20 years lifetime on the heating system. In addition, the environmental impact in the formof 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 thedepth on the boreholes, which was reflected in the result. Investment cost for the heating system variesbetween 18 071 tkr for Scenario 2b which covers 40 % of the demand and 53 272 tkr for Scenario 1 whichcovers 100 %. Scenario 2b proves to be the most profitable solution with a payback time of 15 years whileScenario 1 and 2a got a payback time of over 20 years. From an environmental aspect Scenario 1 is thebest option with a decreased usage of carbon dioxide of 42 739 tons over 20 years.

iii

Innehall

1 Inledning 11.1 Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Gallivare Energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2 Gallivare Sjukhus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Litteraturstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Avgransningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Teori 32.1 Fjarrvarme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.1 Torv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Bergvarme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2.1 Geologi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2.2 Varmepump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.3 Cirkulationspump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.4 Koldbarare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.5 Simuleringsprogram bergvarmeanlaggning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Kylbehov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.1 Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.2 Utrustning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.3 Serverrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4 Reservkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.5 Normalarskorrigering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.6 Ekonomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.6.1 LCC - Life Cycle Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.7 Miljopaverkan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.7.1 Koldioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.7.2 Fjarrvarme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.7.3 Bergvarme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Metod 123.1 Varmebehov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2 Kylbehov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2.1 Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2.2 Utrustning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2.3 Serverrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3 Dimensionering av bergvarme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.3.1 Geologi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.3.2 Brunnar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3.3 Varmepump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3.4 Cirkulationspump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.4 Reservkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.5 Normalarskorrigering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.6 Ekonomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.6.1 Forberedningsarbete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.7 Kanslighetsanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.8 Miljopaverkan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4 Resultat 194.1 Varmebehov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.2 Kylbehov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.3 Dimensionering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.3.1 Scenarie 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

iv

4.3.2 Scenarie 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.4 Cirkulationspump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.5 Ekonomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.5.1 Scenarie 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.5.2 Scenarie 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.6 Ekonomisk lonsamhet - en jamforelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.7 Kanslighetsanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.8 Miljopaverkan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5 Diskussion och slutsatser 34

6 Fortsatt arbete 36

7 Bilagor 39

v

Beteckningar

A Area (m2)C Specifik varmekapacitet (kJ/kg×K)d Diameter (m)ρ Densitet (kg/m3)E Driveffekt (W)EI Energiindex (-)f Friktionsfaktor (-)H Uppfodringshojd (m)L Langd (m)N Antal (st)η Verkningsgrad (-)m Massa (kg)m Massflode (kg/s)p Tryck (Pa)Q Varmeforbrukning (Wh)

Q Varmeeffekt (W)Re Reynolds tal (-)S Langd (m)T Temperatur (C)v Hastighet (m/s)V Volym (m3)

V Volymflode (m3/s)ν Kinematisk viscositet (m2/s)W Langd (m)ζ Engangsforlustkoefficient (-)

vi

1 Inledning

Att effektivisera energianvandningen ar nagot som har pagatt under en lang period tack vare en standigutveckling av teknik. Belysning och elapparater ar nagra av de omraden dar energiforbrukningen sjun-ker drastiskt. Tack vare utvecklingen har energiintensiteten minskat med i genomsnitt 1,4 % per ar fran1970 och fram till 2012 trots att energianvandningen okar. Detta betyder att forhallandet mellan ener-giforbrukningen och Sveriges BNP minskar. Malet fram till 2050 ar att effektivisera energianvandningenmed 50 % gentemot 2012 [5]. Inom bostads- och servicesektorn, som forbrukade 143 TW h under 2015,anvands over halften av energianvandningen till uppvarmning och varmvatten. Dar ar fjarrvarmen dendominanta uppvarmningskallan och stod for 58 % av den totala energianvandningen 2015 [9]. Varmenproduceras genom forbranning i pannor eller sa utnyttjas spillvarme fran industrier som leds ut ifjarrvarmenatet. Spillvarme stod for 8 % av den totala fjarrvarmeproduktionen under 2015 och biobranslefor 64 % [9].

Allt fler aktorer pa marknaden valjer att anvanda sig av geoenergi for att varma och kyla fastigheter.Geoenergi ger aktorer mojlighet att tanka pa miljon och samtidigt dra ner deras energikostnader. MedSveriges klimat ar forutsattningarna for geoenergi goda da temperaturskillnaden mellan sommar ochvinter ar stora. Det ger bra mojlighet till att bade utvinna och lagra energi. Majoriteten av de geo-anlaggningar som finns i Sverige ar smaskaliga och ar installerade i enfamiljshus. Under 2015 beraknadesden totala energinanvandningen fran Sveriges ca 540 000 stycken geoanlaggningar uppga till 23 TW h[12].

1.1 Bakgrund

1.1.1 Gallivare Energi

Gallivare Energi AB anvande ar 2017, 34 000 ton torv, 8 m3 olja och 60 000 ton trabranslen for att varmaupp fjarrvarmenatet i Gallivare [2]. Priset pa fjarrvarmen ar oforandrad sedan fyra ar tillbaka och ingettyder pa att det kommer oka eller bli lagre [1]. Torv har tidigare klassats som biobransle da det bildasur biomassa och nybildas snabbare an kol och andra fossila branslen. Daremot bestar torv av lite meran 50 % av kol och klassas darfor som fossilt bransle enligt Naturvardsverket [26].

1.1.2 Gallivare Sjukhus

I Gallivare finns Norrbottens andra storsta sjukhus med drygt 800 anstallda och 300 besokare dagligen.Sjukhuset bestar av lokaler som tacker en yta pa cirka 95 000 m2 indelat i flera byggnader.

Gallivare sjukhus forsorjs idag med fjarrvarme fran Gallivare Energi AB:s kraftvarmeverk av ekonomiskaoch miljoskal. Sjukhusets fjarrvarmeanvandning ar omkring 11 GW h per ar med en kostnad pa cirka7,5 Mkr per ar. Det finns kylbehov pa sjukhuset under hela aret sa det ar mojligt att sasongslagra varme[36].

Snittpriset for fjarrvarme under 2016 till Gallivare sjukhus var 69 ore/kWh och i Regionens hela fas-tighetsbestand var snittpriset 56 ore/kWh. Gallivare kommun har hogst avgift for fjarrvarme bland destader i Norrbottens och Vasterbottens lan som har sjukhus [38].

Nara sjukhuset gar Torne och Kalix alvsystem som ar ett skyddat Natura 2000-omrade [25]. Dettabetyder att det finns sarskilt vardefulla vaxt- och/eller djurarter i alven som maste skyddas enligt EU-direktiven habitatdirektivet och fageldirektivet [26]. Darfor ar det viktigt att en eventuell installation avbergvarmeanlaggningen inte paverkar alven.

1

1.2 Litteraturstudie

Geoenergiprojekt pa andra industrier har studerats under arbetets gang. Nedan presenteras de projektoch litteraturer som studerats mer ingaende.

• Norrbottens universitetssjukhus, NUS, i Umea har genomfort en liknande satsning dar de anvandersig av markvarme for att dra ner pa fjarrvarmekostnaden och minska utslappen av koldioxid.Anlaggningen beraknas ha en total energiatervinning pa 10 000 MW h varme och 8000 MW h kyla[12]. Sjukhuset beraknar halvera sin kostnad och darmed spara in pa 4,5 miljoner kronor per arenligt Hans Johansson, fastighetsomradeschef Norrlands universitetssjukhus [19].

• Bergvarme pa djupet, Boken for dig som vill veta mer om bergvarmepumpar av Jose Acuna, ErikBjork med flera. Skriften innehaller grunderna i hur en varmepump fungerar, kostnadsjamforelseroch information om bergets egenskaper och hur det gar att ta tillvara pa den lagrade energin [6].

• Det Robusta sjukhuset ar en utgava fran Krisberedskapsmyndigheten och har som syfte att forbattrasjukvardens funktionssakerhet. Publikationen rekommenderas att anvanda vid planering, drift ochunderhall, analysarbete med mera [8].

1.3 Syfte

Syftet med forstudien ar att undersoka om det ar genomforbart att konvertera till bergvarme utan attaventyra driftsakerheten, miljokonsekvenserna for konverteringen och om det ar ekonomiskt lonsamt urett livscykelperspektiv. Fragestallningar

• Hur paverkas miljon av byte fran fjarrvarme till bergvarme i Gallivare?

• Ar det ekonomiskt forsvarbart att byta till bergvarme?

• Kan kylbehovet tillfredsstallas aret om enbart med bergvarme?

• Hur paverkas alven av bergvarmen?

• Hur paverkas varmetillforseln vid stromavbrott?

1.4 Avgransningar

Avsnittet Miljopaverkan (2.7) inkluderar inte miljopaverkan for tillverkning av material eller installationav bergvarmen. Vidare inkluderar det inte transport av biomassa och torv till fjarrvarmeverket, enbartforbranningen av materialet. Torvmarkens klimatpaverkan vid dikning av omradet inkluderas inte hel-ler. Ekonomiskt antas fjarrvarmekostnaden vara oforandrad aven vid lagre last. Studien utgar fran attbefintligt VVS system ar intakt och inte behover kompletteras med ytterligare komponenter. I praktikenar det inte latt att borra vertikala brunnar och svarigheterna okar desto djupare halen borras. Det bety-der att avstandet mellan borrhalen varierar beroende pa djupet. I detta arbete antas avstandet mellanborrhalen vara konstant oavsett djup.

2

2 Teori

I det har avsnittet behandlas de teoretiska delarna som ligger till grund for examensarbetet. Avsnittetinleds med en beskrivning av fjarrvarme och darefter av bergvarme. Darefter presenteras teori overnodvandiga komponeneter for att kunna konvertera till bergvarme. Vidare beskrivs ekvationer overkylbehov, de ekonomiska berakningarna och miljopaverkan pa konverteringen.

2.1 Fjarrvarme

En fjarrvarmeanlaggning producerar varme i en stor skala fran ett centarlt varmeverk for att sedandistribuera ut varmen till byggnader och platser som ar anslutna till fjarrvarmenatet. De konsumentersom ar anslutna till fjarrvarmenatet har en egen fjarrvarmecentral som styr flodet for att tacka rattvarmebehov. Storleken pa omradet for fjarrvarmenatet beror pa vilken effekt som gar att fa ut frananlaggningen.

For att omvandla energin fran varmeverket till fjarrvarmenatet anvander Gallivare Energi AB ettkraftvarmeverk dar de forbranner olja, torv och biobransle. Fordelningen av branslet som anvands visasi tabell 1 dar torv och biobransle star for nastan 98 %.

Tabell 1: Branslemix for Gallivare Energi AB [36].

Bransle AndelUtslappsfaktor(gCO2e/kWh)

Olja EO2-5 0,90 % 295El 1,00 % 125

Torv 45,80 % 425Biobransle 52,40 % 9

Enligt tabell 2 har Gallivare kommun hogst avgift for fjarrvarme bland de stader i Norrbottens ochVasterbottens lan som har sjukhus. Avgiften ar baserat pa en fastighet pa 1000 m2 med ett fjarrvarmebehovpa 193 000 kW h och har ingen anknytning till sjukhusens faktiska avgifter. Trots detta har Gallivare sjuk-hus ett avtal med Gallivare energi som gor att de har lagre fjarrvarmekostnad an Kalix [36].

Tabell 2: Fjarrvarmepriser enligt Nils Holgersson-undersokningen 2017 [38].

Pris (kr/kvm)Norrbotten

Gallivare 182,21Kalix 161,38

Kiruna 167,33Pitea 127,34

Sunderbyn 99,22Vasterbotten

Lycksele 151,06Skelleftea 151,06

Umea 149,10

2.1.1 Torv

Torv ar en organisk jordart som bildas i syrefattiga och fuktiga miljoer med lagt vattenflode. Vaxternai omradet bryts ned ofullstandigt samtidigt som nya vaxter tillkommer och bildar darefter lager avofullstandigt material. Innehallet av torv domineras av cirka 50 % kol, 30 % syre, 6 % vate och 2 % till3 % kvave[14]. Exakt hur sammansattningen ser ut beror bland annat pa grundvattenflodet, bildningssatt

3

och underlagets egenskaper. Det optimala anvandningsomradet for torv beror pa hur lange materialet harbrutits ner och fran vilket omrade torven vaxt pa. Har torven bildats i en mosse ar torven naringsfattigoch ar mest optimal for odlingstorv. En mer naringskravande torv bildas i karr och ar optimal videnergiproduktion[14].

For att utvinna torven maste omradet avvattnas. Detta sker vanligen genom dikning av omradet ochsedimentationsdammar som tar upp vattnet och minskar andelen suspenderat material i vattendrag[14].Avvattningen leder dock till att vaxter och djur som ar vattenberoende forsvinner fran myren[20]. Ettannnat resultat av avvattning genom dikning ar okad emission av koldioxid nar grundvattennivan sanks.Detta pa grund av att de organiska material syresatts och bryts ner till koldioxid[18]. Nar torvmarkendaremot aterstalls till vatmark blir det upptag av koldioxid for torvmarken. Utslappen for torvproduk-tionsmark ar hogre an for de torvmarker dar torv inte utvins. Hur mycket hogre utslappen ar beror patorvmarkens egenskaper[24].

Sverige ar ett av jordens mest torvmarkstata lander med 1,6 % av den totala torvmarksarealen. My-ren (torvmarken) bestar av runt 5,1 miljoner hektar av Sveriges mark enligt instutitionen for skogligresurshallning pa Sveriges lantbruksuniversitet[11]. I Sverige ar det tva olika anvandningsomraden avtorv som ar dominerande, energitorv och odlingstorv. Energitorv kallas den torv som anvands for ener-giandamal och 2017 uppgick skorden av energitorv till nara 1,1 miljoner kubikmeter. For odlingstorvuppgar skorden till 1,7 miljoner kubikmeter och anvands som jordforbattringsmedel, tradgardsnaringoch odlingsmedium[20].

Totalt 1,3 TW h genererades fran den energitorv som anvandes ar 2017 enbart fran el och fjarrvarmeverk[20].

2.2 Bergvarme

Den varme som finns lagrad i jord, berg och grundvatten genereras fran solenergi och jordens inre.Temperaturen i marken ner till ett tiotal meter ar arstidsberoende och styrs huvudsakligen av solensuppvarmning (stralning). Denna temperatur varierar normalt mellan 3 ◦C-10 ◦C i Sverige. Under dettadjup varierar den geotermiska gradienten mellan 15 ◦C/km-30 ◦C/km [10].

For att ta tillvara pa den lagrade energi borras det en eller flera brunnar i berggrunden. Djupet ochantalet brunnar beror pa vilken effekt som behovs for att varma och kyla anlaggningen under ett ar.Vanligen ar diametern mellan 115 mm-165 mm och brunnsdjupet 100 m-300 m[10]. I berggrunden finnssprickbildning dar vatten strommar igenom och fyller brunnarna. Vattnet varms upp av berggrundenoch kan anvandas for att ta tillvara pa den lagrade energin.

Brunnarna gar att utnyttja pa olika satt, antingen genom att installera ett oppet bergvarmesystem ellerett stangt bergvarmesystem. Ett oppet system suger upp vatten fran botten av brunnen via en cirku-lationspump och tappar ut returvattnet i toppen av halet. For att kunna sakerstalla att en slang narbotten anvands cement som vikt langst ner pa slangen. Slangen for returvattnet slutar vid grundvat-tenytan, se figur 1. Detta system kraver att vattnet filtreras for att inte riskera att det bildas en propp ivarmevaxlaren [16].

Det stangda systemet anvander ett eller fler U-formade kollektorslangar med cement i botten som vikt,se figur 1. Grundvattnet i borrhalet varmer koldbararvatskan i kollektorslangen som pumpas upp tillvarmepumpen via en cirkulationspump. Returen av koldbararvatskan fran varmepumpen cirkulerar neri berget igen och varms upp pa nytt. Detta ger en samre varmeoverforing gentemot ett oppet system dargrundvattnet anvands som koldbarare men det innebar ocksa mindre underhall.

4

Figur 1: Illustration over hur ett stangt, vanster bild, och oppet, hoger bild, system ser ut i praktiken.

Tabell 3: Kostnader exkl. moms for brunnsborrning i Gallivare. Inklusive slang och lock monterad [23].

Arbete Pris EnhetRordrivning 460 kr/meter

Bergborr <230 meter 230 kr/meterBergborr 230 - 350 meter 260 kr/meterBergborr 350 - 700 meter 300 kr/meter

Container 3000 kr/250 meter

Priserna i tabell 3 ar avsedda for borrning med max djup pa 700 meter, 10 meter rordrivning, dubbel-lindad kollektorslang samt borrkax hantering [23].

2.2.1 Geologi

Varmen i marken kan transporteras via konduktion, konvektion, angdiffusion eller stralning. Konduktionbestams av markens varmeledningsformaga och ar den dominerande varmetransporten vid lag tempera-turgradient och normal marktemperatur [35].

Bergarten i marken har stor betydelse for dimensioneringen av bergvarmeanlaggningen . Kristallina bergdelas in i magmatiska och metamorfa bergarter och ar den vanligaste i Sverige. Granit och gabbro ar tvabergarter som bildas om smaltan i jordskorpan stelnar.

Temperaturen i marken har en stor betydelse for hur mycket energi du kan utvinna. En fordel ar att snonsisolerande egenskaper under vinterhalvaret ger en hogre temperatur pa snorika platser an pa snofattiga[6].

Tabell 4 visar uppgifter om vanliga varden for skogstathet och alder av skog i Gallivare samt kostnadenfor avverkning.

Tabell 4: Uppgifter om avverkning av skog i Gallivare [22].

Arbete Pris EnhetSkogstathet 100-150 kubik/hektar

Alder pa skog 80-100 arKostnad 120 kr/kubik

5

Skogsarbetet galler skovling och bortforsling av skog medan markarbete avser utjamning av mark.

Arean, Asq som kravs for att tacka varmebehovet beraknas enligt

Asq = (Sb ∗ (Nb.b − 1) + 2 ∗WLS) ∗ (Sb ∗ (Nb.l − 1) + 2 ∗WLS), (1)

dar Sb ar langden mellan borrhalen, Nb.b ar antal borrhal pa bredden, Nb.l ar antal borrhal pa langdenoch WLS ar en tillagd yta runt borrhalslagret, se figur 2.

Figur 2: Illustration over totala ytan som borrhalslagret dimensioneras efter.

2.2.2 Varmepump

Varmepumpens syfte ar att ta tillvara pa varmen fran borrhalen och forse sjukhuset med det varmebehovsom finns. Varmepumpen bestar av ett slutet system med ett koldmedium som cirkulerar genom defyra huvudkomponenterna; forangare, kompressor, kondensor och expansionsventil. Varmen som extra-heras fran marken via en koldbarare passerar forangaren och overfor varmeenergin till varmepumpenskoldmedium. I forangaren omvandlas varmepumpens koldmedie, i form av vatska, till gasform. Koldmedietpumpas vidare genom en kompressor som okar trycket pa gasen i syfte att hoja temperaturen. Den var-ma gasen passerar darefter en kondensor dar varme avges till radiatorvattnet i sjukhusets varmesystem.Gasen i varmepumpen kondenseras vid varmeutbytet och passerar darefter en expansionsventil for attlatta pa trycket innan koldmediet ater passerar forangaren [6]. I figur 3 visas ett schema over hur kretsenkan se ut.

6

Figur 3: Prinsipschema over en kompressionsvarmepump.

Det ar vanligt att dimensionera varmepumpen utifran effekttackningsgraden da den har stor paverkanpa varmepumpens storlek och drift. En varmepump kan tacka ca 90 % av energibehovet om pumpens ardimensionerad utifran en effekttackningsgrad inom intervallet 50 %-60 % [30]. Ett satt att kunna tackahela energibehov ar att parallellkoppla flera varmepumpar for att na en hog temperatur de kallastedagarna utan att behova overdimensionera en varmepump.

2.2.3 Cirkulationspump

For att fa upp varmen som ar lagrad i marken via en koldbarare till varmepumpen behovs en cirkula-tionspump. Den dimensioneras utifran pumpens verkningsgrad, engangs- och friktionsforluster. Flodetar en av de faktorerna som har storst paverkan pa dimensioneringen av pumpen.

Friktionsforlusterna beraknas enligt

∆pf = fL

dh

ρv2medel

2, (2)

dar dh ar borrhalets diameter, L, borrhalets djup och v ar hastigheten pa koldbararen. Friktionsfaktornf beraknas olika beroende pa om stromningen ar laminar eller turbulent. Det som avgor ar Reynold´stal Re som beror av den hydraliska diametern d, flodets hastighet v och den kinematiska viscousitetenν. Reynolds tal beraknas enligt

Re =dν

v(3)

och vid Re < 2300 ar flodet laminart medan det ar turbulent vid Re > 10000. Daremellan, vid 2300 <Re < 10000, gar det inte att bestamma om flodet ar laminart eller turbulent genom Reynold´s tal[16][3].

Vid turbulent stromning avlases friktionsfaktorn fran ett Moody-diagram medan det beraknas enligt

f =64

Re(4)

vid laminar stromning.

Tryckforluster vid engangsmotstand beraknas enligt

∆pe = ζρv2medel

2(5)

7

och galler rorbojar, forandringar i rorets tvarsnittsarea eller in- och utlopp. Engangsforlustkoefficientenζ beror pa gemometriforandringar i roren.

Den totala effekten som kravs for att driva pumpen kan darefter beraknas enligt

P =V (pe + pf )

ηpump, (6)

dar ηpump ar pumpens verkningsgrad och V ar volymflodet [3].

2.2.4 Koldbarare

En varmepump anvander sig av en koldbarare for att ta tillvara pa den energi som ligger lagrad iberggrunden. Koldbararen ar en vatska med god varmeledningsformaga och med lag fryspunkt for attvatskan inte ska frysa i slangen och orsaka stopp. For att undvika att slangar fryser bor koldbararenbland annat valjas utifran det geografiska laget pa bergvarmeanlaggningen. De andra faktorerna somavgor vilken typ av koldbarare som ar bast for varmesystemet ar varmekonduktivitet, den specifikavarmekapaciteten, viskositeten och densiteten [6].

Det ar vanligt att anvanda nagot typ av frysskyddande amne som etanol, etylenglykol eller kalciumkar-bonat blandat med vatten [6].

2.2.5 Simuleringsprogram bergvarmeanlaggning

EED (Earth energy designer) ar ett simuleringsprogram for att optimera brunnsborrning bade for sma-och storskalig bergvarme och varmelagring. Det ar baserat pa vertikala borrhal och kan simulera systemupp till 1 200 borrhal i olika konfigurationer for att kunna anpassas utifran tillganglig yta. Programmettar aven hansyn till kostnader for borrningen och det gar att optimera utifran kostnad eller lagstatotaldjup. Varme- och kylbehov gar att satta in tillsammans med effekttoppar under de perioder da detkravs lite extra varme eller kyla.

2.3 Kylbehov

Sjukhuset kraver olika typer av kyla, dels for ventilationen men aven for olika typer av utrustning. Idetta avsnitt presenteras teorin for de olika delarna.

2.3.1 Ventilation

Den energi som kravs for att kyla sjukhuset via ventilationssystemet beraknas enligt

Qventilation = Vventilation × ρl × Cp,luft × (Tute − Tinne), (7)

dar Cp,luft ar den specifika varmekapaciteten for luft, VV entilation ar ventilationens volymflode, ρl luftensdensitet och T utom- och inomhustemperaturen.

2.3.2 Utrustning

Gallivare sjukhus anvander sig av en magnetkamera av cylindrisk modell som genererar ett magnetisktfalt runt sig. Hur langt fran isocentrum det magnetiska faltet stracker sig beror pa vilken faltstyrka, matti Tesla, modellen har. Faltet far ej tranga igenom undersokningsrummet enligt SS-EN60601-2-33. Utoverventilationen i undersokningsrummet kraver magnetkameran vattenkylning nar den anvands men avenvid standby av sakerhetsskal [15].

8

Kylbehovet for utrustningen beraknas enligt

Qk = Vv × ρv × Cp,v × ∆Tv, (8)

dar v star for vatten, k star for kylbehov och ∆T ar temperaturdifferensen mellan in- och utflode.

Tabell 5: Specifikationer for Philips Achieva 1,5T dStream och data hamtad fran Philips hemsida [15] [36].

Philips Achieva 1,5T dStream EnhetFlode min 0,69 l/sFlode max 1,5 l/s

Drifttid 54 h/veckaStandby tid 114 h/vecka

Varmekapacitet 4,19 kJ/kg,KDensitet 1,003 kg/dm3

Temperatur differens 4,9 K

2.3.3 Serverrum

Enligt det Robusta Sjukhuset bor temperaturen i sjukhusets serverrum ligga pa 20 ◦C med en luftfuktighetpa 50 %. Rekommendationer ar att serverrummets kylanlaggning bor anslutas till en separat elcentralmed tillgang till reservkraft vid risk for driftavbrott [8].

2.4 Reservkraft

Ett sjukhus bor ha reservkraft motsvarande 100 % eller mer for att klara ett brott i elforsorjningenda ett avbrott kan ge allvarliga konsekvenser for verksamheten. Skulle ett avbrott i elforsorjningen skeunder vinterhalvaret i, till exempel, varmesystemets cirkulationspumpar kan temperaturen i sjukhusetsjunka kraftigt under kort tid. Vid dimensionering av ny reservkraft rekommenderas att ta hansyn tillett eventuellt okat elbehov i framtiden for att sakerstalla att aven det behovet tacks [8].

2.5 Normalarskorrigering

Det arliga varmebehovet varierar beroende pa utomhustemperaturen, vind, sol och tappvarmvatten. Foratt kunna dimensionera bergvarmeanlaggningen for ett normalt klimatar maste varmebehovet raknas omefter ett normalar. Detta kallas normalarskorrigering och kan beraknas utifran antal graddagar som tarhansyn till utomhustemperaturen eller ett energi-index som aven tar hansyn till vind och sol [32].

Normalarskorrigeringen utfors inte pa tappvarmvatten da den inte paverkas av klimatet [32]. Daremotkan den paverkas fran ar till ar men det tar inte den har forstudien hansyn till.

Normalarskorrigeringen tar hansyn till antal graddagar och beraknas enligt

Qkorrigerad = Qtappv.v. +Qvarmeb. ×GDnormalar

GDaktuellt. (9)

Antalet graddagar ingar i berakningen av energiindex och ar ekvivalent med graddagssumman en-ligt

GDnormalar

GDaktuellt=EInormalar

EIaktuellt. (10)

9

2.6 Ekonomi

De finns flera metoderna for att berakna lonsamheten for en investering. Nagra av dem ar nuvardes-, annuitets- och internrantemetoden. Nedan beskrivs teorin for LCC (Life Cycle Cost) metoden meringaende da den ar bra nar det handlar om att jamfora flera olika investeringar [34].

2.6.1 LCC - Life Cycle Cost

For att berakna hur lonsam investeringen ar gors en LCC enligt

LCC = −NV V = G+KN − IN −RN , (11)

dar G ar grundinvesteringen, KN ar nuvardet av alla kostnader under livslangden, IN ar nuvardetav eventuella intakter under livslangden och RN ar nuvardet av anlaggningens eventuella restvarde .Nuvardet av kostnaderna beraknas enligt

KN = K0 × (1 + r)−n, (12)

darK0 ar vad ombyggnationen skulle kosta i dagslaget, r ar ranta och n ar avskrivningstiden. Anlaggningenseventuella restvarde beraknas enligt

RN = R0 × (1 + r)−n, (13)

dar R0 ar anlaggningens varde efter den ekonomiska livslangden [34].

2.7 Miljopaverkan

2.7.1 Koldioxid

Rapporten tar hansyn till koldioxidutslappen och forandingen av utslapp. Den totala minskningen avkoldioxid beror pa utslappsfaktorerna for fjarrvarmen, CO2,fjarrvarme, och den producerade elen, CO2,el,samt det minskade varmebehovet for fjarrvarmenatet, Qfjarrvarme, och den elanvandning som kravs forbergvarmeanlaggningen, Qel. Koldioxidutslappet beraknades enligt

CO2,minsk = CO2,fjarrvarme ∗Qfjarrvarme − CO2,el ∗Qel, (14)

dar Qel innefattar varme- och cirkulationspumpens effekt.

2.7.2 Fjarrvarme

Forbranningen av biobransel, torv och olja pa kraftvarmeverket hos Gallivare Energi paverkar miljon iolika utstrackning. Tabell 1 visar bade fordelningen av bransle och deras utslappsfaktor. Miljopaverkanfran material och installation av den befintliga pannan i fjarrvarmeverket utesluts i denna rapport.

10

2.7.3 Bergvarme

Bergvarmens miljopaverkan beror pa forandringen av temperatur i marken vid uttag och laddning avvarme. Det beror ocksa pa de olika pumparnas energiforbrukning och hur elen som driver pumparnaproduceras. Den paverkan som sker vid borrningen av hal, skovling av skog, planing av mark och frande material som anvands utesluts i denna rapport.

Nagot som kan komma och paverka miljon ar om det skulle ske lackage i rorledningarna och koldbararenskulle lacka ut. Beroende pa vilken typ av koldbarare som anvands kommer miljon paverkas olika.

11

3 Metod

I detta avsnitt beskrivs metoden som anvants under arbetets gang. Forst analyserades tidigare arbetensom gjorts for att fa en battre overblick over uppgiften.

Tva olika scenarier har studerats och jamfors i detta arbete. Varje scenarie har tva alternativ for mark-bearbetning vilka presenteras i avsnitt 3.6.1.

• Scenarie 1 dimensioneras utifran 100 % av varme- och kylbehovet och dimensioneras utifran attborra sa grunt som mojligt. Detta ar Gallivare sjukhus malsattning att klara av.

• Scenarie 2 dimensioneras utifran hela kylbehovet men med en begransning for varmebehovet somstyrs av ett maxdjup pa 300 meter for brunnarna. Djupet ar bestamt utifran borrhalens inverkanpa varandra vid lagre djup. Det resterade varmebehov som bergvarmesystemet inte kan dimensio-neras for behover tillforas pa annat satt. I det har scenariet kommer fjarrvarmen tacka resterandevarmebehov da det redan ar inkopplat till anlaggningen. Scenarie 2 ar darefter uppdelat i tvaolika alternativ, a och b, for att jamfora det ekonomiska utfallet beroende pa hur fordelningen avfjarrvarme och bergvarme ser ut.

Som hjalpmedel for berakningar och sammanstallning av data anvandes Microsoft Excel 2016. De kom-ponenter som studerats presenteras i underkategorier nedan.

3.1 Varmebehov

Varmebehovet fran fjarrvarmeverket ar taget fran Gallivare Energi AB:s egna matningar fran ar 2017For att veta hur dessa varden star sig till ett normalar genomfors en normalarskorrigering med energi-index for ar 2017 De beraknade vardena for normalaret anvandes darefter till att simulera Scenarie 1och 2.

Forutom de varden som ar givna fran fjarrvarmeverket anvands data givet fran Gallivare sjukhus egnamatare.

Andelen varme ar konstant for aren som simuleras men olika for varje manad. For Scenarie 1 ar andelentagen direkt fran normalarskorrigeringen som ar beraknad med ekvation 9 och 10. Scenarie 2a respek-tive 2b tacker hela varmebehov for sommarmanaderna juni-augusti medan resterande manader varierarberoende pa det totala varmebehovet tackt for de olika scenarier. Varmebehovets storlek ar fordelat likafran september-maj dar fjarrvarmen beraknas tacka resterande behov.

3.2 Kylbehov

Da Gallivare sjukhus inte mater kylbehovet separat behovde en kartlaggning over kylanlaggningenupprattas. Metoden for de tankbara delarna presenteras i underkategorier.

3.2.1 Ventilation

Tva olika metoder har anvants for att berakna kylbehovet via ventilationsflodet och sedan jamforts foratt fa en korrekt uppskattning. Den forsta metoden gick ut pa att anvanda besiktningsprotokoll forventilationssystemen i sjukhuset och tandvardshuset. Det genomsnittliga luftflodet per kvadratmeter isjukhus ar hogre an for vanliga bostadshus da det finns krav pa att partikelhalten i luften ska vara lag[7]. Darfor antas luftflodet vara konstant over hela aret for att bibehalla den laga partikelhalt och sankasmittorisken.

Luftflodet tillsammans med densiteten och den specifika entalpin for luft vid 18 ◦C, temperatur ute,temperaturen pa tilluft och ekvation (8) kan det totala kylbehovet beraknas.

12

Utomhustemperaturen ar tagen fran SMHI:s Oppna data for meterologiska observationer [33]. Da utom-hustemperaturen skiljer sig markant fran ar till ar ar det inte rimligt att berakna kylbehovet endast forfjolaret. Timtemperaturen for de tio senaste aren analyserats i Microsoft Excel 2016 och de timmarnada utomhustemperaturen overstiger 18 ◦C anvands for att berakna kylbehovet. Utomhustemperaturenar vald for att behalla en behaglig temperatur i lokalerna.

I den andra metoden simulerades sjukhusets kylbehov i simuleringsprogrammet IDA-ICE. Syftet medden har metoden ar att ta hansyn till solinstralningen och manniskornas varmestralning for att beraknakylbehovet. Enbart den del av sjukhusets som paverkas av solinstraling och den del dar storre delen avpersonal och besokare ror sig ritas upp. Fonster ar placerade utifran en uppskattning av hur sjukhusetser ut och visas i figur 4. I figuren visas ocksa att sjukhuset ar uppritat i korrekt vaderstrack for att tahansyn till solinstralningens paverkan.

Figur 4: Sjukhuset uppbyggt i IDA-ICA for den del som paverkas av solinstralningen och utomhustemperaturen.

I simuleringsprogrammet maste klimatet bestammas dar sjukhuset ar placerat. IDA-ICE har en lista avolika stader att valja mellan for att fa ratt klimat men da Gallivare inte finns i listan antas skillnadeni klimatet mellan Gallivare och Jokkmokk vara forsumbart. Simuleringen ar ocksa baserad pa antagnavarden for byggnaden och de presenteras i tabell 6.

Tabell 6: Antagna varden for sjukhusets simulering av solinstralning och manniskors varmestralning.

Byggnadsdel U-varde EnhetVaggar utvandigt 0,54 W/m2,KVaggar invandigt 0,62 W/m2,K

Fonster 0,8 W/m2,K

3.2.2 Utrustning

En MRI (Magnetisk resonanstomografi) skanner anvands pa sjukhuset och kraver processkyla i form avvattenkylning dygnet runt med undantag vid service och underhall. Denna tid antas vara forsumbar.Den tid utrustningen ar i standby och aktivt i bruk beraknas enligt ekvation (8) med varden ur tabell8.

13

3.2.3 Serverrum

Sjukhuset har ett stationart serverrum som kraver kylning aret runt. Det arliga kylbehovet for server-rummet antas vara konstant over aret och delas lika over antalet manader da servrarna ar aktiva [36].Serverrummet antas behova kylning dygnet runt och ar hamtat fran Gallivare Sjukhus.

3.3 Dimensionering av bergvarme

I detta avsnitt beskrivs tillvagagangssatt for att konfiguera bergvarmesystemet.

3.3.1 Geologi

Ytan som finns tillganglig for bergvarmesystemet ligger ost om sjukhuset och kan placeras inom ettomrade pa ungefar 170x210 meter. Mattet togs fram och uppskattades utifran Eniro Sverige AB:s kart-verktyg tillsammans med ”Rita och mat”-verktyget och deras funktion for indelning av tomtgranser.

Figur 5 illustrerar omradet med den tillgangliga ytan och ett exempel pa hur ett borrhalsmonster kan seut. For att berakna ytan som maste bearbetas innan borrningen kan inleda anvands ekvation (1).

Figur 5: Flygfoto over Gallivare sjukhus taget fran sydvast [40].

Vilken typ av berggrund sjukhuset star pa togs fram genom SGU:s (Sveriges geologiska undersokning)kartgenerator. Bergarten ar granit och har normalt en varmeledningsformagan inom intervallet 4 W/m, ◦C-5 W/m, ◦C. For att sedan ta reda pa vilket djup berggrunden ligger anvandes narliggande brunnar somreferens. Dessa brunnar ar registrerade i SGU:s databas och finns tillganglig for allmanheten [37]. Dabrunnarna inte ar narliggande antogs ett medelvarde fran brunnar soder och norr om sjukhuset. Me-delvarde och termiska egenskaper for berggrunden presenteras i tabell 7.

Tabell 7: Termiska egenskaper for granit och jorddjup.

Varde EnhetVarmeledningsformaga 3,4 W/m,K

Varmekapaciteten 2,4 MJ/m3,KJorddjup 10 m

Omgivande vatten antas ha en varmeledningsformaga pa 6 W/m,K vid 10 ◦C till −5 ◦C.

14

3.3.2 Brunnar

Antal brunnar som kravs for att tacka hela energibehovet simulerades i EED 4.1 (Earth energy designer)utifran den yta, jorddjup och de termiska egenskaperna som ar presenterade i avsnitt 3.3.1. Da Gallivarestad inte finns med som alternativ i EED 4.1 anvandes Kiruna som simuleringsplats och antas ha sammatermiska egenskaper. De termiska egenskperna fran EED visas i tabell 8.

Tabell 8: Termiska egenskaper i Kiruna.

Varde EnhetMarktemperatur 2 ◦C

Varmeflode 0,04 W/m2

Brunnarna antas borras med diameter 114,3 mm och med dubbla U-ror installerade. AB Norrfjardensbrunnsborrningar kontaktades for kostnadsforslag och mojlighet till borrning i omradet. De kunde ga-rantera borrning ner till 300 meter da det gjorts tidigare. Det ar ocksa anledningen till att Scenarie 2ar begransade till 300 meter. Borrkaxet som bildas vid borrning samlas upp i containrar och det kravsungefar en container per 250 meter borrhal.

Temperaturintervallet for koldbararvatskan satts till 15 ◦C till −5 ◦C. Pa sa satt kan det mojliga uttagetbli hogre an om koldbararvatskans lagsta temperatur skulle vara 0 ◦C [29].

3.3.3 Varmepump

Varmepumpen ar beraknad att klara totala varmebehovet och effektbehovet for alla scenarier. Da fleravasentliga delar inte finns att tillga for att berakna toppeffekten uppskattas effekten utifran data givetfran Gallivare Energi [36]. Toppeffekten ar uppskattad for det totala varmebehovet och gar att anvandapa Scenarie 1. For Scenarie 2 beraknas toppeffekten som systemet ska klara av enligt

Qny = Qreferens ×Qny

Qreferens, (15)

dar referens ar vardena for respektive scenarie.

3.3.4 Cirkulationspump

Den effekt som kravs for cirkulationspumparna beraknas med ekvation (6). Effekten beror pa de forlustersom uppstar i roren vid drift och verkningsgraden pa pumpen.

Engangs- och friktionsforlusterna delades in i olika kategorier enligt figur 6 och varierar beroende pahur roren ar dimensionerade. Engangsforlusterna beraknades utifran hur rorbojarna ser ut medan frik-tionsforlusterna beraknades utifran rorens langd, ytrahet och rorens diameter. Beroende pa om brunnenligger narmst cirkulationspumpen, i mitten eller i anden blir tryckforlusterna olika stora. Det ar likamanga brunnar pa varje rad och brunnarna ar parallellkoplade med 2 brunnar i serie.

15

Figur 6: Sammankoppling av brunnarna.

Koldbararen valdes utifran specifikationerna for varmepumpen och for att kunna klara temperaturerunder 0 ◦C utan att frysa. Volymflodet pa koldbararen ar darefter antagen till 1,46 l/s per borrhal meden ytrahet pa 3 mm i roren.

For att ta hansyn till planerade och oplanerade driftstopp anvands tva parallellkopplade pumpar somdelar pa kapaciteten.

3.4 Reservkraft

Reservkraftverket maste klara av att driva varme- och kylanlaggningen pa full drift den varmaste re-spektive kallaste dagen pa aret. Da Gallivare ligger vid den kallare breddgraden dimensioneras reserv-kraftverket utifran arets kallaste dag. De komponenter som behover reservkraft ar varmepumpen ochcirkulationspumpen och tackningsgraden beraknas utifran deras toppeffekt.

Reservkraftverk beraknas utifran anlaggningens skenbara effekt (VA). Anlaggningens powerfactor antasvara 0, 8 for att sakerstalla att anlaggningens tackningsgrad overstiger 100 %. Investeringskostnaden forreservkraften uppskattas grovt fran Coromatic AB [17].

3.5 Normalarskorrigering

Normalarskorrigeringen beraknas utifran energiindex hamtad fran SMHI for ar 2017 tillsammans medvarmebehovet for samma ar. Som namts tidigare ar varmebehovet tagen fran Gallivare Energi AB:seffektmatare och 10 % av forbrukningen antas anvandas till tappvarmvatten och resterande del tilluppvarmning. Energi-indexet anvands enbart i berakningen pa den del av forbrukningen som ar kli-matberoende vilket ekvation (9) visar.

3.6 Ekonomi

Den metod som anvandes for att berakna lonsamheten var LCC (Life Cost Cycle). Metoden valdesfor att enkelt kunna jamfora olika typer av investeringar och de olika kostnaderna for varje inve-stering. Berakningarna utgar fran att bade kyl- och varmebehov ar oforandrat under livslangden forvarmepumparna. Livslangden pa varmepumpen antas vara 20 ar vilket ocksa avskrivningstiden sattstill.

16

Investeringskostnaden utgor markarbete, brunnsborrning, slangar och ovriga kostnader. De ovriga kost-naderna bestar av varmepumpar, cirkulationspumpar, pumpuhus och konsultkostnad. Installationskost-naden och kontrollsystem for varmepump, cirkulationspump och pumphus antas uppga till 10 % av dengemensamma kostnaden. De rorliga kostnaderna ar underhall samt elkostnaden for varme- och cirkula-tionspump. Intakterna ar kostnadsbesparingen fran den uteblivna fjarrvarmen.

Elpriset ar baserat pa Gallivare Sjukhus aktuella elavtal och antas oka enligt en langtidsprognos franEnergimyndigheten [31]. Rapporten behandlar olika scenarier over Sveriges energisystem fram till ar2050.

Sjukhuset har i dagslaget en rorlig och en fast kostnad hos Gallivare Energi AB. I de ekonomiskaberakningarna anvands ett beraknat medelvarde for fjarrvarmekostnaden baserat pa de rorliga och fas-ta kostnaderna. I berakningarna anvands samma pris for fjarrvarmen som Gallivare sjukhus hade franGallivare Energi AB ar 2017.

Kostnaden for markarbetet ar uppdelat i skovlingsarbete, utjamningsarbete for att kunna borra ochsen fyllningsarbete for att isolera ror och brunnar. Den kostnad som inte ar inraknad ar den termiskaisoleringen pa markytan da den anses vara forsumbar utifran resterande markarbete.

3.6.1 Forberedningsarbete

For att ta reda pa vad skog- och markkostnaderna skulle uppga till kontaktades Kohlers Lantbruk ochGallivare Frakt AB for att uppskattade kostnader for arbetet. Kohlers Lantbruk arbetar med bland annatskovling av skog och omhandetagande efter skovlingen.

Gallivare Frakt AB gav tva kostnadsforslag. Forslag ett var att fylla igen och jamna hela omradet foratt kunna utnyttja det till mer an borrhal. Andra forslaget var att fylla tva meter breda gangar darborrhalen ligger for att borrmaskinen ska kunna ta sig fram. Da kommer ytan inte kunna anvandas tillannat an borrhalen men det haller nere investeringskostnaden.

Markarbetet ar beraknat utifran tabell 4 och den beraknade markytan fran ekvation (1). Skogstathetenar antagen till 120 m3/hektar utifran tabellen. Kostnaden for utjamning av omradet ar baserat pa tim-kostnad for gravmaskin och 300 timmar [27].

3.7 Kanslighetsanalys

De olika ekonomiska kategorierna ar baserade pa antingen antaganden eller prognoser vilket leder till attdet finns en osakerhet i berakningarna och darfor gjordes tre olika kanslighetsanalyser.

Da fjarrvarmepriset ar baserat pa en fast och en rorlig kostnad har priset per wattimme antagits varaoforandrat aven vid lagra last. Darfor gjordes en kanslighetsanalys mot okat pris med 10 %, 20 % och30 % per wattimme vid minskat fjarrvarmebehov.

En kanslighetsanalys gjordes pa elpriset for att se hur en okning pa 10 %, 20 % och 30 % paverkarlonsamheten. Okningen beraknas pa det totala nuvardet av elpriset efter 20 ar.

Ovriga kostnader ar en kategori som innefattar cirkulations- och varmepumpar, reservkraft och en in-stallationskostnad av pumparna. Da installationskostnaden ar baserade pa en procentuell uppskattadkostnad av totalkostnaden ar den kategorin en av de som har storst osakerhet. Darfor analyseras resul-tatet nar investeringskostnaden for kategorin Ovriga kostnader okar med 10 %, 20 % och 30 %.

17

3.8 Miljopaverkan

Med data fran tabell 1 kan den totala andelen koldioxidekvivalenter for forbranningen per kilowattim-me producerad energi beraknas. Detta tillsammans med den totala energiforbrukningen under ett arutgor det arliga utslappet. I samma tabell finns utslappsfaktorn for el, vilket ar den enda faktorn forbergvarmens koldioxidutslapp. Den el som kravs att driva bergvarmeanlaggningen beraknas utifran cir-kulationspumpen och varmepumpens arsbehov. De tva olika utslappen summeras sedan med ekvation(14). Utifran det beraknade utslappet kan sedan den totala minskningen av koldioxidutslapp beraknasutifran cirkulationpumpen och varmepumpens livslangd.

18

4 Resultat

I detta avsnitt presenteras resultaten fran simuleringar, analyser och de ekonomiska forutsattningarnafor att kunna genomfora konverteringen.

Varmebehovet for Tandvardshuset och Gallivare sjukhus visas i figur 7 tillsammans med det beraknadekylbehovet. Tandvardshuset star i snitt for 2,75 % av varmebehovet och nastan 0,3 % av kylbehovet. ochkylbehovet ar beraknat uifran avsnitt 4.2.

Figur 7: Varme och kylbehov for varje manad.

4.1 Varmebehov

Varmebehovet ar hamtat fran 2017 ars fjarrvarmeanvandning och korrigerats utifran energiindex fransamma ar. Scenarie 1 tacker hela varmebehovet medan Scenarie 2 ar uppdelat i tva delar. Fordelningenover aret visas i tabell 9. Vardena anvandes darefter for att dimensionera bergvarmeanlaggningen.

Tabell 9: Fordelning av det tackta varmebehovet som bergvarmen star for i MWh och det totala varmebehovet.

Manad Scenarie 1 Scenarie 2a Scenarie 2bJanuari 1 446 520 391Februari 1 464 520 391Mars 1 203 520 391April 960 520 391Maj 835 520 391Juni 392 392 392Juli 315 315 315Augusti 397 397 397September 995 520 391Oktober 880 520 391November 1 164 520 391December 1 515 520 391Totalt 11 567 5 784 4 627

19

4.2 Kylbehov

Den beraknade fordelningen for MRI nar den anvands och nar den ar i standbylage visas i tabell 10tillsammans med det totala kylbehovet.

Tabell 10: Fordelning av kylbehovet vid standby och vid anvandning samt totala kylbehovet for MRI.

Philips Achieva MRIKylbehov standby 84,8 MWhKylbehov anvandning 86,7 MWhTotalt kylbehov 171,5 MWh

Kyleffekten for serverrummet ar 4 kW och det beraknade kylbehovet uppgick till 35 MWh/ar och antasfordelas lika over hela aret.

Kylbehovet som simulerats i IDA-ICE uppgar till 264,6 MW h for aret med given data fran tabell 6.

Det beraknade luftflodet for sjukhuset tillsammans med densiteten och den specifika varmekapacitetensom visas i tabell 11 anvandes for att berakna sjukhusets kylbehov mellan 2008 och 2017. Kylbehovet arberaknat utifran nar utomhustemperaturen overstiger 17 ◦C da dem inte anses behova kyla lokaler vidlagre temperatur.

Kylbehovet ar darefter beraknat utifran logaritmen fran figur 8. Det totala kylbehovet for 2017 uppskattastill 251,9 MW h och jamforelse med resultatet fran IDA-ICE simuleringen gar det att konstatera attresultaten fran berakningarna ar rimliga. Fortsattningsvis anvands det beraknade kylbehovet utifranekvation (8) for ventilationen.

Tabell 11: Beraknat luftflode utifran flodesprotokoll.

Beteckning Varde EnhetLuftflode Vv 204 738 l/sDensitet ρl 1,2 kg/m3

Specifik varmekapacitet Cp 1010 J/kgK

Figur 8: Det beraknade kylbehovet de senaste 10 aren for Gallivare sjukhus baserat pa luftflodesprotokoll.

Det totala kylbehovet fordelat pa manader presenteras i tabell 12 vilket sedan anvandes for simule-ringarna i EED. Eftersom kylbehovet for ventilationen ar beraknad utifran nar utomhustemperaturenoverstiger 17 ◦C fordelas detta endast under de manader pa aret da den temperaturen uppstar.

20

Tabell 12: Arlig fordelning av kylbehovet i MWh dar ovrigt star for serverrum och MRI.

Manad Ovrigt Ventilation TotaltJanuari 17,2 0,0 17,2Februari 17,2 0,0 17,2Mars 17,2 0,0 17,2April 17,2 0,0 17,2Maj 17,2 63,0 80,2Juni 17,2 63,0 80,2Juli 17,2 63,0 80,2Augusti 17,2 63,0 80,2Oktober 17,2 0,0 17,2November 17,2 0,0 17,2December 17,2 0,0 17,2

Arligt kylbehov 206,6 251,9 458,4

4.3 Dimensionering

Antalet borrhal for respektive Scenarie presenteras i detta avsnitt med djup, bredd mellan halen, vilkenkonfiguration som anvands och diametern pa borrhalet.

4.3.1 Scenarie 1

For att kunna anvanda 100 % bergvarme maste borrhalslagret tacka 11 567 MW h varme och 458 MW hkyla per ar. Simuleringen fran EED resulterar i en anlaggningen bestaende av 208 borrhal med ettborrhalsdjup pa 665 meter per hal. Resultatet fran simuleringen visas i tabell 13. Mer ingaende data ochberakningsresultat presenteras i bilagor, tabell 30 och 31.

Tabell 13: Resultatet fran simuleringen som ska tacka Scenarie 1.

Utslapp Scenarie 1 EnhetBorrhal 208 stKonfiguration 13x16 stDjup 665 mDiameter 0,114 mBredd mellan borrhal 14 mTackt varmebehov 11 567 MWh

Figur 9 illustrerar varme och kylbehovet insatt i simuleringsprogrammet EED 4.19 dar den linjen somskar staplarna ar den effekt som ar mojlig att producera med hjalp av en varmepump med SPF vardepa 4 for varmeeffekten och 10 for kyleffekten.

Figur 10 illustrerar hur djupet for det tackta varmebehovet paverkar temperaturen pa koldbararen ochhur det optimala borrdjupet utifran de valda parametrarna.

21

Figur 9: Varme- och kylbehov for varje manad utifran Scenarie 1.

Figur 10: Koldbararens temperatur beroende pa djupet av brunnen med de insatta parametrarna for Scenarie1.

4.3.2 Scenarie 2

Den minsta andelen av varmebehovet som ar mojligt att tacka vid ett maximalt borrdjup pa 300 m togsfram genom att gora flera simuleringar. Scenarie 2a ar darefter baserat pa den maximala andel varmebergvarmen kan producera och Scenarie 2b justerades efter varmebehovet for att anlaggningen skulle blisa ekonomisk som mojligt. Resultatet presenteras nedan.

22

• Scenarie 2a ar uppdelat i 50/50. Bergvarme och fjarrvarme forser sjukhuset med lika stor andelvarme.

• Scenarie 2b ar uppdelat i 40/60 dar 40 % av varmebehovet forses fran bergvarme och resterande60 % forses fran fjarrvarmeverket.

Resultatet fran simuleringarna visade att den tillgangliga ytan klarar att driva maximalt 50 % avvarmebehovet.

Tabell 14 presenterar det tackta varmebehovet och konfigurationerna baserat pa de olika scenarierna.Mer ingaende data och berakningsresultat fran EED presenteras i bilagor, tabell 32 och 33 for Scenarie2a samt tabell 34 och 35 for Scenarie 2b.

Tabell 14: Resultatet fran simuleringen for Scenarie 2a respektive 2b.

Scenarie 2Alternativ a b EnhetBorrhal 396 143 stKonfiguration 18x22 11x13 stDjup 291 285 mDiameter 0,114 0,114 mBredd mellan borrhal 10 17 mTackt varmebehov 5 784 4 627 MWhTackt kylbehov 458 458 MWh

Det tackta varme- och kylbehovet for Scenarie 2a presenteras i figur 11 och for Scenarie 2b i figur 12.Figurerna illustrerar varme och kylbehovet insatt i simuleringsprogrammet EED 4.19 dar den linjen somskar staplarna ar den effekt som ar mojlig att producera med hjalp av en varmepump med SPF vardepa 4 for varmeeffekten och 10 for kylbeeffekten.

Figur 11: Varme- och kylbehov for varje manad utifran Scenarie 2a.

23

Figur 12: Varme- och kylbehov for varje manad utifran Scenarie 2b.

Figur 13 och figur 14 illustrerar hur djupet for det tackta varmebehovet paverkar temperaturen pakoldbararen och hur det optimala borrdjupet utifran de valda parametrarna.

Figur 13: Koldbararens temperatur beroende pa djupet av brunnen med de insatta parametrarna for Scenarie2a.

24

Figur 14: Koldbararens temperatur beroende pa djupet av brunnen med de insatta parametrarna for Scenarie2b.

4.4 Cirkulationspump

De totala friktionsforlusterna for rordragningen beror pa langden och djupet pa roren. Reynolds talberaknades till 12672 med ekvation (3) och anses vara turbulent. Friktionsfaktorn kan darfor inte raknasut utan lases av ur Moody-diagram med hjalp av Reynolds tal och ytraheten dividerat med den hydraliskadiametern. Talet avlases till 0, 025 och galler for alla delar och scenarier. Engangsforlustkoefficienten arhamtad fran Energi Teknik Del 1 och ar olika beroende pa vart i serien borrhalet ar placerat [3]. De olikakoefficienterna presenteras i tabell 15. Engangsforlustkoefficienterna ar samma for alla scenarier.

Tabell 15: Engangsforlustkoefficienter for slangarna i brunnarna beroende pa vart i serien brunnen berfinnersig.

EngangsforlustkoefficientMittparti 3,65Andar 1,29Sammankoppling 3,65

Engangs- och friktionsforlusterna beraknades darefter med ekvation (2) och (15) tillsammans med deframtagna engangsforlustkoefficienterna och friktionsfaktorn. For att ta reda pa den totala tryckforlustenmultiplicerades tryckforlusterna fran varje kategori med antal hal per rad. Verkningsgraden ar hamtadfran Grundfos AB [4]. Med verkningsgraden kan darefter effekten pa pumparna bestammas och presen-teras tillsammans med beraknade uppfordringshojden och folymflodet i tabell 16.

Tabell 16: Konfigurationer for cirkulationspumparna.

Scenarie 1 Scenarie 2a Scenarie 2b EnhetUppfordringshojd 71 32 31 mVolymflode 1 400 2 700 1 000 m3/hVerkningsgrad 93 84 98 %Effekt 109 97 32 kWAntal pumpar 2 4 2 st

25

4.5 Ekonomi

Design- och konsultkostnader ar en del av ovriga kostnader. Kostnaderna ar antagna att vara en andel avtotalkostnaden for markarbete, brunssborrning och rorkostnader. Andelen for de olika kostnaderna visasi tabell 17 och ar samma for alla scenarier. I tabellen presenteras ocksa den antagna underhallsandelensom ar beraknat utifran den totala investeringskostnaden.

Tabell 17: De kategorier som antas vara en procentuell andel av andra kostnader.

AndelDesign 1 %Konsult 5 %Underhall 1 %Installation av Cirkulations- och varmepump 10 %

Kostnaderna for det markarbete som kravs har beraknats utifran de tva alternativ som beskrivs i avsnitt3.6.1. Utifran resultatet som visas i tabell 18 skiljer det inte mycket i kostnad mellan de olika scenariernada alla beraknas utnyttja hela det tillgangliga omradet. Den ekonomiska differensen mellan att jamnahela ytan mot att grava gangar ar forsumbar mot den totala investeringskostnaden. Darfor presenterasde ekonomiska resultaten nedan med losningen att jamna hela marken till en jamn yta.

Tabell 18: Forberedningskostnader for markytan.

Markarbete Scenarie 1 Scenarie 2a Scenarie 2bJamna hela ytan 643 644 642 tkrGangar 469 469 468 tkr

Elpriset beraknas utifran en procentuell okning varje ar pa 2,77 % som ar framtagen fran energimyndig-heten [31]. Okningen ar ett snitt mellan fyra olika prognoser som stracker sig mellan 2020 och 2050 darhogt fossilpris, hogt BNP och tva olika prognoser for lagt elpris ar medraknat [31].

Konstnaden for en varmepump uppskattas grovt till mellan 1500 kr/kW-1700 kr/kW enligt Hans-GoranGoransson pa Energy Machines Sweden AB[13]. I den LCC som gjorts anvandes 1700 kr/kW somprissattning. Kostnaderna for sammansattning av ror antas vara 100 kr/m och kostnaden for isoleratuppsamlingsror antas vara 2560 kr/m[28]

Alla ekonomiska berakningar presenteras exklusive moms.

4.5.1 Scenarie 1

Resultatet fran de beraknade investeringskostnaderna for arbete och material visas i tabell 19. Bergborr-ning mellan 350 m-700 m ar den markant storsta delen i investeringen.

Investeringskostnaderna ar darefter indelade i kategorier och visas i figur 15 dar brunnsborrningen ar denstorsta kategorin och star for 75 % av den totala kostnaden. I ovriga kostnader ingar cirkulationspump,varmepump och installationskostnad.

26

Tabell 19: Investeringskostnader for Scenarie 1 i kr.

Arbete Scenarie 1Rordrivning 1 052 480Conteiner 1 659 840Bergborrning ¡230 meter 11 003 200Bergborrning 230-350 meter 6 489 600Bergborrning 350-700 meter 19 656 000Sammansattning av ror 291 200MaterialUppsammlingsror 1 924 207Cirkulationspump [4] 1 036 56 0Varmepump 4 590 000Reservkraft [17] 1 800 000

Figur 15: Fordelning av fasta ekonomiska kostnader for Scenarie 1.

Resultaten for de arliga kostnaderna och avskrivningen visas i tabell 20 dar intakterna star for andelenfjarrvarme som inte kops in. Avskrivningen anvands for att berakna kapitalkostnaden och precis som forelkostnaden varierar dessa mellan aren.

Tabell 20: Arsbaserade kostnader, intakter och avskrivning for Scenarie 1.

Investering Scenarie 1 EnhetUnderhall 533 tkr/arIntakter 7 866 tkr/arAvksrivning 2 664 tkr/ar

Den ekonomiska lonsamheten ar beraknat med kalkylranta och internranta 2 %.Resultatet presenteras itabell 21 i form av nuvarde och nettonuvarde. Nuvardet av kostnaderna under livslangden beraknas medekvation (12) och innefattar intakter, el-, kapital-, och underhallskostnader. Nettonuvardet ar beraknatmed ekvation (11) tillsammans med nuvarden fran tabell 21 och summan av investeringskostnaderna ifigur 15. Eftersom att ingen fjarrvarme kops in i detta scenarie blir intakterna hoga.

Intakter, elkostnad, kapitalkostnad och underhallskostnaderna presenteras arsvis i bilagor, tabell 27 forScenarie 1.

27

Tabell 21: Nuvarde och nettonuvarde for investering av Scenarie 1 efter 20 ar.

Nuvarden Scenarie 1 EnhetIntakter 128 614 tkrEl 61 590 tkrKapital 9 718 tkrUnderhall 8 711 tkrGrundinvestering 53 272 tkrNettonuvarde 4 677 tkr

4.5.2 Scenarie 2

Resultatet fran de beraknade investeringskostnaderna for arbete och material visas i tabell 22. Notera attbergborrning mellan 350 m-700 m ar 0 kr da Scenarie 2a och 2b inte borrar djupare an 300 meter.

Tabell 22: Investeringskostnader for Scenarie 2a och 2b i kr.

Arbete Scenarie 2a Scenarie 2bRordrivning 2 003 760 723 580Conteiner 1 382 832 489 060Bergborrning ¡230 meter 20 948 400 7 564 700Bergborrning 230-350 meter 6 280 560 2 044 900Bergborrning 350-700 meter 0 0Sammansattning av ror 396 000 243 100MaterialUppsammlingsror 1 935 334 1 907 614Cirkulationspump[4] 1 725 360 562 900Varmepump 2 295 184 1 836 068Reservkraft [17] 1 000 000 1 000 000

Investeringskostnaderna for Scenarie 2a visas i figur 16 dar brunnsborrningen ar den storsta kategorinoch star for 75 % av den totala kostnaden. Figur 17 visar investeringskostnaderna for Scenarie 2b darden storsta kategorin pa 60 % ar brunnsborrningen. Forutom brunnsborrningen ar det ovriga kostnadersom skiljer sig mest i de tva fallen. Markarbete och rorkostnaden skiljer sig inte markant.

28

Figur 16: Fordelning av fasta ekonomiska kostnader for Scenarie 2a.

Figur 17: Fordelning av fasta ekonomiska kostnader for Scenarie 2b.

Resultaten for de arliga kostnaderna och avskrivningen visas i tabell 23 dar intakterna star for andelenfjarrvarme som Gallivare sjukhus sparar in under den beraknade livslangden. Avskrivningen anvands foratt berakna kapitalkostnaden och precis som for elkostnaden varierar dessa mellan aren.

Tabell 23: Arsbaserade kostnader, intakter och avskrivning for Scenarie 2a och 2b.

Scenarie 2Rorliga kostnader a b EnhetUnderhall 410 481 tkr/arIntakter 3 933 3 146 tkr/arAvksrivning 2 051 904 tkr/ar

29

Den ekonomiska lonsamheten ar beraknat med kalkylranta och internranta pa 2 %. . Resultatet pre-senteras i tabell 24 i form av nuvarde och nettonuvarde. Nuvardet av kostnaderna under livslangdenberaknas med ekvation (12) och innefattar intakter, el-, kapital-, och underhallskostnader. Nettonuvardetar beraknat med ekvation (11) tillsammans med nuvarden fran tabell 24 och summan av investerings-kostnaderna i figur 16 och figur 17. Intakterna varierar utifran hur stor andel fjarrvarme som masteinforskaffas.

Tabell 24: Nuvarde och nettonuvarde for investering av Scenarie 2a och 2b.

Nuvarden Scenarie 2 Enheta b

Intakter 64 312 51 448 tkrEl 36 810 22 945 tkrKapital 7 485 3 297 tkrUnderhall 6 709 2 955 tkrGrundinvestering 41 029 18 071 tkrNettonuvarde 27 721 -4 179 tkr

Resultaten fran Scenarie 2 visar pa att fordelningen 40/60 ar mer lonsam an fordelningen 50/50. Intakter,elkostnad, kapitalkostnad och underhallskostnaderna presenteras arsvis i bilagor. Tabell 28 for Scenarie2a respektive tabell 29 for Scenarie 2b.

4.6 Ekonomisk lonsamhet - en jamforelse

En jamforelse mellan tabell 20 och tabell 23 visar att kostnaderna for underhall minskar med en mind-re anlaggning. Daremot okar de rorliga kostnaderna totalt sett da det kravs ett hogre behov franfjarrvarmeverket.

De delarna som inte skiljer sig med stora marginaler ar markarbete och rorkostnad. Detta eftersom attalla scenarier ar beraknade att tacka hela den tillgangliga ytan.

Vid jamforelse mellan olika alternativ ska LCC vardet vara sa lagt som mojligt for att investeringen skavara lonsam. Ett negativt varde betyder att de tjanar pa att gora investeringen.

LCC:n for respektive investering presenteras i tabell 25 med den beraknade aterbetalningstiden. Skill-naden i tackt varmebehov fran bergvarmesystemet i Scenarie 2a och 2b ar 1157 MW h och 3188 MW h.Den hoga investeringskostnaden for Scenarie 2a jamfort med 2b ar pa grund av antalet hal som kravsfor att tacka 50 % av varmebehovet med angiven yta istallet for 40 %. Genom att sanka kapacitetensom bergvarmeanlaggningen ska bidra med ytterliggare 10 % som i fall Scenarie 2b kan sjukhuset spara31 900 tkr gentemot Scenarie 2a och 8857 tkr gentemot Scenarie 1 under den beraknade aterbetalningstiden.

Tabell 25: Ekonomisk jamforelse mellan Scenarie 1,2a och 2b.

Scenarie 1 Scenarie 2a Scenarie 2b EnhetLCC -4 677 -27 721 4 179 tkrKostnad per MWh 4 606 7 094 3 906 kr/MWhAterbetalningstid ¿20 ¿20 15 ar

Figur 18 visar den ekonomiska utvecklingskurvan for de olika scenarierna. Vid 0 tkr har investeringen gattjamt upp. Den mest lonsamma investeringen ar Scenarie 2b med en aterbetalningstid pa 15 ar.

30

Figur 18: Nettonuvarden under antagen livslangd for respektive investeringsalternativ.

4.7 Kanslighetsanalys

Resultatet fran kanslighetsanalysen med ett okat elpris visas i figur 19 for de olika scenarierna. Elprisetokar procentuellt och LCC ar beraknat efter 20 ars avskrivning.

Figur 19: Kanslighetsanalys over hur lonsamheten paverkas av en okning av elpriset.

Att investera i Scenarie 2b ar fortfarande lonsam vid en okning pa 10 % for elpriset men vid 20 % ochhogre blir aterbetalningstiden langre an 20 ar. Scenarie 1 och 2a ar precis som innan inte lonsamma viden okning av elpriset.

31

Figur 20 visar resultaten av en procentuell okning pa 10 %, 20 % och 30 % for kategorin ovriga kost-nader. Kategorin innefattar kostnader for varmepump, cirkulationspump, pumphus, design, konsulteroch installation. I figuren presenteras den beraknade LCC efter 20 ars avskrivning. Resultatet visar attScenarie 1 paverkas mest av denna okning. Scenarie 2b ar fortfarande lonsam vid en okning pa 30 % avkostnaderna.

Figur 20: Kanslighetsanalys over hur lonsamheten paverkas av en okning av ovriga kostnader.

Med en okad fjarrvarekostnad vid lagre last ar inte nagot av scenarierna lonsamma enligt figur 21. Somfiguren visar paverkas inte Scenarie 1 nagot av denna kanslighetsanalys da ingen fjarrvarme anvands,daremot paverkas bade Scenarie 2a och 2b mycket vid en okad fjarrvarmekostnad. Vid en okning pa10 % ar Scenarie 2b fortfarande det scenarie som ar mest lonsamt utav de tre men vid en okning av 20 %respektive 30 % visar det sig att Scenarie 1 ar den metod som ar mest lonsam.

32

Figur 21: Kanslighetsanalys over hur lonsamheten paverkas av ett okat fjarrvarmepris.

4.8 Miljopaverkan

For att rakna ut det totala koldioxidutslappet anvands ekvation (14) med data fran tabell 1 och resultatenfran tabell 13 och varme- och cirkulationspumpens arbete. Tabell 26 presenterar de nya utslappen, denuvarande utslappen for fjarrvarmen och den totala minskningen av utslapp efter 20 ar. Den visar avenvad investeringskostnaden ar per kilo CO2-ekvivalenter.

Tabell 26: Koldioxidutslappen for fjarrvarme och bergvarme samt investeringskostnad per minskad koldioxide-kvivalent.

Utslapp Scenarie 1 Scenarie 2a Scenarie 2b EnhetEnbart fjarrvarme 2 617 2 617 2 617 tonCO2e/arBergvarme + Fjarrvarme 480 1 597 1 749 tonCO2e/arMinskad CO2e under teknisk livslangd 42 739 20 433 17 360 tonCO2eInvestering/minskad CO2e,ar 25 40 21 kr/kgCO2e, ar

For Scenarie 1 minskar utslappen med 82 % arligen medan de minskar med 39 % respektive 33 % forScenarie 2a respektive 2b. Anledningen till den laga minskningen for Scenarie 2a och 2b ar den hogaandel fjarrvarme som kravs for att komplettera bergvarmesystemet. Den basta investeringen utifranmiljoperspektiv ar Scenarie 1 da den enda utslappsfaktorn ar elanvandningen for varme- och cirkula-tionspump.

33

5 Diskussion och slutsatser

Det scenarie som ar ekonomiskt lonsamt utifran alla simuleringar ar Scenarie 2b som ar det enda scenariemed en aterbetalningstid pa under 20 ar. Kollar man daremot pa kanslighetsanalysen dar fjarrvarmeprisetokar har inget av alternativen en aterbetalningstid pa under 20 ar. Skulle fjarrvarmepriset stiga med 20 %eller mer per MWh ar Scenarie 1 det mest ekonomiskt lonsamma alternativet. Av de tre kanslighetsanalysersom gjorts ar det fjarrvarmepriset som paverkar kostnaderna mest i Scenarie 2a och 2b medan Sce-narie 1 ar oforandrad da det alternativet ar fjarrvarme-fritt. Daremot paverkas Scenarie 1 mer avkanslighetsanalysen med elpriset an de andra, detta pa grund av att de har storre varme- och cirku-lationspumpar som kraver en hogre effekt.

Att installera bergvarme till Gallivare sjukhus ar ur en miljosynpunkt en bra investering utifran resulta-tet. Den basta investeringen skulle vara Scenarie 1 dar minskningen skulle vara 2137 ton koldioxidekvi-valtenter per ar. I denna studie ar resultaten positiva for alla scenarier som ar beraknade och sjukhusetkan minska koldioxidutslappet med minst 868 ton koldioxidekvivalenter per ar. Det som ar bra att ta ibeaktining ar koldioxidutslappen vid dikning av torvmarker inte ar medraknade i resultaten. Daremot ardet svart att ta med i berakningarna da det maste goras matningar pa torvmarken dar Gallivare EnergiAB utvinner sin torv for att fa en emissionsfaktor.

AB Norrfjardens Brunnsborrningar kan inte garantera samma resultat djupare an 300 meter med rattavstand mellan halen ar Scenarie 1 inte att rekommendera utan att undersoka hur stor forlustfaktorn forokat djup ar. En kombination mellan fjarrvarme och bergvarme med ett borrdjup pa max 300 meter ardet basta alternativet utifran resultaten fran denna forstudie.

Alven som ingar i natverket Natura 2000 far inte paverkas av bergvarmeanlaggningen. En studie hargjorts dar ett bergrum anvands som varmelagring for att kunna lagra overskottsvarme for att kunnanyttja under perioder da extra varmebehov uppstar. I studien har en simulering gjorts pa bergrummet foratt uppskatta varmeforluster till omgivande natur. Simuleringen visar att efter 15 ar har temperaturengatt fran 3,7 ◦C till strax over 20 ◦C 10 meter ut fran berggrummet. Da ar temperaturen i bergrummetsimulerat med 75 ◦C och bergrummet har en bredd pa 20 meter [39]. Da simuleringarna i denna forstudieanvant en sakerhetsmarginal pa 5 meter fran borrhalen ut till kanterna som visas i figur 2 innebar det attavstandet till alven kommer vara minst 5 meter. Simuleringarna visar ocksa att temperaturen kommersankas i berget med strax over 10 ◦C dar halen har en omkrets pa 114 mm. Slutsatsen av resultatenfran studien Varmelagring i bergrum pa Haraholmen i Pitea och resultaten fran simuleringarna ar attbergvarmeanlaggningen inte kommer paverka alvens temperatur.

Arean som ar tillganglig ar enbart uppskattat fran Eniros kartverktyg tillsammsn matverktyg vilket integer en korrekt yta att arbeta med. En matning pa plats rekommenderas for att fa ett exakt matt attarbeta med for att simulera bergvarmesystemet. Da skulle aven exakta matt fran alven matas.

Temperaturen i berggrunden inte visar nagon tendens till att avstanna och det finns darfor en chanstill att bergvarmen inte racker till for att tacka varmebehovet efter de 20 ar som ar simulerade. For attsakerstalla att de racker maste i sa fall varme aterforas ner i berggrunden. Om marklagret istallet skullevarmas upp under sommarperioden da varmebehovet ar som minst skulle varmebehovet kunna tackasaven efter 20 ar. Dessutom skulle avstandet mellan brunnarna minska och brunnarna skulle inte hellerbehova borras lika djupa. Pa sa satt skulle kostnaden kunna sankas och borrningen bli sakrare.

En mojlighet till att varma upp berggrunden skulle kunna vara att anvanda sig av returvarmen tillfjarrvarmeverket. Pa sa satt skulle Gallivare Energi AB fa en lagre temperatur pa deras retur ochGallivare sjukhus skulle kunna minska bergvarmeanlaggningen och investeringskostnaderna. Det sommaste beaktas ar avstandet till den back som gar langst med det tankta borrhalsfaltet da den ar skyddadav Natura 2000. Detta innebar att djur- och vaxtliv i backen ej far paverkas vilket ar fullt mojligt omtemperaturen i berggrunden okar utover det normala.

Ett annat alternativ for att varma berggrunden under sommaren ar solpaneler. Det som talar emotsolpaneler i detta fall ar klimatzonen som Gallivare ligger i. Antal soltimmar pa aret ar lag och mangdensno som faller under vinterhalvaret kommer krava hog underhalning.

34

Skulle nagon av dessa alternativ ovan anvandas for att varma upp berggrunden maste en varmevaxlareinstalleras for att overfora varmen till koldbararen da PVC-roren inte klarar de hoga temperaturerna somfjarrvarmeverket eller solpanelerna kan leverera[29]. Detta skulle betyda en extra investeringskostnad attta in i ekvationen.

Att anvanda sig av ett vattenlager for att varma berggrunden skulle vara ett rimligt alternativ da detinte kraver en allt for stor investering. Tanken med ett vattenlager ar att utomhustemperaturen varmervattnet som cirkulerar ner i berggrunden under sommarmanaderna for att sedan kopplas ur under ovrigaaret. Det skulle inte krava lika stora underhall som till exempel solpaneler och det skulle heller intebehovas nagon varmevaxlare da temperaturen inte skulle bli lika hog.

Kylbehovet ar nagot som fjarrvarmeanlaggningen inte tar hansyn till eller forser sjukhuset med och mastetillforas pa annat satt. En bergvarmeanlaggning skulle forse sjukhuset med bade varme och kyla vilketar en fordel i detta fall da det gar att effektivisera battre.

Med ett reservkraftverk inkopplat till varmepumparna samt cirkulationspumparna kan driften sakerstallasaven vid stromavbrott. Sjukhuset behover pa sa satt inte anvanda sig av nagon annan typ av varmekallaan bergvarmen om 100 % bergvarme ska forse sjukhuset. For Scenarie 2a och 2b skulle ett reservkraftverkdaremot inte vara nodvandigt till bergvarmeanlaggningen da fjarrvarmeverket skulle kunna bista medvarme vid stromavbrott. Skulle daremot fjarrvarmeanlaggningen fa ett avbrott kan det vara svart forbergvarmeanlaggningen att tacka varmebehovet en kall vinterdag. Da kravs en en alternativ varmekallafor att bista med resterande del.

Ett alternativ till att anvanda reservkraft for Scenarie 1 ar att anvanda just fjarrvarme da det re-dan ar inkopplat. Det ar daremot bra att gora en ekonomisk jamforelse mot att anvanda fjarrvarmesom reservkraft eftersom att sjukhuset redan ar inkopplat och det inte kravs nagon investeringskostnadfor att anvanda det. Det som talar mot fjarrvarme som reservkraft ar den hoga fjarrvarmekostnadenoch miljopaverkan nar de anvander torv som forbranningsbransle. Aven driftsakerheten skulle varaen nackdel med fjarrvarme da det finns en risk for att fjarrvarmeverket ligger nere samtidigt sombergvarmeanlaggningen.

Grabbo finns i narheten av den tankta ytan runt sjukhuset och har en lagre varmeledningsformaga anGranit. Da gransen mellan grabbo och granit ar uppskattad utifran tilliggande brunnsborrningar gar detinte exakt att veta vilket material som finns dar placeringen av brunnarna ar tankt. Skulle grabbo finnasdar paverkas resultatet till det samre da lagre varmeledningsformaga leder till lagre energiuttag.

35

6 Fortsatt arbete

En utforlig analys av sjukhusets kylbehov bor genomforas da det ar den storsta osakerhetsfaktorn iarbetet. Skulle det visa sig att kylbehovet ar hogre, vilket det sannorlikt ar, kan storleken pa anlaggningenreduceras och investeringskostnaderna ga ner.

Sjukhusets interna floden och temperaturer bor matas och analyseras for att kunna dimensionera ettvarmepumpsystem som klarar de kallaste dagarna pa aret. Aven mata fordelningen av varmebehovetmellan tappvarmvatten, radiatorer och ventilationssystem for att fa en battre och mer overgripande bildover sjukhusets varmebehov.

Hela sjukhusets reservkraft bor kartlaggas for att se vilken tackningsgrad som finns i nulaget. Vid even-tuell investering av reservkraft bor tackningsgraden for sjukhusets totala reservkraft overstiga 100 % foratt kunna tacka framtida eventuella elbehov.

Specifika kostnader for arbete kring avverkning av skog behover goras da kvaliten ar antagen utifranskogsomraden runt om i Gallivare. Denna del ar daremot en relativt liten del i den totala investeringenjamfort med brunnsborrningen.

36

Referenser

[1] Gallivare Energi AB. Informationsblad dec 2017. http://www.gallivareenergi.se/upload/news2/Informationsblad_dec_2017.pdf. (Hamtad: 2018-02-27).

[2] Gallivare Energi AB. Om foretaget. http : / / www . gallivareenergi . se / site / omgvab . asp.(Hamtad: 2020-02-03).

[3] Henrik Alvarez. Energiteknik Del 1. 2013. isbn: 978-91-44-04509-2.

[4] Niklas Andersson. ”Grundfos AB”. Personlig kontakt. Febr. 2020.

[5] Lars Bergman m. fl. ”50 procent effektivare energianvandning 2050”. I: Kungl. Ingenjorsvetenskapsakademien(IVA) (2014). issn: 1102-8254.

[6] Erik Bjork m. fl. Bergvarme pa djupet. 2013. isbn: 978-91-7501-754-9.

[7] Anna Dahlberg m. fl. Byggenskap och vardhygien. 2016.

[8] Det robusta sjukhuset - Utgava 2008. 2008. isbn: 978-91-85797-15-8.

[9] ”Energilaget 2017”. I: Statens energimyndighet (2017). issn: 1404-3343.

[10] Mikael Erlstrom m. fl. ”Geologisk information for geoenergianlaggningar - en oversikt”. I: SGU-rapport (2016).

[11] Johan Fransson. ”Skogsdata 2018”. I: SLU-rapport (2018). issn: 0280-0543.

[12] Signhild Gehlin. Guide for geoenergi. 2017. isbn: 978-91-7585-572-1.

[13] Hans-Goran Goransson. ”Energy Machines Sweden AB”. Personlig kontakt. Jan. 2019.

[14] Karin Hansen m. fl. ”Torvutvinningens miljopaverkan”. I: IVL Svenska Miljoinstitutet C 198 (2016).

[15] Philips Healthcare. ”Installationsforutsattningar Philips Achieva”. I: (2009).

[16] Goran Hellstrom. ”Ground heat storage: thermal analysis of duct storage systems”. I: Lund Uni-versity (1991).

[17] Mats Hermansson. ”Senior Account Manager, Emergency Power - Coromatic AB”. Personlig kon-takt. Jan. 2020.

[18] Karin Hjerpe m. fl. ”Utslapp av vaxthusgaser fran torvmark”. I: Jordbruksverket (2014). Rapport2014:24. issn: 1102-3007.

[19] Hans Johansson. Klimatsmart energi sparar miljoner. http://www.umea.se/arkiv/pressmeddelanden/pressmeddelanden/klimatsmartenergispararmiljoner.5.2b8b3e69158db9004dd293a0.html.(Hamtad: 2018-02-27). 2017.

[20] Fredrik Kanlen. ”Torv 2017 - Produktion, anvandning och miljoeffekter m.m”. I: SBC 2018 (2018).Mi 25 SM 1801.

[21] John Koppari. ”MT-Ingenjor pa Gallivare Sjukhus”. Personlig kontakt. Mars 2018.

[22] Anders Kohler. ”Kohlers Lantbruk”. Personlig kontakt. Juni 2018.

[23] Mikael Lindgren. ”AB Norrfjardens Brunnsborrningar”. Personlig kontakt. Juni 2018.

[24] Mattias Lundblad m. fl. ”Den svenska torvutvinningens klimatpaverkan”. I: SLU Institutionen formark och miljo (2016).

[25] Naturvardsverket. Skyddad natur. http://skyddadnatur.naturvardsverket.se/. (Hamtad:2018-05-24). 2018.

[26] Naturvardsverket. Syftet med Natura 2000. https://www.naturvardsverket.se/Miljoarbete-i- samhallet/Miljoarbete- i- Sverige/Uppdelat- efter- omrade/Naturvard/Skydd- av-

natur/Natura-2000/. (Hamtad: 2018-05-24). 2018.

37

[27] Gustav Nilsson. ”Gallivare Frakt AB”. Personlig kontakt. Aug. 2018.

[28] Bo Nordell. ”Borehole heat store design optimization”. I: Lulea tekniska universitet (1994). issn:0348-8373.

[29] Anna-Maria Perttu. ”Seniorkonsult pa Sweco Environment AB”. Personlig kontakt. Aug. 2018.

[30] Bengt Rosen m. fl. ”System for varme och kyla ur mark - En nulagesbeskrivning”. I: Statensgeotekniska institut (SGI) (2001). issn: 1100-6692.

[31] ”Scenarier over Sveriges energisystem 2016”. I: Statens energimyndighet (2016). issn: 1403-1892.

[32] Linda Schulz. I: Normalarskorrigering av energianvandningen i byggnader - en jamforelse av tvametoder (2003). issn: 1650-1489.

[33] SMHI. Meteorologiska observationer. http://opendata-download-metobs.smhi.se/explore/?parameter=0#. (Hamtad: 2018-03-16). 2018.

[34] Mohsen Soleimani-Mohseni, Lars Backstrom och Robert Eklund. EnBe - energiberakningar. 2014.isbn: 97-891440-88-693.

[35] Jan Sundberg. ”Statens geologiska institut (SGI)”. I: Termiska egenskaper i jord och berg (1991).issn: 0281-7578.

[36] Peter Toyra. ”Energiingenjor pa Gallivare Sjukhus”. Personlig kontakt. April 2018.

[37] Sveriges geologiska undersokning. Kartor. https://www.sgu.se/produkter/kartor/. (Hamtad:2020-01-31).

[38] Jennie Wiederholm m. fl. ”Fastigheten Nils Holgerssons underbara resa genom Sverige - en avgifts-studie for 2017”. I: Nils Holgerssongruppen 69.1–4 (2017), s. 323 –329.

[39] Sofia Wiksten. ”Varmelagring i bergrum pa Haraholmen i Pitea”. I: Lulea tekniska universitet(2018).

[40] Emma Bergstrom Wuolo. ”Region Norrbotten”. Personlig kontakt. Jan. 2020.

38

7 Bilagor

Tabell 27: Beraknade kostnader for Scenarie 1 under 20 ars livslangd.

Ar Elkostnad Kapitalkostnad Underhall Intakter1 2 922 1 045 522 7 7112 3 003 973 512 7 5603 3 086 904 502 7 4124 3 172 837 492 7 2675 3 259 772 483 7 1246 3 350 710 473 6 9847 3 442 649 464 6 8478 3 538 591 455 6 7139 3 636 535 446 6 58210 3 736 481 437 6 45311 3 840 428 428 6 32612 3 946 378 420 6 20213 4 055 329 412 6 08014 4 168 283 404 5 96115 4 283 237 396 5 84416 4 402 194 388 5 73017 4 523 152 380 5 61718 4 649 112 373 5 50719 4 777 73 366 5 39920 4 910 36 359 5 293

Total 76 696 9 718 8 711 128 614

39

Tabell 28: Beraknade kostnader for Scenarie 2a under 20 ars livslangd.

Ar Elkostnad Kapitalkostnad Underhall Intakter1 1 746 804 402 3 8562 1 795 749 394 3 7803 1 845 696 387 3 7064 1 896 644 379 3 6345 1 948 595 372 3 5626 2 002 546 364 3 4927 2 057 500 357 3 4248 2 114 455 350 3 3579 2 173 412 343 3 29110 2 233 370 337 3 22711 2 295 330 330 3 16312 2 358 291 324 3 10113 2 424 254 317 3 04014 2 491 218 311 2 98115 2 560 183 305 2 92216 2 631 149 299 2 86517 2 704 117 293 2 80918 2 778 86 287 2 75419 2 855 56 282 2 70020 2 934 28 276 2 647

Totalt 45 839 7 485 6 709 64 312

Tabell 29: Beraknade kostnader for Scenarie 2b under 20 ars livslangd.

Ar Elkostnad Kapitalkostnad Underhall Intakter1 1 089 354 177 3 0852 1 119 330 174 3 0243 1 150 307 170 2 9654 1 182 284 167 2 9075 1 214 262 164 2 8506 1 248 241 160 2 7947 1 282 220 157 2 7398 1 318 201 154 2 6859 1 354 181 151 2 63310 1 392 163 148 2 58111 1 431 145 145 2 53112 1 470 128 142 2 48113 1 511 112 140 2 43214 1 553 96 137 2 38515 1 596 81 134 2 33816 1 640 66 132 2 29217 1 685 52 129 2 24718 1 732 38 127 2 20319 1 780 25 124 2 16020 1 829 12 122 2 117

Totalt 28 574 3 297 2 955 51 448

40

Tabell 30: Ingaende varden i EED 4.19 for simulering av Scenarie 1.

D E S I G N D A T A======================

GROUNDGround thermal conductivity 3,4 W/(m·K)Ground heat capacity 2,4 MJ/(m³·K)Ground surface temperature 2 °CGeothermal heat flux 0,04 W/m²BOREHOLEConfiguration: 676 (”208 : 13 x 16 rectangle”)Borehole depth 665 mBorehole spacing 14 mBorehole installation Double-UBorehole diameter 114 mmU-pipe diameter 40 mmU-pipe thickness 2,4 mmU-pipe thermal conductivity 0,42 W/(m·K)U-pipe shank spacing 70 mmFilling thermal conductivity 0,6 W/(m·K)

THERMAL RESISTANCESBorehole thermal resistances are calculated.Number of multipoles 10Internal heat transfer between upward and downward channel(s) is considered.

HEAT CARRIER FLUIDThermal conductivity 0,45 W/(m·K)Specific heat capacity 4000 J/(Kg·K)Density 960 Kg/m³Viscosity 0,004 Kg/(m·s)Freezing point -20 °CFlow rate per borehole 1,46 l/s

BASE LOADAnnual DHW load 0 MWhAnnual heating load (DHW excluded) 1,157E4 MWhAnnual cooling load 458 MWh

Seasonal performance factor (DHW) 4Seasonal performance factor (heating) 4Seasonal performance factor (cooling) 10

Monthly energy profile [MWh]Month Factor Heat load Factor Cool load Ground loadJAN 0,125 1446 0,038 17,4 1065FEB 0,127 1469 0,038 17,4 1083MAR 0,104 1203 0,038 17,4 883APR 0,083 960 0,038 17,4 701MAY 0,072 833 0,174 79,7 537JUN 0,034 393 0,174 79,7 207JUL 0,027 312 0,174 79,7 147AUG 0,034 393 0,174 79,7 207SEP 0,086 995 0,038 17,4 727OCT 0,076 879 0,038 17,4 640NOV 0,101 1168 0,038 17,4 857DEC 0,131 1515 0,038 17,4 1117Total 1 1,157E4 1 458 8171

41

Tabell 31: Beraknade varden i EED 4.19 for simulering av Scenarie 1.

C A L C U L A T E D V A L U E S==================================

* Monthly calculation *

Total borehole length 1,383E5 m

THERMAL RESISTANCES

Borehole therm. res. internal 0,22 (m·K)/WReynolds number 6337Thermal resistance fluid/pipe 0,0085 (m·K)/WThermal resistance pipe material 0,04844 (m·K)/WContact resistance pipe/filling 0 (m·K)/WBorehole therm. res. fluid/ground 0,06034 (m·K)/WEffective borehole thermal res. 0,08171 (m·K)/W

SPECIFIC HEAT EXTRACTION RATE [W/m]

Month Base load Peak heat Peak coolJAN 10,5 0 0FEB 10,7 0 0MAR 8,75 0 0APR 6,94 0 0MAY 5,32 0 0JUN 2,05 0 0JUL 1,45 0 0AUG 2,05 0 0SEP 7,2 0 0OCT 6,34 0 0NOV 8,49 0 0DEC 11,1 0 0

BASE LOAD: MEAN FLUID TEMPERATURES (at end of month) [°C]

Year 1 2 5 10 25JAN 5,91 2,74 1,35 -0,56 -4,87FEB 5,91 2,62 1,23 -0,68 -5MAR 5,91 3,07 1,7 -0,21 -4,53APR 5,91 3,52 2,17 0,26 -4,05MAY 5,91 3,94 2,61 0,71 -3,6JUN 5,91 4,81 3,5 1,61 -2,69JUL 5,91 4,99 3,7 1,83 -2,46AUG 5,91 4,85 3,57 1,72 -2,56SEP 4 3,47 2,18 0,36 -3,92OCT 4,11 3,6 2,3 0,48 -3,79NOV 3,47 2,97 1,67 -0,15 -4,41DEC 2,71 2,21 0,9 -0,92 -5,19

BASE LOAD: YEAR 25Minimum mean fluid temperature -5,19 °C at end of DECMaximum mean fluid temperature -2,46 °C at end of JUL

42

Tabell 32: Ingaende varden i EED 4.19 for simulering av Scenarie 2a.

D E S I G N D A T A======================

GROUNDGround thermal conductivity 3,4 W/(m·K)Ground heat capacity 2,4 MJ/(m³·K)Ground surface temperature 2 °CGeothermal heat flux 0,04 W/m²BOREHOLEConfiguration: 743 (”396 : 18 x 22 rectangle”)Borehole depth 291 mBorehole spacing 10 mBorehole installation Double-UBorehole diameter 114 mmU-pipe diameter 40 mmU-pipe thickness 2,4 mmU-pipe thermal conductivity 0,42 W/(m·K)U-pipe shank spacing 70 mmFilling thermal conductivity 0,6 W/(m·K)

THERMAL RESISTANCESBorehole thermal resistances are calculated.Number of multipoles 10Internal heat transfer between upward and downward channel(s) is considered.

HEAT CARRIER FLUIDThermal conductivity 0,45 W/(m·K)Specific heat capacity 4000 J/(Kg·K)Density 960 Kg/m³Viscosity 0,004 Kg/(m·s)Freezing point -20 °CFlow rate per borehole 1,46 l/s

BASE LOADAnnual DHW load 0 MWhAnnual heating load (DHW excluded) 5784 MWhAnnual cooling load 458 MWh

Seasonal performance factor (DHW) 4Seasonal performance factor (heating) 4Seasonal performance factor (cooling) 10

Monthly energy profile [MWh]Month Factor Heat load Factor Cool load Ground loadJAN 0,09 521 0,038 17,4 371FEB 0,09 521 0,038 17,4 371MAR 0,09 521 0,038 17,4 371APR 0,09 521 0,038 17,4 371MAY 0,09 521 0,174 79,7 303JUN 0,068 393 0,174 79,7 207JUL 0,054 312 0,174 79,7 147AUG 0,068 393 0,174 79,7 207SEP 0,09 521 0,038 17,4 371OCT 0,09 521 0,038 17,4 371NOV 0,09 521 0,038 17,4 371DEC 0,09 521 0,038 17,4 371Total 1 5784 1 458 3834

43

Tabell 33: Beraknade varden i EED 4.19 for simulering av Scenarie 2a.

C A L C U L A T E D V A L U E S==================================

* Monthly calculation *

Total borehole length 1,152E5 m

THERMAL RESISTANCES

Borehole therm. res. internal 0,22 (m·K)/WReynolds number 6337Thermal resistance fluid/pipe 0,0085 (m·K)/WThermal resistance pipe material 0,04844 (m·K)/WContact resistance pipe/filling 0 (m·K)/WBorehole therm. res. fluid/ground 0,06034 (m·K)/WEffective borehole thermal res. 0,06443 (m·K)/W

SPECIFIC HEAT EXTRACTION RATE [W/m]

Month Base load Peak heat Peak coolJAN 4,41 0 0FEB 4,41 0 0MAR 4,41 0 0APR 4,41 0 0MAY 3,6 0 0JUN 2,46 0 0JUL 1,74 0 0AUG 2,46 0 0SEP 4,41 0 0OCT 4,41 0 0NOV 4,41 0 0DEC 4,41 0 0

BASE LOAD: MEAN FLUID TEMPERATURES (at end of month) [°C]

Year 1 2 5 10 25JAN 3,71 2,35 0,98 -0,85 -4,89FEB 3,71 2,3 0,95 -0,89 -4,92MAR 3,71 2,26 0,91 -0,94 -4,95APR 3,71 2,19 0,86 -0,99 -5MAY 3,71 2,34 1,01 -0,84 -4,83JUN 3,71 2,59 1,27 -0,57 -4,55JUL 3,71 2,75 1,44 -0,38 -4,34AUG 3,71 2,57 1,28 -0,54 -4,49SEP 2,61 2,07 0,78 -1,03 -4,97OCT 2,53 2,02 0,72 -1,07 -5NOV 2,47 1,95 0,67 -1,12 -5,04DEC 2,41 1,89 0,62 -1,15 -5,07

BASE LOAD: YEAR 25Minimum mean fluid temperature -5,07 °C at end of DECMaximum mean fluid temperature -4,34 °C at end of JUL

44

Tabell 34: Ingaende varden i EED 4.19 for simulering av Scenarie 2b.

D E S I G N D A T A======================

GROUNDGround thermal conductivity 3,4 W/(m·K)Ground heat capacity 2,4 MJ/(m³·K)Ground surface temperature 2 °CGeothermal heat flux 0,04 W/m²BOREHOLEConfiguration: 625 (”143 : 11 x 13 rectangle”)Borehole depth 285 mBorehole spacing 17 mBorehole installation Double-UBorehole diameter 114 mmU-pipe diameter 40 mmU-pipe thickness 2,4 mmU-pipe thermal conductivity 0,42 W/(m·K)U-pipe shank spacing 70 mmFilling thermal conductivity 0,6 W/(m·K)

THERMAL RESISTANCESBorehole thermal resistances are calculated.Number of multipoles 10Internal heat transfer between upward and downward channel(s) is considered.

HEAT CARRIER FLUIDThermal conductivity 0,45 W/(m·K)Specific heat capacity 4000 J/(Kg·K)Density 960 Kg/m³Viscosity 0,004 Kg/(m·s)Freezing point -20 °CFlow rate per borehole 1,46 l/s

BASE LOADAnnual DHW load 0 MWhAnnual heating load (DHW excluded) 4627 MWhAnnual cooling load 458 MWh

Seasonal performance factor (DHW) 4Seasonal performance factor (heating) 4Seasonal performance factor (cooling) 10

Monthly energy profile [MWh]Month Factor Heat load Factor Cool load Ground loadJAN 0,085 393 0,038 17,4 276FEB 0,085 393 0,038 17,4 276MAR 0,084 389 0,038 17,4 272APR 0,084 389 0,038 17,4 272MAY 0,084 389 0,174 79,7 204JUN 0,086 398 0,174 79,7 211JUL 0,068 315 0,174 79,7 148AUG 0,086 398 0,174 79,7 211SEP 0,084 389 0,038 17,4 272OCT 0,084 389 0,038 17,4 272NOV 0,085 393 0,038 17,4 276DEC 0,085 393 0,038 17,4 276Total 1 4627 1 458 2966

45

Tabell 35: Beraknade varden i EED 4.19 for simulering av Scenarie 2b.

C A L C U L A T E D V A L U E S==================================

* Monthly calculation *

Total borehole length 4,076E4 m

THERMAL RESISTANCES

Borehole therm. res. internal 0,22 (m·K)/WReynolds number 6337Thermal resistance fluid/pipe 0,0085 (m·K)/WThermal resistance pipe material 0,04844 (m·K)/WContact resistance pipe/filling 0 (m·K)/WBorehole therm. res. fluid/ground 0,06034 (m·K)/WEffective borehole thermal res. 0,06426 (m·K)/W

SPECIFIC HEAT EXTRACTION RATE [W/m]

Month Base load Peak heat Peak coolJAN 9,27 0 0FEB 9,27 0 0MAR 9,15 0 0APR 9,15 0 0MAY 6,85 0 0JUN 7,08 0 0JUL 4,99 0 0AUG 7,08 0 0SEP 9,15 0 0OCT 9,15 0 0NOV 9,27 0 0DEC 9,27 0 0

BASE LOAD: MEAN FLUID TEMPERATURES (at end of month) [°C]

Year 1 2 5 10 25JAN 3,68 1,01 -0,15 -1,68 -4,98FEB 3,68 0,96 -0,18 -1,71 -5MAR 3,68 0,94 -0,19 -1,71 -5APR 3,68 0,89 -0,22 -1,74 -5,02MAY 3,68 1,41 0,32 -1,19 -4,47JUN 3,68 1,35 0,28 -1,24 -4,51JUL 3,68 1,85 0,78 -0,73 -3,99AUG 3,68 1,34 0,27 -1,22 -4,48SEP 1,4 0,8 -0,28 -1,76 -5,01OCT 1,25 0,72 -0,34 -1,82 -5,05NOV 1,13 0,64 -0,42 -1,89 -5,12DEC 1,07 0,58 -0,47 -1,92 -5,15

BASE LOAD: YEAR 25Minimum mean fluid temperature -5,15 °C at end of DECMaximum mean fluid temperature -3,99 °C at end of JUL

46