Forskningsprosjekt har doblet effekten av bergvarmepumper

For tre år siden gikk selskapene bak Lowex ut og lovet at de skulle utvikle energiforsyning til nullenergibygg og plusshus med ytelse som er «2 til 2,5 ganger bedre enn dagens state-of-the-art».

Nå er prosjektet avsluttet, og ifølge Tor Helge Dokka, som har vært primus motor for Lowex, er de spenstige målsetningene langt på vei oppnådd.

– Vi sitter og skriver på sluttrapporten nå, sier sjefrådgiveren i Skanska teknikk på telefon fra hjembyen Kongsberg.

Han tror rapporten vil bli hyggelig lesning for Forskningsrådet, som i 2016 støttet prosjektet med 4,8 millioner kroner. Det var nesten halvparten av det totale budsjettet på 9,9 millioner. Støtten ble gitt gjennom Energix-programmet, hvis formål er å bidra til «utvikling av fremtidens miljøvennlige energiløsninger».

Doblet effektfaktor

Et av de mest oppsiktsvekkende resultatene er bedre utnyttelse av varmepumper. Lowex skal ha doblet effekten fra bergvarmepumper, såkalte væske til vann-varmepumper.

– Mens konvensjonelle bergvarmepumpene har COP på 3, har vi oppnådd COP på mellom 5,5 og 6, sier Dokka.

Forkortelsen COP står for coefficient of performance, eller ytelseskoeffisient, og brukes for å oppgi ytelsen til varmepumper. Rent matematisk er det et uttrykk for hvor mye energi (kWh) de leverer delt på hvor mye energi de må tilføres for å gjøre jobben. Effektfaktor og varmefaktor er andre betegnelser for den samme koeffisienten.

Enkelt forklart:

• COP øker jo lavere temperatur varmepumpen kan levere
• COP øker jo høyere temperatur varmekilden har

Gammelt, termisk prinsipp

Skanska teknikk har ikke vært alene om Lowex-prosjektet. Med seg på laget har de hatt forskere ved Universitetet i Lund, utbyggerne Avantor og Omsorgsbygg, varmepumpeprodusenten Nibe og varmepumpeimportøren ABK.

Prinsippet Dokka og co. tok i bruk for å øke ytelsen til varmepumpene, er ikke nytt. Det skriver seg tilbake til 1800-tallet og den franske matematikeren Nicolas Carnots nedtegnelser om termodynamikk og varmekraftmaskiner. Ett av funnene til Carnot var at økt temperaturforskjell gir økt ytelse for en varmekraftmaskin, for eksempel en dampmaskin.

For en varmepumpe forholder det seg imidlertid motsatt, for der tilføres energi slik at varme flyttes fra et kaldt område (kjølemediet) til et varmt (bygget). I denne reverserte prosessen vil det være lave temperaturforskjeller som gir størst effekt. Jo lavere temperaturløft, dess høyere varmefaktor.

Fire hovedtiltak

Norsk varmepumpeforening har regnet ut at for hver grad temperaturløftet synker, så øker varme- eller effektfaktoren med to til tre prosent. I Lowex-prosjektet, som baserte seg på bergvarmepumper og vannbårne varmeanlegg, ville det altså gi bedre uttelling desto lavere temperatur de kunne levere ut i anleggene.

For å oppnå minst mulig temperaturløft iverksatte de følgende tiltak:

• bedre utforming og dimensjonering av energibrønner (høyest mulig temperatur i kjølemediet)
• bedre design av varmepumpe- og varmevekslersystemet
• bedre utforming av varme- og kjøleavgivelsesystemet
• optimalisering og balansering av varme- og kjølebehovet til bygget

For liten varmepumpe

– Mens væske til vann-varmepumper flest varmer opp kjølemediet til 35 til 55 grader, ville vi klare oss med 24 til 25 grader. Det gir 10 til 15 grader lavere varme enn vanlig gulvvarme, men det er nok så lenge arealet er stort nok, forklarer Tor Helge Dokka.

Han bruker Lia barnehage på Ellingsrudåsen i Oslo som eksempel, den andre Lowex-piloten som er ferdigstilt.

Selv om gulvarealet til barnehagen er 1600 kvadratmeter, omtrent som ti eneboliger, har de her nesten klart seg med en standard villavarmepumpe på 16 kilowatt. Nesten.

– De innebygde sirkulasjonspumpene på denne maskinen er for små, de er jo ikke dimensjonert for et næringsbygg av denne størrelsen. Derfor måtte vi spe på med eksterne sirkulasjonspumper på både brønnsiden og varmeavgivelsessiden. Det fungerer rent teknisk, men det var problematisk å få varmepumpen og sirkulasjonspumpene til og gå i synk, noe som gjorde at drift av varmepumpen ikke ble optimal, forteller Dokka.

«Passivhuskongen»

Det han derimot er særdeles godt tilfreds med, er avkjølingen av barnehagen om sommeren. Eller «svalingen», som han foretrekker å kalle det.

– Vi kan ikke snakke om avkjøling av gulv i Norge. Frykten for å få det gulvkaldt stikker for dypt i det norske folket, begrunner Dokka, som tidligere vært ansatt i Sintef Byggforsk og forskningssenteret Zeb (zero emissions buildings)

Han har vært sentral i utviklingen av passivhus i Norge. Nå som energigjerrige bygninger er blitt standard her til lands, ønsker han å ta steget videre og gjøre null- og plusshus til allemannseie.

Dokka hevder at Lia barnehage har fått bedre inneklima enn alle andre barnehager i landet takket være Lowex.

– Det er mange tiltak som bidrar til det. Hele utformingen av det vannbårne systemet spiller inn, sier han.

Selvregulerende svaling

Ved å snu sirkulasjonssystemet og sende overskuddsvarme til energilagre i bakken i stedet for ut i bygget, kan de holde temperaturen i gulvet på 19 grader. De har kommet fram til at det er det gunstigste nivået for å gi behagelig, jevn lufttemperatur på rundt 22 grader hele sommerhalvåret.

Det betyr likevel ikke at hele gulvet kjøles ned til 19 grader. Systemet er selvregulerende, slik at når sola skinner på sørsiden om formiddagen, vil kjøleeffekten øke der, mens kjølingen er nærmest lik null på nordsiden.

– Dette har vi klart med bare små sirkulasjonspumper og ren frikjøling fra energibrønnene, som i praksis gir gratis svaling av bygget. Innetemperaturen i barnehagen har aldri oversteget 23,5 grader sommerstid, selv ikke da det var som varmest i 2018, forteller Dokka.

– Sensasjonelt lav el-effekt

Lave temperaturløft har også en økonomisk oppside. Høy ytelse med lite strøm er musikk i ørene til så vel private huseiere som Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE), som har et uttalt ønske om å innføre effekttariffer neste år. Det vil si at strømmen blir dyrere når belastningen på kraftnettet er høy. Hensikten er å dempe effekttoppene, som utgjør en risiko for kraftnettets stabilitet og kapasitet.

– Effektbehovet til strøm en kald vinterdag i Lia barnehage er rundt en tidel av en tilsvarende, ny barnehage som er bygd etter Tek 17, sier Dokka.

Tek 17 er gjeldende byggteknisk forskrift i Norge. Dokka hevder at den totale el-effekten i barnehagen er nede i 10–12 watt per kvadratmeter (W/m²). Dette angir hvor mye strøm som gjennomsnittlig trengs til å drifte hele bygget, inkludert oppvarming, varmtvann, lys, vifter og annet utstyr.

– Det er sensasjonelt lavt for denne typen bygg, påstår han.

– Varmepumpe er første bud

At Lia barnehage dessuten klarer seg med ca. 25.000 kWh levert energi fra kraftnettet i året, skyldes ikke bare et effektivt klimaanlegg. Her er det også installert solcelleanlegg som dekker en stor del av taket.

Dokka mener at å investere i varmepumpe og vannbåren varme er en meget smart investering for fremtiden. Da har man lite å frykte når NVE setter i gang med effekttariffer.

– Jeg anbefaler alltid energibrønn og væske til vann-varmepumpe selv om det koster litt. Det viktigste er at man får seg varmepumpe, sier mannen som har fått mye av æren for utbredelsen av passivhus i Norge.