Borehole thermal energy storage : A study of the boreholes temperature impact on the heat pump's coefficient of performance

Sverige har en hög andel installerade bergvärmepumpar, som är en typ av vätska-vatten värmepump. Ett problem som finns för befintliga bergvärmesystem är att berget med tiden kyls ned då returslangen till borrhålet konstant levererar kyla till berget. Till följd av detta mister systemet en betydande del av sin verkningsgrad samtidigt som det i extrema fall kan leda till permanent isbildning i borrhålet. Ett sätt att motverka detta problem är att tillämpa termisk energilagring i bergvärmesystemets borrhål. Den internationella benämningen för denna teknik är ”Borehole Thermal Energy Storage, BTES”. Rapporten har behandlat en friliggande enplansvilla med ett befintligt bergvärmesystem som tillämpar termisk energilagring i bergvärmesystemets borrhål med solvärme. Två beräkningsfall har gjorts och resultatet från simuleringarna i en upprättad beräkningsmodell visar att en temperaturhöjning i borrhålet inte alltid innebär en årlig energibesparing. Vid varje grads temperaturhöjning sker en ökning av värmepumpens COP med ca 1,85 % enligt ett linjärt samband för höga temperaturdifferenser över värmepumpen. Detta motsvarar en kostnadsbesparing på 1,02 %/°C. Detta gäller för normala förhållanden med en framledningstemperatur för tappvarmvatten och rumsvärmare på 55 ⁰C. Med en högre energiförbrukning finns alltså större besparingar att göra. Vid mycket låga temperaturdifferenser mellan förångare och kondensor sker dock större procentuella förändringar, vilket medför att lågtemperatursystem kan bidra till en större energibesparing. I normalfallet är dessa system svåra att räkna hem för småhus. För en god lönsamhet krävs en optimerad systemlösning och effektiv styrning av cirkulationspumpar och andra samspelande komponenter med en PLC. I framtiden kommer dock sannolikt värmepumparnas mekaniska verkningsgrad att öka med bättre teknik och även energipriset som följd av politiska beslut, tillgång etc. Detta innebär att varje besparad kilowattimme kommer att bli mer värd.Sweden has a high proportion of installed geothermal heat pumps, which are a type of liquid -water heat pump. One problem that exists for existing geothermal heating systems is that the rock in time cool down when the return hose to the borehole constantly supply cooling to the rock. As a result of this the system loses a significant portion of their efficiency while in extreme cases has led to the permanent ice in the borehole. One way to counter this problem is to apply thermal energy storage in the geothermal heating systems borehole. The international term for this technique is "Borehole Thermal Energy Storage, BTES". This report has analyzed a detached single storey house with an existing geothermal heating system utilizing thermal energy storage in the geothermal heating systems borehole with solar heating. Two calculation cases has been made and the results of the simulations in an established computational model shows that an increase in temperature in the borehole does not always result in an annual energy savings. Each degree of increased temperature is an increase in the heat pumps COP of 1.85 %, according to a linear relationship for high temperature differences across the heat pump. This results in a cost saving of 1.02 %/°C. This applies to normal conditions with a radiator temperature at 55 ⁰ C. With higher energy consumption can greater savings be made. At very low temperature differences between the evaporator and condenser is however larger percentage changes made, which means that low temperature systems can lead to greater energy savings. Typically, these systems are difficult to recoup for small detached houses. For a good profitability requires an optimized system solution and efficient control of circulation pumps and other interacting components with a PLC. In the future the heat pump mechanical efficiency will probably increase with better technology and even energy prices as a result of political decisions, access, etc. This means that each spared kilowatt hour will be worth more