Kollektorn – Mer än bara en slang

Kollektorn i ett borrhål kan sägas utgöra hjärtat, eller snarare pulsådern, i en geoenergianläggning. En bra kollektor är hållbar, lättinstallerad och ger låga termiska och hydrauliska förluster. Det är alltså betydligt mer komplicerat än bara ett plaströr som sitter i borrhålet.

Kollektorn är den värmeväxlare som installeras borrhålen. Dess uppgift är att föra över energi från borrhålsväggen till den vätska som cirkuleras i kollektorn, eller tvärt om. Den består oftast av en slangkonstruktion i polyeten, som monteras i borrhålet. Det som till synes verkar enkelt är i själva verket betydligt mer komplicerat. Det finns flera faktorer att ta hänsyn till för att värmeväxlingen, och därmed anläggningens effektivitet, ska bli optimal.

För att en värmeväxling ska kunna ske, krävs att det finns en temperaturskillnad mellan den vätska, köldbärarvätskan, som cirkulerar i kollektorerna, och borrhålsväggen. Ju större skillnad i temperatur, desto större kraft bakom överföringen. På vägen mellan vätska till borrhålsvägg finns bland annat kollektorns material och den materia, oftast vatten, som finns i borrhålet. Dessa har olika termiska egenskaper som påverkar möjligheterna till överföring. Här › uppstår förluster och utvecklingen ligger mycket i att minimera dessa förluster.

I Sverige, Norge och Finland är borrhålen i allmänhet vattenfyllda. Vatten har bra kontakt mellan slang och borrhålsvägg och på grund av temperaturskillnaderna uppstår rörelser i vattenmassan, konvektionsceller, som positivt bidrar till energiöverföringen.

Att välja kollektor handlar om att hitta den mest kostnadseffektiva balansen mellan prislapp på kollektorn, installationskostnad och minsta möjliga förlust.

Det finns tre huvudtyper av kollektorer:

• U-rör (enkla och dubbla).

• Koaxialrör.

• Öppna rör.

U-rör

U-rör är den vanligaste typen. Precis som namnet antyder är det en slang i form av ett långt u, där köldbärarvätskan pumpas ned i den ena sidan och upp via den andra. Detta är den vanligaste kollektorn för ett enkelt borrhål, exempelvis för att värma en villa.

U-rör kan också vara dubbla. I borrhålslager är det vanligare med dubbla u-rör där både värme och kyla utnyttjas. Dubbla u-rör har flera fördelar. Bland annat ligger slangarna närmre borrhålsväggen. I tillägg är det för samma cirkulationsflöde, lägre flödeshastigheter i kollektorn och därtill större värmeväxlande yta. De två senare är viktiga särskilt i djupa borrhål.

Det termiska motståndet för ett dubbelt u-rör är ungefär hälften så stort som för ett enkelt u-rör. Det betyder däremot inte att man får ut dubbelt så mycket energi från ett borrhål med dubbelt u-rör. Anledningen är att det termiska motståndet i kollektorn bara är en av många faktorer som påverkar energiutbytet i ett borrhål. U-rör finns i flera dimensioner, från 25 upp till 50 millimeter. De vanligaste dimensionerna är 32 och 40 millimeter. Mindre innerdiameter på kollektorn ger med samma flöde högre turbulens (omblandning) i köldbäraren , vilket kräver mer el till cirkulationspumpen. Större innerdiameter leder till lägre turbulens, vilket ger sämre värmeväxling. Det gäller alltså att hitta det optimala mellanläget.

Koaxialrör

Ett koaxialrör består av ett rör som centreras i borrhålet. Köldbärarvätskan pumpas då i ena riktningen genom det centrerade röret och i den andra riktningen mellan röret och borrhålsväggen. Kollektorn får därmed en stor värmeväxlande yta samtidigt som strömningsförlusterna är låga.

Koaxialrör bidrar därför till betydligt lägre förluster för systemet i stort. Samtidigt är de förknippade med flera nackdelar. De är svårare att hantera såväl vid tillverkning, lagring, transport och installation. Jämfört med u-rör, som är väl beprövade, har inte branschen lika gedigen erfarenhet av koaxialrörens hållbarhet sett över tid. Slutligen är de dyrare än u-rören. Sammantaget gör det att koaxialrör hittills används i projekt med speciella förutsättningar där dess egenskaper gör dem mer attraktiva.

Öppna rör

I ett öppet system används två separata rör som sänks ned i ett vattenfyllt borrhål till olika nivåer. Här kan endast vatten användas som köldbärarvätska eftersom systemet är öppet. Fördelen med öppna rör är att köldbärarvätskan, det vill säga vattnet, har direktkontakt med berget, vilket minimerar det termiska motståndet. Öppna rör kan inte användas när vattentemperaturen går ner mot noll.

TEXT: JOHAN BARTH ILLUSTRATIONER: MYRA S. SÖDERSTRÖM (MED TILLSTÅND AV SVENSKT GEOENERGICENTRUM)