Energibesparing med bergvärmepump och värmeväxlare : Månadsvisa beräkningar för ett nytt och ett äldre småhus i Västerås samt en jämförelse mot kraven för nära-nollenergibyggnader

E

NERGIBESPARING MED BERGVÄRMEPUMP OCH

VÄRMEVÄXLARE

Månadsvisa beräkningar för ett nytt och ett äldre småhus i Västerås

samt en jämförelse mot kraven för nära-nollenergibyggnader

SARA

HILBERT

WIMAN

Akademin för ekonomi, samhälle och teknik

Kurs: Examensarbete Kurskod: BTA205 Ämne: Byggteknik Högskolepoäng: 15 hp Program: Byggnadsingenjörsprogrammet i byggteknik

Handledare: Robert Öman Examinator: Bozena Guziana Datum: 2021-05-24

ABSTRACT

Purpose: This degree project aims to see how the energy demand from active heating of

detached houses can be improved to meet the energy performance requirements set for nearly zero-energy buildings by Boverket (The Swedish National Board of Housing, Building and Planning). Method: To accomplish this, the benefits from two different energy-saving installations are studied: bedrock heat pumps and heat exchangers in Heat Recovery Ventilation Systems (HRV-systems). These are then compared in a new and an older detached house with very different heat losses. There are several reports of energy-saving systems in detached houses. What distinguishes this work is that it compares the specific results from the added energy-saving system depending on whether it was added first or last. The older detached house is an important part of this work as it represents a possible impact on parts of the existing housing stock with a similar technical standard. The energy balance for the buildings is calculated monthly with all contributions from passive heat considered, and with the energy demand for active heating as the main result. Results: It is very difficult to meet the energy performance requirements for an older detached house without extensive measures or renovations. The HRV-system had a low to very low impact. Both types of detached houses have a lot to gain from an investment in bedrock heating, especially the older one that has high energy demands. However, the new detached house with a higher technical standard in the building envelope, was the only one to meet the energy

requirements with the bedrock heat pump on its own. Conclusion: Bedrock heating can be a very profitable investment as it provides heat both for the active heating of the building as well as for the domestic hot water. In order to meet tougher energy requirements, the bedrock heat pump may need to be accompanied by an improved and more energy-efficient building envelope and the supply of self-produced electricity, such as solar cells. HRV-systems require a good air tightness and an energy-efficient building envelope to be profitable. In older detached houses, it is not a profitable investment, as it does not have sufficiently large proportions of controlled ventilation to work with. In newer houses the proportion of controlled ventilation is bigger, but the amount of heat loss that can be affected is still not as big as the energy savings a bedrock heat pump can bring.

Keywords: Bedrock heating, HRV, heat exchanger, energy efficient, energy

FÖRORD

Jag vill rikta ett stort tack till min familj och de vänner som har stöttat mig i mina studier och uppmuntrat mig till att läsa vidare. Särskilt stort tack till min käre make som har delat mitt intresse för Excel i denna lite utmanande uppgift. Det har varit roligt att vi ibland fått lära oss nya funktioner tillsammans vilket öppnat en värld av beräkningsmöjligheter och djupare förståelse för energieffektivitet. Analysen hade inte varit densamma utan detta brinnande intresse. Jag vill också rikta ett stort tack till min handledare lektor Robert Öman för allt tålamod kring mina många frågor och funderingar. Öman har på ett pedagogiskt och konstruktivt vis introducerat ämnet i de föregående kurser som föranlett examensarbetet. Dessa har inspirerat mig till att vilja utforska energibesparande åtgärder för energieffektiva byggnader. Stort tack även till min examinator Bozena Guziana som gjort vetenskapligt skrivande till en lärorik upplevelse.

Enköping i maj 2021

SAMMANFATTNING

Syftet med detta examensarbete är att undersöka hur energibehovet för aktiv uppvärmning av småhus kan förbättras tillräckligt för att möta de energiprestandakrav som Boverket ställer på nära-nollenergibyggnader. För att uppnå detta studeras två energibesparande installationstekniska åtgärder: bergvärme och värmeväxlare i FTX-system. Med FTX avses i det följande primärt själva värmeväxlaren och den energibesparing som den kan ge.

Det finns flera rapporter om energibesparande åtgärder på småhus, men det som utmärker detta arbete är att det jämför vilket specifikt resultat en åtgärd får beroende på om den installeras först eller sist.

Installation i samband med en tänkt nybyggnation av ett småhus 2020 jämförs med installation i ett tänkt befintligt äldre småhus som byggdes ca 1970. Båda småhusen är friliggande enplanshus och har samma geometri och storlek med 129 m² golvarea. För uteklimatet används medelvärden för Västerås. Det äldre småhuset har mycket större värmeförluster än det nya småhuset och är därför en viktig del i studien då det är

representativt för en möjlig inverkan på delar av det befintliga husbeståndet med liknande byggnadsteknisk standard. Jämförelsen görs med hjälp av månadsvisa beräkningar, baserade på en metod från kursen Energieffektiva byggnader som undervisas vid Mälardalens

högskola.

Resultatet visar att det är mycket svårt för det äldre småhuset att nå energiprestandakraven utan omfattande åtgärder eller renoveringar. Båda typerna av småhus har mycket att vinna på en investering i bergvärme, särskilt det äldre småhuset som har ett högt energibehov. Det

nya småhuset (med en högre byggnadsteknisk standard) var dock det enda som uppfyllde

energiprestandakravet med endast bergvärme till hjälp.

I det nya småhuset var den energimässiga besparingen 69 % med en bergvärmepump och 28 % med FTX, sett enbart till köpt energi för den aktiva uppvärmningen samt

tappvarmvatten. Tillsammans gav de båda åtgärderna en besparing på 76 %. Det förutsetts att all köpt energi utgörs av el. I det äldre småhuset var den motsvarande energimässiga besparingen 65 % med en bergvärmepump och 11 % med FTX. Tillsammans gav de båda åtgärderna en besparing på 69 %.

Om bergvärme installeras först blir FTX alltid en besvikelse eftersom den största

energibesparingen kommer från bergvärme. I det äldre småhuset gav FTX en besparing på 2,9 MWh/år när den installerades först (husalternativ 2) i kontrast till bergvärme som gav en besparing på 16,5 MWh/år för detsamma (husalternativ 3). När FTX installerades sist gav det en besparing på 1 MWh/år (från husalternativ 3 till 4) och när bergvärme installerades sist gav det en besparing på 14,6 MWh/år (från husalternativ 2 till 4). I det nya småhuset gav FTX en besparing på 3,8 MWh/år när den installerades först (husalternativ 6) och bergvärme 9,5 MWh/år för detsamma (husalternativ 7). När FTX installerades sist gav det en besparing på 0,9 MWh/år (från husalternativ 7 till 8) och när bergvärme installerades sist gav det en besparing på 6,6 MWh/år (från husalternativ 6 till 8).

Det äldre småhuset fick i sämsta fall ett primärenergital på 332 kWh/(m² år) med enbart

FTX och i bästa fall 129 kWh/(m² år) med FTX och bergvärme. Det nya småhuset fick i sämsta fall ett primärenergital på 158 kWh/(m² år) med enbart FTX och i bästa fall 66 kWh/(m² år) med FTX och bergvärme. För tolkningen av samtliga beräkningsresultat måste det beaktas att det avser ett exempel av oändligt många tänkbara alternativ avseende till exempel indata för både teknik och boendevanor. Samtidigt är de skillnader som påvisas mycket tydliga avseende både bergvärme och FTX, så de huvudsakliga slutsatserna bedöms som mycket rimliga.

Bergvärme bedöms normalt vara en synnerligen lönsam investering på lång sikt eftersom den ger värme både till aktiv uppvärmning av byggnaden och till tappvarmvattnet. För att nå framtida skärpta energiprestandakrav, kan bergvärmepumpen behöva kompletteras med ett förbättrat och mer energieffektivt klimatskal samt tillförsel av egenproducerad el, exempelvis solceller.

FTX-systemet kräver en god lufttäthet och ett energieffektivt klimatskal för att vara lönsamt. I det äldre småhuset är FTX inte en lönsam investering då det inte finns tillräckligt stora andelar kontrollerad ventilation att återvinna energi från. I det nya småhuset är andelen kontrollerad ventilation större, men mängden värmeförluster som kan påverkas är fortfarande inte lika stor som de energibesparingar en bergvärmepump kan medföra.

Nyckelord: Bergvärme, FTX, värmeväxlare, energieffektivt, energiprestandakrav, äldre

INNEHÅLL

3.2 Energieffektiva åtgärder i stort ... 9

3.3 Bergvärmesystemet ...11

3.4 FTX-systemet ...15

3.5 Molnighet och solvärmeinläckning ...18

4 AKTUELL STUDIE ... 20

4.1 Husalternativ ...20

4.2 Underlag för beräkningarna ...20

4.3 Månadsvisa beräkningar av energibehov, ett exempel från januari månad ...24

4.4 Investeringskostnader ...28

4.5 Energiprestandakravet ...29

5.1 Specifika värmeförluster ...30

5.2 Passivt värmetillskott ...32

5.3 Aktiv uppvärmning ...33

5.4 Känslighetsanalys ...34

5.5 Tidsordning för införandet av åtgärderna och primärenergitalet ...37

5.6 Besparingar av all beräknad köpt energi ...38

6 DISKUSSION... 39

6.1 Metod ...39

6.2 Resultat ...40

7 SLUTSATSER ... 45

8 FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE... 46

REFERENSER ... 47

BILAGA 1: INGÅNGSVÄRDEN FÖR LINNEA FRÅN ÄLVSBYHUS ...2

BILAGA 2: ÄLDRE SMÅHUS ...8

Underbilaga 2.1: Mekanisk ventilation och bergvärme COP 3–5 ... 9

Underbilaga 2.2: FTX med temperaturverkningsgrad 75% ...13

Underbilaga 2.3: FTX med temperaturverkningsgrad 85% ...17

BILAGA 3: NYTT SMÅHUS ... 21

Underbilaga 3.1: Mekanisk frånluft och bergvärme COP 4 ...22

Underbilaga 3.2: FTX med temperaturverkningsgrad 75% ...26

FIGURFÖRTECKNING

Figur 1 – Antal färdigställda småhus per år 1938–2019 ... 1

Figur 2 - Uppvärmningssätt i småhus 2018 ... 2

Figur 3 - Värmeeffekt för värmepumpar ... 3

Figur 4 - Dagtid per dygn ... 18

Figur 5 - Årlig solinstrålning mot en horisontal yta i Sverige ...19

Figur 6 - Antal mulna, halvklara respektive helklara dagar ...19

Figur 7 - Värmeförluster från transmission och ventilation per husalternativ ... 30

Figur 8 - Andelar värmeförluster från transmission och ventilation per husalternativ ... 31

Figur 9 – Beräknat passivt värmetillskott ... 32

Figur 10 - Sammanställning över köpt energi för aktiv uppvärmning ... 33

Figur 11 - Månadsvisa beräkningar, resultat med temperaturverkningsgrad 85 % ... 34

Figur 12 - Månadsvisa beräkningar, resultat med bergvärmefaktorerna COP 2 och 3 ... 35

Figur 13 - Månadsvisa beräkningar, resultat med bergvärmefaktorerna COP 4 och 5 ... 36

Figur 14 - Besparingsmöjligheter när åtgärderna installeras i olika tidsordning ... 37

Figur 15 - Fördelningen av all köpt el under ett år per husalternativ ... 38

TABELLFÖRTECKNING

Tabell 2 - Underlag för beräkning av hushållsel, VV samt passivvärme ...21

Tabell 3 - Uppvärmningsbehov för aktiv uppvärmning... 22

Tabell 4 - Beräkning av transmissionsförluster ... 25

Tabell 5 - Månadsvis energibalansberäkning för januari månad ... 27

Tabell 6 - Investeringskostnader ... 28

Tabell 7 - Beräknade värmeförluster från transmission och ventilation ... 30

Tabell 8 - Andelar beräknade värmeförluster från transmission och ventilation ... 31

Tabell 9 - Beräknat passivt värmetillskott ... 32

Tabell 10 - Sammanställning över köpt energi för aktiv uppvärmning ... 33

Tabell 11 - Månadsvisa beräkningar, skillnaden med temperaturverkningsgrad 85 % ... 34

Tabell 12 - Månadsvisa beräkningar, skillnaden med bergvärmefaktorerna COP 2 och 3 ... 35

Tabell 13 - Månadsvisa beräkningar, skillnaden med bergvärmefaktorerna COP 4 och 5 ... 36

Tabell 14 - Beräknade besparingsmöjligheter när åtgärderna installeras i olika tidsordning 37 Tabell 15 - Fördelningen av all beräknad köpt energi under ett år ... 38

BETECKNINGAR

Beteckning Beskrivning Enhet

A Area m2

Aglas Fönsterglasningens area m2

cp Specifik värmekapacitet J/(kg °C)

Eel Passiv värme från hushållsel kWh/dygn

Eförl Värmeenergiförlust kWh/dygn

Ep.värme Passiv värme från personvärme kWh/dygn

EPpet Primärenergital kWh/(m2 år)

Esol Solvärmeinläckning per dagtyp kWh/dygn för respektive dagtyp

Evatten Passiv värme från tappvarmvatten kWh/dygn

F1 Avskärmningsfaktor (Shading

coefficient) Faktor, beräknas med ett värde mellan 0 och 1

ṁ Massflöde kg/s

ɳ Temperaturverkningsgrad 0–100 %, beräknas med ett

värde mellan 0 och 1 Qläck Specifika luftläckageförluster W/°C

Qtot Specifika värmeförluster W/°C

Qtrans Specifika transmissionsförluster W/°C

Qv Specifika ventilationsförluster W/°C

Tsol Transmitterad solvärmeinläckning

genom englas, tabellvärde Wh/(m

2 _dygn)

FÖRKORTNINGAR

Förkortning Beskrivning

Atemp Invändig golvarea som ska temperaturregleras till mer än 10°C (Sveby, 2012)

COP COP (Coefficient of Performance). Värmefaktor för en värmepump. Definieras som kvoten mellan värmepumpens totala värmeavgivning och dess elförbrukning

F-system Frånluftssystem (mekanisk ventilation) FTX Fläktstyrd från- och tilluft med värmeväxlare

LE-skikt Lågemissionsskikt

oms/h Omsättningar per timme

RF Relativ fuktighet. Förhållandet mellan vattenmängden i luften och luftens maximala förmåga att bära vatten vid en viss temperatur innan luften blir så mättad att vattnet syns (kondens bildas). Anges i procent

SCOP Seasonal COP (Årsvärmefaktor)

VV Tappvarmvatten

DEFINITIONER

Definition Beskrivning

Avluft Den luft som efter att ha passerat ventilationsaggregatet lämnar byggnaden

Det nya småhuset Omfattar husalternativ 5–8 Det äldre småhuset Omfattar husalternativ 1–4

Direktverkande el Elvärmare som avger värme från resistorer, direkt inkopplad på elnätet

Effekttäckningsgrad Värmepumpens arbetskapacitet i förhållande till behovet vid dimensionerande utetemperatur uttryckt i procent

Energitäckningsgrad Värmepumpens förmåga att täcka årsenergibehovet för aktiv uppvärmning uttryckt i procent

Energiverkningsgrad Ett mått på årlig återvunnen energimängd i värmeväxlaren i förhållande till den värme som hade behövts tillföras i ett värmebatteri om inte värmeåtervinningen hade funnits. (Warfvinge & Dahlbom, 2010)

Framledningstemperatur Den temperatur som bergvärmepumpen jobbar mot i värmedistributionssystemet

Frånluft Luft som bortförs från byggnaden; kan bortföras till det fria eller gå via värmeväxlare och dylikt

Definition Beskrivning

Husalternativ Ett nytt och ett äldre småhus. Med

energieffektiviseringsåtgärderna blir det fyra alternativ för respektive småhus, vilket ger åtta olika alternativ totalt. När benämningarna det äldre småhuset och det nya småhuset används omfattas alternativ 1–4 respektive alternativ 5–8. Luft-luft-värmepump Värmeenergi hämtas från uteluft och avges i tilluften Luft-vatten-värmepump Värmeenergi hämtas från uteluft och avges genom

vattenburna värmedistributionssystem

Personvärme Kroppsegen värme som tillförs passivvärmen i huset

Temperatursverkningsgrad Beskriver förhållandet mellan temperaturändringen och den största temperaturskillnaden i luften från värmeväxlaren. (Warfvinge & Dahlbom, 2010)

Tilluft Den luft som efter att ha passerat ventilationsaggregatet tillförs byggnaden

Uteluft Luft ute i det fria eller som tas in från utomhusluften Värmedistributionssystem System som transporterar värmeenergi med hjälp av vatten

eller luft för att värma upp inomhusluften. I detta arbete sker det vattenburet med hjälp av golvvärme eller radiatorer Värmefaktor COP (Coefficient of Performance). Värmefaktor för en

värmepump. Definieras som kvoten mellan värmepumpens totala värmeavgivning och dess elförbrukning

Vätska-vatten-värmepump Värmeenergi hämtas från vätska och avges i genom vattenburna värmedistributionssystem. Exempelvis berg-, jord- och sjövärmepump

1

INLEDNING

Vid nybyggnation finns alla möjligheter att tillföra energibesparande åtgärder på ett enkelt och effektivt sätt medan det i ett befintligt småhus är en mer krävande insats. Oaktat detta är möjligheten att tillföra dessa åtgärder på ett effektivt och balanserat sätt avgörande för att få en hållbar slutprodukt som möter energiprestandakraven i förvaltningsskedet.

1.1

Bakgrund

År 2018 låg Sveriges totala energianvändning på 314 TWh där bygg- och fasighetssektorn stod för 109 TWh varav ca 79 TWh av dessa kom från uppvärmningen av fastigheter (Boverket, 2021). Energibesparande åtgärder är högst relevanta att studera eftersom de är tillämpbara på en stor del av husbeståndet och bidrar till en mer hållbar samhällsutveckling. EU:s långsiktiga mål är att till 2050 minska växthusgasutsläppen med 80–95 %, jämfört med de nivåer som var aktuella 1990 (The Publications Office of the European Union, 2018). Därför fastställdes 2010 ett EU-direktiv att reglera byggnaders energiprestanda, vilket även uppdaterades 2018. Således fanns tidigt krav på de nationella regelverken. Direktivet ställer krav på medlemsländerna att ta fram planer och regelverk som fungerar i respektive land med de olika klimatzoner som finns inom unionen. Ett av de tydligaste kraven är att alla byggnader som byggs efter 2020-12-31 skall vara nära-nollenergibyggnader.

Boverkets byggregler (BBR) har anpassats för att tillgodose energikraven genom senaste

versionen BFS 2020:4 (Boverket, 2020a). Även äldre byggnader som genomgår en större ändring och således påtagligt förnyas skall anpassas till de nya minimikraven avseende energiprestanda. Ett energieffektivt hus är idag en standard, men utmaningen ligger i att implementera

energibesparande åtgärder på ett balanserat sätt. Avvägning mellan energieffektivitet, inomhusklimat samt även kort- och långsiktig ekonomisk kostnad måste beaktas.

Figur 1 – Antal färdigställda småhus per år 1938–2019 (Statistikmyndigheten, 2020a) Som visas i Figur 1 utgör nybyggnation av småhus varje år en marginell del av det totala husbeståndet. Det finns ca 5 miljoner bostäder i Sverige varav drygt 2 miljoner utgör småhus

A nt al s m åhus År

(Statistikmyndigheten, 2020b). År 2019 byggdes drygt 10 000 småhus vilket således utgjorde 0,5 % av det totala småhusbeståndet (Statistikmyndigheten, 2020c). Åtgärder som är tillämpbara på de befintliga småhusen är därför mycket relevanta då det ger en påtaglig inverkan på

samhällets sammantagna energianvändning.

I Figur 2 visar underlag från Energimyndigheten (2019) att elvärme var den vanligaste

uppvärmningsmetoden för småhus 2018 och utgjorde ca 30 % av uppvärmningssätten. Figur 2 - Uppvärmningssätt i småhus 2018 . Det motsvarar ca 593 000 av småhusen. Det omfattar direktverkande elvärme i någon form exempelvis från luft-luftvärmepumpar eller vattenburen elvärme såsom från luft-vatten- och frånluftsvärmepumpar. Av uppvärmningssätten utgjorde

Enbart Berg/jord/sjövärmepump ca 14 % (motsvarande ca 276 000 småhus) och

Berg/jord/sjövärmepump i kombination med kakelugn, braskamin, pelletskamin, vedspis eller

öppen spis utgjorde ca 10 % (motsvarande 206 000 småhus).

Figur 2 - Uppvärmningssätt i småhus 2018 (Energimyndigheten, 2019)

Statistik från 2016 visar att det genomsnittliga småhuset använde 16 200 kWh/år för aktiv uppvärmning och varmvatten (Energimyndigheten, 2017). Av alla småhusen använde 1 127 000 (ca 50 %) värmepumpar av något slag. Hälften av värmepumparna var i sin tur någon typ av luftvärmepump.

I svenska väderförhållanden ligger fokus framförallt på att hålla energianvändningen nere under vinterhalvåret. Modern byggteknik möter energiprestandakraven genom att utgå från en hög byggnadsteknisk standard med ett välisolerat och tätt klimatskal. När det har implementerats väl leder det till att exempelvis en braskamin inte bara blir överflödig utan bidrar till ett alldeles för stort värmeöverskott. I ett sådant hus skulle den typen av uppvärmning inte fungera väl eftersom inomhustemperaturen ganska snabbt skulle bli för hög. Det obehagliga inomhusklimatet skulle ta udden av mysfaktorn helt enkelt.

Det går även att möta kraven genom att minska energianvändningen för uppvärmningen. Detta kan göras med hjälp av olika sorters värmepumpar som effektiviserar uppvärmningen. Med tanke på de låga temperaturer en svensk vinter medför, särskilt i norra Sverige, är bergvärmepumpar

den typ av värmepump som brukar ge störst årlig energibesparing

Energimyndigheten är värmeeffekten hög för berg- och sjövärmepumpar

(vätska-vatten-värmepumpar) även vid mycket kall utetemperatur, till skillnad från värmeeffekten från en luft-luft-värmepump eller luft-vatten-värmepump. En bergvärmepump har god förutsättning för att

täcka det totala värmebehovet för både aktiv uppvärmning och tappvarmvatten även vid riktigt låg utetemperatur utan att behöva komplement med elpatron (direktel). Figur 3 är en principfigur med exempel på rimliga temperaturer, och i detta exempel klarar bergvärmepumpen hela

värmebehovet utan elpatron ner till ca –15 °C. Även om energimyndighetens statistik ovan visar att förekomsten av någon typ av luftvärmepump är stor i Sverige så är det viktigt att ta i

beaktande att dessa har ett mycket högt effektbehov med en brant nedåtgående kurva under vintern jämfört med vätska-vatten-värmepumpar.

Figur 3 - Värmeeffekt för värmepumpar (Energimyndigheten, 2006)

Värmeåtervinning från FTX-system (från- och tilluftsventilation med värmeväxlare) är också ett intressant koncept som kan vara tillämpbart i en byggnad där den kontrollerade ventilationen utgör en stor andel av de totala specifika värmeförlusterna. FTX-system är dock betydligt vanligare i större byggnader än i småhus.

Flera studier har gjorts kring energibesparande åtgärder. Gustavsson och Joelsson (2007) studerar hur olika uppvärmningssystem kan förbättra svenska småhus och deras inverkan på koldioxidutsläppen ur ett nationellt perspektiv, med utgångspunkt från en kolbaserad

energiproduktion. De beräknar hur ett småhus byggt 1974 kan förbättras så att det blir mer energieffektivt genom att tillföra olika uppvärmningssystem och göra effektiviseringar i byggnadsskalet. De kommer fram till att valet av uppvärmningssystem är viktigare än förbättringar i klimatskalet för att minska energianvändningen. Genom att kombinera förbättringar i klimatskalet med installation av bergvärmepump och användning av el från BIG/CC (biomassa), minskade energianvändningen med 70% och koldioxidutsläppen med 95%. Detta gjordes utan ökade uppvärmningskostnader ur ett nationalekonomiskt perspektiv.

Joelsson och Gustavsson (2008) analyserar i ett senare arbete hur subventioner och nationella klimatmål kan påverka valet av energiförbättrande åtgärder och uppvärmningssystem. De kommer fram till att elskatten fungerar som en stark motivator till investeringar i

uppvärmningssystem som är i linje med de nationella klimatmålen och gör att energieffektiviseringar i klimatskalet blir mer lönsamma för husägaren.

Erlandsson et al. (1997) ser över hur en förbättring i klimatskalet är försvarbart ur ett

livscykelperspektiv. De kommer fram till att det kan vara lönsamt att renovera ytterväggar i äldre byggnader från ca 1930–1940. Renoveringen samt materialets miljöpåverkan vid produktionen är liten i förhållande till de fördelar de för med sig under sin livslängd. Framförallt är det gynnsamt att välja en tjockare isolering när en åtgärd väl implementeras då den genererar en liten

merkostnad.

Engelmark (2017) beskriver åtta åtgärder vid nybyggnation som kan resultera i energibesparingar samt väljer ut tre av dem som hon anser ger störst nytta för att bemöta då kommande

energiprestandakrav. Den första är en hög verkningsgrad på värmepumpen (COP 4). Den andra är låga U-värden på fönster och dörrar. Tredje åtgärden är låga U-värden i ytterväggar. Studien har använt sig av simuleringsprogrammet IDA ICE för att se vilka synergieffekter åtgärderna har på varandra. De åtgärder hon undersökt är högst tillämpbara och praktiska för småhustillverkare att implementera när de ska möta energiprestandakraven.

Underlaget ovan har lett till intresset att undersöka frågeställningarna i detta arbete samt valet av två installationstekniska energibesparande åtgärder i småhus: bergvärme och värmeväxlare i FTX-system. Det finns flera rapporter om energibesparande åtgärder på småhus, men det som utmärker detta arbete är att det jämför vilket specifikt resultat en åtgärd får beroende på om den installeras först eller sist. Litteraturstudien har fokuserat på hur väl de energieffektiva åtgärderna fungerar i praktiken samt belysa de testresultat och erfarenheter som finns. Lärdomar om i vilken utsträckning de energibesparande åtgärderna inverkar på energianvändningen kan underlätta planeringen i projekteringsskedet, så att småhuset som slutprodukt blir optimerat både ekonomiskt och energimässigt. För att sätta det nybyggda huset i perspektiv mot det befintliga småhusbeståndet görs även en jämförelse med installation i ett motsvarande småhus byggt strax före 1975.

1.2

Syfte

Syftet med arbetet är att undersöka hur uppvärmningen av småhus, med hjälp av en

bergvärmepump respektive värmeväxlare, kan förbättras till att bli så energieffektivt att det uppfyller energiprestandakravet för nära-nollenergibyggnader samt att belysa vilket specifikt resultat en åtgärd får när den installeras först eller sist. För att tillföra en dimension jämförs två småhus med mycket olika värmeförluster.

1.3

Frågeställningar

• Vilken energimässig besparing ger en installation av en bergvärmepump och/eller ett FTX-system i ett nytt småhus med ett tätt och energieffektivt klimatskal jämfört med ett äldre småhus byggt ca 1970?

• Vad blir resultatet specifikt för en viss åtgärd beroende på vilken åtgärd som genomförs först respektive sist?

• Hur förhåller sig de båda småhusen till energiprestandakravet för nära-nollenergibyggnader i sämsta respektive bästa kombination av åtgärder?

1.4

Avgränsning

Enplansvillor är inte optimala ur ett energihänseende, varken till fysisk form eller som bostadskoncept. Bostadstypen behöver oaktat detta adresseras då efterfrågan är stor på bostadsmarknaden. I detta arbete studeras ett nytt modernt småhus och ett befintligt äldre småhus. Som förebild för ett typiskt nytt småhus valdes prefabricerade Linnea 2.0 från Älvsbyhus. Det äldre småhuset antas ha samma geometriska storheter som det nya småhuset. Däremot tilldelas det i beräkningarna ett mycket sämre klimatskal motsvarande den tidstypiska standarden; U-värdena i byggnadsdelarna är sämre och luftläckningen är högre än i det nya småhuset. U-värdena beräknas i konstruktionsdelar som helhet och är inte baserade på enskilda element.

Arbetet fokuserar på nyttan av bergvärmepumpen och värmeväxlaren i ett FTX-system. Typen av värmeväxlare för beräkningarna är enbart motströmsvärmeväxlare. Många andra faktorer påverkar energianvändningen för ett hus, exempelvis kan brukarvanor ge avsevärda skillnader i utfallet, men de kommer inte att studeras i detalj.

Beräkningarna av småhusens energibalans under ett år görs månadsvis och det primära resultatet är energibehovet för aktiv uppvärmning. Beräkningarna är förenklade stationära beräkningar som först görs dygnsvis för mulna, halvklara och klara dagar i respektive månad, och sedan summeras till månadssummor. Inga specifika beräkningar görs av inverkan av termisk tröghet (värmelagring i material). Den månadsvisa beräkningen tar hänsyn till en mycket förenklad generell inverkan av termisk tröghet genom att alla tillskott av passiv värme kan utnyttjas till fullo under ett dygn, men inte under en längre period. Eftersom denna studie fokuserar på aktiv

uppvärmning kommer det inte att göras beräkningar för aktiv kyla under de sommarmånader som ett värmeöverskott uppstår. Det är ett arbete i sig själv då det ska tas hänsyn till kylbafflar, kondens, nattkylning osv. Istället antas att kraftig solavskärmning används.

Den ekonomiska aspekten undersöks inte i detalj då studien fokuserar på de installationstekniska och energimässiga aspekterna. Ekonomin styrs i hög grad av rådande energipris och

subventioner, vilka är föränderliga. Endast förenklade jämförelser för att tydliggöra skillnaden i lönsamheten av investeringarna och återbetalningstiden görs, utan löpande underhåll.

2

METOD

Examensarbetet grundar sig på månadsvisa beräkningar av energibehovet samt en

litteraturstudie av de energieffektiva installationstekniska åtgärderna värmeväxlare i FTX-system och bergvärme, där fokus har varit på praktiska erfarenheter i drift.

2.1

Disposition

Inledningsvis har en litteraturstudie gjorts för att inhämta information om praktiska erfarenheter kring de energibesparande åtgärderna såsom prestanda, livslängder, verklig energibesparing och eventuella störningar i funktionen. Den teoretiska energibesparingen kan ofta skilja sig från verkligheten då den är gjord under optimala förhållanden. Därför är oberoende tester, exempelvis från Energimyndigheten eller RISE, viktiga att ta hänsyn till vid ingångsvärden för beräkningar. Vad den aktuella studien skulle grunda sig på för sorts hus behövde fastställas.

Energiprestandakraven för nära-nollenergibyggnader gäller enbart nybyggnation eller påtaglig förnyelse (Boverket, 2020a). Därför var det av intresse att ta reda på vilket prefabricerat småhus som är mest populärt i Sverige. Genom byggforumet Byggahus identifierades Linnea 2.0 från Älvsbyhus som det mest populära småhuset (Byggahus Sverige, 2020). För att ha ett rimligt utgångsläge att jämföra med togs beslutet att basera ett nytt småhus på en förenklad version av det. Byggnadsdata och ritningar har sedan erhållits från tillverkaren (Bilaga 1). Med dess geometri och ingångsvärden har underlaget till beräkningarna av ett typiskt småhus kunnat göras.

Därefter har månadsvisa beräkningar genomförts. För att påvisa ytterligheter har ett nytt småhus jämförts med ett äldre småhus från ca 1970. Sedan beräknades hur två energibesparande åtgärder skulle kunna påverka de båda husen. När åtgärderna tillfördes i olika tidsordning uppstod olika grundförutsättningar för energibesparing. Detta tydliggjordes genom att namnge och numrera de olika husalternativen 1–8. Se Aktuell studie för närmare beskrivning.

Resultatet från beräkningarna sammanställdes i tabellform. Slutligen förtydligades och

synliggjordes samband och andelar med hjälp av diagram så att jämförelser kunde underlättas.

2.2

Litteraturstudie

Underlaget för beräkningarna är till största delen baserade på den undervisning inom byggfysik, installationsteknik och energieffektiva byggnader samt övrig litteratur inom ämnet byggteknik som funnits under studietiden på Mälardalens Högskola. Särskilt viktiga dokument i arbetet har varit studielitteraturen Enef Energy And Buildings 2018–19. (Öman, 2018) och Some Ways To

Save Energy (Öman, 2019a). Digital litteratur har i övrigt inhämtats från Google Scholar, Sciencedirect och sökmotorn Google med hjälp av sökorden: FTX aggregat, FTX erfarenheter, FTX installation, FTX pris, FTX ventilation, FTX, bergvärme kostnad, bergvärme

reparationsstatistik, bergvärme, bergvärmeinstallation, bergvärmepump, bergvärmepumpar fälttest, byggnaders energianvändning, energibesparing, energieffektivt, energihushållning,

energikrav, energiprestandakrav, indata för energiberäkningar, konsekvensutredning BBR 25, nybyggnation av småhus, nära-nollenergibyggnader, passivhus, plusenergihus, populära husmodeller, primärenergital, solvärme i borrhål, statistik bostäder, statistik småhus, termisk komfort, värmepump, värmeväxlare reparationsstatistik, bedrock heatpump, building energy, energy conservation, energy efficiency, energy efficient house, heating system och passive house.

2.3

Beräkningar

Ett övervägande gjordes kring valet om handberäkningar eller ett program såsom IDA Indoor Climate and Energy (IDA ICE) skulle användas. Handberäkningar med stöd av Microsoft Excel valdes för att få en större transparens, då de är lättare att återskapa till skillnad från beräkningar som görs i simuleringsprogram. Datorprogram kan ge mycket detaljerade beräkningar, men det kräver också lika detaljerade ingångsvärden (Öman, 2019b). Det är inte möjligt att veta exakt hur brukarens levnadsvanor kommer att påverka energianvändningen. Eftersom vanorna utgör den största osäkerheten är handberäkningar tillräckligt precisa för arbetets ändamål. Alla

beräkningar har gjorts i Excel, vilket gett stora möjligheter att påverka hela beräkningsgången med ändringar av enstaka ingångsvärden. Detta är även en svaghet då minsta indata eller beräkningsmiss förs över till alla beräkningar. För att minimera fel i beräkningsgången har en bekräftat fungerande beräkning duplicerats så att alla formler och kopplingar med cellreferenser följt med. Cellreferenser har använts uteslutande för att inte ha olika ingångsvärden på olika ställen samt för att kunna härleda varje beräkningsgång. När beräkningsgången var fastställd och kontrollerad låstes alla beräkningar så att dessa inte gick att påverka. Däremot möjliggjordes ändringar av varierande ingångsvärden, precis som det fungerar i beräkningsapplikationer. I de fall då ändringar ändå har behövt göras har kontroller gjorts för under- och överordnade celler för respektive beräkning. Alla resultat framställs slutligen i diagram och tabeller vilket är en mycket värdefull hjälp för att göra en rimlighetskontroll av slutresultatet.

Månadsvisa beräkningar av energibehov har gjorts för att ta fram hur stor den årliga energianvändningen för uppvärmning kan vara samt vilken inverkan de energibesparande åtgärderna har. Beräkningsmetoden är den samma som används i kursen Energieffektiva

byggnader vid Mälardalens högskola. För att ta reda på vilken energimässig besparing en

bergvärmepump ger jämfördes den med direktverkande el som ligger på andra sidan av det energieffektiva spektrumet. Vidare undersöktes vilken energimässig besparing en installation av ett FTX-system kan ge jämfört med ett mekaniskt frånluftssystem. På så vis kunde det tydliggöras om åtgärden är lämplig att införa baserat på de energibesparingar som den ger. För

beräkningsexempel, se 4.3 Månadsvisa beräkningar av energibehov, ett exempel från januari

månad. Det årliga uppvärmningsbehovet för respektive husalternativ användes sedan

tillsammans med andra faktorer som grund för att ta fram byggnadernas primärenergital (EPpet). Resultatet vägdes mot energiprestandakravet i BBR som trädde i kraft september 2020.

2.4

Jämförelse

När resultaten jämfördes i tabellform sida vid sida identifierades och rangordnades de mest fördelaktiga varianterna av energibesparingsåtgärder för respektive småhus. Om alla åtgärder inte skulle införas i ett skede behövde det tydliggöras hur stor skillnad enskilda tilläggsåtgärder i ett senare skede skulle innebära. En jämförelse av energibesparingarna från åtgärderna gjordes genom att byta tidsordning på införandet. Slutligen jämfördes primärenergitalen och hur stor marginal husalternativen har till energiprestandakravet för nära-nollenergibyggnader.

3

ÄMNESMÄSSIG REFERENSRAM

Under litteraturstudiens gång har en stor mängd studier samt rapporter funnits i ämnet vilka sammantaget kan ge en god insikt i hur byggbranschen kan bemöta Sveriges integrerade energi- och klimatplan samt de nya energiprestandakraven som ställs i BBR.

3.1

Energiprestandakrav

Arbetet jämför småhusens energiprestanda med kravet för nära-nollenergibyggnader för att kunna reflektera över hur väl åtgärderna fungerar eller om de är otillräckliga i praktiken. Kravet för energihushållning hämtas från Konsoliderad version av Boverkets byggregler BFS 2011:6

med ändringar till och med BFS 2020:4 (Boverket, 2020a). Det nyligen förändrade kravet för

energiprestanda, primärenergitalet EPpet, är satt till 95 kWh/(m² Atemp och år) för småhus 90<130

m² och började gälla 1 september 2020. Boverket sammanfattar kraven i BBR avsnitt 9 med ”…ett övergripande krav på energihushållning som innebär att byggnader ska vara utformade så att energianvändningen begränsas genom låga värmeförluster, lågt kylbehov, effektiv värme- och kylanvändning och effektiv elanvändning” (Boverket, 2020b). Det innebär att en byggnads totala energibalans, uppvärmningsbehovet vintertid såväl som kylbehovet sommartid, ska ses över redan i projekteringsskedet. Boverket skriver i Förslag till svensk tillämpning av nära

nollenergibyggnader (2015) att förslaget på energikrav är försiktigt ställt så att det inte hindrar

nyproduktionen av byggnader, men fortfarande driver på den energieffektiviserande utvecklingen.

Robert Öman (2019c) tar upp problematiken med att ange energianvändningen i kWh/m². En byggnad med hög energianvändning kan ge missvisande goda värden genom att

energianvändningen divideras med en större golvyta. Det kan i vissa fall bli omöjligt att uppfylla kraven, exempelvis då det byggs mycket utrymmeseffektivt (liten golvarea per person) som i ett studentboende. Det statistiska medelvärdet för svenska bostäder är på ca 44 kvadratmeter golvarea per person. I ett studentboende skulle fyra personer kunna inrymmas på en lika stor area vilket skulle vara mer utrymmeseffektivt, men det missgynnas i beräkningsmetoden. Det kan i sin tur uppmuntra hustillverkare att bygga en större golvarea än nödvändigt så att

förbrukningen kan spädas ut i beräkningsunderlaget och således uppfylla kraven enklare.

3.2

Energieffektiva åtgärder i stort

I Sverige håller moderna byggnader generellt sett en god standard då de är välisolerade till följd av behovet av energibesparingar under vintertid. Statistik från 1995 till 2018 visar att den totala temperaturkorrigerade energianvändningen för uppvärmning och tappvarmvatten har minskat med 28 procent per areaenhet för småhus (Energimyndigheten, 2020). Andelen fossila bränslen som nyttjats av samtliga fastighetstyper i form av direkt energianvändning har minskat från 20 % till 2 % under samma tidsperiod. Till viss del har dock energianvändningen för uppvärmning förskjutits till fjärrvärmeproduktionen, vilket i sin tur även innebär att nyttjandet av fossila

bränslen förskjutits då fjärrvärvärmen delvis utgörs av förbränning av olja och plaster.

Hushållsapparater och installationer har blivit effektivare, men mängden som används i hemmen har istället ökat vilket innebär att fastighets- och hushållselen brukas i lika stor utsträckning som förut. Sett till den totala energianvändningen utgör hushållselen en ansenlig och mycket viktig del som inte bör bortses från.

I Boverkets rapport från projektet BETSI 2010 har framtidens krav på nybyggnation och hela husbeståndet analyserats (Boverket, 2010). En av slutsatserna är att även om kraftigt höjda energieffektiviseringskrav ställs på alla nya byggnader som uppförs så är det fortfarande en liten del av det totala husbeståndet, vilket således inte räcker till som en enskild åtgärd för att kunna nå riksdagens delmål om en halvering av energianvändning till år 2050. Detta innebär i sin tur att de äldre husen också måste energieffektiviseras och större krav måste ställas på effektivisering av hushållsel och verksamhetsenergi. De nämner att de två huvudsakliga vägarna för

energieffektivisering i befintligt husbestånd är att antingen minimera behovet av energi till huset eller att effektivisera energitillförseln. För att minimera energibehovet anser de att

tilläggsisolering av klimatskalet samt att byta till fönster med lägre U-värde är viktigast. Ett exempel på att effektivisera energitillförseln är installation av en värmepump. De är också tydliga med att byggnadens förutsättningar är det som avgör vilken strategi som är lämplig i enskilt fall och att regelverken behöver spegla detta.

Kvarteret Neptun i Västerås blev nominerat till Årets Bygge 2019 och består av tre plusenergihus med målet att ha ett energiöverskott på 20 000 kWh per år (Byggindustrin, 2020). Projektet uppfyller kraven för Miljöbyggnad Guld och är väl genomtänkt då det väver samman de

vanligaste mest energieffektiva åtgärderna. För att begränsa energiförlusterna har byggnaderna ett tätt klimatskal. Uppvärmning sker med hjälp av bergvärme (från flertalet borrhål) vilket nyttjas i form av vattenburen golvvärme. Bergvärmen nyttjas även för värme eller kyla i FTX-systemet under vinter- respektive sommartid. Det finns en stor mängd solceller på taken. Energin som de genererar går i första hand till egenanvändning för att därefter sälja överskottet. Inga av åtgärderna är innovativa i sig själva, men sammantaget så samverkar de mycket väl. Det som däremot utmärker sig är att de även tillämpat en ny teknik kallad 3EFlow i en av byggnaderna. Det är en mycket ovanlig energibesparande åtgärd eftersom byggnaden inte har något system för varmvattencirkulation, VVC, som vanligtvis finns i nästan alla större byggnader. Genom att tömma kranvattenledningarna på varmvatten, istället för att hålla det återcirkulerande, kapas stora delar av energiförlusterna som annars finns i form av spillvärme. Vid ett studiebesök under hösten 2018 inom kursen Energieffektiva byggnader framkom att de många borrhålen endast var runt 75 meter djupa. En reflektion efter besöket var att risken finns att de

underdimensionerade djupet på borrhålen vilket kan visa sig vara ett kostsamt misstag längre fram. Eftersom husen ligger vid hamnen och tillgången till vatten i berget är stor behövs å andra sidan inte ett konventionellt borrdjup som annars kan ligga på 150–200 meter. Karlsson et al. (in press) skriver till E2B2 om Kvarteret Neptun i rapporten Utvärdering av nya

nettoplusenergibyggnader samt framtagande av en konsekvent definition. Projektet och

rapporten hann inte helt färdigställas under tiden för deras studie vilket medför att en mer fullständig uppföljning eventuellt kommer att ske i ett senare skede. Utfallet från deras rapport skulle vara användbar för att klargöra dimensioneringsbehovet enligt tidigare reflektioner samt utvärdera energibesparingen från 3Eflow-tekniken.

Blomsterberg och Ekström (2016) skriver om vilken potential som finns i att renovera om småhus till passivhusstandard. Rapporten undersöker fyra småhus byggda mellan åren 1961–1977. De implementerar nio teoretiska förändringar på dessa, men bortser från att renoveringskostnaderna kan bli mycket kostsamma: tak (tilläggsisoleras ner till U-värde 0,08 W/(m²∙K), fönster & dörrar (byts till U-värde 0,8 W/(m²∙K), betonggrund (tilläggsisolerar runt grunden efter bästa förmåga), ytterväggar (tilläggsisolera ner till U-värde 0,10 W/(m²∙K), förbättra lufttätheten till 0,3 l/(s∙m²) vid 50 Pa, Ventilation med FTX (konstant eller behovsstyrd), elektroniskt styrda termostater (minska förluster från 11 till 7 procent), effektivare cirkulationspumpar och behovsstyrd innetemperatur (18-21°C). Resultatet visar att renoveringarna kunde leda till att en energibesparing på 65–75 procent uppnåddes. Det fanns två områden som visade sig vara gränssättande. Det ena var att husens former och kompositioner inte var optimala i ett par av fallen. Det andra var att U-värdet i betonggrunden inte höll måttet på ett par av husen och det gick inte att justera tillräckligt i efterhand. Det gick inte att uppnå passivhusstandard på ett av de fyra husen på grund av husets fysiska begränsningar.

I Sigtunaprojektet jämförde Höglund et al. (1990) 39 småhus översiktligt utifrån all köpt energi. De tar upp hur stor skillnad det kan vara på brukarvanor. Typiska exempel på det är hur mycket varmvatten som nyttjas, hur ofta det vädras med öppna fönster och hur ofta den externt

ventilerade köksfläkten används. Projektet visade skillnader större än en faktor 2, mellan det hus med lägst brukarvanor och det med högst. För de 39 olika hushållen i 39 småhus med samma tekniska standard i samma område varierade total förbrukning av köpt energi (elenergi i detta fall) från 9 MWh/år till 19 MWh/år. När inverkan av både teknik och uteklimat kan uteslutas som i detta fall synliggörs ett mycket tydligt exempel på brukarvanornas betydelse i praktiken.De skriver även om stora skillnader i luftläckage under tryckprovstester i två hus som är

konstruerade på samma sätt, byggda under samma period med samma teknik och finns i samma geografiska område. Resultatet var att det ena husets luftläckning var ungefär dubbelt så stor som det andra utifrån tryckprovningen vid 50 Pa tryckskillnad. Detta påvisar hur viktig den

byggnadstekniska standarden är och hur stor skillnad det kan bli på hus uppförda på till synes samma sätt. Det kan bero på oaktsamhet eller skillnader i kvalitét på installerade byggnadsdelar.

3.3

Bergvärmesystemet

Uppvärmningen kan delas upp i tre kretslopp eller cykler: • Energibrunn

• Värmepump (vätska-vatten) • Värmedistributionssystem

3.3.1

Energibrunn och värmepump

Energibrunnen/borrhålet innehåller en kollektorslang med köldbärarvätska även kallad

brine. Björk et al. (2013) förklarar att köldbärarvätskan inte ska kunna frysa vid minusgrader och består därför av vatten och något frysskyddande ämne exempelvis etanol. Den svenska

berggrunden håller temperaturer mellan 2–10°C. När utgående köldbärarvätska lämnar värmepumpen cirkulerar den i energibrunnen där den plockar upp värmeenergi.

Temperaturdifferensen till den ingående köldbärarvätskan ligger vanligen på ca 2–4°C. Under vintern när berggrunden blir kallare blir det mycket viktigt att borrhålet är rätt dimensionerat, dvs tillräckligt djupt så att värmekällan täcker värmebehovet för aktiv uppvärmning och VV.

I värmepumpen är den vanligaste arbetscykeln förångningsprocessen där ett köldmedium

cirkulerar i en sluten krets. Ett köldmedium ska ha goda termodynamiska egenskaper och inte vara giftigt, korrosivt eller brandfarligt. Det ska inte heller förbises att välja ett köldmedium med hänsyn till miljön och vilken påverkan den har på atmosfären. Naturliga medier har blivit allt mer intressanta ur de perspektiven, bland annat propan och koldioxid. De termodynamiska

egenskaperna är avgörande för temperaturlyftet. I värmepumpen är det mest optimala ett litet temperaturlyft mellan förångare och kompressor för att få en hög verkningsgrad.

Vidare skriver Björk et al. Att när köldbärarvätskan lämnar energibrunnen och når förångaren med den tillförda värmeenergin trycks det förångade köldmediumet genom en kompressor och temperaturen på köldmediet ökar till en varierad grad beroende på hur effektiv kompressorn är och vilken typ av köldmedium som används. Det varma köldmediet når sedan en kondensor varpå värmen avges till en värmeväxlare som värmer vattnet i värmedistributionssystemets kretslopp. Köldmediet passerar sedan en expansionsventill varpå det kyls ner innan det slutligen återgår till förångaren. De viktigaste komponenterna i en bergvärmepump är därför

värmeväxlaren och kompressorn. Den vanligaste varianten i svenska villor är scrollkompressorn.

3.3.2

Värmefaktor, prestanda och livslängd

COP-värde, Coefficient of performance, är den värmefaktor som beskriver hur effektivt

värmepumpen jobbar. Värdet tas fram genom att dividera den nyttiggjorda värmeffekten med driveffekten som förbrukats.

Hur effektiv en pump är över året varierar med temperaturen. När det blir riktigt kallt kan det hända att energin inte räcker till varpå tillsatsvärme i form av elpatroner får användas för att komplettera energibehovet. Därför är det viktigt att ta hänsyn till årsvärmefaktorn, även kallat

SCOP-värde.

Vidare nämner Björk et al. (2013) sju åtgärder som påverkar värmepumpens prestanda och energibesparing:

• Arbeta med små temperaturdifferenser mellan förångare och kondensor • Kompressorer och elmotorer med hög verkningsgrad

• Låga temperaturlyft till distributionssystem • Avancerad styrutrustning som sparar energi

• Varvtalsstyrning på kompressorn så att den klarar hela effektbehovet (tillsatsenergi behövs ej) • God systemuppbyggnad ger lägre energibehov för hjälpapparater

• God kompetens och genomtänkta installationer

Enligt E. Olsson på Energimyndigheten (personlig kommunikation, 26 augusti, 2020) har start och stopp av värmepumpen tidigare ansetts vara ett problem då det möjligen påverkat

livslängden och/eller energieffektiviteten. Därför har de äldre rekommendationerna varit att underdimensionera värmepumpen till en effekttäckningsgrad på ca 50 % så att den har stått och

gått över tiden. Numera är de ofta varvtalsstyrda vilket kompenserar för den problematiken och möjliggör en dimensionering på upp till 100 % av effekttäckningsgraden. Effekttäckningsgraden är värmepumpens arbetskapacitet i förhållande till behovet vid dimensionerande utetemperatur. Även om bergvärmepumpar möjligen behöver lite hjälp under ett par av årets allra kallaste dagar så brukar de ha en god energitäckningsgrad vilket är värmepumpens förmåga att täcka

årsenergibehovet för aktiv uppvärmning och VV.

Radiatorsystem har oftast en högre framledningstemperatur än golvvärme. Ju mindre de är till ytan desto högre effektbehov. I äldre hus kan radiatorerna vara få och små vilket kompenserades med brännheta temperaturer. En radiator får inte utformas så att den kan bränna dem som vistas i dess närhet (Boverket, 2020a). I nyare hus dimensioneras radiatorer för drifttemperaturer i intervallet 35–55°C vilket även blir mer energieffektivt då en bergvärmepump kan arbeta med ett COP på ca 5,2 ner till 2,7 i samma intervall (Öman, 2019a). Golvvärme som

värmedistributionssystem ger i ideala fall en framledningstemperatur på 25°C eftersom det brukar en mycket större värmeavgivande yta än radiatorer. Det ger vanligtvis ett COP mellan 5 och upp till 6,6 med endast aktiv uppvärmning.

Bergvärmepumpar används för att ge värme både till byggnadens uppvärmningssystem och till tappvarmvattenberedning (Björk, et al., 2013). Det här motsvarar två olika driftfall för

värmepumpen, där den prioriterar att först värma tappvarmvattnet och sedan byggnaden. Normalt värms tappvarmvattnet med en betydligt lägre (sämre) värmefaktor, eftersom

värmepumpen värmer tappvarmvattnet till en så hög temperatur som drygt 55°C. En så kallad hetgasvärmeväxlare efter kompressorn är en speciell funktion för vissa värmepumpar som kan bidra till en något högre genomsnittlig värmefaktor genom att värmepumpen då delvis kan värma tappvarmvattnet samtidigt som driftfallet egentligen är byggnadens uppvärmningssystem (R. Öman, personlig kommunikation, 2020).

Livslängden på en bergvärmepump är ca 15–20 år medan kollektorslangar håller i över 50 år (Björk, et al., 2013). Borrhålet finns kvar i all överskådlig framtid. Den komponent som ger upp först har historiskt sett varit kompressorn.

3.3.3

Tester och erfarenheter

I ett stort fälttest av 20 bergvärmepumpar som SP (SP Sveriges tekniska forskningsinstitut, numera en del av RISE) gjort på uppdrag av Energimyndigheten (2013) påvisades stora skillnader i de olika bergvärmesystemen. Testet delades upp på två år varav även mätning av användningen av elpatroner ingick i rapporten för det andra året. Fördelen med testet var att man kunde se hur bergvärmepumparna fungerade efter att ha varit i drift i många år. Resultatet från testet visade att det skiljde mellan 48 och 70 procent i energibesparing för de olika hushållen, med ett snitt på 62 procent. Brukarvanor, såsom hur länge och hur ofta de boende duschade, påverkade mer än hur många de var i hushållet. Oftast utgjordes hushållen av två till fyra personer. Testet utgick från äldre bergvärmepumpar med ett sämre COP än moderna värmepumpar, snittet låg på ca 2,8–3,7 för radiatorer och 3,2–4,5 i golvvärme (SP, 2013). Under det andra året såg man att medeltäckningsgraden var 99 %, intervallet låg på 93–100% (SP, 2014). I rapporten dras

brukar innebära en energitäckningsgrad på ca 90 %. Därför behövde de inte heller bruka elpatroner särskilt mycket.

I en rapport från Folksam (2015) framkommer de typiska problemen för några vanliga

värmepumpar. Reparationskostnaderna brukar ligga på 8 500–14 800 kr i snitt beroende på typ av skada. Snittskadeåldern ligger på 6,4–7,5 år. De vanligaste skadorna för en vätska-vatten-värmepump är kompressorhaveri för CTC och NIBE, växelventil för IVT och cirkulationspump för

Thermia.

Folksams efterföljande rapport (2016) nämner hur svårt det kan vara för kunder att reparera äldre värmepumpar eftersom det vid kontroller framkommit att endast 10 % av fallen har fått en korrekt bedömning och kostnadskalkyl av reparatörer. De höga kostnadsförslagen beror bland annat på att det råder en brist på personal med rätt kompetens i branschen samtidigt som reservdelar ibland saknas på äldre modeller av värmepumpar. Reparatörer verkar ha en större tendens att vilja byta ut delar eller hela system istället för att reparera dem. Folksam tar upp hur stort antal trasiga enheter de behandlar, utan att i sin tur beskriva hur stor andel dessa enheter utgörs av. Exempelvis skulle det kunna finnas två trasiga enheter av ett märke och tjugo trasiga av ett annat varav marknadsandelarna för den sistnämnda är hundra gånger större, vilket kan ge en skev bild av enheternas tillförlitlighet och livslängd.

Erfarenheterna avseende hur man effektivast utnyttjar borrhål har lett till att borrhålsdjup på många ställen kunnat kraftigt minskas genom att bygga bostadsområden vattennära där bergvärmen håller en högre temperatur vid mindre borrdjup. Viktigt att ta i beaktande är

avståndet till andra borrhål och de regler som finns lokalt (Björk, et al., 2013). Snabba periodiska värmeuttag brukar inte vara ett problem, men i värsta fall kan flera andra närliggande borrhål (exempelvis under 20 m) redan ha ett högt värmeuttag som kan störa det egna årliga

värmeuttaget. En förutsättning för att kunna återladda energibrunnen med solvärme är att det sker vid relativt stillastående vatten i berget, men i de flesta fall är det inte så effektivt att utan kostar mest energi enligt Kjellsson et al. (2009). Återladdning kan vara intressant om

energibrunnen är underdimensionerad eller om det finns flera borrhål som ligger tätt inpå varandra.

Precis som att kylskåpets kompressor kan bullra så gör bergvärmepumpens kompressor det. Det kan vara en viktig aspekt att se över, särskilt när den ska placeras i en miljö där de boende rör sig till vardags likt badrum eller grovkök till skillnad från avlägsna miljöer såsom källarutrymmen. Nyare värmepumpar är oftast mer välisolerade och det kan då räcka att ha en dörr emellan. Den största källan av störande ljud i ett värmepumpssystem är scrollkompressorn (Hamberg & Nilsson, 2006). Ljuden kan föras vidare från kompressorn ut i radiatorkretsen.

Att byta från en värmepanna i källaren till en bergvärmepump är en god investering, men frånvaron av uppvärmning direkt från värmepannan i källaren måste beaktas (Green Match, 2014). Den nyinstallerade bergvärmepumpen alstrar minimal värme och installation av ytterligare radiatorer i källaren kan behövas för att undvika fuktproblem.

Att installera en bergvärmepump är en ansenlig investering. Kostnaden brukar hamna runt 150 000 kr för borrning, pump och installation av denna (Blom Westergren, 2017b). Det är generellt sett alltid lönsamt med en bergvärmepumpsinstallation, det stora som skiljer är på hur många år som investeringen har lönat sig. Det varierar beroende på hur stort uppvärmningsbehov

huset har, ju högre behov desto snabbare har investeringen lönat sig. Den kan ofta ha en avsevärd inverkan på årskostnaden för uppvärmning, särskilt i äldre sämre isolerade hus.

3.4

FTX-systemet

Ett FTX-system gör det möjligt att återvinna värme i frånluften samt ger stora möjligheter att kontrollera hur luften ska flöda (Warfvinge & Dahlbom, 2010). Det bidrar med en förmåga att skapa en inomhusmiljö med mycket god luftkvalitet och låga partikelhalter samtidigt som tillförseln kan göras dragfri. I ett småhus består FTX-systemet vanligen av uteluftsintag, spjäll, luftfilter, luftkanaler, luftvärmare, fläktar, värmeväxlare för värmeåtervinning och ljuddämpare. Den viktigaste komponenten är värmeväxlaren, men även fläktarnas effektivitet,

genomströmning genom intag, luftkanaler och spjäll samt fläktens förmåga att transportera luft är alla viktiga delar i ett välfungerande FTX-system.

3.4.1

Temperaturverkningsgrad, prestanda och livslängd

FTX-system använder inte begreppet COP likt bergvärmepumpar utan använder

temperatursverkningsgrad vilket Warfvinge och Dahlbom (2010) definierar som förhållandet

mellan temperaturändringen och den största temperaturskillnaden. De definierar även

energiverkningsgraden som ett mått på årlig återvunnen energimängd i förhållande till den

värme som hade behövts tillföras i ett värmebatteri om inte värmeåtervinningen hade funnits. Energiverkningsgraden är dock inte relevant för denna studie då det är

temperaturverkningsgraden som tar hänsyn till hela värmebalansen och som är relevant för kommande beräkningar.

Temperaturverkningsgraden är det som används för prestanda och beräkningar från fabrikanter och leverantörer (Nilsson & Olsson, 2014). Det är ett uppmätt värde på verkningsgraden som gjorts med +5°C uteluftstemperatur och +25°C frånluftstemperatur vid en relativ fuktighet på 27 %. Detta är problematiskt då det är en ytterst liten del av året som dessa förhållanden motsvarar det faktiska uteklimatet. Prestandan på värmeväxlaren försämras när utetemperaturen går över till kalla grader och den relativa fuktigheten ökar med tillhörande kondensering och frysrisk. För att möjliggöra och underlätta precisa energiberäkningar menar Nilsson och Olsson att det är viktigt med en gemensam branschstandard som definierar den verkliga energiverkningsgraden. För att bibehålla en god temperaturverkningsgrad krävs det att värmeväxlaren hålls frostfri så att den får en god värmeöverföring. Detta kan bland annat tillses genom de avfrostningsmetoder som presenterades i Tabell 1. Motströmsvärmeväxlare är särskilt känsliga för påfrostning i det ”kalla hörnet”, zonen där transmissionen sker mellan den mest avsvalnade och relativt fuktiga avluften och den inkommande samt kalla uteluften (Warfvinge & Dahlbom, 2010).

Temperaturverkningsgraden kan sjunka en hel del vid kall utetemperatur, upp till 20 % vid 1–3 mm frostbildning på de värmeöverförande ytorna, dvs lamellerna i en värmeväxlare (Kondepudi & O'Neal, 1989). I ett exempel från en tillverkare av värmeväxlare uppskattas att stoppavfrysning av plattvärmeväxlare kan behövas under ca 10–15 h/år i Mellansverige (REC Indovent AB, u.d.). När den återvunna värmen från frånluften inte räcker till för att hålla tilluften på en temperatur

kring 15–18°C används en luftvärmare för tillskottsvärme som vanligen består av vattenburna lamellrörsbatterier (Warfvinge & Dahlbom, 2010).

Livslängden på de olika delarna i ett FTX-system varierar beroende på vilken typ av värmeväxlare som installerats, hur den installerats och hur väl det löpande underhållet skett (Willis Towers Watson, 2020). Generellt sett håller själva värmeväxlaren i ca 20 år, fläktarna ca 15 år och sedan behöver ventilationssystemet i sin helhet justeras med ca 5 års intervall. Filterbyten bör ske ca två gånger om året, gärna före pollensäsong och innan uppvärmningssäsong (Svensk Ventilation, u.d.).

3.4.2

Värmeväxlare

Värmeväxlare finns i flera konstruktionsmässigt varierade utföranden som var och en har sina för- och nackdelar. För värmeåtervinning i ventilationssystem kan de delas in i tre vanliga

konstruktionstyper: plattvärmeväxlare, roterande värmeväxlare och vätskekopplade batterier. De finns presenterade i Tabell 1 nedan, fortsatta beräkningar kommer att använda

motströmsvärmeväxlare som grund då den är lämplig för småhus. Motströmsvärmeväxlare sticker ut från alternativen av värmeväxlare eftersom den har en mycket god

temperaturverkningsgrad, minimal risk för överföring av gaser, fukt och partiklar från frånluften samt inga rörliga delar som behöver underhåll.

Tabell 1 - Jämförelse av värmeväxlare (Warfvinge & Dahlbom, 2010; Lindsells, 2020)*)

Plattvärmeväxlare (korsströms) Plattvärmeväxlare (motströms) Roterande värmeväxlare Vätskekopplade batterier Temperaturverkningsgrad 50–60% 80–90%* <85% 50–55%

Tryckfall över värmeväxlare Högt (≳ 150 Pa) Högt (≳ 150 Pa) Lågt (≳ 100 Pa) Högt (≳ 200 Pa)

Risk för överföring av gaser, fukt och partiklar från frånluften

Minimal Minimal Liten Ingen

Rörliga delar Inga Inga Rotator Pump

Till- och frånluftskanaler måste till samma fläktrum

Ja Ja Ja Nej

Kan användas som kylåtervinnare på sommaren (vissa typer)

Ja Återvunnen värme kan användas i

valfritt system

Nej Nej Nej Ja

Frysrisk Från ca -6°C uteluft Från ca -6°C uteluft Liten Nej, då

frostskyddsmedel används. Däremot påfrostningsrisk

Avfrostningsmetoder By-pass alt. tilluft

stängs av eller blockeras partiellt/sekvensvis

By-pass alt. tilluft stängs av eller

blockeras partiellt/sekvensvis

Lägre varvtal, ger minimala avfrostningsförluster By-pass alt. cirkulationspump stoppas. Tråg för kondensvatten Kräver cirkulationspump för att

fungera (mer elförbrukning)

Ingångsvärden i Tabell 1 har hämtats från kurslitteraturen i installationsteknik Projektering av

VVS-installationer (Warfvinge & Dahlbom, 2010) med komplettering av vissa data för

plattvärmeväxlare (motströms) som hämtats från Lindsells (2020).

3.4.3

Tester och erfarenheter

Underhållet är viktigt för att luftkvalitén ska bibehållas, verkningsgraden ska hållas så effektiv som möjligt samt för att inte öka mängden buller/ljudnivå som kan orsakas av ökat fläktvarvtal. Underhållet är generellt sett det som åsidosätts mest när det gäller FTX-system i småhus. I ett examensarbete om FTX-system i passivhus av studenter från Örebro Universitet (Yukhin & Pettersson, 2009) framgår att huvuddelen av respondenterna gör underhåll av filter med längre intervall än rekommenderat av tillverkare och att merparten aldrig hade rengjort kanalerna. Även i en undersökning genomförd av Energimyndigheten (2014a) visar det sig att 10 % av brukarna aldrig bytt eller rengjort dess filter. Det fanns en stark korrelation mellan ett misskött underhåll och en upplevelse av sämre samt i vissa fall torr luftkvalitet. Var tredje respondent upplevde buller från ventilationsdon eller själva aggregatet.

Temperaturverkningsgraden på värmeväxlaren och systemet i sin helhet är mycket beroende av att underhållet sköts ordentligt; filter behöver bytas, kanaler rengöras från damm och fläktar hållas rena. Energimyndigheten (2014b) visar i ett test, med liknande Atemp och luftflöden som i detta arbete, att det är små skillnader mellan energibesparingarna som de olika testade

värmeväxlarna ger. Undantaget var ett av aggregaten som presterade sämre än de andra och endast var något bättre än aggregaten från 80-talet, vilka antas ha en temperaturverkningsgrad på 60–65 %. Däremot skiljer sig kostnader för filterbyte, framförallt då intervallen är olika

beroende på tillverkare. Det finns även skillnader mellan vilken typ av filter som används och hur grovmaskiga de är. FTX-systemet kräver mer driftsel än ett vanligt F-system då det har fler ingående elförsörjda komponenter (Warfvinge & Dahlbom, 2010). Det innebär en mer än dubbelt så stor energiåtgång då det finns två fläktar samt ett större tryckmotstånd när luften ska flöda genom aggregatet.

Nackdelarna som uppmärksammas mest av brukarna av ett FTX-system är att det kan förekomma höga ljudnivåer och luftdrag (Warfvinge & Dahlbom, 2010). Problemen med en bullrigare miljö vid rumsdon eller i närheten av fläktar och kanaler uppstår vanligen om fläktarna är inställda på för höga varvtal till följd av att kanalerna inte uppnår tillräckligt stora dimensioner för luftflödesbehovet och/eller att filtren inte har rengjorts med rätt intervall. Även typ av fläkt har en inverkan på ljudnivåerna.

Systemet kräver separata luftkanaler för till- och frånluft vilket är ganska skrymmande. Det underlättar att redan vid projekteringsskedet kunna ta höjd för utrymmesbehovet på ett smidigt sätt till skillnad från vid en efterinstallation då befintlig struktur kan upplevas försvårande eller otillräcklig.

Att nya passivhus har fått en allt mer förbättrad lufttäthet har enligt Svein Ruud på RISE

inneburit att inomhusluften fått en minskad uppblandning av torr utomhusluft vilket i sin tur har lett till att fuktproblem blivit vanligare i småhus med felbalanserade FTX-system (Granmar, 2019). I ett nybyggt passivhusområde identifierades fuktproblem i 20 % av lägenheterna. Detta

har senare härletts till att vara på grund av att den roterande värmeväxlaren återförde allt för mycket fukt vid värmeåtervinningen vilket ledde till att kondensvatten rann ner på fönsterbrädor och i köksskåp. Problemen med för höga fuktnivåer har även visat sig finnas på vindar där det är vanligt att både värmeväxlare och ventilationsrör monteras för att inte ta utrymme från boytan vid installation. Även om den relativa luftfuktigheten inte får bli för stor är det viktigt med lagom höga fuktnivåer för ett hälsosamt inomhusklimat. Styrsystemet ska injusteras av sakkunnig för att undvika fuktproblematik. Svein Ruud poängterar även att det är viktigt att undvika balanserade luftflöden och istället sätta frånluften till att ha ett 10 % högre luftflöde. På så vis tas även höjd för obalanser i trycket orsakade av eventuella mätfel eller igensatta filter.

3.5

Molnighet och solvärmeinläckning

Möjligheten att nyttja solinstrålningen varierar kraftigt under året i Skandinavien och den är i synnerhet låg under vintertid (Öman, 2014; R. Öman, personlig kommunikation, 2020). Det beror huvudsakligen på tre anledningar:

Den första är att dagtiden blir kortare under vintern. I höjd med Stockholm är dagsljuset framme ca 6 timmar en decemberdag medan en sommardag har ca 18 timmar dagsljus. Detta visas i Figur 4.