PVT åpner for bergvarmepumper i tette byområder

Et hybrid fotovoltaisk termisk panel (PVT) kombinerer funksjonen til fotovoltaiske (PV) og solvarmepaneler. Mengden energi som genereres per kvadratmeter panel økes. Den sirkulerende væsken i PVT (oftest frostvæske) kjøler ned PV og øker elektrisk effektivitet. For å holde den elektriske virkningsgraden høy bør imidlertid væsketemperaturen til PVT begrenset (vanligvis under ca. 20°C). 

PVT kan brukes til ulike formål, som forvarming av varmtvann til bygninger eller svømmebasseng. En nøkkelapplikasjon er imidlertid kombinasjonen av PVT og varmepumpeteknologi.

Hvorfor kombinere PVT og bergvarmepumpe?

Det finnes ulike kombinasjoner av PVT med varmepumper. En viktig forskjell er om PVT er den eneste varmekilden for varmepumpen (dvs. single-source) eller om PVT brukes med en annen varmekilde som luft eller grunnen (dvs. dual-source). 

Utfordringen med én kilde er at solvarmeproduksjon skal skje samtidig som bygningens varmebehov. Dette kan være fornuftig i enkelte klima, men er utfordrende for høyere breddegrader som i Norge, hvor solenergiproduksjonen ikke er synkronisert med romoppvarmingsbehovet. For høye breddegrader er en interessant løsning å kombinere PVT med en bergvarmepumpe. Borehullene gir en form for sesongbasert termisk energilagring for PVT, mens PVT kan øke temperaturen i grunnen.

Hva er målene?

Vi skiller mellom tre hovedstrategier:

1. Øke energieffektiviteten: Den første strategien er å bruke PVT for å øke bakketemperaturen og forbedre den sesong-ytelsesfaktoren (SPF) til varmepumpeanlegget. Dette gjøres vanligvis i et prosjekt hvor høy energieffektivitet forventes, som i nullutslippsbygninger (ZEB).
2. Unngå frysing i brønner som ble underdimensjonerte.
3. Mindre borehullspark: Den andre strategien er å bruke PVT for å balansere varmen i grunnen i prosjekter hvor det er netto uttak av varme i grunnen (f.eks. i boligbygg uten kjølebehov). Lavtemperaturvarmen produsert av PVT om sommeren regenererer bakketemperaturen effektivt. Det har flere fordeler. For det første kan lengden på borehull reduseres sammenlignet med en standard bergvarmepumpe med kun naturlig regenerering av bakketemperaturen. Det er dermed et potensial for kostnadsbesparelser. For det andre, med en standard bergvarmepumpe, må avstanden mellom borehullene være stor for å maksimere den naturlige regenereringen av bakketemperaturen (f.eks. 15 til 20 m). Men med regenerering støttet av PVT er dette kravet ikke lenger nødvendig. Borehull kan plasseres nærmere hverandre (f.eks. 5 til 10 m). Følgelig gjør bruk av PVT det mulig å redusere tomtearealet som kreves for borehullene. Dette skal gjøre integreringen av borehull lettere i tette byområder. Dette scenarioet undersøkes i vårt arbeid.

Prosjekt

For å utforske dette potensialet forsker vi i prosjektet ChiNoZEN, finansiert av Norges Forskningsråd. For å ha relevante tekniske spesifikasjoner om PVT ble arbeidet gjort i samarbeid med DualSun Nordic. En boligblokk uten kjøling brukes som test-case. Ytelsen til varmepumpeanlegget undersøkes ved hjelp av simulering som muliggjør sammenligning av ulike designscenarier. Skissen av systemet er vist i Figur 1. 

PVT-kollektorer integreres ved hjelp av en varmeveksler til væskekretsen til borehullsparken. PVT-plasseringen kan enten være oppstrøms eller nedstrøms for borehull. Etter flere studier er nedstrømskonfigurasjonen valgt - der varmen fra PVT treffer varmepumpefordamperen først.

Grunntemperaturregenerering ved bruk av PVT muliggjør kortere og mer kompakte energibrønner, noe som kan være en fordel i byområder med begrenset plass.

Eksempelresultat

Figur 2 viser tidsutviklingen av grunntemperaturen for en standard bergvarmepumpe uten PVT med en avstand på 20 m mellom borehull (til venstre) kontra samme varmepumpeanlegg støttet av 1 panel PVT per kW av varmepumpen (til høyre). De ulike kurvene viser antall bygninger knyttet til borehullfeltet (fra Sc1 til Sc8), hvor antall borehull økes tilsvarende: 

For en standard bergvarmepumpe synker temperaturen i bakken gradvis over tid, noe som påvirker sesongytelsesfaktoren (SPF) til varmepumpen. Nedgangen er større for større prosjekter (Sc8) hvor borehullfeltet er mer kompakt, noe som begrenser den naturlige regenereringen av grunntemperaturen. Tvert imot, ved bruk av PVT er bakketemperaturen mer stabil og holdes på et høyere nivå over tid. 

Effekten er mer uttalt for større prosjekter med mer kompakte borehullfelt hvor temperaturregenerering ved bruk av PVT-varme er mer avgjørende. Det oversettes med sesongytelsesfaktoren (SPF) til varmepumpen som er høyere og mer stabil over tid ved bruk av PVT.

Potensialet i Norge

Påvirkningen av mange designparametere er undersøkt: antall PVT-paneler, antall og avstand mellom borehull, antall tilkoblede bygninger (som å undersøke påvirkningen av størrelsen på varmebehov) samt nordisk klima. Det er vanskelig å oppsummere alle disse simuleringene med noen få setninger, men noen viktige konklusjoner kan gis:

For samme sesongytelsesfaktor for varmepumpesystemet muliggjør PVT å redusere lengden på brønner med opptil 50 prosent og avstanden mellom brønner med opptil 75 prosent, sammenlignet med en standard bergvarmepumpe uten PVT (med 20 m avstand mellom brønner)

• Med samme sesongytelsesfaktor for varmepumpesystemet er energikostnadene like. Derfor er forskjellen i livssykluskostnader mest påvirket av investeringskostnadene. PVT-paneler er en ekstra investering, men de gjør det mulig å redusere størrelsen på energibrønner, noe som fører til besparelser. Kostnaden for borehull varierer imidlertid sterkt mellom prosjekter og mellom land. Disse kostnadene er for eksempel betydelig lavere i Norge enn i Sverige eller Sveits.
• Med realistiske investeringskostnader for Norge blir ikke de ekstra investeringskostnadene for PVT dekket av besparelsen på brønner. Imidlertid kan de ekstra investeringskostnadene ved å bytte fra PV til PVT bli betalt tilbake av besparelsene på brønner. Til slutt er det ikke tatt hensyn til besparelsene knyttet til redusert tomteareal for å installere borehullene i den økonomiske analysen.

Avslutningsvis har PVT kombinert med bergvarme stort potensiale i Norge både fra et energieffektivitets- og kostnadssynspunkt. Det muliggjør implementering av bergvarme i tette byområder med begrenset plass. Kun få prosjekter er gjennomført i Norge, og denne studien viser at denne veien er verdt å følge. Feltmålinger fra disse prosjektene bør ytterligere styrke konklusjonene og øke kompetansen på temaet.

For mer informasjon:

Energy efficiency and borehole sizing for photovoltaic-thermal collectors integrated to ground source heat pump system. Energy Conversion and Management, 2024.

Mohammad Liravi
Laurent Georges