Energikartläggning & optimering av energisystem : En utredning gällande förbättringsåtgärder av centralkökets energisystem vid Västerås sjukhus

ENERGIKARTLÄGGNING &

OPTIMERING AV

ENERGISYSTEM

En utredning gällande förbättringsåtgärder av centralkökets

energisystem vid Västerås sjukhus.

ANNA NORGREN

TOM SALOVAARA

Akademin för ekonomi, samhälle och teknik Kurs: Examensarbete, Energiteknik

Kurskod: ERA206 Ämne: Energiteknik Högskolepoäng: 15 hp

Program: Högskoleingenjörsprogrammet i energiteknik, inriktning värmeteknik

Handledare: Lars Tallbom Examinator: Fredrik Wallin

Uppdragsgivare: Carl Gelius, Kadesjös ingenjörsbyrå. Henrik Brandt, Region Västmanland

Datum: 2020-06-08 E-post:

Ann17023@student.mdh.se

ABSTRACT

Methods for reduced energy consumption is a current subject due to ongoing climate changes and therefore a current matter in the global discussion. Policies and propositions are

developed on both a global and national level, in order to decrease the overall consumption. The global target which embraces the reduction in use of energy affects industries and

buildings to practice a more energy efficient usage, as well as developing efficient systems for heat recovery. This project investigates the potential in energy efficiency in a food

manufacturing facility who serves Västerås central hospital. The buildings use of energy is calculated as an active heat balance, including ventilation, transmission and unintended ventilation losses. The active heat balance is used as a reference where the percentual energy reduction followed by application of the energy efficient suggestions is calculated, hence, suggestions for energy efficient actions are presented. Energy efficient and economical

sustainable suggestions are developed along with the obtained information from visits on-site as well as through discussions with the operating manager. The suggestions contain

operation improvements, renovation and upgrades of technical devices. The main focus of the study addressed the buildings heat consumption in both cooled and heated areas. The suggestions were presented in terms of life cycle cost analysis to display whether the

improvement is economical sustainable. It is shown that if all of the suggested improvements are implemented, the reduced energy use for heating could be decreased by 24.5 %. The economic analysis shows that all suggested actions are more cost efficient than the current building and hence considered as profitable. Discussion regarding the proposed actions and the locally developed claim for energy efficient actions were reviewed. The discussion illustrates advantages and disadvantages regarding different kind of heat exchangers as well as how additional isolation in walls affects the buildings heat balance. In conclusion, the results of the suggested actions are discussed and however they are appropriate for the investigated facility.

Keywords: Energy efficiency, operating improvement, life cycle cost, heat recovery, excess

FÖRORD

Författarna vill tacka Kadesjös ingenjörsbyrå för handledning och tillgång till lokal och region Västmanland för ett intressant uppdrag. Ett stort tack riktas även till vår handledare Lars Tallbom för god hjälp under arbetets gång.

Västerås, juni 2020

SAMMANFATTNING

Minskad energiförbrukning och effektivisering av energisystem är ett centralt och aktuellt ämne i den globala miljödiskussionen. Propositioner, lagstiftningar och miljökrav utformas såväl på nationell och lokal nivå som global. Hållbarhetsfrågor och strängare krav präglar utvecklingen av energieffektiva lösningar för att minska energianvändningen i byggnader. I denna studie undersöks potentialen till energieffektivisering av ett storkök i anslutning till Västerås lasarett. En energikartläggning över byggnadens utförs genom att beräkna

byggnadens aktiva värmebalans och således energianvändningen för uppvärmning, vilken omfattar ventilation, transmission och ofrivilliga ventilationsförluster. Värmebalansen tas fram i syfte att bedöma energiflödenas omfattning, därmed kan eventuella brister i

klimatskalet och energisystemet identifieras. Den aktiva värmebalansen används därefter som referens för beräkning av den procentuella energibesparingen till följd av de

energieffektiviserande åtgärdsförslagen.

Det huvudsakliga fokusområdet har omfattat en minskning av byggnadens värmeenergiförbrukning, i både kylda och uppvärmda utrymmen. Förslag på

energieffektiviserande åtgärder tas således fram i syfte att sänka energianvändningen för uppvärmning. Metoden för framtagning av åtgärdsförslag omfattar en undersökning av förbättringspotentialen i byggnadens energisystem, samt via platsbesök i byggnaden och genomgång av verksamheten tillsammans med enhetschef och driftpersonal. Åtgärderna omfattar driftoptimering, ombyggnationer och byte av tekniska komponenter. Utöver energibesparingen till följd av åtgärderna redovisas även livscykelkostnaden för att bedöma huruvida de är ekonomiskt lönsamma eller ej.

Efter analys av tidigare studier där energieffektivisering av liknande verksamheter utförts, framgår att köksverksamheter medför en stor andel spillvärme. I studierna fastslås att utveckling av system för värmeåtervinning är en effektiv åtgärd, då denna kan användas internt för uppvärmning. Studien påvisar att energianvändningen för uppvärmning kan minska med 24,5 % vid tillämpning av samtliga åtgärdsförslag. Den ekonomiska analysen visar att samtliga presenterade slutförslag ger en lägre livscykelkostnad än i nuläget. Störst livscykelvinst fås vid slutförslaget där byte av värmeväxlare och temperatur och drifttider justeras. Avslutningsvis sker en diskussion kring de föreslagna åtgärderna, bland annat för- och nackdelar gällande olika typer av värmeväxlare och huruvida regionens lokalt uppsatta energimål är anpassade till den undersöka verksamheten.

Nyckelord: Energieffektivisering, driftoptimering, livscykelkostnad, värmeåtervinning,

INNEHÅLL

2.3 Litteraturstudie och referensobjekt ...4

2.4 Byggnadens värmebalans ...4

2.5 Beräkning av livscykelkostnad och lönsamhet ...6

2.6 Energieffektiviserande åtgärder ...6

LITTERATURSTUDIE ...6

3.1 Osäkra indata och noggrannhet ...6

3.2 Referensbyggnad - Nyköping lasarett...7

3.3 Tidigare forskning ...7

3.4 Värmeväxlare ...11

3.5 Reglermetoder för styrning av ventilation ...13

3.6 Temperaturreglering i utrymmen med kylbehov ...13

AKTUELL STUDIE ...14

4.3 Energibesparande åtgärder ...24

4.3.1 Livscykelkostnad och lönsamhet ...25

4.3.3 Åtgärd 2 - Byte av värmeväxlare på aggregat TA02 & TA04 ...27

4.3.4 Åtgärd 3 - Tilläggsisolering ytterväggar ...29

4.3.5 Åtgärd 4 - Justering av drifttider aggregat TA01, TA02 & TA03 ...29

4.3.6 Åtgärd 5 - Justerade temperaturer i utrymmen med kylbehov ...31

RESULTAT…. ...34

5.1 Värmebalans från nulägesanalys ...34

5.2 Aktiv roterande VVX TA05 (åtgärd 1) ...35

5.3 Byte av värmeväxlare i luftbehandlingsaggregat TA02 & TA04 (åtgärd 2) ...36

5.4 Tilläggsisolering ytterväggar (åtgärd 3) ...37

5.5 Justering av drifttider aggregat TA01, TA02 & TA03 (åtgärd 4)...38

5.6 Justerade temperaturer i utrymmen med kylbehov (åtgärd 5) ...40

5.7 Summering av resultat ...42

DISKUSSION...45

SLUTSATSER ...54

7.1 Slutsatser kopplat till frågeställningarna ...54

7.2 Övriga slutsatser ...54

FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE...55

REFERENSER ...56

BILAGA 1: ENERGIBERÄKNINGAR EXCEL ...59

FIGURFÖRTECKNING

Figur 1 - Arkitektritning över centralköket plan 1 (Carlstedt Arkitekter AB, 2005) ... 14

Figur 2 - Luftbehandlingsaggregat plan 1, huvudsakliga egenskaper ... 17

Figur 3 - Förenklad bild av ytterväggens uppbyggnad. ... 19

Figur 4 - Förenklad bild av ytterväggens uppbyggnad med tilläggsisolering ... 29

Figur 5 - Skiss över kyla nuläge åtgärd 5 ... 32

TABELLFÖRTECKNING

Tabell 2 - Kylcirkulationsaggregat egenskaper ... 16

Tabell 3 - Projekterade- och minikrav av luftflöden ... 17

Tabell 4 - Medeltemperatur utomhus uppvärmningssäsong Västerås ... 19

Tabell 5 - Resultat av U-värdesmetoden befintlig yttervägg ... 21

Tabell 6 - Egenskaper byggnadsdelarna ... 22

Tabell 7 – Drift och värmeeffektsförbrukning av luftbehandlingsaggregat i nuläget ... 23

Tabell 8 - Grundflöden och forcerade flöden över aggregat TA01 ... 23

Tabell 9 - Kalkylperioder för investeringsåtgärder ... 26

Tabell 10 - Aktuell effekt- och energiförbrukning luftbehandlingsaggregat TA05 ... 27

Tabell 11 - Effektförbrukning luftförvärmare luftbehandlingsaggregat TA02 & TA04... 27

Tabell 12 - Egenskaper & prisförslag FläktGroup värmeväxlare ... 28

Tabell 13 - Specifik- och total effektförbrukning TA01, TA02 & TA03 ... 30

Tabell 14 - Justerade drifttider aggregat plan ett ... 31

Tabell 15 - Luftomsättning i de undersökta rummen ... 33

Tabell 16 - Effekt- och kylenergibehov beräknat utifrån rummens kyleffektbehov enligt Formel 26 ... 33

Tabell 17 – Aktiv värmebalans resultat ... 34

Tabell 18 - Resultat av jämförelse, värmebalans ... 35

Tabell 19 - Effektförbrukning med VVX luftbehandlingsaggregat TA05 för tre olika innetemperaturer. ... 35

Tabell 20 - Jämförelse med och utan fungerande värmeväxlare aggregat TA05 ... 35

Tabell 21 - Effekt och energibehov per år aggregat TA05 ... 36

Tabell 22 - Resultat plattvärmeväxlare för TA02 ... 36

Tabell 23 - Resultat plattvärmeväxlare för TA04 ... 36

Tabell 24 - Resultat livscykelkostnad för åtgärd 2 ... 37

Tabell 25 - Total energiförbrukning ventilation, åtgärd 2... 37

Tabell 26 - Resultat tilläggsisolering yttervägg ... 37

Tabell 27 - Energiförluster med och utan tilläggsisolering byggnad ... 38

Tabell 29 - Resultat driftfaktor d ... 39

Tabell 30 - Effektminskning i aggregat ... 39

Tabell 31 - procentuell effektminskning resultat av justerade drifttider ... 39

Tabell 32 - Resultat över total energianvändning samtliga ventilationsaggregat ... 39

Tabell 33 - Ekonomiska följder av åtgärd 4 ... 40

Tabell 34 - Resultat effekt- och kylenergibehov... 40

Tabell 35 - Differens av åtgärd 5 resultat och nuläge ... 41

Tabell 36 - Procentuella resultat av åtgärd 5 ... 41

Tabell 37 – Resultat av totala fjärrkylebehovet. ... 41

Tabell 38 - Summering av energibesparing ... 42

Tabell 39 – Summering av energianvändning per kvadratmeteryta bruksarea ... 42

Tabell 40 – Minskad årlig respektive kostnad av åtgärdernas energibesparing ... 43

Tabell 41 – Slutförslag 1 tillämpning samtliga åtgärder ... 43

Tabell 42 - Resultat sammanslagna gratisåtgärder ... 44

Tabell 43 - LCC slutförslag 2 ... 44

Tabell 44 - Resultat tillämpning alla åtgärder utom åtgärd 3... 45

Tabell 45 - Resultat kostnader Slutförslag 3 ... 45

FORMELFÖRTECKNING

Formel 2 - Byggnadens aktiva värmebalans ... 5

Formel 3 - Ventilationsförluster ... 5

Formel 4 – Temperaturverkningsgrad ... 12

Formel 5 – Samband för beräkning av gradtimmar ...18

Formel 6 – Beräkning av värmegenomgångskoefficient enligt U-värdesmetoden ... 20

Formel 7 - Värmemotstånd ... 20

Formel 8 – Värmekonduktivitet medelvärde ... 20

Formel 9 - Beräkning av värmemotstånd ... 20

Formel 10 - Beräkning av värmegenomgångskoefficient ... 20

Formel 11 - Medelvärde av värmemotstånd ... 21

Formel 12 - Sammanvägt U-värde utifrån u -och lambdavärdesmetoden... 21

Formel 13 - Effektbehov transmission ... 21

Formel 14 - Energibehov transmission... 21

Formel 15 – Effektbehov ventilation med tidsfaktor ... 22

Formel 16 – Formel för specifikt effektbehov ... 22

Formel 17 – Beräkning av återvinningstemperatur med temperaturåtervinning ... 22

Formel 18 – Flödesdifferens TA01 grund- och forcerat flöde ... 23

Formel 19 - Läckageflöde ... 24

Formel 20 - Specifik läckageförlust för oavsiktlig ventilation ... 24

Formel 22 - Beräkning av total livscykelkostnad ... 25

Formel 23 - Beräkning av kostnad för energianvändning ... 25

Formel 24 - Nusummefaktor... 26

Formel 25 – Luftomsättningar per timme ... 32

Formel 26 – Kyleffektbehov ... 33

Formel 27 – Kylenergibehov ... 33

BETECKNINGAR

Beteckning Beskrivning Enhet

Cp Specifik värmekapacitet [kJ/kg, K]

n Kalkylperiod [år]

P Effekt [W]

Pt Effektförlust via transmission [W] Pv Effektförlust via ventilation [W] Pov Effektförlust via oavsiktlig ventilation [W] Ps Värme genererad från solinstrålning [W] Pi Värme internt genererad [W] Pw Värme genererad från värmesystemet [W] Pw Värme genererad från värmesystemet [W] Qv Specifik effekt [W/°C] R Värmemotstånd [m2_{, K/W]} U Värmegenomgångskoefficient [W/m2_{, K]}

ρ Densitet [kg/m3_]

FÖRKORTNINGAR

Förkortning Beskrivning

Atemp Yta som värms över 10 °C invändigt BBR Boverkets byggregler

BRA Bruksarea

CAV Constant Air Volume.

LCC Life Cycle Cost, livscykelkostnad VAV Variable Air Volume

TA Tilluftsaggregat, tilluftsbehandlingsaggregat U-värde Värmegenomgångskoefficient

VVX Värmeväxlare

DEFINITIONER

Definition Beskrivning

Frånluft Den luft som förs ut från en lokal eller rum. Indexdon Den punkt i ett ventilationssystem som har högst

tryckfall från aggregatfläkt till don.

Kalkylperiod Ekonomisk livslängd, perioden då investeringen är ekonomiskt lönsam (Hansson, Olander, & Persson, 2008).

Kalkylränta Alternativkostnaden för kapital (Hansson, Olander, & Persson, 2008).

Nusummefaktor Faktor för beräkning av nuvärde av kostnad.

Restvärde Investeringens ekonomiska värde efter kalkylperioden. Tilluft Den luft som tillförs en lokal eller ett rum.

Uteluft Luft som tas utanför klimatskalen från lokalen eller rummet och sedan tillförs luftaggregat.

INLEDNING

I takt med att globala och nationella miljömål tas fram, där det utöver visionen om fossilfri energiproduktion även ställs krav på minskad energianvändning och energieffektivisering av byggnader och system. Undersökningsobjektet i studien har tillhandahållits av region

Västmanland, där ett storkök vid centrallasarettet i Västerås undersöks gällande dess

energianvändning och potential för tillämpning av energieffektiviserande åtgärder. Förslagen på energibesparande åtgärder kommer i denna undersökning primärt omfatta besparing av värmeenergiförbrukning, enligt önskemål från byggnadens tekniska förvaltare. I byggnaden finns ett flertal rum med kylbehov och kylinstallationer, därför kommer även undersökning ske kring möjligheten till minskning av kylenergianvändningen i dessa utrymmen.

Åtgärderna presenteras ur ett energieffektivt- och ekonomiskt perspektiv. Slutligen redovisas ett samlat åtgärdsförslag för byggnaden.

1.1

Bakgrund

Region Västmanland har utformat en hållbarhetsstrategi vilken ligger till grund för det arbetssätt som tagits fram för att främja hållbar utveckling (Region Västmanland, u.å). Regionens energimål för år 2030 är att den totala uppmätta energiförbrukningen för

vårdlokaler och övriga byggnader maximalt ska vara 175 kWh/m2 _{bruksarea, BRA (Rindetoft} & Andersson, 2016). Energihandlingsplanen innehåller även planer och mål om en

solcellpark i Västmanland för att minska mängden köpt verksamhetsel. Bakgrunden till denna strategi är framtagen i enlighet med regeringens handlingsplan Agenda 2030 (Regerinskansliet, 2018). Den totala energianvändningen för värme av den undersökta byggnaden 2019 var 228,7 kWh/m2_{. Denna studie bidrar i sin tur till en hållbar utveckling i} enlighet med regeringens och regionens mål genom att utvärdera effektivitet i de ingående systemen hos byggnader. Tidigare utförda studier inom området innefattar förbättringar av byggnadens klimatskal, byte till energisnål armatur samt applicering av behovsstyrd

energianvändning, exempelvis rörelsestyrd belysning. Chavoshi och Carlsson (2009) undersökte i deras studie en sjukhuslokal i Göteborg, där energieffektivisering utfördes genom byte av belysning, apparatur samt förbättring av byggnadens klimatskal. I denna studie kommer åtgärder för energieffektivisering tas fram med avseende på byggnadens energisystem, där alternativa lösningar till systemens utformning, driftlösning,

återvinningsmetoder samt mindre förbättringar av klimatskalen kommer att undersökas. Information om klimatskalets karaktäristik är nödvändig för beräkning av byggnadens värmebalans samt för förbättringar av klimatskalet.

Enligt Warfvinge och Dahlbom (2010) kan en byggnadslokal med elkrävande utrustning som laboratioriematerial förbruka 800 kWh/m2 _{Atemp i total energianvändning. Motsvarande} värde för ett flerfamiljshus som är byggt under 1990-talet är 150 kWh/m2 _{Atemp och ett}

modernare passivhus förbrukar cirka 70 kWh/m2 _{Atemp. Warfvinge och Dahlbom (2010)} påvisar således att en byggnads energianvändning till stor del beror på dess verksamhet, men även att byggandens konstruktion påverkar energianvändningen.

1.2

Problembeskrivning

Formuleringen av studiens problemområde utgörs av den tekniska förvaltarens synpunkter kring byggnadens energianvändning för uppvärmning, som anses vara hög och vill utreda detta vidare. Regionens riktlinjer omfattar krav på energianvändningen för sjukhusets byggnader och lokaler som i dagsläget inte uppnås, där värdet för total uppmätt

energiförbrukning enligt krav ska vara 175 kWh/m2 _{BRA till år 2030 (Region Västmanland,} u.å).

1.3

Syfte

Syftet med studien är att genomföra en undersökning av byggnadens energisystem, för att bedöma huruvida systemet har brister eller är obalanserat. Om brister upptäcks tas åtgärdsförslag fram och presenteras ur ett energieffektivt och ekonomiskt perspektiv.

1.4

Frågeställningar

• Vilka åtgärder är mest lönsamma, ur ekonomiskt och energieffektivt perspektiv? • Bör det mest ekonomiskt lönsamma eller det mest energieffektiva åtgärdsförslaget

väljas?

• Finns det uppenbara brister i byggnadens utformning och reglering av energisystem samt vilka för- och nackdelar finns med de nuvarande lösningarna?

1.5

Avgränsning

Alternativet att riva byggnaden och utföra en nybyggnation undersöks inte. I de åtgärder som görs beskrivs eventuella ytterligare avgränsningar för de specifika åtgärderna. I

energibalansen tas inte tappvarmvattenanvändningen med i beräkning, då den anses försumbar sett till byggnadens verksamhet. Snittförbrukningen av tappvarmvatten i kontorshus är enligt Svebys rekommendationer för nybyggnad 2 kWh/m2_{, Atemp, vilket} motsvarar mindre än en procent i ökad energianvändning av värmeenergi (Levin, 2016). Ekonomisk kalkyl omfattar de ekonomiska metoderna och kunskaperna som getts under utbildningen. Besparingen av elenergi till följd de åtgärder som presenteras undersöks ej och ingår således inte i beräkningarna.

METOD

Metoden för genomförandet av studien inleds med att en nulägesanalys för byggnaden utformas. Studien bygger till stor del på sekundära data som i största möjliga utsträckning verifieras vid platsbesök, där även kompletterande information kan erhållas. På grund av tidsbegränsning och rådande pandemi medföljer dock en begränsad möjlighet till

datainsamling och mätningar på plats. Byggnadens sekundära data anses vara tillräckligt övergripande och därför bedöms att begränsningen av att utföra egna mätningar inte påverkar studiens resultat. Platsbesök genomförs huvudsakligen i syfte att få en helhetsbild av byggnaden, samt för att studera systemets fysiska utformning och praktiska funktion. Detta medför även att erhållna data bättre kan visualiseras och analyseras. Även tydliga brister i byggnaden och i dess system kan upptäckas vid platsbesök.

Utifrån nulägesanalysen görs en energikartläggning och således kan energieffektiva åtgärder tas fram med hänsyn till kommunens energikrav. Möjligheter till att utföra egna mätningar är kraftigt begränast vilket kommer att påverka noggrannheten i resultaten. Nulägesanalysen utformas även i syfte för att avgöra vilka krav den studerade byggnaden i dagsläget uppfyller.

2.1

Omvärldsanalys

Motiveringen till valet av energieffektiviserande åtgärder kan styrkas genom att referera till tidigare studier och projekt inom energieffektivisering. Åtgärderna tas fram i syfte att minska byggnadens energianvändning, vilket dessutom uppfyller lokalt och globalt uppsatta

energimål. Region Västmanlands framtagna energihandlingsplan har tagits fram för att till år 2030 sänka energianvändningen i verksamhetens byggnader. Kraven som tagits fram för energianvändningen används som referensvärden i beräkningar av åtgärdsförslagens omfattning för att nå kraven. I litteraturstudien undersöks relaterade studier som berör energieffektivisering av liknande verksamheter internationellt.

2.2

Datainsamling

Indata över årlig energiförbrukning för olika energiflöden i byggnaden tillhandahålls från regionens tekniska förvaltare. Möjligheterna till att utföra egna mätningar i byggnaden är kraftigt begränsade på grund av högt ställda hygienkrav till följd av rådande pandemi. Beräkningar gällande byggnadens värmebalans och luftflöde bygger därför på data enligt schablonvärden för den aktuella och liknande verksamheter.

Information om aktuella drifttider för byggnadens ventilation- och uppvärmningssystem erhålls från besök i driftcentral. Även nuvarande tilluftstemperaturer från samtliga ventilationsaggregat erhålls från driftcentralen.

2.3

Litteraturstudie och referensobjekt

En analys av tidigare studier där liknande verksamheter genomgått

energieffektiviseringsprocess genomförs. För att bedöma förbättringspotentialen i byggnaden och vad åtgärderna bör tillföra är det relevant att jämföra liknande verksamheters

energiförbrukning och systemuppbyggnad med den aktuella byggnaden. Bland annat undersöks ett produktionskök i Nyköping där systemlösningar, drifttänk och komponentval jämförs. Litteraturstudien utförs även för att utvärdera resultat av

energieffektiviseringsåtgärder i byggnader, framtagna i tidigare studier. Utifrån litteraturstudien kan alternativa lösningar tas fram för byggnadens system och

komponentval. Bedömning av de nuvarande systemlösningarnas funktionalitet kan utföras med kompletterande stöd från litteraturstudien.

Utformningen av litteraturstudien omfattar relevanta förstudier, vetenskapliga artiklar och rapporter som berör och omfattar de områden kopplade till föreslagna åtgärder. Sökområdet omfattas främst av energieffektivisering men även ämnen kopplade till detta, så som

energieffektiva tekniska komponenter och systemlösningar. I studien undersöks primärt åtgärder för besparing av värmeenergi, därför undersöks material gällande energieffektiva val av komponenter i luftbehandlingsaggregat så som värmeväxlare, i litteraturstudien.

Relevant innehåll i materialet identifieras och analyseras, vilket således leder till att förslag på energieffektiviserande åtgärder kan tas fram. För att motivera varför de

energieffektiviserande åtgärdsförslagen som tas fram anses lämpade undersöks för- och nackdelar med dessa.

2.4

Byggnadens värmebalans

För att kartlägga och bedöma byggnadens energianvändning för uppvärmning beräknas byggnadens värmeeffektbehov och således dess värmebalans. Det aktiva effektbehovet

omfattar de sammanlagda effektförlusterna från ventilation, transmission och luftläckage. De sammanlagda förlusterna motsvarar den effekt som behöver tillföras för att värma

byggnaden enligt önskad innetemperatur, alltså byggnadens aktiva effektbehov. I värmebalansen har aktiv effekt från solinstrålning, internt generad värme samt

värmesystemets värmetillskott inte undersökts. Detta är de tre primära faktorer som bidrar till passiv uppvärmning, exkluderas dessa faktorer ut värmebalansen fås byggnadens aktiva uppvärmningsbehov (Adalberth & Wahlström, 2009).

Formel 1 - Byggnadens värmebalans inklusive passivt värmetillskott

𝑃𝑣+ 𝑃𝑜𝑣+ 𝑃𝑡 = 𝑃𝑠+ 𝑃𝑖+ 𝑃𝑤

Formel 2 - Byggnadens aktiva värmebalans

𝑃𝑊= 𝑃𝑣+ 𝑃𝑜𝑣+ 𝑃𝑡

Där Pw står för den totala effekten, Pv effektförluster för ventilation, Pov effekten för oavsiktlig ventilation och Pt för effektförluster av transmission.

2.4.1

Byggnadens energianvändning

Byggnadens energianvändning beräknas utifrån värmebalansen och jämförs med erhållet värde för energianvändning enligt sekundära indata. Vid beräkning av byggnadens

energianvändning i nuläget antas att värmeåtervinning sker i luftbehandlingsaggregat TA05, detta beskrivs vidare i kapitel 4.3.2.

2.4.2

Beräkning av transmissionsförluster

Transmissionsförluster innebär den värmeförlust som går genom byggnadens klimatskal ut till uteluften. För att beräkna byggnadens totala transmissionsförlust summeras förlusterna för respektive byggnadsdel, tak, väggar, fönster samt platta på mark. Vid beräkningen av transmissionsförluster och kartläggning av byggnadens klimatskal, används dokumentation gällande byggnadens konstruktion, erhållen från bygghandlingar och planritningar.

Detaljerad uppbyggnad av byggnadens konstruktion har i viss utsträckning saknats. Antaganden har gjorts för byggnader uppförda under samma tidsperiod och diskussioner med drifttekniker har gett rimliga bedömningar av konstruktionens uppbyggnad.

Respektive byggnadsdels uppbyggnad och materialegenskaper undersöks för att beräkna på dess U-värde. U-värdet är den effekt som transporteras ur väggen per kvadratmeter och Kelvin. I beräkningarna av ytterväggarnas U-värde har detta beräknats enligt både lambda- och U-värdesmetoden, där sedan medelvärdet av de två värdena används. Transmissionerna beräknas sedan i både effekt- och energiförlust.

2.4.3

Ventilationsförluster

Effektförlusterna från ventilation med värmeåtervinning, Pv beräknas enligt Formel 3.

Formel 3 - Ventilationsförluster

𝑃𝑣= 𝑄𝑣∗ (𝑇𝑖𝑛𝑛𝑒− 𝑇å ) [𝑊]

Där 𝑄𝑣 är den specifika effektförlusten i enheten W/°C, 𝑇𝑖𝑛𝑛𝑒 inomhustemperaturen samt 𝑇å

är återvinningstemperaturen, båda i enhet °C.

Ventilationssystemet är av typ FTX, vilket innebär att värmen i frånluften återvinns, därför används återvinningstemperaturen i beräkningarna av effektförluster via ventilation. Faktorn d är en driftfaktor som beskriver aggregatens drifttid, där drift dygnet runt innebär ett värde på 1.

2.4.4

Beräkning av oavsiktlig ventilation

Oavsiktlig ventilation och luftläckage uppstår i byggnader i olika omfattning. Vid beräkning där ventilationen i en byggnad är balanserad, används schablonvärdet 0,04 l/s m² för FTX-system (Elmroth, 2015). Detta värde valdes även att användas i beräkningarna för den studerade byggnaden i studien. För att beräkna den oavsiktliga ventilationen 𝑃_𝑜𝑣 beräknas alla ytor som angränsar mot uteluft samt läckageflödet 𝑞𝑜𝑣.

2.5

Beräkning av livscykelkostnad och lönsamhet

För att bedöma hur kostnadseffektiva de energieffektiviserande åtgärderna är används en ekonomisk modell, Life Cycle Cost (LCC), vilken omfattar den totala kostnaden under ett objekts livscykel (Hansson, Olander, & Persson, 2008). I åtgärdsförslagen presenteras energibesparingen och livscykelkostnaden för respektive åtgärd. För att beräkna

investeringskostnader för respektive åtgärd används uppskattade kostnader för material, arbetskostnader och utförande.

2.6

Energieffektiviserande åtgärder

För att sänka energianvändningen tas förslag energieffektiviserande åtgärder fram. Dessa presenteras utifrån energibesparingspotential och lönsamhet. Livscykelkostnad beräknas för samtliga åtgärder som omfattas av en investeringskostnad samt tillkommande kostnader som installationer eller byggställningar. De mest lönsamma och energieffektiva åtgärderna som undersökts i studien presenteras i ett slutgiltigt åtgärdsförslag.

LITTERATURSTUDIE

Här utvärderas relevant information från tidigare studier och litteratur gällande ämnen kopplade till de föreslagna energieffektiviserande åtgärderna. Även redogörelse av tekniska samband presenteras i de fall det bedöms vara nödvändigt.

3.1

Osäkra indata och noggrannhet

Det är svårt att bedöma noggrannheten i energiberäkningar för en byggnad där inte mätningar kan utföras. Det är nödvändigt att kompletteras sekundära data med egna mätningar för att få ett mindre osäkert resultat.

Sveby är en branschstandard som står för att standardisera och verifiera energiprestanda för byggnader. Sveby anordnande en tävling där syftet bland annat var att analysera variationer av resultaten beroende på beräkningsgång samt användarnas metod (Snygg & Levin, 2011). Tävlingen gick ut på att beräkna en verklig byggnads energiförbrukning i två steg.

Energiberäkningarna utfördes i två moment, varav det första utgick från typiska indata vid projektering. I det andra momentet, som kan liknas till förutsättningarna för detta arbete, fick deltagarna tillgång till ytterligare information om fastigheten samt vissa uppmätta indata tillhandahållet. Skillnaden av resultaten för tävlingen för steg två varierade mellan 70 till 113 kWh/m2 _{Atemp. Variationen i resultaten vid beräkning av energianvändning i det första} momentet var större än vid det andra. Detta påvisar att resultaten i arbeten där fullständig tillgång till uppmätta data saknas inte heller kan redovisas med hög noggrannhet. Snygg & Levin (2011) styrker detta i sin rapport när de nämner att man inte kan räkna med ett bättre resultat än 10 % felmarginal utan att ha tillgång till uppmätta data att anpassa sina

beräkningar med.

3.2

Referensbyggnad - Nyköping lasarett

Ombyggnaden av Nyköpings lasaretts storkök slutfördes under slutet av år 2019 där likheter med den undersökta byggnaden i studien finns. Drift- och systemlösningar i denna byggnad kan därför undersökas och tillämpas i den undersökta byggnaden om förutsättningar finns. Uppvärmning av byggnaden sker via fjärrvärme och komfort- samt verksamhetskyla tillförs via kylmaskiner. Vid beredning av mat används metoden Cook and Chill, där mat snabbt kyls efter tillagning enligt särskilda tid- och temperaturbegränsningar.

Ventilationssystemet är av typ FTX och omfattar tre luftbehandlingsaggregat. I luftbehandlingsaggregatet LB1 som betjänar köksutrymmen, återvinns värmen via

vätskekopplade värmeväxlare med en temperaturverkningsgrad på 73,8 %. Aggregatet är av fabrikat Fläktwoods eQ-090 och värmeåtervinningssystemet av modell Econet.

Luftbehandlingsaggregatet LB2 som betjänar städ och omklädningsrum är av fabrikat Fläktwoods eQ Prime-032 där värmeåtervinning sker via roterande värmeväxlare med en temperaturverkningsgrad på 85,2 %. Drifttiderna för båda aggregaten är måndag till fredag mellan klockan 06–18.

Luftbehandlingsaggregatet LB3 som betjänar matsal och konferenslokaler är av fabrikat Fläktwoods, eQ Prime-050. Detta aggregat har en roterande värmeväxlare med 84,2 % temperaturverkningsgrad. Aggregatet är i drift måndag till fredag mellan klockan 07–18. Utanför drifttider antas flödet vid luftväxling vara enligt minimikrav för samtliga aggregat.

3.3

Tidigare forskning

I storkök och liknande verksamheter där mat tillagas yrkesmässigt är energiförbrukningen och såldes energianvändningen hög i jämförelse med andra verksamheter. Stora

ventilationsflöden krävs för att ventilera matos, ånga och överskottsvärme från

matberedning, samt energikrävande installationer, så som köksapparater, kyl- och frysskåp, ugnar och stekbord.

3.3.1

Energieffektivisering av restaurangverksamheter i Sverige

Energieffektiviserande åtgärder för storkök och liknande verksamheter omfattar sällan förbättringar av byggnadens klimatskal eller byte av uppvärmningssystem. Störst potential för energibesparing i storkök återfinns istället vid kartläggning av energisystemets

uppbyggnad och åtgärderna omfattar förbättringar av detta. I tidigare studier av Lindahl, Rolfsman, & Lidbom (2017); Larsson & Rolfsman (2014); Barr, Pettersson, Rolfsman, & Sund (2010) har således föreslagna energieffektiviserande åtgärder tagits fram utifrån en

utvärdering av byggnadens energisystem, då det utöver en högre energiförbrukning även finns skillnader i utformningen av energisystemet jämfört med andra verksamhetslokaler. För att sänka energianvändningen i storkök bör kökets energisystem undersökas separat enligt Lindahl et al. (2017). I rapporten presenteras ett antal energibesparande åtgärder för ett restaurangkök på IKEA och en snabbmatsrestaurang hos Max Hamburgerrestauranger. Den mest effektiva åtgärden omfattade en ombyggnad av kylsystemet till kylrummen, där kompressorerna i kylaggregaten byttes ut till varvtalsstyrda och kylsystemet byggdes om till ett gemensamt system där färre kompressorer behövdes. Detta innebar en energibesparing på 40 MWh/år och 36% av elen till kylsystemet. Alternativet där kyl- och fryssystemet byggs om till ett gemensamt med nya varvtalsstyrda kompressorer, eller installation av extern frekvensstyrning av fryskompressorerna ger tillsammans besparing av elförbrukning till kylsystemet på 35% (Lindahl, Rolfsman, & Lidbom, 2017).

Lindahl et al. (2017) föreslår även i sin studie en åtgärd där drifttiderna för 8 olika köksapparater justerades. En minskad drifttid om 30 min/dygn för samtliga 8 apparater medförde en elenergibesparing på 14 580 kWh/år. Justerade drifttider kan appliceras i flera system och komponenter, bland annat för luftbehandlingsaggregat där justerade drifttider medför en besparing av både elenergi och värmeenergi. I rapporten dras slutsatsen att tillvägagångsättet vid energieffektivisering är att identifiera de mest energikrävande

komponenterna och systemen. Detta medför främst en besparing av elenergi, men kan även omfatta besparing av värmeenergi beroende på byggnadens uppvärmningssystem (Lindahl, Rolfsman, & Lidbom, 2017).

Kylsystemet i storkök som betjänar kyl- och frysrum samt kyl- och frysskåp betjänas oftast av kylaggregat, medan komfortkyla i ventilationssystemet är anslutet till fjärrkyla eller liknande. I en studie av Larsson et al. (2014) där energieffektivisering av storkök utförs, undersöktes värme- och kylsystemen närmre. Där fastställs att kylsystemen i storkök medför en hög energiförbrukning, kyl- och frysinstallationer förbrukar mellan 25–40% av kökets totala energiförbrukning (Larsson & Rolfsman, 2014).

Gemensamt för studierna av Barr et al. (2010) och Larsson och Rolfsman (2014) där energieffektivisering av storkök sker, är att potentialen i värmeåtervinning från

till energieffektivisering i denna typ av verksamhet är att återvinna värmeenergi från spillvärme inom köken, bland annat för uppvärmning av tappvarmvatten och

luftförvärmning i ventilationssystem. I studierna tas således energieffektiviserande åtgärder fram genom att identifiera möjligheterna för värmeväxling mellan olika energiflöden i kök, vilket därmed kan minska energianvändningen och driftkostnader. Larsson och Rolfsman (2014) menar att delar av kyl- och/eller värmebehov täckas internt genom att återvinna värmeenergi från köksinstallationer och spillvärme från avloppsvatten. Installation av system som möjliggör värmeväxling mellan olika energiflöden så som återvinning av värme från kyl- och fryssystem via kondensorer och kan användas för uppvärmning av tappvarmvatten och lokaler (Larsson & Rolfsman, 2014).

Barr et al. (2010) belyser att storkök är i jämförelse till andra lokaler en unik verksamhet på så sätt att köksverksamheten medför stora mängder spillvärme från beredning av mat, effektkrävande kyl- och fryssystem och diskmaskiner. I rapporten fastställs även att kyl- och frysskåp bör mätas som enskilda objekt för att bedöma potential för effektivisering och återvinning av värme. I denna studie har energistatistik från 10 storkök undersökts och utvärderats. De energieffektiviserande åtgärderna som presenteras i studien omfattar värmeåtervinning från kyl- och fryssystem, avlopp, ventilation. Tidsstyrning av utrustning och engagemang från personal är också exempel på åtgärder för minskad energianvändning. Energisnåla köksapparater bidrar till sänkt energiförbrukning, men anses inte vara en

lönsam åtgärd att byta ut innan dessa går sönder (Barr, Pettersson, Rolfsman, & Sund, 2010). Sammanfattningsvis kan slutsatsen utifrån utvärdering av studier av tidigare utförda

energieffektiviseringar i storkök relaterade ovan, beskrivas som att värme bör och ofta kan återvinnas i stor utsträckning.

3.3.2

Internationella projekt

I Storbritannien drivs utvecklingen av värmeåtervinningssystem framåt enligt lagstiftning som togs fram efter Climate Change Act 2008, där krav på minskade koldioxidutsläpp är en bidragande faktor till att utvecklingen är nödvändig. Detta beskrivs i en studie av Onyango, McGeough, & Obonyo (2012) där potentialen av att återvinna spillvärme och använda denna internt belyses, vilket även framgår i tidigare nämnda studier.

I studien nämner Onyango et al. (2012) tre möjligheter till energieffektivisering av

restaurangverksamheter, vilka omfattar tekniska förbättringar, förändrat brukarbeteende och ändrad policy. Onyango et al. (2012) menar att spillvärme kan återvinnas genom att komplettera befintliga komponenter eller helt byta ut dessa till mer energieffektiva enheter. I studien utvärderas värmeåtervinningspotentialen i fem olika restaurangverksamheter i Belfast, genom att temperaturen i mynningen till frånluftskåporna över stekborden mättes. En värmeväxlare beräknades vara placerad i anslutning till kåporna där värmen i frånluften används till uppvärmning av tappvarmvatten. I tre av fallen var temperaturen över 41°C, vilket uppfyller den brittiska motsvarigheten till livsmedelsverkets temperaturkrav på vatten som ska användas för diskning i kommersiella kök. I de två andra fallen var temperaturen

strax under 41°C men bedömdes vara tillräckligt hög för att användas till uppvärmning av varmvatten, med stöd av en elektrisk värmare.

Undersökningen av värmeåtervinningspotentialen i studien visar att i snitt 540 W kan

utvinnas från spillvärmen med installation av ett sådant system. Kostnadsbesparingen bidrar till en årlig minskning av kostnader för uppvärmning av tappvarmvatten till 290 pund. Restaurangerna i undersökningen var relativt små för att underlätta mätningar men författarna menar att denna typ av värmeåtervinningssystem kan appliceras i större verksamheter med större frånluftskåpor (Onyango, McGeough, & Obonyo, 2012).

3.3.3

Brukarbeteende i storkök

En byggnad med låg energiförbrukning kräver en väl konstruerad byggnad och installationer, men också energismart brukarbeteende. Sandh och Dahlgren (2015) undersöker i sin rapport möjligheter till minskad energianvädning i storkök genom en energieffektiv användning av köket, utöver bra energitekniska lösningar och system i byggnaden. Denna rapport är en del av ett delprojket där brukarbeteenden i storkök undersöks. Det undersökta storköket i denna rapport är Hovåsskolans i Göteborg, Sandh och Dahlgren (2015) identifierade flera

arbetsmoment som kökspersonal kan utföra på ett mer energieffektivt sätt. Exempel på observationer är hur värmeskåp och diskmaskiner både sätts igång tidigare och stängs av senare än nödvändigt. Ytterliggare en observation som belystes var att en halverad drifttid på spiskåpor med frånluft, som inte påverkar verksamheten i köket under den avlsagna tiden, sparar 2200 kWh el och 14 000 kWh värme per år (Sandh & Dahlgren, 2015). I rapporten föreslås tekniska lösningar i form av timerstyrda värmeskåp och automatiserade

spolningsystem i diskmaskiner, vilket är lösningar som underlättar för ett energieffektivt arbetssätt. Tillämpning av samtliga åtgärdsförslag som föreslås av Sandh & Dahlgren i rapporten skulle medföra en 12 % mindre årlig energianvädning i det undersökta storköket. I en annan rapport, inom samma delprojektet, undersöktes brukarbeteendendet vid

Brunnsboskolan i Göteborg, där den årliga energianvädningen minskade med 2,2 %

(Wihlborg & Dahlgren, 2015). I en tredje rapport undersöktes Sahlgrenska sjukhuset, där den årliga energianvädningen kunde minska med 0,8 % vid tillämpning (Dahlgren & Wihlborg, 2015).

3.3.4

Ombyggnation av storkök Sahlgrenska sjukhus

I samband med ombyggnation av Sahlgrenska sjukhuset togs ett mål fram där

energianvändningen i storköket skulle minska med 25 % (Dahlgren & Sandh, 2017). Efter ombyggnationen rekommenderas bland annat utökad återvinning av spillvärme samt mer energieffektiv återvinning av värme från kökskyla för värmning av tappvarmvatten. Dahlgren och Sandh (2017) visar i sin rapport att tappvarmvattnets energiförbrukning kan minskas med 52 % om åtgärdsförslagen tillämpas. Ett annat åtgärdsförslag presenteras i rapporten behandlar höjd temperaturverkningsgraden för befintliga värmeväxlare samt ett nytt styr- och reglersystem för luftflöden. I förslaget uppmanas ventilationen regleras behovsstyrt på

två av luftaggregaten. Åtgärden där en höjd verkningsgrad på värmeväxlare i kombination med en helt behovsstyrd ventilation på två av aggregaten beräknas bespara 360 000 kWh per år, varav ventilationsstyrningen står för 90 000 kWh enligt Dahlgren & Sandh (2017). I resultaten visar Dahlgren & Sandh (2017) att Salhgrenska sjukhus kan sänka sin

varmvattenförbrukning från 184 kWh/m2 _{till 88 kWh/m}2 _{genom att införa en återvinning av} spillvärme från kylproduktion samt införa en höjd temperaturverkningsgrad på de två

tidigare nämnda ventilationsaggregaten. Författarna till rapporten påpekar även på vikten av att ha en god bild av verksamheten och de ingående maskinerna innan energieffektiviserande åtgärder tas fram.

3.4

Värmeväxlare

I byggnadens luftbehandlingsaggregat sker värmeåtervinning via roterande -och

vätskekopplade värmeväxlare. En roterande värmeväxlare består av ett roterande hjul där den inkommande uteluften blandas med värmen av frånluften genom upphettning av korrugerad plåt, i syfte att förvärma uteluftens (Warfvinge & Dahlbom, 2009). Detta medför att mindre effekt behöver tillföras batterierna för att antingen värma eller kyla tilluften. En roterande värmeväxlare har en relativt hög verkningsgrad, den når upptill 85 % (Warfvinge & Dahlbom, 2009). En nackdel med roterande värmeväxlare är att smuts och partiklar i

frånluften riskerar att blandas med den rena tilluften.

I motströmskopplade plattvärmeväxlare blandas inte den kalla och det varma luftmediet vid värmeöverföringen. Här strömmar istället den varma och den kalla luften emot varandra, men avskiljs av ett material med hög värmekonduktivitet, vanligtvis metallplåt.

Motströmskopplade värmeväxlare har en verkningsgrad runt 60–70 % (Forslund & Forslund, 2016).

I vätskekopplade värmeväxlare sker värmeöverföring via ett vätskemedium mellan ett värme- och kylbatteri, som är kopplade via till respektive frånluften i aggregatet. Mediet cirkuleras med en cirkulationspump och överför värmeenergi från den varma frånluften till den kallare tilluften. Denna typ av värmeväxlare benämns även batterivärmeväxlare (Warfvinge & Dahlbom, 2009). I vätskekopplade värmeväxlare är risken för läckage liten, vilket minimerar risk för spridning av smutsig luft till tilluften. En nackdel med vätskekopplade värmeväxlare är ett relativt högt tryckfall på luftsidan, där luften värms genom värmeöverföring. De är även i behov av en cirkulationspump för att pumpa runt vatten i systemet. Vätskekopplade

värmeväxlare har en verkningsgrad som uppnår 65 % (Energirådgivningen, 2019).

3.4.1

Verkningsgrader och tryckfall över luftbehandlingsaggregat

Sambandet mellan ökat tryckfall till följd av smutsbildning och dess påverkan av temperaturverkningsgraden är viktigt vid bedömning av passande värmeväxlare i luftbehandlingsaggregat.

Temperaturverkningsgraden baseras på till- från- och uteluftens temperatur enligt Formel 4 (Warfvinge & Dahlbom, 2009).

Formel 4 – Temperaturverkningsgrad

𝜂_{𝑡𝑖𝑙𝑙𝑢𝑓𝑡} = (𝑇𝑡𝑖𝑙𝑙− 𝑇𝑢𝑡𝑒) (𝑇𝑓𝑟å𝑛− 𝑇𝑢𝑡𝑒)

[%]

I ett luftbehandlingsaggregat med värmeåtervinning krävs fläktar för att föra bort frånluften från lokalen den betjänar. I aggregatet finns även en tilluftsfläkt, där trycket på tilluften höjs för att bibehålla önskat luftflöde i hela systemet fram till indexdonet. Hamid, Johansson och Bagge (2018) visar att smutsbildning i en värmeväxlare har en negativ påverkan på

temperaturverkningsgraden till följd av ökat tryckfall. En tryckfallsökning av 20 Pa på grund av smuts i värmeväxlare medför 7,9 % försämrad temperaturverkningsgrad (Hamid,

Johansson, & Bagge, 2018). En hög verkningsgrad i en värmeväxlare kan också medföra en höjd risk för isbildning, framförallt i kallare utomhusklimat (Flawn Orpana, 2015).

Avfrostning av värmeväxlare kan ske med flera olika metoder exempelvis genom att stänga av tilluftsfläkten temporärt och låta frånluftens värme smälta den is som bildats (Flawn Orpana, 2015). Alltså kan en dåligt vald typ av värmeväxlare medföra en sämre

temperaturverkningsgrad i form av temporära stopp för avfrostning och rengöring samt genom höjda tryckfall till följd av smuts i växlaren.

3.4.2

Valet av vätskekopplad värmeväxlare

Det är relevant att undersöka varför både storköket i Nyköpings- och Västerås lasarett har valt att ha vätskekopplad värmeåtervinning i luftbehandlingsaggregaten som betjänar köken. Valet av vätskekopplad värmeåtervinning antas ha gjorts för att eliminera risk för

luktspridning och för att underlätta under rengöring (Termens, 2016). Det finns inga regler eller krav på att vätskekopplad värmeåtervinning ska användas i verksamheter där livsmedel hanteras och tillagas. Det är dock i regel inte fördelaktigt att använda roterande värmeväxlare i verksamheter med stor mängd smutsig luft, på grund av risken för spridning av den

smutsiga luften/lukt till andra delar i byggnaden.

Temperaturverkningsgraden i vätskekopplade värmeväxlare/batterivärmeväxlare är lägre i jämförelse med roterande– och plattvärmeväxlare (Warfvinge & Dahlbom, 2009). Däremot är installation av vätskekopplade värmeväxlare flexibel och värmeväxlingen kan ske utanför fläktrummet eller användas för att återvinna värmeenergi vid separerade till- och

frånluftsaggregat. Vätskekopplade värmeväxlare har även eliminerat möjligheten för läckage av luft mellan till- och frånluften (Filiplson & Lars, 2018). En plattvärmeväxlare är ofta mer platskrävande än en vätskekopplad värmeväxlare då värmeväxlingen sker i aggregaten men har i regel en högre verkningsgrad än vätskekopplade enligt Warfvinge & Dahlbom (2009). Tryckfallet är även högre i samma jämförelse, vilket således innebär större eleffekt för att driva fläkten (Termens, 2016).

3.5

Reglermetoder för styrning av ventilation

Reglering av ventilationssystem innebär att luftflöden kan höjas eller sänkas efter behov. Denna luftflödesändring kan vara lokalt i rum eller över hela aggregat beroende på metod. Ett system som håller ett konstant flöde benämns CAV-system (Constant Air Volume) och system med variabelt luftflöde benämns VAV-system (Variable Air Volume).

Ventilationssystem med variabelt luftflöde förekommer ofta i industrier, skolor och kontor (Hesaraki & Holmberg, 2015). Inom VAV-system kan olika reglermetoder tillämpas, däribland tidsstyrning där luftflödet regleras enligt inställd tid. En annan styrmetod är forcering av ventilation, även kallad On-off reglering vilket innebär att till- och frånluftsflödet ökas temporärt, ofta med en timer. Denna reglermetod används ofta lokalt i tillexempel konferensrum (Warfvinge & Dahlbom, 2009).

Andra styrmetoder är CO2-styrning, rumstemperatur och luftfuktighet. Ett varierat luftflöde medför möjlighet till energibesparing till följd av att fläktarnas effektbehov stundvis minskar, däremot kan VAV system på grund av tekniken vara mindre driftsäkra än ett CAV-system som generellt är driftsäkra (Warfvinge & Dahlbom, 2009). Hesaraki och Holmberg (2015) visar i en vetenskaplig publikation att den totala energibesparingen från fläktarbete och uppvärmning av luft minskade med 16 % vid ett reducerat luftflöde över åtta timmar då ingen vistades i den undersökta byggnaden.

3.6

Temperaturreglering i utrymmen med kylbehov

Centralköket i Västerås förbrukar kylenergi för att hålla matvaror kylda både före och efter matlagning. Vid upprättning av en byggnad med kylinstallationer bör lågt kylbehov

eftersträvas redan i projekteringsfasen. Kylbehovet kan minskas genom att undvika interna värmelaster och genom att montera markiser för solavskärmning (Warfvinge & Dahlbom, 2009). I flera av utrymmena med kylbehov i centralköket i Västerås kyls tilluften med kylbatterier för att nå önskad innetemperatur. Eftersom kylbehovet är stort har ibland flera kylbatterier seriekopplats i ventilationssystemet. Kylbatterier kyler luften genom en kall vätska i rör som ventilationsluften strömmar över och därmed sänks temperaturen. Hur man kyler köldmediet som strömmar i rören kan gå till på olika sätt, exempelvis genom

AKTUELL STUDIE

Studieobjektet är en byggnad i anslutning till Västerås sjukhus. Byggnaden består av ett centralkök samt kontorsutrymmen och har en total yta på 2443 m2_{. Ventilationssystemet är} av typ FTX och sex stycken luftbehandlingsaggregat betjänar de olika delarna av byggnaden. Byggnadens energianvändning beräknas genom att med energitekniska beräkningar utföra en värmebalans. Värmebalansen analyseras för att identifiera eventuella avvikelser och brister där energibesparande åtgärder kan vara nödvändiga. De erhållna data som ligger till grund för energibalansen innefattar information och dokumentation i form av

flödesscheman, driftinformation, förbrukningsstatistik samt beskrivningar av systemets tekniska komponenter. Vid beräkning av transmissionsförluster krävs uppgifter om byggnadens konstruktion och material, vilka även hämtas ur byggnadens dokumentation. Energieffektiviseringen kommer primärt att omfatta en analys av byggnaden med fokus på uppvärmningssystemen. Byggnaden uppfördes mellan år 2005–2007 och är därmed relativt nybyggd, vilket innebär att väldokumenterade data för energiförsörjning och material från projekteringen av VVS-system finns att tillgå.

Figur 1 - Arkitektritning över centralköket plan 1 (Carlstedt Arkitekter AB, 2005)

4.1.1

Energiförsörjning och förbrukning

Uppvärmningen av byggnaden sker via fjärrvärme. Fjärrvärme är anslutet till radiatorer, batterier för luftförvärmning i aggregat samt tappvarmvatten. Köket innehar stora stekbord,

kokgrytor och diskmaskiner med eluppvärmt diskvatten, vilket bidrar till en stor del av elanvändningen i byggnaden. I beräkningen av energianvändningen har indata över årlig snittförbrukning mellan år 2016–2018 används. Förbrukningsstatistiken år 2019 ingår inte i beräkningen, då statistiken från detta år anses vara osäker enligt den tekniska förvaltaren. Detta på grund av eventuella mätfel samt det faktum att den roterande värmeväxlaren i luftbehandlingsaggregat TA05 varit ur drift delar av året. Respektive års energiförbrukning sammanställs i Tabell 1, exklusive statistik från 2019.

Tabell 1 - Byggandes totala energiförsörjning

År 2016 2017 2018 El Fastighet 1 [MWh] 372,3 320,6 352,7 Fjärrkyla [MWh] 83,8 73,3 137,0 El Fastighet 2 [MWh] 1009,4 1042,1 1076,2 Fjärrvärme [MWh] 591,1 551,9 568,9 Totalt [MWh] 2056,6 1987,9 2134,9 Total förbrukning [KWh/m2_{] 841,8 813,7 873,9}

Beräkningarna bygger på statistik över tillhandahållen årsförbrukning. Tim- eller dygnsdata över förbrukningen kan tillföra mer exakta resultat vid datorberäkning eller med simulering. Denna studies syfte är att sänka energianvändningen i byggnaden därför har

energikartläggningen valts att beräknas på årsförbrukning. Årsförbrukningen fungerar som ett referensvärde där åtgärdernas resultat sker relativt mot den beräknade

energikartläggning och därför kommer resultaten anpassa sig efter byggnadens verkliga energianvändning.

Den årliga energiförbrukningen uppgår till 2059 MWh/år och 843,14 kWh/m2 _i

snittförbrukning under åren 2016–2018. Fjärrvärmeförbrukningen, som står för den största delen av uppvärmningskostnaderna, har under samma tidsperiod i snitt beräknats till 571 MWh per år och energianvändningen till 233,6 kWh/m2_{. Den årliga snittförbrukningen av} fjärrkyla beräknades till 98 024 kWh, vilket motsvarar en energianvändning på 40,1 kWh/m2_.

Dessa framtagna värden över energiförbrukning och energianvändning jämförs senare med beräknade värden för byggnadens aktiva värmebalans.

4.1.2

Kylsystem

Fjärrkyla finns installerat i byggnaden, vilken förser ventilationssystemets kylbatterier samt tilluftsanslutna kylbafflar i kontor, pausrum och konferens. Hantering av mat sker enligt metoden Cook and Chill, vilket innebär att mat kyls ner direkt efter tillagning för att

bibehålla god kvalité. Verksamhetens installationer som frysskåp, kylmaskiner i kylrum och blastchillers för snabbnedkylning av mat kyls via kylaggregat med köldmedium R404A.

Dessa betjänas av TA05 där luftkylaren i aggregatet kyler tilluften till 15°C. Ett externt kylbatteri är placerat i anslutning till skalrummet, där den kylda luften från aggregatet kyls ytterligare till 12°C. Tilluftskanalen har ett extra kylbatteri anslutet som kyler tilluften ytterligare, från 15 till 12°C. Cirkulationskylaggregat finns installerat i två rum, packning och receptur, där kyls tilluften i respektive rum från 12 till 6°C via cirkulationskylaggregatens kylbatterier. De externa kylbatterierna på förgreningskanalen antas vara placerat för att minska effektåtgången för cirkulationsaggregatens kylbatterier. Kylbatterierna som kyler luften i cirkulationsaggregaten är vätskeburna med 35 % etylenglykol. Den dimensionerande innetemperaturen i byggnaden är 24 °C i alla utrymmen utöver rummen med kylbehov. I utrymmen med kylbehov har istället den utgående tilluftstemperaturen den temperatur som bygganden är inställd på idag använts.

Temperaturen i packningen och recepturen hålls i dagsläget konstant. Batterierna efter aggregatets kylbatteri är i drift dygnet runt och kyler tilluften till 12°C respektive 6°C i cirkulationskylaggregatens batterier. I Tabell 2 beskrivs de relevanta egenskaper för kylcirkulationsaggregaten ur kyl- och ventilationsberäkningar för studien.

Tabell 2 - Kylcirkulationsaggregat egenskaper

Kylcirkulationsaggregat CKA01 – Betjänar

packning/dukning receptur/förberedning CKA02 – Betjänar

Luftflöde [l/s] 2100 700 Effekt luftkylare [kW] 17,1 5,4 Lufttemp in/ut [°C] 12,0/5,4 12,0/5,7 Vattentemperatur, in/ut [°C] 2,0/4,1 2,0/4,1 Vattenflöde [l/s] 2,3 0,7

4.2

Nulägesanalys och energikartläggning

Aggregaten betjänar byggnaden enligt Figur 2 nedan. Aggregat TA06 är inte tillagt i figuren då detta aggregat inte undersöks i studien.

Figur 2 - Luftbehandlingsaggregat plan 1, huvudsakliga egenskaper

En beräkning för av byggandens luftflöden gjordes och jämfördes mot minimikrav för att bedöma om ventilationssystemet är över- eller underdimensionerat. En flödesberäkning för luftbehandlingsaggregat TA01, TA03 och TA06 utfördes enligt minimikrav för luftomväxling i respektive rum (Enberg, 2015). Det saknas i viss utsträckning dokumentation över

minimikrav för luftflöden för vissa typer av utrymmen, därför har beräkning av flödesbalans skett för aggregat som betjänar utrymmen med kända minimikrav. För rum där osäkerhet kring minimikrav uppstått antas krav för luftomväxling för rum med liknande verksamhet. Vid utvärdering av de projekterade luftflödena med kompletterad jämförelse mot

minimikraven fastställdes att byggnadens projekterade luftflöden är något höga i samtliga aggregat. Luftflödena anses däremot inte vara överdimensionerande då differensen mellan minimiflödet och det projekterade flödet är relativt liten. Differensen kan ses i Tabell 3.

Tabell 3 - Projekterade- och minikrav av luftflöden

Luftaggregat TA01 TA03 TA06

Projekterat flöde [l/s] 795 3900 780 Minimiflöde [l/s] 790 3590 770

4.2.1

Byggnadens energianvändning

Givna data över byggnadens energianvändning för uppvärmning jämförs med en beräknad värmebalans för byggnaden. Den aktiva värmebalansen tas fram där effektförlusterna från transmission, oavsiktlig ventilation och ventilation summeras. Åter igen tydliggörs här att beräkningen av ventilationsförlusterna i värmebalansen beräknats utifrån att

värmeåtervinning sker i aggregat TA05, vilket i rapporten refereras som åtgärd 1. Energianvändningen beräknades till 243 kWh/m2 _{för fjärrvärmeförbrukningen i} centralköket, vilket anses vara representativt då det genomsnittliga värdet av

energianvändning för uppvärmning från region Västmanlands förbrukningsrapporter var 233,6 kWh/m2_{. I beräkningen av byggnadens energianvändning för uppvärmning har inte} tappvarmvattenanvändningen inkluderats. Denna är enligt Svebys rekommendationer vid nybyggnad av kontorsbyggnader 2 kWh/m2 _{Atemp, vilket motsvarar vid beräkning mindre än} en procent i ökad energianvändning för värme i byggnaden (Levin, 2016).

4.2.2

Gradtimmar

Vid beräkning av byggnaders uppvärmningsbehov används gradtimmar, vilket beskriver perioden under året då byggnaden är i behov av aktiv uppvärmning. Gradtimmarna beräknas utifrån ett medelvärde månadsvis. En beräkning av gradtimmar har gjorts i samband med energikartläggningen och tillämpas därefter i beräkningen av byggandens energianvändning. I beräkning av energibehovet för uppvärmning fastställs ett värde för ortens gradtimmar, vilket är ett samband mellan medeltemperaturen utomhus och gränstemperaturen. Gradtimmar är summan av temperaturskillnaden mellan inne -och uteluften under ett år (Warfvinge & Dahlbom, 2017). För att beräkna gradtimmarna bestäms rimliga värden för gränstemperaturen 𝑇𝑔 samt medeltemperaturen för uppvärmningssäsongen 𝑇𝑢𝑚.

Medeltemperaturen utomhus beräknades genom att använda klimatdata för

uppvärmningssäsongen i Västerås från SMHI (SMHI, 2020). Gränstemperaturen 𝑇𝑔 sattes

till 21 °C, då de interna värmetillskotten från apparatur, människor och solinstrålning motsvarar ett temperaturtillskott på 3 °C. För att beräkna gradtimmarna summerades de timmar som motsvarar uppvärmningssäsongen över orten, därefter multipliceras timmarna med differensen av medeltemperaturen och gränstemperaturen med gradtimmarna enligt Formel 5 – Samband för beräkning av gradtimmarFormel 5.

Formel 5 – Samband för beräkning av gradtimmar

Gℎ = (𝑇𝑔− 𝑇𝑢𝑚) ∗ ℎ [°Ch]

Där 𝑇𝑢𝑚 är medelutetemperaturen i °C, 𝑇𝑔 är gränstemperaturen i °C och h är

uppvärmningssäsongens timmar.

En bedömning gjordes för uppvärmningssäsongen i Västerås och innefattar samtliga månader förutom juni-september. Medeltemperaturen under uppvärmningssäsongen

beräknades till 1,05 °C.

Tabell 4 - Medeltemperatur utomhus uppvärmningssäsong Västerås

Månad Temperatur [°C] Jan – 4,5 Feb – 4,8 Mars – 1 April 4 Sep 10,5 Okt 6,2 Nov 1 Dec – 3 Tum Uppvärmningssäsong Västerås 1,05

4.2.3

Beräkning av transmissionsförluster

Beräkning av byggnadens värmegenomgångskoefficient sker enligt två metoder, U-värdesmetoden och lambdaU-värdesmetoden. Medelvärdet av de båda metodernas U-värde beräknas och används i beräkningarna för transmissionsförluster. En förenklad bild av ytterväggens konstruktion illusteraras i Figur 3. De delar av väggens konstruktion som anses ha en försumbar påverkan av väggens termiska egenskaper har inte tagits med i

beräkningarna.

För att beräkna U-värdet i den del av väggkonstruktionen bestående av mineralull med 15 % träreglar tillämpas i U-värdesmetoden två beräkningar, där väggens U-värde beräknas med mineralull och träreglar separat. De två U-värdena multipliceras därefter med

procentandelen av respektive material i konstruktionsdelen enligt Formel 6.

Formel 6 – Beräkning av värmegenomgångskoefficient enligt U-värdesmetoden

𝑈𝑢 = 𝑎 𝑟𝑒𝑔𝑙𝑎𝑟∗ 𝑈𝑟𝑒𝑔𝑙𝑎𝑟+ 𝑎 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑙𝑙 ∗ 𝑈𝑚𝑖𝑛𝑢𝑙𝑙 [

𝑊 𝑚2, 𝐾]

Där 𝑎 𝑟𝑒𝑔𝑙𝑎𝑟 och 𝑎 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑙𝑙 motsvarar andelen i procent, 𝑈𝑟𝑒𝑔𝑙𝑎𝑟 och 𝑈𝑚𝑖𝑛𝑢𝑙𝑙 det beräknade

värmevärdet för respektive material i enhet 𝑊

𝑚2, 𝐾.

Värmemotståndet 𝑅𝑢 enligt U-värdesmetoden beräknas enligt Formel 7 nedan.

Formel 7 - Värmemotstånd 𝑅𝑢= 1 𝑈𝑢 [m2,K W]

I lambdavärdesmetoden beräknas ett medelvärde av mineralullens och träreglarnas

värmekonduktivitet. Värdet tas fram genom att multiplicera materialens värmekonduktivitet 𝜆1 respektive 𝜆2, med motsvarande procentandel 𝛼1 och 𝛼2, av den totala delens konstruktion

enligt Formel 8.

Formel 8 – Värmekonduktivitet medelvärde

𝜆𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙 = 𝛼1∗ 𝜆1+ 𝛼2∗ 𝜆2 [ 𝑊 𝑚2_,𝐾]

Värmemotståndet och således U-värdet för den del av ytterväggen som består av mineralull med 15 % träreglar beräknas i denna metod enligt formel 9. Den totala bredden b divideras med det beräknade medelvärdet för materialens värmekonduktivitet.

Formel 9 - Beräkning av värmemotstånd

𝑅𝜆 =

𝑏 𝜆𝑚𝑒𝑑𝑒𝑙

[m2,K W]

U-värdet enligt lambdavärdesmetoden tas därefter fram utifrån det beräknade värmemotståndet 𝑅𝜆 enligt Formel 10.

Formel 10 - Beräkning av värmegenomgångskoefficient

𝑈𝜆 =

1 𝑅𝜆

[𝑊 𝑚2, 𝐾]

Ett medelvärde av värmemotståndet beräknas enligt Formel 11, utifrån de beräknade värdena enligt båda metoderna. Medelvärdet för värmemotståndet används därefter för beräkning av väggens totala U-värde enligt Formel 12.

Formel 11 - Medelvärde av värmemotstånd 𝑅𝑡𝑜𝑡 = 𝑅𝑢+ 𝑅𝜆 2 [ 𝑚 2_,𝐾 𝑊 ]

Där 𝑅_𝑢 är värmemotståndet i m2_{, K/W, enligt U-värdesmetoden och 𝑅}

𝜆 värmemotståndet enligt

lambdavärdesmetoden i samma enhet.

Formel 12 - Sammanvägt U-värde utifrån u -och lambdavärdesmetoden

𝑈𝑡𝑜𝑡 =

1 𝑅𝑡𝑜𝑡

[𝑊/𝑚2, 𝐾]

Resultaten av den befintliga ytterväggen U-värden presenteras i Fel! Hittar inte

referenskälla..

Tabell 5 - Resultat av U-värdesmetoden befintlig yttervägg

Resultat nuvarande vägg R-värde [m 2_{, K/W] U-värde [W/m}2_{, K]}

Lambdametoden

5,3

0,2

U-värdemetoden (1)

3,5

0,3

U-värdemetoden (2)

6,5

0,1

Viktat resultat yttervägg 5,5 0,2

Beräkning av respektive byggnadsdels U-värde samt effektförlust redovisas i Tabell 6. Byggnadens totala medeltransmissionsförlust genom tak, ytterväggar, fönster och platta på mark beräknades till 35 000 kW med Formel 13.

Formel 13 - Effektbehov transmission

𝑃𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛 = ∑ 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑖𝑛𝑛𝑒− 𝑇𝑢𝑚) [𝑊]

Där summan av värmegenomgångskoefficienten U, för respektive byggnadsdel multipliceras med motsvarande area A och multipliceras därefter med skillnaden i innetemperatur 𝑇𝑖𝑛𝑛𝑒

och medeltemperatur utomhus 𝑇_𝑢𝑚.

Energiförlusten för transmission beräknas till 220 000 kWh enligt Formel 14.

Formel 14 - Energibehov transmission

𝐸𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛= ∑ (𝑈 ∗ 𝐴) ∗ 𝐺𝑡 [𝑊ℎ]

Där även summan av värmegenomgångskoefficienten U, för respektive byggnadsdel multipliceras med motsvarande area A och multipliceras med gradtimmarna 𝐺𝑡.

Tabell 6 - Egenskaper byggnadsdelarna

Byggnadsdel U-värde

[W/m2_{, K]}

Yttervägg 0,18

Tak 0,16

Fönster och dörrar 1,50

Platta på mark 0,40

4.2.4

Beräkning av ventilationsförluster

För beräkning av ventilationsförluster tillämpas Formel 15 där 𝑃𝑣 motsvarar den effekt som

behöver tillföras till aggregatets luftvärmare för att hålla önskad tilluftstemperatur. Faktorn d är en driftfaktor som beskriver tidsanvändningen av aggregatet.

Formel 15 – Effektbehov ventilation med tidsfaktor

𝑃𝑣= 𝑄𝑣∗ (𝑇𝑖𝑛𝑛𝑒− 𝑇å) * d [W]

Vid beräkning av den specifika ventilationsförlusten Qv, vilket motsvarar luftvärmarnas effektbehov i luftbehandlingsaggregaten, användes Formel 16.

Formel 16 – Formel för specifikt effektbehov

𝑄𝑣= ⍴ ∗ 𝑞𝑣∗ 𝑐𝑝 [

𝑊

°𝐶]

Där ρ är densitet i enhet kg/m3_{, flödet 𝑞}

𝑣 i m3/s och cp luftens specifika värmekapacitet i enhet kJ/kg K.

Återvinningstemperaturen, 𝑇å är beräknad utifrån ett medelvärde av utetemperaturen under

uppvärmningssäsongen. Medelvärdet för utomhustemperaturen 𝑇_𝑢𝑡𝑒 under

uppvärmningssäsongen beräknades till 1,05°𝐶. Detta medför ett representativt värde för utomhustemperaturen och således luftvärmarnas effektbehov då beräkningarna tar hänsyn till byggnadens uppvärmningssäsong. Nedan finns Formel 17 för beräkning av 𝑇å.

Formel 17 – Beräkning av återvinningstemperatur med temperaturåtervinning 𝑇å= 𝑇𝑢𝑡𝑒+ 𝜂 ∗ (𝑇𝑖𝑛𝑛𝑒− 𝑇𝑢𝑡𝑒) [°𝐶]

Där η är temperaturverkningsgraden för värmeväxlaren.

Värdet på driftfaktorn, d, har bestämts utifrån granskning av driftkort, aggregatkörningar samt efter diskussion med ansvarig drifttekniker. De fem aggregaten som förser byggnaden